[논문]도로포장의 생애주기비용 분석을 위한 장기 교통수요 추정

도명식; 김윤식; 이상혁; 한대석

doi:10.12652/ksce.2013.33.5.2057

도로포장의 생애주기비용 분석을 위한 장기 교통수요 추정
Traffic Demand Forecasting Method for LCCA of Pavement Section 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.5, 2013년, pp.2057 - 2067

도명식 (한밭대학교 도시공학과) , 김윤식 (한밭대학교 도시공학과) , 이상혁 (한밭대학교 도시공학과) , 한대석 (한국건설기술연구원)

초록
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기존의 포장관리를 위한 장래 교통수요의 추정에는 객관적인 방법에 의한 장래 교통수요의 추정이라기보다는 과거 추세(trends)나 분석가의 주관적인 판단에 의해 이루어졌다고 할 수 있으며, 새로운 도로의 신설 및 우회도로의 계획 등 대상 지역의 장래 도로 및 지역개발 계획을 전혀 고려하지 못한 교통수요의 추정이 이루어졌다고 할 수 있다. 본 연구에서는 보다 객관적이며 정도 높은 국도의 유지관리를 위한 의사결정지원시스템(decision-making support system)의 구축을 위한 기초연구로써 장래 포장의 공용성에 큰 영향을 미치는 장기 교통수요 예측의 중요성을 살펴보고 기존 교통수요 추정 방식과의 비교를 위한 기준(baseline) 수요를 산정하기 위해 EMME(Equilibre multimodal, Multimodal Equilibrium)를 이용하여 4단계 교통수요 추정 방법에 따라 장래 교통수요를 예측하는 방안을 제시하였다. 사례연구를 위해 본 연구에서는 대전지방국토관리청 관할의 일부 지역을 대상으로 교통수요 추정방안별 비교를 수행하였으며, 기존의 수요추정 방법과 본 연구에서 제시한 장래 지역개발계획과 도로의 신설 및 확장계획 등을 고려한 교통수요 추정방법과는 교통량의 수요뿐만 아니라 관리자비용 및 이용자비용의 수준에도 큰 괴리가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Traffic demand forecasting for pavement management in the present can be estimated using the past trends or subjective judgement of experts instead of objective methods. Also future road plans and local development plans of a target region, for example new road constructions and detour plans cannot be considered for the estimate of future traffic demands. This study, which is the fundamental research for developing objective and accurate decision-making support system of maintenance management for the national highway, proposed the methodology to predict future traffic demands according to 4-step traffic forecasting method using EMME in order to examine significance of future traffic demands affecting pavement deterioration trends and compare existing traffic demand forecasting methods. For the case study, this study conducted the comparison of traffic demand forecasting methods targeting Daejeon Regional Construction and Management Administration. Therefore, this study figured out that the differences of traffic demands and the level of agent costs as well as user costs between existing traffic demand forecasting methods and proposed traffic demand forecasting method with considering future road plans and local development plan.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 보다 객관적이며 정도 높은 국도의 유지관 리를 위한 의사결정지원시스템(decision-making support system)의 구축을 위한 기초연구로써 장래 포장의 공용성에 큰 영향을 미치는 장기 교통수요를 예측하는 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 범용적으로 활용되고 있는 EMME3를 활용한 생애주기비용 분석 방법과 기존의 장기 교통수요 예측을 활용하지 않은 경우와 비교를 통해 그 필요성을 검토하기로 한다.
본 연구에서는 효율적인 국도의 도로관리를 위하여 공용성모형을 추정하고, EMME3를 이용하여 장래 개발계획이 고려된 장래 교통수요변화에 따른 경제성 평가를 통해 기존의 생애주기비용 산정방식과 비교해 보았다.
사례연구로써 대전지방국토관리청 관할 국도를 대상으로 네트워크를 구성하였으며, 기존 방법과의 차이를 검증하기 위해 영동군을 대상지역으로 영향권을 선정하여 장래 도로 및 지역 개발계획을 반영한 교통수요의 변동 특성과 관리자 비용 및 이용자 비용 등에 미치는 영향 등을 살펴보기로 한다.
여기서 대상구간의 범위를 충북 영동군 지역으로 한정하여 장래 인구 전망, 주변 지역의 도로 개발 및 산업단지 개발계획 등을 반영하여 장래 교통수요를 추정한 결과와 현재의 교통수요의 패턴이 유지된다는 기존의 방법을 비교해 보기로 한다.
한편, 네트워크 측면과 통행행태 측면에 대한 정산(calibration) 과 검증(validation)을 통해 모형을 이용하여 표현된 상황을 현실의 교통패턴과 유사하게 표현하는 것을 목표로 한다. 정산과 검증은 ｢도로 · 철도 부문사업의 예비타당성조사 표준지침 수정·보완연구 (제4판)｣에 의거 도로등급별 주요 도로 구간의 관측교통량 fobsl과 배정교통량 festl의 차이를 사업 대상구간과 인접도로의 경우 15% 기타 주요도로는 30%로 설정하여 정산을 수행하였으며 오차율의 산정 식은 Eq.

