서론

서울을 비롯한 국내 대도시에서는 지속적으로 교통량이 증가해 수많은 신호교차로에서 하루에도 수없이 과포화상황을 경험하고 있다. 일단 신호교차로에서 과포화 상황이 발생하면 대기행렬이 급속도로 증가하게 되는데, 이때 대기행렬 증가에 대한 적절한 조치가 없으면 대기행렬이 제어할 수 없을 정도로 증가하게 되고 상류 교차로까지 도달하여 교차로 앞막힘이 발생한다. 교차로 앞막힘 현상이 발생하면 녹색시간에 교차로 통과가 어려워 과포화 상황이 다시 상류교차로로 전파되는데, 이는 전체 네트워크 혼잡 확산의 원인이 되기도 한다.

국내에서 현장의 교통상황에 따라 자동으로 신호시간을 산출해 주는 신신호시스템인 COSMOS (Cycle, Offset, Split Model for Seoul)가 개발되어 운영 중에 있다. 신신호시스템은 상황에 대응하기 위해 대기길이 기반 녹색시간 분할 제어, 형평옵셋 제어, 앞막힘 예방 제어 알고리즘을 운영하고 있다. 특히 교차로 앞막힘 예방제어 전략은 교통량의 유입을 통제하여 앞막힘상황에서 정상상태로의 전이를 유도하는 전략으로, 예방 검지기에서 차량속도가 5km/h 이하로 검지될 경우 앞막힘 상황이 발생한 것으로 간주하고 상류부 신호시간을 조기 종결시켜 교차로 앞막힘을 예방한다. 그러나 신신호시스템의 과포화 전략은 교차로 접근로의 과포화상황에만 고려하고 주변 네트워크의 교통상황을 고려하지 않고 유입 현시의 녹색시간을 조기종결 함으로써, 오히려 전체 네트워크적인 측면에서 혼잡이 악화될 수 있다.

본 연구에서는 기존 신신호시스템 시스템의 앞막힘 검지체계를 이용하여, 교차로 앞막힘 발생에 즉각적으로 대응할 수 있고 상하류 네트워크 교통상황을 고려해 현시를 조정할 수 있는 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어전략을 개발하였다. 또한 실제 현장 적용에 용이하도록 제어전략을 간략화 하여 단계별로 규칙화한 신호제어 전략을 제시하였다.

선행연구

Gal-Tzur et al.(1993)는 혼잡한 도시네트워크에서 과포화 교차로를 대상으로 진입교통량 미터링을 통해 Spill-back을 방지하기 위한 신호제어전략을 제시하였다. 본 연구에서는 MILP (Mixed Integer Linear Program)모형을 이용해 내부링크의 대기행렬을 해소를 목표함수로 설정하여 이에 따른 신호시간계획과 진입교통량 수준을 결정하였으며, 이 때 대표적인 신호최적화 수리모형인 TRANSYT (TRAffic Network StudY Tool)모형과 통합한 모형을 제시하였다.

NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) 프로젝트 3-38(1995)에서는 주요교차로의 과포화로 인해 발생한 대기행렬이 상류 교차로까지 점유하여 과포화 상황이 상류교차로까지 전파되는 상황을 방지하기 위해 대기차량의 길이를 적절히 통제하여 교차로 앞막힘을 사전에 방지하는 인터널미터링 기법을 제시하고 있다. 본 연구에서 제시된 인터널미터링 기법은 신호교차로 생산성최대화를 달성하기 위해 상류부교차로의 앞막힘 방지를 위한 대기차량 길이 관리, 녹색시간동안 통과교통량 극대화, 링크 상 대기차량 저장 공간 최대한 활용, 상충하는 교통류 간 형평성 있는 서비스 제공, 차량의 정지횟수 최소화 5가지의 목적을 두고 신호제어를 수행한다. 제어의 기본 개념은 링크 하류부 유출량과 상류부 유입량이 같도록 상류부의 녹색현시를 조절하여 진입차량을 미터링하며, 하류부 교차로 통과교통량 최대화하고 앞막힘 현상이 발생하지 않도록 옵셋을 조정하는 것이다.

