Ⅰ. 서 론
1. 개요
긴급차량 우선신호시스템은 교통정보센터에서 긴급차량의 위치를 추적하여 출동 경로 상 전방 신호를 긴 급차량이 통과 할 때까지 녹색시간으로 유지함으로써 긴급차량의 통행 시간을 단축하고, 무리한 교차로 진 입으로 인한 일반 차량과의 사고 위험을 예방하는 시스템이다. 특이 우선신호시스템은 긴급차량이 신속하게 목적지에 도착하도록 지원하여 골든 타임을 확보에 중요한 역할을 한다.
그러나 긴급차량이 교차로를 통과할 때까지 특정 현시가 지속적으로 유지되면서, 다른 이동류의 차량이 장시간 대기해야 하는 문제가 발생하고 있다. 이로 인해 부도로 교차로의 대기 행렬이 증가하고, 일반 차량 운전자들의 불편과 민원이 초래되는 실정이다. 기존 교통신호시스템에서 전이 알고리즘은 시간계획(Time of Day, TOD)의 변화나, 신호제어기의 오프라인통신에서 온라인통신으로 전환시 기존 신호시간 계획의 복귀를 위해 운영되고 있어, 긴급차량으로 인한 녹색신호 연장에 대한 복귀계획을 반영하지 못하고 있다. 따라서 긴 급차량 우선신호 서비스가 종료된 후 기존 신호 운영 체계로 복귀시 기존 긴급차량으로 부여받지 못한 현시 에 대해 현시율만큼 보상하여 전이시간에 배분하는 새로운 신호 전이 알고리즘을 제안한다. 이를 통해 부도 로의 교통정체를 완화시키고 일반 차량 운전자들의 불편 민원을 사전에 예방하고자 한다.
2. 연구의 목적 및 범위
본 연구는 긴급차량의 우선신호 서비스 종료 후 기존 신호로 전환시 기존 전이 알고리즘인 경찰청 ｢교통 신호제어기 표준규격｣에 정의된 알고리즘과 우선신호 서비스로 인해 녹색신호시간이 연장됨에 따라 부도로 에 미치는 교통정체를 최소화 하기 위한 현시별 보상율를 각각 산정하고, 산정된 보상율에 따라 전이시간에 배분하고자 한다. 개선된 전이 알고리즘은 기존 현시의 신호시간은 해당교차로의 교통량에 따라 적정하게 배 분되었다는 가정하에 기존 현시의 신호시간에 비례하여 보상율을 산정하였고, 신호운영 체계별(선직진 신호 체계, 선좌회전신호체계, 동시신호체계) 3개의 교차로의 평균 지체시간 및 통행시간의 변화를 분석하였다.
Ⅱ. 선행연구 고찰
1. 선행연구 검토
그 동안 긴급차량 우선신호 서비스에 대한 연구에서는 우선신호 서비스로 인한 일반 차량에 미치는 영향 이나, 긴급차량 우선신호 서비스로 인해 증가한 일반 차량의 대기행렬과 지체시간을 효과적으로 감소시키기 위한 연구가 다수 진행되었다.
Park and Lee(2005)의 연구에서는 긴급차량 우선신호가 일반 차량의 지체를 증가시키는 문제를 해결하기 위해 새로운 신호 제어 방안을 제시하였다. 다만, 해당 연구는 단일 현시 체계와 특정 포화도 조건에서만 시 뮬레이션이 수행되어 다양한 교통 환경에 대한 일반화가 어렵다는 한계가 있었다.
Yun et al.(2007)은 긴급차량 우선신호 전략을 시뮬레이션을 통해 평가하였으며, 일반 차량의 지체 및 통행 시간이 증가하는 문제를 확인하였다. EVPS 작동 후 두 가지 종류의 교통제어기에서 Shortway, Smooth' 전이 방법의 효과를 HILS 시뮬레이션으로 평가하였고, 교통량과 TOD계획에 따라 전이방법은 달라진 것을 알 수 있었다. 해당 연구에서는 신호 전이 과정에서 ‘Short Way’ 방식을 2~3주기 동안 적용할 경우 일반 차량의 지 체 증가를 효과적으로 완화할 수 있음을 확인하였다.
