제5장 고속도로 종합 분분석석

 

 

 

1. 개요

2. 분석 원칙

3. 계획 및 설계 단계 분석

4. 운영 상태 분석

 

 

1 개 요

 

본 편람의 2, 3, 4장은 각각 고속도로 기본구간, 엇갈림 구간, 연결로 접속부의 계획, 설계 및 운영 상태 분석에

대하여 상세히 다룬 장이다. 이들 장에서는 각 부분 구간별로 해당 구간의 서비스수준을 분석하였다. 그러나

고속도로는 상하류 부분 구간의 운영에 잠재적인 영향을 주는 여러 요소들로 구성된 복합적인 시설이다.

고속도로를 하나의 체계로 볼 때 이러한 부분 구간들은 고속도로의 구성 요소가 되므로 설계 또는 운영

분석시에는 고속도로 체계 차원에서 이들 분석 과정을 종합할 필요가 있다. 본 장에서는, 이러한 요소들을

고속도로 전체의 관점에서 종합하는 문제 및 운영상의 영향에 대해 설명하고자 한다. 여기서 제시되는 절차는

고속도로의 특정 소구간에 적용되는 것보다는 부정확하며, 산출되는 지표들은 근사값이므로 원칙적으로 여러 가지

운영상의 영향에 대한 상대적인 분석 개념을 제시한 것이다. 그렇지만 이러한 절차들은 각 구간이 시스템에

주는 전반적인 영향에 대한 이해와 통찰의 기초를 제공해 준다.

 

2 분석 원칙

 

(1) 고속도로의 구성 요소

    고속도로는 고속도로 기본구간, 엇갈림 구간, 연결로 접속부 등의 세 요소로 구성되어 있으며(<그림 5-1> 참조),

    각 구성 요소의 영향권은 <그림 5-2>에 표시되어 있다.

 

1) 고속도로의 구성 요소

    고속도로는 다음과 같은 세가지 요소로 구성되어 있다(<그림 5-1> 참조).

 

① 고속도로 기본구간 : 엇갈림 구간이나 연결로 접속부 차량의 합류 및 분류의 영향을 받지 않는

    고속도로 구간이다.

② 엇갈림 구간 : 교통 통제시설의 도움 없이 두 교통류가 맞물려 동일 방향으로 상당히 긴 도로를

    따라가면서 엇갈리는 구간. 엇갈림은 합류 구간에 이어 분류구간이 있거나, 유입 연결로 바로 다음에

    유출 연결로가 있어 이 두 연결로가 연속된 보조차로로 연결되어 있는 구간에서 발생한다.

③ 연결로 접속부 : 유입 또는 유출 연결로가 고속도로 본선에 접속되는 구간. 연결로 접속부에서

    본선 차량은 합류나 분류 차량과의 마찰을 피하여 감속을 하거나 차로를 변경하므로 기본구간보다

    혼란이 심하다.

 

연결로 및 연결로 접속부

고속도로 기본구간

엇갈림 구간

 

그림 5-1 고속도로의 구성 요소

 

2) 구성 요소의 영향권

    고속도로 기본구간은 엇갈림 또는 연결로 차량의 영향권을 벗어난 구간에 위치하는데, 일반적으로

    엇갈림 구간 또는 연결로 접속부의 영향권은 다음과 같이 설정한다(<그림 5-2> 참조).
 

① 엇갈림 구간 : 엇갈림이 시작되는 진입 연결로의 100m 상류 지점부터 엇갈림이 끝나는 진출

    연결로의 100m 하류 지점까지의 구간

② 진입 연결로 : 연결로 접속부의 100m 상류 지점부터 400m 하류 지점까지의 구간

③ 진출 연결로 : 연결로 접속부의 400m 상류 지점부터 100m 하류 지점까지의 구간

 

(2) 구간 분할 및 분석 결과의 종합

    시스템 차원에서 고속도로의 구성 요소들을 분석하기 위해서는 계획 및 설계 단계에서든, 운영 분석 단계

    에서든 우선적으로 각 구성 요소인 구간들을 분할하여 분석한 후, 이를 다시 종합해야 한다.

 

1) 분석 구간 분할

   전체 고속도로 시설의 설계 분석에 관련된 원칙은 고속도로 구간을 2, 3, 4장의 방법에 의해 각각

   분할하여 분석해 볼 수 있도록 소구간으로 나누는 것이다. 일반적으로 다음 지침에 따라 분석 구간을

   분할하면 된다.

