Ⅰ. 서 론
1. 연구의 배경 및 목적
대도시권 주요 도심지의 간선축에 나타나는 만성적인 교통체증은 지속적인 사회적 비용을 초래하며, 이의 해결방안을 다각적으로 모색하고 있는 가운데 도심의 지하교통 인프라 수요는 나날이 증가하고 있다. 국내 에서는 도심지 내 도로공급의 공간적 한계와 터널기술의 비약적인 발전에 기반하여 기존 간선축 도로의 지 하화 및 신규 지하도로 건설을 계획하는 등 지하교통 인프라 건설을 확대·추진하고 있다. 서울시에서는 도심 교통량의 지하전환을 통해 도시공간 재편을 위하여 2009년 지하도로 기본계획을 수립한 이후, 최근 신월~여 의 지하도로와 서부간선 지하도로 두 개의 대심도 지하도로가 개통되면서 국내에서도 본격적으로 지하교통 인프라를 보유하게 되었다. 현재 운영 중인 지하도로는 시·종점에서 지상도로와 유출·입하는 형태이나 향후 단기적으로는 지하도로 내에서 분·합류되어 나들목(IC) 형식으로 지상도로와 연결되는 지하도로가 활발히 진행 중이며, 장기적으로는 지하공간 내에서 두 개 이상의 간선축이 입체교차하여 연결되는 지하교통 인프 라가 형성될 것으로 판단된다.
도로교통 분야에서는 국가 차원에서 안전하고 쾌적한 지하도로 이용을 위한 관련 연구가 활발히 진행되 고 있고 특히, 연결로 접속부 설계에 관한 연구의 필요성이 높아지고 있다. 지하도로의 계획단계에서는 본선 유출·입을 위하여 운전자의 차로변경과 감·가속이 발생하는 분·합류부 설계시 세심한 주의를 기울일 필요가 있지만(Park et al., 2007), 현재 국외에서 또는 국내에서 제시하고 있는 대부분의 지하도로 관련 설계지침에서 는 지하도로의 유출·입 시설과 입체교차구간에 대한 상세한 설계기준과 그 적용 기법을 설명하기보다 지상 도로의 설계기준을 준용하여 제시하는 데 그치고 있다. 일반적으로 터널 형태의 도로환경은 일반적으로 지 상도로와는 달리 사람에게 폐쇄적 공간감을 느끼게 하며, 이는 운전자 주행행태에 많은 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 지상도로와 지하도로의 연결 또는 지하도로간의 연결로 접속부 설계시 폐쇄적 도로환경으로 인하여 운전자 주행행태에 어떠한 변화가 나타나는지에 대한 연구가 필요한 시점이며, 나아가 향후에는 지하도로에서의 운전자 주행특성이 반영된 연결로 접속부의 설계가이드라인이 마련될 필요가 있 다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 도심 지하도로 연결로 접속부에서 나타나는 운전자 주행행태를 분석하 고자 주행시뮬레이터를 활용하여 가상주행환경 실험을 수행하였고, 주행행태 데이터를 기반으로 지하도로 연결로 접속부에서 운전자의 주행안전성 향상을 위한 설계방향과 시사점을 제시하였다.
2. 연구의 범위 및 수행절차
일반적으로 연결로 접속부는 본선에서 연결로로 유출하는 형태의 분류부, 연결로에서 본선으로 유입하는 행태의 합류부로 구성된다. 본 연구에서는 본선의 주행환경에서 연결로의 저속 주행환경으로의 차로변경과 감속 행태가 일어나는 분류부를 공간적 범위로 선정하였다.
본 연구에서 설정한 공간적 범위를 대상으로 지하교통 인프라에서 나타나는 운전자 주행행태를 분석하고 자 다음과 같은 방법으로 연구를 수행하였다. 먼저, 기존 지하도로 설계지침에서 제시하는 유출연결로 접속 부 설계요소와 터널 도로환경에서 수행된 가상주행실험에 대한 기존 문헌을 고찰하였고, 이후, 분석 시나리 오 설정 및 가상주행환경을 구축하였다. 이때, 도시지역 지하도로 설계기준과 최근 지하도로 설계 사례를 검 토하여 정리한 설계제원을 가상주행환경 구축시 반영하였다. 마지막으로 피실험자를 모집하여 가상주행실험 을 수행한 후, 분석 시나리오 및 세부구간별 피실험자 주행행태 데이터를 비교·분석하여 결론을 도출하였다.
Ⅱ. 지하도로 유출연결로 접속부 설계요소 및 선행연구 고찰
1. 지하도로 유출연결로 접속부 설계요소 고찰
국내의 ｢도시지역 지하도로 설계지침(MOLIT, 2016)｣에서 제시하고 있는 유출연결로 접속부의 분류부 설 계요소는 변이구간(Taper), 감속차로(Deceleration lane), 램프(Ramp) 구간 이외에 본선에서 유출하려는 운전자 의 진로변경을 위한 거리(이하 차로변경허용구간)를 포함하며, 이는 일반적으로 차로변경을 허용하는 지상도 로와 다른 점이라 할 수 있다.