Yang et al.(2008)은 긴급차량 우선신호 전략을 제안하고, V/C(Volume-to-Capacity) 비율을 고려하여 효과를 분석하였다. 해당 연구에서 긴급차량의 통행속도가 증가하는 효과를 확인하였으나, 반면 일반 차량의 지체가 증가하는 부작용이 있음을 지적하였다.
Park et al.(2012)은 UTIS(Urban Traffic Information System)를 활용하여 긴급차량 우선신호 시스템의 적용 가능성을 평가하였다. 연구 결과, 긴급차량의 평균 통행시간은 46% 단축된 반면 일반 차량의 평균 지체 시 간은 최대 33.5% 증가하는 문제가 발생하였다. 또한, 해당 연구에서는 긴급차량 우선신호 서비스 종료 후 기 존 신호 계획으로 복귀하기 위한 다양한 신호 전이 방식을 비교하여 ‘Add’ 또는 ‘Subtract’ 방식이 ‘Dwell’ 방 식보다 일반 차량의 지체 증가를 최소화하는데 효과적임을 확인하였다.
Kim et al.(2017)은 긴급차량 우선신호 시스템이 실제 도로 환경에서 적용되었을 때 효과와 일반 차량의 교통 흐름에 미치는 영향을 분석하였다. 해당 연구에서는 포화상태의 교통량에서 일반 차량의 대기행렬은 최대 45분, 근포화 상태에서는 최대 30분 지속되었으며, 비 포화 상태에서는 긴급차량이 통과한 직후 일반 차량의 대기 행렬은 빠르게 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 긴급차량 우선신호 서비스가 일반 차량에 미 치는 영향은 교통량에 따라 다르게 나타날 수 있음을 시사하였다.
Lee et al.(2017)은 긴급차량 우선신호와 기존 신호 운영 체계를 통합한 신호 제어 알고리즘을 개발하였으 며, 시뮬레이션을 통해 적용 효과를 검증하였다. 해당 연구에서는 긴급차량이 통과한 후 일정 기간 동안 신 호 운영 계획을 동적으로 조정함으로써 교통 흐름 정상화를 보다 신속하게 달성할 수 있음을 확인하였다.
Ko et. al.(2021) 는 긴급차량 우선신호 운영기법인 Preemption방식과 Priority방식을 V/C에 따라 비교분석하 였고, 주도로와 부도로의 V/C에 따른 전이 기법인 ‘Dwell’, ‘Smooth’를 비교·분석하였다.
Jo(2024)는 AI 기반의 전이 알고리즘을 제안하였으며 다양한 전이기법 중 최적의 전이 기법을 분석하였다. 시뮬레이션 결과 각 전이 기법은 옵셋/신호주기/교통량에 따라 효욜성이 서로 다르다고 연구하였다.
Silaghi et al.(2024)은 EVPS 작동 시 도착예측 정보를 활용하여 교통신호를 사전에 조정해 골든타임을 높 이는 연구를 하였으며 분석 결과 평균 이동 시간 감소: 전체 평균 약 1.017% 개선효과를 확인하였다.
그 밖에 미국 뉴욕시는 AI 예측 모델을 활용해 긴급차량의 도착/통과 시점을 사전에 분석하였고 전이 시 간 조정 시 AI 예측 결과를 반영해, 필요시 전이 시간을 단축하거나 연장하였다. 미국 미니애폴리스에서 긴 급차량 통과 후 "지연 복원 알고리즘(Delayed Restore Algorithm)" 적용하였으며 교차로의 혼잡도를 18% 이상 감소된 것으로 분석하였고, 캘리포니아(로스앤젤레스)에서는 일반 신호 복원 시 "스텝 바이 스텝" 방식(소규 모 단계별 복원)과 "즉각 복원" 방식 비교으로 비교하였고 즉각 복원 방식은 빠르지만 초기 신호 불균형으로 인해 짧은 시간에 혼잡이 발생한다고 연구하였다.
