Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

2007년 국내 하이패스 운영을 전국적으로 확대 한 후 지난 4년 동안(2007.12~2011.12) 하이패스 단 말기 보급은 73만 대에서 6백 37만대로 8.7배가 늘 었고, 하루 동안 하이패스를 이용하는 차량의 수도 49만 대에서 1백 83만 대로 3.7배 증가하였다[1].

하이패스 이용률 증가와 함께 2007년 전국 개통 당시 261개 톨게이트 595개 차로에 설치했던 하이 패스는 2011년 현재 316개 톨게이트 793개 차로로 늘었고, 하이패스를 이용할 수 있는 차량의 종류도 승용, 승합, 버스, 4.5톤 미만 탑차에 국한했던 것을 4.5톤 미만 화물차와 견인차를 포함한 특수차량까 지 확대됐다.

톨게이트에서 하이패스 차로가 증가하는 추세를 보이지만 아직 하이패스를 이용하지 않는 차량으로 인해 톨게이트 내 전체 차로를 하이패스 차로로 전 환하지 못하고 있다. 따라서 일반차량과 하이패스 차량의 경로선택에 따른 엇갈림(weaving) 및 속도 차에 의해 차량 간의 상충(conflicts)이 발생하고 이 에 따른 접촉사고위험이 존재한다.

본 연구에서는 톨게이트 내에서 하이패스 차로의 위치에 따라 변하는 이동성 및 안전성을 미시교통 시뮬레이션모형(microscopic traffic simulation model) 과 대리안전평가모형(Surrogate Safety Assessment Model, SSAM)을 활용하여 분석하였다. 또한 시뮬레 이션을 통해 생산된 하이패스 차로 위치별 이동성 및 안전성 성과지표(measures of effectiveness)와 함 께 전문가 설문조사를 통해 수집한 하이패스 설치 및 운영의 용이성을 이용하여 Analytic Hierarchy Process(AHP) 기법을 통해 어떤 형태의 하이패스 차 로 배치가 효과적인지 판단할 수 있는 분석 방법론 을 제시하고자 한다.

2. 연구의 범위 및 방법

본 연구의 시간적 범위는 2012년이며, 공간적 범 위는 수원시에 위치한 영동고속도로의 동수원 IC를 대상으로 하고 있다. 본 연구에서는 현재 적용 중인 하이패스의 위치1)가 변화함에 따라 차량의 이동성 과 안전성을 평가하기 위하여 교통량과 IC구조를 조사하였다. 조사된 자료를 바탕으로 미시교통시뮬 레이션 모형인 VISSIM ver. 5.4을 이용하여 네트워 크를 구축한 후 이동성 성과지표를 추출하였다. 또 한 VISSIM에서 생산된 경로자료와 SSAM을 이용하 여 안정성 성과지표를 산출하였다. 또한 하이패스 설치 및 운영의 용이성은 전문가 설문조사를 통하 여 도출하였다. 세 가지 성과지표에 대한 상대적 가 중치를 AHP기법을 이용하여 도출한 후 세 가지 상 이한 성과지표를 종합적으로 고려하여 최선의 하이 패스 차로 배치를 결정할 수 있는 방법론을 제시하 였다.

Ⅱ. 이론적 고찰

1. 선행연구 고찰

ITS Korea(2005)는 “시뮬레이션을 이용한 하이패 스 차로선정 및 응용서비스 추진계획 수립” 연구용 역에서 Electronic Toll Collection System(ETCS)를 적 용하기 이전의 기본구조를 바탕으로 향후 도입이 예상되는 ETCS의 이용률을 고려하여 ETCS의 전용 차로 설치 여부와 차로 수 그리고 적절한 전용차로 위치를 결정하는 연구를 수행하였다. 또한 하이패 스 전용차로의 설치 및 선정을 위한 기준을 제시하 였고, 기준에 따라 시뮬레이션을 이용해 전국 영업 소를 대상으로 하이패스 차로 수를 산정하였다[2].

