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학술 - 도로교통 시뮬레이션
도로안전 및 교통상황 예측, 관리, 분석 등에 활용
[367호] 2015년 12월 02일 (수) 정은비 박사/ 한양대학교 공학기술연구소 .
   
   
시뮬레이션의 사전적 의미는 복잡한 문제나 사회 현상을 해석하고 해결하기 위하여 실제와 비슷한 모형을 만들어 모의적으로 실험하여 그 특성을 파악하는 과정으로 정의할 수 있다(네이버 국어사전). 교통상황에서 발생하는 다양한 이벤트는 무작위(Random)로, 드물게(Rare) 발생하는 이벤트이기 때문에 이러한 이벤트에 대해 예측을 하기에는 어려움이 있다. 특히, 운전자들의 경로 선택, 교통사고와 관련된 돌발 상황 등 다양한 교통 문제를 해결하기 위한 기술 및 대책이 개발되고 있는데 이러한 문제 해결방안을 검증하지 않고 바로 현장에 투입하기에는 위험성이 존재한다. 따라서 도로교통 효율성 및 안전성 증진을 위한 정책 및 기술을 도입할 때, 교통 시뮬레이션을 통해 도로교통안전 및 교통상황에 대한 예측, 관리, 분석 등을 수행함으로써 더욱 효율적인 기술 적용을 위한 환경을 제공할 수 있다.
도로교통 분야에서 활용할 수 있는 교통 시뮬레이션은 분석 범위 및 교통 흐름을 표현하는 정도에 따라 거시적 교통 시뮬레이션(Macroscopic traffic simulation), 중시적 교통 시뮬레이션(Mesoscopic traffic simulation), 미시적 교통 시뮬레이션(Microscopic traffic simulation)으로 구분할 수 있다. 또한, 교통 시뮬레이션 외에 운전자의 주행 행태에 대한 자료를 수집할 수 있는 주행 시뮬레이션 기술이 있다.

Macroscopic 교통 시뮬레이션
Macroscopic 교통 시뮬레이션은 가장 큰 네트워크 분석 범위로써 시뮬레이션 상에서 교통량, 속도, 밀도를 구간 기반으로 나타낼 수 있는 분석이다. Macroscopic 교통 시뮬레이션은 차량의 종류 및 특성에 상관없이 도로에 존재하는 모든 차량의 상태 정보를 파악하고, 시간당 특정 구역을 지나가는 차량의 흐름 정보를 종합하여 대략적인 현재 교통흐름 상태를 파악하는데 활용된다. 지역 간 교통의 장기적 예측에 주로 사용되며, 일반적으로 네트워크의 규모가 크고 간략화된 네트워크에 대한 분석에 활용하여 고속도로 노선 수립, 전략 개발 및 교통수요 분석 등에 활용된다. 예를 들면, 서해안 고속도로에 교통량이 집중되는 현상을 해소하기 위한 대책으로 제2 서해안 고속도로를 건설하여 개통하고자 하는 상황에서, 수요예측 없이 무작정 고속도로를 건설할 수는 없을 것이다. 따라서 Macroscopic 교통 시뮬레이션을 이용하여 제2 서해안 고속도로 개통 시에 발생하게 될 교통상황을 예측하고, 그에 따른 타당성을 판단하여 의사결정을 지원할 수 있도록 결과를 제시할 수 있다. 이러한 Macroscopic 교통 시뮬레이션은 교통수요예측 4단계 모형(통행발생, 통행배분, 수단 배분, 노선 배정)을 기반으로 하며, 대표적인 시뮬레이션 도구로는 TransCAD, Emme/3 등이 있다.

Mesoscopic 교통 시뮬레이션
Mesoscopic 교통 시뮬레이션은 교통흐름 표현의 중간 단계에 속하는 시뮬레이션으로, 거시적 정보와 미시적 정보를 모두 수집하여 현재의 교통흐름을 판단하는 역할을 수행한다. Microscopic 교통 시뮬레이션이 도로 구간에 대한 정보만을 기반으로 하여 시뮬레이션을 분석한다면, Mesoscopic 교통 시뮬레이션은 집계된 개별차량 정보를 모형화하여 시뮬레이션에 적용한다. 이러한 시뮬레이션 기술은 차량 간의 상호작용은 반영되지 않지만, 대규모 네트워크 계산에 있어 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다. Mesoscopic 교통 시뮬레이션 분석은 Macroscopic과 Microscopic의 중간단계 분석을 시행하며, SATURN, CONTRAM, METROPOLIS 등의 교통 시뮬레이션 Tool이 있다.




