초록 ▼

1. 연구의 개요
가. 연구의 필요성 및 목적
1) 연구의 필요성
신규 도로 건설의 한계로 인한 교통부문의 심각성은 단순히 자동차의 증가에 따른 지 정체와 도시부 혼잡에 그치지 않고 교통사고로 인한 안전문제와 온실가스 배출로 인한 환경문제로 연결되어 더욱 악화될 것이다. 따라서 교통부문에서 기존 도로 체계의 효율성을 극대화하는 노력이 필수적인 요소로 지적되고 있다.
지난 20년간 전국 대부분의 주요 도시에 지능형교통시스템(ITS, Intelligent Transportation Systems)이 구축되면서 정보

1. 연구의 개요
가. 연구의 필요성 및 목적
1) 연구의 필요성
신규 도로 건설의 한계로 인한 교통부문의 심각성은 단순히 자동차의 증가에 따른 지 정체와 도시부 혼잡에 그치지 않고 교통사고로 인한 안전문제와 온실가스 배출로 인한 환경문제로 연결되어 더욱 악화될 것이다. 따라서 교통부문에서 기존 도로 체계의 효율성을 극대화하는 노력이 필수적인 요소로 지적되고 있다.
지난 20년간 전국 대부분의 주요 도시에 지능형교통시스템(ITS, Intelligent Transportation Systems)이 구축되면서 정보화 기반이 구축되고, 차량주행 및 안전 성능이 개선되면서 차량과의 상호작용 및 차량과 도로의 상호작용에 대한 조건이 변경되고 있다.
향후 도로차량 연계 기반의 첨단 교통체계는 나날이 발전하여 실시간 정보 서비스를 통한 이용자 최적화 전략과 교통수요 관리, 총통행량 관리 및교통네트워크 관리 등 시스템 최적화로 발전이 예상된다. 또한 국내외 연구개발 추이를 고려할 때 군집주행 및 자율주행의 상용화가 멀지 않아 이루어질 것으로 판단된다. 그러나 현재 도로용량산정 모형을 비롯한 교통모형들은 이러한 ITS 기술 운영에 따라 발생하는 용량 변화분을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 도로용량 분석에 초점을 맞추어 차세대 ITS 기술 운영에 따른 영향을 반영할 수 있는 모형을 제안하도록 한다.
2) 연구의 목적
본 연구는 도로차량 연계 기반의 첨단 기술 패러다임 전환에 의해 도입되는 차세대 ITS 서비스의 도로용량 증대 효과를 반영할 수 있도록 대표적인 도로 체계별 도로용량 산정 개선안을 제시한다.
나. 연구의 범위 및 방법
○ 도로용량 모형 및 용량에 영향을 주는 ITS 기술 분석
- 국내외 사례 분석을 통한 ITS 구축 현황 및 기술 개발 동향 분석
- 도로용량 증대의 효과가 발생할 수 있는 ITS 기술 분석
○ 기존 도로용량산정 모형의 한계점 분석 및 개선 방안 제시
- 「도로용량편람」의 도로용량산정 모형 한계점 분석
- 연구진및 전문가 자문회의를 통한 모형 개선 방안 도출
○ ITS 전략의 운영에 대한 모의실험 수행을 통해 용량 증대 효과 평가
- 연속류 및 단속류에 적용될 수 있는 ITS 기술의 모의실험 구현
- 연속류 및 단속류 모의실험 수행 및 용량 증대 효과 분석
○ ITS 운영 효과를 반영할 수 있는 도로용량산정 모형 정립 효과
- 평가 결과를 바탕으로 ITS 운영에 따른 보정계수 산출 및 도로용량 산정 모형 적용 방안 제시
○ 차세대ITS 도입을 위한 정부의 역할 제시 및 향후 연구 수행 방향 정책 제언
2. 도로용량에 영향을 주는 ITS 기술 동향
가. 국내 ITS 구축 현황 및 기술 동향
우리나라는 국가통합교통체계효율화법(법률 제12246호) 을 근거로 하여 전국 37개 지방자치단체에서 ITS 지방 계획을 수립하거나 수립을 추진 중이다. ITS 구축 시스템에는 운영 주체별로 국토교통부의 교통정보통합시스템과 국도교통관리시스템, 44개 지자체의 교통관리시스템과 버스정보시스템, 한국도로공사의 검지기(VDS), 폐쇄회로카메라(CCTV), 차로변경시스템(LCS), 도로전광표지(VMS), 기상정보 수집시스템(RWIS) 등이 있다. 또한 2000년부터 고속도로에 하이패스 서비스를 제공하고 있으며, ITS의 대표적인 서비스로 그동안 많은 성과를 거두었고, DSRC를 이용한 교통정보 수집에도 활용되고 있다.
기존의 국내 ITS가 교통 측면에서 운영 관리보다는 정보 제공 위주의 서비스에 치중하여 차량의 개별적 안전 확보와 사고 예방 등의 효과를 충족하지 못하고 있어 2007년부터 스마트 하이웨이 기술 개발을 추진 중이며, 이에적용할통신 기술은향후협력형지능형 교통체계(CITS, Cooperative Intelligent Transport Systems)의 주요한 기반기술이 될 것으로 기대된다.