제안 방법

Fig. 4는 대상지역인 대전지방국토관리청 관할지역의 도로망을 EMME로 나타낸 것으로 주간선도로, 보조간선도로, 집산도로를 위주로 구축하였으며, 도로망 네트워크를 기반으로 교통수요 예측을 수행하였다.
단, 교통수요는 EMME의 분석한계 상 5년 단위로 분석하고 중간년도는 보간법을 활용하였다. 관리자비용은 악화된 공용성 지수에 따라 유지보수 시기가 예상될 경우 한국건설기술연구원(KICT)에서 제시하는 공법별 단가를 적용하여 산정하였다.
교통량 현황 정산은 2011년(기준년도) TMS(Traffic Monitoring System) 교통량 데이터를 이용하여 분석대상구간의 코든라인(cordon line)을 중심으로 우선적으로 정산을 수행하였으며, 직접 영향권으로 범위를 좁혀가면서 정산하였다.
기준연도(2011년) 현황 정산을 위한 교통량은 2011년 영동군 주요 가로 구간 및 시외유출입지점에 대한 조사데이터를 활용하였으며, 기준연도 O/D와 Network 자료를 이용해 Multi-Modal Multi-class 통행배정을 하고, 이로부터 구해진 링크교통량과 실제 교통량의 차이가 오차범위 30% 이내가 되도록, 특히 사업대상 도로 및 인접주요도로의 경우 오차범위 15% 이내가 되도록 링크-비용함수를 구축하였다.
3 참조). 또한, 공신력 있는 수요예측을 위해 2010년 국가교통DB의 전국 네트워크 자료와 O/D 자료를 사용하였으며, 분석에 필요한 파라미터와 분석 방법에 대해서는 기본적으로 한국개발연구원의 『도로철도 부문사업의 예비타당성조사 표준지침 수정․보완 연구(제5판)』에 의거하여 분석을 수행하였다.
또한, 분석대상지역의 장기개발계획 등에서 제시한 장래지표를 이용하여 장래 교통량을 산정하였으며, 본 연구 대상지에 직접적으로 영향을 미치는 주변 지역 개발계획 및 교통시설 계획, 교통특성을 검토하여 구간에 적용하였다.
본 연구에서 생애주기비용 분석은 관리자 비용(도로포장공사 비용)과 이용자 비용으로 구분하여 분석하였으며, 관리자 비용은 악화된 공용성 지수에 따라 포장공법이 달라지므로 공용성 지수의 `악화추세모형을 이용하여 시간경과에 따른 관리자 비용을 산정했다.
한편 차량운행비용은 유류비, 엔진오일비, 타이어마모비, 차량 유지관리비, 감가상각비로 구분되며, 통행속도의 함수로 산출한다. 비용추정의 편의를 위해 차종별-속도별 차량운행비용 함수를 도출하여 비용예측에 활용하도록 하며, 예측식은 국토해양부 지침에 따라 3차 회귀식으로 구성하였다.
Table 6에서는 Table 5에서 추정된 장래 교통수요를 기반으로 10년 간격으로 산정한 연간 생애주기비용을 추정방법별로 요약한것으로 기준(EMME를 이용한 방법)과 상당한 괴리가 있음을 알수 있다. 여기서 생애주기비용에는 유지보수를 위한 관리자 비용과 이용자비용을 함께 고려한 합계 금액임을 밝히며, 정부에서 지침으로 정한 항목과 산정 방법에 따라 산정하였다.
따라서 본 연구에서는 보다 객관적이며 정도 높은 국도의 유지관 리를 위한 의사결정지원시스템(decision-making support system)의 구축을 위한 기초연구로써 장래 포장의 공용성에 큰 영향을 미치는 장기 교통수요를 예측하는 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 범용적으로 활용되고 있는 EMME3를 활용한 생애주기비용 분석 방법과 기존의 장기 교통수요 예측을 활용하지 않은 경우와 비교를 통해 그 필요성을 검토하기로 한다.
이연구에서는 매년 동일한 도로구간을 대상으로 포장의 상태를 점검하여 기록한 모니터링(monitoring)데이터(2007∼2011년)를 4군집으로 분류하여 군집별 최적 분포를 선정하고 이를 기반으로 공용성모형을 구축하였다.
정산과 검증은 ｢도로 · 철도 부문사업의 예비타당성조사 표준지침 수정·보완연구 (제4판)｣에 의거 도로등급별 주요 도로 구간의 관측교통량 fobsl과 배정교통량 festl의 차이를 사업 대상구간과 인접도로의 경우 15% 기타 주요도로는 30%로 설정하여 정산을 수행하였으며 오차율의 산정 식은 Eq.
통행시간 비용은 해당 구간의 차종별 교통량, 그리고 차종별 통행시간 가치의 곱으로 정의한다. 통행시간 가치는 각 차종별평균 시간가치를 적용하며, 지역별로 시간가치 원단위를 다르게 적용하여 분석의 신뢰성을 높였다. 여기에서, 지역권은 해당 사업지와 가장 가까운 “대전권” 원단위를 적용하였다.

