[논문]우천에 따른 포트홀 발생 특성을 고려한 도로순찰 전략

한대석

doi:10.5762/kais.2020.21.12.603

우천에 따른 포트홀 발생 특성을 고려한 도로순찰 전략
Road Patrol Strategy based on Pothole Occurrence Characteristics considering Rainfall Effects 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.12, 2020년, pp.603 - 611

초록
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도로에 발생하는 포트홀은 운전자들의 안전과 만족도, 차량파손에 직접적으로 영향을 미치는 요소로 실시간에 준하는 검지와 대응이 요구된다. 순찰 빈도를 높이면 포트홀의 조속한 검지와 대응이 가능하나, 많은 인력과 비용, 시간이 소요된다. 또한 포트홀은 우천에 따라 발생특성이 달라지기 때문에 순찰의 효율성을 제고하기 위해서는 경제적 관점과 서비스 제공의 관점에서 최적빈도에 대해 고민해야 할 필요가 있다. 이에 본 연구는 장기간에 걸쳐 수집된 포트홀 발생이력과 기상정보를 활용하여 우천이 포트홀 발생에 미치는 영향과, 지속성, 강우강도의 영향에 대해 정량적 분석을 시도하였다. 그리고 이 결과를 근거로 리스크 기반의 최적화·가변화 순찰 전략을 제시하였다. 분석 결과 우천 시에는 포트홀 발생확률은 2.4배 증가하고, 비가 그친 후에도 그 영향은 3일간 지속됨을 알 수 있었다. 또한 강우강도 1mm 당 포트홀 발생확률은 0.46% 증가하며, 1mm 수준의 적은 비에도 발생특성이 민감하게 반응함도 확인하였다. 이러한 특성에 근거한 포트홀 관리 최적 빈도는 신뢰수준 95% 수준에서 우천 비영향권일 경우 3일에 1회, 영향권에서는 1일 2회 이상의 순찰이 필요하다는 결론이 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Potholes on the road directly affect drivers' safety, satisfaction, and vehicle damage. Thus, real-time detection and response are required. Increasing frequency of patrols allows for potholes to be detected and responded to quickly, but this takes much manpower, money, and time. In addition, potholes have different occurrence characteristics depending on the rain conditions, so it is necessary to consider the optimal frequency from an economic and road-service perspective. Therefore, a quantitative analysis was done on the effects of rainfall on the occurrence characteristics of potholes. Information on the persistence, impact of rainfall intensity, and weather information was collected over a long period. Based on the results, a risk-based, optimized, and changeable road-patrol strategy is presented. The analysis results show that the probability of pothole occurrence increases by 2.4 times in rainy weather. Furthermore, the impact continues for 3 days even after the rain stops. The probability of pothole occurrence increases by 0.46% per 1 mm of rainfall, and the occurrence characteristics react sensitively to even a small amount of rain of around 1 mm. It was concluded that road patrol is required at least once every three days for an effect-free period, while twice a day is needed for the "sphere of influence" period to achieve a 95% reliability level.ys for effect-free period, while twice a day for sphere of influence period to satisfy 95% reliability level.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Notations for main terms
그림 Fig. 1. Structure of pothole and rainfall data
표 Table 2. Pothole-rainfall matching results
표 Table 3. Basic statistics of the data – for 1,522 days
그림 Fig. 2. Pothole occurrence rate by weather condition
그림 Fig. 3. Pothole occurrence characteristics (a) On the rainy day – for a day (b) During influential period – for 3 days
표 Table 4. Comparison of pothole occurrence rates by weather condition
표 Table 5. Rainfall effect extension analysis results
그림 Fig. 4. Cumulative density function of pothole occurrence by rainfall intensity (Case: N(P) ≥ 1)
표 Table 6. A Poisson-Gamma model for pothole occurrence rate by rainfall intensity
표 Table 7. Probability density function pothole occurrence
표 Table 8. Pothole occurrence characteristics at minor rainfall intensities
표 Table 9. Road patrol interval at confidence levels by weather condition

