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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 교통량 증가로 회전교차로의 효율성 감소 시 원활한 소통과 함께 보행자의 안전을 고려한 회전교차로 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 제시하고자 한다.
- 기존 연구검토 결과, 회전교차로 신호운영 및 보행신호 운영 대한 연구가 다수 진행되었으나, 차량의 소통과 보행자의 안전을 동시에 고려한 Singal Metering 운영에 대한 연구는 없다. 따라서 본 연구에서는 회전교차로 설치이후 교통량 증가 및 불균등한 교통상황 발생으로 인한 지체시간 증가에 따른 회전교차로의 효율성 감소시 원활한 소통을 위한 차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 개발하고자 한다.
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 보행자를 고려한 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 개발하였다. 모든 진입로에 설치된 차량 검지기 및 보행 검지기의 데이터 수집을 통해 차단진입로 및 미터링진입로가 선정되며, 미터링신호(적색신호) 연장 및 보행신호가 부여된다.
제안 방법
- 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 차량과 보행자를 동시에 고려한 감응식 신호미터링 운영 알고리즘에 대한 효과평가를 수행하였다. 연구수행방법은 다음과 같다.
- 각 대안별 비교를 위해 혼잡한 상황을 가정하여 총 진입교통량 2,200~5,000대/시 범위에서 400대 단위로 불균등한 교통상황인 마주보는 진입로의 교통량이 많은 경우(Case 1)와 인접한 진입로의 교통량이 많은 경우(Case 2)로 설정하였으며, 좌회전 비율 30%, 보행량 200명/시로 고정하여 총 64개의 시나리오 분석을 수행하였다.
- 다섯째, 효과분석 결과를 바탕으로 교통량 및 회전비율에 따른 차량 및 보행자를 동시에 고려한 회전교차로 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 제시하였다.
- 둘째, 회전교차로 신호미터링을 위한 차량 및 보행자 검지체계를 구축하고 미터링 신호, 신호 연장여부, 보행신호(Push Button)를 설정하여 알고리즘을 개발하였다.
- Akcelik(2004)는 모의상황분석을 통해 진입교통량의 불균등에 따라 회전교차로에 용량이 감소되며 중앙섬 직경, 회전차로 폭 등이 용량에 큰 영향을 미친다는 결과를 제시하였다. 또한 실제 회전교차로에서 주도로의 진입교통류 비율이 높아 진입교통량이 적음에도 불구하고 누적 회전교통량이 많아져 부도로 진입의 어려움 발생하여 회전교차로의 소통이 원활하지 못하는 운영사례를 조사하여 Signal Metering 도입의 필요성을 제시하였다.
- 회전교차로는 운영원리 특성상 차량이 우선권을 가지며, 보행량이 많을 경우 신호교차로로 전환 및 설치하는 것이 타당하다. 본 연구에서 개발하고자 하는 감응식 신호미터링은 주기적인 신호가 아니므로 보행신호는 보행자 Push Button에 의해 작동되는 형식(Pelican crossing)으로 설정하였으며, 각 진입로별 설치된 검지기([Fig. 5] 참조)에 의해 차량의 대기행렬이 검지되면 신호미터링이 운영 된다. 이때, 보행신호는 신호 미터링 운영 중에만 작동하며, 차량의 미터링 판단이 끝난 후에 보행자 횡단시간을 최소시간으로 부여해준다.
- 본 연구에서 제시한 차량 및 보행자를 고려한 회전교차로 감응식 신호미터링 운영 알고리즘 평가를 위해 도입 전·후 지체시간을 비교 및 분석하였다.
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 2개의 교통류 시나리오(마주보는 진입로의 교통량이 많은 경우와 인접한 진입로의 교통량이 많은 경우)와 좌회전 비율 30%를 반영하여 총 진입교통량 2,200~5,000대/시의 범위에서 무신호 회전교차로에 보행자가 횡단하는 상태인 신호미터링 미시행(Do-Not)과 신호미터링 시행(Do)에 대한 대안Ⅰ(고정식 보행신호운영), 대안Ⅱ(차량 신호미터링) 그리고 대안Ⅲ(차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링) 시나리오에 따른 분석을 수행하였다. 실시간 제어상황과 연계한 효과검증을 위해 교통 분석용 시뮬레이션 프로그램인 VISSIM의 COminterface 기능을 활용하여 평가분석을 수행하였으며, 본 연구의 분석결과를 바탕으로 보행신호를 고려한 회전교차로 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 제시하였다.
