Ⅰ.서 론

1.연구의 배경 및 목적

IT기술의 발전으로 스마트폰 Application을 통해 모든 사람들이 최단경로로 인한 통행이 이루어지고 있으 며, 대중교통 경로정보제공 서비스로 이용자의 편의성을 증진시키고 있다.

그러나 기존 경로탐색 알고리즘은 Shortest-path기반의 최단시간 경로탐색에 국한되어있어, 대중교통 이용 객들의 선호에 따른 안전하고 편리한 경로 제공이 어려운 실정이다.

따라서, 이용자의 선호 여부에 따른 최적경로 탐색을 위해 안전, 환경과 관련된 교통수단 별 Impedance를 개발하고, 이러한 Impedance를 반영한 최적경로탐색 알고리즘 도출이 필요하다.

향후 스마트폰 Application에 이용자 선호에 따른 경로탐색 알고리즘을 도입할 시 안전, 환경에 대한 경로 를 선택하여 이용자들에게 매우 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 이를 통해 이용자 친화적인 측면의 정보제 공 질 향상을 도모할 수 있다.

2.연구 수행 절차

기존 경로선택 알고리즘은 통행거리, 통행시간, 비용 등의 계수로 최단경로를 탐색한다. 본 연구에서는 기 존알고리즘에 이용자 선호에 따른 안전, 환경 계수를 추가 고려하여 경로를 탐색하고자 한다.

기존 지침 및 보고서에 공시된 교통사고 및 환경관련 원단위를 활용하여 사망자 수 및 오염물질 배출량 data를 Link 거리당 가중치로 정립한다. 정립된 가중치를 교통사고비용, 온실가스 배출 비용 원단위를 적용하 여, 사고 비용 및 환경 비용으로 화폐화한다.

경로를 도출하기 위해 Macro Simulation(VISUM)에 대상지 Network와 대중교통현황을 구축하고 이를 통행 거리에 따른 사고, 환경 비용을 부과하여 안전, 환경을 고려한 최소화 비용에 따른 최적경로를 도출하고자 한다. <Fig. 1>

Ⅱ.선행연구 고찰

1.경로탐색 알고리즘

최단경로 탐색은 출발지, 목적지간의 다수의 경로에서 가장 짧은 경로를 찾는 방법으로 대표적인 경로탐 색 알고리즘은 Dijkstra 알고리즘과 A＊알고리즘이 있다.

Dijkstra 알고리즘은 출발지에서 목적지까지 존재하는 여러 경로 중 인접 노드값의 가중치를 누적하여 최 종적으로 누적된 가중치 값이 가장 낮은 경로를 탐색하는 알고리즘으로 모든 경로를 탐색하여 분석시간이 길다.

A＊알고리즘은 경험에 근거한 탐색방법으로 특정 방향에 있는 노드를 먼저 고려하여 탐색시간은 짧으나 확률적인 방향 탐색으로 Dijkstra 알고리즘에 비해 최단 경로탐색이 어려울 수도 있는 한계가 발생한다.

2.선행 연구 검토

Ok et al.(2010)은 개미군집 최적화 및 A＊휴리스틱 알고리즘이 융합된 더 안전하고 특정 경로를 선호하는 운전자를 위한 최적경로 탐색 알고리즘을 제안하였다. 주어진 맵의 링크 속성정보를 이용하여 선호도가 높 은 링크들로 이루어진 경로는 최소비용 경로라 추정하는 방식으로 각 링크의 사용자 선호도에 따른 경로를 도출하였다.

Kim et al.(2011)은 단순히 최적경로를 찾는 것이 아니라 다양한 변수를 고려하여 속도의 저하를 최소로 막을 수 있는 유전 알고리즘 기반의 경로 탐색 알고리즘을 제안하였다. 노드를 기준으로 무작위로 경로를 설 정하여 실험하였으며, 거리 이외에 고려 가능한 요인을 추가한 알고리즘을 설계하였다. 연구의 한계 및 향후 방안으로 기존 경로탐색과 개발알고리즘과의 비교분석이 필요하다 하였다.

Lee and Kim(2013)은 안전운전을 위해 위험지역(사고 다발구간, 어린이 보호구역, 교차로 지역)이나 위험 시간대(어린이 보호구역)를 고려하여 회피 할 수 있는 경로탐색 방법을 제안하였으며, A＊알고리즘을 활용 하여 위험지역, 위험시간대에 따른 가중치를 부여하는 방식으로 경로를 탐색하였다.

