지하철 역사내 동선 분리 시스템을 활용한 보행편의 및 이동성 증진
이주용1․김태완1*․유소영2
1중앙대학교 도시공학과, 2한국철도기술연구원 교통체계분석연구팀
Improvement of Pedestrian Convenience and Mobility by Applying the Walking Guidance System in Subway Stations
LEE, Joo-Yong1․KIM, Taewan1*․YOU, So-Young2
1Department of Urban Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756, Korea
2Transport Systems Research Team, Korea Railroad Research Institute, Gyeonggi 437-757, Korea
Abstract
The congestion of pedestrians impedes the utilization efficiency of a subway station. Conflicts among pedestrians due to unseparated pedestrian flows not only increase the impedance of pedestrian mobility but also negatively affect on pedestrian safety. This paper analyzes the travel characteristics of bi-directional pedestrian flow based on microscopic movements, and evaluates the operation efficiency on separating the traffic line. The subway station was simulated in a 2-D grid structure by applying Discrete Element Method, and the movement is organized in each cell of the grid. As a result, the model explicates that separating the traffic line and encouraging the ‘Keep right rule’ would be mostly effective for the conflicting flows. Therefore, applying the ‘Walking Guidance System’ would be efficient to improve the pedestrian convenience and mobility.
지하철 역사 공간 내 보행교통류의 혼잡 상황은 역사의 이용효율을 저해시킨다. 특히 방향별 동선의 미분리로 인한 보행 자간 상충은 보행자의 이동저항을 증가시키며 통행시간과 안전사고에 부정적인 영향을 끼치게 된다. 본 연구에서는 미시적 움직임에 기반한 양방향 보행교통류의 통행 특성을 분석하였으며, 동선 분리로 인한 운영상의 효과를 분석하는 모형을 개발 하였다. 이산요소법에 따라 역사 공간을 2차원 grid 구조로 해석하였으며, 각 grid에 존재하는 cell 별로 보행자의 움직임이 이루어진다고 보았다. 그 결과 양방향 보행교통류가 상충하는 상황에서는 동선을 분리시키고, 우측통행을 유도하여 보행자 들의 진행 방향을 정돈시키는 경우가 가장 효율이 좋은 것으로 분석되었다. 이에, 동선 분리 시스템을 적용하여 보행편의 및 이동성을 증진시키기 위한 시사점을 제시하고자 한다.
Keywords
conflict, pedestrian congestion, pedestrian flow, separating traffic-line, subway station 상충, 보행 혼잡, 보행교통류, 동선 분리, 지하철 역사
* : Corresponding Author Received 1 December 2014, Accepted 24 March 2015
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Ⓒ Korean Society of Transportation
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Article
서론
지하철은 전기에너지를 이용하는 대량수송시스템이라 는 점에서 친환경성과 효율성을 확보하는 도시 내외 통 행의 주요한 교통수단으로 자리 잡고 있다. 특히, 대량수 송 궤도시스템이라는 점에서 도시 곳곳에 차량 간의 교 통 혼잡 없이 정시성을 보장하는 교통서비스 제공이 큰 장점으로 부각되어 이용객의 증가로 이어졌다.
하지만 이용객의 증가는 역사 내 보행자간 혼잡도의 증가로 이어졌으며, 그로 인한 상당수 지하철 역사의 혼 잡 현상은 지하철 이용 활성화의 장애요소 중 하나라 할 수 있다. 특히 일부 역사의 경우 출퇴근 시간대에 집중되 는 보행혼잡으로 인해 보행환경의 개선이 요구되고 있는 실정이다. 더욱이 지하공간의 특성상 시설물의 확장이 용이하지 못하고, 도시철도 1기 개통 이후 40여년이 지 나며 발생한 노후화로 인해 혼잡을 해소시키기가 난해한 실정이다.
따라서, 역사 공간의 확장 등 현실적으로 불가한 제약 조건을 극복하기 위해 보행교통류 운영 방법의 개선을 통한 혼잡 해소가 효율적인 해법으로 제시될 수 있다. 이 에 본 연구는 양방향 보행교통류의 동선을 물리적으로 분리해주는 시스템을 통해 역사 공간의 혼잡을 완화하는 방법론을 제시한다. 다양한 조건에 대한 실험을 수행하 고자 시뮬레이션을 통해 보행교통류를 재현하며, 이를 토대로 시나리오별 동선 분리 시스템의 효과를 분석하고 자 한다.
관련 연구 동향
보행교통류 모형과 관련된 기존 연구는 개별 통행자 의 미시적인 관점에서 보행 알고리즘을 분석하고 시뮬레 이션을 통해 검증한 연구가 주를 이룬다.
Helbing et al.(1995)은 사회적 역학(Social Force) 에 기반한 보행 알고리즘을 연구하였다. 사회적 역학은 가속력․반발력과 유인력으로 이루어졌으며, 보행자는 이를 바탕으로 다른 보행자나 장애물과 작용하는 것으로 해석하였다. 하지만 연산과정이 복잡하며 사회적 역학이 뉴턴역학의 작용-반작용 법칙을 충족시키지 못한다는 한 계가 있다.