국내를 비롯한 세계 여러 나라에서 차량간 통신 및 차량기지국간 통신을 기반으로 차량과 도로가 소통하는 지능화된 환경을 구축하기 위해 노력 중이다. 이를 통해 도로의 용량 증대나 소통 향상 등 도로환경에 직접적인 영향을 미치는 ITS 기술 요인이 많이 발생할 것이므로 이러한 요인들을 교통모형에 반영하여 더욱 현실적인 대안을 마련할 필요가 있다.
나. 국외 ITS 기술 동향
유럽은 CO₂저감과 교통사고 감소를 목적으로 EU 주관 산학 연관 합동 연구 프로젝트를 진행(eSafety포럼, PReVENT, C2CCC, COOPERS, CarTALK2000, CVIS 등)하였으며, 현재는 기술 성능 시험 평가 단계를 진행 중이다.
○ SAFESPOT(Smart Vehicles on Smart Roads) : 차량과 기반시설이 통신할 수 있는 동적 상호 협력 네트워크를 구축하고, 차량과 도로에서 얻을 수 있는 정보를 이용하여 차량 전방의 잠재적인 위험 상황을 감지하고, 운전자의 주위에 대한 인식을 확장하는 ‘SAFETY MARGIN ASSISTANT’를 통한 도로 사고 예방 수행
○ CVIS(Cooperative VehicleInfrastructure System) : 차량간 통신(V2V), 차량기지국간 통신(V2I) 기술을설계, 개발, 시험하기 위한 목적으로 추진되었으며, 핸드폰, WiFi, 적외선이나 단파장 등을 이용하여 연속적인 인터넷 연결을 유지할 수 있는 다채널 단말기 개발과 도로의 무선통신 서비스 및 교통관리 시스템을 차량과 연결하는 개방형 플랫폼을 개발함
○ COOPERS : 자동차 도로상의 기반시설과 자동차 사이에서 직접 최신 교통 정보를 제공하는 것을 목표로 하며, 기반시설에서 차량으로의 통신 연결 (I2V)을 통해 실시간 지역 상황을 근거로 안전과 연관된 상황과 기반시설 상황을 차량과 운전자에게 제공한다. 정확한 상황 파악을 위해 도로 센서시설을 활용하고, 통신을 차량 통제, 통행료 징수 시스템으로 활용함
○ SARTRE(Safe Road Trains for the Environment) : V2V 기술을 이용한 차량군 운행 기술 개발을 위한 프로젝트로서, 선행 차량이 후속 차량을 제어하여 기차와 같은 차량 행렬로 운행되며, 일반도로의 차량은 임의로 차량 행렬에 합류하거나 이탈이 가능하도록 설계함
○ SEVECOM(Secure Vehicle Communication) : 능동형 안전 기술과 관련한 보안 관련 프로젝트로 후속 작업 진행 중 미국은 CITS 기술에 대한 개발 이후 상용화를 위한 표준화, 법 제도 정비, 국제협력 등을 지속적으로 추진 중이며, 미국 교통부의 주도로 2006년 VII(Vehicle Infrastructure Integration) 프로젝트, 2010년 IntelliDrive, 2011년부터 Connected Vehicle 프로젝트를 진행 중이다.
○ VII(Vehicle Infrastructure Integration) : 차량인프라 통신을 활용하여 교통 효율성, 운전자 대안 루트 확보 및 통행료 징수 구역 등의 정보를 제공하는 부문에 대한 연구 진행
○ IntelliDrive : V2V와 V2I 기술, 인프라 기반 센싱 기술, 교차로 및 교통인프라 서비스 기술을 사용하여 교통의 안정성과 이동성 확보를 위한 신호 정지선 위반, 곡선도로 속도 경고, 전자 브레이크, 램프 미터링, 신호시간 변경, 도로날씨에 따른 정보 제공 등의 ITS 서비스 개발
○ Connected Vehicles : 도로 안전성 증대, 이동성 향상, 친환경적 주행환경 조성을 위한 차량 간 소통 및 차량인프라간 소통 시스템을 연구하여 향후 V2V 및 V2I 통신에 활용하고, 이를 통해 다양한 교통정보를 이용한 효율적 교통체계를 마련하기 위해 총 5억 달러의 연구비 투입
국외에서는 현재 CITS를 통해 차량의 위치 및 도로환경에 대한 정보의 품질과 신뢰성을 높이는 데 주력 중이며, 기존 시스템을 개선하고, 더불어 운전자와 탑승자 및 시스템 운영자 등 도로 사용 주체들에게 새로운 서비스를 제공하고, 보다 향상된 교통 효율과 안전을 위한 기술을 개발하고 있다.
다. 군집주행 및 자율주행 기술 개발 동향
1) 군집주행
차량 군집주행 시스템은 하나의 차량 군집에 속하는 두 대 이상의 차량이 서로 짧은 간격을 유지하면서 고속으로 주행하는 방식을 말한다. 차량 군집주행 시스템을 이용하면 기존의 도로를 확장하지 않고도 차량의 흐름을 원활히 하여 도로의 용량을 현재보다 훨씬 높은 수준으로 증가시킬 수 있고, 운전자에게 쾌적하고 안전한 운행을 제공하며, 연료 소비 및 공해 배출 감소 등과 같은 부가적인 효과도 거둘 수 있는 장점이 있다.
