Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

도로 기하구조에서 두 개 이상의 연속류 도로를 입체적으로 이어주는 연결로 접속부(Ramp Terminal)는 기 하구조의 형태로 나누었을 때, 본선에서 진출하는 분류부 구간(Diverging section)과 본선으로 진입하는 합류 부 구간(Merging section)으로 구분된다. 이러한 구간에서 일반적인 본선 주행과 달리 분류부 구간은 운전자 가 분기되는 진행경로를 인지하여 차로변경 후 감속하여 연결로 주행을 하게 되고, 합류부 구간은 연결로 주 행 후 본선에서의 접근차량을 확인하여 감·가속, 차로변경과 같은 주행행태가 나타난다. 연결로 접속부를 구 성하는 기하구조에서 설계요소별 제원을 어떻게 적용하는가에 대한 문제는 해당 도로환경에서 나타나는 일 관성 있는 운전자 주행행태를 이끌어내고 나아가 전반적인 주행 안전성에도 직접적인 영향을 주게 된다는 점에서 매우 중요하다. 이러한 맥락에서 지하도로 환경에서의 연결로 접속부 기하구조를 계획·설계할 때에 는 전문가의 공학적 판단에 기인하여 세심한 주의를 기울일 필요가 있다(Park et al., 2007). 분·합류의 교통 특성을 갖는 연결로 접속부에서 운전자가 본선과 연결로를 진출·입하기 위하여 차로를 변경하거나 감·가속 을 하는 행태 자체는 지상도로나 지하도로가 동일하지만, 터널 환경이라는 폐쇄적 공간 특성에 의하여 나타 나는 운전자 주행행태는 다를 수 있으며, 이를 고려한 설계요소 제원의 적절한 적용이 요구되기 때문이다.

일반적으로 터널의 환경에서는 일반도로 대비 평균 주행속도가 낮고, 도로의 용량이 감소하는 현상이 나 타나는 것으로 알려져 있다(Calvi and Amico, 2013;Kim et al., 2009;Kim et al., 2014). 운전자가 터널 내부에 서 느낄 수 있는 심리적 불안감은 지하도로 환경 어느 곳에서나 운전자 주행에 영향을 줄 수 있는데(Jeong et al., 2009), 최근 지하도로 유출연결로 분류부 구간을 대상으로 가상주행실험을 수행한 연구에서는 차로변경 허용구간 및 감속차로 구간에서 터널 벽체로 인해 동일 기하구조의 지상도로 환경 대비 평균 속도가 낮게 나타나거나 터널 벽체 등의 구조물로부터 다소 떨어져 주행하려는 경향이 있음을 밝혔다(Jeong et al., 2022). 지하도로 유입연결로 합류부 구간 경우에도 마찬가지로 폐쇄적인 터널 환경으로 인한 심리적인 부분이 운전 자 주행행태로 연결되는 점은 유사하게 작용한다. 다만, 본선과 분류부와 달리 터널 벽체로 둘러싸인 연결로 구간을 주행 중인 운전자가 실질적인 본선 합류가 이루어지는 대단면 터널로 진입해야지만 본선 접근차량을 확인할 수 있는 점은 지상도로 환경의 합류부와 비교하였을 때, 운전자에게 안전한 지하도로 인프라를 제공 하기 위하여 반드시 고려해야 할 설계요소 중 하나이다. 운전자가 본선 차량의 존재와 접근하는 속도감에 대 한 인지와 판단이 늦어진다면, 이는 가속차로 구간에서 급격한 감·가속의 불안정한 주행행태를 보이게 되며, 나아가 심각한 교통사고로 이어질 수 있기 때문이다. 이렇듯 지하공간 내 합류부에서는 운전자가 연결로 터 널 벽체를 지난 후 본선 접근차량을 충분히 인지하고 반응할 수 있도록 공간을 설계하는 것이 중요하다.

하지만, 현재 국내·외에서 참고할 수 있는 도로설계 지침 또는 설계 가이드라인에서는 지하터널 환경에서 나타날 수 있는 운전자 주행행태를 제대로 고려하지 못한 채 대부분 지하도로 설계시 지상도로 위주로 정립 된 설계제원을 준용하고 있다. 국내 도시지역 지하도로 설계지침에서는 유입연결로 합류부 설계 고려사항으 로 연결로 터널 벽체 이후 “시계확보” 구간에 대하여 언급은 하고 있지만, 이와 관련한 세부적인 설계제원이 나 운전자 주행행태를 고려한 설계 적용사항에 관한 기술이 미흡한 실정이다. 따라서, 국내 대도시권을 중심 으로 다수의 지하도로 계획이 활발히 추진되고 있는 가운데 기하구조 설계 단계에서 운전자 주행특성이 고 려될 수 있도록 설계요소 관련 연구가 필요한 시점이다.

이러한 배경에서 본 연구에서는 운전자의 시각적 인지 측면에서 지상도로 환경과 달리 크게 제약을 받게 되는 지하도로 유입연결로 합류부에서 “시계확보” 공간이라는 설계요소를 대상으로 합류부에서 나타나는 운 전자 주행행태에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고자 주행 시뮬레이터를 활용하여 가상주행환경 실험을 수 행하였다. 그리고 운전자 주행행태 데이터를 기반으로 지하도로 유입연결로 접속부의 운전자 주행안전성 향 상을 위한 설계방향과 시사점을 제시하였다.

2. 연구의 범위 및 수행 절차

본 연구에서는 도심지에 계획·설계하여 적용하는 대심도 지하도로를 배경으로 하여 연구의 범위는 연결 로에서 지하도로 본선으로 합류하는 형태의 유입연결로 합류부를 대상으로 한다. 또한, 세부적으로 본선 및 연결로 주행환경에서 본선과 연결로가 접속하는 노즈부, 가속행태와 차로변경이 일어나는 가속차로 구간을 공간적 범위로 선정하였다.

