Ⅰ. 서 론

2012년 우리나라 최초의 고속도로인 경부고속도 로가 개통 42주년을 맞이하였다. 1970년 서울과 부 산을 연결하는 428km의 국내 최초 자동차전용 고 속도로인 경부선이 개통한 이래 전국의 고속도로 연장은 2012년 말 현재 4,042km로 전국을 거미줄처 럼 연결하는 고속도로 네트워크로 발전하여 국민생 활과 경제활동을 지원하는 사회간접자본으로서 역 할을 수행하고 있다 [1]. 고속도로 이용차량은 2000 년 연간 280만대에서 2012년 현재 일평균 330만대 로 2000년 이후 꾸준한 증가세를 보이고 있으며, 이 에 따라 교통혼잡의 사회적 비용으로 2008년 현재 고속도로에서만 총 2.8조원의 혼잡비용이 발생되고 있다. 2000년대 이후 고속도로의 혼잡비용은 지속 적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다 [2].

한국도로공사는 1992년 경부고속도로 서울, 대전 구간에서 고속도로 교통관리시스템(FTMS)을 시범 설치하여 고속도로 지능형교통관리체계 구축을 시 작하였으며, 2013년 1월을 기준으로 경부선 등 31 개 노선의 3,763km 구간에서 실시간 교통관리 서비 스를 제공 중에 있다. 성공적인 교통관리 시스템 구 축에도 수도권 및 부산, 대구 등의 광역권 교통수요 증가는 지속되어 2011년을 기준으로 40kph 이하의 반복정체구간은 전국 고속도로에서 51개 구간, 373km에 이른다. 또한 도로 및 철도의 종합교통개 선대책을 반영한 고속도로 정체구간 전망에 따르 면, 2016년 단기 예측을 기준으로 수도권 정체구간 이 10% 이상 확대될 것으로 예측되고 있다 [3, 4].

도로교통에서 정체개선을 위한 대책에는 신설, 확장 등 물리적인 개선으로 시설의 공급을 확대하는 방 법과 시설의 효율성을 높이기 위한 교통관리의 방 법이 적용될 수 있다. 여기에서 교통관리란 사람과 재화의 통행을 개선하기 위해 교통류에 대해 제어, 안내, 경고를 시행하는 것을 의미한다. 도로의 확장 및 신설을 의미하는 물리적 개선에는 비용 및 시간의 제약이 따르며, 도로의 운영개선에는 개선효과의 한계가 있다 [5, 6]. 정체완화의 최대 효과를 거두기 위해서는 이들 간의 조화가 이루어 져야하나 국내 에서 교통관리에 대한 인식은 여전히 부족한 실정 이다. 일례로 2007년부터 시행된 한국도로공사의 ‘고속도로 교통정체 개선계획’에서는 정체구간을 183km 단축시키는 성과를 거둔바 있으나, 도로 신 설 및 확장 등 물리적 개선대책이 주류를 이루고 있다. 효율성 개선을 위한 전형적인 운영개선 기법 에 해당하는 램프미터링의 경우 서울외곽순환선 송 내~장수 구간의 시범사업 이후 적극적인 확대적용 에는 이르지 못하고 있는 실정이다 [7].

이에 본 연구에서는 교통류 제어 중심의 고속도 로 교통관리기법의 확산을 위해 적극적 교통관리, 정체가 제어 가능한 교통관리의 구현을 목표로 복 수의 교통관리기법을 통합 운영하기 위한 고속도로 통합교통관리의 개념을 제시하며, 이중 램프미터링, 요금소 본선미터링의 통합운영을 통해 반복정체구 간의 발전된 교통관리방법을 제시하였다. 교통관리와 관련한 세계적인 추세 또한 Active Traffic Management, Integrated Traffic Management, Sustainable Traffic Management를 모토로 정체상황에 대해 적극적으로 대응하기 위한 교통관리체계가 확산되고 있으며, 이는 교통관리의 기법측면에서는 기존의 일반적인 교통관리와 동일하나 교통류제어를 수행하는 교통 관리기법들을 통합하여 적극적인 정체관리를 수행 한다는데 차이가 있다 [7-10, 21].

