Ⅰ서 론
1970년대 이후 활발한 경제성장으로 인해 자동 차 보유대수가 급격히 증가하였으며 이로 인한 교 통문제를 해결하기 위하여 주로 신규 도로의 건설 및 도로확장 같은 물리적인 대응을 진행해왔다. 현 재까지 교통수요가 꾸준히 증가하고 있지만 최근 들어 정부는 신규 도로건설과 같은 대규모 재원이 필요한 사업은 지양하고 있어 교통수요증가에 대비 한 대책이 필요하게 되었다. 이와 같은 문제를 해결 하기 위해 고속도로, 국도, 시군도 등에 ITS (Intelligent Transportation Systems)을 도입하여 운영 하고 있다. ITS는 기존의 교통시설을 효율적으로 이용하기 위하여 교통분야에 적용하는 첨단기술로 본래의 목적 외에도 교통안전을 증진시키기 위한 목적으로 활용되고 있다. [1]
현재 차량과 도로상에 설치ㆍ운영 중인 ITS 시설 중 가변전광표지(VMS: Variable Message Sign)는 전 방도로상황, 기상상황 등 교통정보를 제공하여 운 전자들이 운전 중에 별도의 기계조작 없이 해당도 로를 주행하는 운전자 누구나 정보를 제공받을 수 있는 매체이다. [2, 3] 이러한 교통정보를 제공함으 로 운전자들은 운행시간감소 등의 경제적 편익을 얻게 되고 이와 더불어 사회적 비용인 교통사고비 용, 환경비용 그리고 혼잡비용감소 등의 편익도 얻 을 수 있게 되었다.
이런 이유로 도로상에는 많은 VMS가 설치ㆍ운 영되고 있으며, 이와 더불어 VMS에서의 정보제공 으로 인한 차량주행특성(Driving Characteristics by Information)의 변화에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 기존연구들은 주로 VMS에서 제공하는 정보 에 대한 심리반응이나 효과를 시뮬레이션을 통해 분석하거나 제공되는 정보의 내용 및 방법에 관한 연구가 주를 이루고 있다. 하지만 가상현실에서 이 루어지는 시뮬레이션기법과 실험참가자에 따른 분 석결과의 편차로 인해 실제 VMS의 효용성을 검증 하는 것이 쉽지 않은 것이 현실이다.
이에 본 연구에서는 이동식 VMS의 정보제공으 로 인한 차량주행특성의 변화를 차량속도 및 차선 내 차량운행패턴에 대한 현장조사와 통계적 방법을 통해 분석하여 VMS의 교통안전 효용성을 검증하 고자 한다.
Ⅱ기존연구 고찰
Yan and Wu(2014)는 VMS의 설치위치와 정보제 공이 운전자의 경로선택(Route Choice)에 미치는 영 향을 가상시뮬레이션을 통해 분석하였다. 시뮬레이 션은 52명의 실험참가자를 대상으로 경로교차점에 서 3군데의 다른 VMS위치와 3가지의 다른 정보를 제공하여 실험하였다. 시뮬레이션 결과 VMS위치는 교차점 전방 150m에서 200m 사이에 설치하여 정보 를 제공하는 것이 교통안전과 운영에 적합한 것으 로 결론을 내렸다. [4] Oh et al.(2008)은 운전시뮬레 이터(Driving Simulator)를 이용하여 운전자에게 전 방의 유출연결로에 대한 정보를 VMS를 통해 제공 하고 유출연결로에 진입하는지 여부를 시뮬레이션 하여 VMS 적정 설치 위치를 결정할 수 있는 모형 을 개발하였다. 진입성공여부를 Binary Classification 문제로 설정하고 성별, 연령, 운전경력, 운전면허종 류, 고속도로운전경험 유무 등을 독립변수로 하고 유출연결로 진입 여부를 종속변수로 하는 이항 로 지스틱 회귀분석(Binary Logistic Regression)기법을 적용하여 진입성공여부를 확률적으로 예측하였다. [5]