Zheng et al.(2012)은 진화 알고리즘의 일종인 Particle Swarm Optimization(PSO)을 적용하여 보 행교통류를 모형화하였다. PSO는 개별 보행자가 각각
독립적인 객체(Particle)로 인식됨과 동시에, 각 보행자 가 모여 형성된 보행교통류(Swarm)에 대해서도 설명력 을 갖는다는 장점이 있다. 하지만 보행자의 경로 선택 과 정에 공간 이해, 지각 및 판단 능력 등 인지적 요인이 관 여한다는 점을 반영하지 못하고 있으며, 수학적 모델링 기법인 PSO를 보행교통류 해석에 직접적으로 적용하였 다는 점에서 한계를 갖는다.
Burstedde et al.(2001)은 2차원 정방격자로 나눠 진 단위 공간의 속성을 물리 법칙에 빗대어 그 값이 시간 에 따라 변화한다고 가정하였다. 보행교통류를 주화성 (chemotaxis)을 따르는 물질에 비유하여 표현하였으며 주어진 공간을 점유할 확률에 따라 이동한다고 가정하였 다. 이는 공간점유확률에 기초하여 보행자간 상충 상황 을 잘 묘사하지만, 개별 보행자의 보행패턴과 경로 설정 과정이 미비하다고 할 수 있다.
Nam et al.(2006)은 다상유동 해석 방법의 일종인 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 활 용하였다. 공간을 2차원 정방격자의 cell로 분할하였으 며 목적지로 향하는 경로와 목적지로부터의 거리에 따라 각 공간 cell에 Potential을 부여하여 경로 탐색 알고리 즘을 개발하였다. 또한 이동하고자 하는 cell을 이미 다 른 보행자가 점유하고 있어 이동이 불가할 경우에 활용 할 수 있는 부차적인 방향 찾기 알고리즘 등을 개발하였 다. 하지만 단일방향 보행교통류에 대한 경로 탐색 과정 만 반영되었으며 양방향 보행교통류에서의 상충과 혼잡 해석에서 미흡한 점이 있다.
Lee et al.(2009)은 앞서 언급한 2차원 정방격자 모 형들과는 달리 2차원 육각격자 모형을 활용하여 대각선 방향으로의 자연스러운 회피 방법을 표현하였다. 하지만 육각 격자 모형은 진행 방향의 수직 방향에 대해선 부자 연스러운 움직임을 보였으며, 보행자의 방향 선택이 균 일 분포를 가정한 임의추출을 통해 이루어지기에 이에 대한 연구가 부족하다 할 수 있다.
Samardy et al.(2010)은 각 보행자가 하나의 cell 을 차지하는 대부분의 정방격자 모형과는 달리, 보행자 1인이 다수의 cell을 점유할 수 있는 Fine Grid Cellular Automata 모형을 개발하였다. 이를 통해 이 산화(Discretize) 되어 있는 격자 모형이면서도 보행자 의 신체 크기와 모양을 서로 다르게 구성할 수 있으며, 보다 부드러운 방향 전환을 유도할 수 있다. 하지만 보행 자의 이동이 공간점유확률에 기반한 임의 보행에 따라 이루어지기 때문에 보행자의 인지 및 행동 과정에 대한
해석이 부족하다 할 수 있다.
Kang et al.(2012)은 보행자의 이동행태가 다계층 적, 다방향적이며 심리적인 영향에 의해 모두 다르기 때 문에 적정한 보행시설을 설계하기 위해서는 개별 보행자 를 잘 설명할 수 있는 모형에 관한 연구가 필요하다고 보 았다. 보행시뮬레이터인 P-SIM에 적용된 알고리즘을 분석하고 그에 내재되어 있는 기본적인 개념을 표현하는 모형식을 개발하여 이동 알고리즘을 분석하였다. 하지만 속도와 보행방향이 장애물 회피와 개인 성향에 따라 설 정되기 때문에 미시적 해석이 부족하다 할 수 있다.
Muramatsu et al.(2000)은 최대 4개 방향으로 각 각 이동하는 보행교통류를 대상으로 광장 등 공개된 공 간에서의 보행 특성에 대해 연구하였다. 특히, 보행교통 류의 속도가 급격히 저하되는 임계 밀도에 대한 분석을 통해 교행 상태에서의 정체 현상을 예측하는데 유용하다 할 수 있다. 하지만, 편의 임의 보행(Biased Random Walker) 모형을 활용하여 보행자의 경로 선택 과정을 단순화하였으며, 경우에 따라 보행자가 부자연스러운 움 직임을 보일 수 있다는 한계를 갖는다.