최현성(2008)은 하이패스 구간에서의 교통사고의 원인을 하이패스 전용차로 구간 길이의 부족으로 보고 적절한 구간 길이 산정에 의하여 하이패스 운 영상의 문제점을 개선할 수 있도록 하이패스 도로 길이 산정 공식을 도출하였다. 개발된 공식을 서울 요금소에 실제로 적용함으로써 톨게이트를 통과하 는 차량의 움직임 변화를 분석하였다[3].

유봉석(2009)은 고속도로 영업소 진출부의 차량 속도와 상충발생을 조사하여 상대속도 및 상충으로 인한 차량 감속시간 등을 분석한 결과 상대속도가 클수록 상충으로 인한 차량 급감속이 발생한다는 문제점을 파악하였다. 특히 운영형태가 상이한 지점 들을 비교 분석함으로 차로 운영형태에 따라 상충 및 상대속도를 관찰하였다. 이를 통해 하이패스 차 량과 일반차량 간 상대속도에 의한 사고 위험성을 정량적 분석을 통하여 비교분석을 실시하였다. 분석 결과를 종합해 볼 때 고속도로 톨게이트 하이패스 설치로 인한 안전성을 개선하기 위해서는 톨게이트 진출부에 대해 하이패스차량과 일반 차량 간 합류 를 하이패스 차량 간 합류로 개선하여 차량 간 상대 속도 차를 줄이고 상충 시 Time to Accident(TA)값을 줄여 사고 위험성을 낮출 수 있는 차로운영개선이 필요하다고 제시하였다. 또한 하이패스 차량과 일반 차량 간 합류 시 상대속도차가 최소 15km/h가 되도 록 적정 광장길이 및 구간을 확보할 필요가 있다고 제시하였다[4].

유봉석(2010)은 서울외곽순환고속도로 성남 및 김포영업소 중앙에 설치된 하이패스 차로 진출부에 대한 안전성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 하이패스차로를 중심으로 좌․우 일반차로 위치에 따라 상충의 빈도가 다르며, 특히 하이패스 우측차 로에서 하이패스차로로 진입 시 상충에 따른 TA 값이 낮아 사고위험이 높은 것으로 분석되었다. 이 를 통해 중앙 하이패스 차로 설치로 인한 하이패스 차량과 일반 차량 간 합류 시 차량 간의 속도차이 를 줄일 수 있는 적정 하이패스 차로 위치 및 차로 운영개선, 진로변경제한구간 확보가 필요하다고 제 시하였다[5].

Mohamed et al.(2000)은 3년 6개월 동안 E-PASS 라고 알려진 Automated Vehicle Identification(AVI)기 술의 설치 전후에 따라 사고 자료를 평가함으로 안 전성 문제를 위한 조사를 실시하였다. AVI를 사용 하는 것은 톨게이트에서 용량과 지체를 포함하여 주요 교통운영 문제에 대해 훌륭한 해결책이 된다 는 것을 증명하였다[6].

Kim et al.(2003)은 차로변경에 있어 안전은 하이 패스 시스템에서 요구되는데, 하이패스 차로와 일 반차로 사이에 안전을 위한 차로 유도 길이는 하이 패스 차로의 속도가 60km/h일 때 25m, 70km/h일 때 는 65m, 80km/h일 때는 85m 라는 결과를 제시하였 다[7].

2. 기존연구와의 차이점

기존 연구들은 하이패스 안전성에 대하여 하이 패스의 설계적인 측면에 대한 연구를 주로 진행하 였다. 또한 제시된 기준에 대한 안전성 중심의 제한 적인 지표를 제시함으로써 해당 기준의 타당성을 증명하려고 시도하였다. 이에 반해 본 연구에서는 최근에 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 미 시교통시뮬레이션모형과 SSAM을 이용하여 이동성 과 안전성 측면에서 정량적 수치적으로 비교해보고 종합적으로 효율적인 하이패스 차로 위치를 결정할 수 있는 방법론을 제시하고 있다.