Jamson and Merat(2007)은 VMS를 통한 캠페인 정보제공이 교통안전에 미치는 영향에 대하여 82명 의 운전자를 대상으로 운전 시뮬레이터(Driving Simulator)를 이용하여 분석하였다. 캠페인 정보는 “Watch Your Speed”와 “Keep Your Distance”를 제공 하였는데 정보를 제공받은 운전자 집단이 그렇지 않은 운전자 집단에 비해 평균주행속도는 줄어들고 차간거리는 넓어지는 결과를 도출하였다. [6] Boyle and Mannering(2004)은 미국 Seattle 동쪽 Interstate -90의 20km구간을 실험대상구간으로 구성하고 기 상정보(fog와 no fog)와 교통상황정보(presence of snowplows와 no snowplows)를 4가지(in-vehicle messages, out-of-vehicle messages, both types of messages 그리고 no messages) 정보제공방법으로 구분하여 차 량주행속도변화를 시뮬레이션실험을 통하여 분석 하였다. 시뮬레이션은 총 51명이 참가하였는데 각 시뮬레이션 결과를 분산분석(ANOVA Test)과 3단계 최소제곱추정(3 stage least squares)을 이용하여 평균 주행속도를 분석하였는데, 분석결과 정보제공으로 인해 차량주행속도가 통계적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 경고구간을 통과하고 난 뒤 속도 감소의 보상심리에 의해 차량주행속도를 높이는 특 이한 현상이 나타나는 것으로 분석되었다. [7]
Lim et al.(2010)은 가상주행 시뮬레이터와 뇌파 분석을 통해 VMS 교통정보내용이 차량운전자의 심리적 반응이나 선호도 등에 미치는 영향을 조사 하여 적절한 VMS 설치위치를 분석하였다. 시나리 오 실험에서 출구 500m전, 출구 1.0km전, 출구 2.0km전에서 각각 VMS정보를 제공하여 차량운전 자의 스트레스 지수를 비교하였는데 그 결과 출구 500m전에 가장 스트레스 지수가 높았고 출구 1.5km전이 가장 낮은 것으로 분석하였다. 이는 VMS운영지침에서 출구 1~2km전에 정보를 제공해 야한다는 항목과 일치하는 결과를 나타내었다. [3] 또한, Shin et al.(2011)는 연속류 도로의 VMS 이용 자 만족도 모형을 구조방정식을 이용하여 구축하고 정보제공 수준을 평가하였다. 이 연구는 기존의 VMS 정보의 평가방식과는 달리 운전자의 심리적 만족감 측면에서 정보제공시스템을 평가하는데 목 적을 두고 있는데 연속류 도로에서 VMS의 설치 개 소수와 이에 대한 정보제공이 얼마나 필요한지를 모형구축을 통해 분석하였다. [2]
Ⅲ연구방법론
1.데이터 수집
VMS 정보제공으로 인한 차량주행특성의 변화를 분석하기 위하여 직선구간과 곡선구간으로 구성된 도로를 대상으로 정보를 취득하였다. VMS 정보를 제공하지 않는 직선구간과 VMS 정보를 제공하는 곡선구간을 통행하는 차량의 속도와 측방거리(길어 깨 끝에 설치되어 있는 거리측정 장비에서 통과차 량옆면까지의 거리)를 측정하였다. 측정 장소는 경 기도 가평군 외서면 상천리 국도 46호선 구간으로 직선부 연장 약 300m, 곡선부의 곡선반경 약 300m 로 완만한 곡선으로 이루어진 구간으로 선정하여 곡선으로 인한 주행특성변화를 최소화하였다. 측정 시간은 평일 오후 16:00부터 해질 무렵 18:00까지 두 시간에 걸쳐 진행하였으며 통행차량 속도와 측 방거리를 측정한 후 1차로 통행차량과 2차로 통행 차량을 분류하여 분석에 활용하였다.그림 .
VMS 정보는 이동형 VMS (Portable Variable Message Sign)을 이용하여 직선구간이 끝나기 직전 곡선구간이 시작하는 지점에 설치하여 운전자에게 정보를 제공하였으며 VMS 정보는 “안전운행”과 “커브 주의”로 번갈아 가며 제공하였다.
