Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

대도시의 경우 많은 인구와 타 지역으로부터의 출퇴근 차량, 백화점, 쇼핑센터와 같이 차량수요를 유발시키는 시설들이 분포되어 있어 주요도로의 주 방향과 부방향의 구분 없이 교통량이 크게 나타나 는 특성을 보인다. 이러한 도로의 교차로 운영은 정 주기식(TOD) 신호제어나 완전감응식(Fully-Actuated) 신호제어 기법이 많이 사용된다. 그러나 도로의 방 향별 교통량이 큰 차이를 보이는 지방부 도로의 경 우 정주기식 신호제어기법 보다는 차량 수요의 유 무를 자동으로 검지하여 주기별 신호제어의 효율성 을 높일 수 있는 반감응식(Semi-Actuated) 신호제어 방식이 효과적이라고 알려져 있다.

이러한 반감응식 신호제어 시스템 도입에 따른 효과는 소규모의 교차로를 대상으로 시뮬레이션 기 법을 통하여 일부 평가가 진행되었으나, 실제 현장 에 대단위 규모로 적용되어 평가된 사례는 거의 없 는 실정이다. 이는 반감응식 신호제어에 대한 인식 이 부족하였고 이를 실제 현장에 구현하기 위한 전 략이 부족하며, 또한 이러한 전략을 구현하기 위해 필요한 현장을 확보하기 어려운 이유 때문이다.

본 논문에서는 지방부도로에서 보행자 검지자료 및 부도로 차량의 검지자료를 이용하여 신호 제어 의 효율성을 극대화하는 반감응식 신호제어 기법을 실제 현장에 구현하는 전략을 개발하고, 이를 실제 교차로에 적용하여 평가된 정량화된 결과를 제시하 고자 한다. 이러한 평가를 위하여 통과교통량, 통행 시간, 지체차량수의 3가지 평가지표가 선정되었고, 사전·사후 조사를 통하여 오전 및 오후 첨두시간에 자료를 수집하였다. 그리고 본 연구는 이러한 평가 결과를 바탕으로 향후 지방부도로에 반감응식 신호 제어 기법을 확대 운영하기 위한 타당성을 제공하 기 위한 부가적인 목적을 갖는다.

2. 연구의 범위 및 방법

본 연구의 수행방법은 먼저 반감응식 신호제어 와 관련된 기존 연구결과를 고찰하였고, 반감응 신 호제어를 현장에 적용하기 위한 구현 방안을 정의 하였다. 그리고 정의된 방안을 수용하기 위해서는 표준 신호제어기내 반감응 제어에 관한 기능이 추 가되어야 하며, 이를 위해서 프로토콜등을 변경하 여 구성하였다. 이러한 반감응 제어기능이 추가된 표준신호 제어기를 현장 교차로에 적용한 후, 반감 응 제어 적용에 관한 효과를 사전·사후 조사를 통 하여 수집된 현장 자료를 이용하여 평가하였다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 감응식 신호제어시스템 개요

경찰청에서 규정한 표준신호제어기의 감응제어 방식은 지역감응제어와 앞막힘제어, 특수제어가 있 으며, 지역감응제어는 NEMA (National Electrical Manufacturers Association)에서 규정한 완전감응제어 와 반감응제어가 선택사항으로 규정되어 있다. 앞 막힘제어는 과포화 교통상황에서 교차로 상류부에 설치된 앞막힘 예방검지기의 자료를 이용하여 앞막 힘 현상을 예방하기 위하여 실시되는 제어이다. 특 수제어는 현시생략, 현시유지, 비상제어등이 규정되 어 있다.

완전감응식 신호제어는 주기별 교통량 변동이 크고 주도로와 부도로의 교통량 차이가 크지 않은 교차로의 신호 운영에 사용되고, 주도로와 부도로 의 구분 없이 모든 접근로의 이동류를 감응의 대상 으로 정의한다. 완전감응 신호제어의 알고리즘은 최소녹색시간 이후의 현시에 대하여 검지기의 차량 검지 유무에 따라 Gap-out을 결정하여 현시를 진행 한다[1].

