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문제 정의
- 따라서 이 연구의 목적은 고속도로와는 다른 특성을 가진 도시고속도로상의 유입연결로 접속부 합류영향권내 실시간 교통특성 자료를 바탕으로 연결로 접속부의 서비스수준 평가를 위한 효과척도인 영향권 내 밀도를 보다 정확하게 추정하는 분석모델을 개발하고 KHCM 모형과 더불어 2000년에 개정된 미국의 도로용량편람(이하, USHCM)에서 제시하고 있는 모형을 도시고속도로(번영로)에 적용하여 그 타당성을 검토하는데 있다.
- 이 연구는 부산광역시 도시고속도로(번영로)를 대상으로 유입연결로 접속부 합류영향권상에서 밀도추정모형의 구축 및 검증을 실시하였다. 일반적으로 연결로 접속부는 합류부와 분류부로 구분되지만, 이 연구에서는 합류부만을 대상으로 연구를 수행하였으며 향후 분류부에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
제안 방법
- 서 각각 2개씩 4개의 유입연결로(도심지역은 문현(A)과 대연(B), 부도심지역은 망미(C)와 원동(D))가 선정되었으며 선정된 유입연결로의 합류영향권내 5개 지점(상류부 1, 2차로, 하류부 1, 2차로 및 램프)에 검지기(NC-97)를 설치하여 매 15분 단위로 1일 24시간씩 실시간의 교통특성자료를 2006년 11월~2007년 2월에 걸쳐 수집하였다. 특히 수집된 자료는 오류를 배제한 주중(화, 수, 목)자료가 사용되었으며 자료의 비교·분석과 모형의 구축ㆍ검증을 위해 MS Office 2003과 SPSS(Ver.
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권내 교통특성의 상호관계를 파악하기 위하여 교통량과 속도, 교통량과 밀도의 상관 그래프를 비교ㆍ분석 하였다.
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권에서 밀도추정모형을 구축하기 위해 합류영향권 밀도에 영향을 미치는 설명 변수로 교통량 조건과 기하구조 조건에 해당하는 변수를 설정하였다. 교통량 변수로는 접속차로로부터 2번째 차로까지의 교통량(V12)과 연결로 교통량(VR)이사용되었고, 기하구조 변수는 가속차로의 길이(LA)가 사용되었다.
- 이 연구대상 합류영향권내 차로별/방향별 교통특성분석을 위해서 교통량(volume)은 교통류율(flow rate)로 환산되었고, 속도(speed)는 지점평균속도와 속도등급분포를 바탕으로 공간평균속도로 전환되었으며, 밀도(density)는 차두거리(headway distance)의 역수로서 차두시간(headway)과 공간평균속도로부터 산정되었다.
- 이 연구에서는 교통량과 밀도의 관계를 이용하여 용량 점에서의 밀도(임계밀도)를 기준으로 임계밀도보다 큰 경우를 불안정류(unstable flow)로 보고 불안정류를 제거한 안정류 (stable flow) 자료를 바탕으로 모형의 구축과 검증을 시행하였다.
- 이 연구에서는 모형의 상호비교를 위한 방법으로 실제 관측밀도에 대한 통계량과 세 개의 모형 즉 이 연구에서의 추정모형, KHCM모형 및 USHCM모형에 의한 추정밀도간의 통계량을 계산하여 비교하는 방법을 사용하였다. 이러한 목적으로 이 연구에서는 표본평균, 표본표준편차, RMSE(root mean square error) 등의 기초통계량이 사용되었다.
- 이 연구에서는 부산광역시 도시고속도로(번영로)를 대상으로 한 교통특성 분석을 바탕으로 유입연결로 접속부 합류영향권내의 평균밀도를 추정하기 위한 모형의 구축 및 검증을 실시하였고, KHCM 및 USHCM에서 제시하고 있는 모형과의 비교·분석을 통하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부의 교통특성자료를 중심으로 구축된 밀도추정모형을 검증하기 위하여 모형구축에 사용되지 않은 자료와 구축된 모형으로부터 추정된 자료를 바탕으로 구축된 모형이 실제상황에서 발생하는 현상들을 정확히 나타내는지 판단하기 위하여 ttest분석과 상관관계분석이 이용되었다. 이와 함께 KHCM 모형으로부터 추정된 밀도와 관측밀도, 그리고 USHCM모형으로부터 추정된 밀도와 관측밀도를 바탕으로 t-test분석과 상관관계분석을 통하여 기존모형의 적용성 여부를 검토해 보았다.