2.교통안전위험구역 선정
차량이 특정구간을 통과할 때 교통사고발생위험 의 정도를 측정하기 위하여 차로 내 교통사고발생 위험이 높은 구역(Traffic Safety Hazard Zone)을 설 정하여야 한다. <그림 3>과 같이 차량이 1차로 주 행 시 중앙분리대로 가깝게 붙여서 통과하던지 2차 로 쪽으로 붙여서 통과하게 되면 중앙분리대와 충 돌발생위험과 2차로로 주행 중인 차량과의 충돌발 생위험이 높아진다. 또한 차량이 2차로 주행 시 1차 로 쪽으로 붙여서 통과하던지 길어깨 쪽으로 붙여 서 통과하게 되면 1차로로 주행 중인 차량과의 충 돌발생위험과 길어깨 밖으로 나가버리는(Road Departure) 사고발생위험이 높아진다.
교통안전위험구역은 지금까지 정의된 바가 없으 므로 최근 들어 연구가 많이 진행되고 있는 차선이 탈경고장치(LDWS: Lane Departure Warning System) 에서 이용하고 있는 안전 전이 사고 영역 개념을 이용하여 정의하였다. [8] 차로 내에서 안전영역의 한계점(Threshold)에 대한 정의는 식 (1)과 같다.
dr : 차로의 폭, dv : 차량의 전폭
a : 0.3m (차선침범후 경고가 이루어져야 하는 거리)
b : 차량의 침범각도를 고려한 횡방향 여유거리
3.Anderson-Darling Test
VMS 정보제공이 차량운행에 미치는 영향은 연 구대상구간인 직선구간(정보제공 없음)과 곡선구간 (정보제공)을 통과하는 차량에 대한 차량운행속도 와 측방거리를 수집한 후 통과하는 차량이 차로중 심을 기준으로 얼마나 많이 편향(biased)되어 통과 하고 있는지를 비교하여 분석할 수 있다. 이를 위해 각 통과차로별, 정보제공유무별로 나누어 수집된 데이터를 통계적 추론방법을 통해 각 데이터가 어 떠한 확률분포를 따르는지를 파악하고 각 확률분포 에서 교통안전위험구역을 통과하는 차량의 확률을 확률밀도함수를 통하여 산정할 수 있다.
교통안전위험구역을 통과하는 차량의 확률분포 를 선정하기 위하여 일반적으로 수집된 데이터로부 터 얻어지는 경험적 빈도분포와 가정한 확률분포가 얼마나 잘 일치하는지를 판단하는 적합도 검정방법 을 이용하게 된다. [9] 본 연구에서는 적합도 검정 방법 중 Anderson-Darling Test (AD Test)를 이용하 여 각 통과차로별, 정보제공유무별 데이터에 적합 한 확률분포를 산정하였다. AD Test는 Anderson and Darling(1952)에 의해 추계학적 과정에서의 오차를 감소시키기 위한 기준으로 처음 제시된 적합도 검 증 방법으로 수집된 데이터가 특정분포를 얼마나 잘 따르는 지를 검정하는 방법이다. [10]
여기서, Fn (x) : 경험적 누적분포함수
F(x) : 분석을 위해 선택된 분포함수
ω(x) : 가중치 함수(Weighting Function)
ω(x) = [F(x)(1 - F(x))]-1 인 경우 Anderson-Darling 검정 통계량이라 하며 일반적으로 식(3)과 같이 A2n 으로 표현한다.
일반적으로 계산의 편의를 위해 아래의 식으로 대신할 수 있다.
AD Test에서 데이터가 특성 분포를 잘 따를수록 AD 통계량이 작아진다. 또한 데이터가 특정 분포를 잘 따르는지 검정하기 위하여 p-값을 사용하게 되 는데 만일 p-값이 선택한 유의수준이 0.05보다 작게 되면 수집한 데이터는 특정 분포를 따르지 않는 것 으로 판단할 수 있다.
Ⅳ분석결과
1.주행특성 분석
VMS를 이용한 도로전방 교통상황 및 기하구조 변화 정보 등의 제공으로 인한 차량주행특성 변화 를 분석하기 위하여 차량주행속도와 측방거리를 측 정하였다. 비교분석대상은 정보를 제공하지 않은 구간의 1차로와 정보를 제공하는 1차로, 그리고 정 보를 제공하지 않은 구간의 2차로와 정보를 제공하 는 2차로에 대한 차량주행속도와 측방거리를 측정 하여 평균통행속도와 평균측방거리를 비교하였다.
