Development of Operating Speed Prediction Models Reflecting Alignment Characteristics of the Upstream Road Sections at Four-Lane Rural Uninterrupted Flow Facility

▣ 論 文 ▣

상류부 선형특성을 반영한 지방부 왕복 4차로 연속류 도로의 주행속도 예측모형 개발

Development of Operating Speed Prediction Models Reflecting Alignment Characteristics of the Upstream Road Sections at Four-Lane Rural Uninterrupted Flow Facility

조 원 범

(한국건설기술연구원 도로연구실 전임연구원) 김 용 석

(한국건설기술연구원 도로연구실 수석연구원) 최 재 성

(서울시립대학교 교통공학과 교수)

김 상 엽

(서울시립대학교 교통공학과 박사수료) 김 진 국

(한국건설기술연구원 도로연구실 전임연구원)

목 차

Ⅰ . 서론

1. 연구의 배경 및 목적 2. 연구의 방법

Ⅱ . 기존문헌 고찰 1. 주행속도 예측모형

2. 기존연구의 속도자료 수집 방법

Ⅲ . 현장조사 및 자료분석 1. 대상구간 선정 2. 속도자료 수집

3. 속도자료 추출

4. 기하구조 정보 수집 및 분석 5. 선형유형별 선형설계제원 분포 분석

Ⅳ . 주행속도 예측모형 개발 1. 변수 개발

2. 모형개발 결과

Ⅴ . 결론 및 향후연구 참고문헌

Key Words : 주행속도 예측모형, 주행속도 프로파일, 4차로, 설계일관성, 선형지수

Speed Prediction Model, Speed Profile, Four-Lane Rural Road, Design Consistency, Alingment Index

요 약

본 연구는 주행속도 프로파일 모형의 구성요소 중 주행속도 예측모형과 관련한 것으로서 지방부 왕복 4차로 도로를 대상으로 하고 있으며, 기존 연구들과는 대상도로, 속도 조사방법론 및 선형유형 구분에서 그 차별점이 있다.

기존의 대다수 연구들은 평면곡선부 및 평면직선부 중앙의 지점속도를 측정하고 이 자료를 활용하여 각각의 주행속도 예측모형을 개발하였다. 이러한 방법은 감가속이 평면직선부에서만 발생하고 평면곡선부에서는 일정한 속도를 유지한다는 주행행태에 대한 전통적인 가정에 기반한 것으로서, 구축된 모형에 의해 예측된 주행속도가 과대․과소추정 되거나 또는 실제 운전자의 주행행태를 제대로 묘사하지 못할 가능성이 높다는 한계가 있다. 이와 비교하여 본 연구는 현장에서 약 100m 간격으로 연속 조사된 속도자료를 활용하여 실제 도로상에 서 관측되는 주행속도 프로파일을 작성하였으며, 연속적인 속도변화를 분석한 결과를 토대로 모형구축에 활용될 자료를 추출하였다.

주행속도 예측모형은 평면선형과 종단선형의 조합에 따라 6가지 선형유형으로 구분되어 개발되었다.

본 연구에서 활용한 주행속도 조사방법 및 선형유형 구분은 주행속도 예측모형에 활용되는 자료 및 이를 기반으로 개발된 모형의 신뢰도를 제고함과 더불어, 연속적인 속도 변화 흐름을 상세하게 분석․평가할 수 있도록 하여 가감속 행태 분석 등 향후 주행행태 관련 분석에 효과적으로 활용될 수 있으며, 더 나아가 설계속도 기반의 현 도로설계기준을 주행속도 기반의 기준으로 보완하는데 활용되어, 도로설계자 또는 정책결정자가 아닌 실제 도로를 이용하는 운전자의 관점에서 도로가 설계될 수 있도록 하는데 기여할 것으로 기대된다.

The study is about the development of operating speed prediction models aimed for an evaluation of design consistency of four lane rural roads. The main differences of this study relative to previous research are the method of data collection and classification of road alignments. The previous studies collected speed data at several points in the horizontal curve and approaching tangent. This method of collection is based on the assumption that acceleration and deceleration only occurs at horizontal tangents and the speed is kept constant at horizontal curves. However, this assumption leads to an unreliable speed estimation, so drivers’ behavior is not well represented. Contrary to the previous approach, speed data were collected with one and data analysis using a speed profile is made for data selection before building final models.

A total of six speed prediction models were made according to the combination of horizontal and vertical alignments. The study predicts that the speed data analysis and selection for model building employed in this study can improve the prediction accuracy of models and be useful to analyze drivers’ speed behavior in a more detailed way. Furthermore, it is expected that the operating speed prediction models can help complement the current design-speed-based guidelines, so more benefits to drivers as real road users, rather than engineers or decision makers, can be achieved.

이 연구는 친환경·지능형 도로설계 기술개발 연구단을 통하여 지원된 국토해양부 건설핵심기술연구사업에 의하여 수행되었습니다. 연구지원에 감사 드립니다.