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 교통류상태(진입교통량, 좌회전비율)에 따른 시나리오를 설정하고 교통류 분석프로그램인 VISSIM을 활용하여 효과척도(차량 당 평균제어지체)를 분석하였다.
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 불균등한 교통상황 발생 시 차량 및 보행자를 고려한 신호미터링 알고리즘 평가를 위해 미시행(Do-Not), 시행(Do)에 따른 시나리오를 4가지로 구분하였다.
- 본 연구에서는 도시부 회전교차로 설치 시 보행량이 200명/시 이하인 경우 회전교차로가 적합하며 보행량이 200명/시 이상인 경우는 펠리컨 신호가 있는 원형교차로가 적합(Kim et al., 2013)한 선행 연구결과를 바탕으로 보행량을 200명/시로 설정하였다.
- 셋째, VISSIM에서 제공하는 COminterface(Visual Basic Application)를 활용하여 무신호 회전교차로에 보행자가 횡단하는 상태인 신호미터링 미시행(Do-Not)과 신호미터링 시행(Do)에 대한 대안Ⅰ(고정식 보행신호운영), 대안Ⅱ(차량 신호미터링) 그리고 대안Ⅲ(차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링) 시나리오에 따른 분석을 수행하였다.
- VISSIM은 미시적인 시뮬레이션 분석 프로그램으로 신호제어 및 회전교차로를 포함한 다양한 형태의 교통류를 고려하여 분석이 가능하다는 장점이 있다. 이와 같은 장점을 가진 VISSIM에서 제공하는 COminterface 기능을 활용하여 무신호 회전교차로 및 본 연구에서 제시한 차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링 운영 알고리즘을 서브루틴(subroutine)으로 연결하여 분석하였다.
- 차량검지기 이격거리는 50m로 설정하였으며, 보행자 Push Button에 의해 작동되는 Pelican crossing을 구현하기 위해 진입로별 횡단보도 대기선 앞에 검지기를 구축하였다. 회전차로 차두간격은 최소 0.
- 첫째, 국내·외 연구에 대하여 회전교차로의 신호운영에 관한 연구와 회전교차로의 보행신호 운영에 관한 연구로 구분하여 선행연구에 대한 이론적 고찰을 수행하고 시사점 및 연구방향을 도출하였다.
- 회전교차로설계지침(MOLIT, 2014)에 따라 2차로형 4지 회전교차로의 회전부 설계속도는 20km/h, 내접원 지름 30m, 중앙교통섬 지름 25m, 회전차로 폭 5m, 그리고 진입부 최대설계속도는 60km/h로 설정하였으며, 우회전비율은 좌회전 비율과 관계없이 모두 10%를 적용하여 승용차로만 구성된 교통량을 구성하였다.
- 차량검지기 이격거리는 50m로 설정하였으며, 보행자 Push Button에 의해 작동되는 Pelican crossing을 구현하기 위해 진입로별 횡단보도 대기선 앞에 검지기를 구축하였다. 회전차로 차두간격은 최소 0.05초로 적용하여 차량의 대기행렬로 인한 정체가 되고 있지 않은 경우에는 정지 없이 계속하여 진행 할 수 있도록 설정하였으며, 본 연구에서 개발한 감응식 신호미터링 알고리즘 적용을 위해 COM-Interface 모듈과 연계하여 분석값 도출을 통해 비교 및 분석이 용이하게 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 보행자를 고려한 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 개발하였다. 모든 진입로에 설치된 차량 검지기 및 보행 검지기의 데이터 수집을 통해 차단진입로 및 미터링진입로가 선정되며, 미터링신호(적색신호) 연장 및 보행신호가 부여된다.
데이터처리
- 넷째, 시나리오별 지체감소에 대한 통계적 유의성은 대안별 시나리오에 대한 통계적 검증이 가능한 일원분산분석(One-Way ANOVA)을 통하여 가설검증(hypothesis test)을 수행하였다.
- 본 연구에서는 대안Ⅰ(고정식 보행신호운영), 대안Ⅱ(차량 신호미터링), 대안Ⅲ(차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링)에 따른 지체차이에 대한 통계적 유의성을 살펴보기 위해 일원분산분석을 수행하였다.
- 분석결과에 대한 통계적 유의성은 95% 신뢰구간에서 자유도(degree of freedom) 63개에 대하여 집단 간의 사후검증을 통해 각 대안 간의 평균 지체시간 차이를 다음 [Table 2]와 같이 비교하였다.
