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문제 정의
- 본 연구는 이러한 내용을 반영하여 실험 조건에 대한 환경을 제시하고 국내 도로환경에 적용 가능한 대안 들에 대한 운영적 특성을 다양한 교통상황 및 패턴에 대하여 비교·분석하고 이를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 이와 같은 필요성을 바탕으로 자전거 좌회전 교통류를 수용하여 신호교차로를 효율적으로 운영하는 방안에 대한 평가를 다양한 운영조건을 변수로 하여 실시하고자 한다. 평가를 진행하는 과정에서 자전거는 차량과 비교하여 약자로 구분하여 자전거에 통행 우선권을 주는 방식을 기준으로 교차로 운영을 설계하였다.
가설 설정
- 근포화시 1200vph, 포화시 1500vph로 각각 설정되었다. 방향별 비율은 좌회전 20%, 직진 80%로 동일하게 가정하였고. 차량 교통량은 고정된 상태에서 자전거의 교통량을 100대부터 700대까지 100대씩 늘려가며 교통량을 설정하였다.
제안 방법
- 교통상황은 비포화 상황(v/c=0.6), 근포화 상황 (v/c=0.8), 그리고 포화 상황(v/c=1.0)의 3가지로 구분하였다. 대기공간의 크기는 대소의 두 가지 형태만 고려하였다.
- 먼저 신호시간 최적화 모형과 평가 시뮬레이션 모형을 선정하고 통행방식, 자전거대수, 교통상황 등에 따른 시나리오를 구성한다. 구성된 시나리오를 바탕으로 기하구조, 교통량, 신호현시를 결정하고 이를 바탕으로 교통상황별, 대기공간 크기별, 차량의 교통량패턴에 따라 자동차지체와 자전거지체를 비교 분석하였다.
- 국내·외에서 주로 사용되는 4가지 통행방식에 대하여 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
- 이와 같은 방법은 자전거 전용 주기 제공하는 법, 차량과 같이 직접 좌회전 하는 법, 투칸식 횡단보도를 이용하는 법, 자전거 박스를 이용하는 법이다. 그리고 이와 같은 방법들에 대한 장단점을 운영효율과 안전 측면에서 제시하였다.
- 본 연구에서 수행된 평가절차는 Figure 3과 같다. 먼저 신호시간 최적화 모형과 평가 시뮬레이션 모형을 선정하고 통행방식, 자전거대수, 교통상황 등에 따른 시나리오를 구성한다. 구성된 시나리오를 바탕으로 기하구조, 교통량, 신호현시를 결정하고 이를 바탕으로 교통상황별, 대기공간 크기별, 차량의 교통량패턴에 따라 자동차지체와 자전거지체를 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 자전거 좌회전 교통류를 수용한 신호교차로 운영방안으로 Bike Box, Hook-turn, 그리고 6현시 운영의 3가지 대안을 평가하였다. 이를 위하여 다양한 교통상황, 대기공간 크기와 교통패턴을 고려하였고 각 방식별 효과를 VISSIM 시뮬레이션 모형을 이용하여 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구의 시나리오는 자전거의 교통량이 100-700대/시로 100대/시로 증가함에 따라 Bike Box, Hookturn, 6현시의 3가지 대안에 대한 교통상황, 대기공간 크기, 교통패턴에 따른 변화를 비교분석하는 것으로 구성하였다. 시뮬레이션 결과 값의 신뢰도를 높이고 객관성을 확보하기 위하여 각 시나리오 마다 난수(Random seed)를 10회에 걸쳐 다르게 발생시켜 나온 결과의 평균값을 사용하였다.
- 신호운영에 맞는 신호시간을 최적화하기 위한 목적으로 Synchro를 적용하였고, 최적화된 신호시간을 이용한 평가는 VISSIM 프로그램을 사용하여 신호교차로에서 자동차와 자전거의 지체시간을 각각 수집하였다.
