Ⅰ. 서 론

국내의 경우 소방차, 경찰차 등의 긴급차량은 긴 급상황 발생 후 5분 이내에 현장에 도착하여 대응하 는 것을 목표로 하고 있으나, 소방방재청 국가화재 정보시스템 통계자료(2010)에 의하면 긴급상황 발생 후 현장에 도착하는데 까지 5분 이내로 소요된 비율 은 전체의 72% 밖에 되지 않고 있다. 이렇게 목표 대비 현장 도착시간이 늦어지는 요인 중 하나가 긴 급차량의 통행우선권이 보장되지 않기 때문이다. 또 한 긴급차량의 신호무시, 차선이탈, 역주행 등으로 인해 일반차량의 안전을 위협하는 상황이 자주 발 생하게 된다. 따라서 긴급차량 운행 시 교차로에 접 근하는 교통류를 고려한 긴급차량 우선신호(EVP, Emergency Vehicle Preemption) 제어가 필요하다.

본 연구는 수도권 지방자치단체를 중심으로 구축 운영 중인 ITS 무선통신 인프라인 UTIS(Urban Traffic Information System)를 활용하여 긴급차량 우선신호 제어시스템을 개발하고자 하였으며, 신호교차로에서 긴급차량의 통행 우선권을 보장하기 위해 UTIS 무선 통신기술을 활용해 긴급차량의 진행방향(직/좌)을 사 전에 파악하여 긴급차량의 연속주행과 일반차량의 현시체계 변경으로 인한 혼란 및 제어지체를 최소화 하는 EVP 제어를 구현하는데 그 목적이 있다.

Ⅱ. 관련 연구 고찰

1. EVP 제어 절차

EVP 제어는 일반 신호계획에서 긴급차량 검지시 우선신호(Preemption) 제어 제공 후 다시 일반 신호 계획으로 복귀하는 일련의 과정을 의미하며, 일반 적인 EVP 제어는 다음과 같은 단계를 거쳐 운영되 고 있다[1].

1) EV(Emergency Vehicle) 검지

EV가 대상 교차로에 진입 여부를 유ㆍ무선 검지 기(센서)를 통해 검지 후 신호제어기로 우선신호 요 청(Preemption Call)이 전달되어 우선신호(Preemption) 제어가 시작되는 단계로 EV 검지 시부터 시작된다.

2) 현시 종료

EV의 우선신호 요청(Preemption Call)이 오면 신 호제어기에서는 현재 운영현시를 파악한 후 긴급차 량의 진행방향과 다른 경우 현재 운영현시의 최소 녹색시간 경과 여부를 확인 후 최소 녹색시간 경과 후 긴급차량의 운행 현시를 제공한다.

3) 우선신호 지속 간격(Preemption Hold Interval)

EV 현시 제공시부터 EV 통과까지 우선신호 (Preemption) 제어가 지속되는 단계이다. 일반적으로 EV의 진행 경로를 알 수 없기 때문에 EV의 진행방 향과 동일한 직ㆍ좌 동시신호 현시를 제공하는 경 우가 많다.

4) EV 통과 확인 및 원 신호 복귀

EV가 완전히 해당 신호교차로를 통과한 것을 확 인한 후 우선신호(Preemption) 제어 이전의 신호 운 영 상태로 돌아오는 단계이다. 이 때 복귀 첫 현시 는 일반차량 운전자의 혼란을 최소화하기 위하여 EV 진행 현시 다음 현시를 제공하는 방법과 교통 상황에 따라 첫 현시를 결정하는 방법이 있으며, 결 정된 전이방법에 따라 3주기 이내에 원 신호로 복 귀한다.

2. UTIS

UTIS는 경찰청과 지방자치단체에서 추진하고 있 는 국가 ITS 구축사업인 도시지역 광역교통정보 기 반확충사업의 핵심 시스템으로 무선랜(IEEE 802. 11a) 기반의 실시간 교통정보수집ㆍ제공하는 시스 템이며 주요 특징은 <표 1>과 같다[2].

UTIS에서의 교통정보 수집 및 제공의 기본 과정 은 다음과 같다. 차량내단말기(OBE, On Board Equipment)에 GPS 및 노드ㆍ링크체계로 구성된 전 자지도를 탑재하여 주행경로에 대한 링크정보를 작 성하여 도시부 주요 교차로의 노변에 설치된 노변 기지국(RSE, Road Side Equipment)과 통신이 이루어 지면 축적 후 전송(Cumulating and Flushing)하는 방 식으로 RSE에 전송하고, 센터에서 가공된 교통정보 는 RSE를 통해 전송 받아 표출하는 방식으로 이루 어져있다. UTIS는 필요한 교통정보를 센터로 요청 하여 전송받을 수 있는 실시간 양방향 무선 통신 기반의 교통정보수집ㆍ제공시스템이다[2].

