시뮬레이션을 통한 지하도로 출구부 이격거리와 인접교차로 운영상태에 대한 상관관계 분석

Fig.1 지하도로 내 차량이 출구부를 통과하여 인접한 교차로까지의 이격거리 산정에 대한 구성요소를 나타내고 있다.

Fig. 1.

Components of separation distance between underground exit and intersection*For use as the original

좌회전 금지 및 차로변경 금지 등의 교통운영안이 고려될 경우 해당 내용 반영에 따라 이격거리를 감하여 산정할 수 있음을 제시하고 있다[3]. 지하도로 출구부 유형의 경우 크게 두 가지로 구분하며, 도로 중앙부와 지상부 도로가 접속되는 중앙형 출구부와 지상부 도로 가로변에 접속되는 가변차로형 출구부로 나뉜다.

지하도로 출구부 형태에 따른 이격거리를 표현한 Fig.1의 산정 방식은 수식(1)와 같으며, 각 설계속도에 따른 이격거리를 구성하는 요소의 값은 Tab.1과 같다.

Table 1.

Minimum separation distance between underground exit and intersection

김상구 외 2(2007)에서는 도시고속도로의 인터체인지를 계획 및 건설할 때 유출연결로와 인접교차로의 관계를 고려하여 유출연결로 접속부를 사전에 일정거리 이상 이격시켜 교통운영상 문제를 최소화하고자 하였으며, 그에 따른 최소이격거리에 관한 연구를 진행하였다. 다양한 도로 및 교통운영 상태에 따라 교차로에서의 대기행렬길이를 산정하였으며, v/c비, 연결로교통량, 차로 수와 같은 변수에 의해 이격거리가 결정되는 것으로 분석하였다. 최소이격거리에 대한 모형식을 개발하였으며, 위의 각 4가지 변수에 대한 상관관계 분석을 진행하였다.[4]

노정훈(2017)은 지하도로 출구부와 전방 교차로의 이격거리 기준을 제시하고 선행연구로 지하도로 진출부 계획 시에 위치선정과 용량분석 과정 반복 최소화를 목적으로 수행하였으며, 지하도로 출구부와 전방 교차로의 최소 이격거리 기준의 세부 구성 요소를 살펴보고 문제점을 개선한 기준을 제시하였다. 새롭게 제시한 기준의 경우 서비스수준D 이상을 만족하는 것으로 하며, 전체 교통량이 5,000pc/h 이상일 경우 지하도로를 지상부도로로 접속시키지 않는 것이다. 또한, 실무에 활용할 수 있도록 각 속도별로 교통량에 따른 엇갈림구간의 밀도와 서비스수준을 제시하였다[5].

송민수(2022)는 도시부 지하도로 출구부와 인접 신호교차로와의 이격거리에 따른 지체시간을 실제 운영중인 구간인 신월~여의 지하도로 시뮬레이션 분석을 통해 분석구간 차로수 및 접근교통량에 따라 적정 이격거리를 제시하였다. 적정 이격거리 제시를 위한 분석 시 차로수는 편도 4차로인 경우와 6차로인 경우를 나누어 진행하였다. 분석 결과 편도 4차로인 경우 지하도로 출구부 유형은 지체발생에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석하였으며, 편도 6차로의 경우 중앙차로형 출구부가 가변차로형 형태 운영보다 유리한 것으로 판단하였다. 편도 4차로의 경우 교통량이 1,600대/시를 초과하는 경우 이격거리가 100m 이상 필요하며, 편도 6차로의 경우 교통량이 2,400대/시를 초과한 경우 이격거리가 200m 이상 필요함을 분석하였다. 교차로의 정체가 지하도로까지 이어질 경우 지하도로 특성상 다양한 요인으로 운전자에게 압박감을 줄 수 있음을 언급하였으며, 해당 연구를 통해 지하도로 설치 및 계획등에 대해 방향을 제시할 수 있다고 판단하였다[6].

연구 공간적 범위 내 인접교차로와의 이격거리에 대한 연구라는 맥락은 선행 연구와 유사하나 본 연구는 시뮬레이션 프로그램을 통해 연구 결과값을 도출하고 분석한다는 차이가 있다. 또한 공간적 범위를 고속도로 본선과 유출연결로가 아닌 지하도로 본선과 출구부를 대상으로 하며 이는 기하구조 조건, 운전자 통행 특성 등의 차이가 있을 수 있다. 참고[6]의 경우 시뮬레이션을 통한 지하도로와 인접 신호교차로간 적정 이격거리를 분석하고 교통량 및 회전비율을 변화하여 각각 분석하는 것은 유사하나, 본 연구에서는 도시부의 개발 제한적인 특성에 따라 이격거리는 참고[3]에서 제시하고 있는 값으로 고정하여 운영 상태를 변화시켜 구간 내 속도 및 지체를 통해 연구 대상이 되는 구간을 분석하고자 한다.

