고통.. 아닌.. 교통

■ 추종이론(car-following theory)

▷ 개요

- 추종이론은 동일 차로를 주행하는 2대 이상의 차량중 뒷 차의 운전자가 앞차의 주행상태에 대해서 어떻게 반응하게 되는 가를 설명하기 위한 이론

- 교통류 주행특성 이해, 추돌사고 회피기법의 이론적 토대

[사진출처 : https://www.carwow.co.uk]

▷ 차량추종이론(car-following theory)

- 기본개념

(1) 민감도와 인지반응시간의 관계에서의 상태 규명

(2) 민감도 : 운전자에 따라 자극에 반응하는 정도

(3) 인지반응시간(t+T)=민감도(α)×자극(t)

여기서, t : 자극이 발생한 시점(앞차의 감속, 브레이크 점등)

T : 인지반응시간

[사진출처 : https://cybergeo.revues.org]

▷ 추종모형의 응용

(1) 첨단운전자 보조시스템(ADAS : Advanced Driver Assistance System)알고리즘 개발과 평가

(2) 고속도로의 버스전용차로에서 버스 차량군 형태분석

(3) 소형차량이 교통류의 속도와 교통량에 미치는 영향 및 운전중 안전에 관한 연구

(4) 운전자 및 차량특성中 추돌사고에 가장 영향을 주는 요소

▷ 추종모형의 한계 및 개선

(1) 한계점

① 단순한 운동역학적인 변수만 고려

② 고려되는 변수 : 상대속도, 상대거리, 순간속도

③ 기존 추종모형은 현장의 실제상황과 차이 발생

(2) 개선방안

① 실제 추종형태에 영향을 주는 요소를 고려

② 인적요소(성별, 동승자 수 등), 교통요소(차로수, 차종, 주행차로 위치 등), 환경요소(날씨, 시간대 등)

③ 새로운 추종모형 개발과 첨단장비의 활용, 분석이 필요

■ 충격파(Shock wave) 이론

▷ 개요

- 충격파이론은 교통류를 유체와 같은 것으로 보고, 이에 대한 수리 역학적인 원리를 적용시킨 이론

- 차량 주행시 밀도와 교통량의 변화에 따른 차량움직임의 전의현상을 의미

- 밀도와 교통량의 변화의 전파운동

- 즉, 서로다른 2개의 교통흐름이 존재하는 경우 교통흐름간에 나타나는 일종의 경계선이 충격파

- 예를 들면 도로상에서 병목현상이 발생하였을 경우 뒤따르던 차량들은 이 병목지점을 통과하기 위해 속도를 줄여야 한다. 만약 교통류와 밀도가 점점 커지면 속도를 줄이기 시작하는 지점은 점점 상류부로 이동하게 되는데, 이와 같이 제동등이 켜지는 지점의 이동이 충격파의 이동을 의미한다.

▷ 충격파 방정식 산출

∙ 두 교통류간에 발생하는 충격파의 속도는 두 교통류간의 밀도차이와 교통량차이의 비율

[사진출처 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Traffic_Shockwave.jpg]

▷ 충격파의 응용범위

- 신호교차로의 대기행렬 분포

- 병목지점의 대기행렬 분포

- 주차장 유・출입부의 대기행렬 분포

- 사고지점의 대기행렬 및 해소시간

- 램프접속에 따른 차량 대기현상

- Weaving에 따른 지체현상

- Metering실시를 위한 대기차량의 최대치 산정 및 해제

- 2차선도로의 저속차량에 의한 영향

■  속도의 종류 및 정의

[자료 : 주행속도 개념 적용의 필요성 연구, 교통 기술과 정책, 제11권 제6호, 2014년 12월]

▷ 설계속도(VD, Design Speed)

- 도로 설계의 기초가 되는 자동차의 속도를 말함

- 선형설계 시 선형 요소의 한계 값 결정에 직접적인 의미를 가짐

▷ 운영속도(Operating Speed, 85백분위속도, V85)

- 자유로운 교통흐름이나 노면습윤상태의 승용차 속도를측정, 측정치를 오름차순으로 정리할 때, 85% 째에 해당하는 (85%를 초과하지 않는) 속도를 말함