현행 도로교통법 제 22조에는 터널 내 앞지르기 금지 조항이 있지만, 터널 내 차로변경과 관련하여 「교 통노면표시 설치·관리 매뉴얼(KNPA, 2012)」에는 터널 내에서 안전과 소통을 위하여 필요시 공학적 판단에 따라 차로변경을 허용하는 점선 형태의 차선을 설치할 수 있게 되어있다. 이와 관련하여 KEC(2012)의 「터 널 내 차로변경 연구결과 및 적용방안」에서는 차로변경허용구간을 두 개의 구간으로 구분하여 본선 설계속 도에 운전자가 판단하거나 행동하는데 필요한 소요시간과 반응지연시간 가중치를 적용하여 산정하고 있다. 먼저, 차로변경구간을 인지하고 판단하기 위한 거리인 인지반응거리는 4초의 소요시간을 적용하고, 운전자 가 차로변경을 수행하는 거리인 차로변경거리는 한 개 차로 변경시마다 10초의 소요시간을 적용한다. 이러 한 산정 방식은 최근 개통된 신월여의 지하도로에 적용된 바 있으며, 현재 추진 중인 지하도로 중 제한적 차 로변경허용구간을 계획하고 있는 대부분의 지하도로 설계에 적용하고 있다.
지하도로 설계치침에서는 도시지역에서 지하도로를 설계하는데 있어 도로의 평면선형, 종단선형, 횡단구 성 등 주요 설계기준과 지하도로 특성에 의한 설계 고려사항을 제시하고 있다. 그 중, 지하도로에서의 유출 연결로 접속부에 대한 내용으로는 먼저, 본선을 주행하는 운전자는 무엇보다 시인성 측면에서 차로변경허용 구간과 변이구간 시작점을 인지할 수 있어야 하고, 기하구조의 변화가 운전자에게 갑자기 나타나는 일이 없 도록 가급적 직선의 선형에서 적정 위치에서 계획되어야 한다고 언급하고 있다. 또한, 공간의 폐쇄감으로 인 한 시인성 저하를 줄이기 위하여 분류부의 물리적 노즈를 뒤로 물려서 개방감을 극대화하고 시거를 확보함 으로서 운전자가 안전하고 쾌적한 주행을 하는 데 불편함이 없도록 하여야 한다고 제시하고 있다(MOLIT, 2016).
본 연구에서는 지하도로 유출연결로 접속부에 대한 가상주행실험을 위하여 기하구조 측면에서 분류부의 분석 범위를 <Fig. 1>과 같이 설정하였다. 차로변경허용구간은 실제 설계사례에 적용된 값을 적용하였으며, 물리적 노즈인 Pillar 구조물 부분을 뒤로 물리고 감속차로 내 갈매기차로(Chevron markings) 길이를 충분히 확보하여 가상주행실험시 피실험자가 도로가 급격히 꺾여 보이지 않도록 하였다. 그 밖에 본선 및 연결로의 설계속도, 차로폭, 길어깨폭, 곡선반지름 등의 설계요소는 지하도로 설계지침의 설계기준 값을 적용하였다.
2. 터널 도로환경의 운전자 주행행태 관련 선행연구 고찰
지하터널 내부에 분·합류를 가지는 지하도로는 그동안 연구보고서, 논문 등 지면을 통해서 국외 사례 중 심으로 몇 차례 소개된 바 있으나, 폐쇄적 공간에서 분·합류 기하구조를 대상으로 운전자 주행행태를 분석한 연구사례는 국내·외를 막론하고 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 지하도로와 동일한 도로환경을 가지 는 터널에서의 운전자 주행행태 분석 연구사례를 중심으로 폐쇄적 공간에서의 운전자 주행행태가 어떠한 특 성을 나타내는지 선행연구를 고찰하였다.
운전자는 일반적인 지상도로 구간에서 터널로 진입하면서 암순응을, 터널 밖으로 진출하면서 명순응과 같 은 시각적으로 짧은 시간 동안의 신체적 반응을 겪게 되고, 구조물에 의한 폐쇄적 공간 안에서 불안감을 느 끼게 된다(Jeong et al., 2009). Zhao et al.(2011)의 연구에서는 실제 터널에서 피실험자를 대상으로 한 주행실 험을 수행하였으며 그 결과, 피실험자의 동공의 크기가 커지고 심박수가 증가하는 등의 신체적 변화로 운전 자의 주행안전성에 부정적인 영향을 미치는 것을 밝혀냈다. 이러한 인적요인은 운전자의 터널 내 교통상황 에 대한 신속한 인지반응과 평상시의 감·가속 능력을 떨어지게 하며, 이는 터널 안에서의 주행속도와 용량이 터널 밖 대비 감소하는 현상이 관측되는 것과 같이 터널 밖과 터널 안이 다른 교통류 특성을 보이는 원인으 로 작용하고 있다(Kim et al., 2009;Kim et al., 2014). 이와 관련하여 유사한 결과를 보여주는 다수의 연구가 있었으며, Calvi and Amico(2013)의 연구에서는 주행 시뮬레이터를 활용하여 운전자가 터널을 통과할 때, 일 반도로와 다른 주행행태를 보이며 특히, 운전자가 주행하고 있는 차로의 바로 옆의 터널 벽으로부터 멀리 떨 어지려고 하는 동시에 느리게 주행하려는 경향을 보이는 것으로 나타났다.
그리고 도로의 횡단구성 요소는 운전자가 주행환경에서 적정 속도를 선택하는데 밀접한 관계가 있다. 특 히, 터널 공간 안에서는 횡단구성 요소 중 길어깨 폭이 운전자의 안전하고 쾌적한 주행에 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있다. Shimojo et al.(1995)의 연구에서는 터널 안에서 우측 길어깨 폭이 좁아지는 경우에 피실 험자의 70% 이상이 벽체에 대하여 심리상태가 부정적으로 변하는 경험을 하는 것으로 나타났다. 이러한 이 유로 터널 내에서 운전자 주행 쾌적성 측면에서 부정적인 영향을 최소화하기 위하여 길어깨 폭을 넓게 하는 것이 좋다고 제시하였다. 측방여유폭 변화에 따른 운전자 주행행태 분석에 대한 또 다른 연구에서는 터널의 횡단구성 요소는 운전자의 심리적 현상에 직접적인 영향을 주는 요인으로 밝히면서 측방여유폭을 2.0m 이상 확보하는 것이 적절하다고 하였다(Blaauw and Van der Horst, 1982).
