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문제 정의
- 본 연구에서는 대전지방국토관리청 관내 국도 교차로를 대상으로 교통운영과 환경측면에서 회전교통량 분산식 교차로의 적용 타당성을 검토를 통해 국내 지방부 간선도로의 도로용량 증대 및 온실가스 저감을 위한 저비용-고효율 효과적인 대안지를 평가하였다.
- 대상구간 간선도로는 평면교차로 설치로 이동성 기능이 떨어져 지역간 통과 교통량의 통행시간 증가 이외에 사고발생 위험도가 증가될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하고자 저비용-고효율 대안으로서 회전교통량 분산식 교차로에 대한 국내 적용 타당성을 검토한 것이다. Fig.
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방법으로 회전교통량 분산식 임계교차로 적용을 제안하였다. 회전교통량 분산식 임계교차로의 특징은 회전교통량을 부가도로 혹은 U-턴 허용지점으로 분산·우회시켜 직진교통량을 우선 처리하는 기하구조 설계 및 운영전략이다.
가설 설정
- 그 밖에 차로 폭, 측방여유 폭 등 나머지 도로조건은 한국도로용량편람(2001)의 다차로도로에서 제시한 이상적인 조건으로 가정하였다.
- 모든 현장에 대하여 운영효과를 정량적으로 분석하기 위해서 VISSIM(5.40) 모델을 적용하였으며, 다음과 같은 도로·교통조건을 가정하였다.
제안 방법
- 2037년 방향별 예측 교통량을 운영·환경효과 분석에 적용하였다.
- 2037년 방향별 예측 교통량을 토대로 각 교차로에 대하여 Superstreet 개념을 적용하고 교차로간 연동체계를 구축하였다. Synchro 모델을 통하여 연동체계에 따른 주기, 신호현시, 옵셋을 최적화하였다.
- 2037년 방향별 예측 교통량을 토대로 각 교차로에 대하여 Superstreet 개념을 적용하고 교차로간 연동체계를 구축하였다. Synchro 모델을 통하여 연동체계에 따른 주기, 신호현시, 옵셋을 최적화하였다. 최적화된 연동체계는 VISSIM 모델에 적용하여 운영·환경효과를 분석하였다.
- 여기서 bx_add와 bx_multi는 요구되는 안전거리이며, z는 0과 1사이의 정규분포, v는 속도(km/h)이다. bx_add와 bx_multi가 도로용량에 가장 많은 영향을 미치기 때문에 다차로도로의 용량 2,000pcphpl을 처리할 수 있는 매개변수의 값을 체계적으로 적용하여 정산과정을 수행하였다.
- 각 교차로별 분석결과를 토대로 총 교통량 1,900~5,420대/시와 회전교통량 비율 2~29%에서 회전교통량 분산처리에 따른 일반 신호교차로 대비 지체와 온실가스(CO2, NOX, PM10) 배출량 변화를 분석하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 좀 더 다양한 도로·교통조건에서 적합한 회전교통량 분산식 교차형태를 적용하여 운영 그리고 환경 측면에서 효과를 정량적으로 평가하였다.
- 그러나 운영·안전효과 분석과 달리, 기존 연구결과들은 환경효과는 정량적보다 정성적으로 평가하였다. 또한 국내 관련 연구는 특정한 교통조건에서 하나의 회전교통량 분산식 교차로를 적용하였다. 따라서 본 연구에서는 좀 더 다양한 도로·교통조건에서 적합한 회전교통량 분산식 교차형태를 적용하여 운영 그리고 환경 측면에서 효과를 정량적으로 평가하였다.
- 7과 같이, 금가교차로는 주도로 좌회전 교통량을 주요 교차지점 부근에 설치된 부가도로를 이용하여 우회시키는 Quadrant Roadway Intersection이 가장 적합한 것으로 나타났다. 또한, 2037년 예측 교통량을 보면 부도로 직진교통량과 좌회전 교통량이 비보호 신호운영 기준에 만족하기 때문에 비보호 현시로 운영하는 것으로 설계하였다.
- 본 연구는 충청남·북도지역 일반국도 교차로를 대상으로 간선도로 이동성 기능제고를 위해 회전교차로 분산식 교차로를 적용하였다.
- 본 연구에서는 각 현장별로 계획교차로와 회전교통량 분산식 교차로 적용에 따른 운영·환경 효과척도에 미치는 영향 정도를 분석하였다.
