Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

국내외 교통정책 패러다임은 기존의 승용차 중 심의 관점에서 나아가 보행자와 대중교통과 같은 친환경 교통수단을 권장하는 방향으로 변화하고 있다. 국내에서도 이러한 추세에 발맞추어 친환경 교통수단을 확산하는 다양한 재정 및 정책적인 지 원을 고려하고 있는 실정이다. 서울특별시는 2004 년 버스의 요금체계, 노선체계, 운영체계를 혁신적 으로 변경하는 것을 골자로 하는 대규모 대중교통 체계 개편을 시행하였다. 이러한 정책의 일환으로 도입된 중앙버스전용차로는 서울특별시 전역의 주 요 간선도로 축에 확대 보급되어 운영 중에 있다.

국내의 경우 버스의 운영적 측면에서 버스전용 차로를 적용하여 실시하고 있으나 버스우선신호 (Bus Signal Priority System) 도입은 이루어지지 않 고 있다. 버스우선신호는 교차로 신호운영시 승용 차와 비교하여 버스에 통행의 우선권을 제공하는 제어 방식이다. 향후에는 다양한 도로교통상황에 서의 우선신호 운영 효과에 대한 평가결과를 기반 으로 국내 환경에 적합한 제어 전략을 적용하는 시도가 증가할 것으로 예상된다.

이러한 버스우선신호 도입시 제기되는 문제점은 부도로 방향 차량과 주도로 일반 승용차량의 통행 속도에 미치는 부정적인 영향이며, 이러한 영향은 신호제어 형태, 도로구조, 교통량 수준 및 버스의 교통량에 따라 차이를 나타내는 것으로 평가되고 있다[1, 2]. 그러나 이러한 연구결과들은 시뮬레이 션 기법을 적용하여 평가된 결과이며, 실제 현장에 서 조사된 자료를 이용하여 버스우선신호 도입에 따른 효과를 평가한 결과는 없는 실정이다. 이는 현재까지 버스우선신호 제어의 필요성에 대한 인 식이 부족하고, 시스템이 설치된 현장이 적으며, 또한 현장 자료수집의 어려움등이 복합적으로 작 용한 결과이다. 따라서 기존에 수행된 버스우선신 호 적용에 따른 효과에 대한 검증이 필요하고, 이 러한 결과의 실제적 의미에 대하여는 향후 현장자 료를 활용한 검토가 필요하다.

본 연구는 최근 국내 도입의 필요성이 부각되고 있는 버스우선신호시스템의 도입시 발생하는 운영 상 효과를 현장조사 자료를 기반으로 평가하여 결 과를 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 국내외 선행연구 결과를 고찰하여 연구의 범위 및 방법을 결정하였다. 그리고 국내에 버스우선신호 시스템 설치가 예정된 장소를 선정하여 시스템 도 입 전후의 개별 통행시간의 분포와 효과척도의 변 화를 비교하여 평가하였다. 평가는 버스와 승용차 를 구분하여 차종별로 실시하였고, 통계적인 검증 을 시행하여 객관적인 결론을 도출하였다.

2. 연구의 방법

본 연구는 버스우선신호 제어와 관련된 국내․ 외 연구동향을 검토하고, 이를 통해 본 연구의 수 행방법에 대한 시사점을 파악한다. 그리고 현장조 사에 대한 평가방법론을 정립한 후, 대상지역을 선 별하고 현장조사가 시행될 자료수집 구간을 선정 한다. 선정된 구간에서 사전 및 사후조사로 구분하 여 방향별 교통량과 통행시간을 조사하고, 평가에 필요한 신호운영 자료를 포함한 다양한 자료를 수 집한다. 수집된 자료를 이용하여 통행시간 및 통행 시간 분포의 변화를 분석하고, 이러한 분석 결과를 바탕으로 본 연구의 결론을 도출한다.