또한, 위험지역을 종류별로 서로 다른 휴리스틱 가중치를 적용하였다.

3.선행 연구 시사점

선행연구에 따르면, 기존 경로 탐색 알고리즘에 변수를 추가 설정하여 안전한 경로를 도출하였으며, 지역 및 구역에 따라 안전 가중치를 구분하였다. 연구방법으로 선호도 및 안전도에 따른 가중치를 비용으로 전환 하여 누적비용에 따라 경로를 탐색하는 방식으로 연구를 진행하였다.

선행연구에서는 알고리즘 개발에 초점을 맞춘 연구로 안전 저항값의 설정 방안 및 근거에 대한 내용이 부 족하였으며, 환경에 대한 경로 탐색 연구는 아직 진행된 바가 없었다.

따라서, 본 연구에서는 지침 및 보고서의 공시된 지표를 활용하여 Impedance을 설정하고 이를 거리당 비 용으로 화폐화하여, 기존 경로 탐색 알고리즘에 안전 및 환경관련 비용을 추가 고려한 경로를 도출하고자 한다.

Ⅲ.경로 탐색 방법론

1.경로 탐색 활용 알고리즘

본 연구에서는 Macro Simulation(VISUM)의 대중통분석기법인 Transport-system-based Assignment, Headway-based Assignment, Timetable-based Assignment 기법 중 모든 노선의 운행스케줄을 입력하여 분석을 실시하는 Timetable-based assignment을 활용하여 분석을 시행하였다.

Timetable-based Assignment은 대중교통 노선에 따라 정확한 출발과 도착시간을 고려한 배정기법으로 최적 경로뿐만 아니라 다양한 경로탐색이 가능하다.

또한, 대중교통 운영에 대한 정보(운행시간, 노선, 배차간격 등)가 필요하다는 단점이 있으나, 시간표에 따 라서 환승 대기시간이 조정되며, 현실과 유사한 경로 도출이 가능한 기법이다.

경로를 탐색하기 위한 알고리즘은 Shortest-Path 경로탐색 알고리즘과 Branch & Bound 알고리즘을 사용한 다. Shortest-Path 알고리즘은 가장 최단거리의 경로를 탐색하는 방법으로 거리대비 낮은 Impedance값으로 경 로를 탐색한다. Branch & Bound 알고리즘은 전체 분석시간동안 모든 경우의 적정한 경로를 분석하고 경로를 찾을 때, 소요시간, 환승횟수, 요금, 환승 저항값을 포함한 Impedance를 고려하여 경로탐색을 실시한다. Branch & Bound 알고리즘의 식은 식 (1)과 같다.

본 연구에서는 Timetable-based assignment기법의 Branch & Bound 알고리즘을 활용하여 경로를 도출하고자 하며, 안전 및 환경관련 Impedance를 거리대비 비용으로 환산하여 경로탐색 알고리즘에서 요금 저항값을 추 가로 부여하여 경로를 도출하고자 한다.

2.안전, 환경관련 Impedance 적용

본 연구에서는 공시된 지침 및 연구보고서의 원단위를 활용하여 Impedance를 산정하고자 한다.

안전관련 Impedance는 사고 유발지역과 같은 고정된 환경인 도로유형별 사고 원단위를 이용하여 Impedance 를 산정한다.

환경의 경우 차종별 배출량이 다른 관계로 수단에 따른 온실가스 배출량 원단위를 활용하여 Impedance를 산정한다.

1)안전 Impedance

도로교통공단 교통사고분석시스템에서 제공하는 도로유형별 교통사고 발생비율 원단위를 적용하였다. 교 통사고 원단위는 차량의 대수와 거리당 사망자 및 부상자수로 환산되어 있다. 이를 활용하여 Network내 Link 당 통과하는 차량대수 및 Link 거리에 따른 원단위를 적용하여 최종적으로 Network내 도로 유형별 안전 Impedance를 도출한다.

제공되는 도로유형별 교통사고 원단위는 고속도로, 지방도, 국도로 구분되어있다. 분석을 하기위해서 시· 군도에 대한 가중치도 필요하나, 시·군도의 경우 주행거리(대·km)를 고려하여 산정한 교통사고 자료가 부재 한 상황이다. 따라서, 자료의 한계로 인해 시·군도의 경우 직접 접속되는 도로의 유형을 적용하여 교통사고 발생비율을 임의적으로 산정하였다.