I. 서론

1. 연구의 배경 및 목적

도로에서 관측되는 운전자의 주행행태(주행속도 및 가감속행태)는 도로선형 및 도로환경에 대한 운전자의 기대심리(expectancy) 및 자동차의 주행역학적 거동 을 대표하는 주요요소로서, 도로설계 시 안전성 및 쾌 적성을 확보하기 위해 반드시 고려되어야 하는 항목이 다. 때문에 각종 도로 및 도로시설 설계기준은 속도를 기준으로 각 설계요소들의 규정값을 정하고 있다. 예 로, 「도로의 구조․시설기준에 관한 규칙(2009)」에 서는 도로를 주행하는 개별차량의 안전성을 확보하기 위해 설계속도를 기반으로 자동차의 동역학적인 특성, 운전자의 인지․반응 특성 등을 고려한 선형설계기준을 규정하고 있으며, 「도로안전시설 설치 및 관리 지침 (2000)」의 경우 차량방호 울타리의 강도성능에 따른 등급을 규정함에 있어 설계속도를 그 기준으로 하고 있 다. 위에서 예로 든 설계속도 기반의 기준들은 도로설 계 시 정한 설계속도와 도로의 공용 후 관측되는 주행 속도가 동일하거나 유사할 것이라는 가정에 근거하고 있으나, 설계속도와 주행속도의 관계와 관련한 다수의 연구(McLean(1981), Krammes 등(1996), Fitzpatrick 등(2003), 김용석 등(2005))에서 이 두 가지 속도 사이에 상당한 괴리가 있음을 제시하고 있 다. 바꿔 말하면, 주행속도가 설계속도보다 일정수준 이상 높을 경우 현 도로설계기준은 도로를 주행하는 운 전자의 안전을 완벽하게 보장할 수 없다는 한계가 있 다. 더욱이, 「도로의 구조․시설기준에 관한 규칙 (2009)」은 개별선형(평면직선, 평면곡선, 종단경사, 종단곡선, 횡단구성 등)의 주행안전성을 확보하기 위한 안전 한계치를 규정하고 있으나, 개별선형들이 조합 또 는 연속되었을 때 발생할 수 있는 불안전요소를 해소하 기 위한 기준은 정성적이며 권고적인 수준에서 제시하 고 있다는 한계가 존재한다.

이러한 기존의 도로설계기준의 한계를 보완하기 위 한 도로 기하구조 안전성 평가 방법으로서 주행속도 기 반의 설계일관성(design consistency) 평가가 합리 적 대안으로서 평가되고 있다. 주행속도 기반의 설계일 관성은 현 도로설계기준의 이론적 근거인 개별선형의 주행역학적 안전성뿐만 아니라 연속된 개별선형의 조

합 및 전반적 도로설계가 운전자의 기대(expectancy) 와 얼마나 일치하는가를 정량적으로 평가할 수 있는 개 념이며, 본 연구에서 개발된 주행속도 예측모형을 활용 하는 대표적인 도로 기하구조 안전성 평가방법이다.

속도를 기준으로 하는 또 다른 기준의 사례로서

「도로표지제작․설치및관리지침(2006)」의 경우 도 로표지의 설치위치를 정함에 있어 85% 속도를 이용하 도록 하고 있으나 공용 전 도로의 주행속도를 신뢰성 있게 추정할 수 있는 방법에 대한 국내연구가 극히 드 물다는 적용상의 문제점을 안고 있다.

주행속도는 도로의 선형설계요소를 매개로 하여 추 정되는 것이 일반적이다. 따라서 주행속도는 도로의 선 형설계요소가 차량의 성능한계 및 운전자 속도선택에 큰 영향을 미치는 경우 예측이 용이하다. 예로 평면곡 선부에서 평면곡선반경이 일정범위 이하(예로 300m 이하)로 작은 경우 운전자는 평면곡선반경의 크기에 따라 속도를 조절하게 되며 따라서 현장에서 관측되는 개별차량들의 속도가 평면곡선반경의 크기 변화에 대 응하여 일정 패턴을 보이는 경향이 나타난다. 반면, 평 면곡선반경이 일정범위 이상(예로 800m 이상)일 경우 는 평면곡선반경의 크기가 운전자의 속도선택에 미치 는 영향이 감소하게 되며, 기타 선형설계요소 및 도로 운영요소, 전반적인 해당도로의 선형구성 등 다수의 요 인이 운전자의 속도선택에 영향을 주게 된다. 왕복 2차 로 도로의 평면곡선부 주행속도 예측모형 개발 분야 연 구가 활발하게 진행(Leisch 등(1977), Lamm 등 (1987, 1999), Krammes 등(1995), 정준화 (2001), 한국건설기술연구원(2007) 등)된 반면, 평 면직선부와 왕복 4차로 도로를 대상으로 한 주행속도 예측모형 개발까지 확장되지 못한 것도 같은 맥락에서 이다. 기존 연구 중 가장 빠른 진행경과를 보이고 있는 미국의 IHSDM에 적용된 주행속도 예측모형 조차도 아직 왕복 2차로 도로만을 대상으로 하고 있다.

본 연구는 왕복 4차로 연속류를 공간적 범위로 한

주행속도 예측모형을 개발하고자 기존의 연구들과는

차별적인 자료수집 및 추출 방법으로 연구를 수행하였

으며, 평면선형과 종단선형이 조합된 조건에 따라 모

형식을 구분하여 개발하고자 하였다. 더불어, 운전자

가 해당구간을 주행하며 적응한 전반적인 해당도로의

선형구성을 반영할 수 있도록 선형지수(alignment

index)를 개발하여 모형의 독립변수로 적용하였다.

2. 연구의 방법

본 연구는 모형 개발 시 가장 중요한 항목인 자료의 적정성 및 신뢰성을 확보하기 위해 기존 연구들과 자료 수집․추출 방법에 차별성을 두고 있다.

주행속도 프로파일은 도로 선형 변화에 따른 운전자 주행속도 변화를 연속적으로 표현하기 위한 방법 중 하 나로서, 속도가 변화하는 특성을 이해하기 쉽도록 표현 해주는데 그 장점이 있다. 주행속도 프로파일은 주행속 도 예측모형과 감가속도, 운전자 주행행태에 대한 기본 가정을 토대로 구성된다.

<그림 1>은 운전자 주행행태를 도식화 한 주행속도 프로파일로서, “운전자는 평면직선부에서만 감가속하고 평면곡선부에서는 일정한 속도를 유지한다”는 가정에 기 반하고 있으며, 각 유형은 평면직선부의 희망속도 및 길 이, 평면직선과 이웃한 평면곡선들의 주행속도 및 길이, 평면직선부의 감가속도에 의해 구분된다.

