Validity Analysis of the Semi-Actuated Signal Control Systems in Rural Arterial

국도 반감응 신호제어 도입 타당성 분석

Validity Analysis of the Semi-Actuated Signal Control Systems in Rural Arterial

9)

김형진

Ⅰ. 서론

우리나라의 국도는 남북측 27개, 동서측 24개 노선에 약 13,766km가 건설되어 고속도로와 국 가기간도로망을 구성하고 있다. 하지만 급격한 승 용차의 증가로 인하여 주요 국도구간에는 상습적 인 정체가 발생하고 있으며, 향후 지역별 혁신도시 및 각종 개발계획으로 인하여 교통량이 증가하게 되면 이러한 교통 혼잡상황은 더욱 악화될 것으로 예측된다.

교통공학적인 측면에서 이러한 교통 혼잡은 두 가지 해결방안을 찾아볼 수 있다. 첫째, 혼잡을 일 으키는 교통류를 사전에 우회-분산시켜 감소시키 는 방안과, 둘째, 혼잡구간의 신호제어 지체를 최 소화 하여 용량을 증대시킴으로서 혼잡을 완화하 는 방법이다.

먼저 첫 번째 방안으로 현재 각 지역의 국토관리청 에서는 매년 지능형교통시스템(ITS : Intelligent Transportation System)을 주요 국도부에 구축

하는 국도 ITS사업을 실시하여 주요 유출입 지점 에서의 교통류 분산을 통해 지·정체를 해소하려는 노력을 기울이고 있다. 하지만 교통 혼잡이 발생하 는 국도 구간에 교통류를 분산할만한 경쟁도로가 없거나 미비한 경우 교통류 우회유도를 통한 국도 구간의 교통흐름 개선효과가 크지 않다.

두 번째 방안인 신호제어 지체 최소화 방안은 혼잡구간에서 불필요하게 발생하는 좌회전 신호 나, 보행신호의 시간을 최소화 하거나 현시를 삭제 하여 직진 교통류의 녹색시간을 최대한 확보함으 로써 용량 증가를 통한 혼잡 완화를 기대할 수 있 다. 현재 국도 ITS 사업에서는 이러한 신호제어기 법의 적용이 미흡한 실정이지만 다양한 연구를 통 해 신호제어 기법의 효과를 분석하여 제시한다면 향후 국도 ITS사업의 한 부분으로 선정되어 국도 의 통행을 원활하게 하는데 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

지금까지 국도부 신호제어에 관한 연구는 연구 대상 구간의 교통특성에 따라 완전감응(Fully-

김형진 : ㈜비츠로시스 ICT영업본부, [email protected], Phone: 02-460-2112, Fax: 02-462-1212

그림 1. 완전감응 신호제어 알고리즘

그림 2. 반감응 신호제어 알고리즘 Actuated), 반감응(Semi-Actuated), 정주기

(TOD:Time-Of-Day) 등 다양한 기법을 적용하 여 진행되어 왔으며, 일반적으로 도시부와 가까우 며 출퇴근 교통량이 몰리는 구간에는 정주기 방식 이, 교통량의 흐름이 일정하지 않은 지방부 도로구 간에는 완전감응 및 반감응 방식이 효과가 있는 것 으로 분석되었다. 특히 반감응제어방식은 완전감 응제어에 비하여 적용 대상이 많고, 구축비용이 상 대적으로 저렴하며, 일정한 시간대에는 TOD로도 운영이 가능한 시스템이기 때문에 국도에 적용하 기 가장 이상적인 방식이다.

이번 논단에서는 기존 연구 사례들을 분석하여 실제 국도에 도입할 경우의 기대효과를 도출하고 향후 국도ITS 사업에 포함가능여부를 분석해보고 자 한다.

Ⅱ. 이론적 배경

경찰청 표준교통신호제어기의 감응제어 방식은 지역감응제어와 앞막힘제어, 특수제어가 있으며, 지역감응제어로서 NEMA(National Electrical manufacturers Association)에서 규정한 완전 감응제어(Fully-Actuated Control)와 반감응제 어(Semi-Actuated Control)가 선택사항으로 규정되어 있다.

