PURPOSES : This study examines the performance changes of road networks according to the strength of a disaster, and proposes a method for estimating the quantitative resilience according to the road-network performance changes and damage scale. This study also selected high-influence road sections,...
PURPOSES : This study examines the performance changes of road networks according to the strength of a disaster, and proposes a method for estimating the quantitative resilience according to the road-network performance changes and damage scale. This study also selected high-influence road sections, according to disasters targeting the road network, and aimed to analyze their hazard resilience from the network aspect through a scenario analysis of the damage recovery after a disaster occurred. METHODS : The analysis was conducted targeting Sejong City in South Korea. The disaster situation was set up using the TransCAD and VISSIM traffic-simulation software. First, the study analyzed how road-network damage changed the user's travel pattern and travel time, and how it affected the complete network. Secondly, the functional aspects of the road networks were analyzed using quantitative resilience. Finally, based on the road-network performance change and resilience, priority-management road sections were selected. RESULTS : According to the analysis results, when a road section has relatively low connectivity and low traffic, its effect on the complete network is insignificant. Moreover, certain road sections with relatively high importance can suffer a performance loss from major damage, for e.g., sections where bridges, tunnels, or underground roads are located, roads where no bypasses exist or they exist far from the concerned road, including entrances and exits to suburban areas. Relatively important roads have the potential to significantly degrade the network performance when a disaster occurs. Because of the high risk of delays or isolation, they may lead to secondary damage. Thus, it is necessary to manage the roads to maintain their performance. CONCLUSIONS : As a baseline study to establish measures for traffic prevention, this study considered the performance of a road network, selected high-influence road sections within the road network, and analyzed the quantitative resilience of the road network according to scenarios. The road users' passage-pattern changes were analyzed through simulation analysis using the User Equilibrium model. Based on the analysis results, the resilience in each scenario was examined and compared. Sections where a road's performance loss had a significant influence on the network were targeted. The study results were judged to become basic research data for establishing response plans to restore the original functions and performance of the destroyed and damage road networks, and for selecting maintenance priorities.
PURPOSES : This study examines the performance changes of road networks according to the strength of a disaster, and proposes a method for estimating the quantitative resilience according to the road-network performance changes and damage scale. This study also selected high-influence road sections, according to disasters targeting the road network, and aimed to analyze their hazard resilience from the network aspect through a scenario analysis of the damage recovery after a disaster occurred. METHODS : The analysis was conducted targeting Sejong City in South Korea. The disaster situation was set up using the TransCAD and VISSIM traffic-simulation software. First, the study analyzed how road-network damage changed the user's travel pattern and travel time, and how it affected the complete network. Secondly, the functional aspects of the road networks were analyzed using quantitative resilience. Finally, based on the road-network performance change and resilience, priority-management road sections were selected. RESULTS : According to the analysis results, when a road section has relatively low connectivity and low traffic, its effect on the complete network is insignificant. Moreover, certain road sections with relatively high importance can suffer a performance loss from major damage, for e.g., sections where bridges, tunnels, or underground roads are located, roads where no bypasses exist or they exist far from the concerned road, including entrances and exits to suburban areas. Relatively important roads have the potential to significantly degrade the network performance when a disaster occurs. Because of the high risk of delays or isolation, they may lead to secondary damage. Thus, it is necessary to manage the roads to maintain their performance. CONCLUSIONS : As a baseline study to establish measures for traffic prevention, this study considered the performance of a road network, selected high-influence road sections within the road network, and analyzed the quantitative resilience of the road network according to scenarios. The road users' passage-pattern changes were analyzed through simulation analysis using the User Equilibrium model. Based on the analysis results, the resilience in each scenario was examined and compared. Sections where a road's performance loss had a significant influence on the network were targeted. The study results were judged to become basic research data for establishing response plans to restore the original functions and performance of the destroyed and damage road networks, and for selecting maintenance priorities.
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문제 정의
국도 1호선을 대상으로 앞 절에서 언급한 우선 관리가 필요한 도로구간 중에서 성능 손실이 상대적으로 큰 3개구간과 작은 3개 구간을 우선적으로 복구시키는 경우 복구에 따른 효과를 비교해 보기로 한다.