<그림 1> 기본 가정에 기반한 주행속도 프로파일

기존의 대다수 연구들은 이러한 주행속도 프로파일의 기본 가정에 기반한 <그림 1>과 같은 운전자 주행행태를 예상하여 조사지점을 선정하고, 평면곡선 및 평면직선 중앙의 지점속도를 측정하여 각각의 주행속도 예측모형 을 개발하였다. 그러나 이러한 속도조사 대상지점 선정 방법은 선정된 지점의 주행속도 프로파일 유형이 당초 예상과 달리 <그림 2>에 해당되어 평면직선부의 감속 또 는 가속행태가 평면곡선부까지 유지될 경우 모형에 의해 예측된 주행속도가 과대 또는 과소추정 될 가능성이 높 아질 수 있으며, 실제 운전자의 주행행태를 제대로 묘사 하지 못할 가능성이 높다는 한계가 있다.

이와 비교하여 본 연구는 연속류인 일반국도 왕복 4 차로 도로에서 약 100m 간격(일부구간 제외)으로 연속 조사(<그림 3> 참조)된 주행속도 자료를 활용하여 주행 속도 프로파일을 작성하고 연속적인 속도변화를 분석하 였으며, 이를 근거로 모형구축에 활용될 자료를 추출하 는 과정을 수행하여 자료의 적정성 및 신뢰도를 높이고 자 하였다.

본 연구는 주행속도 예측모형 개발을 위하여 평면선 형의 설계요소와 더불어 종단선형 및 횡단구성, 운전자 가 경험한 상류부 선형특성 등을 독립변수로 활용하였으 며, 평면선형과 종단선형이 조합된 조건에 따라 <그림 4>와 같이 선형유형을 6가지로 구분하여 모형식을 개발 하였다.

<그림 2> 기본 가정에서 고려되지 않는 주행속도 프로파일

<그림 3> 주행속도 현장조사 방법

속도

예측식 선형 조건 속도 예측식

1

평면곡선-종단경사 구간

-9% ≤ G 〈 -4%       



2 -4% ≤ G 〈 0%       



3 0% ≤ G 〈4%       



4 4% ≤ G 〈 9%       



5 평면곡선-오목종단곡선       



6 평면곡선-볼록종단곡선 (시거 제약 없음) 속도 예측식 1, 2(내리막구간)와

식 3, 4(오르막구간)에서 예측된 최저 속도 사용

7 (시거 제약)       



8 평면직선-오목종단곡선 ^{ } =가정된 희망속도

9 평면직선-볼록종단곡선 (시거 제약 없음) ^{ } =가정된 희망속도

10 평면직선-볼록종단곡선 (시거 제약)       



여기서, V85 : 85백분위 주행속도(km/h) R : 평면곡선반경(m) K : 종단곡선변화비율(m/%) G : 종단경사(%)

<표 1> IHSDM 내 주행속도 예측 모형

<그림 4> 선형유형 구분

Ⅱ. 기존문헌 고찰 1. 주행속도 예측모형

초창기에 개발된 주행속도 예측모형은 왕복 2차로 대 상의 평면곡선부 주행속도 예측모형이 대부분이다. 이 연구들은 대부분 평면직선부의 주행속도를 고정값으로 가정하고 있으며, 주행속도를 예측하기 위해 사용된 변 수도 평면선형 설계요소로 한정하고 있어 종단선형의 변 화에 따른 주행속도 변화를 고려하지 않고 있다는 한계 가 있다. 이후 평면직선부의 주행속도 예측모형 및 종단

선형의 영향을 반영한 복합선형 관련 주행속도 예측모형 들이 개발되었다.

평면곡선부에서는 평면곡선반경과 평면곡선변화비율 (Curve Change Rate, ^ )이 주행속도에 영향을 미치 는 가장 주요한 요소로 제시되고 있으며, 종단선형 중에 서는 종단경사, 종단곡선변화비율, 종단곡선길이 등이 운 전자 주행속도 선택에 영향을 미치는 주요한 요소로 제 시되고 있다.

<표 1>은 미국 IHSDM의 주행속도 예측 알고리즘에 포함된 주행속도 예측모형으로서 평면선형과 종단선형의 조합 및 시거제약 정도에 따라 총 10가지의 모형으로 구 분하여 제시하였다.

평면곡선부의 주행속도 예측모형은 평면곡선부에 영 향을 미치는 공간적 영향범위를 어떻게 설정하는냐에 따 라 다음과 같이 구분할 수 있다.

•모형유형Ⅰ



  

 (평면곡선부 선형특성)

•모형유형Ⅱ



  

 (평면곡선부 선형특성)

 

 (평면곡선 상류부 선형특성)

유형 Ⅰ은 평면곡선의 특징만을 이용하여 주행속도를 예측하는 식을 개발한 것이다. 이는 평면곡선의 선형특 징만으로 주행속도를 설명할 수 있다고 본 것이다. 평면 곡선반경이 작으면 운전자는 속도를 줄일 것이라는 것은 공학적 합리성에 크게 위배되지 않는다. 따라서 상관계 수 값이 크게 나오는 경우, 선형특징만으로 운전자의 주 행속도를 예측하는 모형 설정이 가능하다. 유형 Ⅱ는 평 면곡선부의 내재적 특징만으로 평면곡선부의 주행속도를 예측하는데 한계가 있어 상류부의 선형특성을 반영한 것 이다. 유형 Ⅱ에는 운전자가 주행하며 경험한 전반적인 상류부의 선형특성이 현재 선형에서의 주행속도 선택에 영향을 미친다는 개념이 포함되며, 이러한 상류부의 선 형특성을 선형지수(alignment index)라 정의할 수 있 다. 선형지수는 해당지점의 선형설계 제원은 동일하나 상류부 선형이 다른 특정지점의 주행속도가 서로 다르게 관측되는 것을 설명해줄 수 있는 유용한 변수이다.

Fitzpatrick 등(1999)은 주행속도 예측모형에 적용하 기 위한 선형지수를 개발한 바 있으나, 이를 직접적으로 모형에 적용하지는 못하였다.