완전 감응 제어는 교통량 변동이 크고 주도로와 부도로의 교통량 차이가 크지 않은 교차로의 신호 운영에 효과적이다. 주도로와 부도로의 구분 없이 모든 접근로의 이동류를 감응의 대상으로 정의한 다. 완전감응 신호제어의 알고리즘은 그림 1과 같 이 최소녹색시간 이후의 현시에 대하여 검지기의 차량 검지 유무에 따라 Gap-out을 결정하여 현시 를 진행한다.

반감응식 신호 제어 방식은 교차도로의 성격이 주도로와 부도로로 확연히 구분이 되는 경우에 효 과적이며, 상대적으로 교통량이 적은 부도로에서 감응을 실시하고, 이는 주도로의 녹색시간을 최대

로 보장하여 주도로 소통 상태를 원활하게 하기위 해 제어하는 방식을 말한다. 반감응식 신호 제어 방식의 신호 시간은 주 현시의 신호 시간을 중심으 로 계산되어, 감응 현시의 차량이 존재하지 않는 경우는 주기의 모든 시간이 주현시에 부여된다

반감응 신호제어 알고리즘은 그림 2와 같이 주 방향 최소녹색시간 이후 부방향의 차량의 감응에 따라 현시 진행여부를 판단한다.

◦ 비감응 현시는 Minimum Green Interval 이후 다른 현시로부터 Call이 있을 때까지 확장

◦ 감응 현시는 비감응 현시가 Yield Point에서 종료된 후 차량 감응에 따라 Minimum Green Interval을 갖음

◦ 감응 현시는 Minimum Green Interval 이 후 단위 연장이 이루어짐

◦ 감응 현시는 Maximum(Force-Off) 이후 까지 연장 될 수 없음

8현시 번호

Single Ring

Dual Ring 그림 3. 현시체계

◦ 황색시간 및 전 방향 적색시간은 운영자에 의하여 지정

2. 관련 연구 고찰

교통과학연구원의 연구에서는 지방지역 일반도 로 독립교차로의 실시간 교통대응제어체계 개발을 실시하여, 제어기의 소프트웨어와 검지기 체계 등 하드웨어를 개선·보완한 시스템 개발을 완료하여 현장실험을 실시하였다. 그 결과 지체와 딜레마존 (Dilemma Zone)의 감소를 확인한 바 있다. 그 러나 이것은 교통대응(TRC : Traffic Response Control)방식의 제어기로서 COSMOS(Cycle, Offset, Split Model of Seoul)제어기를 모체로 하고 있으므로, 감응제어(Actuated Control)와 는 다소 차이가 있을 수 있다.

반감응 신호제어 연구와 관련하여 정동우(2007) 는 반감응 신호제어와 보행자작동신호기를 함께 고려한 교통량과 보행량에 따른 7개의 시나리오를 구성하고, 시뮬레이션(VISSIM)을 통하여 효율성 을 측정하여 그효과를 제시한 바 있다.

김규옥(2007)은 고양시 관내를 지나는 지방도 310선 상의 6개 교차로를 대상으로 중요교차로의 차 량검지체계로부터 얻어진 신호주기 정보를 반감응 제 어를 위한 공통신호주기로 이용하여 인접 교차로와 연동하는 시스템을 구축하여 그 효과를 제시하였다.⁶⁾

김승진(2013)은 이천시 전역 51개소 교차로 중 에서 18개 교차로에 대한 반감응식 신호운영 효과 평가에 관한 연구를 실시하여 교통량 증가와 통행 시간과 지체차량수의 감소 효과를 제시한 바 있다.

Ⅲ. 반감응 신호제어 전략 구현

감응제어의 현시(Phase)체계는 2현시에서 8현 시까지 구현이 가능하며, 현시조합은 Single Ring 과 Dual Ring으로 구분된다. Single Ring은 한

현시가 하나의 이동류로 이루어지는 것이 아니라 동시에 두 개 이상의 이동류가 한 현시로 정의되어 같 은 신호 시간을 받는 것이고, Dual Ring은 이동류 8 개(직진과 좌회전)를 8현시로 표현하여 하나씩 서로

그림 5. 3지교차로 A형 현시운영 다른 신호 시간을 받는다. 감응 제어에서는 Dual

Ring 8현시를 기본 값으로 설정하고 Single Ring 은 운영상의 선택 사항으로 고려한다.