이와관련하여국외에서는Connected Vehicles 프로젝트, US DOT의Intelli Drive 프로젝트, VII(Vehicle Infrastructure Integration) 등의 프로젝트가 진행되었으며, 세계적으로 차량용 센서 기반의 스마트카 안전시스템에서 발전하여 도로 교통 정보까지 통합한 V2X 통합 안전 시스템의 기술 개발 및 상용화가 확대되고 있는 추세로, 미국과 유럽은 도로주행 성능과 교통안전 증대를 위한 실증적인 기술 성능 시험이 운영 단계에 진입하였다.
2) 자율주행
자율주행과 관련하여 위성항법 교통인프라에서 제공되는 위치 정보를 이용한 자동차 관련 교통체계에 적용하기 위한 기반기술 연구가 진행 중이다.
3) 충돌 방지 기술
충돌 방지 기술에는 페달분리시스템과 전복방지시스템이 있다. 페달분리 시스템(BPS, Brake-away Pedal System)은 충돌 시 페달은 운전자와 멀어지는 방향으로 차량이 이동하게 되어 운전자 다리의 상해를 줄여 주고, 차량의 진행 방향에 따라 헤드램프가 움직여 시야 확보 및 편의성을 향상시켜 주는 바이제논 어댑티브 헤드램프를 적용하는 기술이다. 전복방지시스템(ARP, Active Rollover Protection)은 운전자의 급격한 조향으로 인한 전복을 방지하는 시스템으로 주행 중 급회전 시 차량이 전복될 수 있는 가능성에 대해 신속하게 최적으로 제어함으로써 차량이 전복되는 사고를 예방한다.
지능형 자동차라고도 불리는 스마트카의 시장 규모는 빠른 속도로 증가하고 있으며, 안전이 보장된 상황에서 기존 도로에서의 운영 효율성을 극대하는 군집 및 자율주행을 위한 개발이 활발하게 진행 중이다.
3. 기존 교통모형의 한계점 및 개선 방안
가. 기존 도로용량 분석의 한계점
국내에 ITS 도입이 활발하게 진행되면서 도로환경은 점차 변화하고 있는데, 국내 도로용량 분석 방법은 이러한 환경변화에 민감하게 대처하지 못하고 있다. 이는 최근 도로용량편람 개정(국토교통부, 2013)에서 ITS 구축 및 차량 성능 향상 등 달라진 도로환경 변화 요소가 반영되어 있지 않은 것만 보더라도 알 수 있다.
다음 표는 대표적인 사례로 고속도로 기본구간과 신호교차로를 선정하여 도로용량편람 개정 전과 개정 후의 차이점을 정리하였다.
본 연구에서는 현재 교통에 직간접적으로 많은 영향을 미치고 있는 ITS 관련 요소들이 도로용량을 산정하는 데 반영되지 않고 있으므로 좀 더 현실적인 도로용량을 산정하기 위한 대안을 마련하고자 한다.
우선 대표적으로 연속류 도로에서는 고속도로 기본구간, 단속류 도로에서는 신호교차로를 사례로 하여 교통류에 직접적인 영향을 미치는 ITS 기술인 VSL, LCS, 군집주행 및 자율주행을 통한 효과를 적용하여 교통모형을 개선한다.
나. 도로용량 증대를 위한 ITS 기반 교통모형 개선 방안
1) 연속류 도로(고속도로 본선)
① 가변속도제한(VSL, Variable Speed Limits) 운영에 따른 용량 증가가변속도제한(VSL) 운영은 사고와 같은 돌발 상황과 병목구간에서의 충격파를 완화해 통행속도 증가 및 혼잡 완화 효과가 있다.
D(Delay) = $\frac{병목지속시간\bullet\omega_{1}\bullet\omega_{c}}{\omega_{c}-\omega_{1}}=\frac{(t_{b}-t_{a})\bullet\omega_{1}\bullet\omega_{c}}{\omega_{c}-\omega_{1}}$
여기서, t_b-t_a : 병목지속시간
w₁ : 병목 발생으로 인한 혼잡 충격파
w_c : 병목해소 충격파
총 지체에 영향을 주는 변수는 병목 지속시간, 혼잡 발생, 해소 충격파가 있으며, 이중 병목 지속시간( t_b-t_a)의 경우는 유발 원인의 특성에 따라 달라지며, 병목 해소 충격파인 w_c의 경우에는 교통류밀도 관계식에서 결정되는 변수이다.
따라서 제어가 가능한 변수는 혼잡이 전파되는 충격파 w₁로 연속류 본선 용량 저하로 인한 혼잡이 발생할 경우, 가변속도제어를 통해 충격파 w₁을 낮춤으로써 총 지체에 미치는 영향을 시공도에 표현하여 살펴보면 다음과 같이 표현된다.
용량 와해 발생 시 가변속도제어를 적용할 경우, 교통류 상태 및 상류부
로 전파되는 충격파의 속도는 복잡하게 변화한다. 속도 u_f에서 u ₂로 속도를
제어할 경우(u_f > u₂), 제어 시작 시점부터 병목구간으로 유입되는 교통량이 감소함에 따라 교통류 상태는 A상태에서 B상태로 변화하게 되며 t_c시간 동
안 충격파 속도가 w₂에서 w'₃ 으로 낮아진다.
