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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내에서 연구된 보행자 시간 및 UTIS 차량검지 시스템 등을 고려함과 동시에 preemption 이후 일반차량의 지체를 최소화하기 위한 전략으로 회복주기 적용시 연동현시 연장 “Dwell” 및 “Add 또는 Subtract”을 이용한 전이방식을 사용하여 비연동축(3개 교차로 미만)과 연동축(5개 교차로 이상)에 대해 긴급차량과 일반차량에 대해 평가해 보았다.
- 따라서 본 연구에서는 긴급차량의 통행시간 단축과 안전한 교차로 통과를 위하여 현재 UTIS 사업에서 제시한 통신망의 물리적 특성을 고려하여 preemption 신호제어 전략 및 알고리즘을 제시하고, 대전시 일부 지역을 대상으로 그 효과를 평가하였다.
- 본 연구에서는 UTIS 사업에서 사용되는 통신기술을 이용하여 긴급차량의 통행시간을 감소시킬 수 있는 preemption 알고리즘을 개발하였다. 개발된 preemption에서는 현시삽입 방법을 이용하여, single 및 dual-ring에서 구현할 수 있는 현시전략과 보행자 횡단시간을 보장하기 위한 전략, 그리고 일반차량의 지체를 최소화하기 위한 이전주기 복귀 전략을 사용하였다.
제안 방법
- Preemption 신호제어에서는 보행자 시간을 고려한 최소녹색시간을 보장할 수 있도록 하였으며, 주기 회복시 전이방식은 “Dwell” 및 “Add 또는 Subtract”을 이용하였다.
- Preemption 제어전략에서는 우선신호 적용을 위한 차량 검지시스템, 보행자와의 상충을 최소화 할 수 있는 최소녹색시간 및 긴급차량의 교차로 통과를 위한 현시전략, 그리고 preemption 제어 이후 일반차량의 지체를 최소화 할 수 있는 회복(Recovery)에 대한 전략에 대해 연구를 수행하였다.
- 개발된 preemption 알고리즘을 평가하기 위해 대전에 위치한 두개의 네트워크를 대상으로 모의실험을 수행하였으며, 이를 기반으로 기존 고정식 신호 제어 방식과 preemption 제어 방식에 따른 긴급차량 및 일반차량의 효과를 검증해 보았다.
- 본 연구에서는 UTIS 사업에서 사용되는 통신기술을 이용하여 긴급차량의 통행시간을 감소시킬 수 있는 preemption 알고리즘을 개발하였다. 개발된 preemption에서는 현시삽입 방법을 이용하여, single 및 dual-ring에서 구현할 수 있는 현시전략과 보행자 횡단시간을 보장하기 위한 전략, 그리고 일반차량의 지체를 최소화하기 위한 이전주기 복귀 전략을 사용하였다.
- 연구의 대상지인 비연동축(삼성동) 네트워크와 연동축(둔산동) 네트워크는 VISSIM을 이용하여 <그림 7>과 같이 구축하였다. 구축 네트워크는 실제 긴급차량이 출동한 경로(1,810m 및 2,870m)를 포함할 수 있도록 구성하였으며, 현장에서 적용되고 있는 회전금지, 차로수, 그리고 도류화 등을 모두 반영하였다.
- 그러나 본 연구에서 제시한 preemption 신호제어 운영에서는 이를 최소화하기 위한 방안으로 preemption 현시 이후 “Add 또는 Subtract”과 “Dwell” 방법을 이용하여 그 영향을 최소화 하였다.
- 375로 통계적인 유의미한 차이는 없는 것으로 나타났다. 그러나 실측치 및 모의실험 결과의 표준편차가 큰 것을 감안하여 정밀도를 높이기 위하 VISSIM의 변수를 조정하였다.
- 따라서 본 검증에서는 일표본 T검정 및 대응표본 T검정이 아닌 독립표본 T검정을 실시하였다. 조정된 변수를 이용하여 산출된 통행시간과 실측 통행시간의 독립표본 T검정 결과(신뢰수준 95%)는 다음 <표 6> 및 <표 7>과 같이 분석되었다.
