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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 영상검지기를 이용하여 다음과 같은 기존 루프검지기를 이용한 감응식 신호제어시스템의 한계점을 개선할 수 있는 신호제어전략을 개발하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 영상검지기술을 활용하여 감응 현시의 녹색시간을 차량수요에 맞게 최적화하고, 검지영역 내 잔여차량 파악을 통해 단위연장여부를 결정함으로써 기존 반감응 신호제어시스템의 고정된 초기녹색시간과 비합리적 조기종결로 인한 한계점을 보완할 수 있는 신호제어전략 및 검지체계의 개발을 목적으로 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 3지교차로의 효율적이고 안정적인 신호운영을 위하여 좌회전 감응현시에 가변 초기녹색 시간의 개념을 도입하였으며, 차량의 검지를 위해 영상검지기의 Video Image Tracking기술을 이용하였다.
- 본 연구의 수행방법은 좌회전 감응식 신호제어전략에서 제시한 교통변수정의, 차량검지방안 및 신호운영방안을 알고리즘으로 구현한 후, 이를 CORSIM으로 평가하며 전체적인 연구의 진행은 과 같다.
- 영상검지영역은 목적에 맞게 Zone in Zone방식의 3개 영역으로 구분하여 설정하였으며, Zone1은 차량의 존재유무 파악, Zone2는 대기 차량수 파악, Zone3는 통과차량 대수 파악의 기능을 수행하도록 설계하였다.
- 위의 시나리오에 대해 각각 정주기(Pretimed) 신호제어방식, 반감응(Semi-actuated) 신호제어방식, 좌회전 감응제어방식을 적용하였을 경우를 비교·평가하였으며, 반감응 신호제어의 변수산정은 Traffic Control Systems Handbook과 Traffic Engineering(3rd Edition)에 제시된 방법을 이용하여 두 경우 모두 분석하였다.
- 차량의 연료소모와 배기가스로 인한 환경오염 정도를 파악하기 위해 각 제어기법 별 연료 소모량 및 HC, CO, NO 배출량을 함께 확인하였다.
- 현장조사는 2009년 10월 15일(목요일) 오후 첨두시간대(18:00~20:00)에 실시하였다. 매홀중학교 삼거리의 신호운영 및 교통현황 조사결과는 <표 5>, <표 6>과 같다.
대상 데이터
- 본 시스템의 평가를 위한 대상교차로로는 오산 매홀중학교 삼거리를 선정하였다. 1번 국도 상에 위치한 매홀중학교 삼거리는 정주기 신호제어방식으로 운영되고 있으며, 인접교차로와의 간격이 500m이상인 독립교차로에 해당된다.
이론/모형
-
2) 차량 검지방안
검지영역 내 차량의 검지는 지점검지(Point Detection)방식과 지역검지(Area Detection)방식을 병행하며, 지역검지방식은 최근 주정차단속, 끼어들기단속 등에 많이 활용되고 있는 Video image Tracking방식을 활용한다.
- 본 시스템의 평가도구로는 미 연방 도로국(FHWA ; Federal Highway Administration)에서 개발한 신호제어 운영의 가장 대표적인 미시적 시뮬레이터인 TSIS(Traffic Software Integrated System) 중 단속류 시뮬레이터인 CORSIM을 선정하였다. CORSIM은 많은 연구를 통해 신뢰할 수 있는 모의실험 도구로서 검증되고 수용되어 왔으며 실제로 박병규(2001), Randy와 Courage(1998) 및 Chundury와 Wolshon(2003)은 CORSIM을 통해 얻은 모의실험 자료가 통계적으로 현장 자료에 필적함을 연구결과를 통해 보여준 바 있다.
- 본 연구에서는 교통수요가 적은 부도로 및 주도로 좌회전 차량의 존재유무 및 대기차량 대수 파악을 위한 검지기로써 기존 루프검지기의 단점을 보완하며 실시간으로 자료를 처리할 수 있는 있는 Zone in Zone방식의 영상검지기술을 적용하였다.
