본 연구는 동절기 도로관리서비스 향상과 도로의 안전성을 제고하기 위하여, 기존의 입력자료인 기상자료와 더불어 추가적으로 교통자료를 적용하여 노면온도를 예측할 수 있는 모형의 개발을 목표로 하였다. 노면온도 예측모형은 열수지법을 적용하였으며, 모형에서 교통량에 대한 고려는 차량 복사열, 타이어 마찰열로 구성하여 모형화하였다. 이 최종모형과 기상 조건을 기초로 한 초기 모형과 비교하여 노면온도에 미치는 교통량의 영향을 검토하였다. 제3경인고속도로의 실제 관측치과 두 모형에서 계산된 노면온도를 실제 노면온도 관측치와의 비교로 검증하였는데, 관측치와 예측치의 오차인 RMSE은 $1.97^{\circ}C$였다. 관측된 노면온도는 오전 6시부터 일사의 영향을 받아 급격히 상승하여 14시에 최대가되고, 그 후에는 감소한다. 모형 예측값은 관측값보다 오후에는 낮고, 야간에는 높게 나타났다. 이는 오후의 경우는 차량으로 인한 태양 복사열의 차폐, 야간의 경우는 차량열에 의한 열 공급이 주요 원인인 것으로 판단된다.
본 연구는 동절기 도로관리서비스 향상과 도로의 안전성을 제고하기 위하여, 기존의 입력자료인 기상자료와 더불어 추가적으로 교통자료를 적용하여 노면온도를 예측할 수 있는 모형의 개발을 목표로 하였다. 노면온도 예측모형은 열수지법을 적용하였으며, 모형에서 교통량에 대한 고려는 차량 복사열, 타이어 마찰열로 구성하여 모형화하였다. 이 최종모형과 기상 조건을 기초로 한 초기 모형과 비교하여 노면온도에 미치는 교통량의 영향을 검토하였다. 제3경인고속도로의 실제 관측치과 두 모형에서 계산된 노면온도를 실제 노면온도 관측치와의 비교로 검증하였는데, 관측치와 예측치의 오차인 RMSE은 $1.97^{\circ}C$였다. 관측된 노면온도는 오전 6시부터 일사의 영향을 받아 급격히 상승하여 14시에 최대가되고, 그 후에는 감소한다. 모형 예측값은 관측값보다 오후에는 낮고, 야간에는 높게 나타났다. 이는 오후의 경우는 차량으로 인한 태양 복사열의 차폐, 야간의 경우는 차량열에 의한 열 공급이 주요 원인인 것으로 판단된다.
In this study, to improve effectiveness of road management services and the safety of the road in winter, road surface temperature prediction model was developed. We have utilized the existing input data of meteorological data and additional traffic data. This Road surface temperature prediction mod...
In this study, to improve effectiveness of road management services and the safety of the road in winter, road surface temperature prediction model was developed. We have utilized the existing input data of meteorological data and additional traffic data. This Road surface temperature prediction model was utilizing a Heat-Balance Method additionally considering amount of traffic that produce heat radiation by vehicle-tire friction. This improved model was compared to the based model to check into influence of traffic affecting the road surface temperature. There were verified by comparing the real observed road surface temperature of the third Gyeong-In highway and road surface temperature from the two models. As a result, the error of real observed and the predicted value (RMSE) was found to average $1.97^{\circ}C$. Observed road surface temperature was dramatically affected by the sunlight from 6 a.m. to 2 p.m. and degree of influence decreases after that. The predictive value of the model is lower than the observed value in the afternoon, and higher at night. These results appear due to the shielding of solar radiation caused by the vehicle in the afternoon and at night, the vehicle appeared to cause thermal heat supply.