② LCS(Lane Control System) 운영에 따른 용량 변화
국토교통부는 전국 고속도로 교통혼잡구간 50% 감소를 목표로 기존 도로용량을 소프트웨어적으로 확대하기 위하여 LCS를 시행하였다. 이는 교통상황에 따라 특정 차로만을 허용(○) 또는 금지(×)하도록 규제하는 시스템으로, 특히 고속도로 갓길에 적용하여 교통혼잡을 효과적으로 개선하고 있다. 본선 주행속도가 80㎞ 미만일 경우에 갓길을 주행차로로 이용하도록 하는 것으로, 도입 추진 효과는 다음 표와 같다.
우리나라 고속도로에서는 차량 흐름에 따라 본선부에도 LCS 운영이 가능 하나, 갓길에 주로 설치하여 운영하고 있다.
③ 군집 및 자율주행으로 차두간격(Headway) 감소에 따른 용량 증가
○ 기존 연속류 도로에서의 용량
고속도로 기본구간의 용량은 설계속도에 따라서 120㎞/h에서는 2,300pcphpl, 100㎞/h에서는 2,200pcphpl, 설계속도 80㎞/h에서는 2,000pcphpl이다.
고속도로에서 대기행렬로 인한 정체 발생 시 서비스 수준 F에 해당하며, 교통사고로 인하여 용량이 일시적으로 감소하는 곳, 도착 교통량이 그 지점을 통과할 수 있는 교통량보다 많은 곳(합류부, 엇갈림구간, 차로 축소에 따른 병목구간 등), 첨두시간 교통량이 용량을 초과하는 곳에서 주로 발생한다.
○ 군집주행 시 용량
고속도로 기본구간에서 100㎞/h의 속도로 차량 간격이 6m로 주행할 수 있다고 가정하면 고속도로의 기본구간 용량은 37%까지 증가할 수 있다.
- 군집주행
ㆍ조건(가정사항)
ㆍ군집운행 대수 : 5대 / 군집운행 주행속도 : 100㎞/h
ㆍ군집 길이 : 54m(차량 길이 6m, 차량 간격 6m)
ㆍ군집 간 간격 : 112m(인지반응거리+공주거리)
ㆍ시나리오 결과 : 최대 37%까지 용량 증대 가능
◦ 자율군집주행 용량
선행 차량이 수동으로 조정하는 군집주행 형태에서 벗어나 선행 차량이 자율주행을 할 경우에는 도로용량은 최대 65%까지 증대 가능하다.
- 자율군집주행
ㆍ조건(가정사항)
ㆍ군집운행 대수 : 5대 / 자율군집주행속도 : 100㎞/h
ㆍ군집 길이 : 54m(차량 길이 6m, 차량 간격 6m)
ㆍ군집 간 간격 : 84m(공주거리 필요 없음)
- 시나리오 결과 : 최대 65%까지 용량 증대 가능
2) 단속류 도로(신호교차로)
① 자율군집주행에 따른 출발손실시간 감소
신호교차로에서는 주기마다 다시 출발이 시작되기 때문에 처음 N번째 차량까지의 차들은 출발반응 및 가속에 의한 차두시간을 가지게 된다.
우리나라에서는 일반적으로 6번째 차량까지 출발손실시간이 발생하며, 전체 출발손실시간을 2.3초로 가정하고 있다.
그러나 자율군집주행에서는 운전자가 차량을 제어하지 않고 차량이 V2X 기반 통신을 통해서 내부 제어를 하므로, 사람이 신호등을 인식하고 차량을 제어하기까지의 시간인 인지반응시간이 단축되어 출발손실시간이 감소할 것이다
② 자율군집주행에 따른 포화차두시간 감소
신호교차로에서의 기존 차로별 기본 포화교통류율이 2,200pcphpl에서는 포화차두간격이 1.636초로, 신호교차로에서 60㎞/h로 주행 시 차두거리는 27.267m이다.
자율군집주행으로 교차로에서 회전교통류별로 60㎞/h의 속도로 통과할 수 있다고 가정하면 돌발 상황 발생 시 차들이 동시에 제동될 것이므로 정지거리가 필요 없다. 또한 교차로에서 V2X 통신을 통해서 교통 상황을 인식하고 차량을 제어하기까지 0.5초 정도의 시간이 필요하다고 가정하면 필요한 최소 정지시거는 8,34m(0.278×60km/h×0.5초)이다.
자율군집주행 시 차두거리 20.34m(차간거리 6m + 차량 길이 6m + 정지시거 8.34m)이므로 포화차두시간(Saturation Headway)는 1.22초이며, 이때의 포화교통류율은 2,949pcphpl으로 기존 대비 1.3배 이상의 용량이 증대되는 효과가 있다.
○ 교차로에서의 자율군집주행 조건(가정사항)
- 군집운행 대수 : 제한 없음 / 자율군집주행속도 : 60㎞/h
- 차두간격 : 29.34m(차량 길이 6m, 차량 간격 6m, 정지시거 8,34m)
③ 보행자감응 기반 보행신호 운영에 따른 용량 증대
기존의 교통신호제어기는 횡단보도를 건너려는 보행자에게 보행신호를 지시할 때 횡단보도의 길이 및 설치 위치를 기준으로 보행신호시간을 계산하여 일괄적으로 적용하고 있다.