3. 국내ㆍ외 EVP 관련 연구 고찰

1) 국내 EVP 관련 연구

유혜천(2004) 등은 무선통신을 이용한 응급차량 우 선신호 운영전략에 관한 연구에서 보행신호와 EVP 처리의 관계에 대한 연구를 진행하여 보행신호상황 별 우선신호(Preemption) 수행 전략을 제시하였다[3].

조한선(2007) 등은 철도건널목 인근 신호교차로 에서의 우선신호 전략 비교 분석에서 TPS(Transition Preemption Strategy)에 대한 비교 분석을 통하여 교 차로의 안전과 효율성 측면에서의 최상의 운영 전 략을 제시하였다[4].

이재형(2009) 등은 대기행렬길이 제약조건을 고 려한 우선신호(Preemption) 제어 전략에 관한 연구 에서 긴급차량의 연속주행 확보를 보장하고, 일반 차량의 지체를 최소화 및 통행속도 개선을 위한 우 선신호(Preemption) 제어 전략을 제시하였다[5].

2) 국외 EVP 관련 연구

Yun(2007) 등은 감응제어시스템을 대상으로 다양 한 EVP 제어 전략에 대하여 HILS 기반으로 해당 교차로 및 네트워크에 대한 여행시간과 지체의 영 향에 대하여 평가를 하였다. 또한 EVP 제어 후 원 신호계획으로 복귀하는 경우 2~3 주기에 걸쳐 전이 하는 것이 최적이라는 결과를 내었고, EVP 제어의 영향을 최소화하는 현시 순서에 대하여 고려되어야 할 필요성을 제시하였다[6].

Nelson(1999) 등은 EVP 제어의 영향 분석에 대하 여 연구를 진행하여 교차로간 거리, EVP 제어 후 전이 알고리즘, 교차로의 포화도, 우선신호(Preemption) 지속 기간 등의 4가지 요인이 핵심 요인이라는 것 을 제시하였다[7].

3) 본 연구의 차별성

기존 EVP 제어 관련 연구는 대상교차로에서 센 서 등의 검지기술을 통해 EV의 검지 시 즉시 EV 통과 방향의 직진과 좌회전 방향의 동시신호를 제 공하는 형태의 EVP 제어가 이루어져 일반차량의 현시 체계의 혼란과 지체의 증가를 초래하는 단점 이 존재한다.

따라서, 본 연구에서는 신호교차로에서 긴급차량 의 통행 우선권을 보장하기 위해 UTIS 통신 기술을 활용하여 긴급차량의 진행방향(직/좌)을 사전에 파 악하여 긴급차량의 연속주행과 일반차량의 현시체 계 변경으로 인한 혼란 및 제어지체를 최소화하는 EVP 제어가 가능하도록 하였다.

Ⅲ. UTIS 기반의 EVP 제어 알고리즘

1. 시스템 구성

일반적으로 EVP 제어시스템은 검지체계, 통신체 계, 교통신호제어체계의 상호작용을 통해 서비스가 제공된다. 본 논문에서는 검지체계 및 통신체계는 UTIS 무선통신망을 활용하도록 하였다. <그림 1>은 UTIS 기반의 EVP 제어시스템 구성을 나타낸 것이다.

UTIS 기반의 EVP 제어시스템의 특징은 긴급차 량(EV_OBE)이 노변기지국(RSE)을 통하여 신호제어 기(LC_OBE)와 직접통신을 할 수 있다는 것이다. UTIS 무선통신을 통해 신호제어기에서는 긴급차량 의 위치, 진행방향, 속도 정보를 실시간으로 제공받 아 EVP 제어 알고리즘을 수행하게 된다.

기존 EVP 제어 방식에서는 우선신호 요청 (Preemption Call)이 오면 긴급차량 진행방향을 파악 할 수 없기 때문에 진행방향의 직/좌 동시신호 현시 를 부여하는 것으로 구현되어 있다. 이로 인해 기존 현시체계와의 혼란을 가중시킬 뿐만 아니라 불필요 한 현시를 제공하여 타현시 일반차량의 지체를 증 가시킬 가능성이 있다. 반면, UTIS를 활용하면 긴급 차량의 위치 및 진행방향은 실시간으로 신호제어기 로 전달할 수 있어 긴급차량의 진행 현시에만 EVP 제어가 가능하도록 하여 일반차량의 현시체계 변경 으로 인한 혼란과 지체를 최소화할 수 있는 EVP 제 어가 가능하다.

UTIS 기반의 EVP 시스템은 신호제어기(Signal Controller), LC_OBE, RSE, EV_OBE로 구성되며, 각 구성요소의 역할은 <표 2>와 같다.