- 신호현시는 상기에 제시한 교통조건 및 기하조건을 기반으로 Synchro를 이용하여 최적신호시간을 도출하였다. 비포화, 근포화, 포화상황별로 Synchro를 적용하여 신호현시를 최적화한 결과, 최적신호주기는 각각 75초, 110초, 150초로 나타났다.
- 앞서 분석된 대기공간의 영향을 확인하기 위하여 Table 4의 동일한 실험조건에서 대기공간의 크기만을 확대하여 추가적인 평가를 실시하였다.
- 본 연구의 기하조건은 자전거 전용도로가 설치되어 있고 차량은 편도 2차로에 좌회전 bay가 있는 교차로를 설정하여 구축하였다. 앞서 제시한 바와 같이 Bike Box 와 Hook-turn 방식은 교차로의 크기에 따라 운영효과의 차이가 발생할 수 있으나, 본 연구에서는 두 가지 제어 방식의 접점인 편도 2차로 도로를 적용하였다. 교차로 길이는 500m, 좌회전 bay는 150m로 설정하였다.
- 본 연구에서는 자전거 좌회전 교통류를 수용한 신호교차로 운영방안으로 Bike Box, Hook-turn, 그리고 6현시 운영의 3가지 대안을 평가하였다. 이를 위하여 다양한 교통상황, 대기공간 크기와 교통패턴을 고려하였고 각 방식별 효과를 VISSIM 시뮬레이션 모형을 이용하여 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 자전거 좌회전을 위하여 검토한 대안은 자전거가 먼저 교차로를 통과할 수 있는 구조인 Bike Box 방식과, 자전거가 자동차보다 먼저 교차로를 통과할 수 있도록 대기공간을 자동차 앞에 두는 Hook-turn 방식, 그리고 자전거 좌회전 전용현시를 주는 6현시 방식 등 3가지이다. 이와 같은 방안에 대하여 다양한 교통상황, 대기공간의 크기와 교통패턴을 적용하여 평가하고, 각 방식별 효과를 비교 및 분석하고 이를 정리하여 결론을 제시하였다.
- 평가를 진행하는 과정에서 자전거는 차량과 비교하여 약자로 구분하여 자전거에 통행 우선권을 주는 방식을 기준으로 교차로 운영을 설계하였다. 자전거 좌회전을 위하여 검토한 대안은 자전거가 먼저 교차로를 통과할 수 있는 구조인 Bike Box 방식과, 자전거가 자동차보다 먼저 교차로를 통과할 수 있도록 대기공간을 자동차 앞에 두는 Hook-turn 방식, 그리고 자전거 좌회전 전용현시를 주는 6현시 방식 등 3가지이다. 이와 같은 방안에 대하여 다양한 교통상황, 대기공간의 크기와 교통패턴을 적용하여 평가하고, 각 방식별 효과를 비교 및 분석하고 이를 정리하여 결론을 제시하였다.
- Table 1은 포화상황시 최적화된 신호현시이다. 자전거의 경우 차량의 신호현시와 동일하게 적용하되 속도차이가 있으므로 자전거의 황색시간은 6초로 적용하였다. 이 황색시간은 AASHTO 에서 제시한 자전거 신호등의 황색시간 산출공식을 적용 하여 자전거의 평균속도 및 감속도 등을 적용하여 도출된 값이다.
- 교차로 길이는 500m, 좌회전 bay는 150m로 설정하였다. 좌회전 bay 길이는 도로의 구조ㆍ시설기준에 관한 규칙에 제시된 주기당 평균좌회전 차량수를 반영한 산정식을 적용하였다. 차량과 자전거의 속도는 50km/h, 15km/h로 각각 반영하였고, 도로폭원은 좌회전 bay 차로는 3.
- 좌회전 bay 길이는 도로의 구조ㆍ시설기준에 관한 규칙에 제시된 주기당 평균좌회전 차량수를 반영한 산정식을 적용하였다. 차량과 자전거의 속도는 50km/h, 15km/h로 각각 반영하였고, 도로폭원은 좌회전 bay 차로는 3.0m, 직진차로는 3.5m, 자전거전용도로는 2.0m를 적용하였다.