- 자유로운 교통흐름 상태에서 운전자가 자신의 차량을 운행할 때 관찰되는 속도임 (AASHTO, 2004)

▷ 주행속도(VR, Average Running Speed)

- 구간속도라고도 함

- 일정 도로구간 주행하는 차량통과시간에 의한 교통류의 속도측정 구간거리를 주행시간으로 나누어서 산출

- 교통서비스 수준의 측정, 도로 이용자 비용의 산출에 이용

- 날씨, 시간, 교통량에 따라 편차가 큰 것으로 알려짐

- 주행시간 : 차량이 움직이고 있는 시간만을 의미, 멈춤으로 인한 지체시간은 미포함

▷ 운행속도(Average Travel Speed)

- 일정구간을 주행하는 통과차량의 관측에 의한 속도의 한 종류

- 구간거리를 지체시간을 포함한 차량운행시간으로 나누어 산출

- 일정구간을 주행하는 통과차량의 운행시간을 이용하여 산출하므로 이 역시 구간평균속도 하나임

▷ 시간 평균속도(Time mean Speed)

- 순간속도라고도 함

- 도로의 한 지점을 통과하는 차량들의 속도를 산술 평균한 것

- 통행의 방해가 없거나 휴게소 정차를 하지 않을 경우 운행속도와 주행속도는 같음

[사진출처 :https://pixabay.com]

▷ 설계속도

- 설계구간 내에서 주행하는 승용차가 도로조건, 기상조건 등이 양호한 상태에서 안전하게 달릴 수 있는 최고속도로 정의

- 설계속도의 개념은 1930년대에 Barnet (1936) 에 의해 도입되었으며, ‘상대적으로 속도가 높은 운전자 그룹에 의해 받아들여질 수 있는 균일한 최대속도’로 정의

- 도로의 구조･시설기준에 관한 규칙 해설(2013) 에 의하면 ‘설계속도란 차량의 주행에 영향을 미치는 도로의 물리적 형상을 상호 관련시키기 위해 선택된 속도로 도로 설계요소의 기능이 충분히 발휘될 수 있는 조건에서 운전자가 도로의 어느 구간에 서 쾌적성을 잃지 않고 유지할 수 있는 적정속도를 말함’

▷ 주행속도

- 현장에서 관찰되는 운전자의 주행속도를 말하는 것으로 특히 V85는 도로 기하구조와관련한 주행속도를 통계적으로 기술하는 대표적인 값

- 일반적으로 주행속도는 자유 교통류 상태에서 주행하는 자동차의 속도를 조사하고 이를 토대로 산출하게 된다. 자유 교통류에서 조사된 속도는 운전자가 다른 자동차에 의해 속도를 영향 받지 않는 조건에서 관찰되는 소위 희망속도를 의미

▷ V85

- V85는 ‘85%의 운전자가 이 속도 이하로 운행하는 속도’를 의미

- 지점속도를 측정하고 이를 이용하여 85백분위수를 산출

- V85는 주어진 도로 구간에서 보다 균일한 속도가 유지되도록 하는 것을 목표로 하고 있으며, 균일한 속도 분포의 이점은 자동차들이 가능한 균등한 속도로 주행함에 따라 교통사고율이 낮아지는데 있으며 평면 곡선부에서 운전자의 주행속도 예측은 자동차의 역학적 안전을 보증하는 측면에서 중요

▷ 제한속도

- 도로 구간에서 주행 가능한 최대 속도 규제를 의미

- 국내에는 제한속도의 설정에 대한 구체적인 기준이 없어 보통 설계속도보다 10-20km/h 정도 낮게 설정

- 외국의 경우는 제한속도를 너무 높게 설정하면 안전 측면에 서 바람직하지 못하고, 너무 낮게 설정하면 속도의 분산이 커져 안전 측면에서 바람직하지 못하므로, 주행속도를 조사하고 이의 85백분위 값을 근거로 제한속도를 설정하는 것을 제안

■  차두간격, 차두거리, 차간간격

▷ 차두거리(Spacing space headway) : S

: 주행하는 차량의 맨 앞 부분부터 앞서가는 차량의 맨 앞까지의 거리

S : 차두거리 (m/대) K : 밀도 (대/km)