본 연구에서는 고속도로 통합교통관리의 일환으 로 고속도로 본선과 연결로의 정체를 동시에 제어 하기 위해 램프미터링과 요금소 본선미터링의 통합 미터링 신호시간 산정모형을 제시하였다. 본선이 이미 과포화 상태에 있는 경우 램프미터링 만으로 는 효과적인 제어가 어려우며, 이때 고속도로 본선 에 대해 적극적 교통관리를 위해 요금소에서 교통 류를 직접제어하기 위한 미터링 방법에 해당한다. 이와 함께 고속도로 통합교통관리 전략에 대한 효과 분석을 위해 서울외곽순환선 김포요금소에서 시흥 요금소까지 15km 구간을 대상으로 미시적 시뮬레이 션 분석을 시행하였으며, 이때 Quadstone PARAMICS 및 이의 API에 해당하는 Programmer 기능을 이용하여 고속도로 교통관리기법들을 구현함으로써 통합교 통관리에 따른 정량적 효과를 파악하였다.

Ⅱ. 통합교통관리 이론 및 사례 검토

고속도로 통합교통관리와 관련한 개념정립 및 사례들을 확인하였다. 고속도로 통합교통관리의 개 념을 제시한 사례로 FHWA에서는 <표 1>과 같이 동일한 영향권을 가지는 교통관리기법들 간에 통합 운영의 필요성을 강조한바 있으며, 간선도로의 교 차로 신호운영계획을 수립하는데 있어 고속도로 정 체를 고려하기 위해 램프미터링과 간선도로 신호운 영의 통합을 강조한 바 있다 [11]. 또한 Corridor Management에서는 교통관리의 요소를 고속도로, 간 선도로, 교량, 터널 등 도로의 구성요소, 승용차와 버스, 철도 등 통행수단, 교통관리시스템 등으로 구 분하고, 이들의 통합관리가 필요함을 지적하였으며 [12, 13], 이외 네덜란드의 Sustainable Transportation Management, 독일의 Integrated Transportation Management 등 교통관리 매뉴얼에서 또한 통합교통관리의 중요 성을 역설한 바 있다 [9, 14].

본 연구에서의 고속도로 통합교통관리란 램프미터 링, 갓길차로제, 가변속도제어와 같이 고속도로의 소통상태에 따라 독립적으로 운영되어왔던 개별 교 통관리기법들을 복합적으로 운영하기 위한 방법을 의미하며, 고속도로 통합교통관리를 통해 소통개선 등 교통관리기법 간의 시너지 효과와 개별기법 운 영에 따른 문제점 보완을 목표로 한다.

최근 미국과 유럽에서 이슈가 되고 있는 적극적 교통 관리라는 의미의 Active Traffic Management를 확인하 였다. ATM은 시행지역에 따라 기법의 차이는 있으나, 정체 또는 돌발상황 관리를 위해 적용 가능한 모든 교통관리기법들을 이용해 적극적인 대응을 한다는데 맥락을 같이한다. 영국에서는 M42의 3a~7 JC 구간 에서 교통상황을 제어가 가능한 수준에 두는 것을 목표로 ATM 시범사업이 진행된바 있다. 정체관리 관점에서 기존 교통관리와 유사하나 속도제어, 차 로관리, 연결로 관리 등 개별 교통관리전략들을 통 합된 형태로 적용하는데 차이가 있으며, 가변속도제 어와 갓길차로제, 교통정보제공이 통합된 형태로 이뤄져 7~9%에 이르는 용량증대, 최대 24%의 통행 시간 감소효과가 확인된 바 있다 [15-21]. 미국 워싱 턴주 ATM은 I-5, I-90 등에서 램프미터링, 가변속도 제어, HOV 및 HOT, 운전자 교통정보제공, 대기행 렬경고, 돌발상황관리를 ATM Sign을 이용하여 통합 및 연계된 형태로 운영 중에 있으며 [22], I-5에서는 최대 30%에 이르는 통행시간 감소효과가 확인된바 있다 [23]. 또한 버지니아에서는 I-66에서 발생되는 반복정체와 사고 개선을 위해 ATM을 구축하였다. 버지니아주 또한 가변속도제어, 차로제어, 대기행렬 경고를 통합된 형태로 운영 중에 있으며 [10, 24], 갓길차로제와 같은 용량확대기법을 통해 통행시간 이 최대 30%까지 개선된 결과를 나타내었다 [25].