- Yu(2011)는 신호교차로에서 자전거의 통행특성(가·감속 속도, 속도)등을 고려한 신호시간을 산정하는 방법을 제안하였다. 특히 자전거 군집을 대상으로 하여 교차로를 통과하는 자전거의 최소녹색시간을 계산하도록 제시하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 필요성을 바탕으로 자전거 좌회전 교통류를 수용하여 신호교차로를 효율적으로 운영하는 방안에 대한 평가를 다양한 운영조건을 변수로 하여 실시하고자 한다. 평가를 진행하는 과정에서 자전거는 차량과 비교하여 약자로 구분하여 자전거에 통행 우선권을 주는 방식을 기준으로 교차로 운영을 설계하였다. 자전거 좌회전을 위하여 검토한 대안은 자전거가 먼저 교차로를 통과할 수 있는 구조인 Bike Box 방식과, 자전거가 자동차보다 먼저 교차로를 통과할 수 있도록 대기공간을 자동차 앞에 두는 Hook-turn 방식, 그리고 자전거 좌회전 전용현시를 주는 6현시 방식 등 3가지이다.
대상 데이터
- 앞서 제시한 바와 같이 Bike Box 와 Hook-turn 방식은 교차로의 크기에 따라 운영효과의 차이가 발생할 수 있으나, 본 연구에서는 두 가지 제어 방식의 접점인 편도 2차로 도로를 적용하였다. 교차로 길이는 500m, 좌회전 bay는 150m로 설정하였다. 좌회전 bay 길이는 도로의 구조ㆍ시설기준에 관한 규칙에 제시된 주기당 평균좌회전 차량수를 반영한 산정식을 적용하였다.
- 본 연구의 기하조건은 자전거 전용도로가 설치되어 있고 차량은 편도 2차로에 좌회전 bay가 있는 교차로를 설정하여 구축하였다. 앞서 제시한 바와 같이 Bike Box 와 Hook-turn 방식은 교차로의 크기에 따라 운영효과의 차이가 발생할 수 있으나, 본 연구에서는 두 가지 제어 방식의 접점인 편도 2차로 도로를 적용하였다.
- 방향별 비율은 좌회전 20%, 직진 80%로 동일하게 가정하였고. 차량 교통량은 고정된 상태에서 자전거의 교통량을 100대부터 700대까지 100대씩 늘려가며 교통량을 설정하였다.
데이터처리
- Kim(2009)은 차량과 자전거가 함께 공존하며 교차로를 통과할 수 있는 방안으로 Bike Box형, Left turn lane형, 통합 Bike Box형으로 나누어 효과평가를 하였다. 교통신호운영 최적화 및 시뮬레이션이 가능한 Lisa+를 이용하여 효과분석을 시행하였고 효과척도는 손실시간과 주행시간을 이용하였다. 분석결과 자전거의 좌회전 비율과 좌회전 교통량에 상관없이 Left turn lane 형이 가장 좋은 것으로 제시하였다.
- 본 연구의 분석결과에 대한 신뢰성 검증은 이원 분산 분석으로 사용하였다. 이원 분산 분석은 하나의 종속 변인에 두 개의 독립변인이 주는 영향을 분석할 수 있고 독립변인별 영향 뿐 만 아니라 독립변인 간의 상호작용 효과도 검증할 수 있는 장점이 있다.
- 본 연구의 시나리오는 자전거의 교통량이 100-700대/시로 100대/시로 증가함에 따라 Bike Box, Hookturn, 6현시의 3가지 대안에 대한 교통상황, 대기공간 크기, 교통패턴에 따른 변화를 비교분석하는 것으로 구성하였다. 시뮬레이션 결과 값의 신뢰도를 높이고 객관성을 확보하기 위하여 각 시나리오 마다 난수(Random seed)를 10회에 걸쳐 다르게 발생시켜 나온 결과의 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 각 시나리오 별 신호운영 방식의 효율성을 분석하기 위하여 평균지체시간(average delay time)을 효과척도로 선정하였다(MLTMA, 2013).