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 그간 획일적으로 적용해 오던 고정간격 순찰 주기의 비효율성 개선과 도로이용자의 서비스 만족도제고, 그리고 도로 자산관리 고도화의 관점에서 연구의 기여도가 있다고 판단된다. 단 우천 영향의 정량화와 관리자의 간편한 의사결정에 중점을 두면서, 다양한 설명변수들이 배제되었다.
반면 포트홀은 불확실하게 발생하며, 온도·우천 등 기후조건 변화, 즉 국면전환 따라 그 특성도 변화한다. 본 연구는 이러한 불확실한 포트홀의 발생 특성, 그리고 이에 대응하는 도로순찰 전략을 연구 주제로 하고 있다.
본 연구에서는 그동안 데이터 확보의 한계로 인해 시도되지 못했던 포트홀과 우천특성의 관계를 정립하고, 리스크 기반의 가변화 순찰 간격을 제시하고자 하였다. 이를 위해 1)우천특성에 따른 포트홀 발생특성 변화, 2) 우천 영향의 지속성, 3)우천강도의 영향, 4)리스크 관리 수준 및 국면전환에 따른 최적 순찰빈도에 대한 연구를 수행하였다.
본 절에서는 강우량을 설명변수로 하는 포아송 감마 모델의 구축 결과를 제시하기로 한다. 우천 영향권의 누적 강우량을 설명변수로 한 포아송-감마 모델의 파라미터 및 통계치는 Table 6과 같다.
본 절에서는 독자의 이해를 돕고자 본 연구에서 강우 강도에 따른 포트홀 증가함수 도출에 활용된 포아송 감마 모델을 간단히 소개하기로 한다.
이에 본 연구는 장기간에 걸쳐 수집된 포트홀 발생 이력과 기상정보를 활용하여 우천이 포트홀 발생확률과 빈도에 미치는 영향과 지속성, 강우강도의 영향에 대해 정량적 분석을 시도하였다. 또한 이 결과를 바탕으로 관리자가 설정하는 포트홀 관리 신뢰수준에 대응하는 최적 순찰 빈도를 우천의 영향권과 비영향권으로 구분하여 제시하였다.
포아송 감마모델의 기본 구조에 대해 간단히 살펴보자. 먼저 구간 에서의 포트홀 발생률이 확률분포함수를 에 따르고, 1개 이상의 포트홀 발생률을 이라 가정하면, 발생률 는 Eq.

가설 설정

여기서, 포트홀의 발생률이 에 따르고 도로관리자가 순찰을 간격으로 시행한다고 가정한다면, 특정 구간  에서 개의 포트홀을 발견할 확률은 다음 포아송 분포에 따르게 된다.
이는 일반적으로 노면이 젖는 수준으로 생각하면 쉽다. 우천영향권은 비가 그쳤으나 그 영향이 지속될 것으로 예상되는 기간으로, 우천 후 맑은날 2일을 포함한 3일로 가정하였다. 설정된 3 일은 현장관리자가 인지하는 경험적인 기간으로 인터뷰를 통해 제시한 기준을 도입하였다.
도출할 수 있다는 점이다. 일반적인 포아송 과정에서는 한 종류의 사건이 동일한 도착률()로 반복적으로 발생하는 것을 전제(가정)로 한다. 그러나 도로 표면에 발생하는 포트홀이 모두 같은 도착률로 발생한다고 가정하는 것은 무리가 있다.