그 밖에 터널 내부의 안전성 향상을 위하여 기본적으로 어두운 터널 환경 개선에 관한 연구가 있었으며, Wang et al.(2010)은 장대터널 내부의 경관변화에 따른 터널 주행 안전성 연구를 수행하여 LED 시선유도시설 설치, 조도 상향과 같은 변화를 주었을 때, 터널 내 운전자 주행 안전성이 증가한다고 제시하였다. 특히, 운 전자의 생리적, 정신적 요구를 충족시키는 측면에서 터널 안과 밖의 조도 차이를 최소화할 수 있도록 전반적 인 터널 조명시설의 보강을 통해 안전성을 향상시킬 필요가 있음을 밝혔다.
터널 도로환경의 운전자 주행행태에 관한 선행연구를 고찰한 결과, 대부분의 연구에서 터널의 폐쇄감은 운전자의 신체적 변화를 가져오며, 터널 벽체와 길어깨 폭과 같은 횡단구성 요소가 주행행태에 영향을 준다 는 것을 확인하였다. 이러한 특성은 지하도로에서도 동일하게 작용할 것으로 보이며. 본선 진출을 위한 차로 변경과 기하구조에 의한 감속이 일어나는 지하도로 유출연결로 접속부의 운전자 주행행태 분석 결과를 뒷받 침할 수 있을 것으로 판단된다.
Ⅲ. 분석방법론
본 연구는 도심 지하도로 유출연결로 접속부의 운전자 주행행태를 분석하기 위하여 지상도로와 지하도로 환경에서의 연결로 접속부에 대한 시나리오를 설정하여 가상주행환경을 구축하였다. 가상주행환경은 최근 개통된 신월여의 지하도로 설계제원과 국내 도시지역 지하도로 설계지침의 기준값을 적용하여 구축하였고, 주행 시뮬레이터를 이용하여 실험을 수행하였다.
1. 실험장비
본 연구에서는 <Fig. 2>와 같이 서울시립대학교에서 관리·운영하는 용산 VR센터의 주행 시뮬레이터를 활 용하여 실험을 수행하였다. 이 실험장비는 운전자가 실제 도로환경에서 주행하는 느낌을 받을 수 있도록 가 상주행환경을 제작하고 피실험자가 화면에 보이는 주행환경에 최대한 적응하여 주행하도록 한 뒤 연구내용 에 적합한 운전자 주행행태 데이터를 기록할 수 있는 목적으로 구축된 실험장비이다.
가상주행환경은 3차원 가상 현실 기반의 도로 주행환경을 구현하는 전문 소프트웨어인 UC-winRoad(ver. 14.0)를 사용하였고, 이 프로그램은 도로의 평면선형, 종단선형, 횡단면 등 기하구조 설계제원 입력뿐만 아니 라 도로시설, 구조물 및 주변 지형을 구현하는데 탁월하며, 교통모델을 설정할 수 있는 프로그램이다. 또한, 가상 주행 시뮬레이터와 연동시켜 피실험자에 의한 다양한 주행 실험이 가능하고 속도, 조향각, 차로 횡적 이격거리(Lateral placement) 등의 주행행태 데이터를 추출하여 분석에 활용할 수 있는 장점이 있다.
2. 가상주행환경 구축
1) 가상주행환경 구축을 위한 설계요소 및 제원
가상주행환경을 구축하기 위하여 유출연결로 접속부의 주요 설계요소별 설계제원은 다음과 같이 정리하 였다. 먼저, 가상주행환경의 지하도로는 소형차도로로 가정하고, 이에 따라 지하도로 전체 구간에 동일하게 적용하는 시설한계와 본선 설계속도, 본선 차로폭, 본선 길어깨 폭, 차로변경허용구간은 신월여의 지하도로 에 적용된 설계제원을 준용하였다. 그리고 연결로 유형은 직결형(완화곡선-원곡선-완화곡선)을 적용하고 유 출연결로 접속부의 설계요소로서 연결로 설계속도, 연결로 차로 폭, 연결로 길어깨 폭, 변이구간, 연결로 곡 선반지름은 도시지역 지하도로 설계지침의 최소 기준값을 적용하여 운전자의 주행행태를 분석하고자 하였 다. 다만, 감속차로 길이는 앞에서 고찰한 바와 같이 피실험자의 원활한 주행을 위하여 갈매기차로를 100m 수준으로 충분히 확보하면서 실제 차로변경이 가능한 감속차로 구간은 90m로 설정하였다. 본선과 연결로 접 속부의 교통량 서비스수준은 B 수준으로 설정하여 피실험자가 기하구조 설계요소가 아닌 주변 교통량의 영 향으로 주행행태에 영향을 받지 않도록 하였다. 가상주행환경에 적용한 설계요소별 제원은 다음과 같다.