이를 볼 때 보행교통류 모형에 관한 기존 연구는 최적 의 경로를 탐색하기 위한 방법론의 적용, 장애물에 의해 보행자가 받게 되는 영향의 분석, 그리고 보행자간의 상 호작용에 대한 해석을 주요하게 다루고 있는 것을 알 수 있다. 하지만, 모형의 현실성을 높이기 위해 필수적인 개 별 보행자의 인지 및 사고 능력에 대한 고려는 미흡하다 할 수 있다. 이러한 요인에 대한 고려가 부족할 경우 분 석된 보행 궤적이 지그재그형으로 나타나는 등 부자연스 러운 움직임을 보일 수 있다. 따라서 보행자가 경로를 설 정하고 통행하기까지의 인지 및 사고․판단 과정에는 어 떠한 요인들이 영향을 끼치는지 파악하고 이를 적절히 모형화하여야 현실성 있는 분석을 수행할 수 있다.
또한, 보행교통류에서 볼 수 있는 양방향 교행 상태 에서의 보행자간 혼잡 현상과 그 완화 방안을 다룬 연 구는 부족한 실정이다. 차선의 구분 없이 서로 다른 방 향의 교통류가 교행 상태에 놓인 채 통행하는 것은 보 행교통류가 갖는 큰 특징 중 하나라 할 수 있다. 더욱이 지하철 역사공간과 같이 보행교통량이 많은 경우 이러 한 교행 상태는 보행자간에 상충 현상을 불러일으키며 혼잡을 더욱 심화시키게 된다. 따라서 보행교통류가 교 행 상태에 놓였을 때의 보행자간 상충과 혼잡 현상을 파악하고, 이를 완화하기 위한 방법론을 제시하는 것이 요구된다.
보행교통류 모형
1. 보행교통류의 영향 요소 및 알고리즘 구성
교행 상태에 놓인 보행교통류의 통행 특성을 재현하 여 분석하기 위해선 우선적으로 현실성 있는 보행교통류 모형이 필요하다. 하지만 앞서 언급했듯이 기존의 모형 들은 보행자의 인지적 요인을 적절히 반영하지 못하고 있는 문제점이 있다. 따라서 본 연구는 보행자의 인지 및 사고 능력을 모형에 반영하고자 Nam et al.(2006)의 이산요소법에 더해 인지적 요인을 추가 반영하여 현실성 을 높인 보행교통류 모형을 개발하였다.
이를 위해 개별 보행자의 보행 과정에서 기존 보행패 턴, 다른 보행자와의 상충 그리고 보행과정에서의 전방시 야범위 등 인지적 요인이 함께 적용된 알고리즘을 고려하 였다. 결과적으로 2차원 grid로 이루어진 cell 구조에서 주방향 벡터 판단, 과거 보행패턴의 반영 그리고 충돌 회 피를 위한 Potential 분석의 보행알고리즘을 적용하였다.
1) 주방향 벡터 판단
입구와 출구가 각각 상․하단에 존재하고 그 사이에 장애물이 있는 임의의 2차원 공간을 대상으로 하며, 각 각의 cell에 출구로부터의 잠재적 거리를 뜻하는 Potential 을 부여한다. Potential은 출구 cell을 1로 부여한 뒤, 주변 cell의 값들을 1단위로 순차적으로 높여간다. cell 별로 Potential을 부여함에 따라 각 cell에 위계가 생성 된다. 위계에 따라 각 cell에서는 다양한 벡터값을 가질 수 있으나 그 중 주방향 벡터는 Figure 1과 같다.
따라서 보행자는 1순위로 전방 시야에 따라 주방향 벡터를 판단하고 자신의 보행방향을 결정짓게 된다. 직 전에 진행해온 방향에 따라 전방시야범위가 설정되며, 해당 시야범위 내 가장 많은 수를 차지하는 벡터를 보행 자의 방향 벡터로 부여한다. 이를 통해 보행자가 주어진 공간의 정보를 이해하고 최적의 진행 경로에 따라 행동 하고자 하는 인지적 특성을 반영할 수 있다.
하지만 다른 보행자에 의해 희망하는 목적지로의 이 동이 불가능할 경우 부차적인 방향을 찾는 일련의 연산 과정을 통해 대안을 모색하는 과정이 필요하다. 만일 주 방향 벡터에 따라 선택된 방향을 다른 보행자가 점유하 고 있어 이동이 불가할 경우 2순위 판단(과거 보행 패턴 에 따른 방향 설정)으로 넘어간다.
Potential Map
Main Direction Figure 1. Potential map and main direction
2) 과거 보행 패턴에 따른 방향 설정
1순위 판단 과정인 주방향 벡터 판단 과정에서 주어 진 공간 정보에 따른 최적 진행 경로로의 이동에 실패한 보행자는 2순위로 자신의 진행 경로에 기반하여 관성이 동을 하도록 유도하였다. 실제로 지하철 역사 내의 보행 자는 목적지를 향해 지그재그형으로 이동하지 않고 경로 의 일관성을 유지하며 보행하는 경향이 있다. 장애물이 나 다른 보행자와의 충돌을 피하고자 하는 경우를 제외 하면, 본인의 진행 경로를 최대한 벗어나지 않으려 하는 것이다. 이는 보행행태가 목적지를 향한 관성에 기반하 여 일정하게 유지됨에 따라 발생하는 현상이라 할 수 있 다. 즉, 본인이 보행했던 경로를 반영하여 다음 이동 방 향을 설정하므로 보행자는 과거의 보행 패턴을 유지하고 자 하는 인지적 성질을 가질 필요가 있다.