- Choi(2009)는 자전거의 이동성과 연속성을 높일 수있는 교차로 신호운영방안을 평가하였다. 자전거 신호운영 방안은 Hook-turn 방식, 자전거 전용현시 추가, 그리고 보행자 횡단시간을 이용하는 3가지 방안을 Paramics 시뮬레이션으로 평가하였다. 분석결과 자전거 전용현시 추가의 경우 다른 대안들보다 자전거 지체의 변화폭이 현저히 작았으나 차량의 지체가 급격히 증가하는 특성이 나타났다.
성능/효과
- Heo(2011)는 3지교차로에서 자전거 좌회전 통행방법을 간접좌회전 방법, 전용차로에서 직접 좌회전하는 방법, Bike Box를 이용해 좌회전하는 방법으로 나누어 시뮬레이션을 실시하였다. 3지 신호교차로의 지체와 정지횟수를 분석한 결과 차량교통량이 많고 자전거교통량이 적은 곳에서는 간접좌회전방법, 차량교통량과 자전거 교통량이 많은 곳에서는 전용차로에서 직접좌회전 방법, 그리고 차량교통량과 자전거교통량이 적은 곳에서는 Bike Box 방법이 적합한 것으로 나타났다.
- 9초/대 높게 나타났다. 6현시 방식은 Bike Box 방식에 비해 자동차 지체와 자전거 지체가 모두 매우 크게 나타났다.
- Bike Box방식과 Hook-turn 방식 모두 대기공간의 크기가 신호운영 결과와 직접적인 연관성이 큰 것으로 파악되었다. 대기공간 크기에 따른 분석결과, 대기공간 증가시 자전거 지체가 매우 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다.
- 자전거 지체에 대하여 Table 9와 동일한 변수를 이용 하여 분산분석을 수행하였다. 검정결과 모든 변수에 대한 유의확률이 0.000으로 나타나, 자전거 지체는 자전거 통행방식, 자전거 대수, 대기공간의 크기에 따라서 차이가 있는 것을 파악하였다. 또한 통행방식과 자전거대 수의 상호작용, 통행방식 과 대기공간의 상호작용, 자전거대수와 대기공간의 상호작용에서도 유의확률이 0.
- 교통량 패턴에 따른 분석결과, 동-서 및 북-서 방향 패턴 모두 자전거 교통량에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 비교하여 자동차 지체와 자전거 지체가 작게 나타났다. 그러나 북-서 방향 패턴의 경우 지체의 차이가 보다 큰 것으로 파악되었다.
- 교통상황에 따른 분석결과, 비포화와 근포화 교통상황에서 Hook-turn방식과 Bike Box방식은 자동차 지체 차이는 0-2.2초/대로 거의 없었으나 자전거 지체는 Hookturn 방식이 Bike Box 방식에 비해 2.5-29.9초/대 높게 나타났다. 6현시 방식은 Bike Box 방식에 비해 자동차 지체와 자전거 지체가 모두 매우 크게 나타났다.
- 그리고 방향별로 설정된 두가지 패턴에 대하여 Synchro를 이용하여 신호현시를 최적화한 결과, 동-서축 패턴은 주기가 100초, 북-서축 패턴의 주기는 140초로 나타났다.
- 근포화 교통상황에서 분석된 결과는 Table 3과 같다. 근포화 교통상황의 결과도 비포화 상황과 같이 자전거 교통량의 크기에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 6현시 방식에 비해 자동차 지체와 자전거 지체 모두 작게 나타났다. 그러나 자동차 교통량의 증가에 따라 자전거 및 자동차의 지체가 Table 2와 비교하여 크게 증가한 것을 알 수 있다.
- Bike Box방식과 Hook-turn 방식 모두 대기공간의 크기가 신호운영 결과와 직접적인 연관성이 큰 것으로 파악되었다. 대기공간 크기에 따른 분석결과, 대기공간 증가시 자전거 지체가 매우 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 이 두 방식은 자전거 수요에 적합한 대기공간을 제공하지 못하면, 교통상황을 크게 악화시킬수 있음을 확인하였다.
