운전자 차로선택행태에 근거한 톨프라자 설계 및 운영모형 : 전자요금징수시스템의 적용을 중심으로 - 조용성 (The Graduate School, Ajou University, 2005)
본 연구의 목적은 톨프라자의 기하구조, 차로운영방법, ETCS 차로운영 등이 톨프라자에서의 교통 지·정체 발생 및 해소에 미치는 영향을 분석함으로써 톨프라자의 설계 및 운영 방법을 개선하는데 있다. 기존의 톨프라자 설계 방법은 대기이론에 근거하여 차량의 도착률과 요금소에서의 서비스시간과의 관계에 따른 모형식을 활용하여 톨프라자의 적정차로수를 제시하는 방식이었다. 그러나, 이러한 방법은 1990년대 초에 개발된 모형식으로 기계화된 TCS 도입 이전의 선불식 수동방식을 근거로 하고 있기 때문에 향후 도입될 ETCS뿐만 아니라 현재의 TCS기반의 톨프라자 설계에도 적절하지 않다. 따라서, 향후 다양한 지불시스템의 도입에 따른 톨프라자 적절한 설계모형과 이를 통한 톨프라자의 운영효율을 극대화할 수 있는 방법론이 절실하게 필요하다. 본 연구는 톨프라자에서의 교통특성을 기존의 대기이론적 관점과 운전자 행태적인 관점(특히, 차로선택행태)을 적절하게 이용하여 분석하고 이를 기반으로 시뮬레이션 모형을 개발하였으며, 개발된 시뮬레이션 모형을 이용하여 전자요금징수시스템의 도입에 따른 톨프라자의 설계 및 운영 모형을 제시하였다. 대기이론적 관점에서의 교통특성분석에서는 차량의 도착률과 요금소에서의 서비스시간을 분석하였다. 차량의 도착률은 차로를 기준으로 단위시간당 도착하는 차량의 수로 로그정규분포를 따르는 것으로 분석되었으며, 요금소에서의 서비스시간도 차로운영특성에 따른 지불방법별 서비스시간이 로그정규분포를 따르는 것으로 분석되었다. 운전자 행태적인 관점에서의 교통특성 분석은 톨프라자에 진입하는 운전자가 요금을 지불하기 위해 서비스차로를 선택하고 요금을 지불한 후 본선에 재진입하는 일련의 과정을 휴리스틱 모형형태로 정의하였다. 기존연구에서는 모든 운전자들은 최소의 대기행렬을 포함하고 있는 서비스차로를 선택하는 것을 기본전제로 하고 있으나, 본 연구에서는 운전자들이 톨프라자에 진입하기 전에 이미 희망하는 서비스영역을 선택한다는 것을 기본전제로 하고 있다. 이러한 과정에서 운전자의 서비스차로선택은 포아송형태의 확률적 분포를 따르는 것으로 분석되었으며, ETCS의 적용여부에 따라 그 평균값에 차이가 큰 것으로 나타났다. 이는 ETCS의 도입이 톨프라자에 진입하는 운전자의 차로선택에 영향을 미친다는 것을 의미한다고 할 수 있다. 기 개발된 모형을 기반으로 지금까지 분석한 결과를 적용하여 톨프라자에서의 차량움직임을 표현할 수 있는 객체지향형 시뮬레이션 모형을 개발하였다. 입력단계에서는 톨프라자의 기하구조와 운영조건 및 실행조건에 대한 입력이 이루어지고 실행단계에서는 입력된 정보들을 기초로 차량발생 및 차로배정, 차로선택, 차량주행 및 차로변경 등의 세부모듈에 의해 차량의 움직임을 표현하며, 출력단계에서 이러한 시뮬레이션 실행결과를 차량도착대수, 대기행렬길이, 평균통행시간 등의 평가척도로 제시해준다. 본 모형을 실제 현장조사결과와 기존 모형 수행결과에 대한 검증결과, 차량도착률은 99%이상의 높은 수행도를 나타냈으며, 에니메이션을 이용한 차량의 움직임에 대한 분석에서도 현장에서의 차량이동 및 대기행렬형성 형태를 비교적 유사하게 표현하는 것으로 분석되었다. 