2. 신호운영변수

감응신호제어 운영은 그림 4와 같이 최소녹색시 간(Minimum Green), 진행연장시간(Extension Interval), 최대녹색시간(Maximum Green Interval)의 변수로 운영되며 검지기의 차량 감응 에 따라 녹색시간이 연장 또는 종결된다.

¹⁾

그림 4. 감응신호제어 운영

3. 검지기 체계

감응식 신호제어에서 일반적으로 사용되는 검지기 는 매설형 루프검지기(Inductive Loop Detector) 이다. 루프검지기는 검지장치에서 공급하는 10- 200kHz의 주파수를 갖는 에너지에 의해 도로 위 에 매설된 루프코일에 균일한 인덕턴스를 가진 교 번자장(alternative magnetic field)을 형성하 고, 루프 위를 차량이 통과할 때 인덕턴스의 변화 를 검지하는 방식의 지점검지기이다.

완전감응제어는 모든 방향에 대해 감응을 실시 하기 때문에, 각 접근방향 모두 검지기를 설치한 반면, 반감응제어 검지기 체계는, 차량을 검지하기 위해서 주도로는 좌회전 차로에 검지기를 매설하

여 좌회전 신호 대기 차량을 검지하고, 부도로는 직진과 좌회전 전체 차로에 루프검지기를 매설하 여 직진과 좌회전 전체 차량을 검지한다. 또한, 횡 단보도 보행자를 검지하기 위해서 보행자 푸쉬버 튼을 설치하여 적용한다.

4. 반감응 신호제어 구현 방안

1) 3지 교차로 현시 운영

그림 5의 3지 교차로의 경우 주 현시는 3현시 이며, 1현시는 싱글링으로 운영하고, 2,3현시를 듀얼링으로 구성하며, 보행자 푸쉬버튼을 1현시에 적용한다. 이와 같은 현시는 1현시와 2현시를 생 략할 수 있다. 1현시의 경우는 횡단보도 보행자와 부도로 좌회전 차량이 없을 경우에 현시를 생략 할 수 있으며, 2현시의 경우는 주도로 좌회전 차량이 없을 경우, 현시를 생략하여 운영할 수 있다.

◦ 주현시는 3현시

◦ 1현시는 Single Ring 운영

◦ 2, 3현시는 Dual Ring 운영

◦ 보행자 푸쉬버튼 사용 현시는 1현시 그림 6은 3지교차로의 다른 경우이다. 그림 5 와 마찬가지로 주현시는 3현시이며, 1현시와 2현

1) Roess, Roger P., McShane, William R., Prassas, Ele, “Traffic Engineering”, PrenticeHall, 2004.

그림 6. 3지교차로 B형 현시운영

그림 7. 4지교차로 현시운영

그림 8. 단일로 현시운영 시가 모두 싱글링으로 구성한 운영체계이다. 이와

같은 경우도 1현시와 2현시가 생략될 수 있다.

1현시의 경우 부도로 좌회전 차량이 없을 경우 현시를 생략할 수 있으며, 2현시의 경우 주도로 좌 회전 차량이 없을 경우 현시를 생략할 수 있다. 다 만, 3현시 이후에 1현시가 생략되고 2현시가 표출 될 경우 A 링의 직진신호는 끊기지 않고 연속되어 야 하는 특징이 있다.

◦ 주현시는 3현시

◦ 전체 현시 모두 Single Ring 운영

◦ 3현시에서 1현시 생략되고, 2현시 표출 시 A Ring의 직진 신호는 끊기지 않고 연속됨

2) 4지 교차로 현시 운영

4지교차로의 주현시는 4현시이며, 1현시와 2현 시는 싱글링으로 운영중이며, 3,4현시는 듀얼링으 로 운영중인 현시체계이다.