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시설한계 : 3.0m 본선 길어깨 폭 : 좌측 0.75m / 우측 2.00m
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본선 설계속도 : 80km/h 연결로 길어깨 폭 : 좌측 0.50m / 우측 1.25m
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연결로 설계속도 : 50km/h 변이구간 길이 : 60m
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본선/연결로 차로폭 : 3.25m 감속차로 길이 : 190m (갈매기차로 100m)
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차로변경허용구간 : 400m 연결로 곡선반지름 : 80m (최대편경사 8%)
2) 분석 시나리오 설정 및 맵 구축
본 연구에서는 지하도로(Underground roads)의 유출연결로 접속부 구간을 대상으로 지하도로의 폐쇄적 공 간이 운전자 주행행태에 어떠한 영향을 미치는지 지상도로(Ground roads) 환경과 비교·분석하기 위하여 다음 과 같이 시나리오 1 ~ 시나리오 4의 기본 분석 시나리오를 구성하였다. 시나리오 1의 지상-지상(G-G)과 시나 리오 3의 지하-지하(U-U)는 연결로 접속부의 레벨(Level)을 동일하게 적용하였다. 그리고 시나리오 2의 지상- 지하(G-U)는 –7%의 하향경사를, 시나리오 4의 지하-지상(U-G)은 +7%의 상향경사를 적용하여 다른 레벨의 두 도로를 연결하였다. 차로변경허용구간은 시나리오 1과 3에만 적용하였고, 연결로 구간은 종단경사를 제외 하고는 4개의 분석 시나리오 모두 앞에서 정리한 설계요소별 제원을 동일하게 적용하였다. 분석 시나리오에 대한 유출연결로 접속부 세부 지점별 가상주행환경은 <Fig. 3>과 같다. 그리고 추가적으로 시나리오 5와 시 나리오 6은 시나리오 2와 시나리오 4에 적용한 소형차도로 최소 기준의 연결로 길어깨 폭을 신월여의 길어 깨 폭으로 변경·적용하여 연결로 곡선부에서 길어깨 폭 차이에 따른 운전자 주행행태를 비교하고자 하였다.
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•Scenario 1 : 지상도로-지상도로(G-G)
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•Scenario 2 : 지상도로-지하도로(G-U)
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•Scenario 3 : 지하도로-지하도로(U-U)
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•Scenario 4 : 지하도로-지상도로(U-G)
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•Scenario 5 : 시나리오 2의 연결로(Ramp) 구간에 신월여의 길어깨 폭 적용 (좌측 0.75m / 우측 2.00m)
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•Scenario 6 : 시나리오 4의 연결로(Ramp) 구간에 신월여의 길어깨 폭 적용 (좌측 0.75m / 우측 2.00m)
UC-winRoad를 활용한 가상주행환경 맵은 지상도로와 지하도로 환경에서 설정한 총 6개의 분석 시나리오 가 모두 포함될 수 있도록 본선 구간과 연결로 접속부 구간을 반복적으로 배치하였다. 경험적으로 주행 시뮬 레이터 실험에서 30분 이상의 주행은 피실험자의 주의가 흐려지고, 어지러움과 두통을 야기하는 문제와 운 전자 피로에 의한 신뢰할 수 없는 주행 데이터가 생성될 가능성이 높기 때문에 전체 주행시간이 30분이 넘 지 않도록 본선 구간의 연장을 조절하여 최종적인 가상주행환경 맵을 구축하였다.
3. 피실험자 구성 및 실험진행방법
피실험자는 통계적 유의성을 확보할 수 있는 총 30명을 대상으로 실험을 수행하였으며, 피실험자는 운전 면허를 소지하고 운전 기간 2년 이상의 평소에 운전을 하는 사람들로 모집하였다. 운수업 종사자는 피실험 자 모집에서 제외하였다. 피실험자의 연령대별 구성과 성별 비율은 20대 5명(남성 2명 / 여성 3명), 30대 7명 (남성 6명 / 여성 1명), 40대 9명(남성 6명 / 여성 3명), 50대 9명(남성 2명 / 여성 7명)으로 <Table 1>과 같다.
가상주행실험은 본 실험 이전에 피실험자가 시뮬레이터 실험 장비에 적응할 수 있도록 약 5분 가량의 예 비주행을 경험하고 그 이후, 25분 가량의 본 실험을 진행하였다. 주행실험의 모든 과정은 실험자 및 장비 관 리자의 통제하에 이루어졌고, 피실험자에게는 본선 설계속도(80km/h)와 연결로 설계속도(50km/h), 그리고 차 로변경허용구간에 대한 정보를 안내하여 개별 운전경험을 바탕으로 도로상의 이정표지, 속도표지 등을 준수 하여 주행하도록 하였다.
4. 유출연결로 접속부 세부 구간별 주행행태 분석 방법
본 연구에서는 가상주행실험에서 얻은 주행행태 데이터를 기반으로 유출연결로 접속부의 세부 구간별 분 석 시나리오의 비교·분석을 수행하였다. 주행행태를 설명하는 변수는 추출할 수 있는 Log data 중 속도 (Speed)와 차로 횡적 이격거리(Lateral Placement: 이하 LPM) 두 가지로 선정하였고, 이때 LPM은 차로 중심에 서의 이격거리가 아닌 도로의 최우측 차선을 기준으로 떨어진 이격거리 데이터를 활용하였다. 유출연결로 접속부는 차로변경이 일어나는 구간인 만큼 도로의 최우측 차선 기준의 LPM으로 주행행태를 설명하는 것이 효과적이라고 판단하였다.
분석을 위하여 세부 구간별로는 1) 차로변경허용구간 2) 감속차로 구간 3) 연결로 구간을 구분하였다. 먼 저, 차로변경허용구간 분석은 이전의 차로변경금지구간 100m를 포함하였고 시나리오 1과 3의 두 시나리오간 차로변경허용구간의 평균 속도와 속도 편차, 평균 LPM과 LPM 편차를 비교·분석하였고, Paired T-test를 수행 하여 평균 속도 차이에 대한 통계적 유의성을 확인하였다. 감속차로 구간은 변이구간부터 연결로 시작 후 100m 지점까지 시나리오 1~4에 대해서 주행행태 데이터의 경향을 비교하였고, 시나리오간 평균 속도 차이와 평균 LPM 차이에 대한 통계적 유의성을 확인하기 위하여 분산분석(ANOVA) 및 사후검정을 수행하였다. 마 지막으로 연결로 곡선부의 길어깨 폭 차이에 따른 주행행태 비교를 위해서 시나리오 2와 5, 시나리오 4와 6 을 각각 비교하였고, 감속차로 구간의 분석 방법을 동일하게 적용하였다.
