[논문]본선미터링과 램프미터링을 이용한 고속도로 통합교통관리 전략

정영제; 김영찬; 이승준

doi:10.12815/kits.2013.12.2.001

본선미터링과 램프미터링을 이용한 고속도로 통합교통관리 전략
Integrated Traffic Management Strategy on Expressways Using Mainline Metering and Ramp Metering 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.12 no.2, 2013년, pp.1 - 11

정영제 (서울시립대학교 교통공학과) , 김영찬 (서울시립대학교 교통공학과) , 이승준 (한국도로공사 도로교통연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 램프미터링과 요금소 본선미터링을 이용한 고속도로 통합교통관리 전략을 제시하였다. 램프와 본선의 통합 미터링을 위해 FREQ에서 램프미터링 진입허용 교통량의 최적화에 사용되는 Demand-Capacity 모형을 수정하여 최적 신호시간 산정모형을 제시하였다. 본 모형은 구간별 통과교통량을 최대화하는데 목표가 있으며, 본선 요금소 및 램프의 미터링 신호시간을 결정할 수 있다. 서울외곽순환선의 김포요금소~시흥요금소 구간을 대상으로 PARAMICS와 API를 이용하여 시뮬레이션 효과분석을 시행하였다. 시뮬레이션 분석결과, 본선미터링을 통해 램프미터링 단독 운영 대비 본선을 소통원활 상태의 속도로 유지할 수 있었으며, 정체구간에서 본선의 통과교통량이 14% 개선된 결과를 나타내었다. 또한 요금소에서의 신호운영으로 400m의 대기행렬이 발생되나, 정체의 분산으로 인해 본선과 램프 모두에서 보다 효율적 교통운영이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research proposed integrated expressway traffic management strategy using ramp metering and toll mainline metering. This research suggested a traffic signal optimization model for integrated operation of ramp and mainline metering based on Demand-Capacity Model that is used to optimize allowable input volume for ramp metering in FREQ model. The objective function of this model is sectional throughput volume maximization, and this model can calculate optimal signal timings for mainline metering and ramp metering. This study conducted an effectiveness analysis of integrated metering strategy using PARAMICS and its API. It targeted Seoul's Outer Ring Expressway between Gimpo and Siheung toll gate. As a simulation result, integrated operation of mainline and ramp metering provided more smooth traffic flow, and throughput volume of mainline increased to 14% in congested section. In addition, a queue of 400 meter was formed at metering point of toll gate. This research checked that integrated traffic management strategy facilitates more efficient traffic operation of mainline and ramp from diffused traffic congestion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 고속도로 통합교통관리를 위해고속도로 본선을 위한 대표적 교통류 제어기법에 해당하는 본선미터링과 램프미터링의 통합모형을 개발하였다. 본 모형은 거시적 연속류 모형에 해당하는 FREQ의 램프미터링 교통량 최적화 모형에서 착안하였다.
본 연구에서는 고속도로 통합교통관리의 일환으로 고속도로 본선과 연결로의 정체를 동시에 제어하기 위해 램프미터링과 요금소 본선미터링의 통합 미터링 신호시간 산정모형을 제시하였다. 본선이 이미 과포화 상태에 있는 경우 램프미터링 만으로는 효과적인 제어가 어려우며, 이때 고속도로 본선에 대해 적극적 교통관리를 위해 요금소에서 교통류를 직접제어하기 위한 미터링 방법에 해당한다.
본 연구에서는 정체상황에 적극적으로 대응하기 위한 방법으로 램프미터링과 본선미터링을 이용한 고속도로 통합교통관리 전략을 제시하였다. 이는 최근 세계적인 이슈가 되고 있는 Active Traffic Management, Integrated Traffic Management와 맥락을 같이하며, 교통관리기법 간의 통합운영을 통해 정체에 보다 적극적으로 대응하기 위한 전략에 해당한다.
본 연구에서의 고속도로 통합교통관리란 램프미터링, 갓길차로제, 가변속도제어와 같이 고속도로의 소통상태에 따라 독립적으로 운영되어왔던 개별 교통관리기법들을 복합적으로 운영하기 위한 방법을 의미하며, 고속도로 통합교통관리를 통해 소통개선 등 교통관리기법 간의 시너지 효과와 개별기법 운영에 따른 문제점 보완을 목표로 한다.
이에 본 연구에서는 교통류 제어 중심의 고속도로 교통관리기법의 확산을 위해 적극적 교통관리, 정체가 제어 가능한 교통관리의 구현을 목표로 복수의 교통관리기법을 통합 운영하기 위한 고속도로 통합교통관리의 개념을 제시하며, 이중 램프미터링, 요금소 본선미터링의 통합운영을 통해 반복정체구간의 발전된 교통관리방법을 제시하였다. 교통관리와 관련한 세계적인 추세 또한 Active Traffic Management, Integrated Traffic Management, Sustainable Traffic Management를 모토로 정체상황에 대해 적극적으로 대응하기 위한 교통관리체계가 확산되고 있으며, 이는 교통관리의 기법측면에서는 기존의 일반적인 교통관리와 동일하나 교통류제어를 수행하는 교통 관리기법들을 통합하여 적극적인 정체관리를 수행한다는데 차이가 있다 [7-10, 21].