도시철도의 경우 국토교통부 공시자료를 활용하였으며, 철도는 km당 사망자 및 부상자수의 단위로 발생 비율이 산정되어 있다.

이를 구축된 철도 Link의 km당 사고건수 발생 비율을 적용하여 철도 안전 Impedance를 분석한다. <Table 1>-<Table 2>

2)환경 Impedance

교통수단별 온실가스 배출량은 연구에 따라 차이가 발생하여 본 연구에서는 기후 변화대응 철도분야 온 실가스 저감방안 연구에서 분석한 수단별 CO₂ 배출량 자료를 활용하였다. <Table 3>

3.Impedance 비용환산

안전 Impedance를 비용으로 환산하기 위해 도로와 철도 Network의 Link당 사상자를 추출하였으며, 이를 도로, 철도 사고비용으로 환산하여 도로, 철도에 따른 사고 저항 값을 산출하였다. <Table 4>

대기오염 물질 비용 원단위 추정방법은 다양한 방법이 있으나, 도로 철도 부문사업의 예비타당성조사 지 침에 제시된 원단위를 적용하였다.

환경 Impedance 수단별 거리대비 발생량을 산정하고 이를 비용으로 환산하여 적용하였다.<Table 5>

따라서 안전에 따른 저항값은 도로유형별로 화폐화하였고, 환경은 수단별 온실가스배출량을 화폐화하였 으며, 기존 분석알고리즘에 안전, 환경 Impedance Fare(요금)을 가중하여 경로를 도출하였다.

Ⅳ.Case Study

1.대상지 선정

본 연구는 대전광역시를 대상지로 선정하여 분석을 시행하였다. 대전광역시는 경부고속도로, 호남고속도 로, 김천도시고속도로가 외부를 순환하고 있으며, 17번, 4번, 32번 지방도가 내부를 통과하고 있다. 또한, 대 전 도시철도 1호선이 도시중앙을 통과하고 있어 다양한 수단(버스, 도시철도) 및 도로유형으로 최적경로탐색 알고리즘 분석에 적합하다 판단된다.

2.분석환경 구축

VISUM을 구축하여 경로탐색 분석을 시행하고자 한다. 대중교통 최적노선을 분석할 시 대상지의 네트워 크(교통망)가 필요하며, KTDB 네트워크와 Navigation 네트워크, 국가 표준 Node/Link를 활용하여 네트워크를 구축하고 수정작업 시행하였다.

통행발생 주요지역(정류장)의 위치에 따라 Traffic Zone으로 전환하였으며, Zone과 Zone 내 주 출입구와의 Connector를 연결하여 기초 네트워크 작업을 시행하였다.

또한, 대중교통을 분석하기 위해 노선, 정류장, 수단(지하철, 버스 등), 운행스케줄을 입력하여 대전광역시 대중교통 Network를 구축하였다. <Fig. 2>-<Fig. 3>

사고 저항값을 고려한 경로를 도출하기 위해 도로유형별로 구축된 Link에 교통사고 Impedance을 입력하고 수단별 거리당 요금을 측정할 때, 화폐화한 사고 비용 가중치를 도로유형에 따라 누적하여 사고 Impedance를 고려한 경로를 탐색하였다.

또한, 환경 Impedance를 고려한 경로의 경우 수단별 온실가스 배출량에 따른 비용을 환산하여 거리당 비 용을 가중한 경로를 탐색하였다. <Fig. 4>-<Fig. 5>

3.시나리오 설정

출발지에서 목적지까지 기존경로탐색 알고리즘으로 도출한 최단경로를 기준으로, 최단경로 시의 환승횟 수 및 수단에 따라 3가지의 시나리오로 구분하였다.

4.시나리오 분석 결과

1)시나리오 1

시나리오1은 최단경로를 기준으로 환승을 하지 않는 출발지에서 목적지까지의 경로를 도출하였다.

평생교육문화센터 정류장에서 대동역 정류장으로의 최단경로는 환승 없이 101번 버스를 탑승하여 통행하 는 경로로 분석된다. <Fig. 6>

안전을 고려한 경로의 경우 출발지인 평생교육문화센터에서 버스를 이용하여 환승지인 용문역에서 하차 후 지하철로 환승하여 통행하였다.

환경을 고려한 경로의 경우 출발지에서 목적지까지 사고를 고려한 경로와 지하철패턴은 유사하나 버스 노선선택에서 차이를 보였다.