- 2037년 방향별 예측 교통량을 운영·환경효과 분석에 적용하였다. 봉양 시가지 내 각 교차로는 인접하게 위치하고 있기 때문에 각 교차로간 연동체계를 구축하였다. 연동체계 적용에 따른 주기, 신호현시, 옵셋을 최적화하였다.
- 시뮬레이션 시간은 1시간이며, VISSIM 모델은 확률적 교통류 시뮬레이션이기 때문에 한 시나리오에 대해 시뮬레이션 난수를 달리하여 10번을 반복 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과를 평균하여 운영효과 분석에 사용하였다.
- 봉양 시가지 내 각 교차로는 인접하게 위치하고 있기 때문에 각 교차로간 연동체계를 구축하였다. 연동체계 적용에 따른 주기, 신호현시, 옵셋을 최적화하였다.
- 시뮬레이션 결과를 평균하여 운영효과 분석에 사용하였다. 운영효과 척도는 차량당 지체시간(초), 차량당 정지지체(초), 차량당 평균 정지 횟수, 평균속도(km/h), 통과 교통량(대), 총 통행시간(시)을 사용하였다.
- 이 교차로에는 Superstreet 개념을 제안하였다(Fig. 5 참조). 이 교차로 개념은 주도로상에 통행하는 차량만 이 직진과 좌회전을 교차지점에서 할 수 있고, 부도로 직진과 좌회전 교통량은 교차지점에서 직진과 좌회전을 허용하지 않는 대신 U-turn을 통하여 우회시키는 것이다.
- 이 환경 평가 Tool은 VISSIM 모델에서 시뮬레이션된 개별 차량의 시·공간 교통자료(예를 들면 속도, 차량제원, 도로 기하구조 등)를 사용하여 차량으로부터 온실가스(CO2, NOX, PM10) 발생량을 예측한다.
- 최적화된 신호계획은 VISSIM 모델에 적용하여 각 교차로 형태별로 운영·환경 효과를 분석하였다.
- 2037년 방향별 예측 교통량을 운영·환경효과 분석에 적용하였다. 추가 설계된 부가도로와 주요 교차지점 간 신호연동체계를 구축하여 연속진행 연동체계 적용에 따른 주기, 신호현시, 옵셋을 Synchro 모델에 의해 최적화하였다. 최적화된 신호계획은 VISSIM 모델에 적용하여 각 교차로 형태별로 운영·환경 효과를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 충청남·북도지역 일반도로 교차로를 대상으로 국도 기능, 이동성 제고를 위해서 교차로 운영방식이 필요한 구간이라고 판단되는 총 3개 대상구간을 선정하였다.
- 분석대상 구간은 지역거점 도시간(충주시와 제천시 혹은 원주시)을 연결하는 국도 19호선이다. 일부 노선은 금가면 도촌리를 통과하며, 금가교차로에서 금가면으로 유·출입할 수 있는 도로와 교차한다.
데이터처리
- 시뮬레이션 시간은 1시간이며, VISSIM 모델은 확률적 교통류 시뮬레이션이기 때문에 한 시나리오에 대해 시뮬레이션 난수를 달리하여 10번을 반복 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과를 평균하여 운영효과 분석에 사용하였다. 운영효과 척도는 차량당 지체시간(초), 차량당 정지지체(초), 차량당 평균 정지 횟수, 평균속도(km/h), 통과 교통량(대), 총 통행시간(시)을 사용하였다.
- 최적화된 연동체계는 VISSIM 모델에 적용하여 운영·환경효과를 분석하였다.
이론/모형
- VISSIM 모델 이외에, Synchro 모델이 각 대상구간의 도로·교통조건에 따른 신호현시 최적화 및 이웃 교차로간 신호연동화를 하기 위해서 적용되었다. Synchro에서 제시한 포화교통류율은 한국도로편람(2013)의 신호교차로편에서 제시한 값으로 반영하였다. 각 대상구간별, 교차로 형태별로 Synchro 모델에서 최적화된 신호운영 방안은 VISSIM 모델에 반영하였다.
- VISSIM의 두 가지 차량 추종 모델 중에서 Wiedemann 71 모델을 적용하였다. Wiedemann 71 모델은 3개 매개변수들이 있다: 평균정지거리(ax), 요구되는 안전거리 #.