본 모형에서는 최근에 이동한 방향 3개 중 가장 많은 수를 차지하는 방향 벡터를 따라 행동하고자 하는 과정
을 2순위 판단인 과거 보행패턴에 따른 방향 설정으로 부여한다. 보행자가 자신이 과거에 이동해왔던 방향을 기억하고 있으며, 다음 이동 방향을 설정할 때 그 정보를 활용하는 과정이라 할 수 있다. 또한 보행자의 과거 보행 패턴과 가장 일치하는 방향에 다른 방향보다 우선권을 부여함에 따라 보행자가 경로의 일관성을 잃지 않으며 목적지를 향해 이동할 수 있다.
하지만 과거 보행 패턴에 따라 선택된 방향을 다른 보 행자가 점유하고 있어 이동이 불가할 경우 3순위 판단 (충돌 회피를 위한 Potential 분석)에서 목적지를 선택 하게 된다.
3) 충돌 회피를 위한 Potential 분석
앞서 언급한 두 단계의 인지적 요인에 의한 보행이 불 가할 경우, 충돌회피를 위한 통행을 추구하게 된다. 각 cell마다 고유한 Potential을 갖고 있으며, 이는 기종점 에 따른 잠재적 거리를 뜻하기 때문에 충돌을 회피하면 서 출구까지의 통행을 유도할 수 있다. 우선적으로 주변 8개 방향의 cell 중 현재 위치보다 더 작은 Potential을 가진 cell로의 이동을 추구한다. 이 때, 현 위치보다 작 은 Potential을 가진 후보지가 2개 이상일 경우, 임의 선택을 통해 이동 벡터를 설정한다. 또한, 이동하고자 하 는 곳에 이미 보행자가 있을 경우 그 방향을 제외한 나머 지 방향 중에서 다시 임의로 선택하게 된다.
다른 보행자의 점유로 인해 현재 cell보다 Potential 이 낮은 방향으로의 이동이 모두 불가능할 경우, 부차적 인 방향을 찾기 위해 같은 Potential을 가진 cell로 이 동하려 한다. 이 경우에도 마찬가지로 후보지가 2개 이 상일 경우, 임의 선택을 통해 방향 벡터를 설정한다. 단, 보행자가 후진은 하지 않는다는 가정 하에, 현 위치보다 Potential이 높은 지점은 무시하며 따라서 더 이상 움직 일 수 있는 곳이 없을 경우에는 정지하게 된다.
4) 알고리즘의 구성
앞서 언급한 영향 요소들에 따라 전체적인 보행교통 류 모형은 1순위로 현재 위치하고 있는 cell의 주방향 벡 터 판단, 2순위로 과거 보행 패턴에 따른 방향 설정을 통 해 인지적 요인을 갖춘 보행 알고리즘을 구성한다. 만일 다른 보행자로 인해 앞의 두 단계의 알고리즘으로 이동 방향을 설정하지 못할 경우, 3순위인 충돌 회피를 위한 Potential 분석으로 보행하며, 최종적으로 이동 방향을
Cognitive Factors Not-adjusted
Cognitive Factors Adjusted
Figure 3. Pedestrian trajectory according to cognitive factors Figure 2. Flow chart of pedestrian traffic-flow model
설정하지 못한 경우 정지하게 된다.
그 결과 본 연구에서 활용한 보행자의 인지적 요인은 시야각에 따른 공간 이해 능력의 차이를 반영하였을 뿐 만 아니라, 관성을 통한 경로의 일관성을 표현할 수 있 다. Figure 2는 이와 같은 영향요소를 고려한 보행알고 리즘으로서, 보행과정을 위계별로 구분하고 보행자가 정 지하기까지의 대안 결정과정을 도식화 한 것이다.
2. 모형의 평가 및 검증
1) 인지적 요인의 반영에 따른 효과
본 연구에서 제시하는 인지적 요인은 실제 보행자의
통행 행태를 시뮬레이션 상에서 현실적으로 반영하는 데 유용하다. 보행자의 통행이 일관성 있게 유지될 뿐만 아 니라, 통로가 꺾여지거나 회전이 필요할 경우 자연스러 운 방향 전환을 유도할 수 있다.
Figure 3은 인지적 요인의 적용 유무에 따른 보행자 3명의 기종점간 보행 궤적이다. 분석 대상지는 ㄷ자형으로 꺾여 있어 보행자가 직진하고 있는 상황뿐만 아니라 회 전하는 상황에서의 궤적을 모두 파악할 수 있다. 시뮬레 이션은 출발지가 다른 3명의 보행자가 동시에 출발하여 출구까지 도달하는 단일방향 보행교통류를 가정하였다.