Ⅲ. 네트워크 구축 및 정산

1. 분석대상구간 선정 및 교통현황

본 연구의 분석대상구간은 수원시에 위치한 동 수원 IC 이다. 동수원 IC의 진입로는 경기대와 수지 방면에서 접근하는 두 개의 램프로 되어있으며, 수 지에서 접근하는 램프는 준직결, 경기대에서 접근 하는 램프는 루프형으로 되어있다. 전체적으로 수 지에서 접근하는 교통량이 경기대에서 접근하는 교 통량에 두 배 정도이며, 버스의 80%는 경기대에서 접근한다. 톨게이트의 진입부는 총 7차로로 되어있 으며 현재 2,3,4차로가 하이패스로 운영 중이고 나 머지는 Toll Collection System(TCS)차로로 운영되고 있다. 톨게이트 진입부를 빠져나와 인천방면과 강 릉방면으로 진입하는 두 곳의 램프는 모두 2차로로 구성되어있다(<그림 1> 참조).

2. 자료수집

자료 수집은 2012년 4월 18일 수요일 오전 10시 부터 12시까지 캠코더를 4대를 활용하여 각 램프와 차로를 촬영하였다. 촬영된 비디오 영상을 판독하 여 미시교통시뮬레이션 네트워크를 구축하기 위한 램프별 진입 교통량 자료, TCS 차로 및 하이패스 차로별 교통량 자료를 5종 분류에 의거하여 추출하 였다.

네트워크 구축을 위한 자료 중 기하구조 자료는 Daum에서 제공하는 위성사진을 사용하였으며, 현 장조사를 통해 변경된 여부를 확인하였다.

3. 네트워크 구축

본 연구에서는 VISSIM 5.4을 이용하여 미시교통 시뮬레이션 네트워크를 구축하였다. 네트워크 구축 은 위성사진을 배경화면으로 이용하여 실제 톨게이 트 모습과 가능한 동일하도록 구축하였으며, 현장 조사를 통해 얻은 교통량 자료와 진출입 TCS 평균 대기시간과 하이패스 통과속도 등을 입력하였다.

4. 정산

본 연구에서는 미시교통시뮬레이션 모형 내에 교통량, TCS 대기시간, 하이패스 통과속도 등을 입 력한 후 정산(calibration) 과정을 거쳤다. 정산 변수 조정을 통해서 두 개의 진입부(램프)에서 하이패스 차로와 TCS 차로를 선택하는 부분까지의 비율을 Route를 통해서 지정을 해주고 미시교통시뮬레이션 상에서 차량이 차로를 선택하는 행태를 톨게이트 차로선별 교통량과 비교하여 정산을 실시하였다. 하지만 VISSIM 내에 추종이론, 차로 변경 등 다양 한 정산변수를 설정하였으나, 실제 동수원 IC에서 진입 차량들이 하이패스 차로와 TCS차로를 선택하 는 행태를 구현에는 어려움이 있었다. 즉, VISSIM 에서의 차로별 교통량은 Route를 지정하지 않은 상 태에서는 조정이 불가능하였다. 따라서 본 연구에 서는 정산을 위하여 하이패스 차로 통과속도, TCS 차로 정차시간 그리고 연결로 상의 차량 진입 속도 를 현장 조사치를 기준으로 VISSIM의 관련 정산 파라미터 값을 조절하였다. 시뮬레이션 상의 하이 패스 차로 통과 속도의 경우 VISSIM의 reduced speed area를 이용하여 조사당일 측정된 하이패스 차로 통과 속도의 평균값에 맞추었다. TCS 차로 정 차시간의 경우 조사치는 평균 2.94초이며, 시뮬레이 션 상에서는 VISSIM의 stop sign을 이용하여 평균 3.0초(최소값 2.7초, 최대값 3.3초)로 설정하였다. 여 기서 TCS 차로 정차시간은 대상차량의 TCS부스 앞 정지 시점부터 통행권 수령 후 이동 시점까지를 의 미한다. 연결로 상의 차량진입 속도의 경우 양측 램 프를 통해 진입하는 차량의 평균 속도가 42.7km/h 이며, 시뮬레이션 상에서는 VISSIM의 desired speed distribution을 이용하여 평균 42.5km/h(최소값 40.0km/h, 최대값 45.0km/h)로 설정하였다.

