C ․ H ․ A ․ P ․ T ․ E ․ R ․ 4
시공인 통합모형의 개념 및 이론정립
이 장에서는 시공인 통합모형의 개념과 이론을 정립하기 위해 동태모형인 URBANSIM 모형, TRANUS 모형, SD 모형을 검토하였다. 또한 공간모형인 EMME/2 모형, GIS 모 형을 검토하였으며, 인간모형인 변분해석학, 동적계획, 최대원리를 검토하였다. 그리 고 이러한 세 가지 모형을 통합한 시공인 통합모형의 개념을 정립하고, 개념도를 작 성하였다.
1. 동태모형
1) URBANSIM 모형
URBANSIM 모형은 토지이용모델과 교통모델을 통합하기 위해 개발된 모형이 다. 여러 가지 시나리오를 구축하여 객관적 정보와 분석을 통해 미래의 도시에 대한 영향을 체계적으로 예측함으로서 정책개발 및 계획과정을 지원하는 모형이 다. 대안적 시나리오들이 토지이용 변화에 미치는 영향을 예측하기 위하여 토지 이용, 교통, 공공정책간의 상호작용을 시뮬레이션한다.
URBANSIM 모형의 장점은 소스파일을 무료로 공개하여 손쉽게 다운받아 사 용할 수 있고, 프로그램의 확장성 및 유연성이 높다. 또한 수요자 맞춤형 탬플릿 이 발달하였으며, 미시적으로 150m×150m 그리드셀 차원에서 시뮬레이션되므로 모델의 투명성이 높다. 아울러 세부적인 정보를 제공할 수 있으며, 실세계를 불
균형 상태로 전제하기 때문에 수요탄력계수의 균형을 맞추지 않아도 된다. 이밖 에도 방대한 양의 연산을 쉽게 수행할 수 있도록 객체－관계형 데이터베이스 구 조를 갖추고 있다.
URBANSIM 모형의 단점은 필지별 데이터를 그리드셀로 변환하는 과정에서 방대한 작업량이 투입되며, 이 과정에서 자료의 정확도가 저하될 수 있다. 또한 하위모델에 필요한 계수들이 정확하고 빠짐없이 추정되고 입력되어야 전체 모형 이 작동하며, 시나리오 설정 및 입력 방법이 복잡하다. 그리고 모형을 운용하기 위해서는 다양한 프로그램을 다룰 수 있는 기술과 운용능력이 요구된다. 아울러 토지이용 모델과 교통 모델이 통합되었으나 결합성이 매우 느슨하고, 서로 다른 프로그램으로 분리되어 있다.
2) TRANUS 모형
TRANUS 모형은 제안된 정책에 반응하는 인간의 행동을 시뮬레이션하고, 그 행동에 따라 발생되는 토지이용변화 및 교통과 토지이용 간의 상호작용을 예측 하는 모형이다. 토지이용 및 교통정책을 수립․시행함으로서 예상되는 다양한 효과와 영향을 분석하기 위해 토지이용과 교통흐름과의 환류를 통한 시계열분석 과 예측이 가능하도록 작동되는 동태적인 시스템으로 구축되어 있다.
활동입지모델과 교통모델이 통합된 연산순서는 정책에 따른 행위자의 활동이 토지이용에 영향을 주고 그에 따라 교통체계에 변화를 주기 때문에 이는 다음 시점에서 다시 활동입지와 토지이용에 변화를 가져오게 된다. 유형별 활동 입지 및 토지소비․통행경로․교통수요량․총 통행시간 및 평균통행시간․거리․비 용․교통수입․유지비용 등 다양한 교통 변수들을 예측할 수 있다. 1982년에 개 발된 이후 많은 기능들이 추가되면서 현재 미국과 유럽뿐만 아니라, 남미와 일본 등의 여러 지역에서 사용되고 있다.
TRANUS 모형은 무료로 다운받아 사용할 수 있고, 참조자료가 많다. 또한 토 지이용 변화가 교통체계에 미치는 영향력뿐만 아니라, 고속도로의 용량 증가나
경전철 신설과 같은 교통체계의 변화가 토지이용에 미치는 영향력을 시계열적 차원에서 분석할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 균형상태를 가정하고 있기 때문에 가격에 대한 수요와 공급 간에 균형 상태를 도출하기 위해 반복연산을 지속적으로 수행해야 한다. 또한 분석대상에 대한 매우 세부적인 데이터가 존재해야 한다. 그리고 변수들의 최대치가 정해져 있어 범위를 초과하는 경우 오류 발생 기본 분석단위가 존(zone)이므로 존의 면 적 또는 크기에 따라 산출된 결과물의 활용성이 달라진다는 단점이 있다.
3) SD 모형
역동적 시스템을 간편하게 분석하기 위해 1959년에 미국 매사추세츠공과대학 (Massachusetts Institute of Technology, MIT)의 학자들이 다이나모(DYNAMO)라는 특수한 시뮬레이션 언어를 개발하였다. 특히 1969년에 포레스터가 저술한 도시 동학(Urban Dynamics)을 계기로 시스템 다이내믹스 기법(System Dynamics, SD)은 도시문제 분석에도 활용되기 시작하였다. 1971년에 출간된 세계동학(World Dynamics)은 자원을 포함한 국제․환경문제의 분석에 이르기까지 시스템 다이내 믹스 기법의 활용대상을 확대하였다.
