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문제 정의
- 본 도로조명 기준연구는 이러한 조명환경을 제공함에 있어 자동차 중심의 교통 환경에서 사람 중심의 교통환경을 개선하고, 도로조명에 LED가 적용되면서 구현 가능해진 조명환경과 개정된 국제조명위원회의 도로조명 기준을 우리의 실정에 맞게 반영하여 안전성·경제성·환경성을 향상시키는 야간 도로 환경을 마련하고자 한다.
- 본 연구에서는 도로조명에 LED가 시스템으로 적용하게 되면서, 도로유형으로 가중치가 정해지는 도로중심에서 환경적인 요인이 적용된 사람중심의 교통환경으로 적용이 가능하게 되어 경제성·안전성·환경성 구현된 조명환경을 제공할 수 있는 도로조명기준을 만들고자 하였다.
- 그러나 CIE가 제시하는 개정된 기준은 사람 중심의 교통환경의 변화를 반영하고 있다. 본 연구에서는 이런 국제적인 추세를 받아들여 국제조명위원회가 제시하는 환경 매개변수를 적용하되 국내 실정에 맞는 세부항목을 만들어 좀 더 정량화된 조명기준으로 안전성과 경제성 환경성을 고려한 도로조명기준을 마련하고자 하였다.
제안 방법
- CIE의 자동차 및 보행자에 대한 도로조명의 질적 수준 결정 관련 권고사항인 CIE 115:2010 (Lighting of Roads for Motor and Pedestrian Traffic)은 도로조명에 LED가 적용되면서, 안전과 보안에 영향을 끼치지 않는 범위 내에서 조광 운영이 효과적으로 적용될 수 있는 현실을 반영한 것이다. 개정 주요 특징으로 첫째, 일몰 후 각 시간대에 적합한 교통밀도에 따른 제안으로써 교통량이 낮을 때에 적합한 조명수준을 규정하였다. 둘째, “상황 매개변수(Circum-stance parameters)”, 즉 밤 시간 특정시간대, 속도, 교통구성, 차도분리 상태, 주위 평균 밝기 등에 따라 조명수준을 낮추는 것에 대해서 규정하였다(그림 1).
- 교차로 유형별로 현행 지침의 배치방식을 적용하여 사용에너지를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 십자형 교차로 및 Y자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 44% 경제적인 효과가 있었다.
- 국내외 기준검토를 통해 도로 이용자의 시환경에 영향을 미치는 다양한 매개변수를 대상으로 국내 도로의 야간 광환경을 측정하였다. 측정 환경은 안전을 위해 야간에 주행하면서 동영상 휘도계(ELF)로 측정하였다.
- 도로조명 등급별 이용자의 시인성 테스트를 통해 주변밝기가 주행환경에 미치는 영향을 분석하였다.
- 도로조명기구 NH와 LED를 적용하여 2차로와 4차로의 소비전력을 비교 평가하였다(그림 6).
- 연속조명, 국부조명 등 도로유형별 조명에 의한 에너지 절감방안 마련을 위해 조명전문 프로그램(Relux pro)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 평가를 하였다. 도로조명에 사용하는 광원(LED, 고압나트륨 램프, 메탈할라이드 램프)과 조명기구 배광 유형별 사용에너지를 비교하였으며, 도로의 종류 및 그 특성에 효과적인 조명방식 적용에 의한 사용에너지를 비교하였다
- 둘째, “상황 매개변수(Circum-stance parameters)”, 즉 밤 시간 특정시간대, 속도, 교통구성, 차도분리 상태, 주위 평균 밝기 등에 따라 조명수준을 낮추는 것에 대해서 규정하였다(그림 1).
- 둘째, 경제성·안전성·환경성을 고려해 운영 시간대 별, 도로 및 교통의 특성을 파악하여 조명등급(조명밝기)을 탄력적으로 운영(디밍)하도록 하였다(3단계).
- 본 연구에서 조명등급은 시뮬레이터의 한계로 정확한 노면휘도는 재현하지 못하지만, 도시부에서 일반적으로 설계하는 조명등급(M2, M5, 무조명)으로 재현하고 조명밝기에 의한 운전자의 운전부하(인지반응시간)를 측정하였다(그림 5).
- 운전자의 운전부하 관련 연구는 현장실험이나 도로주행 시뮬레이터 실험을 통해 진행되고 있다. 본 연구에서는 시뮬레이터에서 교통사고를 통제 또는 재현 가능한 매개변수를 검토하여 설정하였다.