대상 데이터
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권에서 밀도추정모형을 구축하기 위해 합류영향권 밀도에 영향을 미치는 설명 변수로 교통량 조건과 기하구조 조건에 해당하는 변수를 설정하였다. 교통량 변수로는 접속차로로부터 2번째 차로까지의 교통량(V12)과 연결로 교통량(VR)이사용되었고, 기하구조 변수는 가속차로의 길이(LA)가 사용되었다.
- 이 연구대상지역인 도시고속도로(번영로)는 양방향 4차로의 입체도로시설로 7개의 유입연결로, 7개의 유출연결로와 5개소의 터널로 구성되어 있으며, 제한속도는 본선에서 80km/h, 연결로에서 50km/h로 운영되고 있으며, 차량의 과속을 통제하기 위하여 본선 상에 방향별로 각각 3개의 속도 감시카메라가 설치되어 있다. 특히 이 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권내 기하구조특성 및 검지기의 설치 위치는 Fig.
- 이 연구에서는 부산지역을 남북축으로 가로지르며 도심과 부도심지역을 연결하는 부산의 제1도시고속도로인 번영로에서 연결로를 통해 차량이 본선으로 유입되는 합류부 4곳을 연구대상 지점으로 선정하였다.
- 특히 수집된 자료는 오류를 배제한 주중(화, 수, 목)자료가 사용되었으며 자료의 비교·분석과 모형의 구축ㆍ검증을 위해 MS Office 2003과 SPSS(Ver. 12.0)가 실시간 자료와 함께 사용되었다.
데이터처리
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권에 대한 밀도추정모형은 합류영향권내에서 수집된 교통특성자료와 함께 중 회귀분석(multiple regression analysis)을 이용하여 구축되었다. 모형검증은 t-test분석과 상관관계분석 (correlation analysis)을 통해 수행되었으며 또한 기존의 KHCM에서 제시하고 있는 모형과 USHCM에서 제시하고있는 모형을 도시고속도로에 적용하는데 타당성을 검토해보았다.
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부 합류영향권에 대한 밀도추정모형은 합류영향권내에서 수집된 교통특성자료와 함께 중 회귀분석(multiple regression analysis)을 이용하여 구축되었다. 모형검증은 t-test분석과 상관관계분석 (correlation analysis)을 통해 수행되었으며 또한 기존의 KHCM에서 제시하고 있는 모형과 USHCM에서 제시하고있는 모형을 도시고속도로에 적용하는데 타당성을 검토해보았다.
- 이 연구대상 도시고속도로의 유입연결로 접속부의 교통특성자료를 중심으로 구축된 밀도추정모형을 검증하기 위하여 모형구축에 사용되지 않은 자료와 구축된 모형으로부터 추정된 자료를 바탕으로 구축된 모형이 실제상황에서 발생하는 현상들을 정확히 나타내는지 판단하기 위하여 ttest분석과 상관관계분석이 이용되었다. 이와 함께 KHCM 모형으로부터 추정된 밀도와 관측밀도, 그리고 USHCM모형으로부터 추정된 밀도와 관측밀도를 바탕으로 t-test분석과 상관관계분석을 통하여 기존모형의 적용성 여부를 검토해 보았다.
- 이 연구대상 합류구간 영향권에서 관측된 현장의 관측밀도와 이 연구에서의 추정모형, KHCM모형 및 USHCM모형에 의한 추정밀도간의 상기 제시된 통계량(표본평균, 표본표준편차, RMSE)을 상호 비교하였다.
- 이 연구에서는 모형의 상호비교를 위한 방법으로 실제 관측밀도에 대한 통계량과 세 개의 모형 즉 이 연구에서의 추정모형, KHCM모형 및 USHCM모형에 의한 추정밀도간의 통계량을 계산하여 비교하는 방법을 사용하였다. 이러한 목적으로 이 연구에서는 표본평균, 표본표준편차, RMSE(root mean square error) 등의 기초통계량이 사용되었다.
이론/모형
- 한편 위의 밀도추정모형에서는 중 회귀분석이 사용되었고, 특히 중 회귀분석을 이용한 밀도추정모형에서 발생할 수 있는 다중공선성(multicollinearity)문제를 해결하기 위해서 시행착오(trial-and-error)과정이 도입되었다.