본 연구에서 설정한 공간적 범위를 대상으로 시계확보 공간의 변화에 따른 가속차로 구간에서 나타나는 운전자 주행행태를 분석하고자 수행한 연구 수행절차는 다음과 같다. 먼저, 국내의 도시지역 지하도로 설계 지침에서 언급하고 있는 유입연결로 합류부 설계요소와 시계확보 공간에 대하여 도로 기하구조 측면에서 고 찰하였고, 실제 적용한 설계사례를 대상으로 시계확보 공간의 설계제원 검토, 운전자 주행관점에서 합류부 세부 구간을 고찰하여 본 연구에서 가상주행환경 구축시 시나리오에 적용할 설계제원의 범위를 결정하였다. 이후, 최근 개통되어 운영 중인 대심도 지하도로를 대상으로 가상주행환경 구축 및 분석 시나리오 설정하였 다. 피실험자를 모집하여 가상주행환경 실험을 수행한 후, 마지막으로 분석 시나리오에 대한 피실험자 주행 행태 데이터를 비교·분석하여 결론 및 시사점을 도출하였다.

Ⅱ. 지하도로 유입연결로 합류부 설계요소 및 세부 구간 고찰

1. 지하도로 유입연결로 합류부 설계요소 고찰

도로 기하구조의 연결로 접속부는 서로 다른 높이에서 입체교차되는 두 도로를 종단경사를 가진 연결로 가 이어주면서 형성된다. 일반적으로 유입연결로 접속부는 본선으로의 합류 전에 도로의 노즈(Nose) 부분을 기준으로 연결로(Ramp) 구간과 가속차로(Acceleration lane) 구간으로 나누어지며, 그리고 변이구간(Taper)으로 구성된다. 도심의 대심도 지하도로 유입연결로 경우에는 하향경사의 연결로가 지하도로 본선에 접속하게 되 는데 이때, 터널 벽체로 인하여 지상도로 환경의 합류부와는 다소 차이가 있는 기하구조를 보이게 된다.

국내의 ^「도시지역 지하도로 설계지침(MOLIT, 2016)_」에서는 유입연결로 접속부를 설계함에 있어 주요 설계요소와 지하도로 특성에 의한 설계 고려사항을 제시하고 있다. 특히, <Fig. 1>과 같이 지하구간 터널 벽 체로 막혀있는 상황에서 본선과 연결로를 주행하는 운전자 상호간의 존재 및 접근속도에 대한 인지를 확보 하기 위하여 합류단의 도로의 노즈 이전 일정 구간에서 시계확보가 가능하도록 벽체를 제거하여 광폭의 대 단면 터널 구성을 계획하여야 한다고 언급하고 있다. 다시 말하면, 지반조건에 따라 본선과 연결로 사이 안 쪽 공간에 지지 가능한 필라폭(Pillar)이 확보되는 지점에서 실질적인 물리적 분기가 이루어져 도로의 노즈 이전에 최소 수준의 시계거리를 확보해야 한다고 제시하고 있다(MOLIT, 2016).

<Fig. 1>

Design factors of on-ramp merging section in the underground road

시계확보거리(Available field of sight) 구간의 공간적 형태는 본선과 연결로에 적용된 설계속도에 따른 설 계제원, 유입연결로 접속부 선형의 접속각 및 본선과 연결로 터널 단면 크기 등의 구조물 특성에 의하여 형 성되는데, 설계 경험상 본선과 연결로의 선형 접속각이 커질수록 도로 노즈부의 곡선반지름은 작아지게 되 고 시계확보거리를 포함한 갈매기 마킹(Chevron markings)이 있는 공간의 종방향 길이(이하 갈매기차로1))는 짧아지는 것으로 알려져 있다. 하지만, 지침에서는 시계확보거리에 대하여 개념적인 측면에서만 설계 고려사 항으로 언급할 뿐 구체적으로 어느 정도의 길이가 확보되어야 한다고 제시되어 있지 않다. 시계확보거리를 포함하여 갈매기 마킹이 되어있는 공간은 복합적인 기하구조 요인에 의하여 설계시 결정되기 때문에 단순히 도로 노즈에서 물리적 노즈인 필라 벽체까지의 적정거리를 특정하기는 쉽지 않기 때문이다.

시계확보 공간에 대하여 공학적으로 적정 수준의 설계제원을 제시하고 이와 관련된 설계 적용사항 등을 논의하려면 지하도로 유입연결로 합류부 환경에서 운전자가 어떻게 주행하는지에 대한 관점에서의 접근이 필요하다고 사료된다. 다만, 다른 조건은 고정한 채 시계확보 공간 변화에 의한 주행행태를 비교하려면 현실 에서의 주행실험은 현실적으로 어렵기 때문에 가상주행환경 실험이 적절한 연구 방법이라고 판단된다.

2. 가상주행환경 실험을 위한 지하도로 합류부 세부 구간 고찰

본 연구에서 지하도로 합류부의 시계확보공간 변화에 따른 운전자 주행행태를 분석하고자 가상주행환경 실험을 수행하기 위해서는 무엇보다 시계확보공간에 대한 대안 설정이 중요하다. 다만, 앞서 언급하였듯이 지하도로 설계지침에 관련 설계제원이 제시되어 있지 않기 때문에 지하도로 사례를 참고하여 시계확보공간 에 대한 대조군을 설정하여 실험·분석하는 것이 바람직할 것으로 판단하였다. 최근에 기 설계·시공 및 운영 중인 도심 지하도로 합류부 시계확보거리는 <Table 1>과 같이 15~45m 수준이며, 이를 포함하는 갈매기차로 는 50~110m로 지하도로 유입연결로마다 상이한 값이 적용되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 수치는 해당 도로사업마다 구득한 설계도면에서 전반적인 기하구조 형태와 도로 노즈의 위치를 감안하여 추출한 값이며, 이는 연결로 설계속도가 50~60km/h임을 고려할 때, 운전자는 약 1~3초 이내에 시계확보거리를 통과한다.