- 시나리오에 대한 제어기법별 신호운영효율을 평가하기 위하여 다음과 같은 효과척도(MOE)를 선정하였다.
성능/효과
- CORSIM을 이용한 본 좌회전 감응제어의 현장적용성 평가 결과, 정주기 제어, 반감응 제어(1), 반감응 제어(2)에 비해 Control delay가 각각 23.10%, 15.06%, 4.34% 감소하였으며, Queue time은 36.24%, 20.10%, 7.42%, Total time은 14.36%, 7.02%, 2.96% 감소하여 운영효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한, 직진 및 좌회전 v/c비에 따른 적용성 평가 결과, 직진교통량이 포화상태에 근접할수록, 좌회전 교통량이 적을수록 개선효과 큰 것으로 나타났다.
- 교통개발연구원에서는 고속으로 운영되는 일반국도의 연동신호제어 하에서 신호교차로 통과차량의 안전성을 높이는 딜레마감응 제어방법을 개발하였으며, 이를 평가하기 위한 HILS(Hardware in Loop System)의 개발도 함께 이루어졌다. HILS 장비를 통한 실내시험평가 및 일반국도 1호선 오산시, 화성시 관내 신호교차로에 시스템을 구축하여 현장평가를 실시한 결과, 교통소통 및 안전 측면에서 모두 효과를 입증하였다.3)
- 더불어, 감응식 연동제어의 특징은 주방향 현시의 시작점이 아닌 종료되는 시점(Yield Point)에 각각을 맞춘다는 점이다. 따라서 본 알고리즘에 Background Cycle Length, Yield Point, Permissive Periods, Recall 등의 개념을 도입하면 인접교차로와 연동제어를 할 수 있다.
- 1번 국도 상에 위치한 매홀중학교 삼거리는 정주기 신호제어방식으로 운영되고 있으며, 인접교차로와의 간격이 500m이상인 독립교차로에 해당된다. 또한 매홀중학교 삼거리는 좌회전 교통량이 직진교통량의 10% 미만인 주도로와 부도로가 교차하는 일반적인 형태의 3지 교차로이기 때문에 본 시스템을 적용・평가하기에 적합하다고 판단하였다.
- 96% 감소하여 운영효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한, 직진 및 좌회전 v/c비에 따른 적용성 평가 결과, 직진교통량이 포화상태에 근접할수록, 좌회전 교통량이 적을수록 개선효과 큰 것으로 나타났다.
- 2일때 좌회전 감응제어로 인한 효과가 가장 컸으며, 직진교통량이 포화상태에 근접할수록, 좌회전 교통량이 적을수록 개선효과 큰 것으로 나타났다. 또한, 직진 및 좌회전 v/c에 관계없이 좌회전 감응제어가 정주기 제어 보다 항상 운영효율이 좋은 것으로 났다. 하지만 좌회전의 v/c가 0.
- 매홀중학교 삼거리의 신호제어방식 별 MOE 분석 결과, 좌회전 감응제어로 운영시 정주기 제어, 반감응 제어(1), 반감응 제어(2)에 비해 Control delay가 각각 23.10%, 15.06%, 4.34% 감소하였고, Queue time은 36.24%, 20.10%, 7.42%, Total time은 14.36%, 7.02%, 2.96% 감소하여 운영효율이 가장 좋은 것으로 분석되었으며, 연료소모량 및 HC, CO, NO 배출량 역시 가장 낮은 것으로 나타났다. 이동류별로 살펴보면, 이중 좌회전 현시의 조기종결로 녹색시간이 증가한 ‘남→북’ 방향의 지체가 가장 크게 개선되었으며, 현시의 조기종결에도 불구하고 ‘동→서’방향 역시 지체가 소폭 감소한 것을 알 수 있다.