- Synchro에서 제시한 포화교통류율은 한국도로편람(2013)의 신호교차로편에서 제시한 값으로 반영하였다. 각 대상구간별, 교차로 형태별로 Synchro 모델에서 최적화된 신호운영 방안은 VISSIM 모델에 반영하였다.
- 본 연구는 충청남·북도지역 일반국도 교차로를 대상으로 간선도로 이동성 기능제고를 위해 회전교차로 분산식 교차로를 적용하였다. 각 분석대상 교차로별로 여러 유형의 회전교통량 분산식 교차로 적용에 따른 효과를 운영과 환경측면에서 분석하기 위해 VISSIM 모델, Synchro 모델, VERSIT+ 모델을 사용하었다.
- 계획교차로와 회전교통량 분산식 교차로에 대한 환경효과 비교·평가는 TNO(The Netherlands Organization for Appplied Scientific Research)에서 개발한 VERSIT+ 모델을 적용한 EnViVer 환경 Tool를 이용하여 수행되었다.
- 각 3지 교차로는 주도로와 부도로 회전교통량을 처리하기 위해서 최소 3개 신호현시가 필요하다. 본 연구에서는 신호현시 최소화와 회전교통량을 분산시켜 직진교통량의 이동성을 향상시키기 위해서 Superstreet 설계 개념을 적용하였다. 주 도로 좌회전은 교차지점에서 허용되고, 부도로의 좌회전 교통량은 그 교차지점에서 좌회전이 허용되지 않고 우회시킨다.
- 이러한 교통운영으로 최소 4현시 신호운영이 요구되기 때문에, 장거리 이동 교통량을 처리하는 주 간선도로의 기능에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 이러한 운영상의 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서 회전교통량 분산식 교차로개념을 적용하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 회전교통량 분산으로 인한 신호현시 수 감소, 회전 교통량 분산·우회처리, 직진교통량 우선 처리 등이 회전교통량 분산식 교차로의 주요 특징이다.
- 2. 환경효과 척도(이산화탄소 발생량, 산화질소 발생량, 미세먼지 발생량)에서도 평면신호교차로에 비해 회전교통량 분산식 교차로가 차량으로부터 발생하는 CO2의 경우 약 5%, NOX의 경우 약 11%, 미세먼지의 경우 약 1%정도 감소하는 것으로 분석되었다. 운영효과에 비해 상대적으로 환경효과가 적게 나타난 이유는 교통량이 높은 수준이 아니기 때문이다.
- 3. 종합적인 분석 결과, 회전교통량 분산식 교차로에 대한 운영효율성과 환경효과는 U자형태로 보이며, 이러한 효과가 나타나는 최대 회전교통량이 있다.
- 이러한 운영상의 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서 회전교통량 분산식 교차로개념을 적용하였다. Fig. 7과 같이, 금가교차로는 주도로 좌회전 교통량을 주요 교차지점 부근에 설치된 부가도로를 이용하여 우회시키는 Quadrant Roadway Intersection이 가장 적합한 것으로 나타났다. 또한, 2037년 예측 교통량을 보면 부도로 직진교통량과 좌회전 교통량이 비보호 신호운영 기준에 만족하기 때문에 비보호 현시로 운영하는 것으로 설계하였다.
- Warren Hughes 외(2009)연구에서는 기존 평면교차로와 입체교차로에 비해 6개의 회전교통량 분산식 교차로 형태로부터 제공할 수 있는 추가적인 교통운영 및 안전효과를 다양한 교통조건에 대하여 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 그 결과, 기존 평면교차로에 비해 통과 교통량이 전체적으로 10~40% 증가한 것으로 나타났다. 그 밖에 각 교차로별 독특한 기하구조 특성도 다루었다.
- Hummer 외(2007)연구에서는 회전교통량 분산식 교차로의 형태 중 Superstreet의 기능을 시뮬레이션 통해 분석하였다. 그 결과에 의하면, 각 방향별로 신호운영이 가능하여 이웃 교차로와 연동 시 기존 신호교차로에 비해 신호운영이 더 효과적인 것으로 보여주고 있다.
- 그 도로·교통조건에서 지체가 약 20%, 사고는 약 17% 감소하는 것으로 나타났다.