<Table 1>

Case study of available field of sight in urban underground road

한편, 운전자 주행행태 관점에서 지하도로 합류부를 살펴보면 운전자는 연결로에서 필라 벽체를 지나 대 단면 터널에 진입하여 도로 노즈부, 즉 갈매기차로 구간을 주행하면서부터 운전석 창문 또는 사이드미러를 통해 본선 차량의 존재 및 접근속도 인지가 가능하다. 더불어 가속차로 구간에서도 운전자는 본선 접근차량 을 지속적으로 확인하면서 본선으로 차로변경을 수행한다. 여기서, 차로변경은 도로 노즈 위치 이후 가속차 로 구간 중 갈매기 마킹이 끝나는 지점부터 가능하기 때문에 이 지점이 운전자 행태 측면에서는 본선 합류 를 위한 직접적인 경계점이 된다고 판단된다. 앞에서 언급하였듯이 기하구조적 특성의 이유로 시계확보거리 를 특정하기 어려운 점과 운전자 주행관점에서 구분되는 합류부 구간을 종합적으로 고려하였을 때, 본 연구 에서는 가상주행환경 구축을 위하여 지하도로 합류부 세부 구간을 1) 필라 벽체부터 시계확보공간을 포함하 는 갈매기차로 구간, 2) 갈매기 마킹이 끝나는 지점부터의 가속차로 구간으로 구분하였다. 그리고 가상주행 환경 구축시 갈매기차로 길이는 <Table 1>을 참고하여 50~110m로 범위를 설정하고 시나리오로 구분하였다.

Ⅲ. 분석방법론

본 연구는 도심 지하도로 유입연결로 접속부에서 시계확보거리가 가속차로 구간의 운전자 주행행태에 미 치는 영향을 분석하기 위하여 분석 시나리오를 설정하여 가상주행실험을 수행하였다. 가상주행환경은 현재 설계가 완료된 지하도로 계획 중에서 연결로 접속부 뿐만 아니라 본선부 전 구간의 설계도면 구득이 가능하 고 2021년 4월에 개통된 신월여의지하도로를 가상주행실험 노선으로 선정하였고, 서울 올림픽대로에서 신월 여의지하도로로 이어지는 여의JCT의 유입연결로 접속부를 분석범위 구간으로 구축하였다.

1. 실험장비

1) 주행 시뮬레이터

본 연구에서는 서울시립대학교에서 보유한 실험장비인 주행 시뮬레이터를 활용하여 가상주행실험을 <Fig. 2>와 같이 수행하였다. 주행 시뮬레이터는 도로 기하구조 설계요소를 실험변수로 하는 연구내용에 대하여 실험을 수행하는데 있어 현실적으로 도로환경 구축이 어려운 연구를 수행할 수 있도록 운전자가 실제 도로 환경에서 주행하는 느낌을 받을 수 있도록 구현된 가상주행환경에서 운전자 주행 데이터를 기록할 수 있도 록 구축된 실험장비이다. 가상주행환경 구축은 도로 주행환경을 전문적으로 구현하는 3차원 가상 현실 기반 소프트웨어인 UC-winRoad(ver. 14.0)를 사용하였다. 이 프로그램은 도로의 평면선형, 종단선형, 횡단구성 등 의 설계제원 입력하여 3D 형태의 도로 기하구조와 주변 지형을 현실과 거의 유사하게 구현할 수 있으며, 교 통수단별 다양한 모델을 생성하여 적용할 수 있는 프로그램이다. UC-winRoad로 구축된 가상주행환경은 주 행 시뮬레이터와 연동시켜 속도(Speed), 차로 횡적 이격거리(Lateral placement), 브레이크 파워(Brake power), 조향각(Steering angle) 등의 주행행태 데이터를 추출할 수 있어 다양한 주행 실험이 가능하다.

<Fig. 2>

Driving Simulator with UC-winRoad program

2) 시선추적장비 (Tobii glasses)

본 연구에서는 지하도로 유입연결로 접속부에서 피실험자들이 본선으로 합류시 본선 접근차량을 인지하 는지 또는 합류부의 세부 구간 중 어느 구간에서 사이드미러를 집중적으로 주시하는지를 확인하기 위하여 피실험자에게 시선추적장비인 Tobii glasses를 착용하게 하고 가상주행환경 실험을 수행하였다. Tobii glasses 는 <Fig. 3>과 같이 일반적인 안경과 거의 유사한 모습으로 피실험자가 착용한 상태에서 시선 추적, 동공크 기 변화 등의 시각 데이터 추출이 가능한 실험장비이다. Tobii glasses로부터 수집되는 피실험자의 시각데이 터 중 주시점은 Milliseconds(1/1000초) 시간단위로 해당 지점을 주시하고 있을 때 Fixation 값의 형태로 기록 된다. 이러한 데이터는 Tobii lab program을 통해 관심영역(Areas of Interest: 이하 AOI) 설정을 통한 시선 데이 터 구분과 연구 목적에 적합한 정량적 분석이 가능하고, Heat map, Gaze plot 등 시선 데이터 해석을 위한 시 각화가 가능하다.