본 연구는 지하도로 출구부 이격거리와 인접 교차로 운영측면의 상관관계를 분석하기 위하여 교통 시뮬레이션 프로그램 Vissim(Verkehr In Städten - SIMulationsmodell)을 이용하였으며, 분석되는 구간을 지하도로 본선부, 지하도로 출구부, 지하도로 출구부와 교차로 이격거리 및 교차로로 크게 4개 구간으로 범위를 Fig.2와 같이 구성하였다.

Fig. 2.

Underground Network Analysis Section

본 연구에서 지하도로 출구부의 이격거리는 지하도로 출구부부터 인접교차로 회전차로(우회전) 시작지점 전까지의 거리로 설정하였다. 각 구간에서 반영될 수 있는 요소를 기하구조·운영구조·교통량 기준으로 구분하였으며 각 구조별 고려될 수 있는 시뮬레이션 설정 요소는 Tab.2와 같다.

Table 2.

Simulation Setup Elements

시뮬레이션을 진행하기 위해서 설정해야할 항목들을 고려해야하는데, 본 연구에서는 크게 4가지 항목으로 기하구조, 운영구조, 교통량 조건 및 기타 사항으로 구분하였다.

시뮬레이션 기하구조 항목 중 지하도로 출구부 형태의 경우 Fig.1과 같이 출구부 형태가 도로 중앙으로 접속되는 도로중앙형 배치와 도로 가변에 접속되는 가변차로형 배치가 있고, 지하도로 출구부의 종단경사의 경우 지상도로와 접속되기까지 어느정도의 경사도를 갖는지에 대한 값이다. 이격거리의 경우 지하도로 출구부와 인접교차로까지의 거리를 의미하고, 좌회전 및 우회전 차로 길이는 차량이 회전을 위해 전용차로로 진입한 시점부터 정지선까지의 거리를 의미한다. 교차로 형태의 경우 3지, 4지 등 진행할 수 있는 방향이 어떻게 구성되어 있는지에 대한 것을 의미한다. 그 외 기타 사항으로 시뮬레이션 검지기의 경우 분석데이터 수집을 위해서 검지기를 배치하게되는데, 검지기 개수와 설치 간격에 대한 고려가 필요하다. 또한 시뮬레이션 분석데이터 오차를 줄이기 위해 분석 횟수 설정이 필요하다.

본 연구의 네트워크 구축 시 설정된 항목은 ①기하구조, ②운영구조, ③교통량 조건으로 크게 3가지로 구분하였다. 첫째로, 기하구조 설정 시 지하도로 출구부 형태는 중앙차로형과 가변차로형이 있으나, 본 연구에서는 중앙차로형 출구부 형태를 바탕으로 시뮬레이션 분석을 진행하였다. 출구부와 인접 신호교차로와의 이격거리의 경우 Tab.1에서 제시하고 있는 속도별 이격거리로 반영하였으며, 좌회전 및 우회전 차로 길이의 경우 참고[7]에 근거하여 설정하였으며, 교차로 형태의 경우 기본적은 4지교차로 형태를 바탕으로 구성하였다.

둘째로, 운영구조 측면에서 반영되어야 할 항목중 신호 현시의 경우 총 4현시로 구성하였으며, 각 현시별로 유효녹색비율 0.25씩 설정하고 각각의 현시 모두 직진·좌회전 동시 신호로 네트워크를 구축하였다.

셋째로, 교통량 조건 측면에서 지상/지하도로 교통량의 경우 교통량 수준에 따른 차량 속도, 지체 등을 분석하기 위해 일정 시간(300초)을 기준으로 차로당 100대씩 증가시켰으며, 차로당 1,800대를 최대 값으로 설정하였다. 중차량 비율의 경우 좌회전차로 길이 산정 시 반영되는 중차량 비율과 매칭하여 15%로 설정하였으며, 좌회전·직진·우회전 차량 비율은 아래의 Tab.4와 같다.

Table 4.

Values for simulation setup elements

추가적으로 시뮬레이션 네트워크 구축에 있어서 데이터 수집을 위한 검지기의 경우 교차로 정지선을 기준으로 25m씩 각각 배치하여 수집을 진행하였으며, 결과값 오차를 줄이기 위한 시나리오당 시뮬레이션 분석 횟수는 10회로 설정하여 분석을 진행하였다.