 

① 연결로 접속부나 엇갈림 구간의 영향권을 벗어난 각 구간은 독립된 고속도로 기본구간으로 간주

    한다.

② 이 고속도로 기본구간 내에서 종단 경사가 3%이상이고 경사길이가 500m이상인 구간 또는 종단

    경사가 2%이상 3%미만이고 경사길이가 1.5km이상인 구간을 특정경사구간으로 구분하여 분석

    하여야 한다. 지형이 급격히 변하는 경우, 즉 평지부에서 구릉지나 산지로 변하는 경우는 하나의

    구간을 분리시킨 소구간으로 나누어야 한다. 급한 경사구간이 포함되지 않은 긴 기본구간은 4장에

    규정된 것과 같이 평지, 구릉지 및 산지의 확장 부분으로 생각하면 된다. 하향 경사구간은 특별히

    처리할 만한 지형 자료가 없다면 일반적으로 평지로 생각하면 된다(2장 고속도로 기본구간 참조).

③ 엇갈림 구간과 연결로 접속부는 <그림 5-2>의 영향권을 고려하여 분할하면 된다.

④ 일차적으로 각각의 연결로 접속부는 분리하여 생각하지만, 영향권을 고려하여 인접 하류부나

    상류부의 연결로와 함께 분석해야 한다.

⑤ 명확하게 엇갈림 구간으로 구분할 수 있는 연결로(연결로 엇갈림 구간)는 엇갈림 구간의 분석

    절차에 따라 분석한다. 엇갈림 형태 중에서 복잡한 교통류간 엇갈림을 발생시키는 형태로 설계

    하는 것은 가급적 피해야 한다.

 

분류 합류

고속도로 기본구간

400m 100m 100m 400m

분류 분류

고속도로 기본구간

400m 100m 400m 100m

합류 합류

고속도로 기본구간

100m 400m 100m 400m

합류 분류

고속도로 기본구간

100m 400m 400m 100m

100m

합류 분류

분류는 상류부 방향으로 750m 이상 영향을 미친다.

100m

기본구간

기본구간

 

그림 5-2 고속도로 구성 요소의 영향권

 

2) 구간별 분석

    실제 적용에 있어서는 다음의 순서에 따라 손쉽게 계산할 수 있다.

 

① 설계 서비스수준, 수요 교통량과 교통 특성, 평면 및 종단 선형 그리고 개략적인 연결로 위치를

    결정한다.

② 2장의 상세한 절차를 이용하여 앞에서 설명한 방법으로 분할한 고속도로 각 소구간에 대해 필요한

    기본 차로수를 정하며, 각 연결로의 유출입 교통량에 따른 차로수는 4장에서 설명한 방법에 따라

    결정한다.

③ 연결로 접속부의 위치나 구간별 차로수에 따라 엇갈림 구간이 발생할 수 있는 잠재 지역을 찾는다.

    다음의 세 가지 관점에서 4장의 절차를 이용하여 각 연결로 접속부를 분석한다. 이들 중 한 가지

    또는 두 가지는 고려할 필요가 없겠지만, 한 가지 이상의 유효한 분석이 최적 대안 설정을 위해

    필요한 경우도 있다.

 

․ 독립된 연결로로 분석

․ 인접한 하류의 연결로와 연계하여 분석

․ 인접한 상류의 연결로와 연계하여 분석

④ 엇갈림 구간은 이 구간에서 일어날 만한 운영 상태를 결정하기 위하여 3장의 절차에 따라 분석

    하여야 한다. 설계를 할 때 유입 연결로 다음에 유출 연결로가 계속되는 경우는 보조 차로가

    설치된 엇갈림 가능 구간과 보조 차로가 없는 연결로의 조합, 이 두 가지 측면을 모두 검토하여야

    한다.

⑤ 만약 앞의 ③항과 ④항의 결과가 불합리하다면 다음과 같은 대안을 고려하여야 한다.

 

․ 차로수 또는 연결로의 위치 변경 (교통 수요 분포에 영향을 줌)

․ 새로운 형태를 설계해 보기 위해 ② 항에서 결정된 본선 구간과 연결로의 설계 변경

․ 형태 변경, 엇갈림 발생 방지 또는 영향 감소 등을 위해 주요 인터체인지의 설계 변경

 

⑥ 앞의 ② 항에서 ④ 항까지를 반복한다.