- 008로 연동축(둔산동)의 통행시간 차이는 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다. 따라서 이 둘의 차이를 극복하기 위해 VISSIM의 변수 값을 조정하였다.
- 본 연구는 대전시 소방서에서 실제 긴급차량이 출동한 경로와 동일한 지역을 2군데 선정하였다. 또한 동일 출동 경로를 일반차량을 통해 통행시간을 조사하여 모의실험 구축 및 평가에 필요한 정산 과정을 수행하였다.
- 또한 이를 최소화하기 위해 회복주기에 “Smooth”, “Add”, 그리고 “Dwell”"의 전이 방식을 사용하여 분석하였다.
- 모의실험에서 구축된 네트워크를 기반으로 현재 운영되고 있는 신호운영체계 상태에서 긴급차량이 출동한 대안과 본 연구에서 제시한 preemption 신호 제어 상황에서 긴급차량이 출동한 대안에 대해 비교 분석을 수행하였다. 분석 결과는 긴급차량의 통행시간과 일반차량의 네트워크 평균지체에 대해 비교 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서 개발된 preemption 알고리즘을 평가하기 위해 대전에 위치한 2개 지역에 대해 모의실험을 수행하였다. 모의실험은 모형구축 및 정산과정을 거쳐 기존 신호시스템과의 비교 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 “Dwell” 및 “Add 또는 Subtract”을 이용하여 전이에 대해 검토하였다.
- 정산을 위한 지표인 통행시간을 측정하기 위해 두 지역에서 실험차량을 이용하였다. 실험차량은 각각 긴급차량이 운행한 경로와 동일 경로를 10회 반복 주행하여 통행시간을 산출하였다. 그 결과는 다음 <표 3>과 같다.
- 앞서 제시된 차량 검지시스템, 현시전략, 그리고 회복 등을 고려하여 긴급차량 preemption 알고리즘을 개발하였다. 우선 본 긴급차량 preemption 신호 제어에서는 긴급차량의 검지기 우선되어야 하며, 이를 기반으로 검지된 차량의 접근방향별 긴급차량 현시 삽입을 선택하게 된다.
- 연구대상의 네트워크를 구축하기 위한 신호현시 및 교통량에 대하여 오후 첨두시간에 조사를 수행하였다. 그 결과는 <표 1> 및 <표 2>와 같다.
- 우선 기본 네트워크에 교통량과 기하구조, 그리고 신호운영 변수 등을 입력하여 비연동축(삼성동) 모형을 15회씩 반복 수행하였다. 그 결과 비연동축 (삼성동)의 통행시간 평균은 162.
- 그러나 무선통신의 특성상 가시거리에 가로수 , 건물, 그리고 기타 지장물 등이 존재하면 통신제약이 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 긴급차량의 통신영역을 최대 200m로 설정하여 사용하였다. UTIS에서는 OBE와 RSE는 매초마다 차량의 위치 및 시간 등을 송수신하기 때문에 현장 적용상에 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 긴급차량의 효과척도로는 통행시간을 사용하였다. 현재 대전시에서 사용 중인 고정식 신호제어에서 긴급차량이 출동할 때를 가정한 모의실험과 본 연구에서 제안한 preemption 신호제어를 이용하였을 경우에 대하여 긴급차량의 통행시간 및 평균속도를 산출하였다. 이때 각 모의실험은 랜덤넘버를 달리 바꿔 15회 수행하였으며, 그 결과는 <표 8>과 같다.
대상 데이터
- 긴급차량의 preemption 영향을 검토하기 위해 대전시 삼성 119안전센터에서 삼성동 주변의 실제 출동 경로(Case1: 비연동축)와 갈마 119안전센터에서 둔산2동 출동 경로(Case2: 연동축)를 본 연구의 대상으로 선정하였다.
- 본 연구는 대전시 소방서에서 실제 긴급차량이 출동한 경로와 동일한 지역을 2군데 선정하였다. 또한 동일 출동 경로를 일반차량을 통해 통행시간을 조사하여 모의실험 구축 및 평가에 필요한 정산 과정을 수행하였다.