이와 같은 경우는 1현시, 2현시, 3현시가 생략 될 수 있다. 1현시와 2현시의 경우 부도로 좌회전 차량이 없을 경우 현시를 생략할 수 있으며, 3현시 의 경우 주도로 좌회전 차량이 없을 경우 현시를 생략하여 운영할 수 있다.

◦ 주현시는 4현시

◦ 1,2현시의 Single Ring 운영

◦ 3,4현시는 Dual Ring 운영

3) 단일로 현시 운영

단일로의 경우 주현시는 2현시이다. 단일로의 반감응제어는 표준제어기의 기본 기능으로 운영이 가능하며, 표준신호제어기의 보행자 푸쉬버튼 감 응제어 기능을 사용할 수 있다.

◦ 주현시는 마지막 현시인 2현시

◦ 표준제어기 기본 기능으로 운영 가능

◦ 보행자 푸쉬버튼 감응 기능 사용

Ⅳ. 현장 구축사례 분석

1. Case Study 1 : 이천시 사례분석

1) 분석 개요

이천시에 적용된 반감응 신호제어시스템은 이천 시 전역 51개소 교차로 중에서 그림 9에 표시된

교차로

오전 첨두 vph

오후 첨두

vph 변화율

개선 전

개선 후

개선 전

개선 후

오전 첨두

오후 첨두 서이천 IC

삼거리 526 674 673 808 +28.14

% +20.06%

사음동

삼거리 1,276 1,218 1,285 1,331 -4.55% +3.58%

증일

사거리 1,386 1,449 1,593 1,755 +4.55% +10.17%

평균 +9.38% +11.27%

표 1. 주요교차로 통과교통량 비교 그림 9. 반감응 신호제어 구축 지점도

그림 10. 중일교차로 검지기 구성

18개 교차로를 선정하여 루프검지기를 설치하였 고, 이중 14개 지점에는 보행자 푸쉬버튼을 함께 구성하였다. 그리고 센터 장비는 표준 신호제어기 와 온라인(On-Line)으로 연결되어 반감응 제어와 관련된 검지기 정보를 수신하고, 신호제어 변수를 계산하여 송신하는 역할을 수행하도록 구성하였다.

18개 교차로는 기하구조 및 횡단보도 유무에 따라 유형별로 분류되었고, 현장상황을 반영하여 3장의 반감응 제어 구현 내용에 따라 구현되었다.

예를 들어, 중일사거리에 구축된 내용은 그림 10과 같다. 주도로 좌회전차로와 부도로 좌회전과 직진 전체차로에 검지기를 매설하여 차량을 검지 하도록 하였다.

현시구성은 4현시 체계로서, 4현시에 주도로 직 진신호를 부여하였고, 1현시를 좌회전 현시로 설 정하였으며, 1현시, 2현시, 3현시에 대해서 감응 제어를 실시하였다.

2) 분석 결과

(1) 통과교통량

본 연구의 18개 교차로 중 교통량이 많고 교통 소통에 큰 영향을 주는 주요교차로 3곳을 선정하 여 조사하였다. 선정된 주요교차로의 통과교통량 변화를 분석한 결과는 표 1과 같다. 오전 첨두시간 의 교통량은 평균적으로 9.4% 증가하였고, 오후 첨두시간의 경우 약 11.3%의 교통량의 증가가 있 었다. 이는 반감응 신호제어에 따른 주방향 직진차 로의 용량이 증대됨으로써 통과교통량의 개선이 이루어진 것으로 판단된다. 그러나 이러한 교통량 의 변화는 각 교차로 별로 또한 큰 차이가 있는 것 으로 파악되었다. 예를 들어, 사음동 삼거리의 경 우 다른 2개 교차로와는 반대로 첨두시간의 교통 량의 합이 감소한 것으로 나타났다.