<Fig. 3>

Tobii glasses for driver’s eye tracking

2. 가상주행환경 구축

1) 가상주행환경 구축을 위한 설계요소 및 제원

본 연구에서는 양방향 4차로 규모의 소형차 전용도로인 신월여의지하도로 유입연결로 접속부의 가상주행 환경을 구축하기 위하여 본선과 연결로 모두 해당 설계도면을 참고하여 도로 기하구조 설계제원을 적용하였 다. 터널 내부의 환경은 최대한 실제와 유사하게 구현하였다. 지하도로 합류부는 앞에서 고찰하여 설정한 바 와 같이 물리적 노즈인 필라 벽체부터 시계확보거리를 포함하고 있는 갈매기차로 구간, 갈매기 마킹이 끝나 는 지점부터 테이퍼 이전까지 구간(가속차로)으로 구분하였다. 지하도로 본선은 도시지역 지하도로에 적용하 는 설계서비스수준인 LOS D 수준으로 설정하여 연결로를 주행하는 피실험자가 합류부에 진입하면서 자연 스럽게 본선 접근차량을 확인을 하게 되는 교통환경을 구현하였다. 가상주행환경에 적용한 주요 설계요소별 설계제원은 다음과 같이 정리하였다.

2) 분석 시나리오 설정

분석 시나리오는 신월여의지하도로 환경을 기본안으로 구축한 가상주행환경을 기반으로 본 연구에서 설 정한 갈매기차로에 대하여 앞에서 설명한 <Table 1>을 참고하여 50m에서 110m까지 20m 간격으로 4개의 시 나리오로 구분하였다. 연결로 설계속도가 60km/h임을 고려하면 약 1초가량의 시간동안 주행하는 거리 간격 으로 시나리오를 구분하였다고 볼 수 있다. 이때, 유입연결로 접속부의 모든 설계제원은 그대로인 채 갈매기 차로가 시나리오에 따라 짧아지면 운전자 입장에서는 주행 중인 도로가 굴곡지거나 확 꺾여져 보일 수 있으 므로 연결로 선형 및 접속각을 시나리오별 미세하게 조정하였으나, 필라 벽체 이후 구간에서 갈매기차로의 길이 이외에 다른 요인의 영향을 받지 않도록 하여 갈매기차로를 제외한 대부분의 설계요소 제원은 시나리 오별 동일하게 적용하였다. 본선 접근차량 속도는 본선 설계속도 80km/h를 고려하여 75km/h, 85km/h의 두 가 지 교통환경을 설정하여 4개의 갈매기차로 시나리오마다 각각 적용하였다. 따라서, UC-winRoad를 활용한 지 하도로 유입연결로 접속부 가상주행환경 맵은 <Table 2>와 같이 총 8개의 분석 시나리오로 구성하였다.

<Table 2>

Composition of Scenarios

그리고 주행 시뮬레이터 실험에서 경험적으로 30분 이상의 주행은 피실험자의 집중력이 흐려지고 운전자 피로, 어지러움과 두통을 일으키는 문제로 인하여 신뢰할 수 없는 주행 데이터가 생성될 가능성이 크므로 전 체 주행시간이 30분이 넘지 않도록 하여 최종적인 가상주행환경 맵을 구축하였다.

3. 피실험자 구성 및 실험진행방법

피실험자는 운전면허를 소지자이고 평소에 운전하면서 운전 경력이 2년 이상인 사람들로 모집하였다. 피실험자 모집시 운수업 종사자는 평소 오랜 운전 시간으로 특정 운전성향 또는 운전습관 등으로 주행데이터 편향성의 우려가 있다고 판단하여 가급적 배제하고, 일반 운전자 위주로 모집하였다. 가상주행실험에 참여한 피실험자는 총 35명이나 유효하지 않은 데이터는 제외하고 최종적으로 총 31명을 분석대상으로 선정하였다. 피실험자의 연령대별 구성과 성별 비율은 20대 6명(남성 3명 / 여성 3명), 30대 8명(남성 6명 / 여성 2명), 40대 9명(남성 5명 / 여성 4명), 50대 8명(남성 5명/ 여성 3명)으로 <Table 3>과 같다.

<Table 3>

Composition of experiment participants

가상주행실험은 피실험자가 주행 시뮬레이터 실험 장비에 충분히 적응할 수 있도록 본 실험 이전에 약 5 분가량 예비주행을 하도록 하였고, 그 이후 약 25분가량 본 실험을 진행하였다. 가상주행실험의 모든 과정은 장비관리자 또는 실험자의 통제하에 이루어졌다. 피실험자에게는 신월여의지하도로의 본선 제한속도 (80km/h)와 연결로 제한속도(60km/h)를 안내하였고, 운전경험을 바탕으로 도로상의 이정표지, 속도표지 등을 준수하여 주행하도록 하였다. 그리고 최대한 유효한 데이터를 얻기 위하여 연결로 주행시 합류부에 거의 이 르러서는 최대한 제한속도 수준으로 주행할 수 있도록 하였다.