- 본 신호제어알고리즘은 별도의 신규 제어기 개발 없이 전자신호제어기 및 표준신호제어기에 탑재하여 활용이 가능하다. 그리고 영상검지기가 정상적으로 작동하지 않는다면 설정된 고정 주기식 신호체계방식으로 전환한다.
- <그림 4>는 교차로에 진입하는 차량을 대상으로 Video Image Tracking방식을 통해 대기차량 수를 파악한 실험결과이다. 실험 결과, 다른 차선에서 끼어든 첫 차량을 제외하고는 모두 정상적으로 추적, 분류되었으며, 다른 차선의 추적을 실행하면 첫 차량 또한 정상적으로 검지할 수 있는 것으로 파악되었다.
- 이동류 별 운영효율을 살펴보면, 이중 좌회전 조기종결 및 현시생략이 적용되는 ‘남→북’방향으로의 효과가 가장 높았으며, 좌회전 방향의 현시율 감소로 인해 ‘북→남’방향 및 ‘동→서’방향으로의 효과가 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 이동류별로 살펴보면, 이중 좌회전 현시의 조기종결로 녹색시간이 증가한 ‘남→북’ 방향의 지체가 가장 크게 개선되었으며, 현시의 조기종결에도 불구하고 ‘동→서’방향 역시 지체가 소폭 감소한 것을 알 수 있다.
- 직진 및 좌회전 v/c비에 따른 신호제어방식 별 MOE분석 결과, 직진과 좌회전의 v/c비가 각각 1.0, 0.2일때 좌회전 감응제어로 인한 효과가 가장 컸으며, 직진교통량이 포화상태에 근접할수록, 좌회전 교통량이 적을수록 개선효과 큰 것으로 나타났다. 또한, 직진 및 좌회전 v/c에 관계없이 좌회전 감응제어가 정주기 제어 보다 항상 운영효율이 좋은 것으로 났다.
후속연구
- 또한, 3지 교차로 중 약 73%는 주도로와 부도로가 만나는 형태의 교차로에 해당된다.1) 이러한 사실은 국도 상의 신호운영에 있어서 주도로와 부도로가 교차하는 3지 교차로에 대한 더 많은 연구가 이루어져야함을 잘 보여준다.
- 더불어, 본 제어전략의 안정적인 도입을 위해서는 추후 야간 및 날씨에 따른 영상검지기 검지자료 신뢰성 평가에 대한 연구가 이루어져야 하며, 본 제어전략을 이용한 감응식 연동제어의 효율성 검토가 필요하다. 또한, 현장제어기 간 무선통신을 이용한 교차로 연계제어 및 접근속도가 높은 교차로에 딜레마제어를 함께 적용하는 방안에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 한다.
- 또한, 영상검지기를 신호제어목적으로 활용함으로써 기존 매설형 검지기의 유지보수 방식의 문제점으로 인한 사회적 비용을 절약할 수 있으므로 장기적으로 보다 경제적이며, 신호제어에 영상검지기술 도입함으로서 세계적으로 교통신호 운영분야의 진일보한 발전으로 평가받을 수 있으리라 기대한다.
- 더불어, 본 제어전략의 안정적인 도입을 위해서는 추후 야간 및 날씨에 따른 영상검지기 검지자료 신뢰성 평가에 대한 연구가 이루어져야 하며, 본 제어전략을 이용한 감응식 연동제어의 효율성 검토가 필요하다. 또한, 현장제어기 간 무선통신을 이용한 교차로 연계제어 및 접근속도가 높은 교차로에 딜레마제어를 함께 적용하는 방안에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 한다.
- 본 제어전략을 지방부도로의 불규칙적인 교통류 통행 특성을 지닌 교차로에 적용시 주도로 통행량 증가 및 교통 혼잡 완화 등의 효과를 기대할 수 있으며, 기존 신호제어시스템과 연계한 운영방안을 수립함으로써 지속적인 시스템의 확대가 이루어 질 수 있으리라 판단된다.
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