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(2)

2019년 8월 석사학위 논문

교통류 친환경성 평가를 위한 트럭 모델링 방안 연구

조선대학교 대학원

토목공학과

고 영 림

(3)

교통류 친환경성 평가를 위한 트럭 모델링 방안 연구

Truck Modeling for

Eco-friendliness Evaluation of Traffic flow

2019년 8월 23일

조선대학교 대학원

토목공학과

고 영 림

(4)

교통류 친환경성 평가를 위한 트럭 모델링 방안 연구

지도교수 박 상 준

이 논문을 공학석사학위 신청 논문으로 제출함 2019년 4월

조선대학교 대학원

토목공학과

고 영 림

(5)
(6)

목 차

ABSTRACT

제 1장 연구배경 및 목적 ···1

제 2장 이론적 배경 ···3

2.1 트럭의 주행 특성 ···3

2.1.1 트럭의 성능 ···3

2.1.2 교통류에서의 트럭 ···5

2.2 교통 시뮬레이션 모형에서 트럭의 모델링 ···7

2.2.1 교통 시뮬레이션 모형 개요 ···7

2.2.2 VISSIM 프로그램에서 트럭 모델링 ···8

2.3 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정 ···10

2.3.1 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정 방법 ··· 10

2.3.2 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정 모형 ···12

2.3.3 CMEM모형 개요 ···14

제 3장 평가방법 ···16

3.1 평가방법 개요 ···16

3.2 시뮬레이션 및 트럭 특성 설정 ···17

3.2.1 단일 트럭의 시뮬레이션 ···17

(7)

3.2.2 트럭이 포함된 복합교통류의 시뮬레이션 ···19

제 4장 시나리오 분석 ···21

4.1 단일 트럭 시뮬레이션 결과 분석 ···21

4.1.1 단일 트럭 연료 소모량 비교 ···21

4.1.2 단일 트럭 배기가스 배출량 비교 ···27

4.2 트럭이 포함된 복합교통류 시뮬레이션 결과 분석 ···32

4.2.1 복합교통류에서 연료 소모량 비교 ···32

4.2.2 복합교통류에서 배기가스 배출량 및 지체도 비교 ···36

제 5장 결론 및 향후 연구과제 ···40

참 고 문 헌 ···42

(8)

표 목 차

표 2.1 주행저항의 정의와 산출식 (최재성 & 김영록, 2001) ···3

표 2.2 도로유형과 설계속도에 따른 최대 종단경사 범위 (도로설계 기준. 2016) ···6

표 2.3 Tier별 배출가스 산정방법 (국토교통부. 2015) ···11

표 2.4 CMEM모형 개별차량 파라미터 (Scora, G. & Barth, M. 2006) ···14

표 3.1 국내 운행중인 트럭들의 제원 ···19

표 3.2 2018년 최대 적재용량별 등록현황 ···20

표 3.3 2017년 화물자동차 적재능력별 평균 적재현황 ···20

표 3.4 차종에 따른 트럭 설정 값 ···20

표 4.1 기본트럭과 소형트럭의 연료 소모량 [L/km] ···22

표 4.2 기본트럭과 중형트럭의 연료 소모량 [L/km] ···24

표 4.3 기본트럭과 대형트럭의 연료 소모량 [L/km] ···26

표 4.4 기본트럭과 소형, 중형, 대형트럭의 CO 배출량 [g/km] ···· 29

표 4.5 기본트럭과 소형, 중형, 대형트럭의 HC 배출량 [g/km] ···· 30

표 4.6 기본트럭과 소형, 중형, 대형트럭의 NO

X

배출량 [g/km] ···· 31

표 4.7 비첨두시 교통류 총 연료 소모량 [L] ···33

표 4.8 비첨두시 트럭의 평균 연료 소모량 [L/(km*대)] ···34

표 4.9 첨두시 교통류 총 연료 소모량 [L] ···35

표 4.10 첨두시 트럭의 평균 연료 소모량 [L/(km*대)] ···36

표 4.11 기본트럭과 실제트럭 사용에 따른 배기가스 배출량 비교

(첨두시, 트럭 20%) ···37

(9)

표 4.12 비첨두시 교통류 전체 지체시간 [분] ···38

표 4.13 첨두시 교통류 전체 지체시간 [분] ···39

(10)

그 림 목 차

그림 2.1 트럭의 성능 곡선. (최재성 & 김영록. 2001) ···5

그림 2.2 VISSIM HGV 중량, 엔진성능 분포 ···9

그림 2.3 VISSIM HGV 감∙가속모형 ···9

그림 2.4 CMEM모형의 구조 (Scora, G. & Barth, M. 2006) ···15

그림 3.1 시뮬레이션 도로 기하구조 ···17

그림 3.2 VISSIM 기본트럭의 총중량/엔진성능비 분포 ···18

그림 4.1 기본트럭과 소형트럭의 상대적 연료 소모량 차이 ···22

그림 4.2 기본트럭과 중형트럭의 상대적 연료 소모량 차이 ···24

그림 4.3 기본트럭과 대형트럭의 상대적 연료 소모량 차이 ···26

그림 4.4 기본트럭과 대형트럭의 상대적 NO

X

배출량 차이 ··· 28

그림 4.5 비첨두시 교통류 총 연료 소모량 상대적 비교 ···33

그림 4.6 첨두시 기본트럭 이용과 실제트럭 이용시 배기가스 상대

차이 ···37

(11)

ABSTRACT

Truck Modeling for Eco-friendliness Evaluation of Traffic Flow

Ko, Younglim

Advisor : Prof. Park, Sangjun, Ph.D.

Department of Civil Engineering

Graduate School of Chosun University

Among the various kinds of vehicles constituting the traffic flow, trucks may not only adversely affect the mobility of the traffic flow at uphill sections due to the increase of grade resistance, but also cause damage to the road pavement caused by the overload. Especially in terms of the environment, trucks consume a relatively large amount of fuel as well as a large amount of exhaust gas compared to passenger cars. Therefore, trucks are a very important consideration in establishing an eco-friendly transportation strategy in the transportation sector.

Microscopic simulation is widely used in the research field because it has flexibility to calculate various kinds of effectiveness measures through post - processing. Especially, the historical data of the individual vehicles generated from the traffic simulation model can be used as the input data of the fuel consumption and exhaust emissions model, and is also utilized for the purpose of evaluating the eco - friendliness of the transportation operation strategy.

In general, the method of modeling a truck in microscopic traffic simulation software is to use a truck model with the default parameters provided by the

(12)

software.

The use of default truck may not be a problem in case of flat roadways, but it can be a problem if the roadway under evaluation has hilly terrain.

Therefore, this study quantitatively estimated traffic and environmental impacts by the modeling parameters of the truck and the roadway grades, and proposed a reasonable truck modeling method for the eco-friendly evaluation of traffic flow.

This study modeled the traffic flow using VISSIM, which is widely used for the analysis of the effects of traffic flow, to analyze the modeling characteristics of trucks. In order to evaluate environmentally friendliness, the CMEM model was utilized to estimate the exhaust gas emissions and fuel consumption. First, the characteristics of single truck was investigated by comparing the default truck with three different trucks. Second, the impacts of default trucks and the three trucks were compared in a traffic flow composed of truck and passenger car with two different volume to capacity ratios. The simulation results showed that the characteristics of the default trucks are significantly different from those of the actual trucks in terms of the characteristics of fuel consumption and emissions. In general, it is desirable to avoid the use of VISSIM default truck when the composition of trucks is high in South Korea and the slope of roads is more than 3%, and it is recommended to create new trucks using the composition ratio of small, medium and large trucks and the load statistics.

(13)

제 1 장 연구배경 및 목적

교통류를 구성하고 있는 다양한 종류의 차량 중 트럭의 경우 화물의 적재로 인한 경 사저항의 증가로 인하여 경사구간에서 교통의 소통에 악영향을 초래할 뿐만 아니라 과 적으로 인한 도로포장에 손상을 초래할 수 있다. 따라서 교통류 중 트럭의 비율이 높 은 경우에는 도로의 설계에서부터 운영에 이르기까지 세심한 주의를 기울일 필요가 있 다. 특히 환경적인 측면에서도 트럭은 승용차보다 상대적으로 많은 양의 연료를 소모 할 뿐만 아니라 많은 양의 배기가스를 배출한다. “2015년도 교통물류 부문 온실가스 배출량 조사” 보고서 (국토교통부. 2015)에 따르면 차량 1대당 온실가스 배출량은 승용 차보다 트럭의 배출량은 3.4배 이상이며, 특히 대형트럭의 경우 21배 이상 CO2를 배출 하므로 교통 부문에서 친환경 교통 운영전략 수립에 있어 트럭은 매우 중요한 고려요 소라 할 수 있다.