평균통행속도와 평균측방거리를 비교하기 위하 여 모든 데이터의 분포가 정규분포를 따른다고 가 정하였을 때 사용하는 모수적인 방법인 t-검정과 모 든 데이터의 분포가 정규분포를 따른다고 가정 할 수 없을 때 사용하는 비모수적인 방법인 Mann-Whitney Test를 각각 시행하여 비교하였다. 각 검정에서 p-값이 0.05이상일 경우 각 평균값의 차이 가 없다고 분석할 수 있다.
분석결과, <표 1>에서 보는 바와 같이, VMS 교 통정보를 제공받은 구간과 VMS 교통정보를 제공 하지 않은 구간의 1차로의 평균통행속도는 교통정 보제공의 영향을 받아 감소하는 것으로 나타났으 며, 2차로의 평균통행속도도 교통정보제공의 영향 을 받아 평균주행속도가 감소하는 것으로 나타났 다. 평균측방거리의 경우 1, 2차로 모두에서 VMS 정보제공에 영향을 받아 정보제공을 받은 구간의 차량통행이 정보제공을 하지 않은 구간의 차량통행 보다 각 차로의 중앙부를 기준으로 통행이 이루어 지는 것으로 분석되었다. 이는 VMS 정보제공으로 운전자의 주의를 환기시켜 주행속도를 감소시키고 차선이탈을 방지하기 위하여 주의운전을 한 결과로 판단되어 VMS 정보제공이 안전운행을 유도하는 것으로 분석되었다.
2.VMS 정보제공의 교통안전효과 분석
VMS를 이용하여 도로전방의 교통정보를 제공하 는 목적은 차량운전자의 주의를 환기시켜 주행속도 감소 및 차선이탈방지와 같은 안전운행을 유도하는 것이다. 본 연구에서 VMS 정보제공으로 인한 교통 안전효과를 정량적으로 분석하기 위하여 각 차로에 서의 위험구간(Traffic Safety Hazard Zone)을 선정하 고 이 구간을 통과하는 차량을 확률적으로 분석하 여 VMS 정보제공 전ㆍ후를 비교ㆍ분석하였다.
교통안전위험구역은 식 (1)을 이용한 차로 내 안 전영역의 한계점(Threshold)을 통해 산정할 수 있다. 본 연구의 대상구간은 국도46호선으로 차로폭이 1, 2차로 모두 3.5m, 길어깨 1.0m이고, 차량폭은 대상 구간을 통과하는 차종 중 94% 이상 차지하고 있는 승용차와 소형화물차의 기준인 1.7m를 적용하였다. 안전영역의 한계점을 산정한 결과 <그림 4>와 같이 각 차로의 양쪽 각각 0.65m로 나타났다. 이는 연구 대상구역에서 교통안전위험구역을 통과하는 차량 은 중앙분리대, 다른차로를 통과하는 차량, 그리고 길어깨와의 상충확률이 높아 교통사고발생위험이 높다고 판단할 수 있다.
연구대상구간을 통과하는 차량의 VMS를 통한 교통정보제공 전ㆍ후의 차량통행특성 변화를 비교 하기 위하여 교통정보를 제공하는 1차로, 2차로와 교통정보를 제공하지 않는 1차로, 2차로에 대한 차 량통행에 대한 확률분포를 산정하여야 한다. 차량 통행에 대한 확률분포에서 교통안전위험구역을 통 과하는 차량의 확률을 교통정보제공 전ㆍ후를 비교 하여 VMS 정보제공이 교통안전에 미치는 영향을 분석할 수 있다.그림 4
본 연구에서는 차로별, 교통정보제공유무별로 수 집된 데이터가 어떠한 확률분포를 따르는지 파악하 기 위하여 AD Test를 이용하였다. AD Test에서 사 용되고 있는 분포는 와이블 분포(Weibull Distribution), 로그정규분포(Log-normal Distribution), 로지스 틱분포(Logistic Distribution) 그리고 정규분포(Normal Distribution) 등이 있으며 Anderson-Darling 통계 량과 p-값을 기준으로 각 데이터에 적합한 확률분 포를 산정하였다.