구축된 네트워크의 분석값 수집을 위해 검지기를 아래의 Fig.3와 같이 배치하였으며, 시나리오 별 결과값 분석을 진행하였다. 분석을 위한 검지기는 각각 25m 간격 14개 구간으로 배치하였다.

Fig. 3.

VISSIM network

VISSIM 내 Data Collection을 통하여 프로그램 내 누적된 로우데이터를 시간별 검지기별 지체 시간으로 전처리하였으며, 시뮬레이션 내 데이터 수집 주기는 30초 단위로 진행하였다. 각 시나리오의 기준이 되는 좌회전 교통량 비율의 변경은 VISSIM 내 Vehicle Route 항목에서 설정하였으며, 신호교차로의 차량의 경우 지하도로에서 지상부로 접속한 차량 모두 반영해야하므로 지상도로 및 지하도로 모두 차량 회전 비율을 변경하여 시나리오를 구성하였다. 이와 같은 방법으로 각 시나리오에 대해 시뮬레이션 분석을 진행하였으며, 각각의 결과값에 대해 비교 분석을 진행하였다.

Fig. 4.

VISSIM network

각 시나리오의 검지기별 시간대별 지체 시간에 대한 분포를 분석한 결과는 아래의 Fig.5-9와 같다.

Fig. 5.

Scenario1 analysis results(1:8:1)

Fig. 6.

Scenario2 analysis results(1.5:7.5:1)

Fig. 7.

Scenario3 analysis results(2:7:1)

Fig. 8.

Scenario4 analysis results(2.5:6.5:1)

Fig. 9.

Scenario4 analysis results(3:6:1)

시뮬레이션 분석시 설정된 최대 교통량에 도달한 시점에서의 지체는 각 검지기별로 최대치를 보이며, 좌회전 교통량이 증가할수록 최대 지체시간이 증가함과 더불어 최대 지체시간 증가량 또한 큰 폭으로 증가되는 것으로 분석되었다. 또한, 좌회전 교통량이 많아짐에 따라 분석 구간 내 지체가 발생되기까지의 시간이 좌회전 교통량이 적은 경우에 비해 빠르게 나타난 것을 알 수 있다.

추가적으로 지하도로 내 검지기(U1-U3)의 경우 좌회전 교통량이 많아짐에 따라 지체 발생 시간이 지상도로보다 빠르게 나타남을 알 수 있다. 이는 좌회전 교통량이 증가됨에 따라 지하도로 내 지체발생이 민감하게 반응하는 것을 의미하며, 좌회전 교통량이 낮은 수준에서 증가할 경우보다 높은 수준에서 증가할 경우 지체 증가량이 더욱 크게 나타나므로 좌회전 교통량의 일정 수준 이상에서는 해당 구간이 감당할 수 없을 정도의 교통상태를 야기할수 있다는 점이다.

지하도로 내 검지기(U1-U3)의 각 시나리오 별 결과값을 정리하면 아래의 Fig.10, Tab.5와 같으며, 각 시나리오별 지체 발생 시점과 최소 및 최대 지체값을 산출하였다.

Fig. 10.

Analysis Results of Detectors in Underground Roads(scenario1-5)

Table 5.

Summary of Analysis Results of Detector in Underground Road

각 시나리오의 지체 발생 시점을 검토한 결과 좌회전차량 비율이 증가함에 따라 지체 발생 시점이 앞당겨지는 것으로 검토되었다. 최소지체시간의 경우 각 시나리오별로 0~5초의 수준을 보였으며, 최대지체시간의 경우 좌회전차량비율이 증가함에 따라 높게 나타남을 보였다. 하지만 시나리오1의 경우 시나리오2와 비교하였을 때 최대지체시간이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 좌회전차량 비율이 높을수록 지체 시간이 높게 나타날 것이라는 판단에 상반된 결과이며, 좌회전차량 비율이 낮은 수준(총 교통량의 1/10, 1.5/10)에서는 예측될 수 있는 결과값이 나타나지 않을 수 있음을 의미한다. 평균값 또한 시나리오1 및 시나리오2의 경우에는 큰 차이를 보이지 못하였으며, 결과값 검토를 위해서는 좌회전교통량 비율이 일정 수준 이상인 상황에서 분석이 원활한 것으로 판단된다. 시나리오3(좌회전 차량 비율 2/10) 이후의 경우에는 지체시간이 큰 값으로 증가되는 것을 보였으며, 좌회전차량 비율이 증가함에 따라 지하도로 내 발생하는 지체가 민감하게 작용되는 것으로 판단된다.