분석 결과에 따르면 인지적 요인이 반영되지 않을 경 우 보행자의 궤적이 지그재그 형태를 보이며 부자연스러 운 움직임을 나타냈다. 단 3명의 보행자가 통행하는 상 태로 보행자의 통행이 방해받을 요소가 없음에도 불구하 고 부적절한 운동 행태를 보이는 것을 알 수 있다. 특히 보행자들간의 궤적이 겹치는 경우도 관측되어 불필요한 충돌이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 직진 상황과 회 전 상황의 구분 없이 불필요한 방향 전환이 자주 일어나 평균적으로 35회의 방향 전환이 이루어진 것으로 분석 되었다.
반면 인지적 요인을 반영할 경우 보행자의 부자연스 러운 움직임이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 직진 상황
Figure 4. Accumulated trajectories for pedestrians passing from right to left
Pedestrian Walkway
Bottle-neck Figure 5. The conflict of pedestrian flow
에서는 보행자의 관성이 작용하여 원활한 보행이 이루어지며, 회전 상황에서도 자연스러운 방향 전환이 이루어 진다. 보행자간의 궤적이 겹치는 경우도 관측되지 않아 불필요한 충돌이 발생하지 않았으며, 평균 4.7회의 방향 전환을 통해 원활한 통행이 이루어진 것으로 나타났다.
2) 모형의 검증
본 연구에서 개발한 모형은 기존 연구의 시뮬레이션 및 관측 결과들과 일치하는 분석 결과를 도출해내었다.
Seitz et al.(2012)의 연구 결과에 따르면 단일방향 보 행교통류가 통로를 통과할 경우 통로의 좌우에 위치한 가장자리와 정중앙 지점이 다른 지점에 비해 더 많이 이 용되는 것으로 나타났다.
본 모형에서도 동일한 분석이 수행되었는데, Figure 4는 길이 30m, 폭 18m의 통로를 대상으로 총 인원 1000명의 단일방향 보행교통류가 우측에서 좌측으로 이 동하는 상황을 시뮬레이션하여 각 보행자의 궤적을 누적 한 결과이다. 통로에 보행자의 궤적이 많이 기록될수록 색이 점점 짙어지며, 반대로 보행자가 많이 다니지 않는 지점의 경우 점차 색이 옅어진다.
분석 결과에 따르면 통로의 양 가장자리와 정중앙 부 분이 다른 부분에 비해 많이 이용되는 것으로 나타나, 본 모형의 분석 결과가 보행교통류에 관한 기존의 연구 결 과와 일치하는 결론을 도출한 것을 알 수 있다. 이는 본 모형이 실제 보행교통류의 통행 특성을 정상적으로 반영 하고 있어 시뮬레이션을 통해 현실성 있는 보행교통류를 재현하였기 때문으로 판단된다.
이러한 현상은 보행자가 최대한 넓은 공간을 확보하 며 통행하기 위해 정중앙 부분으로 통행하거나, 또는 양
가장자리의 벽이 일종의 안내선 역할을 하여 보행자의 통행을 유도한 결과로 추정된다.
3) 양방향 보행교통류의 시뮬레이션
단일방향 보행교통류에 이어 양방향 보행교통류 상황 에 대한 현실모사능력을 확인하고자 서로 방향이 다른 보행교통류의 충돌을 시뮬레이션 하였다. 이는 지하철 역사 내 환승통로에서 서로 방향이 다른 두 보행교통류 가 방향별 동선의 분리 없이 혼재되어 있어 상충하는 상 황을 대상으로 한다. 통로의 폭에 따라 보행 행태가 달라 질 것이라는 가정 하에 병목이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우로 구분하여 분석하였다. 두 시뮬레이션 모두 양방향에서 초당 0.5명의 일정한 비율로 각각 60명의 보행자가 유입되며, 한 cell의 크기는 가로와 세로 모두 1.2m로 가정하였다.
Figure 5는 병목의 유무에 따른 보행교통류간 상충 상황을 나타낸다. 둘 다 서로 다른 방향의 보행군이 혼재 되어 있지만, 병목이 없을 경우 시간의 경과에 따라 방향
에 따른 차선 분리가 발생하며 보행교통류간 상충이 완화 된다. 이는 통로가 충분히 넓을 경우 초기에는 상충이 존 재하며 혼잡이 발생하지만, 시간의 경과에 따라 방향이 같 은 보행자들간에 군집이 발생하는 것으로 해석할 수 있다.
반면, 병목이 존재하는 경우에는 그 부근에서 보행교 통류간 상충으로 인해 심한 정체가 생긴다. 통로가 좁아 방향별 차선 분리가 생길만한 공간이 부족하므로 병목 지점의 양쪽에 반원형으로 대기 행렬이 생긴다. 이는 병 목으로 인해 발생하는 군집효과가 각 방향별 교통류를 밀집시키면서 발생하는 현상이라 할 수 있다.