이는, 안전 Impedance를 산정할 때, 각 Link를 통과하는 차량 대수도 같이 환산하기 때문에 혼잡한 도로는 저항값이 높아 우회하는 경로나 한산한 도로를 이용하는 경향이 발생하여 노선선택에서 차이가 발생하는 것 으로 분석된다. <Fig. 7>-<Fig. 8>

최단경로의 경우 최단거리로 환승 없이 통행을 하였고, 안전경로와 환경경로에서는 저항값이 버스보다 상 대적으로 적은 지하철로 환승하는 경로가 도출되었다. <Table 6>

2)시나리오 2

시나리오2은 환승을 1회 이상 하며, 한 가지 수단으로 통행하는 경로로 서부종합상가 정류장에서 대덕산 단네거리 정류장으로의 경로를 도출하였다.

최단경로와 환경을 고려한 경로가 동일한 수단과 패턴을 보이며, BRT급행노선을 이용한 버스로 환승하는 경로로 분석된다.

안전경로는 4번 환승(버스 3회, 지하철 1회)하는 것으로 분석되며, 서대전네거리역에서 대전역까지 6분가 량 지하철을 활용한 경로로 탐색된다.

도로유형별 원단위에서 고속도로의 원단위가 가장 작으나, 고속도로에 횡단하는 차량대수가 많기 때문에 교통량 대비 저항값이 높아 천별도시고속도로가 아닌 일반 시·군도로를 이용한 통행패턴을 보인다. <Fig. 9>-<Fig. 10>

안전경로의 경우 최단경로보다 통행시간이 배로 소요되었다. 이는, 버스 이동을 최소한으로 줄이기 위해 보행을 최대한 하여 먼거리 정류장에서 환승을 하기 때문에 차이가 발생하는 것으로 보인다.<Table 7>

3)시나리오3

시나리오3은 환승을 1회 이상하며, 지하철과 버스를 이용하는 경로로 현충원역 정류장에서 산성초등학교 정류장까지의 경로를 도출하였다.

최단경로의 경우 버스와 지하철을 한 번씩 탑승한 경로로 도출되었다. <Fig. 11>

안전경로의 경우 현충원역에서 서대전네거리 역까지 지하철 탑승시간이 20분 소요되며, 이후 버스를 두 번 환승하여 목적지까지 도착한 경로가 탐색되었다.

환경을 고려한 경로의 경우, 현충원역에서 오룡역까지 지하철을 이용하고 후에 버스로 환승하였다. 이때, 지하철 탑승시간은 총 12분으로 최단경로보다 한 정거장 더 이용한 경로로 도출되었다.

이는, 지하철의 경우 온실가스 배출량이 낮아 저항값이 적어 환경을 고려한 경로를 선택할 시 지하철을 선호하는 것으로 분석된다. <Fig. 12>-<Fig. 13>

최단경로는 최소시간을 기반한 경로로 가장 짧은 통행시간을 보인다. 또한, 저항값을 고려한 안전, 환경 경로에서는 상대적으로 저항값이 작은 지하철 이용하는 시간이 최단경로보다 많았다.

환경경로보다 저항값이 높은 안전경로의 경우 우회하더라도 지하철을 최대한 이용하는 경로로 분석되 었다.

환경을 고려한 경로는 통행거리는 가장 짧으나 통행시간은 긴 것으로 분석되었다. 이는 환승을 하기 위한 보행동선이 길어 생긴 것으로 분석된다. <Table 8>

5.분석 종합결과

사고 및 환경 저항값이 가중된 다양한 경로 중 각 최단경로, 사고, 환경 별 VISUM 분석 시 I-J간 O/D Trips이 가장 높은 경로를 추출하였다.

시나리오 1의 경우, 사고와 환경을 고려한 Impedance를 적용하였을 때, 수단별 저항값으로 인하여 경로탐 색 시 우회하더라도 출발·목적지 상에 지하철이 있으면, 지하철을 활용한 경로로 도출되었다.

시나리오2의 경우 최단경로와 환경에서는 차이가 없었으나, 환경보다 상대적으로 저항값이 높은 사고경로 는 저항값을 최소화하기 위해 지하철을 이용하려는 경향이 있으며, 안전경로 시 혼잡하지 않아 저항값이 낮 은 도로로 돌아가는 경로를 택하여 요금을 최소화하는 방안으로 경로를 탐색한다.