제안 방법

분석을 시도하였다. 또한 이 결과를 바탕으로 관리자가 설정하는 포트홀 관리 신뢰수준에 대응하는 최적 순찰 빈도를 우천의 영향권과 비영향권으로 구분하여 제시하였다. 본 연구는 포트홀 발생의 국면전환(우천영향권 -비영향권)에 대응하는 차별화 된 순찰을 지원한다는 점에 의미가 있다.
마지막으로 특정 리스크 관리 수준 및 국면전환에 따른 최적순찰 빈도를 제시하였다. 여기서 “최적”은 관리자가 설정한 리스크 수준을 만족하는 최소 순찰 간격으로 정의 된다.
만약 이 분석결과가 미미한 우천은 영향을 주지 않는다고 한다면 국면의 정의도 바뀌어야 하며, 그에 따른 우천 영향권 분석을 재 시행하여야 한다. 본 연구에서는 미미한 우천에 대한 대안을 3가지(1mm, 3mm, 5mm)로 설정하고, 민감도를 분석하였다. 참고로 본 분석은 앞서 분석된 결과에서 우천이 포트홀 발생에 영향을 미칠 경우에만 의미가 있다.
7%)를 충족 가능하며, 신뢰수준을 95%로 상향할 경우 1일 2회 이상의 순찰이 필요하는 결론이 도출된다. 본 연구에서는 신뢰수준 95%수준에서 우천 비영향권에서는 3일에 1회, 영향권에서는 1일 2회를 적정 순찰간격으로 제시한다.
가능하다. 본 연구에서는 추가적으로 포아송 과정 (Poisson process) 적용을 통해 발생빈도 별 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)를 도출하였다. 이는 포트홀 발생 특성에 대한 이론적 접근으로써 모형화, 일반화 관점에서 의미가 있다.
본연구에서는 도로기관에서 매일 작성하는 도로 순찰대장, 보수대장에서 포트홀 보수 이력을 하나하나 찾아내는 방법을 통해 기본 자료를 구축하였다. 기상정보는 일본 기상청(www.
여기서 “최적”은 관리자가 설정한 리스크 수준을 만족하는 최소 순찰 간격으로 정의 된다. 분석 시나리오를 단순화하기 위해 국면은 우천 영향권과 비영향권으로 구분하고, 신뢰수준은 90%와 95%수준으로 설정하였다.
우천영향권은 비가 그쳤으나 그 영향이 지속될 것으로 예상되는 기간으로, 우천 후 맑은날 2일을 포함한 3일로 가정하였다. 설정된 3 일은 현장관리자가 인지하는 경험적인 기간으로 인터뷰를 통해 제시한 기준을 도입하였다. 이에 따라 비 영향권은 당일은 물론 최근 3일간 비가 오지 않은 상태로 정의된다.
순찰빈도를 제시하였다. 시나리오는 영향권과 비영향권으로 구분하고, 포트홀 관리 신뢰수준은 95%와 90%수준으로 정의하여 결과를 제시하였다. 순찰의 단위를 1일로 설정하는 경우 시계열 포트홀 발생확률은 조건부 확률로써 Eq.
앞서 분석된 포트홀 발생확률을 근거로 특정 리스크관리 수준에서의 순찰빈도를 제시하였다. 시나리오는 영향권과 비영향권으로 구분하고, 포트홀 관리 신뢰수준은 95%와 90%수준으로 정의하여 결과를 제시하였다.
이를 위해 1)우천특성에 따른 포트홀 발생특성 변화, 2) 우천 영향의 지속성, 3)우천강도의 영향, 4)리스크 관리 수준 및 국면전환에 따른 최적 순찰빈도에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구의 결론을 다음과 같이 제시한다.
정량적 접근이 선행되어야 한다. 이를 위해 포트홀을 관리하는 현장관리자들의 인터뷰를 시행하였다. 그들이 경험적으로 인지하고 있는 포트홀은 확실히 우천 후 포트홀 발생이 빈번해지고, 강우강도가 강하거나 길어지는 경우 더 증가한다는 것이다.
우천영향권과 비영향권 구분된다. 즉 각 조사일은 2 개의 국면에 소속되며, 그룹간 포트홀 발생확률과 발생 강도를 도출하여 비교하였다.
추가적으로 미미한 우천에 따른 포트홀 발생특성 변화에 대해서도 분석을 시행하였다. 이 분석은 말 그대로 소량의 비가 오는데도 순찰 빈도를 늘려야 하는가에 대한 의문을 해소하기 위함이다.