T(전체녹색시간)= T_S + T_f = t+L/V_l
여기서, T = 보행자 전체 신호시간(초)
T_S = 녹색 고정시간 : 녹색등화가 지속되는 시간(초)
T_f = 녹색 점멸시간 : 녹색등화 이후에 녹색등화가 점멸되는 시간(초)
t = 초기 진입시간(4~7초)
L = 보행자 횡단거리(m)
V_l = 1.0m/s
이를 왕복 6차로의 횡단보도에 적용하여 보면, 국내 1차로의 규정 폭이 3.5m이므로 횡단보도의 폭은 6×3.5m = 21m로, 이 경우 최소 녹색시간, 즉 보행신호시간은 27초(7sec + 21m ÷ 1.0m/s)가 된다.
그러나 차량 증가에 따라 많은 부분 차량의 원활한 소통을 위한 부분만이 강조됐으며, 이에 따라 보행자감응제어방식 등이 도입되어 왔다.
일반적으로 보행자감응방식은 운영자가 요구되는 보행자 대기시간을 고려하여 보행 버튼을 누른 즉시, 혹은 보행자 요청 이후 돌아오는 보행자 서비스 시간대에 선택적으로 작동되게 할 수 있게 되어 있다.
그러나 향후 보행자 감지 시스템이 발달하여 횡단보도 내의 보행자 유무와 보행대기자를 검지한다면, 기존의 최소녹색시간의 감소가 가능하고 가변적으로 운영되기 때문에 보다 효과적으로 신호시간을 활용할 수 있게 되며, 이는 신호교차로의 용량을 확대하는 결과를 가져오게 된다.
4. ITS 운영 기반 도로 운영 용량 증대에 따른 교통모형 정립
가. 연속류 및 단속류 도로 체계의 용량 개념
나. ITS 기반 도로 운영에 따른 도로용량산정 개선 방안 제시
1) 도로용량산정 방법의 개선
현재의 도로용량편람은 ITS 전략과 같은 교통체계 운영이 도로용량에 미치는 영향을 반영하지 않고 있다. 본 연구에서는 향후 첨단 통신 기술을 기반으로 하는 ITS 전략의 운영에 따라 연속류 및 단속류 도로용량에 미치는 영향을 보정계수로 반영하여 도로용량을 산정할 방안을 마련하고자 한다.
2) 연속류(고속도로 기본구간)의 용량산정 방안 개선
본 연구에서는 연속류의 용량산정 개선 방안으로 ITS 전략의 운영에 따른 도로용량을 증대 효과를 보정계수 fITS로 반영하고자 한다.
본 연구의 연속류에서의 ITS 전략은 가변속도제어(VSL), 차로제어(LC), 자율군집주행(CACC, Cooperative Adaptive Cruise Control)이 있다. 해당 전략들의 도입에 따른 효과를 분석 후 보정계수를 산정하여 반영할 수 있도록 하며, 이러한 연속류에서의 새로운 용량산정 모형은 다음 <표 8>과 같다.
3) 단속류(신호교차로)의 용량산정 방안 개선
연속류의 용량산정 개선 방안과 마찬가지로 이외에도 단속류에서 운영될 수 있는 ITS 전략의 운영에 따른 도로용량 증대 효과를 보정계수 fITS로 반영하고자 한다.
본 연구에서는 출발손실시간 제로화, 자율군집주행(CACC), 보행자감응신호 운영 전략을 도입함에 따른 효과를 분석 후 보정계수를 산정하여 반영할 수 있도록 하며, 이를 반영하기 위한 단속류에서의 새로운 용량산정 모형은 다음의 <표 9>와 같다.
다. ITS 운영에 따른 도로용량 증대 효과 분석
1) 효과 분석 개요
① 효과 분석 배경
본 연구에서는 ITS 전략 운영에 따른 도로용량 증대 효과를 분석하기 위해 미시적 교통 시뮬레이터인 VISSIM을 이용해 모의실험을 수행하고 결과를 제시하고자 한다. 본 연구의 모의실험은 연속류와 단속류로 구분하여 연속류 및 단속류에 적합한 ITS 전략을 수립하여 시나리오를 설정하고, 이를 모형화하여 모의실험에 구현하였다. 시나리오별 모의실험 수행을 통해 ITS 전략의 운영 전후를 비교 분석하였고, 이를 바탕으로 ITS 전략 운영에 따른 도로용량 증대 효과가 있는지를 제시하고자 한다.
② 연속류 모의실험 환경 구축
연속류 모의실험의 효과척도 설정, 네트워크 구성, 시나리오 구성은 다음 <표 10>과 같다.
본 연구에서 연속류에서의 ITS 전략 운영에 따른 효과를 평가하기 위해 설정한 시나리오는 다음의 표와 같다.
연속류 모의실험 일반 환경 구성은 다음과 같다.