- 본 연구에서 개발된 preemption 알고리즘을 평가하기 위해 대전에 위치한 2개 지역에 대해 모의실험을 수행하였다. 모의실험은 모형구축 및 정산과정을 거쳐 기존 신호시스템과의 비교 평가를 수행하였다.
- 연구의 대상지인 비연동축(삼성동) 네트워크와 연동축(둔산동) 네트워크는 VISSIM을 이용하여 과 같이 구축하였다.
- 정산을 위한 지표인 통행시간을 측정하기 위해 두 지역에서 실험차량을 이용하였다. 실험차량은 각각 긴급차량이 운행한 경로와 동일 경로를 10회 반복 주행하여 통행시간을 산출하였다.
데이터처리
- 모의실험 결과의 통계적 유의성을 검토하기 위하여 제어기법별 통행시간에 대해 일원배치 분산분석을 수행하였다. 그 결과 비연동축(삼성동) 및 연동축(둔산동)에서 기존 고정식 대비 preemption 제어가 긴급차량 통행시간 단축에 95% 신뢰수준에서 효과가 있는 것으로 확인되었으며, preemption의 주기 회복방법 간의 차이는 없는 것으로 나타났다.
- 모의실험의 객관적이고 정확한 분석결과를 얻기 위해 구축된 네트워크에 대한 정산(calibration) 과정을 수행하였으며, 모형의 검증(validation)을 진행하였다. 정산 및 검증을 위한 지표로는 통행시간을 사용하였으며, 이는 네트워크가 길고 복잡하여 교차로 지체 등과 같은 현장지표를 측정하는데 제한이 있었기 때문이다.
- 모형의 검증을 위한 방법으로 본 연구에서는 통계적 검정을 사용하였다. 검증을 위한 지표로 사용된 통행시간은 현장의 실측값을 사용하였으나, 이는 모집단인 해당시간에 해당지역을 통과한 전수 차량을 관측한 값이 아니라 실험차량을 통해 얻어 값이다.
- 모의실험에서 구축된 네트워크를 기반으로 현재 운영되고 있는 신호운영체계 상태에서 긴급차량이 출동한 대안과 본 연구에서 제시한 preemption 신호 제어 상황에서 긴급차량이 출동한 대안에 대해 비교 분석을 수행하였다. 분석 결과는 긴급차량의 통행시간과 일반차량의 네트워크 평균지체에 대해 비교 분석을 수행하였다.
- 이는 통행시간이 실측값 보다 증가한 것으로 확인되었으나, 실측값과 모의실험 결과를 통계프로그램인 SPSS12.0을 이용하여 독립표본 T검정(95%신뢰수준)을 통해 분석해본 결과 유의확률이 0.375로 통계적인 유의미한 차이는 없는 것으로 나타났다. 그러나 실측치 및 모의실험 결과의 표준편차가 큰 것을 감안하여 정밀도를 높이기 위하 VISSIM의 변수를 조정하였다.
- 이를 보다 객관적으로 검증하기 위해 평균지체에 대해 분산분석을 수행하였으며, 그 결과는 다음 및 과 같이 나타났다
이론/모형
- 본 연구의 preemption 알고리즘을 구현 평가하기 위해 가용한 교통류 분석프로그램은 VISSIM, PARAMICS, 그리고 CORSIM 등이 있으나, 알고리즘의 구현 및 적용이 용이하며 다양한 평가지표를 확인할 수 있는 VISSIM을 이용하였다. 개발된 긴급 차량의 preemption 알고리즘은 VISSIM의 VAP을 이용하여 구현하였으며, 여기에는 긴급 현시 삽입, 최소녹색시간 판단, 그리고 주기 회복 등이 모두 포함된다.
- 또한 preemption의 특성상 긴급차량이 교차로를 통과할 수 있도록 대기차량을 소거할 필요성이 요구되며, 이를 위해서는 긴급차량 접근차로의 좌회전 및 직진 이동류의 overlap 현시가 요구된다. 따라서 본 연구에서 사용되는 preemption 현시전략은 single-ring 또는 dual-ring 모두에서 사용가능한 현시 삽입(phase insert) 방법을 사용하였다.