▷ 차두시간(간격) - headway : h

: 어느 한지점을 통과하여 뒤에오는 차량의 앞부분이 같은 지점을 통과할 때까지의 시간

h : 차두간격(sec/대) q : 교통량 (대/hour)

[사진출처 : https://ops.fhwa.dot.gov]

▷ 차간간격 : gap : g - 앞차의 뒷부분과 뒤차의 앞부분 사이의 거리로 초로 환산

 g : 차간간격(초) h : 차두간격(초) : 속도(km/h) l : 차량길이(m)

[사진출처 : https://en.wikipedia.org/]

■ 교통류의 점유율

▷ 시간점유율 (time occupancy : Ot )

: 지점 S에 n 대의 차량이 존재한 시간

 [사진출처 : https://en.wikipedia.org/]

▷ 공간점유율 (Space occupancy : Os )

: 구간 S에 m대의 차량이 차지하는 거리

■  딜레마구간과 옵션구간

- 교차로에서 황색신호시간이 적정 황색신호시간보다 길고 짧음으로 인해 딜레마구간(Dilemma Zone)과 옵션구간(Option Zone)이 발생

1) 딜레마구간과 옵션구간 개념도

2) 딜레마구간(Dilemma Zone)

∙ 딜레마구간이란 황색신호가 시작되는 것을 보았지만 임계감속도로 정지선에 정지하기가 불가능하여 계속 진행하지만 황색신호 이내에는 교차로를 완전히 통과하지 못하는 구간으로 실제 황색시간이 적정 황색시간보다 짧을 경우에 생긴다.

3) 옵션구간(Option Zone)

∙ 옵션구간이란 실제 황색시간이 적정 황색시간 보다 길 경우에 생기며 황색신호가 켜지는 순간에 이 구간 안에 있는 운전자는 그대로 진행을 하더라도 황색신호 동안에 교차로를 횡단할 수 있고, 또 정지를 하더라도 임계감속도 이내에 어려움 없이 정지선에 정지 할 수 있는 거리

4) 딜레마구간과 옵션구간의 개선방안

∙ 적정 황색신호시간을 결정

- 적정 황색신호의 길이는 교차로에서 차량이 출발하기 전 이미 진행하던 차량들은 교차로를 완전히 빠져나가는데 필요한 시간

  을 부여

∙ 매우 넓은 복잡한 교차로일 경우 6초 이상 황색신호시간을 부여할 경우 황색시간이 끝나기 전에 차량이 출발할 우려가 있으므로 4∼5초의 황색신호 후 1∼2초의 전적색신호(All-Red)로 교차로내 차량을 모두 소거시키는 것이 안전

■ 평면교차로의 시거

▷ 개 요

- 교차로에서는 도로의 일반구간에서 반드시 확보되어야 하는 최소한의 정지시거는 물론 운전자가 의사결정 및 주변상황에 대하여 인지하고 판단할 동안 주행하는데 필요한 시거가 추가로 필요하게 된다.

- 즉 운전자가 감지하기 어려운 정보나 예상치 못했던 환경의 인지, 잠재적 위험성의 인지, 적절한 속도와 주행경로의 선택, 선택한 경로의 대처에 필요한 시거가 필요하게 된다. 이러한 시거를 판단시거(Decision Sight Distance)라 하기도 하나 이를 정지시거와 분리하여 별도로 구분하는 것은 다소 무리가 있으므로 정지시거와 판단 시거를 함께 고려하여 평면교차로의 시거를 검토함

- 교차로 내에 진입한 자동차는 교차도로의 상황을 인지하는데 필요한 시거를 필요로 하게 되며, 이는 일반적인 시거를 말할 때 사용되는 도로 중심선을 말하는 것이 아니라 교차하는 도로를 인지할 수 있는 범위가 되므로 이를 교차로의 시계(視界) 또는 가시삼각형(Sight Triangle) 이라 부르기도 함

▷ 평면교차로의 사전 인지를 위한 시거

① 신호교차로

- 신호교차로의 경우 교차로의 전방에서 신호가 인지될 수 있는 최소거리가 확보되어야 한다. 이 최소거리는 운전자가 신호를 보고 나서부터 브레이크를 밟을 때까지 주행하는 거리와 브레이크를 밟아 정지선 전방에 정지하기까지 주행하는 거리를 합한 것이다.