- 셋째, 빛공해 방지법 시행(’13.2)에 따라 도로의 주변 밝기를 도로조명등급 설정에 반영하도록 하였다.
- 연속조명, 국부조명 등 도로유형별 조명에 의한 에너지 절감방안 마련을 위해 조명전문 프로그램(Relux pro)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 평가를 하였다. 도로조명에 사용하는 광원(LED, 고압나트륨 램프, 메탈할라이드 램프)과 조명기구 배광 유형별 사용에너지를 비교하였으며, 도로의 종류 및 그 특성에 효과적인 조명방식 적용에 의한 사용에너지를 비교하였다
- 도로조명의 등급은 운전자의 전방 장애물 보임의 수준을 근거로 설정되었으며, 도로 노면과 장애물의 밝기 대비(이하 ‘휘도대비’)가 장애물 보임의 수준을 결정하는 주요 요인이 된다. 이에 도로조명 등급별 가로등 배치 간격을 조정하여 노면과 장애물 밝기를 변화시키면서 운전자(피험자)의 장애물 확인거리 정보를 수집하였다(그림 3). 그 결과 개별 피험자를 대상으로 수집된 자료 중 하나로 노면 휘도(Ls) 및 장애물 휘도(Lo), 장애물 확인 거리의 관계가 휘도차(또는 휘도대비)와 시인성의 관계로 설명 가능한 경향을 보임을 알 수 있었다.
- 가로등의 효율적 설치 및 관리에 의하여 야간 도로 이용자 및 보행자의 통행 안전성을 확보함과 동시에 비추고자 하는 조명영역 밖으로 누출되는 빛에 의해 발생하는 에너지 비효율과 시각적 불편함을 방지할 수 있을 것이다. 이에 도로조명을 설계함에 있어서 이러한 기준을 반영할 수 있는 방안으로 조명환경관리 구역을 주변휘도로 설정하여 정량화할 수 있도록 하였다.
- 인지반응시간은 무단횡단 발생시각에서 피험자의 회피거동 시작시점(액셀 및 핸들시작 시점)까지의 시간측정으로 하였다. 구간별 조명밝기에 따른 인지반응시간 비교결과, 조명등급이 높을수록 인지반응시간은 짧지만 주행속도는 높았다.
- 2)에 따라 도로의 주변 밝기를 도로조명등급 설정에 반영하도록 하였다. 즉, 조명환경관리구역에 따라 주변밝기를 적용하였다.
- 첫째, 사람중심의 안전한 도로주행 환경을 제공하기 위한 방법으로, 주행 시 운전자에게 미치는 여러가지 환경적인 요소들을 매개변수로 정량화하여 설계에 반영하도록 하였다.
- 국내외 기준검토를 통해 도로 이용자의 시환경에 영향을 미치는 다양한 매개변수를 대상으로 국내 도로의 야간 광환경을 측정하였다. 측정 환경은 안전을 위해 야간에 주행하면서 동영상 휘도계(ELF)로 측정하였다. 측정은 고속도로(경부), 일반국도(17번), 서울외곽순환고속도로, 신도시(세종시)를 중심으로 조사하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 네덜란드 van Bommel Lighting Consultant(반봄멜 조명컨설팅)로부터 CIE 2010 기준개정 배경 및 매개변수 등에 대해 자문을 받았으며, 주요내용은 다음과 같다.
- 도로, 교통, 전기, 환경분야 및 발주기관(한국도로공사, 서울시, LH공사) 관련담당자 자문을 수차례 받았으며, 주요내용을 반영하였다.
- 측정 환경은 안전을 위해 야간에 주행하면서 동영상 휘도계(ELF)로 측정하였다. 측정은 고속도로(경부), 일반국도(17번), 서울외곽순환고속도로, 신도시(세종시)를 중심으로 조사하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
성능/효과
- 시뮬레이션 결과, 십자형 교차로 및 Y자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 44% 경제적인 효과가 있었다. T자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 30% 경제적인 효과가 있었다. 회전 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 16% 경제적인 효과가 있었다.
- 인지반응시간은 무단횡단 발생시각에서 피험자의 회피거동 시작시점(액셀 및 핸들시작 시점)까지의 시간측정으로 하였다. 구간별 조명밝기에 따른 인지반응시간 비교결과, 조명등급이 높을수록 인지반응시간은 짧지만 주행속도는 높았다. 또한 교통조건이 보행자·자전거 혼재구간은 인지반응시간이 짧음을 알 수 있었다.