In this study, to improve effectiveness of road management services and the safety of the road in winter, road surface temperature prediction model was developed. We have utilized the existing input data of meteorological data and additional traffic data. This Road surface temperature prediction model was utilizing a Heat-Balance Method additionally considering amount of traffic that produce heat radiation by vehicle-tire friction. This improved model was compared to the based model to check into influence of traffic affecting the road surface temperature. There were verified by comparing the real observed road surface temperature of the third Gyeong-In highway and road surface temperature from the two models. As a result, the error of real observed and the predicted value (RMSE) was found to average $1.97^{\circ}C$. Observed road surface temperature was dramatically affected by the sunlight from 6 a.m. to 2 p.m. and degree of influence decreases after that. The predictive value of the model is lower than the observed value in the afternoon, and higher at night. These results appear due to the shielding of solar radiation caused by the vehicle in the afternoon and at night, the vehicle appeared to cause thermal heat supply.
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문제 정의
본 연구에서는 미시기상학에서 기본이 되는 지표면과 대기사이의 열수지 균형이론을 바탕으로 교통자료를 반영한 노면온도 예측모형을 개발하였다.
이에 본 연구에서는 기존 열수지법 모형에 도로의 상황을 현실적으로 반영할 수 있는 교통량 수집 자료를 적용하여 우리나라의 교통상황이 반영될 수 있도록 하였으며, 또한 도로의 지점별 특성을 반영하기 위하여 지점 특성 변수를 설정하여 우리나라의 도로상황을 현실적으로 적용하여 노면온도를 예측할 수 있도록 모형을 개발하고자 하였다.
제안 방법
그러나 일반적으로 교통정보수집시스템에서는 차량당 속도 수집이 가능하며, 본 연구에서는 보편적으로 적용이 가능한 모형의 개발을 목표로 하였으므로 향후 다른 구간에 대해 모형 적용 시 차종별 속도자료를 적용할 수 있도록 프로그램을 구축하였다.
노면온도 예측모형은 기상자료 관측지점에 대한 위도, 경도, 도로특성, 도로의 상태조건, 도로포장특성 등에 대한 지점특성자료와 기온, 풍속, 기압, 도로조건, 노면온도 관측값, 복사에너지 등의 기상자료, 교통량, 차량길이, 평균 통행속도 등의 교통자료를 입력하여 실행하였다.
본 연구에서 개발한 노면온도 예측모형은 기존의 기상자료를 적용한 모형을 바탕으로 하였으나, 우리나라의 현실적인 도로의 특성을 고려하고자 교통량, 속도, 타이어 마찰력 등 통행 차량의 특성을 반영하여 기존 노면온도 예측모형을 발전시키고 우리나라의 도로상황을 반영하고자 하였다.
본 연구에서는 개발한 노면온도 예측모형의 정확성 검증을 위하여 실제 대상구간을 선정하고, 현장에 구축된 도로기상 관측장비를 통해 수집된 노면온도 관측값과 기상자료만을 적용한 기존 노면온도 모형의 예측값과의 비교를 수행하였다.
본 연구에서는 교통자료가 노면온도 예측에 미치는 영향을 비교분석하고자 기상자료만을 적용한 기초적 노면온도 예측모형(first model)도 적용하여 분석하고 교통자료를 적용한 최종 노면온도 예측모형(last model)의 예측값과 비교하여 본 연구에서 개발한 노면온도 예측모형의 정확성을 판단하였다.
본 연구에서는 먼저 지표면 복사에너지 수지 모듈과 지표면 에너지 수지 모듈을 수행한 후 지면 온도 모듈을 수행하여 1차 노면온도를 예측하고, 예측지점을 통과하는 차량에 의한 영향을 고려하는 모듈과 타이어 마찰열을 고려하는 모듈을 수행하여 최종 노면온도를 예측하였다.
에너지 수지의 과정을 나타낸 것이며, 기상 및 지면 관련 요인 등의 열 플럭스를 이용하여 노면의 열수지를 계산하여 노면 온도를 예측한다.