2. 시사점 고찰
국내외 연구들은 긴급차량 우선신호의 적용 효과를 분석하고, 서비스 종료 후 일반 차량에 미치는 영향을 최소화하기 위한 다양한 방안을 제안하였다. 대부분의 연구에서 우선신호 제어방법(Preemption, Priority)을 비 교하거나 전통적 신호 전이 방법(Dwell, Max Dwell, Add, Subtract, Shortway 등) 독립변수와 교통량 등의 종속 변수을 통해 최적의 전이시간 알고리즘을 비교·연구하였다. 하지만 최근 많은 지자체에서 긴급차량으로 인 한 우선신호 서비스는 자주 발생하고 있고, 향후 긴급차량 우선신호시스템을 도입하는 지자체가 증가 할 수 록 부도로의 정체를 고려해야 한다. 특히 긴급차량으로 인한 길어진 주기(녹색신호 연장)에 대한 보상 부분 은 충분히 고려하지 못해 부도로의 정체가 지속적으로 발생한 점을 고려할 때 긴급차량 서비스 종료 후 긴 급차량이 진행방향이 아닌 부도로 이동류 정체를 완화하기 위한 전이 알고리즘 개발이 필요하다.
Ⅲ. 신규 전이시간 알고리즘 모형 개발
본 연구에서는 긴급차량이 우선신호 서비스 종료 후 기존 신호 운영 체계로 복귀시 부도로의 교통정체를 완화하기 위해 긴급차량으로 연장된 신호시간을 감안하여, 부도로에 신호시간(정체) 보상을 위해 전이시간을 차등 배분하는 신호 전이 알고리즘을 제안한다. 본 제안 알고리즘은 전이 주기 내 각 현시를 계산할 때 보상 과 배분 두 단계를 거치는 방식으로 설계되었다. 이 때, 보상율은 긴급차량 우선신호가 적용된 현시를 제외 한 다른 현시에 추가적인 신호 시간을 할당하는 과정을 의미하며, 배분 과정은 보상율 산정 후 연장된 각 현 시에 보상비율을 전이 시간에 적용하여 최적의 전이 시간을 산정하는 과정을 의미한다.
본 연구에서 제안한 전이 알고리즘은 모두 긴급차량 우선신호가 서비스되는 동안 증가한 부도로의 이동 류의 정체를 보다 원활히 해소하는 것에 목적이 있으며, 개선된 전이 시간에서 긴급차량이 통행한 현시의 신 호시간보다 긴급차량이 통행하지 않은 다른 현시에 전이 시간을 더 부여한다는 특징이 있다. 제안된 전이 알 고리즘에 사용하는 전이량과 전이횟수 계산은 경찰청 표준규격서에 의한 전이 알고리즘에서 산정하는 방식 을 따르되, 긴급차량 우선신호로 인해 증가한 교통량을 고려하여 양의 방향 전이만을 고려하였다.
1. 기존 신호 전이 알고리즘(경찰청 교통신호제어기 표준규격)
경찰청 교통신호제어기 표준규격서(2023)에서는 통상 전이주기는 1회-5회가 가능하나 3회 이내에 완료할 수 있도록 하며, 전이방향에 따라 음으로 전이하는 경우에는 전이주기 길이가 줄어들게 되므로 양의 방향으 로 전이되는 경우보다는 한 번에 전이되는 양(주기감소량)이 적은 것으로 규정하고 있다. 오프라인 모드 운 영시에도 전이주기를 운영하여야 하며, 전이주기 계산 시 최소한 2주기이상을 계획하도록 해야한다. 온라인 모드에서는 전이주기 전체를 계획하여 전송하여야 한다. 양의 방향 전이를 기본으로 적용하며 기존 신호 전 이 알고리즘은 경찰청 교통신호제어기 표준규격서(2023)에 정의된 <Fig. 1>과 같다.
2. 현시 비율을 고려한 신호 전이 알고리즘
본 연구에서 제안한 현시 비율을 고려한 신호 전이 알고리즘은 긴급차량이 우선신호 서비스 종료 후 기존 신호체계로 복귀시 긴급차량으로 인해 우선신호로 부여받지 못한 부도로의 교통정체에 대한 보상율을 기본 으로 설계하였다. 긴급차량으로 인한 길어진 주기(녹색신호 연장)에 대한 보상을 결정하고 전이 주기에 신호 시간을 배분하는 방식으로, 기존 신호 운영 상태로 보다 자연스럽게 복귀하는 것을 목표로 한다
첫 번째 보상율을 산정하기 위해 기존 주기(E.cycle)의 현시율(Phase Ratio)을 계산값과 우선신호(PPC)로 연장된 주기의 현시율을 각각 계산한다. 각 주기별 현시율의 차이는 전이시간에 적용될 보상율이며 식(1)과 같다.