2. EVP 제어 알고리즘

1) 긴급차량 교차로 진입소요시간 산출

여기서,

2) 우선신호(Preemption) 제어 모드(현시조정/삽입)

① 현시조정 모드(EVP 1)

긴급차량의 교차로 진입시점 예측 결과를 바탕 으로 긴급차량 진행 목표현시를 산출하고 현재 주 기를 늘리는 방향(Positive Delta,ΔP)으로 조정하는 경우와 현재 및 다음 주기의 현시를 비율에 따라 줄이는 방향(Negative Delta,ΔN)으로 조정하는 경우 를 비교하여 적은 방향으로 조정하는 방식이다.

여기서,

Δ P ≥ Δ N 이면, 주기를 늘리는 방향으로 조정

Δ P < Δ N 이면, 주기를 줄이는 방향으로 조정

② 현시삽입 모드(EVP 2)

EVP 제어 대상 교차로에 긴급차량 출현 검지시 점의 진행 현시를 최소녹색시간 경과 후 조기종결 후 긴급차량 진행 현시를 제공한다.

3) 원 신호계획으로 복귀

표준교통신호제어기(COSMOS)에서의 주기 전이 방식에 따른 전이과정을 거쳐 원 신호계획으로 복 귀한다.

4) UTIS 기반의 EVP 제어 절차

UTIS 기반의 EVP 제어 절차는 <그림 2>와 같으 며 세부 절차는 다음과 같다.

Ⅳ. 알고리즘의 검증

1. 시뮬레이션 모형 선택

현장 적용 가능성에 대한 보다 정확한 검증을 위하 여 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 CORSIM 모형의 RTE(Run Time Extension) 기능을 활 용하여 평가시스템을 구성하였다. EVP 제어 적용 시 최적화된 신호 주기 및 현시시간 분석을 위해 교통상 황에 따른 적정신호시간 산정 및 최적화가 가능한 TRANSYT-7F 모형을 활용하여 신호시간 및 주기를 최적화하여 CORSIM 모형의 입력 자료로 활용하였다.

시뮬레이션 모형의 구성은 <그림 4>와 같으며, 시뮬레이션 세부 절차는 다음과 같다.

여기서, CID는 신호제어기와 CORSIM 모형을 연 동해주는 역할을 한다. 즉, 신호제어기에서 나오는 신호등기 출력(전압)을 감지하여 CORSIM 모형에 입력해주고, 반대로 CORSIM 모형의 검지기 자료를 이용해서 실제 검지기 신호 파형으로 변환하여 제 어기로 입력해주는 인터페이스 장치이다.

2. 시나리오 및 효과척도 설정

1) 시나리오

시뮬레이션 시나리오는 <그림 5>와 같은 방식으 로 구성되며, 분석시간은 첫 번째 주기에 EV를 발 생시켜 일반차량의 지체가 EVP 제어 이전 상태로 평활화되는 20분까지 분석을 시행하였다.

Cycle 내에서 긴급차량을 일정 시간 간격(10초)으 로 변화시키면서 발생시켜 그에 따른 일반신호제어 적용 시에 대비한 긴급차량의 통행시간 개선율과 일반차량의 평균 제어지체의 증감률을 비교 분석하 였다. 또한, 동일 조건에서의 비교를 위해 긴급차량 의 진행방향은 동서방향의 직진 방향으로 진행하는 것으로 분석을 하였으며, 이 과정을 교차로의 포화 도에 따라 v/c가 1.0 및 0.7인 경우로 구분하여 분석 하였다.

긴급차량의 발생시점을 일정 시간 간격(10초) 단 위로 변화를 시키면서 시뮬레이션을 진행한 것은 긴급차량의 연속 진행을 위해 EVP 제어가 필요한 경우와 필요하지 않는 경우가 존재하는데 전자의 경우 EVP 제어의 효과에 대한 분석을 정확히 할 수 없기 때문에 이러한 경우를 모두 고려하여 평균 적인 EVP 제어의 효과를 비교하기 위한 것이다.

2) 시나리오별 신호변수 설정

기하구조는 주부도로의 링크길이를 모두 400m로 구성하였으며, 2개의 직진과 1개의 좌회전 차로로 구분하였다.

교통 및 신호조건은 <그림 6>과 같으며 포화도 를 과포화와 근포화로 나누어 v/c가 1.0과 0.7이 되 도록 교통량을 산정하였고, 직진과 좌회전의 비율 은 20%의 비율이 되도록 구성하였다. 신호 주기와 현시 배분은 TRNSYT-7F 모형을 이용하여 최적화 된 주기 및 현시 값을 적용하였다.

3) MOE(Measure of Effectiveness)

본 논문에서 제안하는 EVP 제어 방식(EVP1, EVP2)을 최적화된 TOD 제어와 대비하여 긴급차량 의 통행시간과 일반차량의 제어지체를 비교하여 알 고리즘의 효과를 분석하였다.