교통류의 운영 상태를 분석하기 위해서는 도로용량편람에서 제시하고 있는 방법론을 활용하는 방법과 미시 교통 시뮬레이션 모형을 활용하여 교통류의 흐름을 매우 짧은 시간 단위로 모델링하는 방법이 일반적으로 많이 활용되고 있다. 특히 시뮬레이션 모 형의 경우 후처리를 통하여 다양한 종류의 효과척도를 산출할 수 있는 유연성이 있어 연구 분야에서 많이 활용되고 있다. 특히 미시 교통류 시뮬레이션 모형에서 생성된 개 별 차량의 속도 이력 자료는 차량의 연료 소모량과 배기가스 배출량 모형의 입력 자료 로 사용될 수 있어, 교통 운영전략에서 친환경성을 평가하는 목적으로도 많이 활용되 고 있다.

일반적으로 미시 교통류 시뮬레이션 소프트웨어에서 트럭을 모델링하는 방법은 소프 트웨어에서 제공하고 있는 기본적인 파라미터가 적용된 트럭 모형을 사용하는 것이다.

이는 시뮬레이션 모형을 활용하여 평가하고자 하는 도로망이 평지인 경우에는 평가의 결과에 미치는 문제가 크지 않을 것으로 판단되지만, 경사구간이 포함된 도로망의 경 우 무시하지 못할 만큼의 오류가 발생할 수도 있을 것으로 판단된다. 구체적으로, 경사 구간의 길이, 경사도, 다양한 종류의 트럭 구성비, 트럭 적재중량 등과 같은 특성에 따 라 교통의 소통, 연료 소모율, 배기가스 방출량 등의 시뮬레이션 결과에 영향을 주게 될 것으로 판단된다. 기존에 트럭과 관련되어 수행된 연구를 살펴보면 우리나라에서 운행되고 있는 트럭의 중량과 성능에 관한 연구와 화물차를 고려한 종단경사 설계에

(14)

관한 것들이 대다수를 차지하고 있으며, 교통 운영 측면에서 트럭 통행에 따른 전체 교통류의 통행속도변화에 관한 연구도 있었다.(유경수 1997, 최재성 2001, 오흥운 2006, 박준영 2009, 고한검 2012, 김영록 2015). 문헌조사 결과 시뮬레이션 모형에서 교통운 영의 친환경성을 위해 트럭 모델링에 사용되는 파라미터들의 설정에 따른 영향을 심도 있게 연구한 사례는 찾기 힘들었다. 따라서 본 연구에서는 미시 교통 시뮬레이션 소프 트웨어 VISSIM에서 트럭의 모델링 파라미터와 도로의 경사도에 따라 소통과 환경측 면에서의 영향을 정량적으로 산출하고 이를 통하여 교통류의 친환경성 평가 시 합리적 인 트럭 모델링 방법을 제시하고자 한다.

(15)

제 2 장 이론적 배경

2.1 트럭의 주행 특성

2.1.1 트럭의 성능

트럭은 일반적인 내연기관 자동차와 마찬가지로 트럭 내부의 엔진에서 연료의 연소 과정을 통해 얻은 폭발력을 기계적인 회전에너지로 전환하여 구동축의 바퀴로 전달하 여 움직인다. 이때 트럭의 힘은 주행 중 외부에서 발생하는 공기저항, 회전저항, 경사 저항과 같은 주행저항과 엔진에서 발생하는 구동력의 합력에 의해 결정된다. 트럭의 견인력은 다음 식 2.1과 같으며, 주행저항은 공기저항, 회전저항, 경사저항으로 이루어 져 있고 그 정의와 산출식은 표 2.1과 같다. (도철웅. 2005)

    (2.1)

여기서,

: 트럭의 견인력 []

: 트럭의 질량 [kg]

 : 트럭의 가속도 []

: 공기저항 []

: 회전저항 []

: 경사저항 []

표 2.1 주행저항의 정의와 산출식 (최재성 & 김영록. 2001)

구 분 정 의 산출식

공기저항 Ÿ 차량의 진행과정 중 차량과 공기 사이의

마찰력

 

회전저항 Ÿ 구동중인 바퀴와 도로 사이의 접지조건

에 따라 발생하는 힘

 

경사저항 Ÿ 차량의 중량이 경사로 아래 방향으로 작

용하는 분력



(16)

여기서, -  : 공기저항 []

-  : 경사저항 []

-  : 공기저항계수 -  : 트럭의 속도 []

- : 트럭의 중량 []

-  : 회전저항 []

-  : 공기 밀도 [] -  : 전면투영면적 [] -  : 회전저항 계수

- : 도로 경사도 []

트럭의 견인력은 트럭의 가속능력과 적재된 화물의 견인능력을 나타낸다. 견인력에 작용하는 주행저항 중 경사저항은 트럭이 경사구간을 주행할 때 발생하며 도로의 종단 경사의 크기에 따라 경사구간의 등판능력에 영향을 미쳐 식 2.2와 같이 일정한 경사에 서 유지할 수 있는 오르막 한계속도(Crawl speed)를 결정한다. (최재성 & 김영록.

2001) 또한 경사저항은 회전저항과 더불어 트럭의 자체중량과 화물의 적재중량의 합인 총중량에 따라 가속능력에 영향을 미친다.

   

  

 

 

  

 

 

 

 (2.2)

여기서, -   

  

  ,     

-   

 

,   



,     -   : 속도에 대한 회전마찰계수

- : 동력보정계수

- : 엔진성능 [ ∙ ] - : 매개변수

국외에서는 1950년대부터 도로의 경사도 따른 트럭의 주행특성을 고려하여 주행속도 를 산출하는 연구를 수행하여 왔다. Hutton T. D.(1970)는 실제 주행 중인 트럭의 데 이터를 총중량/엔진성능 60, 120, 180, 240kg/kW (100, 200, 300, 400lb/hp)로 구분하여 트럭의 가속능력에 대해 연구를 수행하였다. 국내에서는 최재성 & 김영록(2001)이 자 동차 등록현황과 성능을 조사하여 도로 경사도에 따른 트럭의 주행을 분석하여 그림 2.1과 같이 트럭의 성능 곡선을 제시하였다.

(17)

(a) 91kg/kW (b) 110kg/kW

그림 2.1 트럭의 성능 곡선 (최재성 & 김영록. 2001)

이외에도 경사도로를 주행하는 트럭을 중량과 성능에 따라 연구하였으며 국외에서는 Archilla & Fernandez(1995)가 아르헨티나의 대표트럭을 190kg/kW로 제시했으며, AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)는 미국의 대표트럭을 120kg/kW로 제시하였다. 국내에서는 오흥운(2006)이 국내지역의 트럭 특성에 따라 100~138 kg/kW로 대표 트럭을 다양화하여 설계 시 여건에 맞게 사용하도록 제안하였으며, 도로설계기준(2016)에서는 대표트럭을 120kg/kW로 제안하 여 설계에 사용하고 있다.

2.1.2 교통류에서의 트럭

트럭은 승용차에 비해 도로의 면적을 더 차지하며, 상대적으로 차량의 주행능력이 떨어지고 통행중인 승용차 운전자에게 물리적, 심리적 영향을 준다. 이러한 트럭의 주 행특징은 다른 차량의 주행에 영향을 주고 전체적으로 교통류에 악영향을 미친다. 따 라서 도로의 설계와 운영에서 트럭은 중요한 고려요소로써 교통의 흐름을 효과적으로 운영하기 위해 트럭의 특성을 고려하여 설계하고 있으며, 다양한 관리기법이 개발되었 다. 경사도로에서 트럭의 등판능력은 승용차에 비해 상대적으로 떨어지기에 도로의 원 활환 소통을 위해 도로의 지형 및 구분, 설계속도에 따라 주변시설과 경제성을 고려하

(18)

여 표 2.2와 같이 최대 종단경사를 제안하고 있으며, 경사구간에서 원활한 흐름을 위하 여 필요에 따라 오르막차로를 설치, 운영하고 있다.

표 2.2 도로유형과 설계속도에 따른 최대 종단경사 범위 (도로설계기준. 2016)

설계속도 [km/h]

도로 유형

고속도로 간선도로 집산도로 및

연결로 국지도로

평지 산지 등 평지 산지 등 평지 산지 등 평지 산지 등

120 4 5

110 4 6

100 4 6 4 7

90 6 7 6 7

80 6 7 6 8 8 10

70 7 8 9 11

60 7 9 9 11 9 14

50 7 9 9 11 9 15

40 8 10 9 12 9 16

30 9 13 10 17

20 10 17

(19)

2.2 교통 시뮬레이션 모형에서 트럭의 모델링

2.2.1 교통 시뮬레이션 모형 개요

교통 시뮬레이션 모형은 교통류의 분석을 위해 넓은 영역에서 사용되고 있다. 이런 교통 시뮬레이션 모형은 분석 형태 따라서 거시적(Macroscopic), 중시적(Mesoscopic), 미시적(Microscopic)으로 구분할 수 있다.

