교통정보와 가변요금을 결합한 교통관리모형 개발
Development of an Integrated Congestion Management Model based on Traffic Information and Dynamic Toll
초록/요약
급격히 증가하는 교통수요에 대응하기 위해 도로 공급정책이 주로 사용되었지만 이는 근본적인 해결책이 될 수 없다는 인식이 대두됨에 따라, 도로망의 효율적 활용과 교통수요관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 교통량 집중으로 인한 도시부 간선도로의 교통혼잡이 급격하게 증가되는 바, 우리나라를 비롯한 미국 등 여러 나라에서 교통축(corridor) 중심의 동적 교통관리에 대한 연구가 진행되고 있다. 다양한 교통관리방안 중에서, 교통정보와 통행요금은 교통수요를 관리하고 집중된 교통량을 도로망에 적절히 분산시키기 위한 효율적인 제어수단으로 이용될 수 있다. 우리나라는 2007년 하이패스의 전국 개통과 2009년 9월말 하이패스 평균 이용률이 40%를 상회하였고, 무선통신기술의 급속한 발달과 DMB, 스마트폰, 하이패스 단말기 등 다양한 교통정보제공매체의 증가로 교통정보와 가변요금을 이용한 동적 교통관리의 제반 여건이 구축되었다. 특히 현재 연구 중인 설계속도 160km/h이상의 고규격 고속도로인 스마트하이웨이가 실용화될 경우, 혼잡해소와 돌발상황 발생방지를 위해 교통수요관리와 교통운영관리가 결합된 효율적인 도로 교통망 운영관리의 요구가 증가할 것으로 보인다. 본 논문은 교통혼잡을 해소하기 위해 교통축 중심의 교통관리에 대한 관심이 높아지고 있는 시점에서 교통정보와 가변요금을 결합하여 동적 교통관리를 수행할 수 있는가 하는 주제를 다루고 있다. 본 연구에서는 교통정보제공 및 가변요금 결정문제를 네트워크 설계문제로 보고 통행배정문제와 교통정보제공, 통행배정문제와 가변요금 최적화 문제가 결합된 이중 바이레벨 문제를 해결하기 위한 모형을 개발하였다. 통행배정 문제시 현재 교통상황을 확률적 통행상태로 가정하여 교통정보제공을 통해 이용자 균형상태 문제로서 해법을 모색하며, 이용자 균형상태에서 가변요금 최적화 문제를 고려할 때 시스템전체의 총통행비용 최소화문제로서 해를 구하였다. 본 연구에서는 민감도 분석을 수행하여 최적해를 찾는 Stackelberg 게임을 적용하는 모형으로 개발하였다. 모형 개발과 실험을 위한 기본 전제로 가상의 네트워크와 수요함수가 고려되었으며, 수요는 단일계층과 승용차로만 구성되어있다고 가정하였다. 개발된 모형에 대해서는 예제 교통망에서 실험이 이루어졌으며, 이를 통해 모형의 알고리즘에 대한 설명과 검증이 이루어졌다. 논문의 중요한 결과는 다음의 5가지로 압축될 수 있다. 1) 확률적 통행배정결과, 실제 도로망에서 흔히 관찰할 수 있는 특정 경로의 교통량 집중현상을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 이는 실제 교통환경에서 흔히 관찰할 수 있으나 기존의 교통배정이론 및 경제학이론에서 반영하지 못하는 인간의 비합리성으로, 사람들이 갖는 현재의 상황을 벗어나기를 꺼려하는 습성인 현상유지편향(status quo bias)을 반영하는 것이다. 2) 교통량 집중으로 혼잡이 발생할 경우, 전략적 교통정보 제공으로 이용자 평형상태를 도출할 수 있는 것으로 나타났다. 집중된 교통량을 분산시키기 위한 교통정보 제공전략은 교통량이 상대적으로 적은(혹은 통행시간이 적은) 경로의 교통정보를 집중적으로 제공하는 것이다. 현실에서 볼 때 이는 고속도로 교통량을 국도로 분산시키기 위해서는 고속도로 보다는 국도의 교통상황에 대한 정보를 운전자에게 자주 제공하는 것이 필요하다고 해석될 수 있다. 3) 수요증감에 따른 교통정보 제공전략과 가변요금 변화를 실험한 결과, 전략적인 교통정보 제공만으로 시스템 최적상태를 도출할 수 없었다. 