진입 차량이 하이패스 차로와 TCS 차로를 선정 하는 행태에 대한 정산과정은 생략하였다. 대신에 동일한 네트워크에서 하이패스 차로 위치 대안을 설정한 후 차로별 교통량을 임의로(random) 부여하 는 방식으로 다수의 교통량 시나리오를 작성한 후 각 하이패스 차로 설치 대안별로 시뮬레이션을 반 복 수행(multi-run)하였다.

Ⅳ. 시뮬레이션 수행 결과 분석

1. 하이패스 차로 설치 대안 구축

본 연구는 톨게이트의 하이패스 차로 설치 위치 변화에 따른 이동성(mobility)과 안전성(safety)를 미 시교통시뮬레이션모형을 이용하여 계량한 후, 다양 한 하이패스 차로 위치 대안을 상호 비교하였다. 이 를 위해 본 연구는 다음 <표 2>와 같은 하이패스 차로 위치 조합을 대안으로 설정하였다.

현재 동수원 IC의 고속도로 진입 톨게이트의 경 우 대안 2와 같이 2, 3, 4차로가 하이패스 차로로 운영 중이며, 하이패스의 차로 수는 동일하게 3개 의 차로로 설정하여 비교하였다.

2. 시뮬레이션 수행

미시교통시뮬레이션모형은 네트워크가 빈 상태 에서 차량을 발생시켜 네트워크를 채우게 된다. 따 라서 네트워크 내 교통량의 큰 변화가 없는 균형상 태(equilibrium status)에 이르기 위해서는 초기 시뮬 레이션 시간(warm-up time)이 필요하다. 본 연구에 서는 네트워크 크기를 고려하여 15분의 초기 시뮬 레이션 시간을 적용하였다. 실제 각종 지표를 생성 하는 시뮬레이션 시간은 초기 시뮬레이션 시간이 지나고 나서 1시간 동안이다[9].

또한 미시교통시뮬레이션모형의 확률적 특성 (stochastic variability)와 다양한 교통량 시나리오를 고려하기 위하여 차로별 교통량의 경우 하이패스 차로의 평균 교통량을 기준으로 30%, 0%, -30% 세 가지로 분류하고, 또한 TCS 차로도 마찬가지로 평 균 교통량을 기준으로 30%, 15%, -15%, -30%로 설 정한 후 시뮬레이션 수행 시 마다 하이패스 차로와 TCS차로에 무작위(random)로 배분한 후 30번 반복 수행 하였다[9]. 그리고 30번 수행한 결과를 평균하 여 이동성과 안전성 평가를 위한 성과지표 값을 산 출하였다.

결과 값 산정 지표로는 평균지체, 평균속도, 여행 시간을 통해 이동성 분석을 실시하였으며, 추돌형 상충 횟수, 차로변경형 상충 횟수와 총 상충 횟수를 통해서 대안별로 안전성을 평가 하였다.

3. 이동성 분석

분석결과 하이패스 차로 위치 대안 1이 가장 적 은 지체(delay)를 보이고 있으며, 이는 직관적으로도 쉽게 예상 가능한 결과이다. 차량들이 램프에서 진 입 후 차로 변경이 없거나 적은 상태로 하이패스 차로를 통해 톨게이트를 통과할 수 있기 때문에 지 체가 가장 최소화 된다. 그러나 평균속도 또는 여행 시간의 경우 대안별로 크게 차이가 없다. 이는 TCS 차로에서 발생하는 대기시간이 상대적으로 크기 때 문이라고 판단된다.