Ⅱ. 이론적 고찰

1. 버스우선신호제어의 개념

신호교차로 네트워크에서 시행되는 우선신호제 어 기법은 특정 이동류나 차량에 대하여 신호현시 에 대한 통행권을 우선적으로 제공하는 것을 의미 한다[2].

버스우선 신호제어는 제어 전략에 따라 수동형 과 능동형으로 분류할 수 있다. 수동형 제어전략은 버스의 검지유무와는 상관없이 정해진 신호계획에 따라 우선신호를 제공하는 것으로, 고정시간 제어 전략과 스케줄기반 제어전략을 기초로 운영한다. 능동형 제어전략은 버스 검지유무에 따라 우선신 호의 제공여부를 결정하는 것으로, 실시간 신호제 어와 스케줄기반 신호제어, 차두시간기반 신호제 어를 기초로 운영한다. 능동형 제어전략에 사용되 는 기법은 다양하나, 우선신호 제공을 위하여 버스 현시를 일반 신호제어시 보다 길게 연장시켜주는 방법인 Extended Green과 버스가 검지되면 우선신 호 제공을 위해 버스 현시가 정상 운영상태보다 일찍 시작되도록 하는 Early Green 기법이 일반적 으로 많이 활용되고 있다.

2. 관련연구 고찰

1) 국내 연구 고찰

강민욱(2009)은 버스우선신호체계를 활용한 BRT 개선방안에 관한 연구를 통하여 BRT를 위한 기존 신호체계 효율화 방안으로 버스중앙차로에서의 직 진차로와 상충하는 현시를 분리하는 신호운영체계 를 정립해야 한다고 제시하였다[3].

한명주(2006)등은 실시간신호제어시스템이 설치 되어 운영중인 강남대로를 대상으로 하여 실시간 신호제어시스템 환경하에서 버스우선신호를 제어 하기 위한 알고리즘을 제시하였다. VISSIM을 이용 하여 평가결과, 버스우선신호를 적용시 버스의 지 체는 크게 감소하나 교차로 전체 지체는 증가하는 결과를 얻었다[4].

이범규(2006)등은 대전광역시 계백로에 운영되 고 있는 가로변버스전용차로에 버스우선신호 적용 효과를 시뮬레이션을 통하여 분석하였다[5]. 수동 식 버스우선신호 도입시 버스 지체는 차량 및 교 차로당 0.4초 감소하였으며, 능동식 버스우선신호 도입시 1.2초 감소하고, 일반차량의 지체도는 크게 증가하지 않는 것으로 제시하고 있다.

빈미영(2006)등은 버스정보시스템을 활용하여 버스우선신호를 도입하는 방안을 검토하였다[6]. 연구에서는 고양시 BRT 축을 대상으로 하고, 버스 위치정보시스템으로부터 수집한 버스위치 정보를 활용하여 전방구간의 평균통행시간을 계산하고, 이를 버스우선신호 알고리즘에 적용하는 방법을 제안하였다.

김성득(2005)은 울산 도심의 주간선도로에 컴퓨 터 프로그램과 도해적 방법을 병행하여 시뮬레이 션 모델을 구현하였고, Early green기법을 적용하여 적색시간의 변화와 버스검지위치 변화에 따라 평 균통행시간의 변화를 연구하였다[7]. 연구 결과 두 변수 모두 버스우선신호제어의 운영 결과에 큰 영 향을 미치는 것으로 제시하였다.

구지선(2003)은 전용차로 형태에 따른 능동형 버스 우선 신호개발 및 평가를 목적으로 하여 Paramics 를 사용한 시뮬레이션 평가를 실시하였다[8]. 연구 에서는 Early green과 Extended green를 기반으로 평 가하였고, 평가 결과 가로변버스전용차로 보다 중 앙버스전용차로에서 효과가 높게 나타났다.

2) 국외 연구 고찰

Furth(2010)등은 버스터미널 부근의 신호교차로 에 우선신호를 제공하는 제어 기법을 개발하였다. 이러한 기법은 현시순서의 변화나 split을 조정하여 버스에 대한 연동을 극대화하여 지체를 최소화하 는 전략이며, 시뮬레이션 평가결과 교차로당 버스 의 지체시간을 22초 감소시키는 결과를 얻었다[9].