이와 같은 경우 불특정의 한 보행자가 맞은편 보행군 을 뚫고 통로를 만들 때까지 혼잡상황이 계속된다. 그 이 후 뒤따르는 다른 보행자가 계속 이어서 진행하며 경로 가 생성되고 나서야 보행교통류의 이동이 가능해진다.
즉, 병목 상황에서는 양방향의 보행교통류가 동등하게 진행할 수 없으며, 군집효과가 더 강하게 작용하는 보행 군이 통행하는데 유리하다 할 수 있다.
동선 분리 시스템의 효과 분석 1. 동선 분리 시스템의 적용
앞서 수행된 양방향 보행교통류에서의 시뮬레이션 결 과, 보행교통류의 상충 상황에서는 혼잡이 발생할 확률 이 높으며 보행편의와 이동성에 부정적인 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 특히 지하철 역사의 경우 협소한 공간 으로 인해 병목 현상이 발생할 우려가 높으므로 보행교 통류에 특화된 운영 방안이 요구된다. 본 연구에서는 지 하철 역사에 동선 분리 시스템을 적용할 경우 통행시간 감소 등에 대한 효과를 분석하고자 한다.
시뮬레이션은 가로 30m, 세로 32m의 가상의 평면에 존재하는 ㄷ자형 통로를 대상으로 하며, 각 방향별로 100 명의 보행자가 유입되는 것을 가정한다. 이 때 초당 0-5 명의 보행자가 유입되며, 유입확률은 임의분포를 따른 다. 보행 속도는 1.2m/s로 설정하였으며 동선 분리 시 스템은 보행자에게 맞은편 보행교통류와의 상충을 피하 도록 유도하게 된다.
보행교통류의 보행편의에 관한 지표로는 상충횟수를 제시하였으며, 충돌회피를 위해 선택된 방향으로 이동하 지 못하고 임의로 방향을 변경하거나 정지한 횟수로 산 정하였다. 또한, 이동성을 판단하는 지표는 통행시간과 통행속도를 활용하였다. 통행시간은 정지하는 시간을
포함하여 보행자가 출구로 유출되기까지의 시간을 뜻하 며, 통행속도는 출입구간 통로 중앙부분을 통행할 때의 거리를 통행시간으로 나누어 계산한다. 난수 시드를 다 르게 적용하여 총 15회의 반복 시뮬레이션을 수행한 뒤, 해당 지표들의 평균값으로 동선 분리 시스템의 효 과를 분석한다.
2. 분석 결과
동선 분리 시스템은 세 가지 시나리오를 기준으로 Figure 2의 알고리즘을 적용하여 그 효과를 분석하였 다. 동선 분리 시스템이 존재하지 않는 일반적인 경우 (시나리오 A), 동선 분리 시스템이 단독으로 적용되어 있는 경우(시나리오 B), 그리고 동선 분리 시스템의 적 용과 함께 우측 통행이 유도되는 경우(시나리오 C)로 분류할 수 있다. 이를 통해 동선 분리 시스템의 효과를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 보행교통류 운영 방법 중 하나인 우측 통행과 본 연구에서 제안하는 동 선 분리 시스템이 결합되었을 경우에 대해서도 예측해 볼 수 있다.
Figure 6는 각 시나리오별 통행 모습과 보행편의 및 이동성에 관한 그래프이다. 이 때 보행편의 및 이동성에 관한 그래프의 정의역은 모두 보행자의 유입순서이며, 치역은 각 정의역에서의 해당 값의 방향별 평균을 사용 하였다. 세 시나리오 모두 동일한 확률분포에 따라 보행 자가 유입되며 최초로 유입된 보행자부터 마지막으로 유 입된 보행자까지의 변화는 시간의 경과에 따른 변화와 동일한 의미라 할 수 있다.
시나리오 A에서는 두 보행교통류가 상충을 일으키는 지점인 통로의 꺾이는 부분에서 보행자가 서로 뒤엉켜 진행하는 것으로 분석되었다. 또한, 보행자들의 진행 방 향이 혼재되어 있을 경우에도 상충이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 방향이 같은 보행자들이 통로의 좌․우 측 중 어느 한 곳으로 집중되어 있지 않고, 통로에 고르 게 퍼진 상태에서 이동하는 것과 같다 할 수 있다.
더불어서 세 시나리오 중 가장 높은 수준의 평균 상충 횟수가 발생하는 것으로 분석되었다. 보행자가 계속 유 입됨에 따라 상충횟수가 점진적으로 증가하는데, 상충횟 수는 보행자가 선택된 방향으로의 이동에 실패하거나 정 지한 횟수에 관한 지표이므로 그 값이 가장 높다는 것은 그만큼 자신이 희망한 보행경로를 따르지 못하고 다른 보행자의 영향을 받은 것이라고 추정할 수 있다. 따라서
Simulation Snapshot Convenience Mobility
Scenario A (System not-applied)
Scenario B (System applied solely)
Scenario C (System applied with 'Keep right rule') Figure 6. Pedestrian traffic-flow and walking guidance system on a U-shaped road
상충 상황에서 다른 보행자에 의한 영향은 보행자의 편 의를 저하시킨다 할 수 있다.