성능/효과
- 1. 이 연구에서 유입연결로 접속부 합류영향권의 밀도추정모형은 결정계수 값(R2)이 0.986으로 매우 높은 설명력을 나타내었으며, 상관계수 값(r)이 0.994로 높게 나타남으로써 모형의 유효성이 입증되었다.
- 2. 합류부 영향권의 밀도추정모형에 대한 검증을 위하여 모형식에 의한 추정밀도와 관측밀도간의 t-test분석을 실시한 결과, KHCM모형과 USHCM모형의 경우 유의확률이 0.000으로 유의수준(α/2=0.025)보다 작게 나타나 도시고속도로의 적용에 적합하지 않음을 알 수 있었고, 이 연구에서의 모형은 유의확률이 0.453으로 유의수준(α/2=0.025)보다 크게 나타나 추정밀도와 관측밀도 사이에 밀도 차가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 교통량과 밀도관계에서는 아래의 Fig. 6에서 보는바와 같이 최대교통량에 도달하기 전까지는 밀도증가와 함께 교통량이 증가하였고, 최대교통량에 도달한 후에는 밀도증가와 함께 교통량도 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 최대교통량 상태에서 밀도를 살펴보면, 도심과 부도심지역에 근접한 유입연결로 A와 D에서는 최대교통량이 약 1200~1400pc/h 일 때 밀도가 대략 20~30pc/km 정도로 나타났고, 도심과 부도심지역사이의 유입연결로 B와 C에서는 최대교통량이 약1600~1800pc/h 일 때 밀도가 대략 30~40pc/km 정도를 보이는 것으로 나타났다.
- 교통량과 속도관계에서는 아래의 Fig. 5에서 보는 바와 같이 교통량이 최대교통량(용량)에 도달할 때까지 교통량의 증가와 함께 속도가 점차 감소하였고, 최대교통량에 도달한 후 추가적인 교통량 유입과 더불어 속도는 급격히 감소한다는 사실을 확인할 수 있었다. 특히, 최대교통량의 경우 1200~1600pc/h로 나타나 KHCM에서 제시하고 있는 고속도로 기본구간의 설계속도가 80km/h일 때의 용량(2,000pc/h)보다 적어도 20% 이상 용량감소를 보이는 것으로 나타났다
- 그 이유는 KHCM모형은 제한속도 100~110km/h 상황에서 대체적으로 자유류 속도를 유지하는 고속도로를 대상으로 구축되었는데, 이 연구에서는 제한속도 80km/h 상황의 지ㆍ정체가 반복되는 도시고속도로를 대상으로 구축되었고, 가속차로의 길이가 건설교통부가 지정한 최소기준에 미달하는 구간도 나타났으며, 출퇴근시간대에 집중되는 교통특성으로 인하여 연결로를 통해 유입하는 차량이 본선차량의 통행에 많은 영향을 주기 때문으로 판단되었다(참조 Table 6).
- 861에 비해 관측밀도와의 편차가 매우 적은 것을 알 수 있었다. 그리고 이 연구에서의 추정모형은 대략 3%의 오차를 보여줌으로써 비교적 현실에 적합한 결과를 나타낸 반면, KHCM모형은 약 21%, USHCM모형은 약 15%정도의 오차를 나타내고 있어 추정모형이 상대적으로 높은 추정능력을 갖고 있는 것으로 나타났다(참조 Table 8).
- 이 연구대상 유입연결로의 합류영향권내 밀도의 특성분석결과를 살펴보면, 도심지역 부도심방향의 유입연결로 접속부 A(문현)와 B(대연)는 오후첨두시에 높은 밀도를 나타냈고, 부도심지역 도심방향의 유입연결로 접속부 C(망미)와 D(원동)에서는 오전첨두시에 높은 밀도를 보이면서 차량이 집중하는 것으로 나타났다. 또한 출퇴근시간대를 전후하여 대략 150~500%정도의 급격한 밀도 증가를 보였다.
- 994로 매우 높은 상관성과 설명력을 보이는 것으로 나타났다. 또한, KHCM모형과 USHCM모형에서도 상관계수(r)값이 각각 0.978, 0.987로 나타나 높은 상관성을 나타냈으나 관측밀도가 증가함에 따라 추정밀도가 45도선을 기준으로 상당히 아래쪽으로 분포하는 것을 볼 수 있는데 대체적으로 실제보다 낮게 밀도를 추정하여 우리나라와 미국의 도로용량편람이 제시하는 모형을 도시고속도로에 적용하는데 부적절하다는 사실을 확인할 수 있었다(참조 Fig. 9~10).