대상 데이터

대기오염원은 차량배기가스에 포함되어 1)일산화탄소(CO), 2) 탄화수소(HC), 3)질소산화물(NO_X), 4)미세먼지(PM), 5)이산화탄소(CO₂)로 한정하였다. 이중 이산화탄소는 온실가스로 구분하여 사회비용을 별도로 산출한다.
현재 우리나라 국가교통DB센터의 자료 목록은 여객 OD, 화물 OD, 교통유발원단위, 교통량, 교통분석용 네트워크, 교통네트워크 GIS DB로 구성되어 있다. 여객 OD는 목적OD, 수단OD로 구성되어 있고, 화물OD는 화물자동차 물동량, 화물자동차 통행량, 철도항공 물동량으로 구성되어 있다. 교통유발단위는 광역권별, 광역시별, 도별로 나뉘어 구성되어 있으며, 교통분석용 네트워크 역시 광역권별로 구성되어 있다.

데이터처리

한편 EMME를 기반으로 각 방법별로 예측력을 비교하기 위해 평균제곱오차(Mean Squared Prediction Error, MSPE) 척도를 사용하였다.

이론/모형

그리고 이용자 비용의 경우 현장조사에서 얻은 데이터를 이용하여 종단평탄성(IRI; International Roughness Index)악화에 따른 속도변화추이 모형을 이용하였으며, 국토해양부 투자평가시설지침서에서 제시하고 있는 산정식을 사용하여 비용을 산정하였다.
생애주기 분석은 국토해양부 지침에 따라 분석기간을 30년으로 설정하였다. 단, 교통수요는 EMME의 분석한계 상 5년 단위로 분석하고 중간년도는 보간법을 활용하였다. 관리자비용은 악화된 공용성 지수에 따라 유지보수 시기가 예상될 경우 한국건설기술연구원(KICT)에서 제시하는 공법별 단가를 적용하여 산정하였다.
대상지역 내 도로구간의 차로 수 및 거리는 실제 값을 입력하였으며 BPR모형의 적용에 필요한 자유속도와 차로당 용량은 국토해양부 지침에 따라 설정하였다. Table 1은 EMME를 이용하여 예측한 대상구간의 장래 교통량을 보여주고 있다.
따라서 본 연구에서도 공용성 추정을 위한 모형은 ESAL과 AADT를 기준으로 군집분석을 이용하여 그룹 간 공용성 추정모형을 구한 기존 연구의 성과를 활용하기로 한다(KICT, 2012). 이연구에서는 매년 동일한 도로구간을 대상으로 포장의 상태를 점검하여 기록한 모니터링(monitoring)데이터(2007∼2011년)를 4군집으로 분류하여 군집별 최적 분포를 선정하고 이를 기반으로 공용성모형을 구축하였다.
본 연구에서는 기존 교통수요 추정 방식과의 비교를 위한 기준(baseline) 수요를 산정하기 위해 EMME를 이용하여 4단계 교통수요 추정 방법(4-step traffic demand forecasting model)에 따라 장래 교통수요를 예측 하였다(Fig. 3 참조). 또한, 공신력 있는 수요예측을 위해 2010년 국가교통DB의 전국 네트워크 자료와 O/D 자료를 사용하였으며, 분석에 필요한 파라미터와 분석 방법에 대해서는 기본적으로 한국개발연구원의 『도로철도 부문사업의 예비타당성조사 표준지침 수정․보완 연구(제5판)』에 의거하여 분석을 수행하였다.