- 대기공간 크기에 따른 분석결과, 대기공간 증가시 자전거 지체가 매우 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 이 두 방식은 자전거 수요에 적합한 대기공간을 제공하지 못하면, 교통상황을 크게 악화시킬수 있음을 확인하였다.
- 또한 이러한 자료를 이용하여 최소녹색시간을 결정하는 과정을 제시하였고, 이를 적용시 지체가 37.8% 감소하고 교차로의 서비스수준이 개선된 것으로 나타났다. 그러나 이러한 기법은 2현시의 단순한 교차로 운영을 전제로 하여 현실적인 적용측면에서 보다 많은 고려가 필요하다.
- 000으로 나타나, 자전거 지체는 자전거 통행방식, 자전거 대수, 대기공간의 크기에 따라서 차이가 있는 것을 파악하였다. 또한 통행방식과 자전거대 수의 상호작용, 통행방식 과 대기공간의 상호작용, 자전거대수와 대기공간의 상호작용에서도 유의확률이 0.000으로 나타나, 이러한 변수들 간의 상호작용도 통계적으로 유의한 것으로 확인되었다.
- 국내·외에서 주로 사용되는 4가지 통행방식에 대하여 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 분석결과 간접좌회전은 차량과 좌회전을 분리하여 이동시켜 자전거와 차량의 교통량에 따른 영향보다는 자전거의 이동방법에 따른 지체 증가가큰 것으로 분석되었다. 직접좌회전은 간접좌회전에 비해 정지지체시간이나 정지횟수가 낮게 분석되었다.
- 자전거 신호운영 방안은 Hook-turn 방식, 자전거 전용현시 추가, 그리고 보행자 횡단시간을 이용하는 3가지 방안을 Paramics 시뮬레이션으로 평가하였다. 분석결과 자전거 전용현시 추가의 경우 다른 대안들보다 자전거 지체의 변화폭이 현저히 작았으나 차량의 지체가 급격히 증가하는 특성이 나타났다. 평가된 방법 중 Hook-turn방식을 이용하였을때 교차로 전체에서 자전거와 차량의 통행을 통합하여 고려할 때, 비교적 지체의 증가가 적은 것으로 확인되었다.
- 교통신호운영 최적화 및 시뮬레이션이 가능한 Lisa+를 이용하여 효과분석을 시행하였고 효과척도는 손실시간과 주행시간을 이용하였다. 분석결과 자전거의 좌회전 비율과 좌회전 교통량에 상관없이 Left turn lane 형이 가장 좋은 것으로 제시하였다.
- 신호현시는 상기에 제시한 교통조건 및 기하조건을 기반으로 Synchro를 이용하여 최적신호시간을 도출하였다. 비포화, 근포화, 포화상황별로 Synchro를 적용하여 신호현시를 최적화한 결과, 최적신호주기는 각각 75초, 110초, 150초로 나타났다. Table 1은 포화상황시 최적화된 신호현시이다.
- 자전거 교통량의 크기에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 6현시 방식에 비해 자동차 지체와자전거 지체 모두 작게 나타났다. 자전거 교통량에 따라 Hook-turn방식은 Bike Box방식에 비해 자동차 지체는 0-0.3초/대, 자전거 지체는 2.5-7.6초/대 크게 나타났고, 6현시 방식은 Bike Box방식에 비해 자동차 지체는 55.7-179.4초/대, 자전거 지체는 13.6-21.7초/대 많은 것으로 파악되었다.
- 포화 교통상황에서는 자전거의 교통량에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 6현시 방식에 비해 자동차 지체는 작게 나타났으나, 자전거 지체는 자전거 교통량이 700대/시에서 6현시 방식보다 오히려 증가한 것으로 나타났다. 자전거 교통량에 따라 Hook-turn방식은 Bike Box방식에 비해 자동차 지체는 11.8-43.5초/대, 자전거 지체는 5.2-89.3초/대 많은 것으로 나타났다.