2. 기존 연구의 속도자료 수집 방법

기존의 연구들은 주행속도 예측모형 개발에 필요한 속 도자료를 수집하기 위해 비디오 캠코더, 스피드건, 피에 조센서, 노면부착형 등의 장비를 활용하여 평면곡선부 및 평면직선부의 중앙 등에서 지점 속도를 측정하고 이 자료 를 활용하여 주행속도 예측모형을 개발하였다. 이외에도 피실험자를 이용한 시험차량 주행방법 등이 활용된 바 있 고 최근에는 GPS를 활용하여 도로선형을 따라 연속적으 로 주행속도를 측정하는 방법 등이 활용된 바 있다.

Ⅲ. 현장조사 및 자료분석 1. 대상구간 선정

현장조사 대상구간은 다음과 같은 기준에 의해 선정 되었다.

•지방부 일반국도 왕복 4차로

•평면선형 및 종단선형 선형설계요소 및 조합이 다 양하게 포함된 구간

•도로선형 외 운전자 주행행태에 영향을 미치는 요 소(과속단속카메라, 평면교차, 터널, 주변상가 등)

가 최소인 구간

•교통량이 비교적 적은 구간

최종적으로 선정된 구간은 경기도 포천 및 양평, 경상 북도 문경에 소재한 3개 노선 7개 구간(상하행 구분 포 함)이며, 총 구간 길이는 134.7km이다.

2. 속도자료 수집

모형의 예측력이 아무리 높다 하더라도 모형 개발 시 사용된 자료가 정확하지 않다면 구축된 모형의 높은 예 측력 또한 무의미하다. 따라서 주행속도 예측모형 개발 을 위한 주행속도 조사 및 자료의 활용 시에는 다음과 같은 사항에 유의하여야 한다.

첫째, 주행속도 조사를 위해 설치된 장비 및 조사방 법은 운전자 속도선택에 영향을 주지 않아야 하며 모집 단의 특성을 대표할 수 있는 다량의 자료확보가 용이하 여야 한다. 비디오 캠코더, 스피드 건 등은 조사장소 선 정 등이 어렵고 다량의 자료수집이 어렵다는 단점이 있 어 국내 다수의 연구에서는 노면부착형이며 다량의 자 료수집이 용이한 NC-97 등의 장비를 사용하고 있다.

둘째, 해당구간 및 상류부의 전반적인 선형특징이 아 닌 상류부와 하류부의 속도에 의해 결정된 속도가 관측 되는 구간의 자료는 모형개발 시 제외되어야 한다. 예 로 <그림 2>에서 평면직선부의 속도는 상류부 및 하류 부의 속도로 인해 선형조건에 의한 평면직선부의 속도 에 도달하지 못하고 있으며 평면곡선부에서도 평면곡선 부의 선형조건에 의한 속도에 도달하지 못하고 있다.

이러한 자료가 주행속도 예측모형 구축을 위한 자료에 포함될 경우 해당모형에 의해 예측된 주행속도가 과대 또는 과소추정 될 가능성이 높아질 수 있으며, 이를 통 해 예측된 주행속도 프로파일 또한 실제 운전자의 주행 행태를 제대로 묘사하지 못할 가능성이 높아진다.

그러나 기존의 주행속도 조사방법들은 전술한 사항

을 모두 충족하기 어려우며, 따라서 새로운 주행속도

조사 방법론이 개발될 필요가 있다. 특히, 본 연구는 선

형유형을 평면 및 종단선형의 조합에 따라 6가지로 구

분하고 있으며, 감가속의 시점과 종점, 감속도 등의 감

속행태는 평면직선의 길이 및 속도, 평면곡선반경, 완

화곡선의 유무, 종단선형의 형태, 평면선형과 종단선형

의 조합 등 도로선형 조건의 다양성과 비례하여 그 행

태가 다양하게 나타날 것이 예상되기 때문에 정밀한 조

사가 요구된다.

평면선형

종단선형 평면곡선부

(C) 평면직선부

(T) 종단경사부(G) CG [41] TG [59]

곡선부 종단

볼록(C) CC [19] TC [27]

오목(S) CS [17] TS [19]

주) [ ] 내 숫자는 주행속도 예측모형 개발을 위해 추출된 주행속도 자료수임.

<표 2> 선형유형 구분 및 자료 수

일련 번호 행정

구역 노선 번호

구간 연장 (km)

 

 

종합 134.7 140~

5,700 0~

2,920 -5.6~

+7.0 20.4~

700.0 1

충북 문경 03

4.5 140~

1,500 0~

360 -2.4~

+2.6 51.6~

66.7

2 4.5 140~

1,500 0~

360 -2.6~

+2.4 51.6~

66.7

3* 21.9 280~

5,700 0~

2,360 -4.8~

+4.7 29.1~

333.3

4* 21.9 280~

5,700 0~

2,360 -4.7~

+4.8 29.1~

333.3 5 경기

양평 06 39.3 400~

3,400 0~

1,640 -4.8~

+7.0 20.4~

700.0 6 경기

포천 37,47 28.1 240~

2,000 100~

2,920 -5.6~

+4.8 25.9~

360.0 7 경기 포천 14.5 240~

1,500 160~

2,920 -4.4~

+5.0 33.3~

360.0 여기서,  : 평면곡선반경(m)



: 평면직선길이(m)

 : 종단경사(%)

 : 종단곡선변화비율(m/%)

* : 3, 4구간에는 오르막 및 내리막이 지속되는 긴 구간(산지부)이 포 함되어 있음.

<표 3> 현장조사 대상구간 선형설계제원 분포z 본 연구는 NC-97(이하 ‘검지기’) ¹⁾ 을 이용하여 차량

의 진행방향을 따라 일정간격(약 100m 간격, 일부구간 제외)으로 속도자료를 수집하였다. 자료수집은 맑은 날, 노면상태가 건조한 날에 수행되었으며, 다량의 자료확보 를 위해 현장 및 기상상황에 따라 3시간부터 24시간 사 이에서 연속 조사되었다. 평면곡선부 107개 구간, 평면 직선부 107개 구간을 대상으로 각각 311지점 및 444지 점의 주행속도 자료가 수집되었다.