생애주기 분석은 국토해양부 지침에 따라 분석기간을 30년으로 설정하였다. 단, 교통수요는 EMME의 분석한계 상 5년 단위로 분석하고 중간년도는 보간법을 활용하였다.
생애주기비용분석을 위한 항목은 국토해양부 “교통시설 투자평가지침 (4차 개정판)” (국토해양부, 2011)에서 제시하고 있는 “유지 관리비, 차량운행비(유류소모량, 타이어 마모량, 엔진오일소모량, 차량감가상각비, 차량유지보수비), 통행시간비용, 교통사고 감소편익, 환경오염비용”으로 한정한다(Table 4 참조).
이산화탄소를 제외한 4가지 대기 오염물질은 국토해양부 지침서에서 제시하고 있는 배출계수에서 예측함수식을 3차식의 형태로 도출하여 분석에 활용하며 이산화탄소의 경우 한국교통연구원(2010)에서 수행한 “철도투자평가편람 전면개정 연구”에서 제시한 배출계수를 활용하였다.

성능/효과

현재 대부분의 도로포장 분야에서 생애주기비용분석을 위한 장기 교통수요의 추정을 위해 차종의 구성 및 비율, 차량 및 교통량 특성, 증가율 패턴과 비율 특성 등을 기반으로 1) 일상적인 교통수요(normal traffic), 2) 전환 교통수요(diverted traffic), 3) 발생 교통수요 (generated traffic)로 구분하여 추정하고 있으나 분석 대상지역의 장래 개발계획이나 도로의 신설 및 우회도로 계획 등을 고려하지 않고 단순하게 증감 비율(%)이나 증감량을 삽입하는 방안을 채택하고 있다.
여기서 알 수 있는 바와 같이 기존의 관성적인 수요예측 방법과 비교해 보면 본 연구에서 제시한 방법에서는 1915-00 구간의 확장이 완공되는 2015년의 변동과 0409-01 구간의 2021년 확포장이 완공되는 시점의 교통량의 전환수요 등이 반영된 교통수요 추정방법과는 상당한 차이가 발생함을 확인할 수 있다. 즉, 포장관리시스템의 의사결정 즉, 유지보수 시기 및 공법의 결정과 이용자비용 등생애주기비용분석을 통한 경제성 및 효율성을 고려한 도로의 유지 관리를 위해서는 장래 교통수요 추정에 기존의 ad-hoc적인 방법은 현실과 많은 괴리가 있음을 알 수 있다.
영동군을 대상으로 한 2011년의 교통량 현황 정산 결과는 Table 2와 같으며, 통상 예측교통량과 관측교통량의 차이가 30% 이내이면 유효하다고 판단하며 본 연구에서는 전체 오차율이 10.68%로 비교적 양호하게 분석되었다.
이와 같은 과거추세를 통해 장래의 30년∼40년의 교통량을 공용성 모형에 적용하는 방식은 비현실적인 방법이라 할 수 있으며, 본 연구의 사례분석을 통해 생애주기비용 산정의 신뢰성 확보를 통해 최적 유지보수의 시기 및 공법 선정과 이용자비용을 고려한 경제적인 의사결정을 위해서는 정도 높은 교통수요에 대한 추정이 필요함을 확인하였다.
특히 본 연구에서 대전지방국토관리청 관할의 일부 지역을 대상으로 기존의 수요추정 방법과 본 연구에서 제시한 장래 지역개발계획과 도로의 신설 및 확장계획 등을 고려한 교통수요 추정방법과는 교통량의 수요뿐만 아니라 관리자비용 및 이용자비용의 수준에도 큰 괴리가 있음을 확인하였다.