- 신호를 보고 브레이크를 밟을 때까지의 시간에는 브레이크를 밟을 것인지의 여부를 판단하는 시간과 브레이크를 밟아야 한다고 판단하고 나서부터 반응하기까지의 시간이 포함되어 있다.

- 이 주행시간에 대해서 충분한 조사자료는 없지만 미국의 AASHTO 설계기준에서는 10초로 잡고 있다.

- 여기서는 경제적 측면을 고려하여 지방지역에서는 10초, 도시지역에서는 6초를 기준으로 하였다.

- 도시지역은 교차로가 많고 신호의 존재를 어느 정도 인식하고 있으므로 반응시간을 지방지역보다는 짧게 할 수 있을 것이다.

② 신호없는 교차로의 시거

- 교차로가 신호로 통제되지 않는 경우는 교차도로의 주도로와 부도로를 명확히 하고 부도로에는 교차로 전방에 일시정지표지를 설치하는 것이 안전하다. 이러한 일시정지표지 교차로에서도 운전자가 인지하고 나서부터 불쾌감을 느끼지 않을 정도의 브레이크를 밟아 교차로 전방에 정지할 수 있는 거리에서 운전자가 일시정지 표지를 볼 수 있어야 하는 것은 신호교차로의 경우와 마찬가지이다. 다만, 이 경우는 신호의 경우와 달리 판단하기 위한 시간은 불필요하므로 일시정지 표지를 확인한 후 바로 브레이크를 밟기 시작한다고 생각해도 무방할 것이다.

- 일시정지 표지를 인지한 운전자가 브레이크를 밟기까지의 시간은 운전자에 따라 다르겠지만 AASHTO에서는 2초로 적용

- 한편, 주도로에 대하여 운전자는 항상 교차로의 존재를 염두에 두지 않고 주행할 수 있으므로 교차로가 있다 하더라도 단로부와 마찬가지로 생각하게 되므로 본선 설계에서 규정하고 있는 정지시거가 확보되고 있으면 충분하나, 이 경우 부도로보다 일반적으로 주행속도가 높고 운전자가 교차로 상황에 대하여 충분한 인지가 필요할 것으로 판단되어 최소값을 상기의 값과 동일하게 적용하는 것이 바람직하다.

▷ 평면교차로의 안전한 통과를 위한 시거

- 신호교차로에서는 모든 자동차들이 신호에 따라 주행하게 되므로 교통이 원할하게 처리되어 큰 문제가 없지만 비신호교차로에서 여러 방향의 접근자동차들이 충돌없이 교차로를 통과하기 위해서는 모든 자동차의 운전자가 타 자동차의 위치 및 속도를 파악할 수 있도록 충분한 시거가 확보되어야 한다.

- 이러한 시거 산출은 다음 그림에서 도시한 것과 같은 시거 삼각형을 작성하여 검토한다.

- 비신호교차로에 접근하는 자동차의 운전자는 교차로에 이르기 전에 교차대상이 되는 자동차를 인지할 수 있는 충분한 시간을 가져야 한다. 운전자가 교차하는 도로에서 자동차가 접근하는 것을 처음 볼 수 있는 지점의 위치는 인지⋅반응시간(2초)과 속도를 조절하는데 걸리는 시간(1초)을 합해 총 3초 동안 이동한 거리로 가정하여 사용되고 있다.

■ 앞지르기시거

- “앞지르기시거”란 2차로 도로에서 저속 자동차를 안전하게 앞지를 수 있는 거리로서,

- 차로 중심선 위의 1미터 높이에서 반대쪽 차로의 중심선에 있는 높이 1.2미터의 반대쪽 자동차를 인지하고 앞차를 안전하게 앞지를 수 있는 거리를 도로 중심선에 따라 측정한 길이를 말함

[앞지르기시거(추월시거) : 양방향 2차로 도로를 주행하는 자동차가 앞서가는 저속차를 추월하는데 필요한 시거]

- 양방향 2차로 도로에서는 앞쪽에 저속 자동차가 주행하는 경우, 뒤따르는 자동차가 저속 자동차를 앞지르기 위하여 고속 주행을 하게 되나, 실제로 반대방향 차로의 교통량이 많거나 도로의 선형이 불량하여 서행하는 자동차를 앞지르기가 불가능한 경우가 많으며, 이때 고속 자동차가 저속 자동차의 뒤를 계속 따라 가게 되어 비효율적인 도로 운영이 되기도 한다. 그러므로 양방향 2차로 도로에서는 고속 자동차가 저속 자동차를 안전하게 앞지를 수 있도록 충분한 시거가 확보되는 구간을 적정한 간격으로 두어야 하며, 앞지르기시거를 고려하지 않으면 안 된다.