4. 유입연결로 합류부 세부 구간별 운전자 주행행태 분석 방법

1) 운전자 주행데이터 분석

본선에 접속되는 유입연결로는 연결로 설계속도로 주행하는 차량이 도로의 노즈 이후부터 변이구간까지 가속차로를 통해서 쾌적하게 가속하여 본선 설계속도에 도달할 수 있도록 기하구조 측면에서 그 기능을 담 당하고 있다. 하지만, 운전자가 갈매기차로 또는 가속차로를 주행하면서 본선 접근차량을 늦게 인지한 경우 에는 급감속을 하게 되고, 이후 평소의 가속행태보다 더 높은 수준으로 주행할 가능성이 많아진다. 지하도로 는 하향경사가 있는 연결로일지라도 터널벽체로 인하여 본선의 교통 상황을 전혀 알 수 없다. 사실상 필라 벽체를 통과하면서부터 본선의 교통상황 인지가 가능한데, 이는 지상도로의 환경보다는 본선 접근차량 인지 가 상대적으로 늦어지게 되어 지하도로 합류부 구간에서 운전자가 급감속하는 경우와 밀접한 관계가 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 가상주행실험을 통해 얻을 수 있는 주행 관련 Log data 중 속도(Speed)와 차로 횡적 이격거 리(Lateral Placement: 이하 LPM)를 주행행태를 설명하는 기본 변수로 활용하였다. 이때, 지하도로 합류부 갈 매기차로의 분석 시나리오에 따라 나타나는 주행행태의 차이를 효과적으로 설명하기 위하여 <Fig. 4>와 같 이 속도 측면의 분석지표로 식(1)과 식(2)를 적용하였다. 식(1)은 물리적 노즈인 필라 벽체 통과속도와 갈매 기차로 및 가속차로를 포함하는 합류부 내 최저속도의 속도차이를 의미한다. 운전자가 사이드미러로 확인하 여 느끼는 접근차량에 대한 속도감은 개별 피실험자마다 다르며 객관적인 측정이 어려워서 합류부 내 본선 접근차량의 영향으로 얼마나 많이 감속하는지 이러한 감속 행태를 통해서 피실험자가 합류 직전에 안정적인 주행성(Driving performance)을 보이는지 반영하고자 하였다. 또한, 피실험자의 감속 행태는 그 크기와 합류부 내 최저 속도지점이 피실험자들마다 각기 다르게 나타나는 이유로 인해 이를 설명하는 위한 분석지표로 매 시각 변화하는 속도 변화량 또는 감속도가 아닌 물리적 노즈인 터널 벽체 통과속도 대비 합류부 내 최저속 도간 속도차이를 정의하였다. 식(2)는 합류부 최저속도가 기록된 지점부터 변이구간 끝의 본선 지점까지의 가속도를 의미한다. 식(1)의 속도차이와 식(2)의 가속도가 커진다는 것은 피실험자가 물리적 노즈 통과 후 본 선 접근차량을 인지하고 속도를 조절하는 데 상대적으로 어려움이 있으며, 이에 따라 본선으로 차로변경을 위한 급가속을 하는 불안정한 주행행태를 보이는 것으로 이해할 수 있다. 그리고 가속차로 구간에서의 차로 변경 행태를 효과적으로 보기 위해서 LPM은 차로 중심 기준이 아닌 도로의 최우측 차선 기준의 LPM을 추 출하였다. 이어서, 가속차로 구간에서 피실험자의 차로변경지점 분포를 시나리오별로 비교하기 위하여 LPM data가 가속차로 차로 폭인 3.25m를 넘어가는 지점을 분석하였다. 가속차로 길이 110m 내 차로변경지점이 높아진다는 것은 피실험자가 상대적으로 변이구간(Taper)에 가까운 지점에서 차로를 변경했다는 것을 의미 한다. 마지막으로 지하도로 유입연결로 합류부 주행행태를 설명하기 위한 분석지표에 대해서 시나리오별 평 균 차이의 통계적 유의성을 확인하기 위하여 SPSS 통계 패키지 프로그램을 활용하였고, 분산분석(ANOVA) 과 사후검정(Post-Hoc Tests)으로 그룹간 평균 차이에 대한 다중비교(Multiple Comparisons)를 수행하였다.

<Fig. 4>

Driving data analysis method

여기서,

2) 운전자 시각데이터 분석

본 연구에서는 지하도로 유입연결로의 운전자가 본선으로 합류하는 상황에서 본선 접근차량를 잘 인지하 는지 또는 합류부 세부 구간별 주시행태 변화를 확인하기 위하여 피실험자에게 Tobii glasses 시선추적장비를 착용하게 하여 가상주행실험을 수행하였다.

피실험자의 시각데이터 분석은 추출된 시각데이터 중 주시점(Fixation 값)을 분석자료로 활용하였다. 그리 고 가상주행실험시 피실험자가 어디를 보는지 확인하기 위하여 Tobii lab program을 통해서 AOI를 설정하였 다. 최근 국내에서 Tobii glasses 활용하여 가상주행실험을 수행한 Lee et al.(2022)의 연구에서는 지방부 도로 환경에서 온도감응형 결빙표지를 고안하여 운전자 주행행태를 분석한 사례가 있는데 이때, 스크린 전방과 도로변의 지주식 결빙표지를 AOI로 설정한 바 있다.

본 연구에서는 <Fig. 5>와 같이 전방부(Front), 계기판(Inside) 좌측 사이드미러(Left sidemirror)로 AOI를 구 분하였다. 또한, 합류부의 갈매기차로와 감속차로 구간 내 운전자 주시 비율의 변화를 확인하기 위하여 시나 리오별 합류부 구간을 특정 길이 단위로 추가 구분하였다. <Fig. 6>과 같이 갈매기차로 구간은 약 20~25m 단 위로 시나리오 1, 5는 5개 구간, 시나리오 2, 6은 4개 구간, 시나리오 3, 7은 3개 구간 시나리오 4, 8은 2개 구 간으로 나누었고, 110m의 가속차로 구간은 세 구간으로 나누어 시나리오별 동일하게 설정하였다. 그다음, 시 나리오별 해당 구간에서 AOI 영역의 주시점 데이터를 집계하였고, AOI 모든 영역의 주시 대비 좌측 사이드 미러를 얼마나 주시하였는지를 확인하기 위해 평균 주시 비율로 비교·분석하였다.