3. 속도자료 추출

검지기를 이용해 수집된 속도 자료는 조사구간의 특 성, 차두시간, 조사시간대 등을 고려하여 모형개발의 목 적에 맞게 재정리 되었다.

수집된 전체 자료 중 다음의 조건에 부합되는 자료들 만이 주행속도 예측모형 구축 과정에 포함되었다.

•주간시간대(8시～16시)에 조사된 속도자료

•차량 간 차두시간이 10초 이상인 속도자료

•터널, 교차로 및 과속단속카메라 등과 같이 속도에 영향을 미칠 수 있는 선형 외적인 요소가 존재하지 않는 구간의 속도자료

•모든 차종 대상

현장에서 조사된 각 개별차량 속도 자료는 85백분위 속도(이하 ‘주행속도’)로 변환되어 주행속도 프로파일 작 성에 활용되었으며, 주행속도 프로파일을 활용하여 선형 유형별로 연속적인 속도변화를 분석하였다.

분석된 속도변화 특성 중 다음에 해당하는 경우의 자 료가 모형구축에 포함되었다.

•해당 선형유형 내에서 속도 유지구간이 관측되는 경우

•해당 선형유형 내에서 감속진입 후 가속진출하거나 가속진입 후 감속진출하는 등 속도의 정점부가 관 측되는 경우

다음과 같은 경우의 자료는 모형구축에서 제외되었다.

•해당 선형유형 내에서 지속적으로 가속 또는 감속 하는 경우

•속도 조사지점이 교통운영요소 또는 기타 속도영향 요소 부근인 경우

위의 기준을 이용하여 속도자료를 추출한 결과, 수집

된 755개 지점의 속도자료 중 최종적으로 182개 지점의 속도자료가 선택되었으며, 평면곡선부 77개소, 평면직 선부 105개소가 포함되었다(<표 2> 참조).

4. 기하구조 정보 수집 및 분석

대상구간의 기하구조 조사는 다음과 같은 과정에 의 해 수행되었다.

• 1단계 : 도로의 준공도면을 활용하여 개괄적 정보 일치여부 확인(평면곡선의 굽은 방향 및 길이, 종단

1) NC-97은 미국 nu-metrics사에서 개발된 주행속도 조사장비로서 본 장비는 가로 16cm, 세로 14cm, 높이 2cm 정도로 운전자에게 쉽게

식별되지 않을 정도의 크기이다. 도로표면에 부착되며 수집되는 자료는 차량속도, 검지시간, 차량길이이다. 이들 자료는 본 장비에 저장된다.

일련 번호

평면선형 단위구간 개소 개소/

km 평균길이

(m) 최대길이

(m) 최소길이 (m)

계 147 1.09 916 4,280 160

1 10 2.22 448 740 160

2 10 2.22 448 940 200

3 24 1.10 912 2,600 340

4 24 1.10 910 2,740 200

5 44 1.12 894 2,200 200

6 25 0.89 1,123 3,340 300 7 10 0.69 1,454 4,280 320

<표 4> 현장조사 대상구간의 단위구간 정보

<그림 6> 평면직선길이 분포

<그림 7> 종단경사 분포

<그림 5> 평면곡선반경 분포 경사 방향, 종단선형과 평면선형의 위치 관계 등)

• 2단계 : 실측, 또는 중앙분리대 지주간격, 가로등 설치 간격 등 주변 시설물 설치간격 정보를 이용하 여 평면선형 길이 확인

• 3단계 : 위성지도 및 CAD를 활용하여 세부적인 평면설계요소 정보일치여부 재 확인(평면곡선반경 및 길이, 평면직선길이, 완화곡선 설치여부 등)

• 4단계 : 편경사, 종단경사, 횡단구성요소 설계제원 현장실측

각 구간별 선형설계제원 분포는 <표 3>과 같다.

각 구간별 선형특징을 평면선형을 기준으로 분석하면 다음과 같다(<표 4> 참조).

• 1, 2 구간 : km당 단위구간 ²⁾ 개소수가 약 2.2개 /km로서 연구대상구간 중 평면선형 변화가 가장 잦음. 연구대상 구간 중 저규격에 속함.

• 3, 4, 5 구간 : km당 단위구간 개소수가 약 1.1 개/km로서 평면선형 변화가 1, 2구간에 비해 적 으나 6, 7구간의 0.7～0.9에 비해 잦음. 연구대 상 구간 중 중규격에 속함.

• 6, 7 구간 : km당 단위구간 개소수가 약 0.7～

0.9개/km로서 연구대상구간 중 평면선형 변화가 가장 적음. 연구대상 구간 중 고규격에 속함.

5. 선형유형별 선형설계제원 분포 분석

<그림 5>～<그림 9>은 주행속도 예측모형 개발을 위해 추출된 선형제원 분포를 나타낸 것으로서, 추출된 자료를 이용한 주행속도 예측모형이 다양한 선형조건을 가진 도 로에 적용 가능한지를 살펴보기 위하여 분석되었다.

<그림 5>는 평면곡선부가 포함된 선형유형의 평면곡 선반경 분포로서, 250～900m, 2,000m 이상에 주로 분포되어 있다.

<그림 6>은 평면직선부가 포함된 선형유형의 평면직 선길이 분포로서, 100～3,000m 사이에 비교적 고르게 분포되어 있다.

<그림 7>은 종단경사가 포함된 선형유형의 종단경사 분포로서 -3.0～4.0% 사이에 주로 분포되어 있다.

<그림 8>은 볼록종단곡선이 포함된 선형유형의 종단 곡선변화비율 분포로서 60～90m/% 사이에 주로 분포 되어 있다.

2) 상류부의 평면직선 1개소 및 이와 연결되는 평면곡선 1개소의 연결구간으로 정의함.

<그림 9> 오목종단곡선변화비율

<그림 8> 볼록종단곡선변화비율

<그림 9>는 오목종단곡선이 포함된 선형유형의 종단 곡선변화비율 분포로서 20～200m/% 사이에 고르게 분포되어 있다.

