신호 연동을 고려한 주기변동 신호제어모형 개발

Abstract

주기변동(Cycle-free)기반 신호제어모형은 실시간 신호제어모형 중 하나로써 최근 교통혼잡 완화를 위해 활발히 연구되고 있다. 주기변동 신호제어모형은 주기길이를 매 주기마다 교통량 상황에 맞게 변화시켜 통과차량들의 총 지체시간을 최소화 할 수 있다는 장점이 있지만, 인접한 교차로 간 신호 연동을 고려하기 어렵다는 단점 또한 지닌다. 신호를 연동시키기 위해서는 일반적으로 연동된 신호교차로 간 신호 주기길이를 일치시켜야 하지만, 주기변동기반 신호제어기법은 각 교차로의 교통상황에 맞춰 매 주기마다 신호주기길이를 변경하기 때문에 교차로 간 신호를 연동시키기 힘들다. 또한 신호 연동을 고려할 수 있는 방법이 존재한다 해도, 연동을 위해서는 교차로 간 교통상황(ex. 대기행렬 길이)을 정확히 예측해야하는데, 현실에서는 예측할 수 없는 다양한 변수가 존재하기 때문에 효율적인 신호 연동을 구현하기 어렵다. 이러한 단점에도 불구하고 현실에서는 신호 연동이 필요한 상황이 여전히 존재한다. 첨두시 방향성을 지닌, 양방향 비대칭 교통상황이 발생하는 도심의 주요 간선도로의 경우, 단순히 모든 방향의 지체시간을 최소화하여 신호를 최적화하는 것보다 특정방향의 신호 연동을 고려하여 신호를 제어하는 것이 더 효율적일 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 주기변동 신호제어모형(이하 기존모형)의 성능 저하 없이 신호 연동을 고려할 수 있는 방법론을 개발하고, 기존모형과 비교를 통해 연동성 및 지체도 측면에서 어떠한 효과가 있는지 검토하였다. 또한 신호 연동 고려 시 대기행렬 길이 예측에 따른 연동값(offset) 예측오차를 최소화하기 위해서 예측값과 실측값의 차이정보를 이용하여 실시간으로 신호 연동값을 보정할 수 있는 방법을 고려해 본 모형의 연동성을 향상시켰다. 2개의 교차로로 이루어진 소규모 네트워크에서 본 모형의 효과를 분석한 결과, 기존모형에 비해 연동방향의 지체도 및 연동성은 각각 23%, 32% 향상되었고, 전체 네트워크 측면의 지체도 및 연동성은 각각 1% 저하, 2% 향상되었다. 이러한 평가척도의 차이가 통계적으로 유의한지 추가적으로 통계분석을 실시한 결과, 전체 네트워크 측면의 지체도를 제외한 나머지 평가척도의 차이는 유의한 것으로 분석되었다. 따라서 본 모형은 전체 네트워크 측면에서 지체도 및 연동성의 저하 없이 연동방향의 연동성을 크게 향상 시킨다고 할 수 있다. 또한 다수의 교차로로 이루어진 네트워크에서도 확장 적용 가능한지 살펴보기 위해 다수 교차로를 대상으로 다양한 연동규모(연동교차로 수)의 신호 연동을 실시하여 효과를 비교 분석하였다. 그 결과, 6개 교차로를 모두 연동시킨 모형이 가장 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다. 기존모형에 비해 연동방향의 지체도 및 연동성은 각각 33%, 49% 향상되었고, 전체 네트워크 측면의 지체도 및 연동성은 각각 1%, 5% 향상되었다. 마지막으로 지금까지 비대칭 교통량을 지닌 네트워크를 대상으로 분석한 것과 달리, 양방향 대칭 교통량을 지닌 네트워크에서의 효과를 비교 분석하였다. 그 결과, 지체도 및 연동성 향상효과는 연동방향의 경우 비대칭 교통량 네트워크에서 각각 33%, 49%, 대칭 교통상황에서는 34%, 49%로 효과가 미미하게나마 증가하는 것으로 나타났지만, 전체 네트워크 측면에서는 비대칭 교통상황에서 1%, 5%, 대칭 교통상황에서는–2%, 4%로 지체도 및 연동성의 개선효과는 오히려 감소한 것으로 분석되었다. 종합해보면, 본 연구에서 제시한 방법론은 기존모형 대비 전체 네트워크의 지체도 및 연동성 저하 없이 연동방향의 연동성을 크게 향상 시킬 수 있으며, 교통량이 양방향 대칭인 교통상황보다 비대칭 교통량을 지닌 교통상황에서 신호 연동을 실시할 때 상대적으로 더 나은 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.