▷ 앞지르기시거의 계산

① 고속 자동차가 앞지르기가 가능하다고 판단하고 가속하여 반대편 차로로 진입하기 직전까지 주행한 거리(반대편 차로 진입거리 : d1)

② 고속 자동차가 반대편 차로로 진입하여 앞지르기할 때까지 주행하는 거리(앞지르기주행거리 : d2)

③ 고속 자동차가 앞지르기를 완료한 후 반대편 차로의 자동차와의 여유거리(마주오는 자동차와의 여유거리 : d3)

④ 고속 자동차가 앞지르기를 완료할 때까지 마주 오는 자동차가 주행한 거리(마주오는 자동차의 주행거리 : d4)

(1) 반대편 차로 진입거리 (d1)

- 고속 자동차가 앞지르기를 하기 위해 반대편 차로로 진입하려면 우선 앞지르기가 가능한지 여부를 판단하고, 가능한 경우 가속하여 반대편 차로로 진입하게 된다. 이때 반대편 차로로 진입하는 데 걸리는 시간은 설계속도에 따라 일반적으로 2.7～4.3초를 나타내고있으며, 고속 자동차가 반대편 차로로 진입하는 데 필요한 거리는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

(2) 앞지르기 주행거리 (d2)

- 고속 자동차가 반대편 차로로 진입한 후 저속 자동차를 앞지르기 위하여 주행하는 시간은 대개 8.2~10.4초 정도이며, 주행하는 거리는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

(3) 마주오는 자동차와의 여유거리 (d3)

- 앞지르기를 완료하였을 때 반대편 차로에 있는 자동차도 그동안 주행하여 앞지르기한 자동차와 근접하게 된다. 이때 앞지르기한 자동차와 마주오는 자동차와의 간격은 설계속도에 따라 15~70m를 적용하도록 한다.

(4) 마주오는 자동차의 주행거리 (d4)

- 앞지르기하는 자동차가 반대편 차로에 진입하여 앞지르기를 완료할 때까지 마주오는 자동차가 주행하는 거리는 고속 자동차가 앞지르기한 거리의 2/3 정도로서, 이때 마주오는 자동차의 속도는 앞지르기하는 자동차와 같은 설계속도와 같다.

■ 정지시거

- “정지시거(停止視距)”란 운전자가 같은 차로 위에 있는 고장차 등의 장애물을 인지하고 안전하게 정지하기 위하여 필요한 거리로서,

- 차로 중심선 위의 1미터 높이에서 그 차로의 중심선에있는 높이 15센티미터의 물체의 맨 윗부분을 볼 수 있는 거리를 그 차로의 중심선에 따라 측정한 길이를 말함

- 정지시거는 운전자가 앞쪽의 장애물을 인지하고 위험하다고 판단하여 제동장치를 작동시키기까지의 주행거리(반응시간 동안의 주행거리)와 운전자가 브레이크를 밟기 시작하여 자동차가 정지할 때까지의 거리(제동정지거리)를 합산하여 산정

▷ 반응시간 동안의 주행거리

- 운전자는 개개인에 따라 운전의 경험 및 숙련 정도, 위기대처능력 등이 다양하여 운전자가 장애물을 발견한 후 브레이크를 밟을 것인가를 판단하고 나서 브레이크를 밟을 때까지의 동작시간

- 운전자가 장애물을 발견하고 브레이크를 밟을 때까지의 반응시간(Braking Reaction time)은 위험요소를 판단하는 시간 1.5초, 제동장치를 작동하는 시간 1.0초, 총 2.5초로 하여 주행거리를 산정

[ 공주 거리 ]