제안 방법

고속도로 통합교통관리와 관련한 개념정립 및 사례들을 확인하였다. 고속도로 통합교통관리의 개념을 제시한 사례로 FHWA에서는 <표 1>과 같이 동일한 영향권을 가지는 교통관리기법들 간에 통합 운영의 필요성을 강조한 바 있으며, 간선도로의 교차로 신호운영계획을 수립하는데 있어 고속도로 정체를 고려하기 위해 램프미터링과 간선도로 신호운영의 통합을 강조한 바 있다 [11].
본 연구에서는 고속도로 통합교통관리를 위해고속도로 본선을 위한 대표적 교통류 제어기법에 해당하는 본선미터링과 램프미터링의 통합모형을 개발하였다. 본 모형은 거시적 연속류 모형에 해당하는 FREQ의 램프미터링 교통량 최적화 모형에서 착안하였다. FREQ에서는 일련의 연속된 진입램프에 대해 연동방식의 램프미터링(Coordinated Ramp Metering)을 운영하기 위한 최적 램프 진입교통량을 결정할 수 있으며, <그림 3>에서 j구간을 통과하는 교통량 S_j를 최대화시키기 위한 i번째 램프의 진입허용 교통량 X_i를 결정하게 된다.
둘째, 본 모형은 FREQ의 램프미터링 신호최적화 기능을 유지함과 동시에 정체관리를 위한 본선미터링을 수행할 수 있다. 본 연구에서 제시하는 통합 미터링 모형은 FREQ에서와 동일하게 통과교통량 최대화를 목적함수로 하는 선형계획모형으로 전역해를 결정할 수 있다. 또한 본선요금소 및 분기점에서 수행되는 미터링에 대해서는 최소 미터링 교통량을 조정함으로써 중요 지점의 통과교통량 제어가 가능하다.
본 연구에서 제시한 통합 미터링 신호시간 산정 모형을 이용하여 본선 및 램프들의 진입 허용교통량을 산정하였다. 대안1에서는 계양, 서운 등 전체 램프의 진입 교통량이 현황 대비 평균 27% 감소하였으며, 대안 2에서는 김포요금소 본선 미터링으로 요금소에서 약 500대 수준의 미터링으로 램프 지점의 진입허용 교통량 비율은 현황 대비 평균 19%까지 감소한 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 FREQ의 Demand-Capacity 모형을 수정하여 본선의 요금소를 고려한 미터링 모형을 제시하였으며, 목적함수가 구간별 통과교통량 최대화에 있는 선형계획 모형에 해당한다. 램프의 진입허용 교통량은 수식 (1)에서와 동일한 개념으로 진출입 비율 A_ij를 기반으로 j구간을 통과하는 교통량에 따라 결정되며, FREQ에서와는 수식 (2)와 같이 본선교통량 A_1,jX₁ 를 고려하여 구간별 미터링 교통량을 결정한다.
본 연구에서는 고속도로 통합교통관리를 교통관리기법들의 통합운영으로 정의하고, 다양한 교통관리기법들 중 본선미터링 및 램프미터링의 통합운영 전략을 제시하였으며, 교통관리기법에 대한 이론적 고찰 또한 본선미터링을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 와 같이 시뮬레이션을 통해 검지기 수집자료와 유사한 정체패턴을 구현하여 본선미터링에 따른 효과를 확인하였다.
시뮬레이션 효과분석을 위한 대안의 구성은 표 2와 같이 현황에서는 송내와 중동에서만 램프미터링이 시행되고 있으며, 대안1의 경우 정체구간에 해당하는 김포요금소에서부터 송내까지 전체 지점에 램프미터링을 시행한다. 또한 대안2에서는 대안1과 같이 전체 지점에서 램프미터링을 수행함과 동시에 김포요금소에서 본선미터링을 수행한다.
본선이 이미 과포화 상태에 있는 경우 램프미터링 만으로는 효과적인 제어가 어려우며, 이때 고속도로 본선에 대해 적극적 교통관리를 위해 요금소에서 교통류를 직접제어하기 위한 미터링 방법에 해당한다. 이와 함께 고속도로 통합교통관리 전략에 대한 효과 분석을 위해 서울외곽순환선 김포요금소에서 시흥 요금소까지 15km 구간을 대상으로 미시적 시뮬레이션 분석을 시행하였으며, 이때 Quadstone PARAMICS 및 이의 API에 해당하는 Programmer 기능을 이용하여 고속도로 교통관리기법들을 구현함으로써 통합교통관리에 따른 정량적 효과를 파악하였다.
최근 미국과 유럽에서 이슈가 되고 있는 적극적 교통관리라는 의미의 Active Traffic Management를 확인하였다. ATM은 시행지역에 따라 기법의 차이는 있으나, 정체 또는 돌발상황 관리를 위해 적용 가능한 모든 교통관리기법들을 이용해 적극적인 대응을 한다는데 맥락을 같이한다.