Ⅳ. 분석 결과
1. 차로변경허용구간 주행행태 분석 결과
1) 속도 측면 주행행태
차로변경금지구간(100m)과 차로변경허용구간(400m)에 대하여 지상도로와 지하도로간 속도 측면에서 주행 행태를 비교·분석한 결과는 <Fig. 4>와 같이 전체 500m 구간에서 지상도로의 평균 속도가 지하도로의 평균 속도보다 높으며, 속도의 편차 측면에서는 반대로 지하도로가 지상도로보다 높게 나타났다. 두 시나리오간 속도에 대한 Paired T-test 결과, <Table 2>와 같이 평균 속도의 차이는 6.14km/h로 나타났으며, p-value는 p<0.001 수준으로 통계적으로 유의미한 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 지상도로에 비해 평균 속도는 낮 으나 표준편차가 높은 점은 지하도로의 폐쇄적 공간이 전반적으로 운전자의 속도에 영향을 미치고 있는 것 으로 판단된다.
진행방향 속도의 양상은 차로변경금지구간에서 차로변경허용구간으로 진행되면서 두 시나리오간 평균의 차이가 점차 벌어졌다가 차로변경허용구간의 끝지점에 이르면서 다시 좁아지는 형태로 나타났다. 특히, 속도 의 편차가 분석구간 내 점차 증가하며, 차로변경허용구간 끝지점에서 두 그룹이 거의 유사한 수준으로 만나 게 되는 점은 지상도로와 지하도로 모두 유출연결로 분류부에서 운전자의 주행행태가 다양하게 나타날 수 있고 이에 따라 속도 편차를 줄이는 방향의 대안이 필요할 것으로 판단된다.
2) LPM 측면 주행행태
차로변경허용구간은 운전자가 차로변경을 인지하는 구간(110m)과 차로변경을 수행하는 구간(290m)으로 구분되며, 이 구간에서는 운전자의 차로변경 행태를 분석함에 있어 속도보다는 개별 LPM 데이터를 살펴보 는 것이 필요하다. 지상도로와 지하도로의 가상주행환경에서 2차로의 오른쪽 차선을 기준점으로 한 피실험 자 개별 LPM 데이터 변화 양상을 표현하면 <Fig. 5>, <Fig. 6>과 같으며, 이를 바탕으로 <Fig. 7>과 같이 두 그룹간 평균 LPM과 LPM의 편차롤 비교하였다. 우선, 차로변경금지구간에서는 지하도로에서의 평균 LPM이 지상도로에 비해 더 작고, LPM의 편차 또한 작게 나타났다. 차로변경 이후에는 지하도로의 평균 LPM이 지 상도로보다 크고 LPM의 편차는 지하도로가 지상도로보다 낮게 나타났다. 이는 운전자가 지하도로 내 좌측 또는 우측의 터널 벽체에 영향으로 차로를 주행할 때, 지상도로 대비 도로변 차선에서 더 떨어져서 주행하다 는 것을 의미하고, 폐쇄적 공간에 대한 영향으로 LPM의 편차가 작게 나타나는 것으로 판단된다.
피실험자의 실제 차로변경이 일어나는 구간에서는 지하도로의 지점별 평균 LPM이 지상도로보다 더 높고, LPM 편차 또한 높게 나타났다. <Fig. 5>, <Fig. 6>에서 1차로와 2차로 사이의 차선인 LPM 3.25m 지점을 지 나가는 주행 양상을 살펴보면, 지상도로는 운전자가 150m 지점에서 210m 지점까지 약 60m 거리 내에서 차 로변경을 하는 반면, 지하도로에서는 150m 지점에서 280m 지점까지 약 130m 거리에 걸쳐서 차로변경을 하 는 것으로 나타났다. 차로변경허용구간이 시작되는 지점에서는 차선이 실선에서 점선으로 바뀌게 되는데, 이 는 지상도로 대비 지하도로 환경의 어두운 공간의 영향으로 차선의 형태변화를 피실험자에 따라 늦게 인지 하기 때문에 나타나는 것으로 판단된다.
2. 감속차로 구간 주행행태 분석 결과
1) 속도 측면 주행행태
유출연결로 접속부의 감속차로는 운전자가 본선 설계속도에서 연결로(Ramp) 설계속도 수준으로 일정한 감속도로 속도를 낮추면서 주행할 수 있도록 하는 역할을 한다. 운전자는 감속차로를 주행하여 물리적 노즈 (Nose)부를 지나 연결로의 원곡선 가운데 지점까지 속도를 낮추고 그 이후에는 속도를 서서히 회복하며 가 속의 형태를 보이게 된다. 본 연구에서는 앞의 분석방법론에서 설정한 시나리오 1 ~ 시나리오 4의 네 가지 도로환경에 대하여 분류부 속도 데이터를 감속차로 구간(변이구간 포함)과 연결로 시작점 이후 100m 구간으 로 구분하였고, 피실험자의 지점별 평균 속도, 속도 편차에 대한 주행행태 양상은 <Fig. 8>과 같다. <Table 3> 은 감속차로 구간과 연결로 구간으로 구분하여 수행한 ANOVA 분석 결과이며, 두 구간 모두 각각 4개의 시 나리오간 적어도 1개 이상의 시나리오 그룹에서 평균 속도의 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 도출 되었다. 이에 대한 사후검정(Post-Hoc Tests)으로 평균 속도 차이에 대한 다중비교(Multiple Comparisons)를 한 결과는 <Table 4>와 같다.