오전첨두

오후첨두 그림 13. 지체차량수 비교 (2) 통행시간

통행시간 조사를 위하여 8개 구간을 선정하였 다. 선정된 구간의 총길이는 16 km이고 총 38개 의 교차로를 포함하고 있다. 선정된 8개 구간의 통행시간 변화를 분석한 결과는 그림 11, 그림 12와 같다. 반감응 신호제어를 적용한 후, 오전 및 오후 첨두시간대에 대부분 구간에서 통행시간 이 감소되었고, 그 크기는 구간별로 차이가 나타났 다. 전체적으로는 통행시간이 오전 첨두시에는 6.3%, 오후 첨두시에는 7.8% 감소한 것으로 계 산되었다. 이는 반감응 신호제어 적용에 따라 교통 수요가 큰 주방향 직진 차량에 대한 녹색시간을 추 가로 제공하는 방법으로 주방향 차량의 연동 폭이 확대됨에 따라 주방향의 통행시간이 개선된 것으 로 분석되었다.

그림 11. 오전 첨두시 통행시간 비교

그림 12. 오후 첨두시 통행시간 비교

(3) 교차로 지체차량수

앞서 선정된 주요교차로 3곳에 대하여 지체차량 수의 자료를 수집하여 분석하였고, 결과는 그림

13와 같다. 반감응 신호제어를 적용한 후, 조사된 모든 교차로에서 지체차량 수가 감소된 것으로 파 악되었다. 오전 첨두시에는 약 34.6%, 오후 첨두 시에는 약 23.9% 감소하였고, 전체적으로는 지체 차량수가 약 29.2% 감소한 것으로 분석되었다.

2. Case Study 2 : 고양시 사례분석

1) 분석 개요

고양시에 적용된 반감응 신호제어시스템은 교차 로간 거리가 가까운 4개 교차로 즉 구학제1로, 부 대앞, 원당중학교, 양조장사거리는 신호 연동효과 가 큰 교차로 군으로 제1그룹에 농업기술센터는 독립교차로에 해당되며 제2그룹으로 구성함.

고양시 지방도 310호선 5개 교차로에 신호제어 방식은 표 3과 같으며 교차로별 운영 평가지표는 표 3과 같다.

시간범위 현장조사 원당 중학교

양조장 사거리

오전 첨두시

7:30- 8:30

구축 전 8.87 7.82 구축 후 5.46 4.63 8:30-

9:30

구축 전 8.62 9.44 구축 후 5.89 4.72

비첨두시 13:00-

14:00

구축 전 8.32 8.50 구축 후 5.74 4.82 14:00-

15:00

구축 전 8.57 8.35 구축 후 5.67 4.57

오후 첨두시

17:30- 18:30

구축 전 8.31 8.28 구축 후 6.24 4.48 18:30-

19:30

구축 전 7.65 6.70 구축 후 5.81 4.11 표 4. 1시간 단위 평균정지지체시간(초/대)

대상교차로 통과 교통량

정지 지체

대기 길이

신호운영 시간분석

보행자 대기시간 식사사거리 ○

구학제1로 ○ ○ ○

부대앞 ○ ○ ○

원당중학교 ○ ○ ○

양조장사거리 ○ ○ ○

농업기술센터 ○ ○

표 3. 고양시 교차로별 평가지표

그림 14. 고양시 반감응 신호제어 구축 지점도

교차로명 제어방식 설치물

구학제1로

반감응제어 좌회전감응 제어 보행자감응 제어

표준제어기 보행자앞버튼

신호표지판

부대앞

반감응제어 좌회전감응 제어 보행자감응 제어

표준제어기 보행자앞버튼

신호표지판 노면표시 원당중학교 반감응제어

좌회전감응 제어 표준제어기 양조장사거리 교통대응제어 표준제어기

농업기술센터 반감응제어 좌회전감응 제어

표준제어기 신호표지판 노면표시 표 2. 고양시 교차로별 제어방식

그림 15. 고양시 시스템 구축전후 통과교통량 분석

2) 분석 결과

(1) 통과교통량

대상교차로별 시스템 구축전후 교차로 통과교통 량 분석결과는 그림 15와 같다.

시스템 구축 전후의 이동류별 시간대별 교통량 변화 분석 결과 중요교차로인 양조장 사거리를 제 외한 나머지 교차로의 교통량 증가율은 약40%로 나타났다.