대상 데이터

본연구에서는 도로기관에서 매일 작성하는 도로 순찰대장, 보수대장에서 포트홀 보수 이력을 하나하나 찾아내는 방법을 통해 기본 자료를 구축하였다. 기상정보는 일본 기상청(www.jma.go.jp)을 통해 취득 하였으며, 대상 구간과 가장 가까운 구간에 설치된 기상정보시스템 자료를 참조하였다. 최종적으로 조사자료는 “조사일-포트홀 개소 수(정수)-당일강우량(mm)-영향권 누적 강우량(mm)-우천영향권 여부(더미)”가 하나의 셋으로 구성되었다.
대상구간은 일본의 오츠(大津, Otsu)지방의한 고속도로 구간(19.01km)으로 상대적으로 우천이 잦고 강우량도 높은 구간을 선정하였다. 해당 구간의 기후는 평균 16.
jp)을 통해 취득 하였으며, 대상 구간과 가장 가까운 구간에 설치된 기상정보시스템 자료를 참조하였다. 최종적으로 조사자료는 “조사일-포트홀 개소 수(정수)-당일강우량(mm)-영향권 누적 강우량(mm)-우천영향권 여부(더미)”가 하나의 셋으로 구성되었다.

이론/모형

강우강도의 영향은 강우량을 설명변수로 하는 포아송감마 모형(Poisson-Gamma)을 적용하여 포트홀 발생 강도 함수를 도출하였다. 포아송감마 모형의 도입 이유는 일반 포아송 과정의 가장 큰 단점인 균일간격 도착(포트홀 발생)에 대한 제약조건을 제거할 수 있고, 설명변수를 포함한 변화특성을 모형화 할 수 있기 때문이다.

성능/효과

Eq.(7)은 비선형으로, 강우량 1mm~100mm까지의 변화량을 선형 모형으로 가정 시 강우 1mm당 포트홀 발생확률은 0.46% 증가하는 것으로 분석되었다.
1개 이상 포트홀 발생확률은 우천 영향권에서의 누적강우량이 1mm이상일 경우 8.5%로 시작하여, 100mm 일 경우 50%를 상회한다. 발생확률을 기준으로 해당 강우량을 역으로 분석해 보면 10%-9mm, 20%-44mm, 30%-65mm, 40%-82mm로 나타난다.
비교를 통해 가능하다. 3.4절에서 선행 분석 결과로 제시된 Table 2을 참조하면 맑은 날의 는 0.095개/ 일, 비가 온 날의 은 0.2458개/일로 2.59배 증가하였음을 확인할 수 있다. 도로 순찰 관점에서 중요한 1개 이상 발생 확률은 맑은날 4.
0mm이상)라도 내리면 포트홀 발생특성이 변화하는 것을 보여준다. 3일간의 누적강우량 0mm일 경우 1개 이상 발생확률은 1.5%, 발생강도() 0.03개 이었으나, 소량의 비라도 내리면 발생확률이 3.9%, 발생강도는 0.06이상으로 2배 이상 증가하였다.
7%까지 증가함을 확인할 수 있었다. 결과적으로 적은 양의 비라도 내리면 발생확률과 강도에 2배 이상의 영향을 미치나, 10mm 수준까지는 그 편차가 크지 않음을 알 수 있다.
그 결과 3일에 1회만 순찰해도 신뢰수준 95%를 충족하고, 90%수준은 6일에 1회 면 충족 가능하다. 그러나 우천 영향권에서는 매일 1회씩 순찰해야 90%(89.
기준을 확대하여 10mm 수준에 대해 추가적으로 분석해 보았으나 발생확률은 3.7%로 큰 변화가 없었고, 20mm 기준 에서 5.7%까지 증가함을 확인할 수 있었다. 결과적으로 적은 양의 비라도 내리면 발생확률과 강도에 2배 이상의 영향을 미치나, 10mm 수준까지는 그 편차가 크지 않음을 알 수 있다.
다음으로 강우강도가 높을수록 포트홀 발생확률, 빈도가 증가함을 알 수 있었다. 포아송-감마모델 적용결과 강우 강도는 유의한 설명변수로 분석되었으며, 증가함수를 선형으로 변형 시 강우 1mm당 포트홀 발생 확률이 0.
8배로 크게 증가한다. 또한 비 온당일 (즉 영향권 1일)과 우천 영향권 3일의 포트홀 발생확률은 각각 11.0%, 10.3%로 비가 그쳐도 이 특성은 유지된다고 판단할 수 있다. 즉 비온 후 3일간은 포트홀 검지를 위한 순찰 강화 전략을 유지할 필요가 있음을 의미한다.
62배와 거의 동일하다. 또한 포트홀 발생 개수별 확률밀도 함수의 증가율을 살펴보면 1개 2.2배, 2개 5.8배, 3 개 15배로 지수형태로 기하급수적으로 증가함을 보여주고 있다. 단 3개 이상은 발생확률 자체가 미미하여 큰 의미를 부여하기는 어렵다.
마지막으로 신뢰수준 95%를 포트홀 리스크 관리기준으로 설정 시, 비영향권에서는 3일에 1회, 영향권에서는 1일 2회 이상의 순찰이 필요하다는 결론이 도출되었다. 단 최적 간격은 관리자가 설정하는 신뢰수준과 지역적 포트홀 발생 특성에 따라 변화 될 수 있음을 유의해야 한다.
67%로 양호해 보이나, 5%이상의 균열이 포함된 세부 구간도 105개 수준으로 분석되었다. 자료 수집 기간은 2007.8.1일부터 2011년 9.30일까지 총 4년 2개월(50개월, 1, 522일)로 해당구간의 우천 및 포트홀 발생 특성을 정규화 하는데 충분하다 판단된다. 수집 자료에 대한 기초통계와 포트홀-우천특성을 Table 2~3, Fig.
증가함을 알 수 있었다. 포아송-감마모델 적용결과 강우 강도는 유의한 설명변수로 분석되었으며, 증가함수를 선형으로 변형 시 강우 1mm당 포트홀 발생 확률이 0.46% 증가함을 알 수 있었다. 한편 미미한 강우량도 포트홀 발생에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
8%로 상대적으로 교통량과 하중이 높은 편이다. 포트홀 발생에 가장 밀접한 관계가 있는 균열의 수준은 전 구간 평균 1.67%로 양호해 보이나, 5%이상의 균열이 포함된 세부 구간도 105개 수준으로 분석되었다. 자료 수집 기간은 2007.