두 구간의 주행행태 분석 결과에서 먼저, 감속차로 구간은 전반적으로 급감속의 형태는 보이지 않으며 모 든 경우에서 평균적으로 일정한 감속도를 유지하는 경향을 보이고 있다. 다만, 감속차로가 지상도로 환경인 경우(G-G, G-U)는 지하도로 환경인 경우(U-U, U-G)와 비교하여 대체로 속도가 약 1.74~2.18km/h 가량 높으 며, 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다. 반면에 지상-지하(G-U)와 지하-지상(U-G)에서는 평균 속도의 차 이가 통계적으로 유의미하지 않은 것으로 나타났다.
연결로 구간에서는 서서히 감속하는 지상-지상(G-G)을 제외하면, 지상/지하도로 환경과 종단경사의 영향 으로 급감속이 나타나는 지점이 다르게 나타났다. 그 중, 하향경사로 연결되는 지상-지하(G-U)와 경사는 없 지만 모든 구간이 벽체로 둘러싸여 있는 지하-지하(U-U)는 연결로에 진입함과 동시에 거의 동일한 수준으로 급감속하는 양상을 보였다. 지하-지상(U-G)은 급감속하는 지점이 상향경사로 인하여 진행방향의 30~40m 가 량 뒤에 나타났다. 연결로 구간의 속도 ANOVA 분석 결과는 지상-지상(G-G)의 경우 지상-지하(G-U)와 지하- 지하(U-U)와 평균 속도의 차이가 통계적으로 유의미하고, 지상-지하(G-U)는 지하-지상(U-G)과 지하-지하 (U-U)는 지하-지상(U-G)과 통계적으로 유의미한 것으로 분석되었다.
그리고 <Fig. 8>의 속도 편차 그래프에서 눈여겨보아야 할 점은 지상-지하(G-U)의 경우에서만 연결로 구 간 진입시 속도 편차가 높아지는 현상이 나타났는데, 이는 지상에서 지하로 연결되면서 발생하는 하향경사 와 U-type 내리막 구간이 끝나면서 마주하게 되는 터널 벽체로 인한 영향인 것으로 판단된다.
2) LPM 측면 주행행태
지하도로 본선에서 지상으로 진출하기 위해 운전자는 차로변경허용구간 1차로에서 2차로로 차로변경 후 유출연결로 접속부의 변이구간(Taper)을 포함한 감속차로 구간에서 또 한 번의 차로변경을 수행하여야 한다. 교통류 측면에서 본선과 직접적으로 분류되는 감속차로 구간은 일반적인 터널과는 달리 폐쇄적 공간 안에서 횡단폭원의 변화 또는 구조물 변화에 의한 시인성 저하가 우려되는 구간으로 운전자의 속도뿐만 아니라 LPM 측면에서도 폐쇄적 공간에 의한 주행행태의 영향을 확인할 필요가 있다.
본 연구에서는 감속차로 구간의 속도 분석과 마찬가지로 네 가지 도로 환경에 대하여 동일한 연장으로 구 분하여 감속차로 구간의 LPM 측면의 주행행태를 분석하였다. 변이구간부터 연결로에 이르기까지 차로의 오 른쪽 차선을 기준점으로 지점별 평균 LPM과 LPM의 편차를 산출한 결과는 <Fig. 9>와 같다. 변이구간에서는 일정 비율로 횡단폭원이 변화하게 되는데 이 때문에 기준점인 최우측 차선 대비 본선 차로의 LPM은 높아지 게 된다. 이러한 이유로 변이구간의 평균 LPM이 급격하게 증가하는 것은 피실험자가 본선 차로에서 감속차 로로 차로변경시 평균적으로 변이구간이 끝나고 감속차로가 시작되면서 차로변경을 하기 때문인 것으로 설 명할 수 있다. 실제 차로변경이 이루어지는 이 구간에서의 LPM의 편차는 지상도로(G-G, G-U)보다는 지하도 로(U-U, U-G) 환경에서 높은 것으로 나타났다.
감속차로 구간의 LPM 측면 주행행태에서 눈에 띄는 점은 차로변경이 허용되지 않는 갈매기차로(Chevron markings) 시작점을 기준으로 전·후 구간의 LPM 경향이 지상도로(G-G, G-U)와 지하도로(U-U, U-G)의 환경에 서 반대로 나타난 점이다. 지하-지하(U-U), 지하-지상(U-G)인 경우에 실제 차로변경이 일어나는 감속차로 시 작점부터 갈매기차로 시작점 구간에서는 평균 LPM이 더 크고, 갈매기차로 시작점부터 연결로 진입전까지는 평균 LPM이 더 작은 것으로 나타났다. 앞 구간에서는 일반적인 터널 주행 특성과 같이 지하도로 벽체로 인 하여 지상도로 환경 대비 도로의 가장자리에서 상대적으로 떨어져 주행하는 것으로 판단된다. 반대로 갈매 기차로 구간에서는 우측의 터널 벽체보다는 <Fig. 1>의 연결로 진입 전 좌측에 보이는 필라(pillar) 구조물에 대한 영향으로 지상도로 환경 대비 상대적으로 우측으로 치우쳐 주행하는 것으로 판단된다. 이러한 평균 LPM 차이에 대한 ANOVA 분석 결과, <Table 5>와 같이 세 구간 모두 각각 4개의 시나리오간 적어도 1개 이 상의 시나리오 그룹에서 평균 LPM의 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 도출되었다. 이에 대한 사후 검정으로 평균 LPM 차이에 대한 다중비교 분석을 한 결과는 <Table 6>과 같다.