 Microscopic 교통 시뮬레이션
Microscopic 교통 시뮬레이션은 도로 교통 문제 해결을 위해 가장 일반적이고 광범위하게 이용되고 있는 기술로, 실제 교통흐름의 세세한 부분까지 관여하며, 차량과 주변 환경 정보를 취합한 후, 의사 결정을 통해 자연스러운 교통흐름을 생성할 수 있다. Microscopic 교통 시뮬레이션은 개별차량 모형 및 운전행태(차량 추종, 차로 변경, 간격 수락, 경로 선택 등)를 반영한 시뮬레이션 모형으로, 교통운영 평가 및 교통관리 전략 수립 등에 적합한 시뮬레이션 기술이다. Microscopic 교통 시뮬레이션은 개별차량을 시뮬레이션의 단위로 하여 차량 추종, 차로 변경 등의 모형을 기초로 결과를 도출한다는 점에서, 교통량, 속도, 밀도의 관계식을 기초로 하는 Macroscopic 교통 시뮬레이션 및 Mesoscopic 교통 시뮬레이션과 구분된다. 또한, 도로교통 시스템을 구성하고 있는 차량을 승용차, 버스, 트럭 등으로 구분하여 분석할 수 있으며, 차량 외에 보행자, 자전거, 오토바이 등에 대한 분석도 가능한 시뮬레이션 기술이다. 국내에 소개된 최초의 미시적 모형은 미국 연방도로교통청(FHWA: Federal Highway Administrator)에서 개발 보급한 일반도로망 모의실험 프로그램인 NETSIM이었으며, 이후 NETSIM을 고속도로 모의실험 프로그램인 FREESIM과 통합하여 통합 도로망 Corridor를 분석하는 CORSIM으로 발전시키고, TSIS(Traffic Software Integrated System)로 패키지화되었다. 최근 국내에서는 교통운영 분석 모의실험 프로그램으로 독일에서 개발한 VISSIM이 보편적으로 사용되고 있다. VISSIM은 교통공학 분야 특히 교통운영(Traffic Operation)과 대중교통(Public Transit) 분야 대안 분석에 유용하며 신호제어 전략, 차로운영 대안, 도로설계 대안, 교차로관리 대안, 정류장 대안 등에 적용할 수 있다.



주행 시뮬레이션(Driving Simulator)
주행 시뮬레이션은 VR(Virtual Reality) Simulation이라고도 하며, 가상현실 기법을 이용하여 실제 주행 상황을 재현하는 연구 장비로, 운전자가 운전하는 동안 수행하는 조향 휠 조작, 가.감속 페달 조작 등에 의해 야기되는 차량의 움직임을 실시간 시뮬레이션을 통하여 예측할 수 있는 기술이다. 이러한 주행 시뮬레이터를 이용하여 주행 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 실제로 운전하고 있는 것으로 느낄 수 있도록 하는 종합적인 연구 장비이다. 실제 주행에서 운전자의 안전을 위협할 수 있는 상황을 Risk-free 상태로 재연하고, 이에 대처하는 운전자의 행태 변화에 따른 차량의 움직임 변화를 예측하여 다양한 도로교통안전시설물에 대처하는 운전자의 반응을 분석할 수 있다. 주행 시뮬레이터를 이용하여 다양한 도로교통 시설물 등에 대한 연구를 수행함으로써, 교통사고의 예방 및 해석, 안전교육, 관련 법규의 제정 및 지능형 교통 시스템 연구 등에 효과적으로 응용할 수 있는 시뮬레이션 기술이다.

지금까지 소개한 다양한 교통 시뮬레이션 및 주행 시뮬레이션 기술은 연구의 목적과 활용도에 따라 적절한 방법론을 선택하여 사용할 수 있다. 최근 도로교통 시뮬레이션 기술의 발전 추세는 Macroscopic 교통 시뮬레이션과 Microscopic 교통 시뮬레이션을 통합하는 모형으로 발전하고 있다. 또한, 교통 시뮬레이션과 주행 시뮬레이션을 통합하여 실시간으로 운전자 행태를 교통류에 반영하여 연구할 수 있는 기술을 개발하는 데 주력하고 있다. 이러한 도로교통 시뮬레이션 기술을 이용하여 더욱 효율적인 도로교통 시스템의 운영, 안전한 도로교통 시스템을 구현하기 위한 다양한 연구를 수행해 보기를 기대한다.
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Paola
2015-12-24 05:51:39
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