두 번째 단계는 보상율(Reward Ratio)에 기존 현시의 신호시간(E.cycle Spilt)을 계산하여 보상시간(Reward Spilt)을 산정하고, 보상시간(Reward Spilt)을 각 현시별로 배분율(Distribution Rate)로 환산한다. 산정된 배분율 (Distribution Rate)은 기존 신호 전이 알고리즘(경찰청 교통신호제어기 표준규격)에 기반한 주기 카운터 IC2, 양의 방향 Delta값을 적용하여 최종 전이시간을 산정한다. 관련식은 식(2), 식(3)과 같다.
우선신호 서비스로 인한 녹색시간 연장이 100초라고 가정할 때 기존 알고리즘 적용시 전이시간은 A, 현시 비율을 고려한 전이 알고리즘은 B 라고 하면, 최종 산정된 전이 시간은 <Table 1>과 같다
<Table 1>
Compare Existing Algorithm & Phase Reward Ratio Algorithm
| Process | Phase(split) | sum(s) | Event | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1ϕ | 2ϕ | 3ϕ | 4ϕ | |||||||
| A | B | A | B | A | B | A | B | |||
| Existing Cycle | 45 | 25 | 45 | 25 | 140 | - | ||||
| PPC Cycle | 145 | 145 | 25 | 25 | 45 | 45 | 25 | 25 | 240 | Extend Green 100s |
| Trans. cycle | 58 | 42 | 32 | 35 | 58 | 68 | 32 | 35 | 180 | Transition Time |
| Existing Cycle | 45 | 25 | 45 | 25 | 140 | Transition End | ||||
Ⅳ. 효과분석
1. 시나리오 구축
본 연구에서는 긴급차량이 우선신호 서비스 종료 후 일반신호로 복귀시 지체를 최소화하기 위해 여러가 지 신호운영체계를 고려하여 시뮬레이션을 통해 비교 검증하였다. 첫 번째는 긴급차량이 출동하는 교차로는 다양한 기하구조와 다양한 신호운영체계에서 운영되고 있음을 감안하여 선직진 신호체계, 선좌회전 신호체 계, 동시신호 신호체계 등의 3가지 신호체계를 구분하였고, 3가지 신호운영체계에 따른 기존 전이 알고리즘 과 새롭게 제안한 전이 알고리즘을 비교 검증하였다. 두 번째는 교통량에 따라 교차로에서의 신호시간 배분 이 구성되므로 근포화, 포화, 과포화 등의 3가지 상황으로 구분하여 기존 전이 알고리즘과 새롭게 제안한 전 이 알고리즘을 비교 검증하였다. 이와 같이 신호운영체계별, 교통량별 상황을 구분하여 총 9가지 시나리오를 구축하여 주도로 및 부도로의 정체 변화를 관찰하였다.
2. 시뮬레이션 환경 조건 선정
시뮬레이션을 위한 네트워크는 가상의 4지 교차로 3개로 구성하였으며, 3개의 교차로는 모두 동일한 기하 구조를 가지며, 동일한 4현시의 신호 운영 체계로 운영되도록 하였고, 다양한 신호 운영체계안에 우선신호 전이시간을 알아보기 위해 선직진(Case1), 선좌회선(Case2), 동시신호(Case3) 운영체계 등의 3가지 상황으로 구분하였으며, 긴급차량이 주행하는 시점은 Case1과 Case3에서는 1현시, Case2는 2현시에서 운영되는 것을 가정하였다. 각 Case별 신호운영체계와 Cycle, Split은 <Fig. 2>와 같다.