연결로 구간은 지하-지하(U-U)를 제외하면 물리적 노즈(Nose)에서 원곡선부 중간 지점에 이르기까지 평균 LPM이 낮아지는 경향을 보이고 있다. 이는 운전자는 곡선부에서 바깥쪽으로 쏠리는 원심력에 대항하기 위 하여 실제 설계·적용된 평면곡선반지름 이상으로 크게 주행하려는 특성이 있기 때문에(Spacek, 2005) 지하-지 하(U-U)는 벽체의 영향으로 원곡선부에서 차로 중심에 가깝게 주행하려는 것으로 판단된다. 그리고 연결로 구간에서 지상-지하(G-U)와 지하-지하(U-U), 지하-지하(U-U)와 지하-지상(U-G)인 경우를 제외하면 시나리오 간 평균 LPM 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 도출되었다.
3. 연결로 구간 길어깨 폭 차이에 따른 주행행태 분석 결과
1) 속도 측면 주행행태
본 연구에서는 지상-지하(G-U)와 지하-지상(U-G)인 연결로 접속부에 대하여 도시지역 지하도로 설계지침 에 제시된 길어깨 폭의 최소 기준(좌측: 0.5m, 우측: 1.25m)과 신월~여의 지하도로의 길어깨 폭(좌측: 0.75m, 우측: 2.00m)을 적용한 연결로 구간의 주행행태를 비교·분석하였다. 연결로 구간의 총 길이는 180m이고 주행 행태를 세부적으로 살펴보기 위하여 4개의 연결로 시나리오 각각 세 개의 세부 구간(Beginning section, Middle section, End section)으로 구분하였다.
<Table 7>은 연결로 구간을 세 개의 세부 구간으로 구분하여 수행한 ANOVA 분석 결과이며, 세 개로 구 분된 구간에서 4개의 시나리오간 적어도 1개 이상의 시나리오 그룹에서 평균 속도의 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 도출되었다. 그리고 지상-지하과 지하-지상에 대해서 각각 길어깨 폭이 큰 경우 (G-U_sinwol, U-G_sinwol)와 길어깨 폭의 최소 기준(G-U, U-G)과의 평균 속도 차이를 비교하기 위하여 이에 대한 사후검정으로 평균 속도 차이에 대한 다중비교 분석을 한 결과는 <Table 8>과 같다.
<Fig. 10>의 평균 속도의 변화를 살펴보면 먼저, 지상-지하의 연결로 길어깨 폭이 큰 경우(G-U_sinwol)가 길어깨 폭 최소 기준(G-U) 대비 연결로 전체 구간에서 평균 속도가 높게 나타났다. 세 개의 연결로 구간에서 평균 속도의 차이는 통계적으로 유의미한 것으로 분석되었다. 지하-지상의 연결로 길어깨 폭이 큰 경우 (U-G_sinwol)에는 길어깨 폭의 최소 기준(U-G) 대비 연결로의 시작구간과 끝구간에서 평균적으로 거의 동일 한 속도행태를 보였고, 중간구간에서만 약 2.1km/h 수준으로 평균 속도가 높은 것으로 나타났으며 이 평균 속도의 차이는 통계적으로 유의미한 것으로 도출되었다. 그리고 지상-지하, 지하-지상 모두 연결로 길어깨 폭이 큰 경우에서 속도 편차의 양상이 더 높게 나타나는 점을 미루어 볼 때, 연결로 곡선부 구간에서 길어깨 폭의 차이는 속도 측면에서 운전자의 주행행태에 영향을 미치는 것으로 결론을 내릴 수 있다.
2) LPM 측면 주행행태
앞의 속도 측면의 주행행태 분석과 동일한 방식으로 길어깨 폭 차이에 따른 연결로 구간 LPM 측면의 주 행행태를 분석하였다. 평균 LPM 차이에 대한 ANOVA 분석 결과, <Table 9>와 같이 연결로의 시작구간과 중 간구간에서는 4개의 시나리오간 적어도 1개 이상의 시나리오 그룹에서 평균 LPM의 통계적으로 유의미한 차 이가 있는 것으로 도출되었으나, 끝구간에서는 4개의 시나리오에서 평균 LPM의 차이가 통계적으로 유의미 하지 않은 것으로 도출되었다. 이에 대한 사후검정으로 평균 LPM 차이에 대한 다중비교 분석 결과는 <Table 10>과 같으며, 지상-지하와 지하-지상 각각 길어깨 폭 차이에 따른 시나리오 그룹간 비교만 제시하였다.
<Fig. 11>, <Table 10>과 같이 연결로의 시작구간과 끝구간에서는 지상-지하(G-U), 지하-지상(U-G) 모두 길 어깨 폭 차이에 따른 평균 LPM 차이가 크지 않으며, 통계적으로 유의미하지 않은 것으로 나타났다. 반면에 연결로의 중간구간에서는 길어깨 폭 차이에 따른 평균 LPM의 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 분석되었 다. 길어깨 폭이 큰 경우, 평균적인 LPM이 더 작게 나타나는 이유는 우측 길어깨 폭이 최소 기준 대비 넓어 짐에 따라 운전자가 우곡선부의 안쪽으로 치우치면서 곡선반지름보다 큰 주행궤적으로 바깥쪽으로 쏠리는 원심력을 최소화하려는 특성(Spacek, 2005) 때문으로 판단된다. 그리고 연결로 중간에서 지점별 LPM 편차가 증가하는 것으로 보아 이 구간에서 다양한 주행궤적이 나타나고 있음을 알 수 있다.