종합하면, 평면곡선반경 및 평면직선길이의 경우 비 교적 다양한 범위에 분포되어 있으며, 종단경사 및 종단 곡선변화비율의 경우 비교적 특정 범위에 국한된 경향이 있기는 하지만 국내 도로설계의 현황을 반영하는데는 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.

Ⅳ. 주행속도 예측모형 개발 1. 변수 개발

기존의 연구들에서 제시된 바와 같이 평면곡선부에서 는 평면곡선반경 관련 설계요소들이 주행속도에 가장 큰 영향을 미친다. 기존 연구들에서 사용된 설계요소는 평면곡선반경( ^ ), 편각( ^ ), 평면곡선변화비율( ^ ) 등이다.

각 평면곡선부 관련 변수의 정의는 다음과 같다.

•편각(Deflection Angle, ^ , deg) :  



- 단곡선 ^

  



- 완화곡선 포함 ^

  



  



  



•평면곡선변화비율(Curve Change Rate, ^ , gon/km) :  



- 단곡선 ^

  

 





- 완화곡선 포함 ^

  

 

 

  



  



  



 ×

여기서, ^ : 평면곡선반경(km)



: 평면곡선길이(km)



: 평면직선길이(km)

본 연구에서는 모형개발 시 평면곡선반경과 더불어 위의 2가지 평면곡선 관련 선형설계요소를 고려하였으 며, 평면선형 및 종단선형 관련 독립변수는 상류부 및 하 류부 2개 구간을 포함하여 구축되었다. 또한 운전자가 경험한 상류부의 선형특성을 반영하기 위해 평면 및 종 단선형의 특징을 표현할 수 있는 선형지수(alignment index)를 개발하여 적용하였다. 선형지수는 해당선형 바로 이전에 위치한 평면 및 종단선형 설계 제원 또는 일 정 길이 및 일정 개소의 특징을 반영한 선형요소로 정의 할 수 있다.

본 연구에서 활용된 선형지수 및 기초 독립변수는 <표 5>와 같다. 기초 독립변수들은 모형 개발 시 다양한 형 태로 변경, 적용되었다.

2. 모형개발 결과

본 연구는 일련의 과정을 통해 추출된 주행속도 자료 및 개발된 변수들을 이용하여 선형유형별 주행속도 예측 모형을 개발하였으며, 평면곡선반경( ^ )과 평면곡선변화 비율( ^ ), 편각( ^ )을 적용한 각각의 모형을 선형유형 별로 개발하였다.

각 선형유형별 주행속도 예측모형은 제거기준

구분1 구분2 구분3 조사항목

기초 독립 변수

평면 선형

평면곡선부















평면곡선반경(m) 평면곡선변화비율(gon/km) 편각(deg/km)

평면곡선길이(m)

평면곡선굽은방향(시계, 반시계) 완화곡선길이(m)

완화곡선파라메터(A)

평면직선부 

평면직선길이(m)

종단 선형

종단경사부 



종단경사(%)

종단경사길이(m)

종단곡선부









종단경사대수차(|%|) 종단곡선길이(m)

볼록종단곡선변화비율(|%/m|) 오목종단곡선변화비율(|%/m|)

횡단구성 

, 

, 

중앙분리대여유폭(m), 차로폭(m), 길어깨폭(m)

기타 영향요소  도로변 절성토 여부

선형지수

상류부 , , , 

, , 

현 평면선형을 포함한 상류부 N 개 또는 L km의 , , , 

의 평균 현 평면선형을 제외한 상류부 N 개 또는 L km의 , , , 

의 평균 현 평면곡선부를 제외한 상류부 L km의 CCR 합

현 평면선형을 제외한 상류부 L km의 평면선형 변화횟수(회) 현 종단선형을 제외한 상류부 L km의 종단선형 변화횟수(회) 현 종단선형을 제외한 상류부 L km의 1km당 종단고저차의 합(m/km)

<표 5> 주행속도 예측모형 개발 시 고려된 독립변수

(F=0.01)에 의해 탈락된 독립변수들을 하나씩 제거하는 방법으로 개발되었으며, 독립변수 부호의 적정성, 독립변 수간 상관관계, 모형 및 독립변수의 유의성(F, t 검정결 과), 오차항간 자기상관, 다중공선성 등이 검토되었다. 회 귀식의 설명력을 나타내는 결정계수의 경우, 독립변수 개 수의 증가로 인해 결정계수가 커지는 영향을 고려하기 위 해 수정된 결정계수( ^



)를 적용하였다.

평면선형 및 종단선형의 조합에 따라 구분된 6가지 선형유형의 주행속도 예측모형이 개발되었다. 개발된 모 형의 p값(p-value)을 분석한 결과, 각 모형들은 통계적 으로 유의한 것으로 분석되었다. 또한 평면직선과 종단 경사가 중첩된 경우의 주행속도 예측모형( ^

)을 제 외한 나머지 모형의 설명력( ^

)이 비교적 양호하며, 개 발된 모든 모형의 독립변수 부호 또한 적정한 것으로 판 단된다.

모형개발 시 고려된 평면곡선부 선형설계제원 중 평 면곡선변화비율( ^ )을 적용하여 개발된 모형의 설명력 이 대부분의 선형유형에서 비교적 높은 것으로 분석되었

으며, 모형의 일관성을 유지하기 위해 평면곡선변화비율 ( ^ )을 적용한 모형을 각 선형유형별 최종모형으로 결 정하였다.

각 선형유형 별 주행속도 예측모형 개발결과는 <표 6>과 같으며, 각 모형의 특징은 다음과 같다.

1) 평면곡선부 주행속도 예측모형( ^

, ^

, ^

) 해당 평면곡선부의 선형설계제원 및 상류부의 평면직 선길이, 종단곡선변화비율, 종단경사, 횡단면폭 등이 평 면곡선부의 주행속도에 영향을 미치는 선형요소인 것으 로 분석되었다.