반감응식 신호제어 방식은 주기별 교통량 변동 이 크고 교차도로의 성격이 주도로와 부도로로 확 연히 구분이 되는 경우에 사용되고, 주도로의 녹색 시간을 최대로 보장하는 방식으로 제어를 진행한 다. 반감응식 신호 제어 방식의 신호 시간은 주 현 시의 신호 시간을 중심으로 계산되어, 감응 현시의 차량이 존재하지 않는 경우는 주기의 모든 시간이 주현시에 부여된다. 이러한 반감응식 신호제어는 방향별 교통량의 차이가 큰 지방부 중소도시나 도 심부의 외곽도로에 적용하면 운영효과를 극대화 할 수 있다.

2. 관련 연구 고찰

이두선(2006)은 독립교차로 두 곳을 시험대상으 로 하여 상용프로그램인 NETSIM을 이용하여 Transyt-7F로 최적화 된 기존의 TOD방식과 완전 감 응식을 비교하였고 완전감응식 신호제어로 운영할 때 기존의 정주기식보다 지체시간과 교차로 통과시 간이 감소하고 평균속도가 증가한다는 것을 보여 주었다[2]. 박두용(2004)은 지방부 독립신호교차로 를 실험 대상으로 하여 정주기식과 감응식 신호제 어를 비교한 결과, 감응식 신호제어가 약 4~7%의 차량 당 평균지체 감소가 나타난 것으로 보고하였 다[3]. 석종수(2004)는 인천광역시의 수현삼거리를 대상으로 정주기식과 감응식 신호제어방식을 비교 한 결과 감응식 신호제어가 보다 효과적인 것으로 나타났고, 특히 좌회전 교통량이 불규칙적이고 주 방향 교통량이 많은 교차로에서는 좌회전 감응 신 호시스템이 매우 효율적임을 주장하였다[4].

정동우(2007)는 반감응 신호제어와 보행자작동신 호기를 함께 고려한 교통량과 보행량에 따른 7개의 시나리오를 구성하고, 시뮬레이션(VISSIM)을 통하 여 효율성을 측정한 결과, 교통량이 실측교통량의 20%수준일 때 차량 당 지체시간 감소 효과가 가장 큰 것으로 나타났다[5]. 김규옥(2007)은 고양시 관내 를 지나는 지방도 310선 상의 6개 교차로를 대상으 로 중요교차로의 차량검지체계로부터 얻어진 신호 주기 정보를 반감응 제어를 위한 공통신호주기로 이용하여 인접 교차로와 연동하는 시스템을 구축하 여 그 효과를 제시하였다[6]. 그리고 지방지역 독립 교차로에 대하여 감응신호방식의 실시간 제어기법 을 적용하기 위하여 제어기의 소프트웨어와 검지기 체계 등 하드웨어를 개선·보완한 시스템 개발하여 현장실험을 실시하였다. 그 결과 지체와 딜레마존 (Dilemma Zone)이 감소되는 결과를 얻었다[7].

Lin(1992)은 루프검지기를 이용한 반감응신호운 영의 절차를 제시하였다. 신호교차로의 서비스를 평가하기 위한 평균주기길이와 녹색시간의 이 두 변수는 지체모형에서 흔히 사용되는 변수로서 1985 년도에 출간된 HCM에서는 이들 변수를 평가하기 위해 모형을 제시하였으나 신뢰성이 떨어진다고 판 단하였고, 해당 논문에서 보행자 감응신호와 함께 운영되는 반감응신호운영의 적용을 위한 개선된 분 석절차를 제시하였다[8]. Simoes(2010)등은 microscopic 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 독립교차로에서 의 반감응신호 제어시 발생되는 차량의 특성을 평 가하였다. 현장에서 측정된 지체와 모형의 지체를 비교하여 실제적으로 적용가능성을 검증하여 제시 하였다[9].