<Fig. 5>

AOI Classification

<Fig. 6>

Section division for fixation analysis

Ⅳ. 분석 결과

1. 운전자 속도 측면 주행행태 분석 결과

피실험자의 속도 데이터를 기반으로 분석 시나리오별로 합류부 세부 이정별 평균속도의 변화는 <Fig. 7> 과 같다. 우선, 지하도로 유입연결로 필라 벽체를 통과 후 갈매기차로의 평균 진입속도는 모든 시나리오에서 연결로 설계속도인 60km/h 수준으로 나타났다. 이후 평균속도의 변화는 갈매기차로에서 점차 감소하기 시작 하여 가속차로 구간에서 최저속도를 보이고 다시 가속하는 행태로 나타났다. 이는 대부분의 피실험자가 본 선에서 접근하는 차량을 확인하고 감속을 한 것으로 이해할 수 있다. 다만, 갈매기차로 길이에 따른 시나리 오별로 속도 변화는 그 양상에 차이를 보인다. 최저 평균속도가 시나리오 1, 5는 약 56.1km/h, 시나리오 2, 6 은 약 55.5km/h 수준으로 갈매기차로가 110m, 90m 합류부 환경에서는 평균속도가 거의 유사한 수준으로 판 단된다. 그리고 갈매기차로 길이가 70m, 50m로 내려갈수록 평균속도의 최저지점은 가속차로 구간 중간 부근 으로 나타나고 있는데 시나리오 3, 7의 최저 평균속도는 약 52.2km/h이고 시나리오 4, 8은 약 50.4~51.2km/h 수준으로 나타났다. 하지만, <Fig. 7>과 같이 합류부 구간 이정별 피실험자의 평균속도를 나타낸 그래프는 개략적인 속도변화에 대해서만 파악할 수 있기 때문에, 합류부 내 개별 운전자의 주행행태를 좀 더 세부적으 로 설명하기 위해서는 별도의 분석지표가 필요하다.

<Fig. 7>

Speed behavior of on-ramp merging section in the underground road

따라서, 개별 운전자 속도행태를 분석하기 위하여 앞서 분석방법론에서 언급하였듯이 합류부 구간 내에서 나타나는 식(1)의 속도차이(Speed difference)와 식(2)의 가속도(Acceleration)를 개별 운전자별로 산출하여 시나 리오 그룹별 통계분석을 수행하였다. 시나리오별 분석지표(속도차이, 가속도)에 대한 기초통계량는 <Table 4>와 같다. 갈매기차로가 110m에서 50m로 줄어들수록 속도차이, 가속도 각각의 평균과 표준편차가 높아지 는 경향이 있는 것으로 나타났다. 그리고 갈매기차로 길이가 같은 시나리오별로 비교하였을 때, 본선 접근속 도가 75km/h일 때가 85km/h일 때보다 속도차이, 가속도 모두 평균, 표준편차, 최댓값이 더 큰 것으로 분석되 었다. 또한, 본선 접근속도가 85km/h, 75km/h인 두 경우 모두 갈매기차로 70m와 90m 사이에서 속도차이와 가속도에 평균 차이가 상대적으로 크게 있는 것으로 나타났다.

<Table 4>

Descriptive statistics for speed data

시나리오별 분석지표의 각각 평균 차이가 통계적 유의성을 확보하는지를 판단하기 위하여 <Table 5>와 같 이 분산분석(ANOVA)을 수행하였다. 그 결과, 속도차이와 가속도 모두 본선 접근속도 85km/h 환경에서는 그 룹 간 평균 차이에 대하여 통계적 유의성을 확보하는 것으로 나타났지만, 본선 접근속도 75km/h에서는 그룹 간 평균의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그리고 그룹 간 평균 차이가 유의미한 결과로 도출된 본선 접근속 도 85km/h의 시나리오 1, 2, 3, 4에 대해서 <Table 6>과 같이 사후검정을 수행하였다. 시나리오 1과 2, 시나리 오 3과 4의 평균 차이는 속도차이, 가속도 모두 P-value가 0.05를 넘어가면서 통계적으로 유의하지 않은 것으 로 나타났고, 이외의 다른 시나리오간 비교에서는 통계적 유의성을 확보하는 것으로 나타났다. 다시 말하면, 본선 접근속도가 85km/h인 상황에서 갈매기차로 70m와 90m 시나리오에 나타나는 주행행태의 차이가 통계 적으로 다르다는 것을 의미한다.

<Table 5>

Results of ANOVA of speed data between scenarios

<Table 6>

Results of multiple comparisons for scenarios of approach speed, 85km/h

2. 운전자 차로변경지점 분석 결과

유입연결로 합류부에서는 가속차로를 주행하는 운전자가 어느 지점에서 차로변경을 하는지도 운전자 주 행행태를 설명하는 분석지표가 될 수 있다. 따라서, 앞서 분석방법론에서 언급하였듯이 도로의 최우측 차선 을 기준으로 한 LPM 데이터를 분석하여 가속차로 구간(110m)에서 3.25m를 넘어가는 지점을 차로변경지점으 로 판단하였다. 개별 운전자별 LPM이 3.25m에 매칭되는 가속차로 시작점으로부터의 이정(m)을 정리하였다.