시나리오3의 경우 모든 경로에서 지하철 이용패턴이 다른 것으로 분석된다. 최단경로, 환경경로, 안전경로 순으로 저항값이 작은 지하철을 더 이용하여 통행하는 것으로 분석된다.

시나리오별 분석을 시행하였을 때, 기존 버스를 이용한 경로에서 저항값이 작은 지하철로 환승 및 수단이 전환되는 것으로 분석되었으며, 환경에 비해 안전의 저항값 단위가 크기 때문에 안전에 의한 영향을 많이 받 는 것으로 보인다.

또한, 저항값이 클수록 보행하여 통행하려는 경향이 있었으며, 이를 보완하고자 보행 최대시간은 20분으 로 설정하였다.

Ⅳ.결론 및 향후 연구 과제

1.연구의 결과

대전광역시를 대상으로 교통사고 및 오염물질 배출량을 화폐화하고 거리대비 비용으로 환산하여 경로탐 색을 실시하였다.

사고 및 환경을 고려하였을 때, 저항값이 높은 도로보다 저항값이 적은 지하철를 이용한 통행이 발생되었 으며, 더 안전하거나 친환경적으로 가기 위해 우회하더라도 지하철을 이용한 경로로 도출이 되었다. 또한, 환경대비 저항값이 큰 안전의 경우 저항값이 강력하게 적용되어 경로탐색의 경우의 수가 더 작게 추출되는 것으로 분석되었으며, 저항값에 영향을 받지 않는 보행을 활용하여 이동하는 경향을 보였다.

2.연구의 기대효과

본 연구는 저항값을 산정하여 경로탐색에서 안전, 환경을 고려한 경로를 도출하였다. 안전, 환경을 고려한 타 경로탐색 알고리즘 검증 시 활용이 가능하며, 향후 스마트폰 Application에 이용자 선호도에 따른 안전, 환 경에 경로 탐색 알고리즘을 활용하여 이용자들에게 매우 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 이를 통해 이용자 친화적인 측면의 정보제공 질 향상을 도모할 수 있다.

3.연구의 한계 및 향후 연구과제

본 연구에서는 자료 상의 한계점과 분석 방법론 측면에서 다음과 같은 한계를 갖는다. 따라서 이를 보완 한 추가적인 연구를 통해 한계점을 극복하고 보다 정확한 분석 결과를 이끌어 낼 수 있을 것이다.

본 연구에서는 대전광역시를 대상으로 안전, 환경 Impedance에 따른 경로를 도출하였다. 공시된 자료의 한 계로 안전 Impedance의 경우 도로유형별로 도출하였으며, 환경의 경우 수단별로 분석하였다. 따라서 안전 및 환경 Impedance의 기준이 달라 향후 안전적이면서 친환경적인 경로를 도출하기 위해 두 가지의 Impedance가 혼합 된 적용방안에 대한 연구가 필요하다.

또한, 안전 저항값을 평가하기 위한 도로구분이 고속국도, 일반국도, 지방도로 광역단위로만 구분되어있다 는 자료상의 한계가 있어, 본 연구에서는 광역단위 도로에 인접한 도로를 기준으로 임의로 시·군도의 가중치 를 설정하였다. 따라서, 시·군도에 대한 원단위 부재로 연구 시 주변 접근도로에 따라 저항값을 임의로 산정 하였다. 따라서 시군·도에 따른 원단위 설정 방안 및 조사가 필요하다.

대전광역시 내 대중교통수단에 대한 분석을 시행하였으며, 실제 대중교통의 Timetable에 기반한 분석으로 정확성은 높으나, 개인교통수단인 승용차의 수요가 고려되어있지 않아 실제 도로에서 승용차와 버스 혼용으 로 인한 혼잡상황이 미반영 되어 있다. 향후 개인교통수단인 승용차와 대중교통인 버스, 도시철도 등 모든 수단의 분석이 필요하다.

향후 연구 시 다음과 같은 연구방안을 제안한다.

첫째, 안전지표와 환경지표의 기준을 통일시켜 혼용분석 가능한 연구 방안이 필요하다.

둘째, 시·군도 원단위 산정 방안 혹은 조사를 통한 교통사고비율 도출이 필요하다.

셋째, 개인교통수단을 추가 구축하여 실제 대상지내 혼잡 및 도로 내 혼잡 및 지체 등 실제 상황과 유사한 상황을 구축시킨 후 연구하는 방안이 필요하다.