Lee et al.(2003)는 기존 신신호시스템(COSMOS)이 대기행렬 성장을 적절히 관리할 수 없다는 단점을 보완하기 위해 기존 시스템 유지를 전제로 한 인터널미터링 알고리즘과의 병행 운영 방안을 도출하였다. 이를 위해 인터널미터링이 적용 가능한 교통환경 정의, 인터널미터링 적용구간 설정을 위한 원칙과 CI와 MI 검지기 체계 및 제어기 체계를 제시하였다. 그리고 기존 신신호시스템과의 병행 운영을 위한 제어절차를 제시하였다.

Song et al.(2007)은 네트워크에 과포화가 발생했을 경우 차량들이 경험하는 총 지체를 최소화시키기 위하여 인터널미터링을 이용한 신호제어 알고리즘을 개발하였다. 이 연구에서는 네트워크의 총 지체를 계산하기 위해 네트워크 상 차량의 진출입을 검지할 수 있는 검지시스템을 제시하였으며, 차량군 분산모형을 이용해 링크상 차량의 흐름을 추적하였다. 이를 통해 네트워크 모든 링크의 대기행렬 길이를 계산하고 전체 네트워크의 접근지체를 구하고 계산된 지체를 최소화할 수 있는 인터널미터링 수준을 도출하는 알고리즘에 제시하였다.

Jang et al.(2015)은 과포화 네트워크 구간별 대기행렬 증가율을 균일하게 하여 앞막힘 발생을 최대한 늦추기 위한 신호최적화를 수행하는 Queue growth equalization (QGE) 알고리즘을 제시하고 있다. 본 연구에서는 네트워크의 대기행렬 균일화 수준을 평가하기 위해 구간별 ‧ 이동류별 진입 ‧ 진출교통량 정보를 이용해 네트워크 전체 대기행렬 증가율수준을 평가하는 새로운 효과척도를 제시하였으며, MILP (Mixed Integer Linear Program)모형을 이용해 효과척도 최소화 목적으로 하는 신호최적화 알고리즘을 제시하고 있다.

Jung et al.(2016)은 구간검지체계에서 산정한 통행속도를 신호제어 변수로 활용하여, 인간의 직관적이고 경험적인 판단논리를 적용한 신호제어 알고리즘을 개발하였다. 소통상황에 따라 인간이 판단하고 지시할 수 있을 것이라 예상되는 논리를 신호시스템에 적용하여, 논리에 따라 현시별 우선순위를 부여하여 녹색신호시간을 조정하여 과포화 확산을 방지하는 신호제어 알고리즘을 제시하였다.

선행연구 고찰 결과 과포화시 신호제어 모형에 대한 연구는 대기행렬 균일화를 목표로 하여 대기행렬 관리를 통해 앞막힘 방지를 통해 네트워크 전체로 지체가 확산하는 것을 방지하기 위한 제어전략 연구가 주로 이루어지고 있다. 가장 대표적인 연구로 1990년대 전후로 수행된 NCHRP 프로젝트 3-38(1995) 프로젝트에 제시된 인터널미터링 제어 전략이다. 국내에서는 기존 신신호시스템의 과포화시 제어전략 한계를 극복하기 위해 앞서 연구된 인터널미터링 제어전략을 적용하기 위한 연구가 이루어져왔다. 그러나 NCHRP 프로젝트 3-38에서 제시된 전략의 경우 현장 시스템의 한계로 인해 수리모형 기반의 과포화 제어전략을 실제 현장에 적용하지 못하였으며 학술적인 연구에 머물러있는 실정이다. 또한 신신호시스템에서는 주변 네트워크 혼잡 상황을 고려하지 않고 과포화가 발생한 구간으로의 유입교통량을 조정을 통한 과포화 관리 제어전략을 제시하고 있는데, 이와 같은 지엽적인 제어전략은 네트워크 상황에 따라 오히려 전체 네트워크의 혼잡을 악화시킬 수 있다. 본 연구에서는 기존 앞막힘 예방제어 전략의 한계를 극복하기 위해 기존 신신호 시스템의 앞막힘 검지체계를 이용하여 간단한 제어원리에 따른 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어전략을 개발하였다.