후속연구

단 우천 영향의 정량화와 관리자의 간편한 의사결정에 중점을 두면서, 다양한 설명변수들이 배제되었다. 향후 연구에서는 온도, 차량하중, 포장 유형 및 상태, 하부구조 등 포트홀 발생인자에 대한 종합적 고려를 통해 포트홀 발생 예측모형으로 고도화할 필요가 있다.

참고문헌 (6)

T. P. Wilson, A. R. Romine, Materials and Procedures for Repair of Potholes in Asphalt-surfaced Pavement - Manual of Practice, Technical report (Report No. FHWA-RD-99-168), Federal Highway Administration (FHWA), U.S., p.71.
K. Kamal, S. Mathavan, T. Zafar, I. Moazzam, A. Ali, U. Ahmad, M. Rahman, "Performance assessment of Kinect as a sensor for pothole imaging and metrology", International Journal of Pavement Engineering, Vol.19, No.7, pp.565-576, 2018. DOI: https://doi.org/10.1080/10298436.2016.1187730

상세보기
A. Picche, How Potholes are Eating City Budgets [Internet], CBS interactive, c2014 [cited 2014 Feb. 24], Available from: http://www.cbsnews.com/news/how-potholes-are-eating-city-budgets/ (accessed July 12, 2020).
G. Morosiuk, M. J. Riley, J. B. Odoki, Highway Development & Management Series Volume Six : Modelling Road Deterioration and Work Effects, p.296, The World Road Association (PIARC) on the behalf of the ISOHDM, 2001, pp.B5-1-B5-9. ISBN: 2-84060-102-8.
K. Kobayashi, K. Kaito. "Obstacle emergence risk and road patrol policy", Advances in Civil Engineering, Vol. 2012, Article ID 567509, pp.1-9, 2012. DOI: https://doi.org/10.1155/2012/567509

상세보기
S. Rose, B. Mathew, K. P. Issac, A. S. Abhaya, "Risk based probabilistic pavement deterioration prediction models for low volume roads", International Journal of Pavement Engineering, Vol. 19, No. 1, pp.88-97, 2018. DOI: https://doi.org/10.1080/10298436.2016.1162308

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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