Hunter(2010)등은 hardware-in-the-loop(HILS) 시뮬 레이션기법을 이용하여 반감응신호제어와 TOD제 어, 그리고 대응(adaptive)신호제어 전략을 비교하여 평가하였다. 평가결과 두 전략은 유사한 결과를 나 타내었으나, 특정한 시간대의 HILS로부터 나타난 결과가 예상치 못한 큰 변동성을 나타내어 대응신 호전략이 이러한 상황에서는 보다 적합한 것으로 파악하였다[10]. Pratt(2011)등은 감응식 신호제어에 관련된 검지기 규격, 신호현시계획, 철도 신호등을 포함한 다양한 내용을 정리하여 감응식 신호제어를 실행하는 운영자에게 도움이 되는 자료를 종합하여 제공하였다[11]. Skabardonis(1998)등은 14개 신호교 차로를 대상으로 시뮬레이션 평가를 수행하여 연동 화 신호교차로의 신호시간을 설계하는 전략을 개발 하였다. 개발된 전략은 기존의 교차로 운영 전략과 비교하여 신호교차로의 운영 효과를 향상시킬 수 있는 것으로 평가되었다[12]. Chang(1994)등은 연동 화된(coordinated) 감응식 신호제어 효과에 대하여 현장자료를 이용하여 평가하였다. 평가결과 반감응 신호제어를 실시한 경우 정주기신호나 완전감응을 적용한 경우에 비교하여 큰 운영 효과의 향상이 관 측되었다[13].

국내외 연구를 검토한 결과, 반감응식 신호시스 템이 실제 현장에 대단위 규모로 적용되어 평가된 사례는 거의 없는 실정이며, 구체적인 현장 적용방 법에 대한 제시도 미흡한 실정이었다. 따라서 본 논 문은 반감응 제어시스템을 현장에 대규모로 적용하 기 위한 구체적인 구현 방법을 제시하고 효과평가 를 수행하여 결과를 제시하고자 한다.

Ⅲ. 반감응 신호제어 전략 구현

1. 현시 및 검지체계

반감응 제어의 현시(Phase)체계는 2현시에서 8현 시까지 구현이 가능하며, 감응신호제어 운영 변수 는 최소녹색시간(Minimum Green Interval), 진행연장 시간(Extension Interval), 최대녹색시간(Maximum Green Interval)의 변수로 운영되며 검지기의 차량 감응에 따라 녹색시간이 연장 또는 종결된다[1, 14].

본 연구에서는 기존의 반감응제어 기법을 위한 검지기체계를 수정하여 주도로 좌회전 차로와 부도 로의 직진 및 좌회전 차로에 루프검지기(Inductive Loop Detector)를 매설하여 직진과 좌회전 차량을 검지하도록 하였고, 이에 따른 반감응 제어가 가능 한 현시체계를 아래 내용과 같이 구현하였다. 또한, 횡단보도 보행자를 검지하기 위해서 보행자 푸쉬버 튼을 설치하여 적용하였다.

2. 반감응 신호제어 구현 방안

1) 반감응 제어 구현 전략

본 연구에서 구현된 반감응 제어 전략은 3지 교 차로와 4지 교차로가 기본적으로 동일하며, 위에 설명된 검지체계를 수용하여 현장에 적용하기 위하 여 계획된 제어 전략의 주요 구현 내용은 다음과 같다.

2) 반감응 현시운영 방안의 구현

3지 교차로의 운영 전략의 구현내용은 <그림 1> 과 같다. 주 현시는 3현시이며, 1현시는 싱글링으로 운영하고, 2,3현시는 듀얼링으로 구성하며, 보행자 푸쉬버튼을 1현시에 적용한다. 1현시의 경우는 횡 단보도 보행자와 부도로 좌회전 차량이 없을 경우 에 현시를 생략 할 수 있으며, 2현시의 경우는 주도 로 좌회전 차량이 없을 경우, 현시를 생략하여 운영 할 수 있다.

4지 교차로의 운영 전략의 구현내용은 <그림 2>와 같다. 4지 교차로의 주현시는 4현시이며, 1현시와 2현 시의 경우 부도로 좌회전 차량이 없을 경우 현시를 생 략할 수 있으며, 3현시의 경우 주도로 좌회전 차량이 없을 경우 현시를 생략하여 운영할 수 있다.

단일로의 경우 두 개의 현시로 구현하고, 주현시 는 2현시로 설정하여 운영한다. 단일로의 반감응제 어는 표준 신호제어기에 설정되어 있는 기본 기능 으로 운영이 가능하며, 표준 신호제어기의 보행자 푸쉬버튼 감응제어 기능을 사용할 수 있다. 그리고 교차로에 횡단보도가 있는 경우 이와 같은 기본 현 시운영전략을 기반으로 해당 교차로에 적합한 현시 전략을 구성하여 운영할 수 있다.