 

3) 분석 결과의 종합

    각 구성 요소를 독립된 시설물로 간주하여 분석한 결과는 고속도로 시스템 차원에서 다시 종합하여

    검토할 필요가 있다. 특정 구간의 서비스수준이 좋게 판정되더라도 상하류의 다른 구간 서비스수준이

    이보다 나쁘다면 결국 특정 구간을 포함한 상하류 구간의 서비스수준은 가장 나쁜 서비스수준을 보이는

    구간의 수준으로 결정되기 때문이다. 서비스수준의 평가 기준이 각 구성 요소별로 약간씩 차이가

    있으므로 계획 및 설계시 구간별 평가 결과를 절대 비교한다는 것은 그 의미가 떨어진다. 다만, 열악한

    서비스수준을 보이는 구간에 대한 개선하는 데에 분석 결과를 활용할 수 있다.

    본 편람 2, 3, 4장의 절차에 따라 각 소구간의 서비스수준이 결정되었을 때, 어떤 수준을 해당 설계

    구간의 서비스수준으로 해야 하는 지를 결정해야 한다. 용량 측면에서 볼 때 분석 구간의 최대 교통량은

    가장 나쁜 서비스수준을 보이는 구간의 용량에 좌우됨을 감안하면, 그 중 가장 낮은 서비스수준 분석

    결과가 분석 구간 전체의 서비스수준을 좌우하므로, 개선의 초점을 이 구간에 두고 설계 및 운영 개선

    방안을 찾아야 한다. 물론 재정상의 제약은 이러한 결정을 어렵게 만들 수도 있으나 잘못된 설계로

    인해 향후 반복적인 정체 요인이 될 수 있음을 감안하여 보다 정확한 분석을 토대로 최적 대안을

    선정해야 한다.

 

3 계획 및 설계 단계 분석

 

(1) 고속도로 계획 및 설계의 원칙

    고속도로 계획 및 설계시 고려해야 할 주요 사항은 설계속도, 설계 서비스수준, 차로 수 균형 원칙 등이 있다.

 

1) 설계 수준 : 설계속도, 설계 서비스수준

    도로의 기능을 크게 접근성과 이동성으로 나눌 때, 접근성의 측정 지표는 도로간의 간격을 기준으로

    하고, 이동성은 속도 또는 통행 시간을 기준으로 한다. 고속도로는 무엇보다도 고속의 이동성이 요구

    되는 도로이므로 설계 수준은 어떤 도로보다도 높아야 한다. 일반적으로 고속도로의 설계 수준은 설계

    서비스수준이나 설계속도로 표현된다.

    설계 서비스수준이란 설계 대상 도로의 서비스수준(혼잡 상태)을 어느 수준까지 허용할 것인가 하는

    상황과 관련된 것이다. 이 수준은 해당 도로의 기능과 특성, 입지, 교통 특성 등을 고려하여 결정한다.

    설계 대상 도로가 도시 지역에 위치하는 경우 운전자들이 혼잡 상태의 도로에 비교적 익숙해 있고 도로

    부지의 확보가 어려운 점 등을 감안하여 설계 서비스수준을 낮게 잡을 수 있다.

    반면, 지방 지역에 위치하는 지역간 고속도로의 경우 장거리 통행이 많은 지역간 교통 특성과 부지

    확보가 상대적으로 쉽다는 점 등을 고려하면 도시 지역 도로보다는 나은 서비스수준으로 설계한다.

    따라서, 이 수준에 따라 차로수도 다르게 결정될 수 있다. <표 5-1>은 도로를 설계할 때 일반적으로

    사용하는 설계 서비스수준이다.