- 이에 도로조명 등급별 가로등 배치 간격을 조정하여 노면과 장애물 밝기를 변화시키면서 운전자(피험자)의 장애물 확인거리 정보를 수집하였다(그림 3). 그 결과 개별 피험자를 대상으로 수집된 자료 중 하나로 노면 휘도(Ls) 및 장애물 휘도(Lo), 장애물 확인 거리의 관계가 휘도차(또는 휘도대비)와 시인성의 관계로 설명 가능한 경향을 보임을 알 수 있었다.
- 도로종류별로는 특별·광역시도와 시도 등 도심부 도로에서 야간 교통사고 구성비가 주간 교통사고 구성비보다 높았으며, 사고유형별로는 보행자사고인 차대사람사고의 야간 교통사고 구성비가 주간 교통사고 구성비보다 높았다.
- 둘째, LED조명기구에서 도로조명등급 M1과 M2, M4와 M5의 설치간격, 수량이 동일하게 나왔다. 평균노면휘도 기준을 만족하더라도 종합 균제도, 차선축 균제도, TI를 모두 만족하기 위해서 조명기구의 설치간격 및 배열 등이 도로조명등급별로 차이 없이 동일할 수 있다.
- 또한 교통조건이 보행자·자전거 혼재구간은 인지반응시간이 짧음을 알 수 있었다.
- 셋째, 도로조명기준을 모두 만족하기 위해서 도로조명 등급에는 차이가 있으나 설치간격이 동일할 수 있어 낮은 등급의 경우 과다 설계가 우려된다.
- 교차로 유형별로 현행 지침의 배치방식을 적용하여 사용에너지를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 십자형 교차로 및 Y자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 44% 경제적인 효과가 있었다. T자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 30% 경제적인 효과가 있었다.
- 평가 결과, 첫째, 동일한 용량의 조명기구라고 해도 고압나트륨인 NH광원보다 LED광원에서 설치간격을 넓게 하여 배치함으로써 설치수량을 줄일 수 있었다. 이는 조명기구의 성능특성에 따라 도로조명기준을 만족할 수 있는 조건이 다르기 때문이다.
- T자형 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 30% 경제적인 효과가 있었다. 회전 교차로의 경우, 소비전력측면에서 LED 140W 비대칭배광의 하이마스트방식이 NH 250W 등주방식보다 약 16% 경제적인 효과가 있었다.
후속연구
- 가로등의 효율적 설치 및 관리에 의하여 야간 도로 이용자 및 보행자의 통행 안전성을 확보함과 동시에 비추고자 하는 조명영역 밖으로 누출되는 빛에 의해 발생하는 에너지 비효율과 시각적 불편함을 방지할 수 있을 것이다. 이에 도로조명을 설계함에 있어서 이러한 기준을 반영할 수 있는 방안으로 조명환경관리 구역을 주변휘도로 설정하여 정량화할 수 있도록 하였다.
- 넷째, 도로 교통안전에 큰 영향을 주지 않는 범위 내에서 소비전력 절감을 도모하기 위해 조광제어 방법을 통하여 조명의 밝기를 조절하면 경제적 효과를 더욱 높일 수 있을 것이다.
- 상기 측정 결과를 감안할 때, 교통구성, 차도분리여부, 주차된 차량, 교차로 밀도 등 운전자가 시각으로 경험하는 다양한 도로상의 변수를 조명등급 결정요소로 반영하여야 할 것이다.
- 일몰 후 시간에 따른 조명 밝기에 대한 검토뿐만 아니라 조명시설이 오히려 잘 되어 있는 특별·광역시도의 사고율이 높은 점을 고려할 때 현 조명기준에 대한 재검토가 충분히 이루어져야 할 것이다.
- 환경적인 요소(매개변수) 적용에 따른 기준 개정으로 과거 기준과 상충되는 부분이 발생될 수 있으나 이는 2년간 유예기간을 두고 신규 설치구간에 우선 적용하여 효과 분석 후 개정 예정이다. 현재 잠정지침에 대한 관련분야의 적극적인 관심으로 경제성·안전성·환경성을 향상시키는 도로조명을 제공할 수 있기를 기대해 본다.
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