기존의 도로교통의 속도관리 목표는 이동성 및 안전성 개선을 목표로 운영되어 왔으며, 환경적 측면과 에너지 효율 측면에 대한 고려는 미미하였다. 하지만, 최근 들어 기후변화로 인한 경제적 피해규모가 증가하고 있으며, 외부적 여건변화에 따라 환경가치는 상승할 것으로 예상된다. 또한, 교통부문에서의 탄소배출량 저감정책은 개인교통수단에서 대중교통으로 의 전환 및 친환경자동차 개발에만 집중되어있어 상대적으로 도로운영의 개선을 통한 저감 노력이 부족하다는 평가를 받았다. 향후 우리나라의 자동차 보유대수는 증가할 것으로 예상되므로 이에 대한 적응전략 및 대비책이 필요한 시점이다. 이를 위해서는 기존의 이동성 중심의 도로운영 정책에서 환경측면을 고려한 정책으로, 도로운영의 패러다임 전환을 통해 구현할 수 있을 것으로 판단된다. 교통운영 측면에서 온실가스 배출량을 저감하기 위해서는 현재 도로상에서 어느 정도 온실가스가 배출되는지를 실시간으로 모니터링 할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 실시간으로 수집되는 교통자료를 이용하여 5분 후의 상태를 예측하고 이를 통해 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 방법론을 제안하였다.
기존의 도로교통의 속도관리 목표는 이동성 및 안전성 개선을 목표로 운영되어 왔으며, 환경적 측면과 에너지 효율 측면에 대한 고려는 미미하였다. 하지만, 최근 들어 기후변화로 인한 경제적 피해규모가 증가하고 있으며, 외부적 여건변화에 따라 환경가치는 상승할 것으로 예상된다. 또한, 교통부문에서의 탄소배출량 저감정책은 개인교통수단에서 대중교통으로 의 전환 및 친환경자동차 개발에만 집중되어있어 상대적으로 도로운영의 개선을 통한 저감 노력이 부족하다는 평가를 받았다. 향후 우리나라의 자동차 보유대수는 증가할 것으로 예상되므로 이에 대한 적응전략 및 대비책이 필요한 시점이다. 이를 위해서는 기존의 이동성 중심의 도로운영 정책에서 환경측면을 고려한 정책으로, 도로운영의 패러다임 전환을 통해 구현할 수 있을 것으로 판단된다. 교통운영 측면에서 온실가스 배출량을 저감하기 위해서는 현재 도로상에서 어느 정도 온실가스가 배출되는지를 실시간으로 모니터링 할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 실시간으로 수집되는 교통자료를 이용하여 5분 후의 상태를 예측하고 이를 통해 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 방법론을 제안하였다.
Previous management for speed in road traffic system was aimed only to the improvement of mobility and safety. However, consideration for the aspect of environment and energy consumption efficiency was valued less than the former ones. Nevertheless, economical damage scope caused by climate change h...
Previous management for speed in road traffic system was aimed only to the improvement of mobility and safety. However, consideration for the aspect of environment and energy consumption efficiency was valued less than the former ones. Nevertheless, economical damage scope caused by climate change has been increasing and it is estimated that environmental value will be increased because of the change of external circumstances. In addition, policy for reducing carbon emission in transportation system was assessed as insufficient in improving the condition of traffic road since it only focused on the transition of private vehicle into public transportation and development of eco-friendly car. Now it is the time to prepare for the adaptation strategy and precaution for the increased number of private vehicle in Korea. For this, paradigm shift in traffic operation which includes the policy not only about the mobility but also about caring environment would be needed. It is needed to be able to monitor the actual amount of greenhouse gas in real time to reduce the amount of emitted greenhouse gas in the aspect of traffic management. In this research, a methodology which can build on-line greenhouse gas emission monitoring system by using real time traffic data and predicting the circumstance in next 5 minutes was suggested.