또한 보행자의 유입이 계속되며 발생하는 상충횟수의 증가는 통행시간의 증가와 통행속도의 감소를 수반하는 것으로 나타났다. 이 경우 보행자가 서로 뒤엉켜 진행하 며, 진행 방향이 혼재되어 있어 보행교통류의 이동이 원 활히 이루어지지 못한다고 할 수 있다. 즉, 전체 통로에 걸쳐 양방향의 보행자가 뒤엉켜있으므로 혼잡 상황이 가 중되며 보행편의와 이동성이 떨어지는 것으로 판단된다.
하지만, 상충횟수가 감소하는 시점(60번째 보행자 유 입 이후)에서 통행시간은 이에 비례하여 감소하지 않고 높은 수준으로 유지되는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 통행속도도 원래의 속도를 회복하지 못하고 낮은 수준에 머물러 있다. 이러한 현상은 상충횟
수가 계속 증가하여 보행자간 혼잡이 일정 수준 이상으 로 높아질 경우, 상충횟수가 감소하더라도 직접적으로 혼잡의 해소로 이어지지 않으며 통행시간과 통행속도가 원상 복귀되기까지는 일정 시간의 경과가 필요하다는 점 을 나타내는 것으로 판단된다.
반면 시나리오 B는 앞서 상충이 발생하는 것으로 분류 된 지점의 동선을 분리한 결과, 방향이 다른 보행자들이 상 충을 일으키며 뒤엉키는 상황을 방지할 수 있는 것으로 나 타났다. 다시 말해 다른 보행자에 의해 받는 영향이 감소하 였으며, 진행 방향의 혼재가 줄어들었다고 할 수 있다.
이는 보행자간 상충횟수의 증가가 혼잡의 증가에 영 향을 끼치는 데에서 착안하여 상충횟수를 감소시키기 위 한 노력이 혼잡을 방지하는데 도움이 될 것이라 판단한 데 따른 결과라 할 수 있다.
Scenarios Estimates
Scenario A (System not-applied)
Scenario B (Systpem applied solely)
Scenario C
(System applied with 'Keep right rule') Convenience
(Number of Conflicts)
Minimum 5.17 26.87 2.2
Maximum 154.73 81.83 26.2
Mean 75.42 56.59 13.13
Variance 2498.44 170.23 27.99
Amplitude 11.86 5.99 3.44
Mobility Travel-time (s)
Minimum 51.73 60.97 51.07
Maximum 93.37 75.03 61.77
Mean 73.02 69.08 57.14
Variance 195.78 10.35 6.90
Amplitude 3.40 1.72 1.37
Mobility Travel-speed (m/s)
Minimum 0.75 0.93 1.13
Maximum 1.35 1.14 1.36
Mean 0.99 1.01 1.22
Variance 0.04 0.002 0.003
Amplitude 0.05 0.03 0.03
Table 1. The effect of walking guidance system on a U-shaped road
비록 상충횟수가 증가하며 통행시간의 증가와 통행속 도의 감소를 수반하는 등 다소 혼잡이 발생하는 것으로 나타났지만, 상충횟수가 다시 감소함에 따라 통행시간과 통행속도도 원래의 상태로 되돌아가는 것으로 보아 혼잡 의 정도가 그다지 크지 않은 것을 알 수 있다.
각 시나리오별 분석결과를 Table 1에 나타내었는데 보 는 바와 같이 시나리오 B는 시나리오 A에 비해 통행시간 및 통행속도의 분산과 그래프 상에서의 진폭이 작아 보다 안정적인 통행이 이루어졌다 할 수 있다. 하지만, 평균적 인 상충횟수, 통행시간, 그리고 통행속도는 시나리오 A에 비해 개선된 반면, 상충횟수와 통행시간의 최소값과 통행 속도의 최대값은 오히려 악화되었다. 이 같은 현상은 동선 분리 시스템의 적용에 따른 혼란의 영향이라 할 수 있다.
전방에 동선 분리 시스템이 존재한다는 사실을 모르 는 보행자가 시스템의 적용 지점에 다다라서 맞은편 보 행자와 상충을 일으키면서 발생하는 혼란으로 인해 각 지 표들의 최소값이나 최대값에서는 오히려 시스템의 적용 전보다 더 악화된 결과가 도출되는 것이라 할 수 있다.
따라서 각 지표들의 평균적인 개선 뿐만 아니라 시스 템 적용에 따른 혼란의 방지를 함께 달성해야 함을 시사 한다. 현재 지하철역의 보행동선은 우측통행을 기준으로 하므로, 본 연구에서는 동선 분리 시스템의 적용과 함께 우측통행을 유도하는 시나리오 C를 제시하고자 한다.