따라서 본 연구에서는 세종특별자치시(이후, 세종시)를 대상으로 재난 강도에 따른 도로 네트워크의 성능 변화를 살펴보고 도로의 성능과 피해규모에 따른 회복력 산정방안을 제시하고자 한다. 나아가 세종시 내의 일반국도 1호선을 중심으로 도시 내 우선적으로 집중관리가 필요한 우선 관리도로구간을 선정하고 복구시켰을 때의 효과를 살펴보는 것을 목적으로 한다.
나아가 시간의 경과에 따른 도로 네트워크의 정량적인 회복력을 산정함으로써 향후 집중적인 관리가 필요한 도로구간을 선정함에 있어 도로 네트워크의 성능 변화가 전체 네트워크에 미치는 영향력(피해의 크기)을 비교하여 상대적으로 중요한 구간(링크)을 선정하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 도로 네트워크를 대상으로 재난의 강도를 고려하여 도로의 파손 정도를 가정하였으며 시뮬레이션 분석을 통해 도로 네트워크의 성능 변화를 살펴보고 도로의 성능과 피해규모를 고려한 회복력 산정방안을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 세종특별자치시(이후, 세종시)를 대상으로 재난 강도에 따른 도로 네트워크의 성능 변화를 살펴보고 도로의 성능과 피해규모에 따른 회복력 산정방안을 제시하고자 한다. 나아가 세종시 내의 일반국도 1호선을 중심으로 도시 내 우선적으로 집중관리가 필요한 우선 관리도로구간을 선정하고 복구시켰을 때의 효과를 살펴보는 것을 목적으로 한다.
재난이 발생하여 도로가 파손된다면 도로 네트워크의 성능은 저하되며 기존의 도로 이용자들은 다른 경로를 고려하게 된다. 따라서 본 연구에서는 재난의 발생으로 인해 통행배정단계에서의 변화하는 도로 이용자의 통행패턴과 통행시간비용을 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 도로 등 네트워크의 복구 등 성능을 회복하기 위해 투입되는 예산과 회복량(resilience)과의 관계에도 한계효용체감의 법칙이 성립하는지 실제 네트워크의 규모와 성능, 용량 등의 자료를 기반으로 살펴보기로 한다.
본 연구에서는 세종시와 인근 지역의 도로 네트워크를 대상으로 재난 강도에 따른 네트워크의 성능 변화를 살펴보고 도로의 성능과 피해규모를 고려한 회복력 산정방안을 제시하였다.
본 연구에서는 정량적인 회복력을 산정하기 위해 도로네트워크의 파손정도를 시간의 흐름에 따라 반영할 수 있는 미시적 교통시뮬레이션을 활용하여 분석을 수행하였다. 분석을 위한 자료는 국가교통DB센터(KTDB)의 대전광역권 O/D를 기초로 발생교통량을 산출하였다.
본 절에서는 재난 상황의 발생으로 도로 네트워크의 성능이 손상되었을 때 통행패턴변화로 발생하는 통행시간비용과 회복력을 일반국도 1호선을 중심으로 산정해보기로 한다.
본 절에서는 재난으로 피해를 입어 파손된 도로를 복구시킨다고 가정할 때 어느 도로구간을 우선적으로 복구시키는 것이 전체 네트워크에 미치는 피해를 최소화하는 방안인지 분석하고자 한다.
즉, 상대적으로 중요한 도로구간을 우선적으로 복구하는 것이 어느 정도의 효과가 있는지와 공공기관이 동일한 노력(복구에 필요한 예산과 시간 등)을 일정기간 투입할 경우 네트워크의 복원력에 어느 정도의 효과가 존재하는지를 분석하고자 한다.
한편 현재의 도로 상황을 반영한 최종 정산된 도로 네트워크를 기준으로 세종시를 통과하는 일반국도 1호선의 동질구간(homogeneous road section)을 선정하여 분석하고자 하였다. 동질구간은 교통류를 대상으로 유사한 교통 특성을 가지는 구간이다.