- 변수의 영향이 더 큰 것으로 나타났는데 이는 KHCM모형과 USHCM모형에서 변수의 영향이 변수보다 높은 것과 대조적이었다. 또한, KHCM모형은 가속차로의 길이(LA) 변수가 종속변수(DMR)에 영향을 미치는 정도가 다른 모형에 비해 상당히 낮게 나타났다.
- 또한, 개별독립변수의 유의성을 나타내는 값들 역시 유의확률이 모두 0.000으로 매우 유의한 것으로 나타났으며, 연결로 교통량(VR)과 접속차로로부터 2번째 차로까지의 교통량(V12)이 증가함에 따라 합류영향권내밀도가 증가하는 ‘+’부호를 나타냈고, 가속차로의 길이(LA)가 증가함에 따라 합류영향권내 밀도가 감소하는 ‘-’부호를 나타냄으로써 회귀계수의 부호가 실제현상에 부합되며 합리적인 것으로 판단되었다(참조 Table 5).
- 또한, 종속변수(DMR)에 영향을 미치는 독립변수의 기여도에 있어서는 연결로 교통량(VR) 변수가 접속차로로부터 2번째 차로까지의 교통량(V12) 변수보다 회귀계수 값이 더 크게 나타나 VR 변수의 영향이 더 큰 것으로 나타났는데 이는 KHCM모형과 USHCM모형에서 변수의 영향이 변수보다 높은 것과 대조적이었다. 또한, KHCM모형은 가속차로의 길이(LA) 변수가 종속변수(DMR)에 영향을 미치는 정도가 다른 모형에 비해 상당히 낮게 나타났다.
- 이 연구대상 유입연결로 접속부의 합류영향권에 대한 밀도추정모형의 구축결과, 모형의 결정계수(R2)값이 0.986으로 모형구축에 상당한 설명력을 나타내었으며, 모형식에 대한 유의확률을 나타내는 F-통계량도 0.000으로 나타나 매우 유의한 것으로 분석되었다. 또한, 개별독립변수의 유의성을 나타내는 값들 역시 유의확률이 모두 0.
- 이 연구대상 유입연결로에 대해 관측밀도(observed density)와 추정밀도(expected density) 사이의 모형별 t-test 양측검증결과, Table 7에서 보는 바와 같이 이 연구에서의 모형이 95%의 신뢰수준(confidence level)하에서 유의확률(pvalue)이 유의수준(significance level)보다 크게 나타나 관측밀도와 추정밀도사이에 차이가 나지 않음을 알 수 있었으나, KHCM모형과 USHCM모형의 검증에서는 유의확률이 0.000으로 유의수준(α/2=0.025)보다 작게 나타나 도시고속도로의 적용에 적합하지 않다고 판단되었다.
- 이 연구대상 유입연결로에 대해 관측밀도(observed density)와 추정밀도(expected density)사이의 상관관계분석결과 Fig. 8에서와 보는 같이 상관계수(r)값이 이 연구 모형에서 0.994로 매우 높은 상관성과 설명력을 보이는 것으로 나타났다. 또한, KHCM모형과 USHCM모형에서도 상관계수(r)값이 각각 0.
- 이 연구대상 유입연결로의 합류영향권내 밀도의 특성분석결과를 살펴보면, 도심지역 부도심방향의 유입연결로 접속부 A(문현)와 B(대연)는 오후첨두시에 높은 밀도를 나타냈고, 부도심지역 도심방향의 유입연결로 접속부 C(망미)와 D(원동)에서는 오전첨두시에 높은 밀도를 보이면서 차량이 집중하는 것으로 나타났다. 또한 출퇴근시간대를 전후하여 대략 150~500%정도의 급격한 밀도 증가를 보였다.
- 이 연구에서의 추정모형과 KHCM, USHCM모형사이에 상대적으로 큰 오차가 발생하게 되는 이유는 KHCM모형과 USHCM모형이 도시고속도로와는 기하구조와 교통특성이 현격히 다른 고속도로의 상황에서 구축된 모형이기 때문으로 여건의 차이가 있는 것으로 판단되었다.