○ 본 연속류 모의실험은 각 시나리오에서 모두 동일하게 처음 15분의 준비시간(warm up time)과 마지막 30분의 정리시간(clearance time)을 포함하여 1시간 45분 동안 수행하며, 정리시간 동안에는 네트워크상에 차량의 진입이 발생하지 않고 기존에 투입된 교통량만 처리
○ 모의실험 수행 결과를 분석하기 위한 자료의 수집은 준비시간과 정리시간을 제외한 1시간 동안 이루어지며, 모든 모의실험은 교통량 수준마다 각 10회씩 이루어지며, 10회의 모의실험 수행 시 각기 다른 난수 시드(random seed)를 가지고 분석
연속류 3가지 ITS 전략별 모의실험 구현은 다음과 같다.
○ 가변속도제어(VSL)
가변속도제어 알고리즘은 목표 구간의 점유율(occupancy)을 기반으로 하고, 목표 구간(예 : 구간 m+1)의 점유율은 다음 그림에서 알 수 있듯이 지면에 설치된 루프 검지기에 의해 수집되는 것으로 구현하였다. 또한 상류부 구간(구간 m)의 목표 제한속도[Um(k)]는 임계 점유율(Oc), 제어 이득(ςo1, ςo2), 전 단계의 제한속도[um(k1)]에 의해 결정됨을 알 수 있다. 임계제한속도를 의미하는 구간 m의 목표 제한속도는 다음 그림에서 상류부 구간을 의미하는 구간 m₀부터 m_-1까지의 제한속도 추정치를 이용하여 결정한다. 임계 제한속도가 결정되면, 각 구간의 루프 검지기를 통해 수집된 교통량 정보와 임계 제한속도 값을 반영하여 상류부 각 구간의 제한속도를 산정한다.
○ 차로제어(LC)
본 연구에서 적용하고자 하는 차로제어 전략은 교통정체가 발생할 때 갓길을 차량이 주행차로로 이용할 수 있게 하여 도로용량을 증대시키는 방법이다. 본 연구에서는 차로제어 전략 운영 기준을 약 65km/h로 설정하였으며, 이에 따라 모의실험이 수행되는 동안 통행속도가 65km/h 이하로 감소하게 되면 갓길이 주행차로로 허용되도록 했다.
○ 자율군집주행(CACC)
자율군집주행 알고리즘은 피드백 제어 방법에 기초하는데, 피드백 제어방법은 선행 차량과 해당 차량의 차두간격에 따라 가속과 감속 정도를 설정하였다. 자율군집주행(CACC) 차량은 자율군집주행(CACC) 모드로 설정되었을 때 차로를 변경하는 것이 허용되지 않는다.
③ 단속류 모의실험 환경 구축
본 연구에서 단속류에서의 ITS 전략 운영에 따른 효과를 평가하기 위해 설정한 시나리오는 다음의 <표 13>과 같다.
단속류 모의실험 일반 환경 구성은 다음과 같다.
○ 단속류 모의 실험은 4방향의 접근로를 모두 분석하는 것이 아니고 1방향의 접근로만 분석
○ 모든 단속류 모의실험은 모의실험상의 1시간 동안 이루어지며, 각 실험은 다양한 난수 시드(random seed)를 이용하여 10회씩 수행
○ 포화차두시간의 분석은 도로용량편람에서 제시하는 방법을 따르며, 녹색신호시간 시작 후 대기행렬 내 정지하고 있던 차량이 정지선을 지나는 시간을 측정하여 분석
○ 포화교통류율은 산출된 포화차두시간을 바탕으로 계산되며, 교차로 용량은 포화교통류율, 유효녹색시간, 신호주기를 바탕으로 산출된다. 마지막으로 차량당 경험하는 지체는 VISSIM에서 모의실험 결과물로 얻어지는 자료를 바탕으로 분석
단속류 3가지 ITS 전략별 모의실험 구현은 다음과 같다.
○ 출발손실시간 제로화
신호시간의 변경과 동시에 차량이 즉각적으로 출발하는 것을 모의실험에 구현하며, VISSIM의 사용자 인터페이스인 API(Application Programmer's Interface) 와 Car2X를 이용하여 구현하였다.
○ 자율군집주행(CAAC)
연속류 모의실험과 마찬가지로 이 역시 VISSIM의 사용자 인터페이스인 API와 Car2X를 이용하여 구현하였다.
○ 보행자감응신호
보행자감응신호 운영 전략을 모의실험에 구현하는 데 있어서 보행자의 존재 감지 유무에 따라 두 가지 신호 현시 운영을 적용하였다. 본 단속류 모의실험에서는 보행자가 두 번 주기 동안 한 번씩만 나타나도록 설정하여 실험하였고, 이에 따라 보행자 존재가 감지되는 84초 주기 신호 계획과 보행자가 존재하지 않는 60초 주기 신호 계획이 번갈아 운영되면서 모의실험이 수행되었다.
2) 연속류 모의실험 결과
본 연구는 가변속도제어, 차로제어, 자율군집주행과 같은 ITS 전략을 연속류에서 운영할 때의 효과를 모의실험을 이용해 분석하였다.
3) 단속류 모의실험 결과
단속류를 배경으로 하는 모의실험에서는 출발손실시간 제로화, 자율군집 주행(CACC), 보행자감응신호 운영 전략을 운영할 때의 교차로 용량 증대의 효과를 분석하였다.
