운전자 차로선택행태에 근거한 톨프라자 설계 및 운영모형 : 전자요금징수시스템의 적용을 중심으로
Toll Plaza Design and Operation Model Based on Drivers' Lane Selection Behavior Patterns : Application to ETCS
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 오세창
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 공학계열
- 본문언어 한국어
초록/요약
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.
more초록/요약
The purpose of the study is to improve the design and operating method of Toll Plaza through analyzing the effect of traffic delay, congestion and dissolution by geometrical construction, lane operation, ETCS lane operation and so on at a Toll plaza. The previous toll plaza design method is to calculate the proper number of lane using model based on queuing theory according to relationship between vehicle's arrival rate and service time at a toll. Because of being based on the manual prepayment model at the beginning of the 1990's before introducing mechanized TCS, it is inadequate not only for the ETCS introduced hereafter but also for the current design method of the Toll Plaza based on TCS. For this reason, it is necessary that the proper design model of toll plaza for introducing variable payment systems and the methodology to maximize operating efficiency of toll plaza. The study develops the new simulation model based on analyzing the queuing theory and driver characteristics (particularly about lane selective characteristics) at toll plaza and suggests the design and operating model for toll plaza according to ETCS introduction using developed new simulation model. From the queuing theory's point of view, arrival rate and service time at a toll are analyzed for traffic characteristics. Vehicle's arrival rate that is the number of the arrival vehicle per a lane in time unit and service time for payments at a toll shows the normal distribution. From the driver characteristic's point of view, the stream of the process, a driver selects a service lane at a toll plaza and enters at main road after payment, is defined as the heuristic model. While the previous studies are on the basic premise that all drivers selects the lane with the minimal queuing, this study is on the basic premise that drivers already selected a desirous lane before toll plaza entry. From this premise, analysis shows the selection of the service lane follows the Poisson probability distribution and the application of ETCS make the difference of the mean value. This is, the introduction of ETCS has an effect on the selection of the lane at a toll plaza. The object-oriented simulation model that is able to simulate vehicles behavior at a toll plaza is developed by the result of the analysis based on the previous developed models. Toll plaza's geometric, operating and executive conditions are entered at the input stage. And the executive stage represents vehicle's movement on the basis of input data by particular module like vehicle generation, lane assignment, lane selection, traveling and lane change, etc. The output stages show the result of simulation as the measure of evaluation about arrival rates, queues and mean travel times. The new model obtains the excellent performance over 99% on arrival rate according to the field test and the results by the previous models and the vehicle movement by animation imitates the true vehicle movement and queuing generation similarly. And furthermore, the new model improves the mean absolute deviation up to almost 100%. But it has the limitation to model the toll plaza's conditions due to the inaccurate reflection of the acceleration, deceleration, service time and waiting time of the individual vehicle especially of the large-sized vehicle. Finally, the result of adopting the model according to the size of the representative toll plazas shows that it is suitable to operates the ETCS of dual lane type for the small-sized toll plaza having service lanes less than 5 lanes, the ETCS with a exclusive lane for he middle-sized toll plaza between 6 lanes and 9 lanes and the ETCS with more than a exclusive lane or a dual lane for the large-sized toll plaza over 10 lanes. The most important theoretical meaning of the study is that re-erects the process of the driver's logical decision about selecting the service lane as the heuristic model, improves the exposition of vehicle movement at toll plazas by probability distribution and makes the accurate representation of the traffic conditions possible. Also, it improves the experiential or theoretical methods to decide the size and position of toll collection facilities considered before the toll road design in the practical aspect related with the design and operation of a toll plaza and suggests the estimated design for practical conditions by the simulation. Through the result of the study, it can be expected the dissolution of the regular delay and congestion and the improvement of operating efficiency and service by applying to the toll plaza's design and operation over the nation. And form the foundation for the efficient introduction of the ETCS regularly introduced hereafter. It is necessary to improve the limitation of the model. The first, it cannot represent the traffic pattern of all of the toll plaza because of doing field test about only the open toll plaza in the metropolitan area as the subject of study. The second, the service time which is the most important element of simulation has no consideration for practical changing elements like age, sex, experience, the difference of traffic volume between peak time and non-peak time and so on and also use the previous result of study in case of car following and lane changing which is very important to represent vehicle movement at toll plaza. Finally, it has limitation to explain only with simulation without concern about traffic condition and circumstances like the adjacent intersection or ramps and etc. It is necessary that classifies all kind of toll plaza by type and develops not only generalized simulation model which is able to select conditions of driver's characteristics, geometrical structure decided by classified toll plaza to apply all kind of toll plaza but the simulation at network level to maximize the efficiency of whole network including express ways and connecting roads as the additional study after this.
more목차
목차
1. 서론 = 1
가. 연구의 배경 및 목적 = 1
나. 연구의 내용 및 방법 = 2
2. 이론적 고찰 = 7
가. 톨게이트 설치 기준 = 7
나. 관련 교통류 이론 = 10
다. 시뮬레이션 모형 = 26
라. 관련 연구 고찰 = 31
3. 톨프라자 설계 및 운영 모형 = 48
가. 자료 조사 및 분석 = 48
나. 시뮬레이션 모델링 = 88
다. 시뮬레이션 검증 = 102
4. 톨프라자 설계 및 운영 모형 적용 = 113
가. 톨프라자 설계 및 운영의 기본개념 정립 = 113
나. 민감도 분석 = 116
다. Case Study = 121
5. 결론 및 향후 연구 = 132
가. 결론 = 132
나. 향후 연구 = 136
참고문헌 = 139
ABSTRACT = 142