 

<표 5-1> 도로별 설계 서비스수준

 

구 분 지방 지역 도시 지역

고속도로 C D

일반도로 D D

 

또, 설계속도란 도로의 기하구조를 결정하는 기본 요소의 하나로, ‘자동차의 주행에 영향을 미치는

도로의 물리적 형상을 상호 관련시키기 위하여 정해진 속도로서, 날씨가 쾌청하고 교통 밀도가 낮으며

자동차의 주행 조건이 도로의 구조적인 조건에만 영향을 미칠 때 보통의 운전 기술을 가진 운전자가

쾌적성을 잃지 않고 안전하게 주행할 수 있는 속도’를 말한다. 따라서, 설계 대상 도로의 기능이 접근성

보다는 고속의 이동성을 요구하는 고속도로에서 설계속도는 도로의 평면선형과 종단선형 설계시 가장

중요한 변수가 된다. ｢도로의 구조 ․시설 기준에 관한 규칙 해설｣(국토해양부, 2009)에는 고속도로의

설계속도를 최소 100kph로 규정하고 있다.

 

2) 차로수 균형 원칙 : 수요-공급의 균형

    대부분의 경우 차로수는 재정상의 이유로 계획 단계에서 미리 결정되는 것이 보통이다. 그러나 차로

    수는 계획도로의 전 구간이 아닌 일부 구간의 차로수임에 유의해야 한다. 일반적으로 차로수 결정의

    대상이 되는 계획 구간은 유출입 교통이 발생하는 출입 시설 사이이므로, 유출입 교통량의 차이에 따라

    구간별로 차로수를 다르게 정할 수 있다. 즉, 설계 구간별 교통 수요에 맞게 차로수를 다르게 제공하는

    차로수 균형 개념에 따라 설계해야 한다.

    이 개념은, 엇갈림 구간에서는 엇갈림에 필요한 차로 변경 수를 최소화하고, 연결로 유출입부에서는

    균형 있는 차로 제공을 통해 구조적인 용량 감소 요인을 제거하기 위한 설계 개념이다. 특정 구간의

    서비스수준이 유출입 교통량의 많고 적음에 따라 설계 서비스수준보다 떨어질 수 있는데, 이러한 경우에는

    계획된 기본 차로수에 추가로 차로를 부가하여 설계해야 한다. 입체 교차 시설의 유출입 연결로나

    엇갈림 구간 설계에서 차로수 균형 개념을 적용하지 않을 경우, 이 구간의 운영 특성상 다른 구간보다

    많은 혼란을 야기시켜 상시적인 병목 구간이 될 수 있으므로 유의해야 한다.

    일반적으로 연결로 유출입부와 엇갈림 구간에서 차로수 균형 원칙은 다음 식과 같다(<그림 5-3> 참조).

 

① 유입부 ... 합류 후 차로수 ≥ [ 합류 전 전체 차로수 - 1 ]

② 유출부 ... 분류 전 차로수 ≥ [ 분류 후 전체 차로수 - 1 ]

 

유출부의 특수한 예로서, 1차로 유출 연결로의 경우 분류 전 차로수가 분류 후 전체 차로수와 같게

설계할 수 있다.

 

4 3 4

2 2

a) 차로수는 균형, 기본 차로수는 불균형

4 4 4

2 2

b) 차로수는 불균형, 기본 차로수는 균형

4 4 4

2 2

5 5

c) 차로수는 균형, 기본 차로수는 균형

 

그림 5-3 차로수 균형 개념의 적용

 

 

(2) 계획 및 설계시의 분석 과정

    계획 및 설계시 용량 분석 과정은 도로의 횡단면 설계와 각 고속도로 소구간들의 차로수 결정에 사용되며,

    분석은 5-2절의 분석 원칙을 따른다.

    여기서 설명된 절차를 설계 분석에 사용할 경우에는 어떤 자료를 입력하여 무엇을 산출해야 하는지를

    알아야 한다. 용량 분석도 단지 설계 수행에 필요한 입력 자료 중의 하나에 불과하다. 그밖에도 기하

    구조 설계 기준, 안전 기준, 도로표지 설치에 관한 기준 등이 포함된다.

    용량 분석 절차는 원칙적으로 도로의 횡단면 구성 요소(차로수, 차로폭, 길어깨)의 설계 및 각 고속

    도로 소구간들의 차로수 결정에 사용된다. 일반적으로 다음과 같은 자료가 계획 및 설계 분석에 필요

    하다.

 

․ 설계 서비스수준과 설계속도

․ 평면 선형과 종단 선형

․ 연결로와 인터체인지의 개략적인 위치

․ 추정 수요 교통량 및 수요의 특성, 즉 교통류 중의 트럭, 버스 등 중차량의 구성비, 첨두 시간

  계수(PHF) 등

 

분석은 5-2절의 분석 원칙을 따르며, 계획 및 설계시의 일반적인 분석 과정은 다음과 같은 단계를

거친다.