- 회전교통량 분산식 교차로에 대한 종합적 분석은 3개 교차로에서 분석한 결과를 토대로 수행되었기 때문에 결과 해석은 특정한 교통조건(총 교통량 1,900~5,420 대/시, 회전교통량 비율 2~29%)에 제한적이다. 그러나 이런 종합적인 분석을 통해 회전교통량 분산식 교차로에 대한 일반 교차로 대비 운영 및 환경효과 정도는 U자형태이며, 어느 회전교통량 수준까지는 일반 교차로에 비해 운영 및 환경효과가 탁월한 것으로 판단된다. 따라서 효율적으로 처리할 수 있는 최대 회전교통량 산정 및 효과정도는 다양한 도로·교통조건에서 각 회전교통량 분산식 교차로형태별로 수행할 필요가 있다.
- 본 연구는 충청남·북도지역 일반도로 교차로를 대상으로 국도 기능, 이동성 제고를 위해서 교차로 운영방식이 필요한 구간이라고 판단되는 총 3개 대상구간을 선정하였다. 대상구간 간선도로는 평면교차로 설치로 이동성 기능이 떨어져 지역간 통과 교통량의 통행시간 증가 이외에 사고발생 위험도가 증가될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하고자 저비용-고효율 대안으로서 회전교통량 분산식 교차로에 대한 국내 적용 타당성을 검토한 것이다.
- 회전교통량 분산식 교차로 적용에 따른 환경영향은 이산화탄소 약 7%, 산화질소 약 15%로 온실가스 배출량이 각각 감소하는 것으로 분석되었다. 또한, 비록 차이는 작지만, 미세먼지 발생량도 약 1% 감소효과가 있는 것으로 나타났다(Table 6 참조). 온실가스 확산 분포도에 의하면 회전교통량 분산식 교차로가 평면신호교차로에 비해 차량이 정지와 가속을 하는 교차로 부근에서 발생하는 온실가스 배출량이 상당히 감소하는 것으로 나타났다(Fig.
- 이런 포물선 관계식은 회전교통량이 없을 경우 두 개 교차로간 지체가 차이가 없으며, 어느 회전교통량 수준에서는 회전교통량 분산식 교차로의 운영효율성 임계점에 도달할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 회전교통량 비율 30% 이상인 경우 두 개 교차로간 차량당 지체는 차이가 없을 것으로 분석되었다.
- 운영효과 분석결과, 회전교통량 분산식 교차로가 평면신호교차로에 비해 차량당 지체시간은 35%, 차량당 정지지체 45%, 차량당 평균 정지 횟수 33%, 총 통행시간 8%가 각각 감소되었으며, 평균속도는 6km/h 증가되었다. 봉양 시가지내의 평면신호교차로에 의해서 발생되는 지체를 회전교통량 분산식 교차로가 상당히 지체를 완화시키는 것으로 분석되었다. 통과 교통량은 두개 교차로간 차이가 없는 것으로 나타났다(Table 3 참조).
- 시뮬레이션 결과, 회전교통량을 분산한 교차로 형태가 평면신호교차로에 비해 차량당 지체시간은 39%, 차량당 정지지체 46%, 차량당 평균 정지 횟수 30%, 총 통행시간 14%가 각각 감소되었으며, 평균속도는 10km/h 높아졌다. 회전교통량 분산식 교차로의 기하구조와 운영방식에 의해 지체완화, 평균속도 향상 등 운영효율성이 상당히 개선된 것으로 나타났다(Table 5 참조).
- 또한, 비록 차이는 작지만, 미세먼지 발생량도 약 1% 감소효과가 있는 것으로 나타났다(Table 6 참조). 온실가스 확산 분포도에 의하면 회전교통량 분산식 교차로가 평면신호교차로에 비해 차량이 정지와 가속을 하는 교차로 부근에서 발생하는 온실가스 배출량이 상당히 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 8 참조).
- 운영효과 분석결과, 회전교통량 분산식 교차로가 평면 신호교차로에 비해 차량당 지체시간은 40%, 차량당 정지지체 49%, 차량당 평균 정지 횟수 50%, 총 통행시간 5%가 각각 감소되었으며, 평균속도는 5km/h 증가되었다. 통과교통량은 두 개 교차로 형태간 차이가 없는 것으로 나타났다(Table 1 참조).
- 운영효과 분석결과, 회전교통량 분산식 교차로가 평면신호교차로에 비해 차량당 지체시간은 35%, 차량당 정지지체 45%, 차량당 평균 정지 횟수 33%, 총 통행시간 8%가 각각 감소되었으며, 평균속도는 6km/h 증가되었다. 봉양 시가지내의 평면신호교차로에 의해서 발생되는 지체를 회전교통량 분산식 교차로가 상당히 지체를 완화시키는 것으로 분석되었다.