4. 안전성 분석

미국 FHWA에서 개발한 S/W인 Surrogate Safety Assessment Model(SSAM)을 이용해 대안별 안전성을 평가하였다. SSAM은 시뮬레이션에서 구현된 모든 차량의 차량 경로 데이터를 이용하여 상충(conflicts) 의 발생빈도를 파악 할 수 있다. SSAM은 미시교통 시뮬레이션모형에서 생산된 개별 차량 경로 자료를 이용하여 Time To Collision(TTC), Post Encroachment Time(PET), Deceleration Rate(DR) 등의 대리척도 (surrogate measures)를 산출한 후, 직각충돌형(crossing), 추돌형(rear-end), 그리고 차로변경형(lane Change) 상 충(conflicts) 횟수를 추정할 수 있다[10]. 이중에서 본 연구에서는 TTC를 이용하여 상충의 빈도를 추정하 였으며, 그 기준값은 1.5초를 사용하였다[9,10]. 또한 상충 각도가 30도 이하인 경우 추돌형 상충, 30도 초과인 경우를 차로변경형 상충으로 구분하였다. 총 상충 횟수의 경우 대안 6이 555.1회로 가장 낮게 나 타났으며, 이동성 분석에서 가장 좋은 대안이었던 대안 1은 556.4회로 나타났다.

5. 설치 및 운영 용이성 분석

현재 한국도로공사는 “하이패스 운영실무 편람 (2011)”을 이용하여 하이패스를 운영하고 있다[11]. 하이패스 증설 및 위치선정의 경우 하이패스 이용 차량이 피크시간대 1,000대(1차로)를 초과하는 영업 소의 경우나 차량 엇갈림 현상으로 지․정체 및 다 수의 사고 발생 영업소의 경우 추가로 하이패스를 증설하도록 되어있다. 하이패스 차로 배치의 경우 합류구간의 거리 확보의 경우 진입 좌측에 설치하 게 되어있으며, 합류구간 거리 미 확보시 차로수에 따라 진입좌측 또는 중앙에 설치하게 되어있다. 하 지만 편람에서 합류구간과 설치차로의 정의가 모호 함에 따라 설치 및 운영 용이성에 대한 평가에 어 려움이 있다. 본 연구에서는 현재 33개의 대안에 대 하여 5점 척도로 설치 및 운영 용이성에 대한 교통 전문가 5명의 점수평가를 실시하였고 그 결과는 다 음 <표 5>와 같다.

대안 1의 경우 평균점수가 4.8점으로 가장 높은 점수를 나타났다. 이는 운영실무 편람에서도 일반 적으로 권장하는 좌측차로에 하이패스를 배치하는 방법이다. 대안 2도 4.4점으로 높은 점수를 나타냈 으며 전체적으로 결과값을 보면 하이패스가 붙어있 을수록, 좌측에 배치될수록 좋은점수를 나타내는 것을 알 수 있다.

6. 종합 분석 결과

이동성, 안전성, 설치 및 운영 용이성 분석에 대 하여 각 대안별 지표값이 차이가 있기 때문에 값을 0과 1 사이로 평준화를 시켜 비교해 보았다. 그 결 과 대안 1의 총 합계가 가장 높았으며 대안 6, 대안 2, 대안 13, 대안 7의 순서대로 총합의 순위가 결정 되었다.

대안 1의 경우 가장 큰 삼각형을 보임으로 이동 성, 안전성, 설치 및 운영 용이성에 고른 점수를 받 고 있으며 대안 13의 경우 이동성에서는 0.5점의 낮 은 점수이나 안전성에 있어서 0.9점의 높은 점수로 나타나고 있다.

Ⅴ. AHP 기법을 이용한 종합분석

1. AHP 기법 적용을 위한 설문조사

AHP(Analytic Hierarchy Process)기법은 가장 많이 사용되는 의사결정방법론 중 하나이다. 목적 함수 에 대하여 쌍대비교방식을 통하여 우선순위를 결정 하는 방식이다. 평준화된 세 가지의 지표가 모두 중 요하지만 중요의 정도가 모든 통행자가 동등하게 느끼지 않는다. 따라서 본 연구에서는 AHP 기법을 사용하여 이동성, 안전성, 설치 및 운영 용이성 세 가지의 목적함수에 대하여 교통전문가에게 쌍대비 교 방식의 설문조사를 실시하여 각 목적함수에 대 한 가중치를 확인하였다. 설문조사에 대한 결과 도 출 프로그램으로는 Expert Choice 11을 사용하였으 며 모든 전문가의 일치성검사의 결과 0.05 미만으 로 모두 사용가능 하였다.