본 연구에서는 고속도로 통합교통관리를 교통관 리기법들의 통합운영으로 정의하고, 다양한 교통관 리기법들 중 본선미터링 및 램프미터링의 통합운영 전략을 제시하였으며, 교통관리기법에 대한 이론적 고찰 또한 본선미터링을 대상으로 하였다.

본선미터링이란 고속도로에 교통량 집중 또는 병목으로 인한 정체의 개선을 위해 고속도로 본선 에서 신호운영으로 교통수요를 제어하는 방식의 교 통관리기법을 의미한다. 정체지점 상류부에서 본선 교통류를 제어하며, 일반적으로 <그림 1>과 같이 개방식 요금소가 적용되는 구간에 요금소의 차로합류 시점부에서 신호제어가 시행된다. 본선미터링은 본 선부에서 신호운영으로 인한 지체가 발생되나, 정 체지점에서 교통류 와해가 발생되기 전 본선 교통 수요를 제어함으로써 고속도로 시스템 전체의 효율 을 높일 수 있다. 본선미터링은 고속도로 본선을 제 어한다는 관점에서 가변속도제어와 동일한 개념에 해당하나, 본선에서 신호운영을 통해 미터링 지점 의 통과교통량을 직접 제어한다는데 차이가 있다.

본선미터링은 정체지점을 병목지점과 미터링지 점으로 분산시켜 심각한 지체가 발생되는 것을 예 방하는 효과가 있다. 본선미터링은 제어가 이루어지 는 지점이 요금소의 합류부 시작지점, 고속도로간 연결로, 요금소, 터널 및 교량 시작지점 등 다양하 며, 다음과 같은 유형으로 구분할 수 있다 [26, 27].

본선미터링의 대표적 운영사례로 <그림 2>와 같 이 샌프란시스코와 오클랜드를 연결하는 Bay Bridge의 요금소 신호제어시스템이 있으며, 20차로 의 본선 요금소 이후 5차로의 교량으로 짧은 구간 에서 연결되어 발생하는 정체를 해결하고자 1974년 부터 본선미터링을 운영 중에 있다. Bay Bridge는 일일 통과교통량이 20만대 이상으로 금문교의 2배 에 이르는 샌프란시스코의 중요 교량에 해당한다. 본선미터링은 본선 요금소 하류부 약 300m 지점에 서 신호운영을 통해 병목현상 없이 교량부의 5차로 로 합류시키는 역할을 하고 있다. 본선미터링 시행 이후 통과교통량은 시간당 10,000대 수준으로 15% 이상 증가하였으며, 정체구간의 통행시간은 3분 이 상 감소하였다 [27]. 이외 버지니아의 Hampton Road Bridge-Tunnel과 메릴랜드의 Baltimore Harbor Tunnel 에서는 터널 내부의 정체로 인한 온도 상승 및 일산 화탄소 오염을 개선하고자 터널 입구에서 수행되는 본선미터링을 시행한바 있다 [26]. 일본의 한신고속 도로에서는 고속도로 본선 요금소의 창구수를 조절 함으로써 하류부의 정체를 제어하는 교통관리가 수행 된 바 있으며, 정체구간의 통행속도가 23%, 통행시간 이 19% 까지 감소하는 효과를 나타내었다 [28, 29]. 국 내에서는 램프 상에 존재하는 요금소의 서비스 창구수 를 조절하는 형태의 요금소 미터링에 관한 연구들이 수행된바 있으며, 6개월간의 효과분석에서 경부선의 경우 10% 이상의 속도개선이 확인되었다 [30].