제어 원리

1. 기존 신신호시스템(COSMOS) 시스템의 앞막힘 예방제어

현재 운영되고 있는 신신호시스템의 앞막힘 예방제어 전략은 앞막힘 검지기에서 앞막힘 검지시 교차로 꼬리물기를 방지하기 위해 해당 진입 직진 현시를 적색신호로 바꾸어 진입교통량을 줄이는 제어기법이다. 그러나 신신호시스템의 앞막힘 예방제어 전략은 유입교통량을 낮추는 제어전략으로써 교통수요에 대응해 바로 유출교통량을 높이지 않아 앞막힘 발생에 대한 근본적인 대응가 어렵다. 또한 교차로 접근로의 과포화상황에만 고려해 유입 현시의 녹색시간을 조기종결 함으로써, 오히려 전체 네트워크적인 측면에서 혼잡이 악화될 수 있다.

Figure 1.

Detection system for traffic condition judgement

2. 네트워크 단위 앞막힘 예방제어 전략

본 연구에서 제시하는 네트워크 단위 앞막힘 예방제어 전략은 과도한 대기행렬 발생으로 상류교차로 까지 뒷막힘(Spill-back)이 발생할 것으로 예상되는 경우 해당 이동류의 녹색시간을 높여 유출교통량을 증가시킴으로써 대기행렬 감소를 유도한다. 그리고 하류부 대기행렬로 인해 교차로 앞막힘이 예상되는 경우 해당 하류부 진입 이동류 녹색시간을 줄여 해당 하류부 진입교통량을 감소시킴으로써 하류부 대기행렬 뒷막힘(Spill-back)으로 인한 교차로 앞막힘을 방지한다. 단, 녹색시간을 줄이고자 하는 이동류의 대기행렬로 인해 상류교차로 앞막힘이 예상되는 경우에도 해당 이동류의 녹색시간을 감소시키며, 이때 상류교차로 신호시간 조정을 통해 진입교통량을 감소시킴으로써 앞막힘 발생을 가능성을 낮춘다.

Figure 2.

Basic concept of network-wide traffic signal control strategy for preventing blockage at intersection

본 제어전략을 통해 네트워크 단위에서 지정체가 시작되는 접근로의 유출교통량을 증가시키고, 유입교통량을 감소시켜 앞막힘 발생을 예방하며, 해당 접근로 앞막힘이 해소되면 상류부에 위치한 교차로의 신호시간 조정을 통해 네트워크 전체 대기행렬 관리를 수행하며, Figure 3과 같다.

Figure 3.

Basic concept of network-wide queue management

제어 전략

네트워크 단위 앞막힘 예방 제어전략에서 신호시간을 결정하는 과정은 이중링(Dual-Ring) 신호체계를 기본 틀로 제어 전략을 개발하였다. 앞막힘이 발생한 상황에서는 혼잡하지 않은 교차로로 축으로 까지 지체가 확산되기 때문에 대기행렬을 관리하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서 제안된 제어 전략은 대기행렬 관리를 위해 5분단위로 진입 ‧ 진출구간 및 상류 구간 소통수준에 따라 앞막힘 발생이 예상되는 이동류의 진출교통량을 높이고 진입교통량을 낮추어 대기행렬를 관리하기 위한 신호시간 조정을 수행한다. 이를 위해 배리어(동서방향/남북방향) 및 상충현시 간(직진/대향좌회전) 신호조정 우선권을 산출한 후 우선권에 따라 신호조정을 수행한다.

1. 구간별 소통상황 판단

신호조정 우선권을 판단하기 위한 구간별 소통상황은 Figure 4와 같은 기존 신신호시스템의 앞막힘 검지체계를 이용한다. 앞막힘 검지기에서 속도가 5m/s 이하인 경우 해당 구간에 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 것으로 판단하며, 이때 일시적인 검지차량의 속도 저하로 인해 제어전략이 수행되는 것을 방지하기 위해 3주기 연속으로 앞막힘이 검지된 경우 해당 구간에 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 것으로 판단한다.

Figure 4.

Detection system for traffic condition judgement

여기서, $T{C}_i$: $i$방향 접근구간 소통상황
$T{C}_i^d$: $i$방향 하류 진출구간 소통상황
$T{C}_i^{conflict}$: $i$방향 상충현시 소통상황
$T{C}_i^{up}\left(k\right)$: $i$방향 k번째 상류구간 소통상황

3주기 연속으로 앞막힘이 검지된 접근구간은 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 것으로 판단하여 소통상황($T{C}_i$)를 1로, 앞막힘이 검지되지 않은 접근구간은 뒷막힘(Spill-back)이 발생하지 않을 것으로 판단해 소통상황($T{C}_i$)을 0으로 설정하며 Equation 1과 같다.