거시적 시뮬레이션 모형은 교통류에서 속도와 밀도를 통해 결정론적 방법으로 시뮬 레이션을 하여 결과 값을 도출한다. 대표적으로 EMME4, VISUM과 같은 수요추정 프 로그램과 FREQ12, TRANSYT-7F와 같은 교통 운영 분석 프로그램을 예로들 수 있 다. 거시적 시뮬레이션 모형에서 트럭의 모델링은 도로용량편람을 기반으로 식 2.3과 같이 중차량 보정계수를 이용하여 승용차로 환산하여 계산된다. (도철웅. 2005) 이때 도로의 지형과 트럭의 크기에 따라 중차량의 승용차 환산계수는 달라진다.

         

 (2.3)

여기서, -   : 중차량 보정계수

-  : 소형 중차량의 승용차 환산계수 -  : 중형 중차량의 승용차 환산계수 -  : 대형 중차량의 승용차 환산계수 -  : 소형 중차량의 비율

-  : 중형 중차량의 비율 -  : 대형 중차량의 비율

중시적 시뮬레이션 모형은 DYNAMIT-P, DYNASMART-P, DynusT등이 대표적 시뮬레이션 모형이다. 개별적으로 트럭의 속도 데이터를 이용하여 미시적 시뮬레이션 모형과 유사하며, 거시적 시뮬레이션 모형처럼 트럭을 승용차로 환산하여 정산하기에 미시적 시뮬레이션 모형과 거시적 시뮬레이션 모형의 중간적 특성을 가지고 있다. 하 지만 승용차로 환산된 트럭의 교통량에는 변화가 없는 차이가 있으며 트럭의 통행데이 터를 별도로 설정하는 방법과 총 교통량의 일부를 트럭으로 설정하는 방법으로 통행데

(20)

이터를 설정하여 분석한다.

미시적 시뮬레이션 모형은 개별적으로 데이터를 측정하여, 세부적으로 묘사할 수 있 다. 대부분 상업적으로 이용하며 각 차량을 차량 추종모형(Car Following Model), 차 로 변경모형(Lane Changing Model)에 따라 확률적으로 움직임을 표현한다. 하지만 차 량의 가속모형은 실제 속도와 가속도 데이터를 이용하여 적용함으로써 보다 현실적으 로 움직임을 나타낼 수 있다. 일반적으로 사용되는 가속모형은 차량의 엔진성능, 기계 적 구조에 따른 동력손실, 차량에 작용하는 저항력 등을 고려하는 차량동역학을 기반 으로 정의된다. 하지만 일반적인 차량동역학에서는 저속에서의 가속능력이 고속에서의 가속능력보다 더 높은 가속능력을 보이기에 오류가 발생한다. 이에 Dual-Regime Model, Linear Decay Model, Polynomial Model과 같은 모형을 이용하여 가속모형을 발전시켰으나, 아직까지 실제 주행차량의 가속데이터와는 차이가 있다. 따라서 VISSIM, INTEGRATION, AIMSUN과 같은 대부분의 미시 교통 시뮬레이션 모형에 서는 차량을 모델링하는 과정에서 필요에 따라 차량을 유형별로 가속모형을 수정할 수 있도록 하고 있다.

2.2.2 VISSIM 프로그램에서 트럭 모델링

VISSIM 프로그램은 국내에서 광범위하게 사용되고 있는 미시 교통시뮬레이션 프로 그램의 하나이다. VISSIM은 독일 PTV-VISION사에서 개발한 소프트웨어로 실험실에 서 다양한 미시적인 교통상황을 반복적으로 구현할 수 있는 여건을 제공한다. (PTV.

2009) 통행시간, 지체와 같은 소통적측면의 효과척도 이외에도 후처리 과정을 통하여 배기가스 방출량, 연료 소모량과 같은 다양한 성과지표를 예측할 수 있다. VISSIM에 서 제공하고 있는 트럭모형은 HGV(Heavy Goods Vehicle)로, 차량의 길이 10.21m, 폭 2.5m 이며, 그림 2.2와 같이 총중량은 2,800kg~40,000kg의 범위로, 엔진성능은 150k W~400kW의 범위에서 Uniform한 분포로 설정되어 있다. 또한 가속모형은 그림 2.3과 같이 설정되어 있다.

(21)

그림2.2 VISSIM HGV 중량, 엔진성능 분포

그림2.3 VISSIM HGV 감∙가속모형

(22)

교통류에서의 트럭의 영향을 연구함에 있어 VISSIM을 사용한 경우는 다양하다. 예 를 들면, 고한검 외(2012)는 오르막차로에 대한 운영을 평가하는 과정에서 트럭의 성능 을 Mann-Whitney Test로 검증하여 표준트럭의 성능과 동일한 분포를 갖는 것으로 해석하고 트럭을 모델링 하였으며, Matthew(2003)은 트럭의 차선제한에 대해 연구하 기 위하여 VISSIM의 기본트럭이 아닌 미국 대형트럭의 총중량 범위인 20,430~

36,320kg을 적용하고 엔진성능 또한 고부하의 250~500kW로 재설정 하여 트럭이 포함 된 교통류의 운영상태를 분석하였다.

2.3 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정

2.3.1 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정 방법

교통류의 환경적인 영향 평가는 직접 차량의 배출가스를 측정하는 방법과 속도, 가 속도 같은 차량 운행 데이터를 차량 배기가스 산정 모형을 이용하여 간접적으로 산정 하는 방법이 있다. 자동차의 배기가스 산정방법은 표 2.3과 같이 구분할 수 있으며 Tier3부터 교통 시뮬레이션 프로그램을 통해 얻은 차량 운행 정보를 바탕으로 차량 배 기가스 방출량 산정모형을 이용하여 후처리 과정을 통해 연료 소모량과 배출가스 배출 량을 예측할 수 있다. 배기가스 방출량 산정에 사용되고 있는 모형은 다양한 종류가 있으며, 차량의 평균속도를 이용하여 분석하는 거시적 방법과 초단위의 차량의 속도와 가속도를 이용하여 식 2.4와 같이 VSP(Vehicle Specific Power, 비출력)를 산정하여 미시적으로 차량의 배기가스를 분석하는 방법이 있다. (박상준. 2016) 거시적 모형은 장기적 교통의 계획과 정책 평가에 흔히 쓰이며, 미시적 모형은 국지적인 프로젝트 수 준의 범위에서 사용되고 있다.

(23)

표 2.3 Tier별 배출가스 산정방법 (국토교통부. 2015)

구분 산정법 비고

Tier 1

∙

Tier 2

  

  ∙   차종, 차령 등 분류

Tier 3

   

   ∙    

   

    배기가스 배출

산정 모형 이용 여기서, -  : 연료소비량 []

-  : 배출계수 [] -  : 주행거리

- : 연료종류

- : 차량종류 - : 배출제어기술

- : 운행조건 (도로, 기후 등)

 

 

 sin atan  (2.4)

여기서, -  : 구름저항계수 -  : 회전저항계수 -  : 공기저항계수 - : 속도 [] - : 차량종류 [Tone]

- : 가속도 [ ] -  : 도로경사도 [%]

(24)

2.3.2 차량 배기가스 배출량 및 연료 소모량 산정 모형

차량의 배기가스 방출량 산정 모형은 북미지역과 유럽에서 환경오염문제가 대두되면 서 환경적측면에서 교통운영전략을 분석하기 위해 개발되어 왔다. 차량 배기가스 방출 량 산정 모형은 다양한 종류가 있으나, 미국에서는 대표적으로 거시적 배기가스 배출 량 모형인 MOVES(Moter Vehicle Emission Simulator)를 사용하고 있다. 2010년 US EPA(United States Environmental Protection Agency, 미국환경보호청)에서 개발한 모형으로 기존에 사용하던 MOBILE의 모형을 대체하여 캘리포니아주를 제외한 미국 전 지역에서 사용하고 있다. MOVES모형은 미국의 각 지역의 수집된 차량의 배기가 스와 연료 소모량을 데이터베이스화 하여 만든 모형으로 지역수준의 거시적 분석 이외 에도 차량의 운행데이터를 이용하여 미시적 분석도 가능하다. 차량의 속도, 가속도, 차 종과 같은 데이터를 기반으로 VSP를 산정하고 이에 따라 배출계수를 산정한다.

(EPA. 2009) 한편 북미지역에서 사용되고 있는 미시적 차량 배기가스 배출량 산정 모 형으로는 VT-Micro와 CMEM(Comprehensive Modal Emissions Model)모형이 있다.

VT-Micro모형은 미국 버지니아공대(Virginia Tech) 교통연구실에서 개발된 모형으로 MOBILE모형에 사용된 차량의 데이터를 기반으로 속도와 가속도 데이터를 입력데이 터로 사용하여 식 2.5와 같이 배기가스방출량을 산정하는 통계적 모형이다. (박상준.