 

1) 1단계 : 설계 조건 파악(설계 서비스수준과 설계속도, 연결로 위치 및 교통수요)

2) 2단계 : 각 소구간과 연결로의 차로수 결정

3) 3단계 : 연결로 접속부의 분석

4) 4단계 : 엇갈림 구간 분석

5) 5단계 : 분석 결과의 종합 및 평가

 

(3) 분석 예제

    <그림 5-4>의 설계 문제는 앞의 절차를 설명하기 위한 예제이다. 표시된 교통수요는 첨두시간 환산 교통량 (VP, pcph)이다.

1) 1단계 : 설계 조건 파악(설계 서비스수준과 설계속도, 연결로 위치 및 교통수요, <그림 5-4>)

   설계 조건 : 설계 속도 100kph, 본선 지형은 평지, 지방 지역, 설계 서비스수준 C 수준(열악한 구간의

   경우 최소 D 수준), 보조차로의 길이(연결로 A 300m, 연결로 B 100m, 연결로 C 150m, 연결로 D 190m)

 

연결로 A 연결로 B 연결로 C

연결로 D

구간 1

구간 2 구간 3 구간 4

구간 5

A B C D

1,800m 2,600m 250m 1,500m 1,700m

3,100pcph

300pcph

600pcph

500pcph

300pcph

 

그림 5-4 설계 문제의 예

 

2) 2단계 : 각 소구간과 연결로의 차로수 결정

 

<그림 5-4>에 고속도로 각 구간별 수요 교통량이 표시되어 있다. <표 2-1>에 제시된 서비스수준 C의

기준(1,350pcphpl)을 적용하여 각 구간의 차로수를 구한다. 따라서 각 구간(기본구간 포함)의 서비스

수준은 기본적으로 C 수준이 유지되어야 한다. 이 시설은 3.5m 차로폭, 적절한 측방여유 및 100kph의

설계 속도로 설계하도록 결정되어 있다.

각 연결로에 필요한 차로수의 추정은 <표 4-2>를 이용하면 된다. 이 예제에서 모든 연결로의 설계

속도는 50kph 이상인 것으로 가정한다. 이 기준에 따르면 <그림 5-4>의 모든 연결로는 1차로로도 충분

하다는 것을 알 수 있으며, <그림 5-4>의 각 구간별 교통량과 필요한 차로수는 <표 5-2>와 같다.

 

<표 5-2> 소구간별 교통량과 필요한 차로 수

 

도로 구간 교통량 필요한 차로수

1

2

3

4

5

3,100

3,400

4,000

3,500

3,200

3

3

3~4

3

3

 

이 결과를 토대로, 가장 적절하리라 생각되는 형태를 <그림 5-5>에 표시하였다. 이 형태에서 연결로

B와 C 사이에 보조 차로를 설치하지 않으면 본선에 미치는 영향이 악화될 것이므로 보조차로로 연결

하면, 이 구간은 엇갈림 구간이 된다.

 

3) 3단계 : 연결로 접속부 분석

   예비 설계안(<그림 5-5> 참조)에 따라 연결로 B와 C 사이는 엇갈림 구간으로 규정되므로, 나머지

   연결로 조합들은 연결로 분석 절차에 따라 분석하여야 한다.

 

․ 연결로 A : 독립된 유입 연결로

․ 연결로 D : 독립된 유출 연결로

 

2,600m 250m 1,500m

1 2 3 4 5

연결로 A

연결로 B 연결로 C 연결로 D

 

그림 5-5 도로 구간별 예비 설계

 

① 연결로 A : 독립된 유입 연결로

    독립된 유입 연결로의 분석은 <표 4-4>의 추정식에서 본선 교통량에 대한 차로 1과 2의 비율(PFM)을

    산출한 뒤, 접속 차로로부터 두 개 차로의 교통량(V12)을 계산하고, 이를 이용하여 영향권의 밀도로 서비스

    수준을 판정한다.

 

․ VF = 3,100, VR = 300이므로, PFM = 0.5127 + 0.000193 × (300) = 0.5706.

․ V12 = VF × PFM = 0.5706×3,100 = 1,769pcph.