3. 시뮬레이션 결과 및 분석

1) 과포화시(v/c=1.0)

<표 3>과 <그림 7>은 과포화시 TOD 제어 모드 와 본 연구에서 제안하는 EVP 방식에 대하여 최적 화된 주기(160초)에 매 10초 간격으로 긴급차량을 발생시켜 간 경우에 긴급차량의 통행시간 및 일반 차량 제어지체를 비교한 결과이다.

시뮬레이션 결과 과포화시에 긴급차량의 통행시 간은 일반적인 TOD 제어와 비교할 때 EVP1(현시 조정) 모드의 경우 약 42.45 %의 개선이 있었으며, EVP2(현시삽입) 모드의 경우 약 59.10 %의 개선이 있었다. 반면에 일반차량의 제어지체의 경우 TOD 제어 대비하여 EVP1(현시조정) 모드의 경우 약 3.51 %의 증가가 있었으며, EVP2(현시삽입) 모드의 경우 약 8.09 %의 증가가 있었다.

2) 근포화시(v/c=0.7)

<표 4>와 <그림 8>은 근포화시 TOD 제어 모드 와 본 연구에서 제안하는 EVP 방식에 대하여 최적 화된 주기(110초)에 매 10초 간격으로 긴급차량을 발생시켜 간 경우에 긴급차량의 통행시간 및 일반 차량 제어지체를 비교한 결과이다.

시뮬레이션 결과 근포화시에 긴급차량의 통행시 간은 일반적인 TOD 제어와 비교할 때 EVP1(현시 조정) 모드의 경우 약 38.10 %의 개선이 있었으며, EVP2(현시삽입) 모드의 경우 약 50.79 %의 개선이 있었다. 반면에 일반차량의 제어지체의 경우 TOD 제어 대비하여 EVP1(현시조정) 모드의 경우 약 5.06 %의 증가가 있었으며, EVP2(현시삽입) 모드 의 경우 약 12.65 % 정도 증가하는 것으로 분석되 었다.

3) 결과 종합

EVP1(현시조정) 모드에 비하여 EVP2(현시삽입) 모드의 긴급차량 통행시간 개선율이 높은 것은 현 시삽입 모드의 경우 긴급차량 검지 시의 현시의 최 소녹색시간 종료 후 긴급차량 현시를 제공하고, 현 시조정 모드의 경우 긴급차량의 통행시간을 예측하 여 현시를 늘리거나 줄이는 방법은 통하여 현시의 생략 없이 모든 현시를 제공하면서 EVP 제어를 수 행하기 때문이다.

또한, 같은 이유로 일반차량의 제어지체 증가율 이 높게 나온 것은 현시가 삽입되는 경우 특정현시 가 지연‧생략되는 경우가 발생할 수 있어 타 현시 의 지체가 증가하기 때문에 일반차량의 제어지체 증가율이 다소 높게 나타난 것으로 분석되었다.

따라서, 긴급차량 우선신호 제어 제공시 운영자 의 운영 전략에 따라 긴급차량에 우선권을 적극적 으로 제공하는 경우에는 EVP2(현시삽입) 모드를 적 용할 수 있고, 일반차량의 제어지체도 고려를 하는 경우에는 EVP1(현시조정) 모드를 선택적으로 적용 할 수 있다.

Ⅴ. 결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 수도권을 중심으로 구축ㆍ운영 중에 있는 ITS 무선통신 인프라인 UTIS를 활용하여 긴급차량 우선신호제어 시스템을 개발하였다. 신호 교차로에서 긴급차량의 연속주행과 일반차량의 제 어지체를 최소화하는 긴급차량 우선신호제어 시스 템 구현을 위해 긴급차량의 진행방향(직/좌)을 사전 에 파악이 가능하도록 하였으며, 긴급차량 우선신 호 제어 방식을 현시삽입과 현시조정 모드로 구분 하여 개발하였다. 또한, 시스템에 대한 현장 적용 가능성을 평가하기 위해 CORSIM 모형의 RTE 기능 활용을 통해 HILS 기반의 평가 시스템을 구성하여 EVP 제어 효과에 대한 검증을 수행하였다. 본 연구 를 통해 개발된 긴급차량 우선신호제어 시스템은 기 구축된 ITS 인프라를 활용한 것으로 현장 적용 시 경제적이고 효율적인 구축이 가능할 것으로 기 대된다.

향후 연구과제로 UTIS를 통해 생성된 링크(구간) 소통정보를 기반으로 교차로에 신호 대기 중인 일 반차량 대개행렬 길이를 추정하는 알고리즘에 대한 추가 연구를 통해 대기행렬 차량의 소거시간을 고 려한 보다 정교하고 효율적인 EVP 제어 알고리즘 을 구현이 필요하다.