- 본 연구에서는 2차로형 4지 회전교차로를 대상으로 2개의 교통류 시나리오(마주보는 진입로의 교통량이 많은 경우와 인접한 진입로의 교통량이 많은 경우)와 좌회전 비율 30%를 반영하여 총 진입교통량 2,200~5,000대/시의 범위에서 무신호 회전교차로에 보행자가 횡단하는 상태인 신호미터링 미시행(Do-Not)과 신호미터링 시행(Do)에 대한 대안Ⅰ(고정식 보행신호운영), 대안Ⅱ(차량 신호미터링) 그리고 대안Ⅲ(차량 및 보행자를 고려한 감응식 신호미터링) 시나리오에 따른 분석을 수행하였다. 실시간 제어상황과 연계한 효과검증을 위해 교통 분석용 시뮬레이션 프로그램인 VISSIM의 COminterface 기능을 활용하여 평가분석을 수행하였으며, 본 연구의 분석결과를 바탕으로 보행신호를 고려한 회전교차로 감응식 신호미터링 알고리즘(Signal Metering Algorithm)을 제시하였다.
성능/효과
- 무신호 회전교차로와 대안Ⅰ의 평균값 차이는 –22.58초/대, 대안Ⅱ의 평균값 차이는 11.53초/대, 대안Ⅲ의평균값 차이는 –4.94초/대로 대안별 평균값 간의 차이가 통계적으로 유의한 것으로 분석되었다.
- 71% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 반면에 총 진입교통량 3,800대/시 이상의 교통량에서는 차량 당 평균지체가 증가하여 효과가 없는 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서 개발한 차량 및 보행자를 고려한 신호미터링 운영 알고리즘은 마주보는 두 진입로에 교통량이 집중된 상태(3,400대/시 이하) 그리고 인접한 두 진입로에 교통량이 집중된 상태(3,000~4,200대/시)의 교통량에서만 운영효과가 있었다. 이러한 결과는 보행신호 운영으로 인해 방향별 차량의 진출입로가 동시에 차단되어 보행신호 동안 차량들이 대기하면서 지체가 증가한 것으로 나타났다.
- 본 연구의 결과 운영대안Ⅰ의 Case1 & Case2 경우 모든 진입교통량에서 차량 당 평균지체가 증가하였으며, 보행신호 운영으로 인해 총 진입교통량이 많아질수록 차량 당 평균지체가 증가하는 것으로 분석되었다.
- Lee and Ahn(2016)는 1차로형 4지 회전교차로를 대상으로 동적 신호미터링 운영알고리즘을 제시하였고, 효과분석은 VISSIM의 COminterface(Visual Basic Application) 기능을 활용하였다. 분석결과 인접한 두 진입로를 한 쌍(pair)으로 묶고 미터링진입로의 교통량이 통제진입로의 교통량 보다 작은 경우 실시간 Signal Metering운영 효과가 높은 것으로 분석되었다. 특히, 1차로형 4지 회전교차로를 기준으로 총 진입교통량이 1,600대/시일 때 차량 당 평균지체가 70.
- (2011)는 도시부 1차로 회전교차로의 도시부의 경우 회전교차로 운영 효율에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나인 보행량에 대한 영향 분석은 미비함을 지적하며 보행량에 따른 회전교차로의 효율분석 및 보행신호를 제시하였다. 분석결과, 도시부 회전교차로 설치 시 보행량이 200명/시 이하인 경우 회전교차로가 적합하며 보행량이 200명/시 이상인 경우는 펠리컨 신호가 있는 원형교차로, 보행량이 600명/시 보다 높으면서 교통량이 1,500대/시 이상인 경우는 정주기식 신호가 있는 신호교차로가 적합한 것으로 나타났다.
- (2016)는 불균등한 교통량 패턴을 갖는 회전교차로의 운영을 개선하기 위해 미터링 시스템을 제시하였다. 분석결과, 미터링 시스템은 더 긴 대기행렬을 해소할 수 있으며 용량 증대는 길어진 간격의 비율 증가와 차량추종시간 감소로 인해 회전교차로에 진입하는 교통량이 증가 하는 것으로 나타났으며, 교통운영 및 불균등 교통류의 흐름이 개선되는 것으로 분석되었다.