Previous management for speed in road traffic system was aimed only to the improvement of mobility and safety. However, consideration for the aspect of environment and energy consumption efficiency was valued less than the former ones. Nevertheless, economical damage scope caused by climate change has been increasing and it is estimated that environmental value will be increased because of the change of external circumstances. In addition, policy for reducing carbon emission in transportation system was assessed as insufficient in improving the condition of traffic road since it only focused on the transition of private vehicle into public transportation and development of eco-friendly car. Now it is the time to prepare for the adaptation strategy and precaution for the increased number of private vehicle in Korea. For this, paradigm shift in traffic operation which includes the policy not only about the mobility but also about caring environment would be needed. It is needed to be able to monitor the actual amount of greenhouse gas in real time to reduce the amount of emitted greenhouse gas in the aspect of traffic management. In this research, a methodology which can build on-line greenhouse gas emission monitoring system by using real time traffic data and predicting the circumstance in next 5 minutes was suggested.
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문제 정의
본 연구는 고속도로 운영에 있어 패러다임 전환의 필요성에 입각하여 실시간 온실가스 모니터링 체계구축을 위한 방법론을 개발하고자 한다.
실시간 온실가스 배출량 산정을 위해서는 미시적인 수준의 방법론 적용이 필요하다. 본 연구에서는 IPCC 배출량 산정방법 중 미시적방법인 Tier 3을 응용한 새로운 방법론을 개발하고자 한다.
교통변수(교통량/속도) 예측 시 기존의 연구에서는 정적기법, 모수모형, 비모수모형 등 다양한 모형을 활용 및 응용하여 연구에 적용하였다. 본 연구에서는 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템 구축을 위한 방법론을 개발하고자 한다. 칼만필터모형은 예측 속도가 다른 모형들에 비하여 빠르고 시계열의 변동을 효과적으로 설명할 수 있는 장점이 있어 실시간 모니터링 체계 구축 시 효율적인 모형으로 판단된다.
하지만 현재까지 우리나라에서 실시간으로 교통부문의 온실가스 배출량을 모니터링 할 수 있는 시스템은 구축되어있지 못하다. 본 연구에서는 실시간으로 수집되는 교통자료를 이용하여 5분 후의 상태를 예측하고 이를 통해 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 방법론을 제안하였다. 온실가스 배출량 산정에서 가장 중요한 변수인 교통량과 속도에 대한 예측결과는 일주일치 자료를 기준으로 각각 MAPE는 7.
가설 설정
도로운영정책 수립 시 활용이 가능할 것이다. 셋째, 교통부문에서 발생하는 온실가스 배출량을 보다 정확하게 산정할 수 있을 것이다. 넷째, 내비게이션 정보 제공시 환경을 고려한 경로정보 제공 시에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
모수모형은 통계기법을 기반으로 한 시계열분석(time series analysis)이 대표적이다. 시계열분석은 과거의 관측값과 오차항의 함수를 이용하여 장래를 추정하는 과정으로 정적인 상태를 가정한다. 교통변수의 연속적(continuous)인 특성을 처리하기 위하여 많은 연구자들은 시계열 분석에 기반한 모형들을 주로 반영하였다.
제안 방법
또한 누락된 자료의 경우는 해당시점 t를 기준으로 t - 1, t + 1 자료를 평균하여 보정하는 작업을 수행하였다. 또한 요일별로 통행특성의 변화에 따른 모형의 예측 정확도를 비교 평가하기 위하여 1주일(월~일요일) 치의 자료를 분석에 사용하였다.
온실가스 배출량 산정을 위해서 차종별 배출량 원단위는 네트워크상의 점유율(NOR) 개념을 사용하였고, 예측된 교통량과 속도자료를 이용하여 배출량을 산정하였다. 또한, 실시간 모니터링에 적용을 위해서 예측된 변수들의 오차를 분석하고, 실제 대상구간에 적용하여 비교분석하였다.
본 연구에서는 교통안전공단의 ‘2012년도 자동차 주행거리 실태분석 연구(2013)’ 자료를 활용하여 차종별 실 주행거리 기반의 NOR을 산정하였다.
본 연구에서는 영동고속도로 동수원IC~신갈JC 구간을 대상으로 실시간으로 수집되는 교통변수(교통량, 속도)를 이용하여 장래 5분 후의 변화를 예측하였고, 이를 통해 실시간으로 온실가스 배출량을 산정할 수 있는 모니터링 시스템을 제안하였다.