- 회전교통량 분산으로 인한 신호현시 수 감소, 회전 교통량 분산·우회처리, 직진교통량 우선 처리 등이 회전교통량 분산식 교차로의 주요 특징이다. 이러한 신개념 교차로 운영방식으로 평면신호교차로에 비해 평균 통행속도는 증가하고, 지체(차량당 지체시간, 차량당 정지지체, 차량당 평균 정지 횟수, 총 통행시간)는 감소하는 등 교차로 운영효율성이 상당 부분 개선되는 것으로 나타났다.
- 이러한 연구결과를 토대로, 지방부 간선도로 성능을 적정수준으로 유지, 교통혼잡과 환경개선을 위해서 교차로 설계 및 운영 개선방안이 필요하며, 본 연구에서 제시한 회전교통량 분산식 교차로가 하나의 대안이 될 수 있는 것으로 입증되었다. 이러한 회전교통량 분산식 교차로 설계·운영을 통하여 지방부 간선도로 통행 서비스 증진과 이용자 편익을 증대할 수 있다고 판단된다.
- 환경효과 분석결과, 회전교통량 분산식 교차로가 평면 신호교차로에 비해 차량에서 발생하는 온실가스 배출량이 감소되는 것으로 나타났다. 회전교통량 분산교차로는 평면신호교차로에 비해 이산화탄소 발생량 약 5%, 산화질소 발생량 약 11% 정도 감소되는 것으로 나타났다(Table 2 참조).
- 환경효과 분석결과, 회전교통량 분산식 교차로가 평면 신호교차로에 비해 차량에서 발생하는 온실가스 배출량이 감소되는 것으로 나타났다. 회전교통량 분산교차로는 평면신호교차로에 비해 이산화탄소 발생량 약 5%, 산화질소 발생량 약 11% 정도 감소되는 것으로 나타났다(Table 2 참조). 그러나 미세먼지 발생량은 두 개 교차로간에 큰 차이는 없는 것으로 분석되었다.
- 회전교통량 분산식 교차로 적용에 따른 환경영향은 이산화탄소 약 7%, 산화질소 약 15%로 온실가스 배출량이 각각 감소하는 것으로 분석되었다. 또한, 비록 차이는 작지만, 미세먼지 발생량도 약 1% 감소효과가 있는 것으로 나타났다(Table 6 참조).
- 통과교통량은 두 개 교차로 형태간 차이가 없는 것으로 나타났다(Table 1 참조). 회전교통량 분산식 교차로가 교차로 부근에서 발생하는 지체완화 등 간선도로 기능을 개선시키는 것으로 나타났다.
- Table 4를 보면, 온실가스 배출량은 회전교통량 분산식 교차로가 평면신호교차로보다 유리한 것으로 나타났다. 회전교통량 분산식 교차로는 평면신호교차로에 비해 이산화탄소 발생량 약 5%, 산화질소 발생량 약 10% 정도 감소되는 것으로 나타났다. 미세먼지 발생량은 두 개 교차로간에 큰 차이는 없는 것으로 분석되었다.
- 시뮬레이션 결과, 회전교통량을 분산한 교차로 형태가 평면신호교차로에 비해 차량당 지체시간은 39%, 차량당 정지지체 46%, 차량당 평균 정지 횟수 30%, 총 통행시간 14%가 각각 감소되었으며, 평균속도는 10km/h 높아졌다. 회전교통량 분산식 교차로의 기하구조와 운영방식에 의해 지체완화, 평균속도 향상 등 운영효율성이 상당히 개선된 것으로 나타났다(Table 5 참조). 그러나 통과 교통량은 두 개 교차로간에 큰 차이는 없는 것으로 나타났는데, 이는 수요와 관련된 것으로 보인다.
후속연구
- 첫 번째, 우리나라 도로·교통여건을 고려하여 각 회전교통량 분산식 교차로 형태별로 처리할 수 있는 최대 교통량을 제시할 필요가 있다. 두 번째, 기존 평면신호교차로와 다른 운영방식에 의한 운전자 기대에 위배되기 때문에 안내표지 표기방법에 대한 연구도 필요하다. 마지막으로 안전하며, 효율적으로 신개념 교차로를 설계 및 운영하기 위해 U-turn 지점, 최소회전반경 등 기하구조 설계기준이 필요하다.
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