시뮬레이션에서 긴급차량 우선신호 서비스로 인한 연장시간은 80초로 가정하였고, 교통량의 경우 KHCM 기준 0.9, 1.0, 1.1의 포화도 조건을 반영하여 산정하였다. 본 연구에서는 미시적 교통시뮬레이터인 SUMO (Simulation of Urban MObility)를 활용하여 신호운영체계별 Case 3개 시나리오, 교통량별 3개 시나리오로 총 9가지 시나리오별로 시뮬레이션을 수행하여 평균 지체시간과 평균 통행시간을 효과척도로 산정하였다. 다 만, 모든 시나리오에서 긴급차량은 서에서 동으로 향하는 방향(East Bound)을 통행하는 것으로 가정하였다.
3. 분석 결과
본 연구에서 기존 전이 알고리즘과 새롭게 제안한 전이 알고리즘을 비교·분석하였다. 새롭게 제안한 전이 알고리즘을 위한 효과척도는 자동차·도로교통 분야 ITS 사업시행지침(제35조제1항 관련)에서 제시한 신호교 차로 서비스 수준을 산정하는 기준인 지체시간과 통행시간을 활용하였다. 동일한 시나리오 하에서 3개 교차 로의 평균 지체 및 통행시간이 가장 낮게 나타나는 알고리즘을 분석하였다. 각 시나리오별로 수행한 시뮬레 이션 결과는 <Table 2>와 같다.
<Table 2>
Analysis of Result(Green Extend Time 80s)
| Saturation | Signal Phase | Algorithm | Ave Delay(s/v) | Diffrence | Ave travel time (s/v) | Diffrence |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.9 | Case1 | Phase Ratio-Based | 67.6 | ▲0.56 | 81.49 | ▲0.75 |
| Existing | 68.16 | 82.24 | ||||
| Case2 | Phase Ratio-Based | 92.02 | ▲6.54 | 106.29 | ▲6.56 | |
| Existing | 98.56 | 112.85 | ||||
| Case3 | Phase Ratio-Based | 141.43 | ▲2.37 | 155.73 | ▲2.37 | |
| Existing | 143.8 | 158.1 | ||||
| 1.0 | Case1 | Phase Ratio-Based | 74.16 | ▼0.14 | 87.89 | ▼0.12 |
| Existing | 74.02 | 87.77 | ||||
| Case2 | Phase Ratio-Based | 94.68 | ▲9.91 | 108.86 | ▲9.88 | |
| Existing | 104.59 | 118.74 | ||||
| Case3 | Phase Ratio-Based | 150.19 | ▲0.51 | 164.42 | ▲0.45 | |
| Existing | 150.7 | 164.87 | ||||
| 1.1 | Case1 | Phase Ratio-Based | 73.07 | ▲0.97 | 87.38 | ▲0.95 |
| Existing | 74.04 | 88.33 | ||||
| Case2 | Phase Ratio-Based | 98.96 | ▲1.85 | 113.74 | ▲1.77 | |
| Existing | 100.81 | 115.51 | ||||
| Case3 | Phase Ratio-Based | 156.76 | ▲6.33 | 171.62 | ▲6.22 | |
| Existing | 163.09 | 177.84 |
총 9개의 시나리오 분석 결과 전반적으로 기존 전이 알고리즘보다 현시 비율을 고려한 전이 알고리즘이 낮은 지체를 나타냈다. 기존 전이 알고리즘의 경우 긴급차량 우선신호 서비스로 인해 증가한 녹색 신호(80초 연장)가 부도로의 타 이동류의 지체에 대해 고려하지 않으므로, 전이 과정 이후에 교차로의 지체가 높게 나 타나는 것으로 분석되었다. 포화도 0.9, 1.0의 시나리오 2번에서 개선효과가 가장 크게 나타났는데 긴급차량 의 우선신호로 연장된 신호주기가 부도로의 정체를 증가시키는 상황에서 부도로의 보상을 반영한 새로운 전 이 알고리즘이 필요할 것으로 분석되었다. 포화도 1.1인 경우 3번 시나리오에서 개선효과가 가장 큰 것으로 나타났는데 분석결과 시나리오 3은 전방향 동시신호체계로 기존 신호시간(Split)에 모두 동일하여 현시 비율 을 고려한 보상율 적용시 모든 현시가 동일한 비율로 보상비가 적용되어 전이시간에 배분된 것으로 보여진 다. 다만, 포화시(V/C=1.0) 시나리오 1번에서 지체도나 통행시간 모두 증가된 것으로 나타났다.