2. 배리어간 신호조정 우선권 판단

배리어간 신호조정 우선권 판단은 이중링 신호체계를 기본 틀로 하여 배리어간(남북방향/동서방향) 우선권을 두 단계에 걸쳐 판단한다. 첫 번째 단계에서는 교차로 접근구간 및 진출구간 뒷막힘(Spill-back) 발생여부에 따라 배리어 신호조정 우선권을 판단하며, 여기서 두 배리어간 우선권이 명확하지 않을 경우 두 번째 단계에서 우선권을 판단한다. 두 번째 단계에서는 교차로 접근로 3개 상류구간 뒷막힘(Spill-back) 발생 상태에 따라 배리어간 신호조정 우선권을 판단한다.

배리어간 신호조정 우선권은 접근구간 우선권($L{P}_i$), 배리어간 신호조정 우선권($B{P}_j$)으로 구성되어있으며 Figure 5와 같다.

Figure 5.

Configure of barrier priority and link priority

여기서, $L{P}_i$: $i$방향 접근구간 우선권
$B{P}_j$: $j$배리어 우선권

1) 접근구간 및 진출구간 소통상황에 따른 접근구간 우선권 및 배리어간 신호조정 우선권 판단

본 제어전략의 주요 목표는 대기행렬이 과도하게 발생해 뒷막힘(Spill-back)이 예상되는 경우 이동류의 녹색시간을 늘려 진출교통량을 높이고 하류진출부의 대기행렬로 인해 앞막힘이 예상되는 경우 해당 이동류의 녹색시간을 줄여 진입교통량을 낮추어 대기행렬를 관리하는 것이다. 이를 위해서 본 제어전략에서는 이중링 신호체계에서 배리어간(남북방향/동서방향) 진입구간 및 진출구간 소통상황에 따라 신호조정 우선권을 판단하고, 보다 우선권이 높은 배리어의 녹색시간을 증가시키고, 우선권이 낮은 배리어의 녹색시간을 감소시킨다.

접근로간 우선권($L{P}_i$)은 해당 접근구간에 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 경우 해당 접근구간에 과도한 대기행렬이 발생한 것으로 판단하여 우선권을 1로 한다. 단 하류 진출구간에 뒷막힘(Spill-back)이 발생하였을 경우 해당 접근구간에서 앞막힘이 발생한 것으로 판단하여 우선권을 0으로 한다. 접근구간 소통상황($T{C}_i$)과 하류 진출구간 소통상황($T{C}_i^d$)에 따른 접근로간 우선권($L{P}_i$)은 Equation 2와 같이 결정한다.

배리어간 신호조정 우선권($B{P}_j$)은 이를 구성하는 접근로간 우선권($L{P}_i$)을 모두 합산하여 산출한다. 접근구간 우선권($L{P}_i$)을 결정한 다음 배리어간 신호조정 우선권($B{P}_i$)을 결정하며 Equation 3과 같다. 이때 두 배리어 우선권($B{P}_i$)이 동일한 경우 상류 혼잡수준에 따른 접근구간 우선권 및 배리어 우선권 판단을 수행한다.

2) 상류 혼잡수준에 따른 접근구간 우선권 및 배리어 우선권 판단

앞선 단계에서 산출된 두 배리어간(남북방향/동서방향) 우선권이 같은 경우 각 이동류별 상류구간 소통상황($T{C}_i^{up}\left(k\right)$)에 따라 배리어별 신호조정 우선권을 판단한다. 이를 통해 네트워크 수준에서 연속적으로 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 상류 구간 수가 많은 이동류의 녹색시간을 높여 네트워크 수준에서 소통상황이 보다 악화된 방향으로 소통상황을 개선한다.