시나리오 C는 방향이 같은 보행자들간에도 통로의 어 느 한 쪽으로 진행 방향이 정돈되도록 적극적으로 유도 한 결과, 다른 시나리오들에서 관측된 문제점들이 해결 되었다. 그 결과 상충횟수는 계속 낮은 수준에서 머물러
있는 것으로 나타났다. 시간의 경과에 따라 통행시간의 증가와 통행속도의 감소를 수반하긴 하지만, 그 정도가 다른 시나리오들에 비해 지나치지 않은 편으로 혼잡의 발생이 적다고 할 수 있다.
시나리오별로 지표들의 값을 비교할 경우, 시나리오 C는 각 지표들의 평균값 뿐만 아니라, 최소값과 최대값 도 다른 시나리오들에 비해 개선된 것을 확인할 수 있다.
더불어서 시나리오 A에서 C로 변화할수록 분산과 진폭 이 점차 작아지는 것을 볼 때, 동선 분리 시스템과 우측 통행으로의 유도는 보행자의 흐름이 안정적으로 이루어 지게끔 하여 보행교통류의 원활한 통행을 만들어주는 것 을 알 수 있다.
따라서 우측통행을 하도록 진행방향이 정돈된 상태에서 동선 분리 시스템이 운영될 경우, 상충횟수를 더 줄여 보 행편의와 이동성을 증진시킬 수 있는 것으로 판단된다.
결론 및 향후 연구 과제
본 연구에서는 지하철 역사 내 보행편의와 이동성을 증진시키기 위해 보행교통류 모형을 활용하여 동선 분리 시스템의 효과를 분석하였다. 기존의 연구에서는 물리적 거리에 기반한 최적경로 탐색법을 활용하여 보행교통류 를 모형화하였으나, 본 연구에서는 그에 더해 보행자의 인지적 요인을 활용하여 보행 행태를 설명하였다. 보행 교통류를 해석하기 위해선 개별 보행자의 인지 및 사고 능력에 대한 고려가 필요하기 때문이다.
그 결과, 방향이 같은 보행자간의 군집효과와 이것이
병목 상황에서의 혼잡에 미치는 영향을 파악하였다. 통로 가 충분히 넓을 경우 초기에는 양방향 보행교통류가 혼재 되어 있지만, 시간의 경과에 따라 차선 분리가 발생하며 방향이 같은 보행자간의 군집이 발생한다. 또한, 병목상황 에서는 양방향 보행교통류가 반원형태의 대기행렬을 형성 하며 혼잡을 일으키지만, 보행군의 군집효과를 강하게 유 지시킬 수 있을 경우 통행에 유리하다는 것을 확인하였다.
동선이 분리되지 않았을 경우에도 보행자간의 상충이 심화되는 것으로 나타났다. 보행편의 및 이동성 지표로 선정한 상충횟수, 통행시간과 통행속도를 분석한 결과, 동선이 분리될수록 보행편의와 이동성을 증진시킬 수 있 는 것으로 나타났다. 이는 동선이 분리되지 않을 경우 양 방향 보행자간의 상충과 진행 방향의 혼재를 방지할 수 없기 때문이라 할 수 있다. 또한, 방향이 같은 보행자들 간에도 진행방향이 정돈되도록 우측통행을 적극적으로 유도하는 것이 보행자간 상충을 완화시키는 것으로 분석 되었다. 즉, 동선을 분리시키기 위한 시스템과 보행자의 진행방향을 유도하기 위한 운영 방법론이 결합될 경우가 가장 효율이 좋다고 할 수 있다.
본 연구에서는 유입조건과 기하구조, 보행자 특성이 서 로 같아 대칭적인 양방향 보행교통류를 대상으로 분석을 수 행하였다. 하지만 현실에서는 보행자의 짐 소지 여부, 보행 속도, 통로의 기하구조 등 양방향 보행교통류간의 보행특성 이 비대칭적인 경우가 많으므로 향후 보행특성 및 공간구조 의 유형에 따른 분석이 이루어져야 할 것이다. 또한, 서로 특성이 다른 보행교통류의 동선을 적절히 분리하기 위한 동 선 분리 시스템의 가변화, 그리고 그 제어 방법론 등에 대 한 연구가 함께 진행되어야 할 것으로 판단된다.
ACKNOWLEDGEMENT
Support for this research from Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA) is gratefully acknowledged(14RTRP-B067918-02).
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알림：본 논문은 대한교통학회 제71회 학술발표회(2014.
9.19)에서 발표된 내용을 수정․보완하여 작성된 것 입니다.
♧ 주 작 성 자 : 이주용
♧ 교 신 저 자 : 김태완
♧ 논문투고일 : 2014. 12. 1
♧ 논문심사일 : 2015. 1. 6 (1차) 2015. 3. 24 (2차)
♧ 심사판정일 : 2015. 3. 24
♧ 반론접수기한 : 2015. 8. 31
♧ 3인 익명 심사필
♧ 1인 abstract 교정필