한편, 본 연구에서는 세종시를 통과하는 도로 네트워크 중 일반국도 1호선을 중심으로 도로 파손이 이루어질 경우에 미치는 네트워크의 성능 변화와 회복력을 산정하고자 하였다. Do and Noh(2016)은 일반국도 1호선이 1차 방재도로의 역할을 하는 도로로서 재난 발생시 대피로 및 긴급교통로의 역할을 위한 주요 축이 된다고 밝힌 바 있다.
가설 설정
한편, 본 연구에서는 네트워크 성능 변화에 따른 통행시간 비용과 회복력을 산정하기 위한 재난의 강도를 고려하여 시나리오 분석을 수행하였다. 재난의 강도는 매우 강하여 도로 네트워크(도로, 교량 등)가 완전히 단절되어 차량의 통행이 금지된 상태에서 점차 도로 네트워크가 복구되는 경우(차량의 통행 가능한 상태)로 가정하였다.
제안 방법
나아가 도로의 용량의 차이에 따른 도로의 성능 회복정도를 살펴보기 위해 도로 기능의 차이(우회 도로의 유무와 연결성 등)를 세 그룹으로 분류하여 동일한 시뮬레이션을 실시하였다.
나아가 일반국도 1호선을 중심으로 도시 내 우선적으로 집중관리가 필요한 우선관리 도로구간을 대상으로 재난발생 시 성능 저하와 복구시켰을 때의 효과를 정량적으로 분석하는 방안을 제시하였다. 이 때 정량적인 성능 손실은 해당 도로 네트워크에 발생한 피해로 인해 추가적으로 발생하는 통행시간의 증가로 산정하였으며, 복구로 인한 통행시간의 회복도 동일한 방법으로 산정하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 연구 성과를 활용하여 구간별 통과교통량 수준이 유사하고 차로 수가 동일하며, 주변에 우회도로가 존재하지 않는 경우에는 동질구간으로 정의하였으며 일반국도 1호선을 총 17개의 구간으로 구분하여 분석을 수행하였다.
따라서 재난 발생으로 도로 네트워크가 파손되어 네트워크 내 도로망(링크)이 단절되거나 손실될 경우, 성능 변화로 인한 도로운전자의 통행패턴 및 통행시간변화를 통해 사회적 비용을 추정하고 영향력이 큰 도로구간을 살펴보았다.
본 연구에서 재난발생을 가정한 도로 네트워크의 회복력을 정량적으로 산정하기 위해 도로의 파손정도에 따라 시나리오 분석을 수행하였으며, 해당 도로구간의 완전한 파손 상태를 기준 값으로 설정하고 시나리오 1은 재난이 발생하여 도로가 단절되고 일정시간이 지난 후에 도로구간의 1개 차로만 복구하는 경우와 시나리오2는 일정시간 후에 도로구간의 전 차로가 복구되는 경우로 구분하였다.
분석을 위해 거시적 교통시뮬레이션 S/W인 TransCAD를 활용하여 국가교통DB센터(KTDB)에서 제공하는 대전광역권 네트워크 및 O/D자료를 기초로 분석을 수행하였다. 이 때 분석대상지역의 위성지도와 GIS자료 등을 활용하여 도로망 네트워크가 상세히 반영되지 않은 경우 수정·보완을 통해 분석대상지역의 자료를 구축하였다.
분석을 위해 교통시뮬레이션 S/W인 TransCAD를활용하여 분석을 수행하였으며 실제 재난이 발생할 경우 큰 피해가 예상되는 첨두시간 O/D를 기준으로 차종별 시간 가치(2013년 기준)를 반영하여 통행배정을 수행하였다. 또한 MOLIT(2013)에서 제시된 통행시간 가치 및 첨두시간O/D 비율을 적용하여 분석을 수행하였으며, 이용자 균형 모형(User Equilibrium)을 이용한해당 링크의 통행량과 통행시간은 Eq.