- 특히, KHCM모형 및 USHCM모형에 의해 추정된 밀도는 관측밀도보다 1.7~2.4pc/km정도 낮게 나타났고, 이 연구에서의 추정모형의 경우 관측밀도와 거의 유사한 값으로 나타났으며 RMSE(root mean square error) 역시 이 연구에서의 추정모형이 0.981로 KHCM모형에서 3.205, USHCM모형에서 2.861에 비해 관측밀도와의 편차가 매우 적은 것을 알 수 있었다. 그리고 이 연구에서의 추정모형은 대략 3%의 오차를 보여줌으로써 비교적 현실에 적합한 결과를 나타낸 반면, KHCM모형은 약 21%, USHCM모형은 약 15%정도의 오차를 나타내고 있어 추정모형이 상대적으로 높은 추정능력을 갖고 있는 것으로 나타났다(참조 Table 8).
- 특히, 모든 연구대상 유입연결로 접속부에서 통행량이 집중되는 시간대에 속도가 30km/h이하로 현저하게 감소됨으로써 정체가 심화되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 특히, 이 연구대상 유입연결로 접속부 합류영향권내 평균 교통량은 대체적으로 700~1,100pc/h 범위 내에 분포되는 것으로 나타났고, 최소 교통량과 최대 교통량은 각각 100~ 200pc/h와 1,200~2,000pc/h 정도로 뚜렷한 차이를 보였다. 또한, 출퇴근시간대에 교통량은 유입연결로 A에서는 1,200~1,600pc/h, 유입연결로 B에서는 1,600~1,800pc/h, 유입연결로 C에서는 1,800~2,000pc/h, 유입연결로 D에서는 1,200~1,400pc/h를 보이는 것으로 나타났다(참조 Table 2, Fig.
- 특히, 이 연구대상 유입연결로 접속부 합류영향권내의 평균밀도는 대체적으로 15~30pc/km 범위 내에 분포되는 것으로 나타났고, 최소밀도는 대략 2~3pc/km 범위 내에 분포되는 것으로 나타났으며, 최대밀도는 유입연결로 A와 D에서 30~40pc/km, 유입연결로 B와 C에서 50~60pc/km 범위로 나타났다(참조 Table 4, Fig. 4).
- 6에서 보는바와 같이 최대교통량에 도달하기 전까지는 밀도증가와 함께 교통량이 증가하였고, 최대교통량에 도달한 후에는 밀도증가와 함께 교통량도 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 최대교통량 상태에서 밀도를 살펴보면, 도심과 부도심지역에 근접한 유입연결로 A와 D에서는 최대교통량이 약 1200~1400pc/h 일 때 밀도가 대략 20~30pc/km 정도로 나타났고, 도심과 부도심지역사이의 유입연결로 B와 C에서는 최대교통량이 약1600~1800pc/h 일 때 밀도가 대략 30~40pc/km 정도를 보이는 것으로 나타났다.
- 5에서 보는 바와 같이 교통량이 최대교통량(용량)에 도달할 때까지 교통량의 증가와 함께 속도가 점차 감소하였고, 최대교통량에 도달한 후 추가적인 교통량 유입과 더불어 속도는 급격히 감소한다는 사실을 확인할 수 있었다. 특히, 최대교통량의 경우 1200~1600pc/h로 나타나 KHCM에서 제시하고 있는 고속도로 기본구간의 설계속도가 80km/h일 때의 용량(2,000pc/h)보다 적어도 20% 이상 용량감소를 보이는 것으로 나타났다
후속연구
- 일반적으로 연결로 접속부는 합류부와 분류부로 구분되지만, 이 연구에서는 합류부만을 대상으로 연구를 수행하였으며 향후 분류부에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한, 도시고속도로 전체에 적용 가능한 모형을 제시하기 위하여 보다 많은 연구대상 지역에서 다양한 기하구조를 반영한 연구가 이루어져야 할 것이다.
- 또한 차량의 차로변경과 속도 감소정도는 유입부에서 더 크게 나타나고 있는 반면, 유출부에 있어서는 해당 서비스도로의 교통여건에 따라 다소 차이가 있겠으나 거의 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 유입연결로 접속부의 원활한 소통과 안전을 위해서는 정확한 서비스수준 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 이 연구는 부산광역시 도시고속도로(번영로)를 대상으로 유입연결로 접속부 합류영향권상에서 밀도추정모형의 구축 및 검증을 실시하였다. 일반적으로 연결로 접속부는 합류부와 분류부로 구분되지만, 이 연구에서는 합류부만을 대상으로 연구를 수행하였으며 향후 분류부에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한, 도시고속도로 전체에 적용 가능한 모형을 제시하기 위하여 보다 많은 연구대상 지역에서 다양한 기하구조를 반영한 연구가 이루어져야 할 것이다.
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