2016)



 

  

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  

  

   ∙ ∙  for  ≺ 

(2.5)

여기서, -  : 연료 소모량, 배기가스 방출량

-  : 차량 속도

-  : 차량 가속도

-    : 속도 거듭제곱일때 의 회귀모형 계수

-    : 가속도 거듭제곱일때 의 회귀모형 계수

CMEM모형은 University of California Riverside에서 미국 FHWA의 지원을 받아 개발한 모형으로 식 2.6과 같이 차종에 따른 연료 소모율에 엔진에서 배출되는 배기가

(25)

스가 촉매정화장치를 통과하여 배기관을 통해 방출되는 비율을 고려한 단위 연료 소모 량에 따른 오염물질방출량을 곱하여 배기가스 방출량을 산정한다. 특히 CMEM모형에 는 차량의 자체중량, 적재중량, 엔진크기, 최대출력 등과 같은 차량의 특성과 관련된 파라미터들을 변경하여 모델링하는 것이 가능하다. 입력데이터는 다른 모형과 유사하 게 속도, 가속도, 도로의 경사도와 에어컨 사용유무와 같은 차량의 운행상태와 관련된 데이터를 사용하여 배기가스 방출량을 산정한다. (Scora, G. & Barth, M. 2006.)



  ∙  ∙ 

(2.6) 여기서 -  : 연료 소모량, 배기가스 방출량 [g/s]

-  : 연료 소모율 [g/s]

-  : 단위 연료 소모량에 따른 엔진방출 오염물질 방출 비율

-  : 배기관에서 방출되는 배기가스와 엔진에서 방출되는 배기가스 비

이러한 다양한 배기가스 배출량 산정 모형에 대해 박상준 외(2016)는 MOVES, VT-Micro, CMEM등 모형을 교통류의 친환경평가의 적합성 측면에서 비교 분석하였 는데, 승용차의 연료 소모량을 비교한 결과 CMEM모형, VT-Micro모형은 차량의 감속 과 가속 등 속도변화에 민감하게 반응하고 있는 반면, MOVES모형의 경우 상대적으 로 미세한 속도변화에 민감하지 않은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 미세 한 분석이 가능한 CMEM모형과 VT-Micro모형 중 차량의 물리적 특성을 변경할 수 있는 CMEM모형을 사용하여 연구를 수행하였다. 다음절에서는 CMEM모형의 특성에 대해 좀 더 자세히 기술하였다.

(26)

2.3.3 CMEM모형 개요

CMEM모형은 앞 절에서 설명한 바와 같이 VT-Micro모형과는 다르게 차량공학에 기초하여 개발된 모형이다. CMEM 소프트웨어는 크게 배기가스를 정상적으로 방출하 는 차량과 비정상적으로 많은 양의 배기가스를 방출하는 모형을 제공하고 있으며, 정 상적으로 배출하는 차량들의 모형은 다시 경형차량(LDV : Light Duty Vehicle)모형과 트럭과 같은 중형차량(HDV : Heavy Duty Vehicle)모형을 제공하고 있다.

표 2.4에서 보는 바와 같이 개별차량의 물리적인 특성을 모델링하기 위해 총 10개의 파라미터들을 제공하고 있으며, 대표적인 파라미터는 차량의 무게, 엔진크기, 최대파워 등이 있다. (Scora, G. & Barth, M. 2006.)

표 2.4 CMEM모형 개별차량 파라미터 (Scora, G. & Barth, M. 2006.)

파라미터 설명

M 차량 무게(lbs.) V 엔진크기(liter) Idle 엔진공회전속도

Trlhp 주행저항파워(hp) - coastdown power S 엔진속도/차량속도 (rpm/mph)

Qm 최대토크(ft.lbs)

Nm 최대토크 시 엔진속도(rpm) Pmax 최대파워(hp)

Np 최대파워 시 엔진속도(rpm)

Ng 기어수

모형의 실행을 위해서는 총 2개의 입력파일을 작성하여야 하는데, 첫 번째는 Model Control File로서 차종을 설정하는 동시에 개별차량의 파라미터를 설정하는 파일이며, 두 번째는 Vehicle Activity File로서 분석대상 차량의 시간에 따른 1초단위의 차량속 도, 가속도, 도로의 경사도, 에어컨 사용여부를 기록한 파일이다. 모형의 실행 후에는 역시 총 2개의 결과파일이 생성되는데, 첫 번째는 Vehicle Emission File로서 대상차량 의 주행기록에 따른 1초 단위의 연료 소모량, CO2, CO, HC, NOX 방출량[g/s]이 생성 되고, 두 번째는 Vehicle Summary File로서 전체 주행에 따라 집계된 연료 소모량과 배기가스 방출량을 요약한 파일이 생성된다. 그림 2.4는 이러한 과정을 요약하여 보여 주고 있다.

(27)

그림 2.4 CMEM모형의 구조 (Scora, G. & Barth, M. 2006.)

(28)

제 3 장 평가방법

3.1 평가방법 개요

본 연구에서는 미시 교통 시뮬레이션 소프트웨어에서 트럭의 모델링 특성을 분석하 기 위하여 국내외에서 교통류의 영향분석에 광범위하게 활용되고 있는 VISSIM을 이 용하여 교통류를 모델링하였으며, 친환경평가를 위하여 VISSIM에서 생성된 개별차량 의 운행데이터를 CMEM모형의 입력데이터로 사용하여 배기가스 방출량과 연료 소모 량을 산정하였다.

첫 번째 시나리오에서는 우선 VISSIM에서 기본 값으로 제공하고 있는 트럭의 개별 특성을 파악하기 위하여, 트럭 한 대만을 주행시키는 시나리오를 작성하여 분석을 수 행하였다. 구체적으로, 그림 3.1과 같이 VISSIM에서 기본으로 제공하고 있는 트럭의 파라미터를 사용한 경우와 국내에서 실제 도로를 주행하고 있는 트럭 중 가장 많은 시 장점유율을 차지하고 있는 대표적인 트럭 3종을 선정하고, 이들 트럭의 총중량과 엔진 성능 파라미터를 적용하여, 도로 경사도를 0%에서 6%까지 변화시키며 트럭의 주행을 시뮬레이션하고 배기가스 방출량, 연료 소모량을 비교하였다.

두 번째 시나리오는 개별트럭의 특성이 아닌, 교통류 내에서 트럭의 구성비가 변화 함에 따라 전체 교통류에서 어떠한 영향을 미치는지를 가늠하기 위하여, 비첨두시 교 통량대 용량비 50%일 때와 첨두시 교통량대 용량비 85%일 때의 두 가지 경우를 설정 하였다. 설정 후 각각의 시나리오에서 트럭의 구성비를 5%에서 20%까지 5%씩 증가시 키고, 도로의 경사도를 0%에서 6%까지 증가시키면서 분석을 수행하였다.

(29)

3.2 시뮬레이션 및 트럭 특성 설정

3.2.1 단일 트럭의 시뮬레이션

분석을 위하여 VISSIM에서 구현한 도로는 편도 2차로이며, 그림 3.1과 같이 직선구 간을 2000m, 경사구간을 2000m의 길이로 설정하고 종단경사는 고속도로 기준에 따라 설계속도 100km/h일 때의 최대 경사도 6%를 적용하여 0%에서 6%까지 1%단위로 변 화를 시켰으며, 시뮬레이션에서의 차량의 자유속도는 100km/h로 설정하였다.

그림 3.1 시뮬레이션 도로 기하구조

그림 2.2에서 보는 바와 같이 VISSIM에서는 트럭의 중량과 엔진의 파워를 Uniform한 분포를 이용하여 모델링하고 있다. 트럭의 중량의 경우 2,800kg~40,000kg 구간, 엔진 성능은 150kW~400kW 구간에서 0과 1사이의 난수를 발생시켜 트럭의 성능을 무작위 적으로 모델링 하고 있다. 하지만 트럭성능의 경우 도로설계 시 200lb/hp(120kg/kW)와 같이 총중량/엔진성능비를 사용함에 따라, 본 연구에서는 기본트럭으로만 구성된 교통 류를 1시간 동안 시뮬레이션하여 각 트럭의 총중량/엔진성능비를 산출하여 히스토그램 을 산출한 결과 그림3.2과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 총중량/엔진성능비 분포는 왼쪽으로 편향되어 있으며, 평균값은 85.1kg/kW로 분석되었다. 이 값은 도로설계에 사 용되는 트럭의 총중량/엔진성능비인 120kg/kW 보다 작은 값으로, 성능측면에서는 보 다 우수한 것으로 분석되었다.