아울러, 모형의 정확도에 대한 검증에서도 기존 모형에 비하여 본 모형이 약 100%정도의 절대평균오차를 개선하는 것으로 나타나 설명력이 우수한 것으로 분석되었다. 그러나, 아직 톨프라자의 현황을 정확히 표현하는데는 한계가 있는 것으로 나타났으며, 가장 큰 원인은 톨프라자를 이용하는 개별 차량의 특성 특히, 대형차량의 가·감속과 서비스시간, 대기시간의 특수성을 본 모형이 정확히 반영하지 못하였기 때문으로 분석되었다. 마지막으로 본 연구에서 제시한 톨프라자의 설계 및 운영 모형을 이용하여 실제 대표적 영업소에 대하여 크기별로 구분하여 적용해 보았다. 서비스차로가 5개 미만인 소형 영업소에서는 혼용차로 형태의 ETCS를 운영하고 6개 이상 10개 미만의 중형 영업소는 1개의 전용차로 형태의 ETCS를 운영하며, 10개 이상의 대형 영업소는 1개 이상의 전용 또는 혼용 차로를 구성하여 설계·운영하는 것이 바람직한 것으로 분석되었다. 본 연구의 가장 큰 이론적 의의는 톨프라자에서 운전자들의 차로선택행태에 대한 논리적 판단과정을 휴리스틱 모형으로 재정립하였으며, 차로선택기준을 확률분포함수로 제시함으로써 톨프라자에서의 차량움직임에 대한 설명력을 향상시켰으며 이로 인한 교통상황에 대한 보다 정확한 표현이 가능해졌다는 점이다. 또한, 톨프라자의 설계 및 운영과 관련한 실용적 측면에서는 교통계획가 또는 도로설계자들이 유료도로의 설계시 먼저 고려하는 요금징수시설의 위치 및 규모 등을 결정함에 있어 기존의 경험적 또는 이론적 방법을 개선하고 시뮬레이션 모형을 이용하여 실제적 상황에 대한 예측설계방법을 제시하였다는 점이다. 본 연구결과를 통하여 전국의 실제 영업소의 설계 및 운영에 적용함으로서 톨프라자에서의 상습적인 지·정체 해소와 요금소의 운영 효율 및 이용자의 서비스 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 본격적으로 도입될 ETCS의 효과적인 도입 및 조기 정착에 있어 본 연구가 중요한 기초가 될 것으로 기대된다. 그러나, 본 모형이 가지고 있는 다음과 같은 한계는 개선되어야 할 것으로 판단된다. 첫째, 현재 ETCS가 시범 운영되고 있는 수도권 개방형 영업소를 대상으로 현장조사를 수행하였기 때문에 모든 톨프라자에서 같은 교통패턴을 대표하는 것이라고 단정할 수 없다. 둘째, 시뮬레이션의 가장 중요한 요소인 서비스시간이 요금징수원의 연령, 성별, 숙련도, 첨두시와 비첨두시의 교통량의 차이 등 실제적인 변화요소를 정확히 파악하지 않았으며, 또한 톨프라자에서의 차량의 움직임을 표현하는데 매우 중요한 차량추종 및 차로변경모형의 경우에는 실제적인 조사·분석에 한계가 있어 기존의 연구결과를 그대로 적용할 수 밖에 없는 한계를 가지고 있다. 마지막으로 인접하여 신호교차로가 존재하여 진출차량의 진행을 방해하고 있는 경우나 진출 또는 진입본선과 인접하여 램프구간이 존재하는 등 톨프라자의 교통상황 및 주변여건을 고려하지 않고 시뮬레이션 모형만으로 설명한다는 것은 한계를 가진다. 향후 추가적인 연구과제로는 모든 톨프라자에 적용할 수 있도록 각각의 톨프라자의 유형을 분류하고 해당 유형에 따른 적절한 운전자 행태 및 기하조건들을 선택·입력할 수 있는 일반화된 모형뿐만 아니라 나아가, 고속도로와 연결도로를 포함한 네트워크의 전체적인 효율을 증대하기 위한 네트워크 차원의 시뮬레이션 모형의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
학위논문(박사)--아주대학교 대학원 :건설교통공학과,2005