이에 본 연구에서는 국내외 노면온도 예측모형 개발에서 주로 사용된 열수지법을 기초로 모형을 개발하였으며, 추가적으로 현실적인 도로상황을 반영하기 위해 이와 관련된 요소인 교통량, 차량속도, 타이어 마찰열 등을 고려하여 노면온도 예측모형을 개발하였다. 이는 도로를 이용하는 차량에 대한 요인을 반영하여 기존 노면온도 예측모형보다 현실적으로 변수를 적용하여 예측값의 신뢰도를 높이고자 한 것이며, 특히 교통량을 차종별로 고려하고 타이어 마찰력의 적용하는 단계를 포함시킴으로써 기존의 연구와 차별성을 두었다.
대상 데이터
교통자료는 대상구간인 제3경인고속도로의 도로 교통정보시스템에서 수집된 교통량과 속도 관측자료를 제공받아 적용하였다.
노면온도 예측모형의 주요 입력자료인 기온, 습도, 기압, 풍속, 태양복사량 등은 기상청 산하 ‘기상기술개발연구원’의 예측자료를 적용하였다.
본 연구에서 개발한 노면온도 예측모형의 결과값을 검증하기 위한 비교자료는 2013년 제3경인고속도로에 설치된 도로기상 관측장비의 노면온도 관측센서로부터 측정된 자료를 이용하였다.
이에 수도권 주요 자동차전용도로를 검토한 결과, 검증 대상구간으로 2013년에 노면온도 관측센서를 포함한 도로기상 관측장비를 구축한 제3경인 고속도로를 대상구간으로 선정하였다.
제3경인고속도로에 설치된 도로기상관측장비는 본 연구를 위해 설치된 현장 관측장비로서 노면온도 관측센서와 순복사센서, 대기온도센서, 강수량센서, 풍향/풍속센서, 지중온도센서, 대기압센서 등을 포함한 통합 도로기상정보 수집시스템이다.
데이터처리
예측 지점의 기상 및 노면온도 자료를 이용하여 다중회귀분석을 통해 노면온도를 예측한다.
이론/모형
본 연구에서는 다양한 장소에 적용이 가능한 상용적인 모형을 구축하기 위하여 열수지법을 기본 모형으로 사용하였다.
성능/효과
또한 관측값과 본 연구에서 개발한 모형의 예측값과의 오차(RMSE)는 1.97℃로 평균 오차범위 ±2℃내(기상학적 기준)로 나타나, 모형의 예측값이 관측값을 잘 모사하고 있다고 판단할 수 있다.
비교분석 결과, 본 연구에서 개발한 모형은 기상 자료만을 적용하는 기존 모형의 예측값보다 관측값에 근사한 예측값을 산출하는 것으로 나타났다.
후속연구
그러나, 본 연구에서 개발된 모형의 검증시 기상상태가 양호하고 도로상태가 건조한 날의 자료만을 적용하여, 실제 도로관리에 노면온도가 요구되는 동절기의 노면온도 예측이 수행되지 않아 동절기 자료에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
동절기 뿐만 아니라 모형 예측값의 정확성 확보를 위하여 다양한 기상조건 하에서의 모형 적용이 필요하므로 계절의 특성을 반영하기 위한 계절별 자료를 모형에 적용하는 과정이 필요할 것으로 판단된다.
또한 향후 모형의 활용성을 높이기 위하여 도로 관리를 위한 노면온도 예측뿐만 아니라 실제 도로 이용자에게 필요한 노면상태(습윤, 결빙, Black icing 등) 정보제공이 가능하도록 ‘노면상태 예측모형’의 개발이 반드시 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열수지법이란?
국내외 노면온도 예측모형의 연구는 주로 지면에서 열의 출입을 정량적으로 파악하는 열수지법(Heat balance method)을 이용하여 진행되고 있다.
모형의 신뢰도를 높이기 위해 어떻게 하였는가?
또한 모형의 예측값에 대한 적정성을 검증하기 위해 현장 관측값과 비교·분석하여, 모형의 신뢰도를 높이고자 하였다.
다중회귀분석을 통해 노면온도를 예측할 때 장점은?
- 장점 : 모형 구축이 비교적 용이함
참고문헌 (11)
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