(30)

그림 3.2 VISSIM 기본트럭의 총중량/엔진성능비 분포

국내에서 운행되고 있는 트럭의 속성을 적용하기 위하여 대표적인 소형, 중형, 대형 트럭의 제원을 조사한 결과는 표 3.1과 같다. 최대적재 중량은 트럭의 총중량에 영향을 미치므로 트럭의 종류별로 최대 적재중량의 25%, 50%, 100% 비율에 따라 적재중량을 설정하고 이를 VISSIM 파라미터에 반영하여 분석을 수행하였다.

(31)

표 3.1 국내 운행중인 트럭들의 제원1)

모델명 포터2 메가트럭 엑시언트

제조사 현대자동차 현대자동차 현대자동차

엔진성능 [kW] 97.8 205.9 397.1

공차 중량 [kg] 1,750 5,200 15,000 최대적재 중량 [kg] 1,000 5,000 25,000

배기량 [cc] 2,500 6,300 12,700

사진

3.2.2 트럭이 포함된 복합교통류의 시뮬레이션

복합교통류에서의 트럭의 영향을 산정하기 위하여 고려하여야 할 사항 중 하나는 국 내에서 운행하고 있는 화물차량의 구성비이다. 이는 화물차량의 물리적인 특성에 따라 교통소통과 환경에 미치는 영향의 규모가 다르기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 2018년 최대적재용량별 화물차 비율을 조사하였으며, 그 결과는 표 3.2와 같다. 표 3.2 에서 보는 바와 같이, 3톤 미만 화물차의 구성비가 87.4%로 가장 높고, 3톤 이상 8톤 미만이 8.0%, 그 외 화물차량이 4.6%를 차지하고 있다. 또한 트럭의 총중량을 산정하 기 위하여 2017년 화물자동차 적재능력별 평균 적재현황을 조사하였으며, 이를 선정된 트럭의 총중량을 산출하는데 사용하였다. 산출된 소형, 중형, 대형트럭의 중량, 엔진성 능, 구성비율은 표 3.4와 같다.

전술한 바와 같이 국내 화물차의 운행특성을 고려하여 소형, 중형, 대형트럭의 구성 1) 현대자동차. (2018). 트럭의 제원

(32)

비율을 설정하고, 산정된 중량과 엔진성능을 바탕으로 VISSIM의 트럭모형 파라미터를 설정하였다. 마지막으로 전체 교통류의 규모를 비첨두시 교통량대용량비 50%로 첨두 시를 85%로 구분하고, 각각의 교통량대 용량비에서 전체트럭의 비율을 5%에서 20%까 지 5%씩 증가시켜 시뮬레이션을 수행하였다. 동일한 시나리오들을 VISSIM에서 제공 하고 있는 기본트럭을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 비교 분석하였다.

표 3.2 2)2018년 최대 적재용량별 등록현황

구분 계 구성비율 [%]

~ 1톤 이하 2,893,618 80.58 1톤 초과 ~ 3톤 미만 243,445 6.78 3톤 이상 ~ 5톤 미만 186,266 5.19 5톤 이상 ~ 8톤 미만 101,391 2.82 8톤 이상 ~ 10톤 미만 16,888 0.47 10톤 이상 ~ 12톤 미만 13,513 0.38 12톤 이상 ~ 15톤 미만 23,097 0.64 15톤 이상 ~ 20톤 미만 14,264 0.40

20톤 이상 ~ 98,457 2.74

계  3,590,939 100.00

표 3.3 3)2017년 화물자동차 적재능력별 평균 적재현황

구분 평균 적재율 [%] 적재량 [ton]

~ 1톤 이하 70.64 0.99

1톤 초과 ~ 3톤 이하 73.19 1.78

3톤 초과 ~ 8톤 미만 83.73 5.75

8톤 이상 ~ 90.18 27.61

전체 79.72 2.72

표 3.4 차종에 따른 트럭 설정 값

차종 총중량 [kg] 엔진성능 [kW] 구성비율 [%]

소형트럭 3,135 97.8 87.4

중형트럭 10,950 205.9 8.0

대형트럭 42,610 397.1 4.6

2) 국토교통부. (2018). 2018 12월 자동차등록현황.

3) 국토교통부. (2018). 국가교통조사.

(33)

제 4 장 시나리오 분석

4.1 단일 트럭 시뮬레이션 결과 분석

4.1.1 단일 트럭 연료 소모량 비교

트럭의 연료 소모량 및 배기가스 방출량을 트럭 한 대에 대해서 VISSIM 프로그램 으로 모델링하고, CMEM모형을 이용하여 후처리 과정을 통해 연료 소모량을 분석하였 다. 첫 번째로 VISSIM의 기본 값으로 설정한 트럭(이하 기본트럭)을 모델링한 경우와 소형트럭을 제원에 따라 적재용량 25%, 50%, 100%로 변화하여 모델링한 경우 연료 소모량이 표 4.1과 같이 산출되었다. 또한 표 4.1에는 기본트럭과의 상대적인 차이를 산출하였으며, 그림 4.1에는 적재용량에 따른 상대적인 차이를 그래프로 나타내었다.

먼저 소형트럭은 적재용량 변화에 따른 연료 소모량의 증가는 크지 않은 것으로 분 석되었다. 즉, 25%를 적재한 경우와 100%를 적재한 경우 연료 소모량의 증가율을 최 소 0%에서 최대 6% 증가하는 것으로 분석 되었다. 한편, 경사도에 따라 분석한 결과 소형트럭의 경우 경사도가 증가함에 따라 연료 소모량이 증가하기는 하였으나, 기본트 럭에 비해 상대적으로 적은 증가율을 보였다. 즉, 소형트럭의 경우 경사 6%에서 경사 가 없는 경우에 비해 약 13%~19%의 증가율을 보인반면, 기본트럭의 경우 0.64L/km 를 소모하여, 경사가 없는 경우에 비해 0.27L/km (73%)를 더 소비하는 것으로 분석되 었다.

구체적으로, 도로 경사도가 0%에서 기본트럭의 연료 소모량과 소형트럭의 연료 소 모량은 0.37L/km, 0.32L/km로 소형트럭이 1km당 0.05L 적게 연료를 소모하는 것으로 산출되었고 이는 기본트럭에 비해 소형트럭이 상대적으로 연료 소모량이 12% 낮게 소 모한 것으로 분석되었다. 경사도가 1%로 증가 시 기본트럭의 경우, 0%경사도 보다 0.07L/km의 연료를 더 소모한 방면, 소형트럭은 0% 경사도일 때 연료 소모량보다 0.01L/km로 기본트럭의 연료 소모량보다 상대적으로 소폭 상승하였다. 따라서 1%의 경사도에서 기본트럭과 소형트럭의 상대적 연료 소모량 차이는 24%로 증가하였다. 마 찬가지로 경사도가 2%~4%로 증가한 경우에도 연료 소모량의 차이는 증가하였다. 다 만 그림 4.1과 같이 0%~1%의 경사도에서 경사도가 각 1% 증가할 때 기본트럭과 소 형트럭의 상대적 연료 소모량 차이는 12%, 8%더 크게 차이가 증가한 반면에 2%~3%

(34)

의 경사도 구간에서는 경사도가 1% 증가할 때 기본트럭과 소형트럭의 상대적 연료 소 모량 차이는 2% 미만으로 소폭 더 증가하였다. 경사도가 5%~6%구간에서는 연료 소 모량의 차이가 40%의 내외로 차이가 크게 벌어졌으며 특히 기본트럭의 총중량 21,400kg과 총중량 2,000kg으로 가장 중량의 차이가 큰 적재용량의 25%를 실은 소형 트럭이 경사도 6%일 때 44%로 가장 차이가 크게 나타났다.

표 4.1 기본트럭과 소형트럭의 연료 소모량 [L/km]

도로 경사

적재용량

기본트럭 소형25% 상대차이 소형50% 상대차이 소형100% 상대차이

0% 0.37 0.32 12% 0.32 12% 0.32 12%

1% 0.44 0.33 25% 0.33 24% 0.33 24%

2% 0.51 0.37 33% 0.34 33% 0.34 32%

3% 0.52 0.34 34% 0.34 33% 0.35 32%

4% 0.55 0.35 37% 0.35 36% 0.36 34%

5% 0.60 0.36 41% 0.36 40% 0.37 38%

6% 0.64 0.36 44% 0.37 43% 0.38 41%

그림 4.1 기본트럭과 소형트럭의 상대적 연료 소모량 차이

(35)

두 번째로 중형트럭을 적재용량에 따라 분석한 결과 연료 소모량과 상대량의 차이는 표 4.2와 같다. 중형트럭의 경우 적재비율에 따른 차이는 소형 럭에 비해 다소 큰 것으 로 분석되었다. 즉, 25% 적재한 경우와 100% 적재한 경우를 비교한 결과 최소 2%에 서 최대 12% 증가한 것으로 분석되었다. 경사도에 따른 기본트럭과의 연료 소모량의 차이를 분석한 결과, 가장 주목할 만한 결과는 적재량이 증가함에 따라 기본트럭과의 차이는 감소하고, 경사도가 증가함에 따라 감소한다는 사실이다.