(2) 평균정지지체

평균정지지체 조사는 원당중학교와 양조장사거 리에서 이루어졌다. 시스템 구축전과구축후의 교 차로 정지지체시간을 정리하면 표 4와 같다.

원당중학교에서는 구축 전후의 평균정지지체시 간이 5.79초/대에서 4.54초/대로 22% 감소하였 으 5.54초/대로 37%감소하였다.

그림 16. 원당중학교 원당 → 일산방향 평균대기길이

그림 17. 원당중학교 원당 → 일산방향 평균대기길이 (3) 평균대기길이

원당중학교 교차로에서 주방향 도로인 원당방향 과 일산방향을 대상으로 시스템 구축전후의 대기 행렬길이를 비교해본 결과 모든 시간대에서 42- 63%정도 감소하였다. 특히 오후첨두시에 문제되 는 일산방향의 대기행렬 길이가 오후첨두시에 40 대(정주기식 제어)에서 19대(반감응 신호제어)로 21대(53%)가 감소하였다.

Ⅴ. 결론

본 논단에서는 교통량이 집중되는 국도 구간의 교통혼잡을 완화시키는 방안 중 하나로 효율적인 신호운영을 통한 용량 확대 기법을 검토하였다. 특 히 반감응 신호제어기법을 실제현장에 도입하여 분석한 논문의 연구결과를 분석하여 국도 구간에 도입할 경우 발생하는 효과를 알아보고자 하였다.

이천시를 대상으로 한 ‘지방부 간선도로에서의 반감응 신호제어 효과 평가’에서는 반감응제어 기

법 도입에 따라 직진교통량 처리용량이 증대되어 오전 첨두시간의 교통량은 평균적으로 9.4% 증가 하였고, 오후 첨두시간의 경우 약 11.3%의 교통 량의 증가가 나타났다. 그리고 주방향 직진 차량에 대한 녹색시간을 추가로 제공함에 따라 주방향 연 동 폭이 확대되어, 평균적인 통행시간이 오전 첨두 시에는 6.3%, 오후 첨두시에는 7.8% 감소하였다.

지체차량수도 전체적으로 약 29.2% 대폭 감소되 어 반감응 신호제어 효과가 큰 것으로 나타났다.

고양시를 대상으로 한 ‘반감응기반의 신호연동 제어의 현장 적용 및 평가’에서는 반감응기반의 연 동제어를 실시하였을 때 교차로 통과교통량이 약 40% 증가하고, 평균지체시간은 약 20-35% 감소 하였으며, 평균대기행렬길이가 약 42-63% 가량 감소 등 주방향의 직진 이동류의 소통이 개선된 것 으로 분석되었다.

두 연구 모두 시스템 구축 및 분석 대상 구간과 구축 후 운영효과를 분석하는 파라미터는 다르지 만 공통적으로 신호교차로에서 반감응제어로 인한 부방향의 불필요한 신호현시를 조기종결하거나 생 략하여 그 현시값을 교통량이 많이 주방향에 부여 하는 효율적인 신호운영을 바탕으로 괄목할 만한 효과를 나타냈다.

물론 반감응 신호제어 시스템은 현재 대부분의 국도구간에 설치되어 있는 노후된 구형 신호제어 기를 감응식 제어운영이 가능한 신형 신호제어기 로 교체하고, 도로에 차량을 검지하는 검지기를 설 치하는 등 초기 시스템 구축 비용이 발생하며, 구 축 이후에도 신호 운영 및 장비 유지관리 비용이 지속적으로 발생하게 된다.

하지만 연구 분석결과에서도 나타나듯이 신호제 어기법의 도입으로 인한 효과가 분명하고, 이를 기 반으로 국도의 소통능력이 크게 개선될 것으로 판 단되기 때문에 서론에서 언급한 바와 같이 현재 각 지방의 국토관리청에서 지속적으로 구축하고 있는 국도 ITS 사업과 연계하여 일부 구간에 대해 시범 사업의 성격으로 도입한 후 실제 도입 효과를 기반 으로 향후 전국 국도 ITS 사업 및 기타 지자체의

신호개선 사업을 통해 확대 적용하는 방안에 대한 적극적인 검토가 요구된다.

참고문헌

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