Hongfeng(2009)등은 독립신호교차로를 통과하는 버스의 속도를 높이기 위한 규칙에 근거한 버스 우선신호 제어 전략을 개발하였다. 시뮬레이션 평 가결과 제안된 전략이 기존의 신호운영 방식과 비 교하여 개선된 효과를 제공하였다[10].

Dion(2005)등은 Columbia Pike arterial의 21개 교 차로의 감응신호제어 시스템 내에서 통합 Transit Signal Priority simulation을 개발하였고, 다양한 시 나리오를 이용하여 평가하였다. 실험 결과 bus는 Priority에서 효과가 있고, 나머지 경우에서는 부정 적 영향을 미친다고 제시하고 있다[11].

Soo(2004)등은 긴급차량 preemption 및 대중교통 우선제어 영향을 평가하기 위해서 대중교통우선제 어 전략의 효율 및 비용효과 모두에 대한 변수를 제시하고 있으며, 버스가 우회전 베이를 통해 다른 대기행렬 차량들을 지나쳐 통과하게 한 후 조기 녹색시간을 부여함으로써 대기행렬의 앞으로 이동 하게 하는 특별한 형태의 버스우선 처리 기법을 제안하였다[12]. Deshpande (2004)등은 Transit signal priority에서 통과 서비스의 신뢰성과 효율성의 증 가시킬 수 있는 효과적인 방법에 대해서 고찰하였 다. VISSIM을 사용하였으며, 전체적으로 3.61%의 버스 서비스 신뢰성과 2.64%의 버스 효율성 개선 효과를 나타내는 반면에 차량 한대에 의한 도로 측면의 대기행렬길이의 증가 형태로 부정적인 효 과도 나타나고 있음을 제시하고 있다[13].

Skabardonis(2000)는 다양한 방식의 Transit Signal Priority 신호제어 시스템과 그 시스템 효과에 영향 을 주는 요인을 재검토 하였고, 오프라인 교통신호 최적화 및 교통시뮬레이션 모형을 사용한 Transit Signal Priority(TSP)의 잠재적 이익을 예측하는 방 법을 제안하였다[1].

국내외 선행연구 고찰 결과 버스우선신호제어에 관한 알고리즘 개발 및 효과평가에 관한 연구는 대부분 시뮬레이션 기법을 활용하여 평가하였고 현장에서 실측한 자료를 이용하여 버스와 승용차 별 효과를 평가한 사례는 없는 것으로 파악되었다.

Ⅲ. 평가 및 조사방법론 정립

1. 버스우선신호제어 절차

버스우선신호제어 절차는 일반 신호모드에서 버스 우선신호 제어모드로, 그리고 다시 일반 신호모드로 전환하는 일련의 과정을 규정하는 것으로, 일반적으 로 버스검지, 현시확인, Interval 시간 부여, 버스통과 확인, 일반신호로 복귀의 5단계로 구분된다[14]. 본 연구에서는 이런 5단계 절차를 그대로 수용하였다.

2. 대상구간 선정 및 자료수집 방법

1) 대상구간 선정

본 연구를 수행하기 위한 대상구간 선정시 다음 과 같은 기준을 고려하였다. 첫째 현재를 기준으로 장래에 버스우선신호제어 시스템을 설치하여 운영 이 가능한 지역이어야 한다. 둘째, 현장조사를 위해 서는 관계기관의 협조가 원활히 이루어져야 한다. 셋째, 해당구간을 통과하는 버스통행량이 적으면 버 스우선신호제어에 대한 효과를 측정하기 어렵기 때 문에 적정한 샘플 수집이 가능한 곳이어야 하며, 본 연구에서는 시간당 최소 버스통행량이 5대 이상인 곳을 대상으로 하였다. 넷째, 자료 수집을 위한 공간 이 충분히 확보되는 구간을 선정하여야 한다.