후속연구

따라서 장기적인 포장관리를 위해서는 대상구간의 장래 수요예측을 위해 지역의 개발계획과 도로 계획 등을 고려한 교통수요의 추정이 필요하며, 정도 높은 장래 교통수요를 생애주기비용 산정에 도입함으로서, 신뢰성 향상 및 보다 더 현실적인 최적유지 보수 전략수립 방안이 가능할 것이라 기대된다.
향후 연구로서는 도로의 신설 및 유지보수 공사중 영향(work zone effects)에 대한 고려 등 교통수요의 변동 및 전환으로 인한 변수를 고려한 생애주기비용 분석에 대한 연구가 추가로 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로건설의 타당성 검증을 위한 우리나라 교통수요 예측의 한계점은 무엇인가?	현재 우리나라는 도로건설의 타당성을 검증하기 위해 교통수요 예측에 대한 연구는 많이 있었지만 도로 유지보수 정책 결정을 위한 교통수요 예측은 거의 이루어지지 않고 있는 실정이며, 교통수 요예측을 하더라도 임의로 과거의 추세를 이용하거나 현재와 동일한 수준을 가정하는 경우가 대부분이다. 그러나 장래 교통량의 변화는 도로포장 수명에 큰 영향을 미치며 경제성 분석을 포함한 최적유지보수 시점 및 공법 등 전략 수립에 있어서 매우 중요한 외부 인자이다.
	실제 활용되고 있는 생애 주기 비용분석을 위한 장기 교통수요예측 시 고려하지 않는 요소는 무엇인가?	현재 대부분의 도로포장 분야에서 생애주기비용분석을 위한 장기 교통수요의 추정을 위해 차종의 구성 및 비율, 차량 및 교통량 특성, 증가율 패턴과 비율 특성 등을 기반으로 1) 일상적인 교통수요(normal traffic), 2) 전환 교통수요(diverted traffic), 3) 발생 교통수요 (generated traffic)로 구분하여 추정하고 있으나 분석 대상지역의 장래 개발계획이나 도로의 신설 및 우회도로 계획 등을 고려하지 않고 단순하게 증감 비율(%)이나 증감량을 삽입하는 방안을 채택하고 있다.
	생애주기비용이란 무엇인가?	생애주기비용(Life Cycle Cost; LCC)은 분석 대상 시설물의 계획 단계에서부터 구조물의 폐기처분 시까지 소요되는 모든 비용, 즉 계획/설계비, 건설비, 유지관리비, 폐기물 처리비용을 모두 합한 것으로 구조물의 공용수명기간에 필요한 모든 비용을 말한다(Cho et al., 2001).

참고문헌 (10)

Christopher, R. B. and Greenwood, I. D. (2000). "Modelling road user and environmental effects in hdm-4." HTC Infrastructure Management Ltd.
Cho, H., Choi, H., Jung, P. and Lim, J. (2001). "A study on life cycle cost analysis of latex modified concrete pavement for bridges" Journal of the Korea Institute of Structural Maintenance Inspection, Vol. 5, No. 4, pp. 185-195 (in Korean).
Do, M. (2011). "A comparative analysis on mean life reliability with functionally classified pavement sections." KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 261-270 (in Korean).

상세보기
Han, D., Do, M., Kim, S. and Kim, J. (2007) "Life cycle cost analysis of pavement maintenance standard considering user and socio-environmental cost." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 27, No. 6D, pp. 727-740 (in Korean).
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Kwon, S., Jung, K. and Seo, Y. (2002). "A study on decision criteria of traffic volumes for choosing of modified asphalt pavement in korea national highway." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 25-33 (in Korean).
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. (2011). "Guide of investment evaluation of transportation facilities -4th revision-." Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (in Korean).
The National Highway System Designation Act of 1995 (1995). Public law 104-59, December 28 (in Korean).

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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