가중치 분석 결과 이동성의 경우 0.361, 안전성은 0.429, 설치 및 운영용이성의 경우 0.210의 가중치 를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 하이패스 차로 설 치 관련 지표로서 안전성이 가장 중요한 것으로 나 타났다. 이는 톨게이트 내의 사고의 위험성과 사고 시 발생할 혼잡이 이동성 및 설치 및 운영용이성보 다 더 큰 문제로 인식하고 있음을 의미한다. 또한 설치 및 운영용이성의 경우 운전자보다 운영자를 위한 지표로 인식되기 때문에 가중치 값이 낮은 것 으로 분석된다.

2. 종합 분석 결과

평준화된 지표 값에 각 지표의 가중치를 곱하여 얻은 대안별 값과 순위는 <표 6>과 같다.

가중치를 적용한 결과 안전성에 점수를 많이 받 은 대안들의 순위가 전체적으로 상승하는 모습을 보였다. 최종적으로 나온 결과들을 살펴보면, 하이 패스 3개의 차선이 붙어있는 대안 1∼5 중에서 대 안 1∼3의 경우는 높은 순위, 대안 4와 5의 경우는 낮은 순위를 나타내고 있다. 이러한 결과는 하이패 스의 차선이 안쪽차선에 위치할 때 운영효과가 뛰 어난 것을 판단할 수 있는 근거가 된다.

또한 대안 1, 2, 6, 7의 경우 하이패스 차선이 모 두 인접해 있는 대안들로 하이패스 차선이 연속되 어 있을 때 차량의 차선변경이 줄어들고 이로 인해 상충 감소, 이동성 증가, 운영편의 증가 등으로 이 어지는 것으로 판단된다.

Ⅵ. 결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 최근 컴퓨터 H/W 및 S/W의 발전 에 힘입어 교통 분야에서 활용 빈도를 지속적으로 높여가는 미시교통시뮬레이션모형을 이동성과 안전 성을 평가할 수 있는 도구로 활용하는 것에 대한 가 능성을 실제 사례분석을 통해 보여주고자 하였다.

본 연구에서 선정한 사례는 톨게이트의 하이패 스 차로 위치가 변함에 따라 차량의 상충이 변화되 고 이러한 상충의 변화를 미시교통시뮬레이션과, SSAM을 통해 수치적으로 나타내었다.

사례분석지역으로는 동수원 IC 진입방면으로 선 정되었으며, 교통량 등 자료 조사, 미시교통시뮬레 이션 네트워크 구축, 하이패스 차로 위치 대안 구 축, 시뮬레이션 수행, 그리고 이동성 및 안전성 분 석 설치 및 운영의 용이성 분석 등을 차례대로 수 행하였다. 이동성, 안전성 그리고 용이성 지표의 표 준화를 수행한 후, AHP 기법을 이용하여 하이패스 차로 위치 대안별 평가 점수를 산출하였다.

그 결과 하이패스 차로 설치 시 고려해야 할 항 목의 수치비교를 통하여 선택할 수 있는 방법론을 제시함으로서 운영자가 설치장소의 목적에 따라서 설치 할 수 있도록 돕고자 하였다.

하이패스의 차로 설치의 경우 차로가 좌측(중앙 분리대 측)에 있을수록, 하이패스 차로가 서로 인접 할수록 이동성, 안전성 그리고 설치 및 운영 용이성 측면에서 좋은 결과값을 얻었다. 그 이유는 좌측에 있을수록 안전성과 설치 및 운영성이 높게 나타났 으며, 붙어있을 경우 이동성과 안전성, 설치 및 용 이성이 모두 높게 나타나는 결과를 나타냈다.

본 연구는 동수원 IC로 국한되어 결과를 도출하였 지만 다른 IC의 경우도 위와 같은 방법으로 진행함 으로 하이패스 차로 위치 결정시 이동성과 안전성 그리고 설치 및 운영 편리성을 종합적으로 고려한 설치 위치를 결정하는 데 기여할 것으로 판단된다.