대상 데이터

해당 구간은 중동 및 송내에서 램프미터링이 시행중에 있으나, 계양 및 서운에서의 과도한 진입교통량으로 인해 반복정체가 발생되고 있다. 또한 주말 오후 첨두 시간대를 기준으로 가장 극심한 반복 정체가 발생됨에 따라 시뮬레이션 분석 또한 2012년 4월의 토요일 평균 교통량 및 속도자료를 이용하여 18~20시까지 2시간의 오후 첨두 시간대 정체상황을 대상으로 하였다.
본 연구의 효과분석 대상에 해당하는 서울외곽 순환선 김포요금소~시흥요금소 구간 중 판교방향은 본선이 포화 상태에 해당하는 전형적인 반복정체구간이다. 정체는 중동~계양구간에서 발생되고 있으나, 김포요금소 지점의 본선 교통량이 시간당 6,000대 이상으로 4차로 구간에 중차량 비율이 약 10% 이상인 점을 감안할 때 정체지점 상류부가 이미 근포화 상태로 판단된다.
효과분석은 와 같이 수도권의 대표적인 반복정체 구간에 해당하는 서울외곽순환선 김포요금소~시흥요금소의 판교방향 20km 구간을 대상으로 하였으며, 해당 구간의 교통관리시스템 검지기 수집자료와 연결로별 진출입 교통량의 현장조사 결과를 이용하였다.

데이터처리

램프미터링 및 요금소 본선미터링을 기반으로 하는 고속도로 통합교통관리 방안에 대해 시뮬레이션 효과분석을 수행하였다. 효과분석은 <그림 4>와 같이 수도권의 대표적인 반복정체 구간에 해당하는 서울외곽순환선 김포요금소~시흥요금소의 판교방향 20km 구간을 대상으로 하였으며, 해당 구간의 교통관리시스템 검지기 수집자료와 연결로별 진출입 교통량의 현장조사 결과를 이용하였다.