온실가스 배출량 산정은 기본적으로 Network Occupancy Rate(NOR)를 고려하여 각 차종별/연료별 배출 계수식 이용하여 산정하였다. NOR은 차종별 신뢰성 높은 배출량 원단위 산정을 위해서 개발된 지표이다.
온실가스 배출량 산정을 위해서 차종별 배출량 원단위는 네트워크상의 점유율(NOR) 개념을 사용하였고, 예측된 교통량과 속도자료를 이용하여 배출량을 산정하였다. 또한, 실시간 모니터링에 적용을 위해서 예측된 변수들의 오차를 분석하고, 실제 대상구간에 적용하여 비교분석하였다.
요일별로 온실가스 배출량의 특성을 분석하기 위하여 1주일치의 교통량/속도 자료를 분석에 사용하였다. 교통량 1주일 자료에 대한 평균 MAPE값은 약 7.
한국교통연구원에서는 기후변화협약과 관련한 교통 부문 정책 및 전략수립을 위한 에너지 사용량, 온실가스 배출량, 오염물질 배출량에 대한 수단별, 지역별 기초통계 구축을 위해 교통부문 온실가스 배출량 조사사업을 실시하였다. 이때 교통부문은 도로, 철도, 항공, 해운 분야를 지칭하며 도로 부문의 경우 유류판매량을 기초로 Tier 1 방법론을 통해 온실가스 배출량을 추정하여 결과를 제시하였다.
연구에 따르면 Tier 1의 경우 실질적인 교통부문의 이동특성을 반영하기 어렵다는 단점을 제시하였다. 이를 보완하기 위해 Tier 3방법론 적용을 제안하였고, 이를 위해 지속적인 관련자료 수집, 가공체계의 필요성을 제시하였다.
(2011)는 IPCC 가이드라인에 제시된 온실가스 산정방법 중 Tier 1과 Tier 3 방법론에 대한 비교분석을 위해 과천시와 안성시를 조사지역으로 선정하여 현장조사를 수행하였다. 이를 통해 수집된 데이터를 바탕으로 지속가능 평가지표 중 환경적 지표군에 해당하는 교통부문 온실가스 배출량, 인구당 교통부문 온실가스 배출량, 면적당 교통부문 온실가스 배출량을 산정하였다.
차량감·가속에 따른 영향을 적용하기 위해 미국 환경보호청에서 개발한 MOVES 프로그램을 이용하여 차종별 속도별 가속도별 온실가스 배출량표를 작성하여 온실가스 배출량을 산정하였다.
온실가스 배출량 산정을 위해서는 자동차의 등급별, 유형별, 연료별, 연식 등에 따라 각각의 배출 계수식을 적용하여 산정하도록 개발되어 있다. 하지만, 이러한 모든 부분을 적용하기 위한 활동자료 수집의 한계가 있으므로, 본 연구에서는 대표차종으로 승용차, 버스, 화물차로 구분하여 구축하였다.
대상 데이터
차종별 온실가스 배출량 원단위는 NOR값과 배출계수의 곱을 합산하여 산정하며, 차종별 차량 1대당 1km 주행시 온실가스 배출량을 의미한다. 도로연장은 고속도로 통계자료를 이용하였고, 차종구성비는 교통량 조사자료를 활용하였다. 배출량 산정을 위해 사용되는 교통량, 속도(5분 단위)는 칼만필터 알고리즘으로 예측된 값을 적용하여 배출량을 산정하게 된다.
본 연구에서 교통량, 속도를 예측하기 위해 사용된 자료의 공간적 범위는 영동고속도로 동수원IC~신갈JC 구간을 대상으로 하였고, 시간적 범위는 2010년 10월 셋째주 1주일 자료를 이용하였다. 분석에 사용된 data는 30초 집계자료로 차로별로 교통량, 점유율, 통행속도 정보를 갖고 있다.
데이터처리
개발된 모형의 평가를 위한 지표로는 ① 평균절대퍼센트오차(Mean Absolute Percentage Error(%), MAPE), ② 평균절대오차(Mean Absolute Error(분), MAE)를 이용하여 검증을 수행하였다.