(2007)은 지역의 수해상황에 대한 방재능력향상을 위하여 Multi Agent Model을 이용한 홍수 피난 시뮬레이터를 개발하였다. 사례분석으로서 일본 쿠마모토시를 대상으로 분석을 수행하였으며 피난상황에서의 시간경과 특히, 주민의 대피상황에서의 경로선택에 대하여 실제로 수행된 주민의 대피행동을 GPS분석결과를 통해 반영하여 실제와 동일한 파라메터 값으로 시뮬레이션을 수행하였다.
이 때 분석대상지역의 위성지도와 GIS자료 등을 활용하여 도로망 네트워크가 상세히 반영되지 않은 경우 수정·보완을 통해 분석대상지역의 자료를 구축하였다.
나아가 일반국도 1호선을 중심으로 도시 내 우선적으로 집중관리가 필요한 우선관리 도로구간을 대상으로 재난발생 시 성능 저하와 복구시켰을 때의 효과를 정량적으로 분석하는 방안을 제시하였다. 이 때 정량적인 성능 손실은 해당 도로 네트워크에 발생한 피해로 인해 추가적으로 발생하는 통행시간의 증가로 산정하였으며, 복구로 인한 통행시간의 회복도 동일한 방법으로 산정하였다.
한편, 통행시간비용을 산정하기 위한 도로 파손정도 시나리오는 1)도로가 완전히 단절된 경우와 2)도로구간의 용량이 50%만 남아 있는 경우로 구분하여 통행배정을 수행하였으며, 2가지 시나리오를 통해 발생한 통행시간비용의 합을 최종결과로 활용하였다. 이는 구간별로용량, 차선 수, 교통량 수준이 다양하며 파손정도에 따라 우선관리가 필요한 도로구간의 순위가 달라질 수 있어 본 연구에서는 시나리오별로 통행패턴의 변화에 따라 발생하는 비용의 합을 활용하여 분석을 수행하였다.
이러한 시뮬레이션 상의 통행배정이 실제 도로의 통행패턴을 반영하기 위해 정산(calibration)과정을 수행하였다.
ID 14번 구간이 단절되었을 경우, 대상 네트워크를 통행하는 교통량의 기존 통행시간에 비해 약 680시간 증가하며 단절이 계속되는 상황(a)의 성능 손실을 확인할 수 있다. 즉, 도로구간이 단절되어 통행이 불가능해 다른 도로로 우회하게 되어 발생하는 추가적인 통행시간의 증가를 본 연구에서는 해당 도로의 성능 손실이라 해석하였다.
한편, 본 연구에서는 네트워크 성능 변화에 따른 통행시간 비용과 회복력을 산정하기 위한 재난의 강도를 고려하여 시나리오 분석을 수행하였다. 재난의 강도는 매우 강하여 도로 네트워크(도로, 교량 등)가 완전히 단절되어 차량의 통행이 금지된 상태에서 점차 도로 네트워크가 복구되는 경우(차량의 통행 가능한 상태)로 가정하였다.
한편, 통행시간비용을 산정하기 위한 도로 파손정도 시나리오는 1)도로가 완전히 단절된 경우와 2)도로구간의 용량이 50%만 남아 있는 경우로 구분하여 통행배정을 수행하였으며, 2가지 시나리오를 통해 발생한 통행시간비용의 합을 최종결과로 활용하였다. 이는 구간별로용량, 차선 수, 교통량 수준이 다양하며 파손정도에 따라 우선관리가 필요한 도로구간의 순위가 달라질 수 있어 본 연구에서는 시나리오별로 통행패턴의 변화에 따라 발생하는 비용의 합을 활용하여 분석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 세종특별자치시(세종시)와 인근 지역을 대상으로 분석을 수행하였다. 세종시는 2012년 7월 국가균형발전을 위한 목적으로 출범하였으며 현재 주요행정기관 및 연구기관들이 위치하고 있어 국가의 주요행정 및 연구의 기능을 수행하고 있는 중심지역이라 할 수 있다.
본 연구에서는 정량적인 회복력을 산정하기 위해 도로네트워크의 파손정도를 시간의 흐름에 따라 반영할 수 있는 미시적 교통시뮬레이션을 활용하여 분석을 수행하였다. 분석을 위한 자료는 국가교통DB센터(KTDB)의 대전광역권 O/D를 기초로 발생교통량을 산출하였다.