라. 용량산정을 위한 모형 적용 방안
본 절에서는 3절에서 분석한 결과를 바탕으로, 고속도로 기본구간 및 신호교차로에 ITS 전략을 도입하는 데 따른 용량 증대의 효과를 보정계수로 산정하여 제시하고자 한다.
연속류 모의실험 결과를 토대로 고속도로 기본구간 용량산정에 적용할 수 있는 ITS 운영 보정계수(fITS) 값은 다음 표와 같다. 이 값은 연속류 모의실험 중 병목구간 하류부를 대상으로 산출한 평균 최대 교통류율 값을 바탕으로 하며, ITS 전략을 운영하지 않았을 경우보다 평균 최대 교통류율이 얼마나 증가했는지를 보정계수로 산정하였다. 향후 용량산정 시 ITS 전략 운영에 따른 도로용량 증대 효과를 반영하고자 한다면, 본 연구에서 제시하는 고속도로 기본구간의 용량산정식에 해당 도로에서 운영하고자 하는 ITS 전략에 따라 ITS 운영 보정계수(fITS) 값을 적용한다.
단속류 역시 비슷한 방법으로 보정계수를 산정하였으며, 단속류 모의실험 결과가 명시된 위의 표에서 각 ITS 전략 운영에 따른 교차로의 용량 값을 비교하여 산출하였다. 신호교차로 용량산정 시 적용할 수 있는 ITS 운영 보정계수(fITS) 값은 다음 표와 같다. 향후 ITS 전략 운영에 따른 효과를 반영하여 신호교차로의 용량을 산정할 경우, 본 연구에서 제시하는 신호교차로 차로군 포화교통류율 보정식에 해당 도로에서 운영하고자 하는 ITS 전략에 따라 ITS 운영 보정계수(fITS) 값을 적용한다.
5. 결론 및 정책 제언
가. 결론
본 연구는 도로ㆍ차량 연계 기반의 첨단 기술 패러다임 전환으로 변화되는 차량과 도로 인프라의 상호작용 기반 ITS 서비스의 운영 환경을 배경으로 대표적인 도로 체계별 ITS 전략 운영으로 인한 도로용량 확대를 반영하는 도로용량산정 개선안을 제시하는 데 목적이 있다. 이러한 연구의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 연구 성과를 도출하였다.
○ 국내외 군집 및 자율주행을 포함하는 ITS 기술 개발 동향
○ 기존 교통모형의 한계점 분석 및 개선 방안 도출
○ 사례 연구를 통한 ITS 전략 운영의 효과 평가
○ 도로용량산정 개선 방안 제시
나. 정책 제언
1) 첨단 지능형 교통체계 기술의 개발
차세대 ITS 기술은 실시간 양방향 무선통신을 기반으로 상용화되고, 이로 인해 도로교통의 패러다임이 스마트카 운영 기반으로 변화할 것이며, 교통운영 및 안전성 제고 측면에서 큰 효과가 발생할 것이다.
정부에서도 이러한 점을 인식하고 선진국의 사례를 검토하여 그들이 겪은 문제를 답습하지 않도록 하고 차세대 ITS 기술 개발의 체계를 견고히 할 필요가 있으며, 정부 주도하에 차세대 ITS 기술을 개발하고 상용화하여 선진 ITS 시장을 선점해야 한다.
2) ITS 운영에 따른 용량 증대 효과 분석
본 연구의 ITS 운영에 따른 용량 증대 효과 분석 과정과 결과에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫째, 차세대 ITS 기술이 확정되지 않은 상황에서 이를 모의실험에 구현하였다는 데 한계가 있다. 둘째, 본 연구에서 반영하고 있는 ITS 기술은 극히 제한된 시나리오이므로, 향후 현존하는 ITS 기술 및 차세대 ITS 기술 전반에 대해 효과를 평가할 필요가 있다. 마지막으로, 본 연구의 효과 분석은 모의실험만을 수행한 결과를 제시하고 있어 현장에서 얻어진 결과와 비교하여 모형의 보정(calibration) 및 검증(validation)이 이루어 지지 못하였다는 한계가 있다.
향후 ITS 운영에 따른 용량 증대 효과를 분석하여 이를 도로용량산정과 서비스 수준 평가에 반영하기 위해서는 실제 상황에서 발생하는 효과를 나타낼 수 있는 정확한 결과가 필요하다. 따라서 광범위한 ITS 기술을 대상으로 도로 기하구조 및 운영에 따른 상세한 시나리오 구성이 필요하며, 결과를 도출하는 데 면밀한 검증이 필요하다.