상류 혼잡수준에 따른 접근구간 우선권 및 배리어 우선권 판단은 접근구간 소통상황($T{C}_i$) 및 하류 진출구간 소통상황($T{C}_i^d$)에 따른 배리어 우선권($B{P}_j$) 판단에서 두 배리어 우선권($B{P}_j$)이 동일한 경우 네트워크 단위로 확장해 접근구간 우선권($L{P}_i$)을 결정한다. 이를 위해 연속적으로 긴 구간에 뒷막힘(Spill-back)이 발생한 방향의 녹색시간을 증가시킴으로써 보다 지체가 심한 배리어로 소통상황을 개선하여 최종적으로 네트워크 전체의 지체완화를 유도한다.

상류 혼잡수준에 따른 접근구간 우선권($L{P}_i$) 판단은 접근구간의 상류 3개 구간 뒷막힘(Spill-back) 발생여부를 검토한 후 해당 접근구간에서부터 연속적으로 구간 소통상태가 1인 상류 구간 수에 따라 접근구간 소통상황 우선권을 부여하며 Equation 4와 같다.

상류 혼잡수준에 따른 신호조정 우선권 판단을 통해 접근구간 우선권($L{P}_i$)이 결정한 다음 배리어간 신호조정 우선권($B{P}_j$)을 결정하며 Equation 5와 같다. 이 단계에서도 배리어간 신호조정 우선권($B{P}_j$)이 동일한 경우 기존신호를 유지한다.

3. 신호조정 단위시간 결정

녹색시간 조정 단위시간은 우선순위가 낮은 녹색시간 감소대상 배리어의 이전 주기 녹색시간과 최소녹색시간에 따라 결정되며 Equation 6과 같다. 여기서 신호조정 단위시간이 0인 경우 기존신호를 유지하며, 0 이상인 경우 신호조정 우선권에 따른 신호시간 조정을 수행한다.

여기서, $UG\left(t\right)$: $t$주기 배리어 녹색시간 조정 단위시간(unit green time)(초)
$B{G}^{-}\left(t\right)$: $t$주기 우선순위 낮은 배리어 녹색시간(초)
$B{G}_m^{-}$: 우선순위 낮은 배리어 최소녹색시간(초)

4. 배리어내 상충현시 간 우선권 판단

녹색시간 조정 시 상충현시 간 소통상황에 따라 녹색시간을 조정하기 위해 상충현시 우선권을 결정한다. 배리어 내 상충현시 간 우선권은 직진현시 우선권($g{P}_i$) 및 대향 좌회전 우선권($g{P}_i^{conflict}$)으로 구성되어 있으며 Figure 6과 같다.

Figure 6.

Configure of conflict phase priority

여기서, $g{P}_i$: $i$방향 접근구간 직진 녹색시간 배분 우선권
$g{P}_i^{confloct}$: $i$방향 접근구간 직진 대향 좌회전 녹색시간 배분 우선권

상충현시 우선권은 직진 접근구간 소통상황($T{C}_i$)과 대향좌회전 접근구간 소통상황($T{C}_i^{conflict}$)을 비교하여 우선권을 부여하며 Equation 7과 같다.

5. 신호조정 우선권에 따른 신호시간 조정

네트워크 단위 앞막힘 예방 제어전략에서의 신호시간 교차로 접근구간 상하류 네트워크 소통상황에 따라 결정된 배리어간 신호조정 우선권($B{P}_i$)과 상충현시 우선권($g{P}_i$, $g{P}_i^{conflict}$)에 따라 조정한다. 우선권에 따른 신호시간 조정은 5분단위로 이루어지며, 조정된 신호시간은 돌아오는 다음 주기에 적용한다.

신호시간 조정은 배리어 신호조정 우선권($B{P}_i$)과 상충현시 간 우선권($g{P}_i$, $g{P}_i^{conflict}$)에 따라 수행하며, Figure 7과 같이 우선순위가 높은 배리어의 녹색시간을 증가시키고 우선순위가 낮은 배리어의 녹색시간을 감소시켜 신호주기와 옵셋을 유지한다.

Figure 7.

Adjustment green time by the priority

우선권이 높은 배리어의 녹색시간은 녹색시간 조정 단위시간만큼 증가시킨다. 이때 상충현시 우선권이 동일한 경우 직진과 대향좌회전 모두 동일한 녹색시간 조정 단위시간만큼 증가시키고, 상충현시 우선권이 동일하지 않은 경우 상충현시 우선권이 높은 현시의 녹색시간만 녹색시간 조정 단위시간만큼 증가키며 Equation 8과 같다.