Ⅳ. 램프 및 본선 미터링 기반 통합교통관리

본 연구에서는 고속도로 통합교통관리를 위해 고속도로 본선을 위한 대표적 교통류 제어기법에 해당하는 본선미터링과 램프미터링의 통합모형을 개발하였다. 본 모형은 거시적 연속류 모형에 해당 하는 FREQ의 램프미터링 교통량 최적화 모형에서 착안하였다. FREQ에서는 일련의 연속된 진입램프 에 대해 연동방식의 램프미터링(Coordinated Ramp Metering)을 운영하기 위한 최적 램프 진입교통량을 결정할 수 있으며, <그림 3>에서 j구간을 통과하는 교 통량 S_j를 최대화시키기 위한 i 번째 램프의 진입허용 교통량 X_i 를 결정하게 된다. 이때 본선 및 램프의 OD 자료로부터 i에서 진입하여 j구간을 통과하는 교통량 비율을 의미하는 A_ij 를 이용하며, j 번째 램프의 교통 수요 D_j 에서 진입이 허용되는 교통량 X_i 의 크기를 결 정할 수 있다. S_j 는 식 (1)과 같이 j 번째 램프 상류부 에서 진입하는 교통량 ∑ A i j X i 와 j 번째 램프에서 진 입하는 교통량 A_{j + 1}, D_{j + 1} 의 합으로 표현된다.

FREQ는 구간별 용량 B_j 이내에서 통과교통량 S_j 를 최대화시키기 위한 램프미터링 교통량 최적화 모형을 포함하고 있으며, 램프미터링 신호시간 산정을 위한 대표적인 Demand-Capacity 모형에 해당한다. 해당 모형을 이용하여 램프미터링의 연동운영을 위한 신호시간 계 획을 작성 할 수 있다 [11, 31].

본 연구에서는 FREQ의 Demand-Capacity 모형을 수정하여 본선의 요금소를 고려한 미터링 모형을 제시 하였으며, 목적함수가 구간별 통과교통량 최대화에 있는 선형계획 모형에 해당한다. 램프의 진입허용 교통량은 수식 (1)에서와 동일한 개념으로 진출입 비율 A_ij 를 기반으로 j구간을 통과하는 교통량에 따라 결정되며, FREQ에서와는 수식 (2)와 같이 본선교통량 A_1,jX₁ 를 고려하여 구간별 미터링 교통량을 결정한다.

이때 진입허용 교통량 X_i 는 식 (3) 및 (4)와 같이 교통수요 D_i 와 최소 허용교통량 x_i 이내에서 결정 되며, 램프의 최소 미터링 비율을 고려함으로써 미 터링으로 인한 대기행렬의 크기를 제어할 수 있다.

본 모형을 이용해 산정된 최종 진입허용 교통량 X_i 에 차로수 L_i 와 시간길이 3600초에 나누어 줌으로써 램프미터링의 최적 주기길이 C_i 를 식 (5)와 같이 산정하며, 이때의 주기길이는 1주기당 1대의 차량 을 진입시키는 Single Entry 방식에 해당한다.

제약조건들을 종합하여 본 연구에서 제시하는 본선 및 램프를 위한 통합 미터링 신호시간 산정모형은 다음과 같이 표현된다.

여기에서,

본 연구에서 제시하는 본선미터링 및 램프미터링의 통합 교통관리를 위한 최적 미터링 신호시간 산정 모형은 다음과 같은 특징이 있다.

첫째, 본 모형은 전통적인 램프미터링 신호최적화 방법인 FREQ의 Demand-Capacity 모형을 수정하여 요금소 본선미터링의 최적 통과허용 교통량을 결정 할 수 있다. 고속도로 본선이 이미 과포화 상태로 램프미터링 만으로는 효과적인 정체관리가 수행될 수 없는 경우 고속도로 본선의 제어는 불가피 하다. 이때 고속도로 통합교통관리의 일환으로 본선 상에 위치하는 요금소 하류부에서 신호운영을 통해 미터 링을 수행함으로써 효과적인 정체관리가 가능하다.