구체적으로, 기본트럭과 연료 소모량을 비교한 결과 0%, 1%의 경사도에서는 적재용 량 25%, 50%로 설정한 경우에 연료 소모량의 상대적 차이는 비슷하였다. 하지만 적재 용량이 100%인 경우 적재용량이 25%, 50%보다 기본트럭과 연료 소모량의 상대적 차 이는 그림 4.2와 같이 7%, 14%로 상대적으로 차이가 낮게 나타났다. 경사도가 2%로 증가한 경우부터 적재 용량별로 기본트럭과 중형트럭의 연료 소모량의 상대적 차이는 달라졌으며, 총중량이 6,350kg으로 기본트럭과 중량차이가 가장 큰 적재용량 25%의 중형트럭이 가장 큰 차이를 보이며, 다음으로 총중량 7,700kg의 적재용량 50% 중형트 럭, 총중량 10,200kg의 적재용량 100% 중형트럭 순서로 차이가 감소하였다. 경사도가 3%, 4%에서는 소형트럭과 다르게 경사도 증가에 따라 상대적으로 연료 소모량의 차 이가 감소하는 모습을 보였으며, 경사도가 5%로 증가한 경우에 다시 연료 소모량의 상대적 차이는 증가하였다. 6%의 경사도에서는 기본트럭과 상대적 차이가 가장 크게 나타났고 적재용량이 25%의 경우에 최고 29%의 차이를 나타났다.

전체적으로 소형트럭에 비해 연료 소모량의 차이는 감소하였고, 경사도가 3%, 4%에 서는 소형트럭과 다르게 연료 소모량의 상대적 차이가 감소하는 것으로 나타났다.

(36)

표 4.2 기본트럭과 중형트럭의 연료 소모량 [L/km]

도로 경사

적재용량 대비 적재비율

기본트럭 중형25% 상대차이 중형50% 상대차이 중형100% 상대차이

0% 0.37 0.33 10% 0.34 9% 0.34 7%

1% 0.44 0.36 19% 0.36 17% 0.38 14%

2% 0.51 0.38 26% 0.39 23% 0.41 19%

3% 0.52 0.40 24% 0.41 21% 0.44 15%

4% 0.55 0.42 24% 0.44 21% 0.47 14%

5% 0.60 0.44 27% 0.46 23% 0.48 20%

6% 0.64 0.46 29% 0.48 25% 0.49 24%

그림 4.2 기본트럭과 중형트럭의 상대적 연료 소모량 차이

세 번째로 대형트럭의 분석결과는 표 4.3과 같다. 대형트럭의 경우 소형과 중형트럭 과는 다른 특성을 보이는 것으로 분석되었다. 즉 적재량의 차이에 따른 연료 소모량이 급격히 증가하는 것으로 분석되었다. 즉, 적재량 100%의 경우 적재량 25%에 비해 최

(37)

소 11%에서 최대 41% 연료를 많이 소모하는 것으로 분석되었다. 또한, 경사도에 따른 기본트럭과의 비교결과 소형과 중형트럭과는 다르게 경사도가 증가함에 따라 기본트럭 에 비해 대형트럭이 더욱 많은 양의 연료를 소모하는 것으로 분석되었다. 즉 적재량 25%에 평지의 경우 기본트럭과 대형트럭의 연료 소모량은 동일한 반면, 적재량 100%

에 6%의 경사도에서는 대형트럭이 기본트럭에 비해 54%의 연료를 더 많이 소모하는 것으로 분석되었다.

전체적인 결과를 구체적으로 살펴보면, 적재용량 25%의 대형트럭의 경우 총중량 21,250kg으로 기본트럭과 가장 총중량차이가 적었으며 연료 소모량의 차이도 가장 적 게 나타났다. 다음으로 적재용량 50%의 대형트럭이 연료 소모량 차이가 적었으며 총 중량 40,000kg의 적재용량 100%의 대형트럭이 가장 연료 소모량의 차이가 컸다. 그림 4.3과 같이 적재용량 25%의 대형트럭의 경우 0%~2%사이에서 연료 소모량의 차이가 없었으며, 3%의 경사도부터 연료 소모량의 차이가 나타났고, 경사도 4%에서 기본트럭 과 상대적으로 13%의 연료 소모량 차이를 나타내 가장 오차가 크게 나타났다. 적재용 량 50%의 경우 연료 소모량 차이는 경사도가 증가할수록 차이가 크게 발생했으며, 3%이상의 경사도부터는 경사도가 1%증가할 때 연료 소모량의 상대적 차이는 2%내외 로 소폭 증가하였다. 적재용량 100%의 대형트럭의 경우에는 0%의 경사도부터 경사도 증가에 따라 연료 소모량의 차이가 증가하였으며, 경사도 6%에서 54%의 차이를 나타 내 가장 차이가 크게 나타났다.

실제트럭을 적재용량에 따라 기본트럭과 비교한 결과 기본트럭의 총중량에 가까울수 록 연료 소모량의 차이는 감소하였다. 그리고 경사도변화에 따라 연료 소모량의 차이 는 대체적으로 증가하였다. 다만 중형트럭의 경우 3%, 4% 경사 구간에서 연료 소모량 이 일시적으로 감소하였고, 대형트럭은 적재용량 25%, 50%일 때 5%, 6% 경사도에서 연료 소모량의 차이가 일시적으로 감소하는 모습을 보였다.

(38)

표 4.3 기본트럭과 대형트럭의 연료 소모량 [L/km]

도로 경사

적재용량 대비 적재비율

기본트럭 대형25% 상대차이 대형50% 상대차이 대형100% 상대차이

0% 0.37 0.37 0% 0.38 -4% 0.41 -12%

1% 0.44 0.44 0% 0.47 -8% 0.54 -24%

2% 0.51 0.51 0% 0.56 -11% 0.62 -23%

3% 0.52 0.58 -11% 0.62 -19% 0.67 -29%

4% 0.55 0.62 -13% 0.66 -20% 0.74 -35%

5% 0.60 0.65 -9% 0.71 -19% 0.83 -39%

6% 0.64 0.70 -8% 0.78 -21% 0.99 -54%

그림 4.3 기본트럭과 대형트럭의 상대적 연료 소모량 차이

종합적으로 결과를 살펴보면, 소형트럭과 중형트럭의 경우 적재비율의 증가에 따라 연료 소모량이 최대 12% 증가한 반면, 대형트럭의 경우 최대 41% 변화한 것으로 분 석되었다. 따라서 상대적으로 대형트럭의 모델 시에는 트럭의 총중량에 대한 주의 깊 은 검토가 필요한 것으로 분석되었다. 한편, 경사도의 경우 소형, 중형, 대형트럭 모든

(39)

경우에서 경사도가 증가함에 따라 기본트럭과의 연료 소모량이 차이가 현격하게 증가 함을 알 수 있었다. 따라서, 분석대상 도로의 경사도가 큰 경우에는 모든 트럭의 모델 링에 주의를 기울일 필요가 있으므로, VISSIM모형의 기본트럭을 전체 트럭의 비율로 설정하는 대신, 현장 교통류의 차종별 구성비를 고려하여 트럭의 차종별 구성비를 현 실감 있게 산정하는 것이 중요한 것으로 판단된다.

연료 소모량의 절대값을 기준으로 보면 VISSIM모형의 기본트럭은 소형과 중형트럭 보다는 많은 양의 연료를 소모하며 대형트럭 보다는 적은 양의 연료를 소모하는 것으 로 분석되었다. 따라서 소형트럭과 중형트럭의 비율이 높은 경우의 시뮬레이션 분석에 서는 기본트럭의 사용은 바람직하지 않은 것으로 판단된다.

4.1.2 단일 트럭 배기가스 배출량 비교

본 절에서는 기본트럭과 소형, 중형, 대형트럭의 배기가스인 CO, HC, NOX 방출량을 비교 분석하였다. 앞 절과 마찬가지로 기본트럭과 소형, 중형, 대형트럭의 배기가스 배 출량과 상대적인 차이를 표 4.4부터 표 4.6에 기술하였다. 우선 CO의 경우 소형, 중형 트럭 모두 적재량이 25%일 때 기본트럭과의 차이가 가장 큰 것으로 분석되었으며, 대 형트럭의 경우 적재량이 100%일 때 차이가 가장 큰 것으로 분석되었다. 또한 경사도 가 클수록 차이가 현저한 것으로 분석되었다. 표 4.6에서 보는 바와 같이 HC 또한 CO와 비슷한 행태를 보이는 것으로 분석되어, 소형, 중형의 경우 적재량이 25% 일 때, 대형트럭의 경우 적재량이 100% 일 때 기본트럭과의 차이가 큰 것으로 분석되었 고, 경사도가 높을수록 차이가 큰 것으로 분석되었다. 한편 NOX의 경우 다른 배기가스 와는 다른 형태를 보이는 것으로 분석되었다. 다른 배기가스들의 경우 도로의 경사도 가 증가함에 따라 소형, 중형, 대형트럭 모두 기본트럭과의 차이가 증가한 반면, NOX

의 경우 그림 4.4와 같이 대형트럭은 기본트럭과 상대차이가 불규칙한 패턴을 보이는 것으로 분석되었다.