- Park(2015)은 회전교차로 진입차로별 교통량, 검지기의 이격거리, 진입차로 통제시간 등에 대한 시나리오를 구축하여 VISSIM을 활용한 다양한 조건의 시뮬레이션을 통해 회전교차로 신호미터링의 도입 전·후 결과를 VISSIM에서 제공하는 VisVAP 모듈을 활용하여 분석하였다. 분석결과, 진입교통류의 좌회전 비율이 증가할수록 신호미터링을 통한 회전교차로의 지체 감소 효과는 증가하였으며, 검지기 간격의 경우 40m일 때, 미터링 진입로의 적색시간 길이가 10초 혹은 20초 일 때, Controlling Approach의 교통량이 450~650대/시의 경우 신호미터링의 효과가 비교적 높은 것으로 분석되었다.
- Akcelik(2011)은 호주 멜버른의 회전교차로에 Signal Metering 적용하여 회전 및 진입로 제어에 따른 지체 시간, 대기행렬길이, 정지율 등을 효과척도로 하여 회전교차로 Signal Metering 운영에 따른 효과분석을 수행하였다. 분석결과, 회전교차로에 일반적인 신호시간을 적용한 것 보다 더 낮은 신호주기를 제공하는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅰ의 Case1, Case2에 대한 종합분석 결과 보행신호 운영으로 인해 방향별 차량의 진출입로가 차단되어 모든 진입교통량에서 차량 당 평균지체가 증가하는 것으로 분석되었으며 특히, 총 진입교통량이 많아질수록 Case1의 경우 Case2에 비해 지체시간의 증가폭이 더 큰 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅱ의 Case1 & Case2 경우 모든 진입교통량에서 차량 당 평균지체가 감소하였으며 특히, Case 2에서 진입교통량 3,000대/시인 경우 차량 당 평균지체가 77.97초/대에서 31.73초/대로 59.30% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
- [Table 4]는 운영대안Ⅱ의 Case1(40:20:30:10)과 Case2(40:20:30:10)의 분석결과를 정리한 것이다. 운영대안Ⅱ의 Case1 경우 모든 진입교통량에서 차량 당 평균지체가 1.65~52.03초/대로 16.55~54.60% 감소하였으며 특히, 총 진입교통량 3,400대/시인 경우 차량 당 평균지체가 95.28초/대에서 43.25초/대로 54.60% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅱ의 Case1, Case2에 대한 종합분석 결과 모든 진입교통량에서 차량 당 지체가 감소하는 것으로 분석되었으며, 총 진입교통량 3,400대/시 이상으로 많아질수록 차량 당 지체감소 폭이 작아지는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅱ의 Case2 경우 모든 진입교통량에서 차량 당 평균지체가 0.93~46.24초/대로 0.48~59.30% 감소하였으며 특히, 총 진입교통량 3,000대/시인 경우 차량 당 평균지체가 77.97초/대에서 31.73초/대로 59.30% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅲ의 Case1 경우 총 진입교통량 3,400대/시 이하의 교통량에서 차량 당 평균지체가 0.55~40.69초/대로 5.55~42.7% 감소하였으며 특히, 3,400대/시인 경우 차량 당 평균지체가 95.28초/대에서 54.59초/대로 42.71% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 반면에 총 진입교통량 3,800대/시 이상의 교통량에서는 차량 당 평균지체가 증가하여 효과가 없는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅲ의 Case1, Case2에 대한 종합분석 결과 마주보는 두 진입로에 교통량이 집중된 경우 3,400대/시 이하의 교통량에서 운영효과가 있으며, 인접한 두 진입로에 교통량이 집중된 경우 3,000~4,200대/시의 교통량에서만 지체감소효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 보행신호 운영으로 인해 방향별 차량의 진출입로가 동시에 차단되어 운영대안Ⅱ(차량 신호미터링) 보다 지체감소 효과가 적은 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅲ의 Case2 경우 총 진입교통량 3,000~4,200대/시에서 차량 당 평균지체가 0.93~46.24초/대로 0.48~59.30% 감소하였으며 특히, 총 진입교통량 3,000대/시인 경우 차량 당 평균지체가 77.97초/대에서 69.39초/대로 11.00% 감소하여 가장 큰 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
- 운영대안Ⅲ의 Case1, Case2에 대한 종합분석 결과 마주보는 두 진입로에 교통량이 집중된 경우 3,400대/시 이하의 교통량에서 운영효과가 있으며, 인접한 두 진입로에 교통량이 집중된 경우 3,000~4,200대/시의 교통량에서만 지체감소효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 보행신호 운영으로 인해 방향별 차량의 진출입로가 동시에 차단되어 운영대안Ⅱ(차량 신호미터링) 보다 지체감소 효과가 적은 것으로 분석되었다.