3) 도로용량산정 방안 재검토
본 연구에서는 ITS 기술이 교통 운영의 효율성을 높여 도로용량에 영향을 줌에도 불구하고 기존의 「도로용량편람」에서 이러한 효과를 반영하지 못한다는 사실에 착안하여 수행되었다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 기하구조인 고속도로 기본구간과 신호교차로의 용량산정 시 ITS 운영 보정계수(fITS)를 도입함으로써 ITS 운영에 따른 효과를 반영하는 방안을 제안하였고, 모의실험 효과 분석 결과를 바탕으로 용량 증대 효과를 단순하게 연속류와 단속류의 ITS 운영 시나리오별 계수 값으로 제시하고 있다. 하지만 연속류 및 단속류의 도로용량에 영향을 미치는 도로 교통 교통통제 등의 조건은 각기 다양하며, 분석 대상 도로의 종류에 따라 용량산정 방법이 다르다. 따라서「도로용량편람」에서 제시하는 다양한 도로의 용량 분석 방법에 ITS 운영에 따른 효과를 반영하는 방안을 여러 모로 검토하여 제시할 필요가 있다. 또한 「도로용량편람」을 바탕으로 용량을 산정하려는 이는 누구나 ITS 전략 운영에 따른 효과를 반영하는 데 있어 이용하기에 간단한 방법이면서도 명확한 결과가 도출되도록 제시하여야 한다.

Abstract ▼

The Korean Government seldom expands SOC Investment for road construction according to both the Low-Carbon Green Growth Policy implemented by the previous administration and Creative Economy for National Happiness Policy by the current administration. This limitation on new road construction brings

The Korean Government seldom expands SOC Investment for road construction according to both the Low-Carbon Green Growth Policy implemented by the previous administration and Creative Economy for National Happiness Policy by the current administration. This limitation on new road construction brings not only traffic jams and congestion by increased numbers of vehicle to cities, but also safety and environmental issues by the emission of greenhouse gas. Taking these realities created by the government policy changes, there is a claim to maximize the transport efficiency of the current road system.
During the last 20 years, intelligent transportation systems (ITS) were established in major metropolises. It is also expected to have interactions between intellectualized and safety-improved vehicles and road infrastructure in a later stage. Like this, factors and conditions are changing in road transport operation that will lead to increased road efficiency and finally road capacity.
ITS based on linkage between roads and vehicles has evolved gradually and will develop system optimization that enables strategies for user optimization and traffic demand control through real-time information, managing total traffic volume, and controlling traffic networks. Furthermore, cooperative adaptive cruise control (CACC) will be commercialized in the near future by the evolution of domestic and overseas research, resulting in greatly impacting road capacity. However current traffic models, such as the road volume calculation model, hardly reflect volume changes occurring under operation of ITS technology. Accordingly, research is needed on a new model that can reflect an increase of road capacity based on ITS operation. For this, this research proposes one model that focuses on traffic volume analysis and reflects changes during operation of ITS technology.
This research analyzed the development trend of advanced ITS technologies that have influence on road volume and its models and reviewed ITS technologies such as CACC. In order to reflect the effects of volume increase of such ITS technologies, the research analyzed limitations in the methods of capacity analysis proposed by the current road capacity manual and suggested improvements. In particular, this research recommends a volume calculation model for consecutive-flow highway sections and short-flow signal intersections. It also conducted a simulation materializing advanced ITS technologies to identify the influential effects that advanced ITS technologies have on road capacity. Based on the simulation results, this report finalized a volume calculation model that can reflect ITS operational effects and suggests its applications.
This research reflected advanced ITS technologies into the road volume calculation model, which can be operated by updated paradigms based on the link between roads and vehicles. It has significance in terms of a viewpoint that it procures from the current limitation to analyze road capacity around road and traffic conditions and then reflects ITS technology influences on road capacity.
Taking government policies and present road infrastructure, road expansion is reaching a breaking-point requiring government promoted next generational ITS technology development. This research is just an initiation for the solution and is limited by the usage of simulation results that materializes certain forms of geometry and assumptions. In the future, it should be credited by applying various ITS technologies and geometries, and obtaining data from real sites through calibration and validation of the model.
This research attempts to contribute to future research where it identifies the effects of high-tech ITS technology on the road system and suggests solutions based on said effects.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 서 문 ... 3
• 목 차 ... 5
• 표목차 ... 7
• 그림목차 ... 9
• 요 약 ... 13
• 제1장 서 론 ... 45
• 제1절 연구의 필요성 및 목적 ... 45
• 제2절 연구의 범위 및 방법 ... 47
• 제3절 선행연구 검토 및 연구의 차별성 ... 50
• 제2장 도로용량에 영향을 주는 ITS 기술 동향 ... 53
• 제1절 국내 ITS 구축 현황 및 기술 동향 ... 53
• 제2절 국외 ITS 기술 동향 ... 59
• 제3절 군집주행 및 자율주행 기술 개발 동향 ... 65
• 제3장 기존 교통모형의 한계점 및 개선 방안 ... 80
• 제1절 기존 도로용량 분석의 한계점 ... 80
• 제2절 도로용량 증대를 위한 ITS 기반 교통모형 개선방안 ... 84
• 제4장 ITS 운영 기반 도로 운영 용량 증대에 따른 교통모형 정립 ... 99
• 제1절 연속류 및 단속류 도로 체계의 용량 개념 ... 99
• 제2절 ITS 기반 도로 운영에 따른 도로용량산정 개선 방안 제시 ... 102
• 제3절 ITS 운영에 따른 도로용량 증대 효과 분석 ... 105
• 제4절 용량산정을 위한 모형 적용 방안 ... 138
• 제5장 결론 및 정책 제언 ... 142
• 제1절 결론 ... 142
• 제2절 정책 제언 ... 146
• 참고문헌 ... 149
• Abstract ... 153
• 끝페이지 ... 157