모든 시나리오의 지체도 분석 결과 기존 알고리즘은 평균 108.54초에서 105.43초로 2.95% 개선이 되었으며, 통행시간은 기존 알고리즘 평균 122.92초에서 119.71초로 2.61% 감소된 것으로 나타나 현시 비율을 고려한 전 이 알고리즘이 기존 전이 알고리즘에 비해 전체 교차로의 지체를 감소시키는 나타난 것으로 평가되었다.
본 연구에서 제안한 전이 알고리즘이 총 9개의 시나리오 중 8개의 시나리오가 포화도(0.9, 1.0, 1.1), 신호 현시 구성에 상관없이 모든 교차로에 지체나 통행시간을 감소시키는 것으로 평가되어 긴급차량 우선신호 서 비스 이후 기존 전이 알고리즘 보다 효과적으로 교차로의 지체를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 긴급차량이 우선신호 서비스 종료 후 기존 신호 운영 체계로 복귀시 부도로의 교통정체를 완화하기 위해 긴급차량으로 인해 길어진 신호주기를 보완하여 연장된 신호시간에 비해 부도로의 신호시간 에 보상율을 차등 부여하여 전이 시간에 배분하는 신호 전이 알고리즘을 제안하였다. 선직진, 선좌회전, 동 시신호의 여러 가지 신호체계와 교통량을 비교하여 시뮬레이션을 통해 효과를 분석하였다. 기존 전이 알고 리즘(경찰청 교통신호제어기 표준규격서)과 비교하여 분석한 결과, 9개의 시나리오 중 8개의 시나리오가 기 존 알고리즘 대비 교차로의 평균 지체시간이 2.95%(108.54→105.43), 통행시간이 2.61%(122.92초→119.71초)로 감소된 것으로 나타났다. 특히 이는 본 연구에서 제안된 신호 전이 알고리즘이 긴급차량 우선신호 서비스 후 교차로의 원활한 교통 흐름으로 복귀하는데 기여할 수 있음을 시사한다. 근포화(v/c=0.9) 및 포화(v/c=1.0) 상 황에서 시나리오 2번의 개선효과가 가장 크게 나타는데 교통량의 증가에 따라 시나리오별 지체도나 통행시 간의 큰 변화는 없었고, 긴급차량의 우선신호로 연장된 신호주기가 부도로의 정체를 증가시키는 상황에서 부도로의 보상을 반영한 전이시간이 필요할 것으로 분석되었다. 과포화(v/c=1.1)인 경우 3번 시나리오에서 개 선효과가 가장 큰 것으로 나타났는데 시나리오 3은 전 방향 동시신호체계로 기존 신호시간(Split)에 모두 동 일하여 현시 비율을 고려한 보상율 적용시 모든 현시가 동일한 비율로 보상비가 적용되어 전이시간에 배분 되어 과포화(V/C=1.1) 인 상황에서 가장 효율적인 전이방법으로 보여진다.
본 연구에서는 제안한 알고리즘을 단순한 형태의 기하구조를 가진 가상의 교차로에서 제한된 연장 시간 과 교통량, 신호체계 조건 하에 SUMO 시뮬레이션을 활용하여 평가하였다. 그러나, 네트웍으로 구성된 실제 도로 환경은 단순한 모형과는 달리 다양한 기하구조와 여러 교통 변수들이 동시에 작용하는 복잡한 특성을 지니고 있기 때문에 본 연구의 평가 결과를 현장에 대입하여 일반화하기에는 어려움이 있다. 따라서, 향후 연구에서는 실제 도로 신호운영 데이터를 활용하여 현장 검증이 필요하며, 다양한 교차로 형태와 복잡한 교 통 조건을 반영한 추가적인 실험을 통해 제안된 신호 전이 알고리즘의 실용성과 안정성을 보다 면밀히 평가 할 필요가 있다. 이를 통해 긴급차량 우선신호 서비스 종료 후 증가한 일반 차량의 지체를 효과적으로 감소 시키고, 원래의 교통 흐름으로 원활히 복귀하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