자료의 가공은 차로별로 해당 시퀀스 내에 수집된 데이터를 기준으로 하여 가중평균 하였다. 또한 누락된 자료의 경우는 해당시점 t를 기준으로 t - 1, t + 1 자료를 평균하여 보정하는 작업을 수행하였다. 또한 요일별로 통행특성의 변화에 따른 모형의 예측 정확도를 비교 평가하기 위하여 1주일(월~일요일) 치의 자료를 분석에 사용하였다.
분석시에는 해당자료를 5분 단위 집계자료로 가공하여 사용하였다. 자료의 가공은 차로별로 해당 시퀀스 내에 수집된 데이터를 기준으로 하여 가중평균 하였다. 또한 누락된 자료의 경우는 해당시점 t를 기준으로 t - 1, t + 1 자료를 평균하여 보정하는 작업을 수행하였다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 교통변수(교통량, 속도) 예측 시 칼만필터 모형을 적용하고자 한다.
도로연장은 고속도로 통계자료를 이용하였고, 차종구성비는 교통량 조사자료를 활용하였다. 배출량 산정을 위해 사용되는 교통량, 속도(5분 단위)는 칼만필터 알고리즘으로 예측된 값을 적용하여 배출량을 산정하게 된다.
본 연구에서는 교통량, 속도 예측을 위해서 칼만필터 모형을 적용하였고, 예측의 범위는 5분으로 설정을 하였다. 5분 후의 상태를 예측한 이유는 실시간 온실가스 배출량 모니터링과 이에 따른 다양한 교통운영전략 수립을 위해서는 장래 교통상황이 어떻게 변화될지를 알 수 있어야하기 때문이다.
본 연구에서는 교통량과 속도 예측방법으로 칼만필터 모형을 사용하였다. 칼만필터를 이용한 예측방법은 시간의 순서에 따라 입력되는 관측값과 이전시간을 기준으로 예측된 예측값을 비교하여 평균제곱오차의 최소화조건을 만족하도록 필터를 동적으로 적용한다.
본 연구에서는 교통량과 속도 예측을 위해 칼만필터 알고리즘을 이용하였다. 칼만필터 모형은 잡음이 섞여 있는 기존의 관측값을 최소 제곱법을 통해 분석함으로써 일정 시간 이후를 예측할 수 있도록 하는 최적의 수학적 계산 과정으로 알려져 있다.
온실가스 배출 계수식은 국립환경과학원의 “수송부문 온실가스 기후변화대응 시스템 구축II, (2009)” 연구의 결과물을 적용하였다.
성능/효과
요일별로 온실가스 배출량의 특성을 분석하기 위하여 1주일치의 교통량/속도 자료를 분석에 사용하였다. 교통량 1주일 자료에 대한 평균 MAPE값은 약 7.7%, MAE는 16.9대, 통행속도는 평균 MAPE 2.7%, MAE는 2.2km/h으로 예측되었다.
교통지표의 관측값을 기준으로 산정된 배출량과 예측된 값을 기준으로 산정된 배출량(kg/5분)을 비교한 결과 R2 = 0.96, 상관계수는 0.98, MAPE는 7.3%로 나타났고, 일주일 치에 대한 배출량 총량의 오차는 0.04% 로 분석되었다.
칼만필터 모형은 잡음이 섞여 있는 기존의 관측값을 최소 제곱법을 통해 분석함으로써 일정 시간 이후를 예측할 수 있도록 하는 최적의 수학적 계산 과정으로 알려져 있다. 본 모형을 교통량과 통행속도에 적용한 결과 관측값과 예측값은 유사한 행태를 보이고 있으며, 실시간으로 온실가스 배출량 산정에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
Bae & Lee(2004)의 연구에서는 버스이용자에게 실시간의 신뢰성 있는 버스도착시간 예측정보를 생성하기 위하여 칼만필터 모형을 적용하였고, 분석에 사용된 자료의 경우 3가지 형태로 분류하여 예측을 수행하였다. 분석결과 예측대상의 버스의 앞서 지나간 버스에 대하여 가중치를 부여한 데이터를 적요한 예측값이 가장 우수한 것으로 분석되었다.