위의 4가지 기준을 적용하여 선별한 결과 본 연 구를 위하여 가장 적합한 대상지역은 하남시로 평 가되었다. 하남시는 최근 들어 중앙버스전용차로 를 도입하였고, 이들 구간에 버스우선신호제어 전 략을 구현할 수 있는 시스템을 설치할 예정이다. 또한 관계기관의 협조가 원활하고, 버스 통행량도 많음을 사전조사를 통하여 확인하였다.

하남시에서는 DSRC기반의 버스우선신호 제어 시스템 운영을 고려하고 있으며, 작동원리는 <그림 1>과 같다. 교차로와 버스정류장에서 무선통신으 로 시스템이 작동하며, RSE와 OBU간 통신을 통하 여 버스도착여부를 확인하고 신호현시를 확인하여 버스우선신호 제어 적용 여부를 결정하게 된다.

2) 자료수집 및 효과척도

본 연구에서는 문헌고찰과 현장여건을 고려하여 통행시간과 교통량의 두 가지 효과척도를 선정하 였다. 통행시간은 버스우선신호시스템 설치 전·후 의 버스와 승용차의 통행속도를 비교하기 위하여 사용되는 주요 척도이다. 또한 사전/사후 조사기간 중 해당 교차로에서 관측된 교통량 변화에 따른 영향을 파악하기 위하여 주도로와 부도로의 통과 교통량을 보조적인 효과척도로 선정하였다. 그리 고 지체는 매우 유용한 효과척도이나 현장조사의 제약으로 인하여 본 연구에서는 고려하지 않았다.

본 연구에서는 버스와 승용차를 구분하여 통행 시간을 측정해야 하므로 차량번호판 판독법을 이 용하여 통행시간을 조사하였다. 이를 위하여 대상 구간의 시작점 및 종점에 각각 2명을 배치하여 승 용차 및 버스의 번호판과 시간을 구분하여 자료를 수집하였다. 그리고 주도로 및 부도로 교통량은 동 일한 시간에 별도의 조사원을 배치하여 교통량 자 료를 수집하였다.

수집된 통행시간의 신뢰성을 확보하기 위하여 현장에서 수집되는 샘플의 수는 통계적 식으로 계 산된 결과를 수용하는 것을 원칙으로 설정하였다.

Ⅳ. 자료수집 및 분석

1. 자료수집 내용

1) 조사 일시 및 장소

차량번호판 판독법을 적용하여 버스와 승용차의 차량번호와 통과시간을 총 2회에 걸쳐 측정하였고, 각 측정시 오후 첨두 및 비첨두 시간으로 구분하 여 조사를 실시하였다. 사전조사는 2010년 09월 17 일(금요일) 버스우선신호 제어시스템이 시행되기 전에 실시되었고, 사후조사는 2010년 11월 5일(금 요일) 버스우선신호 제어시스템이 설치되어 시행 된 후에 실시하였다. 사전/사후조사의 비첨두시간 은 15:00 ~ 17:00, 오후첨두시간은 17:30 ~ 19:30로 선정하였다. 사전 및 사후 조사의 외부적인 영향 (external effect)을 최소화하기 위하여 동일한 요일 과 시간대에 동일한 절차로 자료 수집이 이루어 졌다.

현장 조사구간은 앞 장에 기술된 선정기준을 바 탕으로 버스우선신호 시스템이 현재 설치되어 있 고, 중차량 비율이 적으며 꼬리물기가 없는 구간인 하남로 일대 연속된 3개 교차로(덕풍파출소앞-덕풍 시장정류소-신장초교사거리)이며 <그림 2>와 같다.

조사구간은 교차로의 위계상 간선도로의 성격을 가지므로 주요 간선축과 연동을 고려하여 Extended Green만 시행하고, Early Green은 미시행하는 구간 이다. 3개 교차로 중 덕풍파출소앞과 신장초교사거 리에는 RSE가 설치되어 DSRC통신을 활용한 버스 우선신호 제어가 가능하다.