평면곡선변화비율( ^ )은 평면곡선반경의 역수

( ^ )와 개념은 유사하나 완화곡선 설치의 영향을 고려

할 수 있는 변수라는 점에서 큰 차이점이 있으며, 일반적

으로 평면곡선변화비율이 커질수록 주행속도는 감소하는

경향을 보인다. 본 연구에서 개발된 모형의 평면곡선변

화비율의 계수는 -0.001～-0.002로서 기존의 왕복 2차로

평면곡선부 주행속도 예측모형의 평면곡선변화비율 관련

선형유형 최종모형 

P값 VIF

자료 수 평면 종단

곡선

경사 

   

  0.744 0.000 1.446 41 볼록

곡선 

   

   



 

0.722 0.000 1.131 ~ 1.245 19 오목 곡선 

   

    

0.716 0.001 1.126~

1.476 17

직선

경사 

        



0.473 0.000 1.024 ~ 1.070 59 볼록 곡선 

      



 

0.709 0.000 1.065 ~ 1.148 27 오목 곡선 

    

   

0.776 0.000 1.519 ~

1.664 19

여기서,  : 평면곡선변화비율()

 : 해당선형 평면곡선부와 상류부 평면곡선부의 평균 ()

 : 상류부 평면곡선 2개소의 평균 ()

 : 상류부 1km 이내에 포함된 평면곡선의 평균 ()



: 상류부 평면직선길이()



: 상류부 평면직선 2개소의 평균 평면직선길이()

 : 해당선형 종단경사()

 : 상류부 종단경사()



: 해당선형 볼록종단곡선변화비율()

 : 상류부 종단곡선변화비율()



: 11.5m - 진행방향 횡단면폭(m)

여기서, 11.5m = 「도로의구조․시설기준에관한규칙해설(2009)」에서 제시된 주 간선도로의 표준횡단면구성 폭(편도 2차로 기준)) 진행방향 횡단면폭 = (중앙분리대폭-분리대시설물폭)/2 + 차로폭×2

+ 우측 길어깨 폭 + 측대 폭(m)

주) VIF(분산팽창요인, Variance Inflation Factors) : 다중공선성문제(독립변수간 강한 상관관계가 나타나는 문제)를 진단하기 위한 통계값으로 서 일반적으로 VIF가 10이하이면 다중공선성문제가 없다고 판단함

<표 6> 주행속도 예측모형 개발 결과

계수가 -0.04～-0.07 범위인 것에 비해 주행속도에 미치 는 영향이 매우 미비한 것으로 나타났다. 이는 왕복 4차 로 도로의 경우 왕복 2차로도로에 비해 평면곡선반경의 분포범위가 크며, 일반적으로 평면곡선반경이 커질수록, 즉 평면곡선변화비율이 작아질수록 주행속도에 미치는 영향이 감소하기 때문 ³⁾ 에 발생되는 차이라고 판단된다.

① 평면곡선과 종단경사가 중첩된 선형유형에서의 주 행속도( ^

)는 상류부의 직선길이( ^

)와 평 면곡선변화비율( ^ )에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 종단경사( ^ )는 주행속도와의 상관 계수가 -0.151로 낮고 유의확률도 0.312로서 90%

신뢰수준에서 유의하지 않아 모형 구축과정에서 탈락되었다. 평면곡선부에서는 상류부 직선길이

및 평면곡선변화비율의 영향이 종단경사에 비해 상대적으로 크기 때문에 종단경사가 모형에 포함 되지 않은 것으로 판단된다.

② 평면곡선과 볼록종단곡선이 중첩된 선형유형에서의 주행속도( ^

)는 상류부의 직선길이( ^

), 평 면곡선변화비율( ^ ), 볼록종단곡선변화비율( ^

), 해당구간의 횡단면폭과 표준횡단면폭의 차이( ^

) 에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었다. 종단경사부 가 중첩된 경우와 비교할 경우, 평면직선길이와 평면 곡선변화비율이 주행속도에 미치는 영향은 감소하 였으며, 이는 볼록종단곡선 및 횡단면폭에 의한 영향 이 반영되었기 때문인 것으로 판단된다.

③ 평면곡선과 오목종단곡선이 중첩된 선형유형에서

3) 기존의 연구들은 평면곡선반경 약 300～400m가 운전자의 주행속도에 영향을 미치는 경계값이며, 이 값보다 큰 평면곡선반경 범위에서의

주행속도는 거의 비슷하게 유지되거나, 일관된 경향이 관측되지 않음을 제시하고 있다.

의 주행속도( ^

)는 상류부 종단경사( ^ ), 해 당구간의 횡단면폭과 표준횡단면폭의 차이( ^

)와 더불어 상류부 선형조건을 포함한 선형지수인 상류 부 평면직선 2개소의 평균직선길이( ^{}

), 해당선형 평면곡선부와 상류부 평면곡선부의 평균

 ( ^{} )에 의한 영향을 받는 것으로 분석 되었다. 오목종단곡선변화비율 관련 변수( ^

)의 경우 주행속도와의 상관계수가 -0.130으로 낮고 유 의확률도 0.594로서 90% 신뢰수준에서 유의하지 않아 모형 구축과정에서 탈락되었다. 오목종단곡선 은 선형특성 상 상류부의 종단경사와 하류부의 종 단경사부를 연결하는 전이구간으로 볼 수 있다. 따 라서 오목종단곡선변화비율이 운전자 주행속도 선 택에 미치는 영향은 매우 제한적이며 오히려 운전 자가 경험한 상류부 선형조건에 의한 영향이 더 주 요하여 이러한 경향이 모형에 반영된 것으로 판단 된다.

2) 평면직선부 주행속도 예측모형( ^

, ^

, ^

) 상류부에 위치한 평면곡선부의 선형설계제원 및 종단 곡선변화비율, 종단경사, 횡단면폭 등이 평면직선부의 주행속도에 영향을 미치는 선형요소인 것으로 분석되었 으며, 해당 평면직선부의 길이는 평면직선과 오목종단곡 선이 조합된 선형유형을 제외한 나머지 2가지 선형유형 에서 모형에 반영되지 않았다.