물체를 본 시간부터 브레이크를 밟아 브레이크가 작동하기까지 달린 거리로 이는 PIEV시간 동안 달린 거리로서 이는 차량의 속도와 운전자의 능력에 따라 달라지나 설계 목적으로는 통상 2.5초를 사용

▷ 제동정지거리

- 운전자가 브레이크를 밟아 자동차를 정지시킬 때 필요한 거리는 그 자동차의 브레이크 장치의 성능, 포장의 종류 및 노면상태, 타이어의 재질 및 상태 등 다양한 조건에 따라 달라짐

▷ 정지시거의 계산

■ 시거(Sight Distance)

▷시거의 정의

- 운전자가 전방에서 볼 수 있는 도로의 길이(AASHTO)로서 평면곡선의 경우와 종단곡선의 경우가 있음

- 시거의 종류에는 정지시거, 앞지르기시거, 피주시거, 판단시거가 있다.

▷정지시거

- “정지시거(停止視距)”란 운전자가 같은 차로 위에 있는 고장차 등의 장애물을 인지하고 안전하게 정지하기 위하여 필요한 거리로서,

- 차로 중심선 위의 1미터 높이에서 그 차로의 중심선에있는 높이 15센티미터의 물체의 맨 윗부분을 볼 수 있는 거리를 그 차로의 중심선에 따라 측정한 길이를 말함

- 정지시거는 운전자가 앞쪽의 장애물을 인지하고 위험하다고 판단하여 제동장치를 작동시키기까지의 주행거리(반응시간 동안의 주행거리)와 운전자가 브레이크를 밟기 시작하여 자동차가 정지할 때까지의 거리(제동정지거리)를 합산하여 산정

▷앞지르기시거

- “앞지르기시거”란 2차로 도로에서 저속 자동차를 안전하게 앞지를 수 있는 거리로서,

[앞지르기시거(추월시거) : 양방향 2차로 도로를 주행하는 자동차가 앞서가는 저속차를 추월하는데 필요한 시거]

- 차로 중심선 위의 1미터 높이에서 반대쪽 차로의 중심선에 있는 높이 1.2미터의 반대쪽 자동차를 인지하고 앞차를 안전하게 앞지를 수 있는 거리를 도로 중심선에 따라 측정한 길이를 말함

▷피주시거

[전방의 장애물을 인지하고 안전하게 회피해서 주행하는데 필요한 시거]

- 운전자가 복잡한 장소에서 정지하지 않고 교통상황을 판단하여 반응하고 그에 맞는 조치를 하는데 필요한 거리를 피주시거라고 함

- 피주시거는 동일 차선상에 고장차등이 있는 경우 인접차선 등으로 피해서 주행할 수 있는 길이로 차선의 중심을 따라 측정.

▷판단시거

- 운전자가 전혀 예측하지 못했거나 인식하기 어려운 장애물 혹은 교통정보를 감지하여 적절한 속도 및 주행경로를 결정해서 차량을 안전하게 조작하는데 필요한 거리를 말함

- 운전자가 진행로 상에 산재해 있는 예측하지 못한 위험요소를 발견하고 그 위험 가능성을 판단하며, 적절한 속도와 진행방향을 선택하여 필요한 안전조치를 효과적으로 취하는데 필요한 거리를 말함.

- 운전자의 판단 착오를 시정할 여유를 주고 정지하는 대신 동일한 속도로 또는 감속을 하면서 안전한 행동을 취할 수 있게 하기 때문에 이 길이는 정지 시거보다 훨씬 큰 값을 갖는다.

- 교차로에서는 도로의 일반구간에서 반드시 확보되어야 하는 최소한의 정지시거는 물론 운전자가 의사결정 및 주변상황에 대하여 인지하고 판단할 동안 주행하는데 필요한 시거가 추가로 필요하게 된다. 즉 운전자가 감지하기 어려운 정보나 예상치 못했던 환경의 인지, 잠재적 위험성의 인지, 적절한 속도와 주행경로의 선택, 선택한 경로의 대처에 필요한 시거가 필요하게 된다. 이러한 시거를 판단시거(Decision Sight Distance)라 하며, 이를 정지시거와 분리하여 별도로 구분하는 것은 다소 무리가 있으므로 정지시거와 판단시거를 함께 고려하여 평면교차로의 시거를 검토함