- 0이고 미터링진입로의 교통량이 관리진입로의 교통량이 보다 작을 경우 운영효과가 있는 것으로 분석되었다. 특히 미터링진입로의 진입교통량이 통제진입로의 진입교통량보다 작고 두 진입로의 포화도비(V/C비) 합이 1.0보다 작아야 개선효과가 있는 것으로 분석되었다.
- 분석결과 인접한 두 진입로를 한 쌍(pair)으로 묶고 미터링진입로의 교통량이 통제진입로의 교통량 보다 작은 경우 실시간 Signal Metering운영 효과가 높은 것으로 분석되었다. 특히, 1차로형 4지 회전교차로를 기준으로 총 진입교통량이 1,600대/시일 때 차량 당 평균지체가 70.9~102.2초/대로 73.8~77.8% 감소하는 것으로 분석되었다.
- 67% 증가하였다. 특히, 총 진입교통량 3,800대/시인 경우 차량 당 평균지체가 120.83초/대에서 172.28초/대로 42.58% 증가하여 가장 효과가 없는 것으로 분석되었다.
- 67% 증가하였다. 특히, 총 진입교통량 3,800대/시인 경우 차량 당 평균지체가 193.74초/대에서 227.67초/대로 42.58% 증가하여 가장 효과가 없는 것으로 분석되었다.
- (2013)는 특정시간이나 첨두시의 교통량 및 보행자수를 가정하여 보행자수에 따른 회전교차로의 접근로별 용량변화를 살펴보고, 보행자 수가 증가함에 따라 회전교차로에서의 보행신호 적용 타당성 및 그에 따른 신호운영 방안을 제시하였다. 현장자료를 이용한 시뮬레이션 분석을 통해 회전교차로 보행신호의 설치효과 및 적용방안을 검토하였으며, 보행신호를 적용한 회전교차로가 일반 회전교차로에 비해 지체감소 효과가 있는 것을 확인하였다.
후속연구
- 넷째, 향후 자율주행차량(autonomous vehicle)과 연계하여 회전교차로 주변에 커넥티드 차량(connected vehicle) 기법을 접목한 Smart Roundabout 운영에 대한 연구가 필요하다.
- 둘째, 단일 교차로가 아닌 네트워크 차원에서의 인접교차로의 영향을 고려한 동적 신호미터링 운영효과 분석이 필요하다.
- 본 연구에서는 효과분석 및 신호운영 측면에서 다음과 같은 한계를 갖는다. 따라서 향후 연구 시 다음과 같은 연구방안을 제안하며, 이를 보완한 추가적인 연구를 통해 한계점을 극복하고 보다 정확한 분석결과를 이끌어 낼 수 있을 것이다.
- 본 연구는 차량만을 고려하는 신호미터링(운영대안Ⅱ)과는 달리 차량과 보행자를 동시에 고려하여 차량의 소통 및 보행자의 안전을 제고했다는 점에 의의를 가진다. 본 연구결과를 통해 특정시간대에 차량의 증가로 인해 보행안전에 위협을 받을 수 있는 어린이 보호구역 및 노인 보호구역 등의 인근 회전교차로에 적용한다면 차량의 소통과 보행자의 안전을 동시에 고려할 수 있는 효율적 운영방안이 될 것으로 기대된다.
- 분산분석(ANOVA)은 Fisher가 제안한 F 검정을 사용하여 2개 이상 집단 간의 평균 차이를 검증하는 방법이다. 본 연구에서와 같이 독립변수와 종속변수가 각각 한 개씩인 4개의 집단을 비교할 때 집단 간 변화량(between group variation)을 비교하는 방법으로 일원분산분석(One-way ANOVA)을 통해 집단 간 평균차이를 분석하고 집단간 수준별(pairwise) 차이정도를 알아보기 위해서는 추가로 사후검정(Post-hoc test)을 수행해야 한다.
- 셋째, 신호미터링 운영 알고리즘에 따른 효과평가 지표로 차량 당 평균지체 뿐만 아니라 차량 및 보행자 관점에서 안전도 및 상충 등 안전과 관련된 지표분석이 필요하다.
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