① 평면직선과 종단경사가 중첩된 선형유형에서의 주 행속도( ^

)는 상류부의 평면곡선변화비율 ( ^{} ) 및 종단곡선변화비율( ^ ), 종단경사 ( ^ )에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 평 면직선길이( ^

)는 주행속도와의 상관계수가 0.115 로 낮고 유의확률도 0.386으로서 90% 신뢰수준에 서 유의하지 않아 모형 구축과정에서 탈락되었다.

동일한 종단선형 조건의 평면곡선부 주행속도 예 측모형( ^

)과 비교하면 종단경사와 상류부의 종단곡선변화비율이 주행속도 영향요소로 추가된 것을 알 수 있으며, 평면곡선부에 비해 평면직선부 에서 종단선형의 영향이 더 크게 나타나는 것으로 판단할 수 있다.

② 평면직선과 볼록종단경사가 중첩된 선형유형에서 의 주행속도( ^

)는 상류부 평면곡선 2개소의 평균 평면곡선반경변화비율(  ), 볼록

종단곡선변화비율( ^

), 해당구간의 횡단면폭과 표 준횡단면폭의 차이( ^

)에 의한 영향을 받는 것으 로 분석되었으며, 평면직선길이( ^

)는 주행속도와 의 상관계수가 0.101로 낮고 유의확률도 0.611로서 90% 신뢰수준에서 유의하지 않아 모형 구축과정 에서 탈락되었다. 동일한 종단선형 조건의 평면곡 선부의 주행속도 예측모형( ^

)과 비교하면 선 형지수가 적용되었다는 점에서 차이가 있다. 횡단 면폭과 표준횡단면폭의 차이가 반영된 것은 평면 선형에 관계없이 동일한 경향을 보이는 것으로 분 석되었다.

③ 평면직선과 오목종단곡선이 중첩된 선형유형에서 의 주행속도( ^

)에 영향을 미치는 선형요인은 평면곡선과 오목종단곡선이 중첩된 선형유형과 매 우 유사한 것으로 분석되었다. ^

는 상류부 종 단경사( ^ ), 해당구간의 횡단면폭과 표준횡단면 폭의 차이( ^

)와 더불어 상류부 선형조건을 포함 한 선형지수인 상류부 1km 이내에 포함된 평면곡 선의 평균 ^ (  ), 상류부 평면직 선 2개소의 평균직선길이( ^{}

)에 의한 영 향을 받는 것으로 분석되었다. 오목종단곡선변화 비율 관련 변수( ^

)의 경우 주행속도와의 상관 계수가 -0.081로 낮고 유의확률도 0.727으로서 90% 신뢰수준에서 유의하지 않아 모형 구축과정 에서 탈락되었다.

Ⅴ. 결론 및 향후연구

본 연구는 주행행태 예측모형 구성요소 중 주행속도 예측모형과 관련한 것으로서 지방부 왕복 4차로 도로를 대상으로 하고 있으며, 평면선형과 종단선형의 조합에 따른 6가지 선형유형에 대한 주행속도 예측모형을 개발 하였다.

본 연구는 기존의 연구들과는 차별화 된 자료수집 방

법 및 자료선별 방법을 개발하여 자료의 신뢰성을 제고

하였다는데 그 의의가 있다. 또한, 주행속도에 영향을 주

는 선형설계요소로서 해당선형뿐만 아니라 상류부 선형

의 영향을 반영할 수 있는 선형지수(alignment index)

를 개발, 적용하여 기존에 연구가 활발하지 못했던 왕복

4차로 도로를 대상으로 한 주행속도 예측모형식을 개발

하고 모형의 실무활용범위를 확장하였다는데 또 다른 의

의가 있다고 판단된다.

본 연구에서는 다양한 선형지수를 개발하고 모형식에 반영하고자 하였으나 동일한 개념의 기초변수와 다중공 선성이 발생하는 등 통계적인 문제점들로 인해 그 적용 이 매우 제한적이었다. 향후 연구에서는 본 연구를 통해 개발된 선형지수를 적용할 수 있는 방안을 마련하여 선 형유형별 주행속도 예측모형을 보완하고, 추가로 지역보 정계수 등을 개발하여 모형의 공간적 적용성을 확장할 필요가 있다. 또한 종단경사 등 차량의 성능한계와 관련 한 선형요소의 경우 차종별로 상이한 주행특성을 보일 가능성이 높으므로 향후 이를 구분하여 차종별 주행속도 예측모형을 개발하고, 추가로 개발된 모형의 신뢰성을 검증하는 과정이 수행될 필요가 있다.

주행속도 예측모형은 그 활용범위가 매우 광범위하며, 특히 설계일관성 평가에 적용할 경우 현 도로설계기준의 한계를 보완하고 도로의 전반적인 안전성 평가할 수 있 는 합리적인 대안으로서 평가되고 있다. 궁극적으로 현 도로설계기준은 설계속도가 아닌 주행속도 기반의 기준 으로 보완될 필요가 있으나, 이러한 공감대가 형성되어 기준이 보완되기 전까지는 주행속도 기반의 선형설계 일 관성 평가가 현 도로설계기준의 한계를 보완하기 위한 도로의 안전성 평가수단으로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다. ⁴⁾

또한 본 연구에서 조사된 자료는 연속적인 속도 변화 흐름을 상세하게 분석․평가하고 다양한 선형조건에서의 감가속 행태 분석 등이 가능할 것으로 판단되며, 따라서 향후 주행행태 관련 분석에 효과적으로 활용될 것으로 판단된다.

참고문헌

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♧ 주 작 성 자 : 조원범

♧ 교 신 저 자 : 조원범

♧ 논문투고일 : 2010. 6. 21

♧ 논문심사일 : 2010. 7. 23 (1차) 2010. 8. 10 (2차) 2010. 9. 15 (3차) 2010. 9. 29 (4차)

♧ 심사판정일 : 2010. 9. 29

♧ 반론접수기한 : 2011. 2. 28

♧ 3인 익명 심사필

♧ 1인 abstract 교정필