둘째, 본 모형은 FREQ의 램프미터링 신호최적화 기능을 유지함과 동시에 정체관리를 위한 본선미터 링을 수행할 수 있다. 본 연구에서 제시하는 통합 미터링 모형은 FREQ에서와 동일하게 통과교통량 최 대화를 목적함수로 하는 선형계획모형으로 전역해를 결정할 수 있다. 또한 본선요금소 및 분기점에서 수행 되는 미터링에 대해서는 최소 미터링 교통량을 조정 함으로써 중요 지점의 통과교통량 제어가 가능하다.

최근 고속도로 교통관리에서는 적극적 교통관리, 통합된 교통관리가 확산되고 있다. 이중 미터링 기 법은 가장 효과적이며, 강력한 정체관리 대안에 해 당한다. 본 연구에서 제시하는 램프 및 본선 통합미 터링 신호시간 최적화 모형을 이용해 고속도로의 효과적인 정체관리가 가능할 것으로 판단된다.

Ⅴ. 시뮬레이션 효과분석

램프미터링 및 요금소 본선미터링을 기반으로 하는 고속도로 통합교통관리 방안에 대해 시뮬레이 션 효과분석을 수행하였다. 효과분석은 <그림 4>와 같이 수도권의 대표적인 반복정체 구간에 해당하는 서울외곽순환선 김포요금소~시흥요금소의 판교방 향 20km 구간을 대상으로 하였으며, 해당 구간의 교통관리시스템 검지기 수집자료와 연결로별 진출입 교통량의 현장조사 결과를 이용하였다.

해당 구간은 중동 및 송내에서 램프미터링이 시 행중에 있으나, 계양 및 서운에서의 과도한 진입교 통량으로 인해 반복정체가 발생되고 있다. 또한 주 말 오후첨두 시간대를 기준으로 가장 극심한 반복 정체가 발생됨에 따라 시뮬레이션 분석 또한 2012년 4월의 토요일 평균 교통량 및 속도자료를 이용하여 18~20시 까지 2시간의 오후첨두 시간대 정체상황을 대상으로 하였다.

본 연구의 효과분석 대상에 해당하는 서울외곽 순환선 김포요금소~시흥요금소 구간 중 판교방향은 본선이 포화 상태에 해당하는 전형적인 반복정체 구간이다. 정체는 중동~계양구간에서 발생되고 있 으나, 김포요금소 지점의 본선 교통량이 시간당 6,000대 이상으로 4차로 구간에 중차량 비율이 약 10% 이상인 점을 감안할 때 정체지점 상류부가 이미 근포화 상태로 판단된다. 이로 인해 현재 중동, 송 내에서 램프미터링이 운영되고 있으나, 계양 및 서 운의 과도한 진입교통량으로 인해 반복정체가 발생되 고 있다. 본 연구에서는 <그림 5>와 같이 시뮬레이 션을 통해 검지기 수집자료와 유사한 정체패턴을 구 현하여 본선미터링에 따른 효과를 확인하였다.

시뮬레이션 효과분석을 위한 대안의 구성은 표 2와 같이 현황에서는 송내와 중동에서만 램프미터링이 시 행되고 있으며, 대안1의 경우 정체구간에 해당하는 김포요금소에서부터 송내까지 전체 지점에 램프미 터링을 시행한다. 또한 대안2에서는 대안1과 같이 전체 지점에서 램프미터링을 수행함과 동시에 김포 요금소에서 본선미터링을 수행한다.

본 연구에서 제시한 통합 미터링 신호시간 산정 모형을 이용하여 본선 및 램프들의 진입 허용교통 량을 산정하였다. 대안1에서는 계양, 서운 등 전체 램프의 진입 교통량이 현황 대비 평균 27% 감소하였 으며, 대안 2에서는 김포요금소 본선 미터링으로 요 금소에서 약 500대 수준의 미터링으로 램프 지점의 진입허용 교통량 비율은 현황 대비 평균 19% 까지 감소한 결과를 나타내었다. 본선 미터링을 통해 램 프미터링 단독 운영 대비 평균 8% 수준까지 계양 및 서운의 진입 허용교통량 증가 효과를 확인할 수 있으며, 램프부 정체의 완화가 가능하다.