(40)

그림 4.4 기본트럭과 대형트럭의 상대적 NOX 배출량 차이

(41)

표 4.4 기본트럭과 소형, 중형 대형트럭의 CO 배출량 [g/km]

도로 경사

소형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 소형25% 상대차이 소형50% 상대차이 소형100% 상대차이

0% 1.87 1.69 9% 1.70 9% 1.70 9%

1% 2.14 1.72 20% 1.73 19% 1.74 19%

2% 2.40 1.74 27% 1.75 27% 1.77 26%

3% 2.48 1.77 29% 1.78 28% 1.81 27%

4% 2.60 1.80 32% 1.81 31% 1.84 30%

5% 2.86 1.82 36% 1.84 36% 1.88 34%

6% 3.08 1.85 40% 1.87 39% 1.91 38%

도로 경사

중형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 중형25% 상대차이 중형50% 상대차이 중형100% 상대차이

0% 1.87 1.74 7% 1.75 7% 1.77 5%

1% 2.14 1.82 15% 1.84 14% 1.90 11%

2% 2.40 1.90 21% 1.94 19% 2.02 16%

3% 2.48 1.98 20% 2.04 18% 2.15 13%

4% 2.60 2.06 22% 2.11 19% 2.27 13%

5% 2.86 2.14 25% 2.23 22% 2.32 19%

6% 3.08 2.22 28% 2.31 25% 2.38 23%

도로 경사

대형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 대형25% 상대차이 대형50% 상대차이 대형100% 상대차이

0% 1.87 1.87 0% 1.92 -3% 2.04 -9%

1% 2.14 2.14 0% 2.27 -6% 2.54 -19%

2% 2.40 2.40 0% 2.62 -9% 2.86 -19%

3% 2.48 2.67 -8% 2.85 -15% 3.07 -24%

4% 2.60 2.87 -9% 3.03 -15% 3.40 -29%

5% 2.86 3.01 -5% 3.26 -14% 3.79 -33%

6% 3.08 3.20 -4% 3.55 -15% 4.45 -45%

(42)

표 4.5 기본트럭과 소형, 중형 대형트럭의 HC 배출량 [g/km]

도로 경사

소형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 소형25% 상대차이 소형50% 상대차이 소형100% 상대차이

0% 1.36 1.29 6% 1.29 5% 1.29 5%

1% 1.48 1.30 12% 1.30 12% 1.31 12%

2% 1.60 1.31 18% 1.34 16% 1.32 17%

3% 1.66 1.32 21% 1.32 20% 1.34 20%

4% 1.76 1.33 24% 1.34 24% 1.35 23%

5% 1.91 1.34 30% 1.35 29% 1.37 28%

6% 2.06 1.35 34% 1.36 34% 1.38 33%

도로 경사

중형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 중형25% 상대차이 중형50% 상대차이 중형100% 상대차이

0% 1.36 1.31 4% 1.31 4% 1.32 3%

1% 1.48 1.34 9% 1.35 9% 1.38 7%

2% 1.60 1.38 14% 1.39 13% 1.43 10%

3% 1.66 1.41 15% 1.44 14% 1.49 11%

4% 1.76 1.45 18% 1.48 16% 1.54 13%

5% 1.91 1.48 22% 1.52 20% 1.58 17%

6% 2.06 1.52 26% 1.56 24% 1.64 21%

도로 경사

대형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 대형25% 상대차이 대형50% 상대차이 대형100% 상대차이

0% 1.36 1.36 0% 1.39 -2% 1.44 -5%

1% 1.48 1.48 0% 1.54 -4% 1.65 -12%

2% 1.60 1.59 0% 1.69 -6% 1.80 -13%

3% 1.66 1.71 -3% 1.80 -8% 1.93 -16%

4% 1.76 1.80 -3% 1.90 -8% 2.12 -21%

5% 1.91 1.89 1% 2.03 -7% 2.35 -23%

6% 2.06 2.00 3% 2.21 -7% 2.70 -31%

(43)

표 4.6 기본트럭과 소형트럭의 NOX 배출량 [g/km]

도로 경사

소형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 소형25% 상대차이 소형50% 상대차이 소형100% 상대차이

0% 10.5 9.4 11% 9.4 10% 9.4 10%

1% 13.1 9.7 26% 9.7 26% 9.8 25%

2% 15.5 9.9 36% 10.0 36% 10.1 35%

3% 16.2 10.1 38% 10.2 37% 10.4 36%

4% 17.5 10.4 41% 10.5 40% 10.8 38%

5% 19.6 10.6 46% 10.8 45% 11.1 43%

6% 21.5 10.8 50% 11.0 49% 11.4 47%

도로 경사

중형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 중형25% 상대차이 중형50% 상대차이 중형100% 상대차이

0% 10.5 9.7 8% 9.7 8% 9.9 6%

1% 13.1 10.4 20% 10.7 18% 11.1 15%

2% 15.5 11.2 28% 11.6 25% 12.3 21%

3% 16.2 12.0 26% 12.5 23% 13.5 17%

4% 17.5 12.7 27% 13.4 23% 14.6 16%

5% 19.6 13.5 31% 14.3 27% 15.0 24%

6% 21.5 14.3 34% 15.0 30% 15.5 28%

도로 경사

대형트럭 최대 적재용량 대비 적재비율

기본트럭 대형25% 상대차이 대형50% 상대차이 대형100% 상대차이

0% 10.5 10.5 0% 10.9 -3% 11.6 -10%

1% 13.1 13.0 0% 14.1 -8% 16.4 -25%

2% 15.5 15.6 0% 16.4 -6% 17.4 -12%

3% 16.2 16.3 -1% 17.1 -5% 19.2 -18%

4% 17.5 17.0 3% 18.6 -7% 21.7 -24%

5% 19.6 18.3 6% 20.4 -4% 24.8 -27%

6% 21.5 19.6 9% 22.5 -5% 20.4 5%

(44)

4.2 트럭이 포함된 복합교통류 시뮬레이션 결과 분석

4.2.1 복합교통류에서 연료 소모량 비교

본 절에서는 단일 트럭의 특성이 아닌, 교통류 내에서 승용차들과의 복합적인 행태 에 따른 영향을 고려하기 위하여 승용차와 트럭이 혼재하고 있는 교통류를 VISSIM을 이용하여 시뮬레이션하였다. 구체적으로, 기본트럭을 이용한 경우와 실제 도로를 주행 중인 소형, 중형 ,대형트럭(이하 실제트럭)의 데이터를 바탕으로 교통류를 모델링한 경 우를 비첨두시와 첨두시로 구분하여 트럭의 비율을 5%, 10%, 15%, 20% 변경하여 연 료 소모량, 배기가스 배출량과 지체도를 비교, 분석하였다. 구체적으로 소형, 중형, 대 형트럭의 구성비는 표 3.4에서 산출한 비율을 사용하였으며, 차종별 총중량은 표 3.3의 화물차의 차종별 적재량을 사용하여 산출하였다.

표 4.7은 비첨두시 기본트럭을 이용하여 산정한 교통류 전체가 사용한 총 연료 소모 량과 실제트럭을 이용한 결과를 비교한 것이며, 그림 4.5는 그 차이를 나타낸 그래프이 다. 그림 4.5에서 보는 바와 같이, 트럭의 비율과 도로의 경사도가 증가할수록 총 연료 소모량의 차이는 현저하게 증가하는 것으로 분석되었다. 구체적으로 트럭 5%, 평지의 경우 상대적인 차이는 2%에 불과하나 트럭 20%, 도로경사도 6%의 경우 기본트럭으로 구성된 교통류가 총 216L의 연료를 더 많이 사용하였으며, 이는 약 25% 더 많은 양의 연료를 사용한 것이다. 이는 실제트럭으로 구성된 교통류의 경우, 기본트럭 보다 연료 소모량이 적은(상대적으로 연비가 좋은) 소형트럭의 구성비가 87.4%를 차지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

(45)

표 4.7 비첨두시 교통류 총 연료 소모량 [L]

트럭

비율 항목 도로 경사

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

5%

기본트럭 371 387 402 406 415 428 442

실제트럭 362 365 369 372 376 379 383

절대차이 9 22 33 34 39 49 59

상대차이 2% 6% 8% 8% 9% 11% 13%

10%

기본트럭 441 473 504 511 529 555 582

실제트럭 424 433 440 447 454 463 472

절대차이 17 40 64 64 75 92 110

상대차이 4% 8% 13% 13% 14% 17% 19%

15%

기본트럭 513 562 608 620 645 684 724

실제트럭 485 499 510 520 531 543 556

절대차이 28 63 98 100 114 141 168

상대차이 5% 11% 16% 16% 18% 21% 23%

20%

기본트럭 586 653 715 731 765 816 867

실제트럭 552 571 586 601 616 633 651

절대차이 34 82 129 130 149 183 216

상대차이 6% 13% 18% 18% 19% 22% 25%

그림 4.5 비첨두시 교통류 총 연료 소모량 상대적 비교

(46)

차량이 1km 주행시 소모한 연료 소모량을 살펴보면, 교통류에서 비첨두시 승용차의 평균연료소비율(L/km)의 차이는 없었으며, 트럭의 평균 연료 소비율은 표 4.8과 같다.