시나리오별 차로변경지점의 분포는 <Fig. 8>과 같으며, 기초통계량은 <Table 7>과 같다. 갈매기차로가 110m에서 50m로 줄어들수록 가속차로에서의 차로변경지점의 평균과 표준편차가 높아지는 경향이 있는 것 으로 나타났다. 그리고 갈매기차로 길이가 같은 시나리오별로 비교하였을 때, 본선 접근속도가 75km/h일 때 가 85km/h일 때보다 차로변경지점의 평균, 표준편차, 최댓값이 더 큰 것으로 분석되었다. 또한, 본선 접근속 도가 85km/h, 75km/h인 두 경우 모두 갈매기차로 70m와 90m 사이에서 차로변경지점의 평균차이가 상대적으 로 크게 나타나는 것으로 도출되었다. 시나리오별 차로변경지점 기초통계량 분석 결과는 속도 측면의 분석 지표와 유사한 결과를 보여주는 것으로 나타났다.

<Fig. 8>

Box-plot for lane change points

<Table 7>

Descriptive statistics for lane change points

이어서, 시나리오별 차로변경지점의 평균 차이가 통계적 유의성을 확보하는지를 판단하기 위하여 <Table 8>과 같이 분산분석(ANOVA)을 수행하였다. 그 결과, 차로변경지점이 본선 접근속도 85km/h 환경에서는 그 룹 간 평균 차이에 대하여 통계적 유의성을 확보하는 것으로 나타났지만, 본선 접근속도 75km/h에서는 그룹 간 평균의 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 그룹 간 평균 차이가 유의미한 결과로 도출된 본선 접근속 도 85km/h의 시나리오 1, 2, 3, 4에 대해서만 <Table 9>와 같이 사후검정을 수행하였다. 그 결과, 시나리오 1 과 2, 시나리오 3과 4의 차로변경지점 평균 차이는 모두 P-value가 0.05를 넘어가면서 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났고, 나머지 다른 시나리오간 비교에서는 통계적 유의성을 확보하는 것으로 나타났다. 속 도 측면의 분석지표 통계분석 결과와 마찬가지로 차로변경지점에 대해서도 본선 접근속도가 85km/h인 상황 에서 갈매기차로 70m와 90m 시나리오에 나타나는 차로변경 행태 차이가 통계적으로 다르다는 것을 의미한 다고 볼 수 있다.

<Table 8>

Results of ANOVA of lane change points between scenarios

<Table 9>

Results of multiple comparisons for scenarios of approach speed, 85km/h

3. 운전자 시각행태 분석 결과

본 연구에서는 Tobii glasses 장비를 활용하여 추출한 운전자 시각데이터 중 주시점 데이터를 기반으로 갈 매기차로와 가속차로를 일정한 간격으로 구분하여 해당 구간에서의 AOI 주시 비율을 분석하였다. 시나리오 별 전방부(Front), 속도 계기판 주변(Inside), 좌측 사이드미러(Left sidemirror)의 운전자 주시 비율 결과는 <Table 10>과 같다. 먼저, 차량 계기판 영역의 주시 비율은 처음 구간에서 시나리오 대부분 20% 이상의 주시 비율을 보였는데, 이는 가상주행환경의 주요 지점에 표출되어 있는 제한속도 표지를 인지하고 현실적인 범 위 내의 주행속도를 유지하고자 합류부 진입 직후 피실험자들의 속도 확인 행태로 판단된다. 동일 구간에서 의 전방부 주시비율은 70% 이상의 수준으로 나타나고 있다. 좌측 사이드미러 영역의 경우는 시나리오별로 필라 벽체를 통과하여 갈매기차로에 진입한 처음 구간에서 좌측 사이드미러 주시 비율이 약 6.0% 이하로 낮 았으나 갈매기차로의 다음 구간에서부터 10.0% 이상 주시하는 것으로 나타났다. 대체로 이후 구간부터 좌측 사이드미러 주시 비율이 20.0% 이상 높아지고 가속차로 구간에서 주시 비율의 고점 뒤에 변이구간으로 갈수 록 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 갈매기차로의 길이가 짧은 시나리오일수록 갈매기차로 구간에서 사이 드미러를 주시하는 비율이 낮았으며, 그만큼 본선 접근차량에 대한 인지를 가속차로 구간에서 하는 것으로 볼 수 있다.

<Table 10>

AOI gaze rate by scenarios

또한, <Fig. 9>와 같이 본선 접근속도 차이에 따라서 좌측 사이드미러 주시 비율의 변화가 다르게 나타났 는데 본선 차량의 접근속도가 75km/h인 경우, 피실험자가 사이드미러를 더 많이 주시하는 것으로 나타났다. 이는 필라 벽체를 통과하는 피실험자의 평균 통과속도는 60~65km/h 수준인데 운전자가 사이드미러로 접근 차량의 속도를 인지할 때, 85km/h보다 75km/h의 속도가 상대적 속도감이 크지 않아서 오히려 피실험자의 합 류 상황판단이 늦어져 더 길게 사이드미러를 주시하는 것으로 판단된다.

<Fig. 9>

Left sidemirror gaze rate by scenarios

4. 분석 결과에 따른 시사점 및 설계방향 제시

본 연구는 지하도로 유입연결로 합류부의 시계확보거리를 포함하고 있는 갈매기차로 길이와 본선 접근속 도에 따른 운전자 주행행태를 비교·분석하였다. 앞에서 도출한 운전자 주행행태 분석 결과에 대한 지하도로 유입연결로 합류부의 설계요소 및 설계방향에 대한 종합적인 시사점은 다음과 같다.

먼저, 갈매기차로 길이에 따른 운전자 주행행태의 변화는 속도 측면의 분석지표(속도차이, 가속도)와 차로 변경지점에서 갈매가차로 길이가 70m와 90m 사이에 평균 차이가 있는 일관성 있는 결과가 도출되었다. 특 히, 본선차량 접근속도가 85km/h인 경우에는 그룹간 평균의 차이가 분명하며 통계적 유의성을 확보하는 것 으로 분석되었다. 본선차량 접근속도가 75km/h인 경우는 모든 시나리오 그룹간 평균 차이에 대한 통계적으 로 유의미하지 않은 것으로 나타났으나 이는 본선차량이 75km/h 수준으로 접근할 때 개별 피실험자의 주행 행태의 편차가 크게 나타났기 때문으로 해석된다.