여기서, $g{T}_i\left(t\right)$: $t$주기 $i$방향 접근구간 직진 녹색시간(초)
$g{T}_i^{conflict}\left(t\right)$: $t$주기 $i$방향 접근구간 대향 좌회전 녹색시간(초)

우선권이 낮은 배리어의 녹색시간은 녹색시간 조정 단위시간만큼 감소시킨다. 이때 상충현시 우선권이 낮은 현시의 녹색시간만 녹색시간 조정 단위시간만큼 감소시키며, 상충현시가 동일한 경우 직진과 대향좌회전 모두 동일한 녹색시간 조정 단위시간만큼 감소시며 Equation 9와 같다.

제어 알고리즘 모의실험

본 연구에서 제시한 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 평가하기 위한 현장실험은 현실적으로 수행하기 어렵기 때문에 시뮬레이션 툴을 이용하여 모의실험을 실시하였다. 모의실험은 교통류의 미시적 상황을 모사할 수 있고 API를 통해 제어전략 구현이 가능한 VISSIM Com-interface를 이용해 수행하였다. 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어전략의 모의실험 과정은 VISSIM 네트워크상에 설치된 검지기를 통해 교차로별 ‧ 주기별로 수집된 교통정보를 API를 통해 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략에 반영하여 교차로별 신호시간을 산출한 다음 이를 다시 VISSIM 네트워크의 신호제어기로 보내 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어전략 수행과정을 모사하였다.

1. 모의실험 대상 네트워크

모의실험 대상구간은 서울시립대학교 주변 네트워크를 선정하였으며, 모의실험 분석대상 시간대는 오전첨두시(07:00-09:00)시를 선정하였다. 교차로별 교통량 및 신호운영차료는 서울시 교통안전시설물관리시스템¹⁰⁾을 통해 취득하였다. 모의실험 대상 네트워크는 Figure 8과 같으며 제어대상 교차로는 분석대상 네트워크에서 주요 도로 교차점인 8개교차로를 선정하였고, 비중요교차로/단일횡단보도는 제어분석 대상에서 제외하였다.

Figure 8.

Simulation network

분석대상 네트워크의 오전첨두시 교통특성은 Figure 9와 같이 내부순환로 이용을 위해 사가정로 Westbound (내부순환로 방향)으로 교통량이 집중되어 2번교차로 및 5번교차로에서 앞막힘이 발생하여 하고 있다. 특히 5번교차로에서 내부순환로 방향으로 교통량이 집중되어 앞막힘이 발생해 상류교차로 방향으로 지체가 확산되는 경향을 보이고 있다.

Figure 9.

Traffic flow characteristics of network

2. 모의실험 시나리오

모의실험시나리오는 Table 1과 같으며 현재 신호운영 현황과 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략 적용 시 단위녹색시간(unit green time)이 4초일 때, 단위녹색시간이 8초일 때 이렇게 3가지 시나리오를 대상으로 모의실험을 진행하였다. 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용하는 두 시나리오의 경우 기반 신호운영 계획으로 시나리오 1의 오전첨두시 TOD 운영을 적용하였다.

Table 1. Simulation scenario

분석대상 네트워크의 오전첨두시 TOD 신호운영 현황은 천호대로 축 교차로인 5번교차로, 7번교차로, 8번 교차로는 주기가 170초로 운영되고 있으며, 나머지 교차로의 경우 140초로 운영되고 있다. 분석대상 교차로별 오전첨두시 TOD 신호운영 현황은 Table 2와 같다.

Table 2. Characteristics of signal operation in the simulation network

3. 모의실험 결과 분석

모의실험은 네트워크에 교통량을 분산시켜 과포화 상황을 만들기 위해 처음 30분간은 분석대상에서 제외하였으며, 이후 1시간 동안 모의실험을 수행하였다. 효과분석은 분석대상 네트워크의 주요 축인 사가정로 축과 전농로 축의 평균통행속도 변화를 분석하였으며, 주요 지체 발생 교차로인 2번교차로와 5번교차로를 대상으로 차량당 평균지체 ‧ 통과교통량을 분석하였다.