2) 신호운영 자료

수집된 대상구간의 신호운영 자료는 <표 1>과 같다. 신호교차로의 신호주기는 170초이며, 4현시 의 정주기(TOD)방식으로 운영되고 있다.

2. 자료수집 분석 결과

1) 통과 교통량 분석

첨두시간에 승용차의 통과 교통량을 주도로 및 부도로 방향별로 측정하였다. 사전/사후 조사기간 에 수집된 결과는 <그림 3>과 같다. 승용차의 경우 사후조사 기간에 모든 주행방향에서 교통량이 약 간 감소하는 경향이 나타났다. 부도로 및 다른 방 향의 교통량의 감소량은 약 6% 이내로 파악되어, 사전 및 사후 조사기간의 승용차 교통량은 특별한 증감의 패턴은 없는 것으로 파악되었다.

비첨두시간의 승용차의 통과 교통량도 주도로 및 부도로 방향별로 측정하였다. 분석결과, 방향별 로 미미한 증감 패턴이 혼재하여 나타났으나, 그 크기는 큰 의미가 없는 것으로 파악되었다.

이와 같이 분석된 첨두시간과 비첨두시간의 교 통량 결과를 살펴보면, 승용차의 경우 주도로 동서 방향별로 교통량이 소폭으로 감소되었으나 그 크 기는 미미하여 통행시간의 변화에 큰 외부적 영향 을 미치지 못할 것으로 판단된다.

2) 통행속도 분석

(1) 차량별 주도로 통행시간 분포

번호판조사를 통하여 수집된 통행시간을 개별차량 단위로 수집하여 통행시간 분포를 분석하였다. 사전/ 사후 조사에서 비첨두시간에 측정된 주도로 방향의 승용차 통행시간 분포는 다음 <그림 4>와 같다.

사전/사후 조사에서 비첨두시간에 측정된 주도 로 방향의 버스 통행시간 분포는 <그림 5>와 같다. 버스우선신호 제어 이전에는 통행시간 4-5분 시간 대에 분포하는 차량이 많았으나, 실시 이후에는 3-4분 시간대가 차지하는 빈도수가 가장 큰 것으로 파악되었다. 그리고 승용차 결과와 마찬가지로 통 행시간 분포가 개선된 것을 확인할 수 있다.

그리고 첨두시간 주도로 방향의 승용차 통행시 간 분포는 <그림 6>과 같다. 버스우선신호 제어 이 전에는 통행시간이 2-4분 시간대에 대부분 분포되 었고, 5분 이상 걸린 차량의 비율이 전체의 16% 정도이다. 그러나 이후에는 5분 이상 걸린 차량의 비율은 전체의 약 4% 정도로 감소되었다.

첨두시간에 측정된 버스의 통행시간 분포는 <그 림 7>과 같다. 그림에서와 같이 버스우선신호 제어 를 실시한 후에는 통행시간이 5분을 초과하는 버 스의 빈도수가 크게 감소하였고, 통행시간의 분포 도 매우 개선된 결과로 나타났다.

따라서 버스 우선신호제어 실시 후에 해당 구간 의 승용차 및 버스의 통행시간이 매우 개선됨을 파악할 수 있다.

(2) 시간대별 주도로 통행속도

사전/사후 조사에서 시간대별로 측정된 통행시 간 자료를 이용하여 주도로 방향의 차종별 평균통 행속도 및 증감율을 계산하여 <표 2>에 정리하였 다. 승용차의 경우 비첨두 시간대의 속도증가율이 크게 나타났고, 첨두시간에는 큰 변화가 없는 것 으로 나타났다. 그러나 버스는 첨두시간대의 속도 증가율이 상대적으로 높은 것으로 파악되었다.