이론/모형
나아가 이용자 균형(User Equilibrium) 모형을 기반으로 하는 Multi-Class Assignment 기법을 적용하여 교통 분야에서 주로 사용하는 BPR(Bureau of Public Roads)함수를 통해 통행시간비용과 구간통행료를 합하여 산출하였다.
분석을 위해 교통시뮬레이션 S/W인 TransCAD를활용하여 분석을 수행하였으며 실제 재난이 발생할 경우 큰 피해가 예상되는 첨두시간 O/D를 기준으로 차종별 시간 가치(2013년 기준)를 반영하여 통행배정을 수행하였다. 또한 MOLIT(2013)에서 제시된 통행시간 가치 및 첨두시간O/D 비율을 적용하여 분석을 수행하였으며, 이용자 균형 모형(User Equilibrium)을 이용한해당 링크의 통행량과 통행시간은 Eq. (5)에 근거하여 산정하였다.
성능/효과
한편 (b)는 일정시간 후, 1개의 차로가 복구되어 차량통행이 가능해지는 시나리오로 도로 네트워크의 성능이 크게 손실되었던 (a)에 비해 도로 성능이 점차 회복되어 성능 손실의 면적이 감소함을 확인할 수 있다.
Bahaaldin(2016)은 대도시의 대피 상황에서 교통사고의 위치가 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 교통사고가 병목 현상의 하류 부분에 발생하는 것이 상류에서 발생하는 것보다 재난 대피상황에서 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났는데 지체현상으로 인해 전체 대피 시간이 15분 정도 증가하는 것으로 분석되었다. 이를 통해 긴급 대피상황에서 교통관리자는 교통사고관리에 대한 우선순위를 결정할 수 있다고 제시하였다.
따라서 상대적으로 중요한 도로는 평상 시 도로의 성능을 유지할 수 있도록 관리되어야 할 필요성 뿐만 아니라 심각한 성능 저하가 발생했을 경우 우선적으로 복구시킬 필요가 있음을 확인하였다.
따라서 향후 도로의 효율적인 관리 및 성능 회복을 위해서 교량, 터널 그리고 교통수요가 상대적으로 많거나 연결성이 높은 중요 도로를 우선적으로 복구하는 것이 도로 이용자의 만족도를 증가시킬 뿐만 아니라 도로 관리자의 입장에서도 네트워크 전체의 성능을 빨리 회복시킬 수 있는 방안임을 확인하였다.
여기서, 도로의 용량을 증가시키기 위해 투입되는 비용이 증가하면 통행시간 절감이라는 효용은 양의 값을 가지지만, 투입되는 비용이 늘어남에 따라 총 효용의 증가분은 점차 감소함을 확인할 수 있다. 또한 동일한 규모(정도)의 복구비용의 투입이 통행시간 절감에 미치는 크기는 도로구간의 중요도에 따라 큰 차이가 있으며, 초기에는 높은 편이나 갈수록 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이는 동일한 단위의 복구비용의 투입에 따른 효용의 증가에 차이가 있다는 것을 의미하며 즉, 한계효용체감의 법칙이 성립함을 알 수 있다.
또한 재난 등의 발생 이후 도로 네트워크의 성능을 회복시켜야 하는 공공기관의 입장에서 투자비용 대비, 네트워크의 통행시간 감소효과를 극대화하기 위해 상대적으로 중요한 도로구간을 우선적으로 복구하는 것이 바람직하지만 투입되는 비용이 늘어남에 따라 총 효용의 증가분은 점차 감소함을 확인하였다. 이는 동일한 단위의 복구비용의 투입에 따른 효용의 증가에 차이가 있다는 것을 의미하며 즉, 한계효용 체감의 법칙이 성립함을 알 수 있다.