- 본 연구의 preemption 알고리즘을 구현 평가하기 위해 가용한 교통류 분석프로그램은 VISSIM, PARAMICS, 그리고 CORSIM 등이 있으나, 알고리즘의 구현 및 적용이 용이하며 다양한 평가지표를 확인할 수 있는 VISSIM을 이용하였다. 개발된 긴급 차량의 preemption 알고리즘은 VISSIM의 VAP을 이용하여 구현하였으며, 여기에는 긴급 현시 삽입, 최소녹색시간 판단, 그리고 주기 회복 등이 모두 포함된다.
성능/효과
- 그 결과 “Add 또는 Subtract” 방식으로 주기 회복을 수행하였을 경우, 비연동축(삼성동)의 긴급차량통행시간은 약 37% 감소, 속도는 49%증가 하였으며, 연동축(둔산동)의 통행시간은 약 43% 감소, 속도는 84% 증가한 것을 확인하였다.
- 그 결과 “Smooth” 방식이 타 전이 방식에 비해 지체감소 측면에서 우수한 것으로 확인되었다[8].
- 그 결과 기존 고정식 대비 preemption 신호를 사용할 경우 일반차량의 평균지체는 증가하는 것으로 나타났다. 특히 비연동축(삼성동)의 경우 preemption 이후 “Dwell” 방식을 취할 경우 평균지체가 33.
- 그 결과 긴급차량의 경우 “Add 또는 Subtract”을 사용할 경우 36.8~43.3%, “Dwell” 방식을 사용할 경우 30.7~46.0%의 통행시간 감소가 확인되었으며, 이는 통계적으로 유의미한 차이로 검증되었다.
- 우선 기본 네트워크에 교통량과 기하구조, 그리고 신호운영 변수 등을 입력하여 비연동축(삼성동) 모형을 15회씩 반복 수행하였다. 그 결과 비연동축 (삼성동)의 통행시간 평균은 162.6초, 표준편차는 38.5로 분석되었다.
- 모의실험 결과의 통계적 유의성을 검토하기 위하여 제어기법별 통행시간에 대해 일원배치 분산분석을 수행하였다. 그 결과 비연동축(삼성동) 및 연동축(둔산동)에서 기존 고정식 대비 preemption 제어가 긴급차량 통행시간 단축에 95% 신뢰수준에서 효과가 있는 것으로 확인되었으며, preemption의 주기 회복방법 간의 차이는 없는 것으로 나타났다. 이에 대한 통계분석 결과는 다음 <표 9> 및 <표 10>과 같다.
- 또한 “Dwell”방식으로 기 회복을 수행하였을 경우, 비연동축(삼성동)의 긴급차량 통행시간은 약 31% 감소, 속도는 40%증가 하였으며, 연동축(둔산동)의 통행시간은약 46% 감소, 속도는 76% 증가한 것으로 나타났다.
- 또한 비연동축(삼성동)의 조정된 변수를 이용하여 연동축(둔산동)의 모의실험을 수행한 결과 통행 시간은 평균 314.3초, 표준편차는 79.5초로 나타났다. 이는 실측값과의 독립표본 T검정(95%신뢰수준)결과 유의확률 0.
- 본 연구에서 제시한 preemption 신호제어를 이용할 경우 주기회복 방식과 상관없이 긴급차량의 통행시간 감소에 효과가 있을 것으로 판단된다.
- 삽입된 긴급차량의 우선현시가 종료되는 시점에서 해당 신호교차로가 연동축선 상에 존재하게 되면, 연동현시를 최대로 증가시켜 연동효과를 극대화 하며 기존 주기로 회복하게 하는 방식을 취하였다. 또한 연동축선 상에 존재하지 않는 교차로인 경우에는 주기의 첫 번째 현시로 돌아가 Add 또는 Subtract을 이용하여 기존 주기로 회복하도록 하였다.
- 이를 살펴보면, 비연동축(삼성동) 및 연동축(둔산동)에서 preemption을 적용이후 주기 회복시 “Add 또는 Subtract”을 사용할 경우 고정식 대비 일반차량의 지체변화는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
- 향후 비연동 구간에서 “Dwell” 방식 사용상의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 주기 보상(compensation) 및 최대 허용 교통량 등에 대한 보다 세부적인 연구가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
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