본선미터링과 램프미터링 기반의 고속도로 통합 교통관리에 의한 본선의 구간별 통행속도를 분석결 과에 따르면, 현황에서는 <그림 5>와 같이 중동에서 김포요금소 까지 대기행렬이 발생하여 본선의 평균 통행속도는 32kph 수준을 나타내었다. 램프미터링 만이 전체 램프로 확대 시행하는 대안 1에서는 전체 구간에서 정체가 해소되어 본선의 통행속도는 81kph 까지 개선되며, 대안 2에서는 본선 정체구간은 해소되나 요금소 하류부의 신호운영으로 인해 요금소 지체시간을 포함하여 73kph 수준을 나타내었다.

미터링 지점에서의 대기행렬의 경우 <그림 6>에 서와 같이 현황에서는 계양 및 서운에서 미터링이 수행되고 있지는 않으나, 정체로 인한 대기행렬이 최대 1.8km 수준까지 발생되고 있다. 대안 2의 경우 진입허용 교통량 증가에 따라 서운의 대기행렬이 약 1.0km 수준까지 감소하며, 본선미터링이 이뤄지 는 김포요금소의 경우 400m 수준의 대기행렬이 발 생하였다. 이는 고속도로 본선 요금소에서 일시적 인 대기를 통해 본선의 정체개선 및 램프의 대기행 렬 감소에 명확한 효과를 나타내고 있음을 보여주 며, 정체지점의 통과교통량 또한 현황 대비 대안 2 에서 30% 이상 개선된 결과를 나타내었다.

고속도로 통합교통관리로 인한 정체개선 원리 및 효과는 <그림 7>과 같이 정체구간 상하류부의 교통량-밀도 그래프를 통해 설명될 수 있다.

정체구간의 상류부에 해당하는 1번 지점에서는 현황과 대안 모두 동일한 통과교통량 및 속도를 나 타내나, 정체지점에 해당하는 2번 지점에서는 현황 대비 통행속도의 개선과 함께 통과교통량 또한 시 간당 약 1,000대 이상의 증가효과를 나타내고 있다. 이는 현황에서는 계양 및 서운 지점에서 병목으로 인해 통과교통량 저하가 발생되기 때문으로 용량을 모두 사용하지 못하고 있는 상황을 나타내고 있다. 이때 정체 지점 하류부에서도 시간당 약 800대 이 상의 통과교통량 개선효과를 나타내어 고속도로 축 의 관점에서 통과교통량의 개선효과를 나타내었다.

Ⅵ. 결 론

본 연구에서는 정체상황에 적극적으로 대응하기 위한 방법으로 램프미터링과 본선미터링을 이용한 고속도로 통합교통관리 전략을 제시하였다. 이는 최근 세계적인 이슈가 되고 있는 Active Traffic Management, Integrated Traffic Management와 맥락을 같이하며, 교통관리기법 간의 통합운영을 통해 정체에 보다 적극적으로 대응하기 위한 전략에 해당한다. 본 연구에서는 FREQ에서 램프미터링 최적화에 사 용되는 Demand-Capacity 모형을 수정하여 본선미터 링과 램프미터링을 통합운영하기 위한 최적 미터링 신호시간 산정모형을 제시하였으며, 서울외곽순환 선을 대상으로 시뮬레이션 분석에서는 본선의 신호 제어를 수행하여 램프미터링 단독 적용시 대비 본 선의 정체개선과 함께 램프의 대기행렬을 개선시켜 고속도로 축의 관점에서 보다 효율적 운영이 가능 함을 확인하였다.

본 연구에서 제시한 통합교통관리 모형은 이력 자료들을 이용한 최적 미터링 운영계획수립의 측면 에서 접근함에 따라 정체상황이 고정적으로 반복되 는 구간에 한해 적용이 가능하며, 고속도로 네트워 크의 OD를 모두 알고 있어야만 하는 단점이 있다. 이에 향후 연구로서 램프미터링과 본선미터링 통합모 형의 적용성을 높이기 위해서는 하류부의 정체수준과 요금소 상류부의 교통수요 변동에 따른 실시간 미터 링 신호시간 최적화 모형의 개발이 요구된다.