분석결과, 각 구간의 특성과 교통수요, 성능 손실 및 복구에 필요한 시간 등을 분석한 결과 상대적으로 연결성이 낮고 통행수요가 많지 않은 도로의 경우 네트워크에 미치는 영향이 크지 않지만 상대적으로 중요도가 높은(통행수요가 높고 연결성이 높은 도로구간(criticalpath or link))의 경우 성능 손실로 인한 피해 규모가 크고 회복에도 많은 시간이 필요함을 확인하였다. 재난의 발생에 따른 도로의 성능 손실이 상대적으로 큰 도로구간은 통과 교통량이 많거나 교량, 지하차도 등 기능적 중요도가 높은 구간과 우회 도로가 존재하지 않는 도로 등이 대부분 여기에 해당함을 알 수 있었다.
분석결과, 모든 시나리오에서 상대적으로 중요한 구간들을 우선적으로 복구시키는 경우에 통행시간 절감효과가 큰 것으로 나타났다.
세 그룹의 서로 상이한 도로 용량과 기능을 수행하는 도로구간을 대상으로 재난이 발생했을 때 성능의 감소의 크기와 복구 시나리오에 따른 회복정도를 살펴보면 그룹별로 확연한 차이를 확인할 수 있다.
여기서, 도로의 용량을 증가시키기 위해 투입되는 비용이 증가하면 통행시간 절감이라는 효용은 양의 값을 가지지만, 투입되는 비용이 늘어남에 따라 총 효용의 증가분은 점차 감소함을 확인할 수 있다. 또한 동일한 규모(정도)의 복구비용의 투입이 통행시간 절감에 미치는 크기는 도로구간의 중요도에 따라 큰 차이가 있으며, 초기에는 높은 편이나 갈수록 점차 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
향후, 다양한 교통 특성 변수를 고려한 재난상황 시나리오 분석이 필요하다고 판단된다. 나아가 본 연구에서는 우선관리도로를 선정하기 위해 네트워크의 회복력만을 고려하였으나 인프라의 자산적인 가치를 동시에 고려한 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
다만 본 연구에서는 세종시를 대상으로 한 도로 네트워크에 한정하였다는 한계가 있으며, 도로의 성능 손실과 회복력에 대한 정량적인 평가도 통행시간에 한정하였다는 한계가 있음을 밝힌다.
향후, 다양한 교통 특성 변수를 고려한 재난상황 시나리오 분석이 필요하다고 판단된다. 나아가 본 연구에서는 우선관리도로를 선정하기 위해 네트워크의 회복력만을 고려하였으나 인프라의 자산적인 가치를 동시에 고려한 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도로 네트워크의 역할은 무엇인가?
이러한 라이프라인에 재난이 발생할 경우 1차 피해로만 그치는 것이 아니라 그피해가 주위로 확산되어 네트워크 전체를 마비시키게되어 큰 혼란을 야기해 대규모 인적·물적 피해를 초래하게 된다. 한편 도로 네트워크(도로망)는 실제 재난 상황에서 단·장기적인 측면에서 대피, 구조·구출 등을 위한 중요한 역할을 하게 된다. 따라서 이러한 도로 네트워크에 대해 그 성능을 지속적으로 유지할 수 있도록 하여야 하며 사전적 교통방재 대책 수립을 통해 재난에 대비할 필요가 있다.
교통부문 라이프라인이 갖는 특징은?
도로, 교량, 터널, 지하차도 등의 교통부문에서의 라이프라인(Life line)은 우리들의 일상적인 경제활동을지원하는 연결성이 강한 사회기반시설 네트워크로 매우중요한 자산이라고 할 수 있다. 이러한 라이프라인에 재난이 발생할 경우 1차 피해로만 그치는 것이 아니라 그피해가 주위로 확산되어 네트워크 전체를 마비시키게되어 큰 혼란을 야기해 대규모 인적·물적 피해를 초래하게 된다.
동질구간처럼 일정 구간의 도로를 구분할 때 영향을 갖는 요인은?
동질구간은 교통류를 대상으로 유사한 교통 특성을 가지는 구간이다. 통행속도에 영향을 미치는 변수들이 일정한 구간을 구분할 때 적용되는데 도로 주변 개발현황, 교통량, 신호교차로, 도로 조건 등이 구분 기준에 포함된다(Do et al., 2004).
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