기상악화시 상황예측기반 고속도로 가변속도제한 운영기법 개발

Abstract

최근 이상기상 발생횟수 증가로 인하여 도로 내 부정적 상황의 빈도가 증가 추세에 있지만 기상악화로 인한 혼잡비용의 증가 또는 기상악화시 과속사고의 비율이 높게 나타나는 등 교통시스템 측면에서 운영효율성 및 교통안전상 대응이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 고속도로의 기상상태 및 교통상황에 유연하게 대응할 수 있는 교통류 관리전략의 적용 필요성에 따라, 국내 고속도로에 가변속도제한의 적용 필요성을 분석하고 그에 따른 운영기법을 개발하기 위한 연구를 수행하였다. 연구의 필요성 및 연구범위 설정을 위하여 실제 고속도로에서 수집된 데이터를 분석하여 기상조건-교통특성-교통안전의 관계를 분석하였다. 분석결과, 기상악화시 그 정도가 심각할수록 속도, 교통량이 감소하는 등 교통소통능력이 감소하고 속도 표준편차의 증가, 속도의 퍼짐정도의 증가 등 교통안전성이 감소하는 문제점이 도출되었다. 따라서 이에 대응하여 교통류 흐름을 안정적으로 유도하고, 사고발생 개연성을 감소시키기 위한 교통류 관리전략, 즉 가변속도제한 적용이 필요하며 이를 통해 본 연구의 필요성을 확인하였다. 본 연구의 주요 내용은 가변속도제한의 운영기법을 개발하는 것이며, 운영기법은 가변속도제한 운영 알고리즘과, 가변속도제한 효과평가 방법론으로 구성된다. 먼저, 기존 연구결과와 운영사례를 충분히 검토하여 기존연구의 한계점, 운영 알고리즘 개발시 고려할 사항을 도출하였다. 본 연구에서 새롭게 적용된 부분과 사례검토 내용을 바탕으로 운영 알고리즘 구성요소인 가변속도제한 제공기준, 가변제한속도값 산정방법, 가변제한속도값 제공방법을 정의하여 실시간대응 알고리즘과 예측대응 알고리즘을 개발하였다. 개발된 가변속도제한 운영 알고리즘의 적정성 및 효과를 평가하기 위하여 통합 시뮬레이션 기반의 다기준 평가척도를 적용한 가변속도제한 효과평가 방법론을 개발하였다. 본 방법론은 운영 알고리즘이 본래의 적용 목적을 잘 달성하는지에 대해 주행 시뮬레이션과 교통 시뮬레이션이 접목된 통합 시뮬레이션을 적용하여 개별 운전자 특성이 반영된 교통류 상호작용을 분석하고, 분석결과를 활용하여 교통안전성, 운영효율성, 환경적 영향 측면에서 평가하는 것이다. 개발된 가변속도제한 운영 알고리즘과, 가변속도제한 효과평가 방법론에 대해 국내 고속도로에서 실제로 수집된 자료를 적용해 분석을 수행하였다. 분석결과로 다음과 같은 시사점을 얻었다. 주행 시뮬레이션 실험을 통해 가변속도제한 적용시 운전자의 주행특성 및 순응도를 분석하였다. 그 결과, 기상악화시 가변속도제한 적용으로 인하여 속도분산이 감소하였고 혼잡구간에 보다 안정적으로 접근하는 운전행태를 보였으며, 본 연구에서 개발한 운전자 순응도 모형에 따라 분석한 순응도는 Moderate AWC에서 65%, Heavy AWC에서 80%였다. 운전자 연령이 높을수록 가변속도제한에 순응하였으며, 정보제공전 속도가 낮을수록, 속도편차가 작을수록 가변속도제한에 순응할 확률 증가에 긍정적인 영향을 미쳤다. 이는 가변속도제한을 미제공시에도 좀 더 안정적인 주행을 하는 운전자들이 보다 가변속도제한에 잘 순응하는 경향이 있음을 시사하였다. 교통 시뮬레이션 분석을 통해 가변속도제한 적용 전‧후에 대한 평가척도를 도출하였다. 분석결과, 모든 시나리오에서 가변속도제한 적용전 대비 적용후 교통안전성, 환경적 영향 측면에서 긍정적인 효과가 있는 것으로 도출되었다. 알고리즘 유형은 예측대응 알고리즘이 실시간대응 알고리즘 보다 주목적인 교통안전성 향상에 효과적인 것으로 도출되었으며, 환경적으로도 긍정적인 영향이 있었다. 운영효율성의 경우에는 가변속도제한 적용시 감소하는 결과가 도출되었으나 교통안전성이나 환경적 영향에 비교할 경우 미미한 수준이었다. 분석결과를 바탕으로, 본 연구에서는 효과적으로 가변속도제한을 운영하기 위한 제안사항을 제시하였다. 가변속도제한 운영구간의 선정, 운영 알고리즘 및 효과평가 방법론 적용, 통합 시뮬레이션 및 결과자료 수집, 다기준 효과평가의 과정으로 이어지는 분석단계에서 보다 효과적인 운영방안을 도출하기 위해 고려해야할 사항을 정리하였다. 또한, 가변속도제한 운영 Feedback Loop을 제시함으로써 본 연구에서 개발한 가변속도제한 운영기법의 효용성을 높이고자 하였다. 분석대상 구간, 알고리즘 요소 또는 임계값, 가변제한속도값 제공방법 등이 조정되어 사용할 경우 분석방법론의 활용방안을 설명하였다. 본 연구는 기상대응, 혼잡대응, 공사대응 등의 단일 목적이 아닌 기상상태 및 교통상황에 대응 가능하도록 알고리즘을 구성했다는 점과 기상상태 및 교통상황에 대한 예측기법으로 k-NN을 도입한 VSL 알고리즘 API를 적용한 점이 기존 연구와 차별화된다고 볼 수 있다. 또한, 주행 시뮬레이션 및 교통 시뮬레이션을 접목한 통합시뮬레이션을 활용하여 운전자 특성을 고려한 차량간 상호작용 분석이 가능하도록 VSL의 적용 효과를 평가했다는 점도 본 연구의 의의이다. 또한, 분석결과를 활용, 효과적인 가변속도제한 운영을 위한 요구조건 및 제안사항과 함께 VSL 운영 Feedback Loop을 제시하였다. 향후 본 연구의 분석결과를 계발하기 위해 VSL 운영 알고리즘 내 임계값 최적화 분석과, 주행 시뮬레이션 분석결과의 다양화 또는 일반화를 위한 추가적인 실험이 필요하다. 또한, 본 연구에서 개발한 운전자 순응도 모형의 적합성을 더욱 향상시키기 위한 분석과 절대적 수치로 계량화된 분석결과 도출을 위한 다기준 가치함수의 개발이 필요하다. 본 연구의 결과는 기상악화 및 혼잡 대응을 위한 VSL 운영시 효과적으로 활용될 수 있으며, 또한 국내 고속도로에 적용가능한 능동형 교통류 관리전략을 위한 의사결정시 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.