AD Test 결과, <표 2>에서 보는 바와 같이, VMS 를 통한 교통정보를 제공하지 않은 구간의 1차로와 2차로는 로그정규분포를 따르는 것으로 나타났으 며, 교통정보를 제공한 구간의 1차로와 2차로는 와 이블 분포가 가장 적합한 것으로 나타났다.표 3
AD Test를 통해 산정한 확률분포를 이용하여 VMS 교통정보의 교통안전효과를 분석하기 위하여 각 확률분포에 대한 확률밀도함수(Probability Density Function)를 산출하고 확률밀도함수에서 교통안전위 험구역을 통과하는 확률을 산정하여 VMS 교통정 보 제공 전ㆍ후의 교통안전효과를 분석하였다. 각 확률분포의 확률밀도함수를 살펴보면, 교통정보를 제공하지 않은 구간의 1차로는 측방거리 4.0~8.50m 사이에서 차량이 구간을 통과하는 것으로 나타났으 며, 교통정보를 제공한 구간의 1차로의 경우 측방 거리 3.5~8.0m 사이에서 구간통과차량이 분산하여 통과하는 것으로 나타났다.
교통정보를 제공하지 않은 구간의 2차로는 측방 거리 1.5~5.0m에서 차량이 구간을 통과하는 것으로 나타났으며, 교통정보를 제공하는 구간의 2차로의 경우 측방거리가 2.5~3.5m 사이에서 차량이 구간을 통과하는 것으로 나타났다. 이는 교통정보를 제공 한 구간과 교통정보를 제공하지 않은 구간을 비교 하였을 때, 교통정보를 제공한 구간을 통과하는 차 량분포의 분산이 교통정보를 제공하지 않은 구간을 통과하는 차량분포의 분산보다 작고 VMS의 교통 정보제공이 교통안전에 영향을 미친다고 해석할 수 있다.
확률분포의 확률밀도함수를 이용하여 앞서 산출 한 교통안전위험구역을 통과하는 차량의 확률을 산 출하여 VMS 교통정보에 따른 교통안전효과를 분 석하였다. 분석결과, 1차로는 교통정보를 제공하지 않았을 경우 좌우로 3.59%와 10.25%의 차량이 교통 안전위험구역을 통과하는 것으로 나타났으나, 교통 정보를 제공하였을 경우 2.90%와 3.18%로 통과하 는 것으로 나타나 교통안전효과가 차로좌우 각각 0.69%와 7.07% 있는 것으로 나타났다.
2차로의 경우 교통정보를 제공하지 않았을 경우 좌우로 각각 2.71%와 0.02%의 차량이 교통안전위 험구역을 통과하는 것으로 나타났으며 교통정보를 제공하였을 경우 좌우쪽 모두 0.00%로 나타나 교통 정보를 제공하였을 경우 교통안전위험구역을 통과 하지 않는 것으로 나타났다.
Ⅴ결론
본 연구에서는 VMS 교통정보제공이 교통영향에 미치는 영향을 실제 현장조사를 통해 데이터를 수 집하고 수집된 데이터에 대한 통계학적 검증을 통 해 분석하였다. VMS 교통정보제공 전ㆍ후의 차량 주행특성을 분석해보면 국도 1차로와 2차로 모두에 서 교통정보제공 시 평균주행속도가 감소하고 차로 내의 차량이 차로중심을 기준으로 통행하는 것으로 나타났다. 이는 교통정보제공으로 운전자의 주의를 환기시켜 안전운행을 유도한 결과로 판단된다.
또한, VMS 교통정보제공이 교통안전효과에 미치 는 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 각 차로에 서의 교통안전위험구역을 선정하고 구간을 통과하 는 차량에 대한 확률분포를 AD-Test를 통해 산정하 여 VMS 교통정보제공 전ㆍ후를 비교하였다. 비교 결과, 1차로에서는 VMS 교통정보제공으로 인해 교 통안전효과가 차로좌우 각각 0.69%와 7.07% 향상 되는 것으로 분석되었으며, 2차로의 경우 차로좌우 각각 2.71%와 0.02% 향상되는 것으로 분석되었다. 이는 전방의 교통상황 및 기상상황 등의 돌발상황 에 대한 정보를 VMS를 통해 제공하므로 교통안전 효과를 기대할 수 있음을 의미한다.
본 연구에서는 분석대상구간이 국도의 한 구간 으로 한정하여 연구를 시행하여 고속도로, 국도, 시 군도 전체에 대한 주행특성 및 교통안전효과에 대 해 확대적용 하지 못하는 한계가 있다. 따라서 향후 에는 다양한 도로의 VMS 교통정보제공의 교통안 전효과분석이 시행되어야 할 것으로 판단된다.