그 이후 이러한 접근방법은 사회, 경제, 교육, 환경, 자원, 공간계획, 정치, 군사 등 여러 가지 경제․사회 현상을 수리적으로 또는 정성적으로 분석하는데 폭넓 게 이용되었다. 여러 분야에서 역동적 시스템을 종합적으로 이해하기 위한 하나 의 방법론으로 각종 시스템 시뮬레이션 언어를 이용한 분석기법이 널리 활용되 었는데, 이러한 방법론을 통틀어 SD라고 한다. 특정지역의 산업구조의 변화는 지역의 인구와 주택부문을 비롯하여 지역경제와 환경의 변화를 가져오므로 특정 한 개발사업 시행에 대한 파급효과가 나타나는 메커니즘을 이해하여 이를 동태 적 시스템으로 구성해야 한다.
SD 모형은 동태적이며, 중장기적 예측에 적합하고, 여러 변수들 간의 순환적 인과관계에 초점이 맞춰져 있다. 또한 계량화가 곤란한 요인들까지도 변수 상호
간의 인과관계를 유기적으로 체계화할 수 있으며, 적극적이고 미래지향적인 접 근방법이라는 장점이 있다.
그러나 계량경제학적 접근방법보다 주관적이고, 모형정립과정에서 분석대상이 시스템의 구조를 어떻게 인식하느냐에 따라 달라지므로 모형구조에 의존적이라는 단점이 있다.
2. 공간모형
1) EMME/2 모형
EMME/2 모형은 균형모형(Equilibrium Model)과 다중교통수단(Multi-Modal)의 합성어로, 네트워크 균형측면에서 복합통행예측모형을 적용하는 것을 의미한다.
Canada Montreal University와 INRO Consultant가 공동으로 개발한 종합적인 교통 계획 패키지로, 교통수요 4단계 전 과정을 프로그램 내에서 수행할 수 있으며, 모듈별로 기능과 역할을 부여한다. 자료입력 모듈에서는 차량속도, 접근모드, 차 량재원 등에 관한 사항을 정의하고 있다.
EMME/2 모형은 그래픽 기능이 뛰어나고 편집 기능이 우수하여 네트워크의 수정 및 결과 분석이 용이하다. 매크로 언어를 지원하여 배치작업이 가능하고, 매트릭스 및 네트워크 계산 기능을 사용하여 목적에 맞게 다양한 형태의 모형 및 알고리즘을 활용할 수 있다. 함수편집기(Function Editor) 모듈을 제공하고 있 어 통행배분시 링크의 통행시간 및 비용을 계산하는 링크성능함수(Link Performance Function)를 자유로이 설정할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 노드에서의 대기시간을 고려한 최적전략기반에 초점을 맞춘 전량통행 배정을 적용하고 있어 대중교통수단이 다양하고 대중교통망이 복잡하여 차내 혼 잡도가 존재하는 경우 현실에 가까운 수요예측이 어렵다. 또한 용량제약요인을 고려하지 않고 있어 통행수요가 용량을 초과하는 경우 문제가 될 수 있으며, 일 반화된 공간모형이 아닌 통행예측에 활용되는 교통패키지라는 단점이 있다.
2) GIS 모형
GIS(Geographic Information System) 모형은 공간상에서 일어나고 있는 문제들 을 해결하기 위해 논리적이고 순차적으로 공간분석 기능들을 연계시키는 과정이 다. 자료 수집 및 편집, 저장, 검색, 분석 등이 순환적으로 그리고 피드백으로 이 루어진다.30)
GIS 모형은 지도학적 모형 개념에서 출발한 것으로 볼 수 있으며31), 최종적인 공간정보 결과를 도출하는 과정에서 하위 시스템들 간에 유연하게 연계되어 있 다. 또한 공간상에서 일어나는 현상들을 이해하기 위해서 모델을 사용하는 것은 복잡한 실세계를 단순화․일반화시킬 수 있기 때문에 문제의 특성에 따라 확률 적 모형과 결정론적 모형을 활용할 수 있다. 이때 모형의 특성에 따라 귀납적 방 법과 연역적 방법이 자유롭게 이용될 수 있다.
GIS 모형은 자연․사회적 현상과 과정에 대한 정보를 제공하거나 예측 또는 모의실험을 수행할 때 실세계를 유사하게 단순화시켜 나타낼 수 있다. 그리고 경 향분석(Trend Analysis)을 위한 모형은 과거에서 현재까지의 경향을 분석하고 미 래에 일어날 수 있는 경향을 예측하는데 유용하다. 또한 현실에서 취득하기 어려 운 정보를 취득할 수 있고, 모의실험을 통해 현실세계에서 구현하는 것보다 비용 이 적게 들고 효과적이다. 지역범위가 좁은 지역부터 넓은 지역까지 폭넓게 적용 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 시간의 변화에 따른 동태분석이 제한적이다.
또한 공간적 이질성으로 인해 지역경계를 설정하는 기준에 따라 분석결과가 달 라질 수 있다는 단점이 있다.
30) 이희연. 2003.「지리정보학」. p.402. 참조
31) 지도학적 모델링이란 Tomlin과 Berry(1979)가 처음 사용하기 시작한 개념으로, 공간현상에 관한 문제 의 해답을 찾기 위해 원시 데이터뿐만 아니라, 중간과정 단계에서 생성되는 커버리지들에 순차적으 로 다양한 지도연산 기능들을 적용하는 일련의 집합이다. (Tomlin. 1990.)
3. 인간모형 (최적제어기법)
1) 변분해석학
변분해석학(Calculus of Variations)은 1630년대 갈릴레오(G. Galileo)에 의해 제 기된 최단시간경로(brachistochrone) 문제를 해결하는 과정에서 1696년에 베르누 이(J. Bernoulli)가 이론을 전개시킨 수학의 한 분야이다.
오일러(L. Euler) 등 여러 수학자에 의해 발전을 거듭하여, 1950년대까지 자연
오일러(L. Euler) 등 여러 수학자에 의해 발전을 거듭하여, 1950년대까지 자연