그러므로 버스우선신호 제어 실시에 따라 주도 로 방향의 버스 및 승용차의 통행속도가 증가하 였다. 그러나 혼잡한 교통상황에서는 승용차의 통행시간 개선은 제한적이지만, 버스의 통행시간 감소에는 매우 큰 효과를 가져 올 수 있다고 판 단된다.

(3) 주도로 통합 통행속도

첨두시간과 비첨두시간에 수집된 주도로 방향의 통행속도를 차종별로 통합하여 분석한 결과는 <그 림 8>과 같다. 전체적으로 승용차는 25.9 km/h에서 27.6 km/h로 속도가 약 6.5% 증가하였고, 버스는 19.2 km/h에서 21.3 km/h로 약 10.5% 속도가 증가 하는 것으로 파악되었다.

3) 통계적 검정

앞 절에서 분석된 평균속도 차이에 대하여 통계 적인 검정을 실시하였다. 본 연구에서는 모평균에 대한 분산을 알고 있고, 표본수가 크기 때문에 통 계적 검정기법으로 Z-test를 사용하였다. 검정에 사 용된 귀무가설과 대립가설은 다음과 같다.

수집된 속도자료를 이용하여 통계적 검정을 실 시한 결과, 승용차의 경우 P-value 값이 0.00352로 나타나 유의수준 5%에서 귀무가설을 기각하였고, 버스의 경우도 P-value 값이 0.01291로 나타나 유의 수준 5%에서 귀무가설을 기각하였다. 따라서 사전 /사후 조사를 통하여 계산된 속도의 변화가 통계적 으로 의의가 있는 것으로 분석되었다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 향후 국내 도입이 예상되는 버스우선 신호 시스템의 도입시 발생하는 운영상 효과를 현 장조사 자료를 기반으로 평가하여 제시하였다.

사전/사후 조사를 통하여 수집된 첨두시간과 비 첨두시간의 교통량 결과를 살펴보면, 승용차와 버 스 차종별로 진행 방향에 따라 약간의 교통량 변 화가 나타났으나, 그 크기는 통행시간의 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 파악되었다.

개별차량의 통행시간을 분석한 결과, 버스 우선 신호제어 실시 후에 해당 구간의 승용차 및 버스의 통행시간의 분포가 매우 개선되는 것으로 나타났 다. 통행속도의 경우, 버스우선신호 제어 실시에 따 라 첨두와 비첨두 시간대 모두 주도로 방향의 버스 및 승용차의 통행속도가 증가하였다. 특히, 교통류 가 증가하여 혼잡한 교통상황에서는 버스의 통행시 간 감소가 승용차에 비하여 매우 크게 나타났다.

그리고 수집된 자료를 통합하여 분석한 결과 전 체적으로 승용차 속도는 25.9 km/h에서 27.6 km/h 로 약 6.5% 증가하였고, 버스는 19.2 km/h에서 21.3 km/h로 약 10.5% 속도가 증가하는 것으로 파악되 었다. 통계적 검정 결과, 승용차와 버스 모두 유의 수준 5%에서 귀무가설을 기각되어, 속도의 변화가 통계적으로 의의가 있다고 분석되었다.

본 연구는 현장 조사를 기반으로 평가를 진행하 여 신호교차로의 중요한 평가지표인 지체에 대한 자료를 수집하지 못 하였다. 특히 부도로의 경우 버 스우선신호 적용으로 통행속도의 감소가 예상되나, 이에 대한 자료는 수집되지 못하여 구체적 결과를 본 논문에서는 제시하지 못하였다. 향후에는 주도로 및 부도로 지체를 포함한 보다 광범위한 자료를 수 집하여 평가하면 보다 정교한 분석이 가능하리라고 판단된다. 그리고 교통량 수준, 기하구조, 신호현시 체계 등 버스우선신호 제어에 영향을 미치는 변수 가 많기 때문에 향후에 이러한 다양한 교통·환경조 건에서 효과평가를 진행한다면 종합적이고 객관적 인 결론이 도출될 수 있을 것이라 판단된다.