- 동-서방향의 교통량이 많은 패턴에 대한 분석결과는 Table 7과 같다. 자전거 교통량에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 비교하여 자동차 지체와 자전거 지체 모두 작게 나타났다.
- 비포화 교통상황에서 분석된 결과는 Table 2와 같다. 자전거 교통량의 크기에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 6현시 방식에 비해 자동차 지체와자전거 지체 모두 작게 나타났다. 자전거 교통량에 따라 Hook-turn방식은 Bike Box방식에 비해 자동차 지체는 0-0.
- (2009)은 실제 현장 비디오 자료를 이용하여 각 방향별로 자전거 통과시간을 측정하여 제시 하였다. 자전거는 rolling start와 standing start로 구분하여 분석하였고, 교차로 통과시간의 중간값은 12.9초, 80%의 값은 15.7초, 90%의 값은 17.4초 값으로 파악되었다.
- 분석결과 자전거 전용현시 추가의 경우 다른 대안들보다 자전거 지체의 변화폭이 현저히 작았으나 차량의 지체가 급격히 증가하는 특성이 나타났다. 평가된 방법 중 Hook-turn방식을 이용하였을때 교차로 전체에서 자전거와 차량의 통행을 통합하여 고려할 때, 비교적 지체의 증가가 적은 것으로 확인되었다.
- 포화 교통상황에서 분석된 결과는 Table 4와 같다. 포화 교통상황에서는 자전거의 교통량에 상관없이 Bike Box 방식이 Hook-turn 방식과 6현시 방식에 비해 자동차 지체는 작게 나타났으나, 자전거 지체는 자전거 교통량이 700대/시에서 6현시 방식보다 오히려 증가한 것으로 나타났다. 자전거 교통량에 따라 Hook-turn방식은 Bike Box방식에 비해 자동차 지체는 11.
후속연구
- 보행자와 우회전 교통량이 발생할 경우 자전거와의 상충이 불가피하며 우회전 교통량과 보행자로 인한 영향에 대한 효과의 분석이 필요하다고 판단된다. 둘째, Bike Box와 Hook-turn 방식은 차선수나 교차로의 크기와 같은 기하구조의 차이에 따라 운영 효과의 차이가 발생할 수 있는 바, 향후 교차의 크기에 따른 각 운영방식의 영향을 체계적으로 분석하여 제시하는 연구가 필요하다. 마지막으로, 본 연구 수행을 위한 현장자료를 수집하기 어려운 관계로 시뮬레이션 평가를하였으나, 향후 이러한 시설이 설치되면 실제자료를 수집하여 효과를 평가하는 노력이 필요하다.
- 둘째, Bike Box와 Hook-turn 방식은 차선수나 교차로의 크기와 같은 기하구조의 차이에 따라 운영 효과의 차이가 발생할 수 있는 바, 향후 교차의 크기에 따른 각 운영방식의 영향을 체계적으로 분석하여 제시하는 연구가 필요하다. 마지막으로, 본 연구 수행을 위한 현장자료를 수집하기 어려운 관계로 시뮬레이션 평가를하였으나, 향후 이러한 시설이 설치되면 실제자료를 수집하여 효과를 평가하는 노력이 필요하다.
- 또한 본 연구의 내용을 향상하기 위하여 다음과 같은 추가 연구가 필요하다. 첫째, 본 연구에서는 보행자와 우회전 교통량을 제외하였지만 우회전 교통량을 고려한 추가 분석이 필요하다. 보행자와 우회전 교통량이 발생할 경우 자전거와의 상충이 불가피하며 우회전 교통량과 보행자로 인한 영향에 대한 효과의 분석이 필요하다고 판단된다.
- 통계적인 분석결과, 자전거 통행방식, 대기공간의 크기, 자전거대수에 따라 자전거 지체가 큰 영향을 받는 것으로 확인되어 이러한 변수들에 대한 명확한 기준이 설정되는 것이 운영상 필요하다고 판단된다.
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