4. 분석 결과에 따른 시사점 및 설계방향 제시
앞에서 도출한 주행행태 분석 결과를 토대로 지하도로 유출연결로 접속부의 설계방향 및 지하도로 환경 개선에 대한 종합적인 시사점은 다음과 같다. 먼저, 지하도로 환경에서의 차로변경 행태가 차로변경허용구간 내에서 지상도로 대비 넓게 이루어진다는 점은 공간의 폐쇄감과 어두운 도로환경으로 인하여 점선 형태의 차선을 다소 늦게 인지하는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 점으로 볼 때, 운전자에게 차로변경허용구간에 대한 명확한 사전 안내가 요구되며, 해당 구간에 조도를 높이거나 점선 형태 차선의 시인성을 높이는 방안을 강구할 필요가 있다.
그리고 감속차로 구간에서 LPM 측면의 주행행태를 살펴보면, 지하도로 우측 벽체는 물론 물리적 노즈가 되는 Pillar 구조물에 의해서도 운전자의 주행행태에 영향을 받을 수 있다는 점은 유출연결로 접속부 설계시 구조물에 의한 부정적인 영향을 해소할 수 있는 방안이 필요함을 시사한다. 가령, 분기 Pillar 단면에 운전자 에게 연결로의 선형안내 및 방향안내 또는 실시간 교통소통상황에 대한 주행정보를 제공할 수 있는 VMS를 설치한다면 운전자의 주행 안전성을 향상시키는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 지상도로에서 내리막 경사로 지하도로에 연결되는 접속부의 경우, 연결로 진입 전 속도 편차가 다른 시나리오에 비해 유난히 높아진 점과 연결로 곡선부에서 길어깨 폭이 작을 때, 평균적인 속도와 속도의 편차 가 모두 낮게 나타난다는 점을 고려할 때, 연결로 구간의 길어깨 폭을 감소시켜 운전자 주행 안전성을 높이 는 방안을 생각해 볼 수 있다. 다만, 연결로 곡선부 구간 중 터널 벽체로 둘러싸여 있는 부분은 비상차량 통 행 및 시거를 확보할 수 있는 최소한의 범위 내에서 길어깨 폭의 조정이 이루어져야 할 것으로 생각된다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 도심 지하도로 유출연결로 접속부를 대상으로 주행 시뮬레이터를 활용하여 운전자 주행행 태를 분석하였다. 우선, 기존 도시지역 지하도로 설계지침에서 언급하고 있는 유출연결로 접속부 설계요소와 기준값을 고찰하였고, 최근 개통된 신월여의 지하도로에 적용된 설계제원 검토하여 가상주행환경 구축을 위 한 설계제원을 정리하였다. 그리고 지하도로와 지상도로의 연결 유형에 따른 시나리오와 길어깨 폭 차이에 의한 시나리오를 설정하여 최종적인 가상주행환경 맵을 구축하여 가상주행실험을 수행하였다.
지하도로의 공간적 범위에서 지상도로 환경과 함께 시나리오별로 비교한 가상주행실험의 운전자 주행행 태 분석 결과는 전반적으로 속도와 LPM 측면에서 기존 터널에서의 운전자 주행행태에 대한 선행 연구에서 언급하였듯이 폐쇄적 공간에 대한 속도 저하와 터널 벽체에 의하여 상대적으로 떨어져서 주행하려는 행태는 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 그리고 차로변경허용구간, 감속차로 구간, 그리고 연결로 구간의 길 어깨 폭 차이에 따른 평균 속도와 속도의 편차, 평균 LPM과 LPM의 편차 분석에서 도출된 결과를 바탕으로 시사점과 설계방향을 제시하였다. 분류부의 차로변경허용구간에서는 운전자가 해당 구간을 진입 직전에 잘 인지 할 수 있도록 하여야 하고, 실질적으로 교통류가 분기되는 구간은 Pillar와 같은 지하도로 구조물에 대 한 부정적인 영향을 최소화하면서 운전자의 주행에 도움을 줄 수 있는 방안이 필요하다. 그리고 지상에서 지 하로 연결되는 내리막 경사의 유출연결로 접속부에서 운전자가 연결로 주행시 제한속도 수준에서 적정 주행 속도 및 LPM을 유지할 수 있도록 최소한의 범위 내에서 길어깨 폭을 감소시키는 설계방향을 제시하였다.
현재 활발하게 계획·추진 중인 도심 지하도로를 배경으로 지하도로 연결로 접속부에 대한 운전자 행태에 관련한 연구사례가 거의 없는 현재, 국내에서 지하도로 유출연결로 접속부를 공간적 범위로 운전자 행태를 살펴본 초기 연구로 가상주행실험으로 운전자 주행행태를 분석하였다는 점에서 연구의 차별성과 그 의의가 있다고 할 수 있다. 주행 시뮬레이터 실험 특성상 실험시간의 한계가 있어 설계요소에 대한 다양한 시나리오 를 구성하지 못한 한계는 있지만, 동일한 기하구조의 유출연결로 접속부를 대상으로 지하도로 터널 벽체와 일반 지상도로 환경에 의하여 주행행태가 상대적으로 어떻게 달라지는지 확인하였다는 점에서 향후 연구를 수행하는데 있어 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
향후 연구에는 운전자의 주행행태와 시지각 행태를 결합하여 지하공간 내에서의 운전자 행태를 좀 더 정 밀하게 분석해볼 수 있는 연구가 필요하고 특히, 벽체로 인하여 본선 진입 차량에 대한 시거제약이 발생하는 합류부 구간의 주행행태 연구도 선행되어야 할 필요가 있다. 앞으로 지하도로 분야의 다양한 연구가 지속적 으로 추진되어 운전자의 주행쾌적성과 안전성을 확보할 수 있는 최적 설계기술이 정립되기를 기대한다.