여기서 주목할 점은 트럭의 구성비가 증가함에 따라 평균 연료 소비량에 변화는 미미 하며, 경사도에 따라 평균 연료 소비율은 현저하게 변화하는 것을 알 수 있다. 표 4.8 에서 보는 바와 같이 기본트럭의 평균 연료 소모량이 최소 10%에서 최대 36% 많은 양의 연료를 소모하는 것을 확인할 수 있다.

표 4.8 비첨두시 트럭의 평균 연료 소모량 [L/(km*대)]

트럭

비율 항목 도로 경사

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

5%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.58 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.35 0.36 0.38 0.39 0.41 절대차이 0.04 0.09 0.14 0.15 0.16 0.19 0.22

상대차이 10% 21% 29% 28% 30% 33% 36%

10%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.58 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.36 0.37 0.38 0.40 0.42 절대차이 0.04 0.09 0.13 0.14 0.16 0.18 0.21

상대차이 10% 20% 28% 27% 29% 32% 34%

15%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.58 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.36 0.37 0.38 0.40 0.42 절대차이 0.04 0.09 0.13 0.14 0.16 0.18 0.21

상대차이 10% 20% 28% 27% 29% 32% 34%

20%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.58 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.36 0.37 0.39 0.40 0.42 절대차이 0.04 0.09 0.13 0.14 0.15 0.18 0.21

상대차이 10% 20% 27% 27% 28% 31% 34%

(47)

한편 첨두시 교통류 전체가 소비한 총 연료 소모량은 표 4.9와 같이 분석되었다. 대 부분 비첨두시와 마찬가지로 트럭의 비율과 도로의 경사도가 증가할수록 총 연료 소모 량의 차이는 현저하게 증가하는 것으로 분석되었다. 비첨두시와 첨두시에 기본트럭 이 용과 실제트럭을 이용한 경우를 비교한 결과 비첨두시에는 평지에서 트럭의 비율이 5%일 때 2%의 차이가 났으며, 첨두시에는 1%의 차이가 발생하였다. 또한 경사도가 6%일 때 비첨두시 트럭비율 20%에서는 25%의 차이가 발생한 반면 첨두시 트럭비율 20%에서는 24%의 차이가 발생했다. 이와 같이 전체적으로 첨두시 교통류에서 총 연 료 소모량의 차이는 비첨두시 모델링 방법에 따른 연료 소모량의 차이보다 다소 작게 나타났으나, 현격한 차이를 보이지는 않는 것으로 분석되었다. 따라서, 비첨두시와 첨 두시에 따른 교통수요의 차이가 트럭의 연료 소모량에 패턴에 주는 영향은 도로의 경 사도에 비해 크지 않은 것으로 판단된다. 첨두시 트럭의 평균 연료 소비율(L/km)또한 비첨두시와 크게 다르지 않음을 표 4.10을 통해 알 수 있다.

표 4.9 첨두시 교통류 총 연료 소모량 [L]

트럭

비율 항목 도로 경사

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

5%

기본트럭 629 656 681 690 709 739 772

실제트럭 620 627 634 640 646 654 661

절대차이 9 29 47 50 63 85 111

상대차이 1% 4% 7% 7% 9% 12% 14%

10%

기본트럭 745 799 849 866 902 956 1009

실제트럭 725 741 754 767 781 799 819

절대차이 20 58 95 99 121 157 190

상대차이 3% 7% 11% 11% 13% 16% 19%

15%

기본트럭 867 950 1027 1050 1101 1176 1246

실제트럭 835 859 879 898 919 946 972

절대차이 32 91 148 152 182 230 274

상대차이 4% 10% 14% 14% 17% 20% 22%

20%

기본트럭 986 1097 1200 1230 1293 1386 1473 실제트럭 947 978 1004 1030 1057 1089 1120

절대차이 39 119 196 200 236 297 353

상대차이 4% 11% 16% 16% 18% 21% 24%

(48)

표 4.10 첨두시 트럭의 평균 연료 소모량 [L/(km*대)]

트럭

비율 항목 도로 경사

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

5%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.57 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.35 0.36 0.38 0.39 0.40 절대차이 0.04 0.09 0.14 0.15 0.16 0.18 0.23

상대차이 10% 21% 29% 28% 30% 34% 36%

10%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.59 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.36 0.37 0.38 0.40 0.42 절대차이 0.04 0.09 0.13 0.14 0.16 0.19 0.21

상대차이 10% 20% 28% 27% 28% 32% 34%

15%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.59 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.35 0.37 0.38 0.39 0.41 절대차이 0.04 0.09 0.14 0.14 0.16 0.20 0.22

상대차이 11% 21% 28% 28% 29% 32% 35%

20%

기본트럭 0.36 0.43 0.49 0.51 0.54 0.59 0.63 실제트럭 0.32 0.34 0.35 0.37 0.38 0.40 0.41 절대차이 0.04 0.09 0.14 0.14 0.16 0.19 0.22

상대차이 10% 21% 28% 27% 29% 32% 35%

4.2.2 복합교통류에서 배기가스 배출량 및 지체도 비교

교통류에서의 기본트럭과 실제트럭의 연료 소모량 비교에서 보는 바와 같이 트럭의 구성비와 교통수요는 교통류 전체의 총 연료 소모량에 영향을 미치기는 하지만, 기본 트럭과의 상대적인 차이에는 크게 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 본 절 에서는 첨두시 트럭의 비율이 교통류의 20%를 차지하는 경우만을 가지고 배기가스 배 출량에 대하여 비교, 분석을 수행하였다.

표 4.11은 도로 경사도에 따른 첨두시 교통류 전체가 방출한 CO, HC, NOX의 총량 과 절대량과 상대량의 차이를 나타내고 있다. 보는 바와 같이 일반적으로 경사도가 증 가할수록 기본트럭과 실제트럭의 차이는 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 구체 적으로 평지에서 기본트럭과 실제트럭의 CO, HC, NOX 방출량의 차이는 각각 2%, 0%, 5%로 그 차이가 미미한 반면, 경사도 6%에서는 각각 58%, 38%, 37% 차이가 현

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저한 것을 알 수 있다. 특히 HC의 경우 그 차이가 더욱 현저하게 발생함을 알 수 있 다. 또한 그림 4.6에서 보는 바와 같이 경사도 3%에서부터 기본트럭과 실제트럭 사용 에 따른 CO와 HC 방출량의 차이가 현저하기 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 도로경사도 3%이상에서는 트럭의 모델링 시 기본트럭의 사용을 지양하고 실제 운행되 고 있는 트럭특성을 모형의 파라미터로 사용하여야 할 것이다.

표 4.11 기본트럭과 실제트럭 사용에 따른 배기가스 배출량 비교(첨두시, 트럭 20%)

도로경사

CO 배출량 [kg] HC 배출량 [g] NOX 배출량 [kg]

기본트럭 실제 트럭 절대

차이 상대

차이 기본

트럭 실제 트럭 절대

차이 상대

차이 기본

트럭 실제 트럭 절대

차이 상대

차이 0% 5.8 5.7 0.1 2% 269 268 1 0% 25.6 23.4 3.2 5%

1% 6.2 5.8 0.4 6% 287 273 14 5% 29.9 25.5 4.4 15%

2% 6.9 6.2 0.7 10% 307 280 27 9% 33.9 26.4 7.5 22%

3% 15.0 7.9 7.1 47% 387 298 89 23% 35.1 27.3 7.8 22%

4% 23.9 9.9 14.0 59% 479 321 158 33% 37.3 28.0 9.3 25%

5% 31.2 12.3 18.9 61% 563 348 215 38% 40.4 27.2 13.2 33%

6% 30.4 12.8 17.6 58% 582 360 222 38% 42.2 26.7 15.5 37%

그림 4.6 첨두시 기본트럭 이용과 실제트럭 이용시 배기가스 상대차이

참조

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