1) 주요 축 모의실험 분석

모의실험 대상구간의 주요 축인 사가정로 축과 전농로 축에 대하여 5분단위 평균통행속도 변화를 분석하였으며 결과는 Figure 10, Figure 11과 같다.

Figure 10.

Travel speed (km/h) of Sagajoen-ro

Figure 11.

Travel speed (km/h) of Joennong-ro

사가정로 축 시나리오 1 분석결과 서향으로 지체가 발생해 평균통행속도가 크게 떨어지는 것으로 분석되었다. 반면 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용한 시나리오 2, 시나리오 3의 모두 주요 지체 발생 구간인 사가정로 서향의 통행속도가 시나리오 1과 같이 지속적으로 감소하는 것으로 나타났으나, 시나리오 1에 비해 통행속도 수준은 높은 것으로 나타았다. 이는 주요 지체발생교차로인 2번교차로 서향 하류 교차로인 4번교차로에서 서향 방향 녹색시간 증가로 확보된 진입교통량 수용공간을 전농로 축 남향 우회전 및 북향 좌회전 교통량을 대부분 수용해 사가정로 축 서향 교통량을 많이 수용하지 못하였기 때문으로 판단된다.

전농로 축 시나리오 1 분석결과 2번교차로에서 발생하는 앞막힘으로 인해 전농사거리 북향 우회전, 남향 좌회전 교통류가 사가정로 축 서향으로 진입하지 못 하여 전농로 축의 전체적인 통행속도가 떨어지는 것으로 분석되었다. 반면 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용한 시나리오 2, 시나리오 3의 경우 2번교차로 서향 하류부 교차로인 4번교차로, 5번교차로에서 사가정로 서향 방향 녹색시간이 증가하였는데, 이를 통해 사가정로 축 서향의 지체가 완화되어 2번교차로 서향에서의 발생하는 앞막힘 현상이 해소되어 전농로 축 양방향 모두 통행속도가 개선된 것으로 분석되었다.

네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략의 단위녹색시간 길이에 따른 효과분석을 위해 시나리오 2, 시나리오 3을 비교하였다. 지체가 크게 발생해 신호시간이 증가하는 사가정로 축의 경우 큰 폭의 신호시간 변화가 이루어진 시나리오 3이 시나리오 2에 비해 통행속도가 다소 높은 것으로 나타났다. 이는 작은 폭의 신호시간 변화보다 큰 폭의 신호시간 변화가 지체개선에 보다 효과적인 것으로 볼 수 있다. 반면 녹색시간이 감소한 전농로 축의 경우 북향는 시나리오 3이 시나리오 2에 비해 통행속도가 다소 낮은 것으로 나타났으나, 남향는 큰 영향이 없는 것으로 나타나 단위녹색시간 길이에 따른 주요 축 통행속도 변화는 크게 없는 것으로 분석되었다. 이는 남향에 비해 상대적으로 혼잡상태가 나쁜 북향가 큰 폭의 신호시간 감소에 많은 영향을 받았기 때문으로 판단된다.

2) 주요 교차로 모의실험 분석

모의실험 대상구간의 중 현시시간 조정이 가장 많이 이루어진 2번교차로와 5번교차로에서 가장 혼잡상태가 나쁜 서향에 대해 5분단위로 차량 당 평균지체와 통과교통량을 분석하였으며 결과는 Figure 12, Figure 13과 같다.

Figure 12.

Average delay and through traffic volume of westbound in intersection 2

Figure 13.

Average delay and through traffic volume of westbound in intersection 5

2번교차로 분석결과 주요 지체 발생 이동류인 서향 직진 경우 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용한 시나리오 2, 시나리오 3의 경우 시나리오 1에 비해 차량 당 평균지체는 크게 감소하고 통과교통량은 증가한 것으로 나타나 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략이 혼잡상태를 크게 개선하는 것으로 분석되었다. 이는 4번교차로와 5번교차로의 서향의 현시 녹색시간을 증가시켜 서향의 용량을 증가시켜, 2번교차로 서향 교통류를 수용할 수 있는 공간을 확보해, 2번교차로 서향에 대한 추가 녹색시간 제공이 이루어졌기 때문으로 판단된다.