3) 반감응 현시의 표준제어기 구현

본 연구에서 계획된 반감응 신호제어 기능을 수 행하기 위해서는 표준제어기내 주요 기능을 변경하 여야 한다. 이러한 변경사항 중 본 연구에서 적용된 주요 내용은 다음 <표 1>에 정리되었다.

표준 프로토콜내에 Start-up code와 Function table 을 변경하여 반감응 제어기능을 추가하고, 이와 관 련된 signal map table과 검지기 DB등에 대한 내용 이 요구된다.

Ⅳ. 반감응 신호제어 전략 평가

1. 현장시스템 구현

반감응 신호제어 전략 평가를 위하여 이천시 전 역 51개소 교차로 중에서 18개 교차로를 선정하여 루프검지기를 설치하였고, 이중 14개 지점에는 보 행자 푸쉬버튼을 함께 구성하였다. 그리고 센터 장 비는 표준 신호제어기와 온라인(On-Line)으로 연결 되어 반감응 제어와 관련된 검지기 정보를 수신하 고, 신호제어 변수를 계산하여 송신하는 역할을 수 행하도록 구성하였다. 18개 교차로는 기하구조 및 횡단보도 유무에 따라 유형별로 분류되었고, 현장 상황을 반영하여 3장의 반감응 제어 구현 내용에 따라 구현되었다.

예를 들어, 중일사거리에 구축된 내용은 <그림 3>과 같다. 주도로 좌회전차로와 부도로 좌회전과 직진 전체차로에 검지기를 매설하여 차량을 검지하 도록 하였다. 현시구성은 4현시 체계로서, 4현시에 주도로 직진신호를 부여하였고, 1현시를 좌회전 현 시로 설정하였으며, 1현시, 2현시, 3현시에 대해서 감응제어를 실시하였다.

반감응 제어를 운영하기 위한 필요한 변수는 주 기길이, 최소 현시시간, 최대 현시시간, 단위연장시 간, Yield point등이다. 본 연구에서는 각 현시별로 최대 및 최소 현시시간을 각각 다르게 지정하였고, 기타의 설계 변수는 일반적인 산출 방법을 적용하 여 계산하였다[14].

2. 평가 방법론

효과평가는 시스템 구축 전·후의 현장조사 자료 를 수집하여 이루어졌다. 평가를 위하여 시스템 구 축 이전인 2009년 10월 26일~11월4일 10일간 사전 조사를 실시하였다. 시간대별 교통특성을 파악하기 위하여 조사시간을 오전첨두시, 오후첨두시로 구분 하였고, 평가지표는 통과교통량, 통행시간, 교차로 지체차량수를 선정하였다. 그리고 사후조사는 시스 템 구축 이후 2010년 2월 17일~26일 10일간 실시하 였으며, 사전 및 사후 조사의 외부적인 영향 (external effect)을 최소화하기 위하여 동일한 요일과 시간대에 동일한 방법으로 자료 수집을 하였다.

3. 결과분석

1) 통과교통량

본 연구의 18개 교차로 중 교통량이 많고 교통소 통에 큰 영향을 주는 주요교차로 3곳을 선정하여 조사하였다. 선정된 주요교차로의 통과교통량 변화 를 분석한 결과는 <표 2>와 같다.

오전 첨두시간의 교통량은 평균적으로 9.4% 증 가하였고, 오후 첨두시간의 경우 약 11.3%의 교통 량의 증가가 있었다. 이는 반감응 신호제어에 따른 주방향 직진차로의 용량이 증대됨으로써 통과교통 량의 개선이 이루어진 것으로 판단된다. 그러나 이 러한 교통량의 변화는 각 교차로 별로 또한 큰 차 이가 있는 것으로 파악되었다. 예를 들어, 사음동 삼거리의 경우 다른 2개 교차로와는 반대로 첨두시 간의 교통량의 합이 감소한 것으로 나타났다.

각 교차로의 주도로와 부도로의 각 방향별 통과 교통량을 비교한 결과는 <그림 4>와 같다. 그림에 서 보듯이, 본 연구에서는 주도로와 부도로 모두 통 과교통량이 증가한 것으로 파악되었다. 주도로의 경우 약 1,050대의 교통량의 증가가 나타났고, 부도 로의 경우 약 120대 정도의 교통량이 증가하였다. 부도로의 경우 반감응 신호제어를 적용하여 주도로 방향의 효과를 확대함에 따라 교통량의 감소가 예 상되었으나, 해당 교차로의 교통량이 매우 적은 관 계로 반감응 신호제어로 이를 수용하는데 큰 문제 가 없는 것으로 확인되었다. 그러나 적정한 부도로 교통량을 갖는 일반 교차로의 경우 반감응 신호제 어 적용에 따라 부도로 방향의 효과감소가 예상될 수 있다.