즉, 기존 연구결과와 동일하게 교통정보 제공만을 통해서는 시스템 최적상태를 도출할 수 없는 것으로 나타났다. 4) 이러한 교통정보 제공의 한계를 보완할 수 있는 것이 바로 가변요금이며, 교통정보와 가변요금을 통해 시스템 최적상태를 도출할 수 있었다. 즉, 효율적인 도로망 운영을 위해서는 교통정보와 가변요금의 역할이 반드시 필요하며, 시스템 최적상태를 만들 수 있다. 5) 어떠한 상황에서라도 가변요금 부과를 통해서는 시스템 최적상태를 도출할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 이를 위해서는 높은 통행요금부과가 필요한 것으로 나타나, 교통정보와 가변요금을 결합할 경우 적은 사회적 비용으로 보다 효율적인 도로망 운영이 가능하다. 6) 마지막으로, 교통정보와 가변요금을 통해 동적 교통관리를 수행할 경우, 교통정보의 역할이 무엇보다 중요하다는 것이다. 만약 교통정보제공을 통해 운전자의 인지오차가 줄어들고 정확한 경로를 선택할 수 있다면, 도로 운영자는 보다 적은 노력(가변요금)으로 시스템최적의 교통상황을 이룰 수 있다.
more목차
제1장 서 론 1
제1절 연구의 개요 및 배경 1
1. 연구의 개요 1
2. 연구의 배경 3
제2절 연구의 목적 및 내용 11
1. 연구의 목적 11
2. 연구의 내용 12
제2장 이론적 고찰 14
제1절 통행배정 14
1. 통행배정 이론 14
2. 확률적 통행배정모형 17
3. 바이레벨 문제 및 게임 이론 22
제2절 교통가격정책 26
1. 교통수요관리 26
2. 교통가격정책 27
3. 혼잡통행료 이론 30
제3절 통행요금관련 연구 고찰 36
1. 통행요금 산정 36
2. 혼잡통행료 37
제4절 교통정보관련 연구 고찰 47
1. 교통정보제공과 경로전환율 47
2. 운전자 경로선택 행태분석 49
3. 교통정보 제공전략 52
제5절 기존 연구의 한계 및 연구 방향 설정 55
1. 기존 연구의 한계 55
2. 연구의 방향 설정 58
제3장 모형 개발 60
제1절 교통정보 제공전략 모형 개발 61
1. 운전자의 인지오차 61
2. 교통정보 제공전략모형 목적함수 결정 65
제2절 가변요금 결정모형 개발 72
1. 가변요금의 필요성 72
2. 가변요금 결정모형 목적함수 결정 73
제3절 경험적 민감도 분석 76
1. 풀이 알고리즘 소개 76
2. 교통정보 제공전략 모형의 민감도 분석 77
3. 가변요금 결정모형의 민감도 분석 78
4. 알고리즘 구축 80
제4장 모형의 적용 및 평가 83
제1절 예제 교통망에서의 수리적 풀이 84
1. 가정 및 전제조건 84
2. 알고리즘 적용 문제풀이 86
제2절 가변수요 실험 95
1. 가정 및 전제조건 95
2. 가변수요 실험결과 97
3. 가변수요 실험결과 해석 100
제3절 시나리오 분석 104
1. 개요 104
2. 합리적인 교통정보 제공횟수 105
3. 도로특성별 인지오차 차별화 108
제4절 모형의 평가 110
1. 개요 110
2. 결정적 이용자 평형상태에서의 가변요금 적용 111
3. 확률적 통행배정 상태에서의 가변요금 적용 115
4. 모형의 평가 결과 120
제5장 개발모형의 현실 적용방안 수립 123
제1절 실제 통행비용함수 적용 124
1. 개요 124
2. 대상 구간 선정 124
3. 가정 및 전제조건 129
4. 모형의 정산 131
5. 모형의 적용결과 133
제2절 관측 교통자료와 교통류 이론 적용 135
1. 관측 교통자료 및 교통류 이론을 이용한 경로전환 교통량 산정 방법론 개발 135
2. 가변요금 경로전환율 분포 추정모형 개발 139
제6장 결론 및 향후연구과제 152
제1절 결론 152
제2절 향후 연구과제 156
참 고 문 헌 158