한편, 필라 벽체를 연결로 설계속도 수준으로 통과하여 사이드미러로 확인한 접근차량은 위치상으로는 뒤 에 있어도 더 빠른 속도로 접근하고 있다는 것을 알 수 있다. 상호 속도차에 의한 속도감은 운전자가 합류부 라는 비교적 짧은 구간에서 속도조절과 차로변경 행위를 하기 위해 중요한 요소로 작용하는 것으로 판단되 는데, 운전자 주시점 분석에서 갈매기차로 구간의 좌측 사이드미러 주시비율이 본선차량 접근속도가 75km/h 일 때, 높게 나타난 이유와 같이 연결 지어 생각해볼 수 있다. 상대적으로 속도감이 크지 않은 경우에 오히 려 사이드미러를 더 오래 주시하는 경향이 있고 운전자 주행행태의 편차가 커지는 것으로 판단된다.

MOLIT(2020)의 도로설계지침 해설에서는 가속차로 설계시 주행속도 60~70km/h에서의 평균 가속도를 0.28~0.36m/s²을 적용한다고 제시되어 있다. 하지만 본 연구에서 제시한 결과처럼 지하도로에서 본선 접근차 량과의 영향으로 감속 뒤에 높은 가속(평균 0.53~1.15m/s²)을 하거나 갈매기차로 길이가 짧을수록 주행행태의 표준편차가 커지는 것을 생각해보면, 공간적 제약이 따르는 지하도로 유입연결로 합류부에서 시계확보거리 의 개념과 갈매기차로 길이는 운전자의 주행쾌적성 또는 안전성으로 직결되는 중요한 설계요소라고 할 수 있다. 도심 지하도로 유입연결로 합류부의 갈매기차로 공간 설계는 기술적으로 본선과 연결로 선형의 접속 각 및 본선과 연결로 터널 단면 크기 등이 주요인으로 작용하겠지만, 본 연구의 가상주행실험 운전자 주행행 태 분석 결과를 고려하면 시계확보공간을 포함한 갈매기차로는 최소 70m의 길이가 확보되도록 적용하되 50~60km/h 수준의 연결로 설계속도에서 약 1~2초 이내의 주행거리를 더한 90m를 적정 갈매기차로 제원으로 제시하고자 한다. 이때의 시계확보거리는 특정지어 산출하는 것은 어렵지만, 앞서 <Table 1>의 사례를 참고 하면 35m 정도 수준임을 가늠할 수 있다. 또한, 도심 지하도로 인프라가 지하-지상간 연결 또는 지하-지하간 연결시 도로 네트워크 위치와 주변 지형 여건을 고려하였을 때, 지하도로의 본선과 연결로 접속각이 크게 접 속되어 갈매기차로 공간의 길이가 70m보다 짧게 형성될 때는 운전자의 안정적인 주행행태를 위하여 가속차 로 길이 확장 설계를 고려하는 것이 필요하다고 판단된다.

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 도심 지하도로 유입연결로 합류부를 대상으로 주행 시뮬레이터를 활용하여 운전자 주행행 태를 분석하였다. 지상도로와 달리 지하터널 벽체로 인해 발생하는 “시계확보거리” 개념에 대해서 국내 도 시지역 지하도로 설계지침 및 기존 설계사례를 고찰하였고, 최근 개통된 신월여의지하도로의 여의JCT 유입 연결로 합류부 가상주행환경을 구축하면서 시계확보 공간을 포함하는 갈매기차로 길이와 본선 접근속도에 대하여 대안을 설정하여 시나리오를 구분하였다. 그 결과, 속도 측면의 분석지표와 차로변경지점 그리고 운 전자 주시 비율에서 시나리오에 따른 운전자 주행행태를 설명하는 일관성 있는 결과가 도출되었다고 판단된 다. 다만, 본 연구는 가상주행환경에서의 설계요소 시나리오 대안에 따른 운전자 주행행태 분석 결과를 상대 적으로 비교함으로써 시사점과 설계방향에 대한 제언 수준으로 연구내용을 담고 있으며, 좀 더 실증적인 결 과로 실제 설계과정에 반영하기 위해서는 관련 연구가 지속적으로 뒷받침되어야 한다고 판단된다. 가령, 향 후 연구에는 차로폭의 영향 혹은 차로 내 주행 위치에 따라서 본선 접근차량의 인지 가능한 범위를 좀 더 세부적으로 도출하여 시계확보 공간에 대한 물리적 정의를 재정립할 필요가 있으며 또한, 지하도로 본선의 서비스수준과 본선 접근속도를 세분화하여 운전자 주행행태 변화에 대한 다각적인 분석도 필요할 것으로 생 각된다.

현재 국내에서 도심지를 대상으로 지하도로 계획 및 설계가 다발적으로 추진 중인 가운데 지하도로 연결 로 접속부에 대한 운전자 주행행태 관련 연구사례는 국내·외적으로 거의 없는 실정이다. 따라서, 본 연구는 지하도로 유입연결로 합류부를 공간적 범위로 가상주행실험으로 운전자 주행행태를 분석하였다는 점에서 연구의 의의와 차별성이 있다고 할 수 있다. 앞으로 지하도로 기하구조에 대한 운전자 행태 관련 다양한 연 구가 지속적으로 추진되어 운전자의 주행안전성을 확보할 수 있는 최적 설계기술이 개발되기를 기대한다.