2) 통행시간

통행시간 조사를 위하여 4개 교차로 축에 대한 8 개 구간을 선정하였다. 선정된 구간의 총길이는 16 km이고 총 38개의 교차로를 포함하고 있다. 선정된 8개 구간의 오전 및 오후 첨두시간의 통행시간 변 화를 분석한 결과는 다음 <그림 5>와 같다. 반감응 신호제어를 적용한 후, 오전 및 오후 첨두시간대에 대부분 구간에서 통행시간이 감소되었고, 그 크기 는 구간별로 차이가 나타났다. 전체적으로는 통행 시간이 오전 첨두시에는 6.3%, 오후 첨두시에는 7.8% 감소한 것으로 계산되었다. 이는 반감응 신호 제어 적용에 따라 교통 수요가 큰 주방향 직진 차 량에 대한 녹색시간을 추가로 제공하는 방법으로 주방향 차량의 연동 폭이 확대됨에 따라 주방향의 통행시간이 개선된 것으로 분석되었다.

3) 교차로 지체차량수

앞서 선정된 주요교차로 3곳에 대하여 지체차량 수의 자료를 수집하여 분석하였고, 결과는 <그림 6>과 같다. 반감응 신호제어를 적용한 후, 조사된 주요교차로 3곳 모두에서 지체차량 수가 감소된 것 으로 파악되었다. 오전 첨두시에는 약 34.6%, 오후 첨두시에는 약 23.9% 감소하였고, 전체적으로는 지 체차량수가 약 29.2% 감소한 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 앞 <그림 4>에 분석된 바와 같이 통과교통량이 증가한 교통상황에서 조사된 지체차 량수의 감소된 결과이므로 실제적인 효과에 대한 의미는 더욱 의미가 있다고 판단된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 교통량의 변화가 크게 발생하는 지방 부도로에서 교통량과 보행자를 검지하여 부도로 신 호시간을 통제하는 반감응 신호제어 기법에 대한 현장 구현 전략을 개발하고, 표준신호제어기의 프 로토콜을 변경하여 반감응 신호 제어기능을 추가 하였다. 그리고 지방도시의 실제 교차로를 대상으 로 반감응제어를 현장에 구현하고, 통과교통량과 통행시간, 지체차량수를 효과척도로 하여 사전 및 사후조사를 실시하였다.

수집된 자료를 이용하여 분석한 결과, 반감응제 어 기법 도입에 따라 직진교통량 처리용량이 증대 되어 오전 첨두시간의 교통량은 평균적으로 9.4% 증가하였고, 오후 첨두시간의 경우 약 11.3%의 교 통량의 증가가 나타났다. 그리고 주방향 직진 차량 에 대한 녹색시간을 추가로 제공함에 따라 주방향 연동 폭이 확대되어, 평균적인 통행시간이 오전 첨 두시에는 6.3%, 오후 첨두시에는 7.8% 감소하였다. 지체차량수도 전체적으로 약 29.2% 대폭 감소되어 반감응 신호제어 효과가 큰 것으로 나타났다. 따라 서 반감응제어 적용이 가능한 통행특성을 갖는 지 방부도로에는 반감응제어의 도입에 따른 효과가 매 우 큰 것으로 파악되었다.

그러나 이러한 반감응 신호제어 시스템은 유지 관리에 따른 비용이 증가하고, 적절하게 유지관리 를 못하는 경우에는 사고발생 위험이 증가되고 운 전자의 불만이 증가될 수 있다. 따라서 이러한 장단 점을 종합적으로 고려하여, 이러한 시스템을 향후 전국적으로 확대 적용하는 방안에 대한 적극적인 검토가 요구된다.

향후에는 COSMOS 신호제어시스템의 센터운영 알고리즘과 병행한 반감응제어 운영방식을 도심 네 트워크에 적용하는 방안에 대한 연구가 필요하다. 또한 다양한 감응제어 알고리즘에 대한 현장 적용 연구가 필요하다.