5번교차로 분석결과 2번교차로와 분석결과와 유사하게 주요 지체 발생 이동류인 서향 직진 경우 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용한 시나리오 2, 시나리오 3이 시나리오 1에 비해 소통상황이 크게 개선된 것으로 나타나 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략이 과포화 상황 해소에 효과적인 것으로 분석되었다.

네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략의 단위녹색시간 길이에 따른 효과분석을 위해 시나리오 2, 시나리오 3을 주요 교차로를 대상으로 운영효과를 비교한 결과 2번교차로와 5번교차로 모두 경우 시나리오 2와 시나리오 3간 차량 당 평균지체와 통과교통량의 편차가 크지 않고 유사하게 나타나는 것으로 분석되었다.

3) 전체 네트워크 모의실험 분석

전체 네트워크의 차량당 평균지체 및 평균 정지횟수 분석결과 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략을 적용한 시나리오 2, 시나리오 3이 시나리오 1에 비해 차량당 평균지체가 30초 정도 감소하였고, 차량당 정지 횟수 또한 2.5회 정도 감소한 것으로 나타나 네트워크 기반 앞막힘 예방 제어 전략의 효과가 기존 TOD 운영에 비해 우수한 것으로 나타났다. 반면 시나리오 2, 시나리오 3 네트워크 효과분석 결과가 유사한 것으로 나타나 단위녹색시간 길이가 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다.

Table 3. Average delay and average number of stops of simulation network

결론 및 향후과제

본 연구에서는 기존 신신호시스템(COSMOS)의 앞막힘 검지체계를 이용하여, 교차로 앞막힘 발생에 즉각적으로 대응할 수 있고 상하류 네트워크 교통상황을 고려하여 현시를 조정할 수 있는 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어 전략을 제시하였다. 상류교차로 하류부 60m에 설치한 앞막힘 검지기를 통해 앞막힘 발생을 검지해 교차로 접근 구간별 소통상태를 판단하였으며 이에 즉각적으로 대응해 현시시간을 조정할 수 있는 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어 전략을 제시하였다. 제시한 알고리즘의 효율성을 평가하기 위해 미시적 교통시뮬레이터인 VISSIM Com-interface을 이용해 전농동, 답십리동 일대 8개 교차로로 구성된 네트워크를 대상으로 오전첨두시를 신호운영조건과 교통특성을 반영하여 모의실험을 수행하였으며, 기존 TOD 운영과 비교하여 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어 전략의 효과를 분석하였다. 모의실험 결과 기존 TOD 운영에 비해 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어 전략이 과포화 상황에서 통과교통량 극대화 및 대기행렬 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 이는 본 제어 전략을 통한 신호제어가 주변 네트워크 소통상황에 무리를 주지 않으면서 효과적으로 앞막힘 예방제어를 수행하여 전체 네트워크 과포화 확산을 방지하였기 때문으로 분석되었다.

하지만 본 연구에서는 몇 가지 한계점이 있어 본 연구를 기반으로 향후 더욱 신뢰성 있는 과포화 제어 전략을 제시하기 위해서는 몇 가지 보완이 필요하다. 본 연구에서의 모의실험은 분석대상 네트워크의 오전첨두시간대 현황을 모사하여 사가정로 축을 중심으로 발생하는 앞막힘으로을 대상으로 분석을 수행하였으나, 보다 다양한 과포화상황에 대한 효과분석을 통해 다양한 과포화 상황에 본 제어전략이 적절히 대응할 수 있는지에 대한 평가가 필요하다. 또한 본 연구에서는 현시시간 조정에 대한 제어 전략만 제시하였으나, 보다 효과적인 과포화 관리를 위해서는 대기행렬 수준을 고려한 교차로 간 신호 옵셋에 대한 최적화가 필요하다. 녹색시간 조정을 통해 진입교통량을 조절을 해도, 과포화시 대기행렬을 고려하지 않은 비포화시 옵셋 운영 그대로 적용할 경우 불필요한 정차 수 증가로 본 연구에서 제시한 네트워크 단위 앞막힘 예방 제어 전략의 효과가 반감될 것이다. 그리고 과포화시 옵셋 전이가 미치는 영향이 비포화시에 비해 클 것으로 예상됨에 따라 과포화 네트워크에 영향을 최소화하기 위한 과포화 옵셋 전이에 대한 추가 연구가 필요하다.