(2002)는 서울시를 대상으로 신뢰성 있는 교통정보를 제공하기 위해 프로브차량에 의해 수집된 원시데이터를 칼만필터 모형을 적용하여 경로통행시간을 예측하였다. 분석결과 우수한 예측력을 보였으며, 노측마찰과 신호운영으로 인하여 불안정한 교통류에도 적용 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 실시간으로 수집되는 교통자료를 이용하여 5분 후의 상태를 예측하고 이를 통해 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 방법론을 제안하였다. 온실가스 배출량 산정에서 가장 중요한 변수인 교통량과 속도에 대한 예측결과는 일주일치 자료를 기준으로 각각 MAPE는 7.2%, 2.7%로 오차율이 크지 않아 온실가스 배출량 산정을 위한 변수로 사용하는데 무리가 없을 것으로 판단된다. 또한, 차종별 시간대별로 온실가스 배출량의 변화량을 분석한 결과를 바탕으로 고속도로 운영의 방향을 설정하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
요일별 시간대별 온실가스 배출량 산정결과는 요일별로 큰 차이를 보이지는 않지만 토요일 9시~12시 사이에 온실가스 배출량이 크게 증가하는 행태를 보이는 것으로 나타났다.
후속연구
셋째, 교통부문에서 발생하는 온실가스 배출량을 보다 정확하게 산정할 수 있을 것이다. 넷째, 내비게이션 정보 제공시 환경을 고려한 경로정보 제공 시에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
7%로 오차율이 크지 않아 온실가스 배출량 산정을 위한 변수로 사용하는데 무리가 없을 것으로 판단된다. 또한, 차종별 시간대별로 온실가스 배출량의 변화량을 분석한 결과를 바탕으로 고속도로 운영의 방향을 설정하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 충분한 데이터가 누적되면 본 연구에서 적용된 칼만필터 외에도 다양한 모형을 이용한 예측도 가능하므로 향후 비교연구가 필요할 것으로 판단된다.
또한, 차종별 시간대별로 온실가스 배출량의 변화량을 분석한 결과를 바탕으로 고속도로 운영의 방향을 설정하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 충분한 데이터가 누적되면 본 연구에서 적용된 칼만필터 외에도 다양한 모형을 이용한 예측도 가능하므로 향후 비교연구가 필요할 것으로 판단된다.
현재까지 실시간으로 도로구간의 온실가스 배출량을 모니터링 할 수 있는 연구는 진행되지 않았다. 본 연구는 세계적으로 환경측면의 가치가 주목되고 있는 상황에서 필수적으로 필요한 연구로 판단된다.
본 연구에서 제안하는 고속도로 구간의 실시간 온실가스 배출량 모니터링 시스템의 활용방안은 다음과 같다. 첫째, 환경비용을 고려한 고속도로 운영전략 수립 시 활용이 가능할 것이다. 둘째, 기후변화를 대비한
그러나 지금까지 교통부문에서의 탄소배출은 개인교통수단에서 대중교통으로의 전환에만 집중되어있어 상대적으로 도시부 도로운영의 개선을 통한 저감 노력이 부족하다는 평가를 받았다. 향후 우리나라의 자동차 보유대수 및 국내여객 수요가 1.5~2.1배 정도 증가할 것으로 예상되므로(Kim and Kim, 2012) 이에 대한 적응전략 및 대비책이 필요하다. 또한 온실가스의 과다 배출로 인해 환경적 위험과 질병위험으로부터 모든 사람들이 평등하게 보호받으며, 동시에 모든 사회구성원이 환경적 위험을 균형 있게 부담해야 한다는 환경정의에 대한 인식의 필요성도 제기되고 있다(Park et al.
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Ryu B. Y and Bae S. H.(2012), "Estimation of Greenhouse Gas in the Urban Area by Using Advanced Traffic Management Systems," Journal of Transport Research, vol. 19, no. 3, pp.119-134.
Ryu B. Y., Bae S. H., Han S. Y and Kim G. Y.(2011), "A Comparative Study for Estimation of Greenhouse Gas for Local Government's Sustainable Transport," Journal of Korean Society of Transportation, vol. 29, no. 5, pp.55-65.
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