성능/효과

본 연구에서 제시한 통합 미터링 신호시간 산정 모형을 이용하여 본선 및 램프들의 진입 허용교통량을 산정하였다. 대안1에서는 계양, 서운 등 전체 램프의 진입 교통량이 현황 대비 평균 27% 감소하였으며, 대안 2에서는 김포요금소 본선 미터링으로 요금소에서 약 500대 수준의 미터링으로 램프 지점의 진입허용 교통량 비율은 현황 대비 평균 19%까지 감소한 결과를 나타내었다. 본선 미터링을 통해 램프미터링 단독 운영 대비 평균 8% 수준까지 계양 및 서운의 진입 허용교통량 증가 효과를 확인할 수있으며, 램프부 정체의 완화가 가능하다.
본 연구에서 제시한 통합교통관리 모형은 이력 자료들을 이용한 최적 미터링 운영계획수립의 측면에서 접근함에 따라 정체상황이 고정적으로 반복되는 구간에 한해 적용이 가능하며, 고속도로 네트워크의 OD를 모두 알고 있어야만 하는 단점이 있다. 이에 향후 연구로서 램프미터링과 본선미터링 통합모형의 적용성을 높이기 위해서는 하류부의 정체수준과 요금소 상류부의 교통수요 변동에 따른 실시간 미터링 신호시간 최적화 모형의 개발이 요구된다.
이는 최근 세계적인 이슈가 되고 있는 Active Traffic Management, Integrated Traffic Management와 맥락을 같이하며, 교통관리기법 간의 통합운영을 통해 정체에 보다 적극적으로 대응하기 위한 전략에 해당한다. 본 연구에서는 FREQ에서 램프미터링 최적화에 사용되는 Demand-Capacity 모형을 수정하여 본선미터링과 램프미터링을 통합운영하기 위한 최적 미터링 신호시간 산정모형을 제시하였으며, 서울외곽순환선을 대상으로 시뮬레이션 분석에서는 본선의 신호 제어를 수행하여 램프미터링 단독 적용시 대비 본선의 정체개선과 함께 램프의 대기행렬을 개선시켜 고속도로 축의 관점에서 보다 효율적 운영이 가능함을 확인하였다.
대안1에서는 계양, 서운 등 전체 램프의 진입 교통량이 현황 대비 평균 27% 감소하였으며, 대안 2에서는 김포요금소 본선 미터링으로 요금소에서 약 500대 수준의 미터링으로 램프 지점의 진입허용 교통량 비율은 현황 대비 평균 19%까지 감소한 결과를 나타내었다. 본선 미터링을 통해 램프미터링 단독 운영 대비 평균 8% 수준까지 계양 및 서운의 진입 허용교통량 증가 효과를 확인할 수있으며, 램프부 정체의 완화가 가능하다.
0km 수준까지 감소하며, 본선미터링이 이뤄지는 김포요금소의 경우 400m 수준의 대기행렬이 발생하였다. 이는 고속도로 본선 요금소에서 일시적인 대기를 통해 본선의 정체개선 및 램프의 대기행렬 감소에 명확한 효과를 나타내고 있음을 보여주며, 정체지점의 통과교통량 또한 현황 대비 대안 2에서 30% 이상 개선된 결과를 나타내었다.
첫째, 본 모형은 전통적인 램프미터링 신호최적화 방법인 FREQ의 Demand-Capacity 모형을 수정하여 요금소 본선미터링의 최적 통과허용 교통량을 결정할 수 있다. 고속도로 본선이 이미 과포화 상태로 램프미터링 만으로는 효과적인 정체관리가 수행될 수 없는 경우 고속도로 본선의 제어는 불가피하다.

후속연구

이중 미터링 기법은 가장 효과적이며, 강력한 정체관리 대안에 해당한다. 본 연구에서 제시하는 램프 및 본선 통합미터링 신호시간 최적화 모형을 이용해 고속도로의 효과적인 정체관리가 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 제시한 통합교통관리 모형은 이력 자료들을 이용한 최적 미터링 운영계획수립의 측면에서 접근함에 따라 정체상황이 고정적으로 반복되는 구간에 한해 적용이 가능하며, 고속도로 네트워크의 OD를 모두 알고 있어야만 하는 단점이 있다. 이에 향후 연구로서 램프미터링과 본선미터링 통합모형의 적용성을 높이기 위해서는 하류부의 정체수준과 요금소 상류부의 교통수요 변동에 따른 실시간 미터링 신호시간 최적화 모형의 개발이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로교통에서 정체개선을 위한 방법은?	도로교통에서 정체개선을 위한 대책에는 신설, 확장 등 물리적인 개선으로 시설의 공급을 확대하는 방법과 시설의 효율성을 높이기 위한 교통관리의 방법이 적용될 수 있다. 여기에서 교통관리란 사람과 재화의 통행을 개선하기 위해 교통류에 대해 제어, 안내, 경고를 시행하는 것을 의미한다.
	Active Traffic Management은 무엇을 하는가?	최근 미국과 유럽에서 이슈가 되고 있는 적극적 교통관리라는 의미의 Active Traffic Management를 확인하였다. ATM은 시행지역에 따라 기법의 차이는 있으나, 정체 또는 돌발상황 관리를 위해 적용 가능한 모든 교통관리기법들을 이용해 적극적인 대응을 한다는데 맥락을 같이한다. 영국에서는 M42의 3a~7 JC 구간에서 교통상황을 제어가 가능한 수준에 두는 것을 목표로 ATM 시범사업이 진행된바 있다.
	한국도로공사는 1992년 무엇을 시범 설치하였는가?	한국도로공사는 1992년 경부고속도로 서울, 대전 구간에서 고속도로 교통관리시스템(FTMS)을 시범 설치하여 고속도로 지능형교통관리체계 구축을 시작하였으며, 2013년 1월을 기준으로 경부선 등 31개 노선의 3,763km 구간에서 실시간 교통관리 서비스를 제공 중에 있다. 성공적인 교통관리 시스템 구축에도 수도권 및 부산, 대구 등의 광역권 교통수요 증가는 지속되어 2011년을 기준으로 40kph 이하의 반복정체구간은 전국 고속도로에서 51개 구간, 373km에 이른다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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