․ 최대 유입 교통량은 V12 + VR = 1,769 + 300 = 2,069pcph이므로, 합류 용량을 초과하는 지를

 

<표 4-1>에 의해 판정했을 때, 4,600을 초과하지 않으므로 영향권의 밀도를 산출한다.

밀도 DMR = 0.2048 + 0.003185 × (300) + 0.005988 × (1,769) - 0.00101 × (300) = 11.5pcpkmpl.

 

․ <표 4-3>에 의해 서비스수준 B.

 

② 연결로 D : 독립된 유출 연결로

    <표 4-5>에서 왕복 6차로 고속도로의 독립된 유출 연결로의 추정식으로 PFD를 산출한 후, V12의

    교통량을 계산한다. 계산된 V12를 이용하여 밀도를 예측하고 서비스수준을 판정한다.

 

․ VF = 3,500, VR = 300이므로, PFD = 0.609 - 0.0000004 × (3,500) - 0.00015 × (300) = 0.5626.

․ V12 = VR + (VF - VR) × PFD = 300 + (3,500 - 300) × 0.5626 = 2,101pcph.

․ 최대 유출 교통량 V12 = 2,101pcph이므로, 합류 용량을 초과하는 지를 <표 4-1>에 의해 판정했을

  때, 4,400을 초과하지 않으므로 영향권의 밀도를 산출한다.

    

밀도 DDR = 0.5108 + 0.00589 × (2,101) - 0.0043 × (190) = 12.1pcpkmpl.

 

․ <표 4-3>에 의해 서비스수준 C.

 

4) 4단계 : 엇갈림 구간 분석

   연결로 B와 C는 그 사이가 보조차로로 연결되어 있으므로 연결로 접속부가 아닌 엇갈림 구간으로

   간주하여 분석한다.(소구간 3) 엇갈림 구간 설계 형태는 노측 부지 여유가 없을 경우 연결로 엇갈림

   구간으로 처리(<그림 5-6a>의 경우)하거나, 여유가 있으면 측도 엇갈림 형태로 처리(<그림 5-6b>의 경우)

   할 수 있다. <그림 5-6>은 이들 형태의 기하구조와 유출입 교통량에 따른 엇갈림 도표를 나타낸 것이다.

 

2,600m 250m

연결로 B 연결로 C

<기하구조> <교통 흐름도>

2,900

500

600

a. 연결로 엇갈림 구간으로 설계할 때

<교통 흐름도>

600

3,400 2,900

500

600

200m

연결로 B 연결로 C

<기하구조>

250m 450m

900m

2,900

500

b. 측도 엇갈림 구간으로 설계할 때

 

그림 5-6 엇갈림 구간의 설계와 분석 개념(소구간 3)

 

① 연결로 엇갈림 형태로 설계할 때

    연결로 엇갈림 구간에 대해서는 3장의 분석 절차를 따라 분석한다. 비엇갈림 속도(Snw)와 엇갈림

    속도(Sw)를 계산하여 이를 교통량에 대하여 가중평균한 후, 분석 구간의 평균 밀도를 계산하여 서비스

    수준을 판정한다.

 

      

    

    

    

 94.1kph

      

    

     

    

 70.2kph

  100kph

   ×       = 0.249

   ×       = 0.988

  Vw/V = (500+600)/4,000 = 0.275

  (Vw + Vnw) = (500+600) + 2,900 = 4,000pcph

  3+1 = 4차로

  250m

평균 속도   





 













 





 86.0kph

평균 밀도   



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 11.6pcpkmpl ☞ 서비스수준 B.(<표 3-1>)

 

주어진 엇갈림 구간에 대해 추정된 평균 밀도는 서비스수준 B에 속하므로 설계 요건에 부합한다

(서비스수준 B 중에서 C에 가까운 수준).

 

② 측도 엇갈림 형태로 설계할 때

    측도 엇갈림 구간에 대해서는 3장의 분석 절차를 따라 분석한다. 다만, 측도 엇갈림 형태로 처리

    하였을 때에는 본선에 미치는 교통 영향 측면에서 상류부의 진출 연결로(분류부)와 하류부의 진입

    연결로(합류부)에 대한 추가 서비스수준 분석이 필요하다.

    먼저, 측도 엇갈림 구간부터 분석하면 본선이 아닌 도로 기능이 낮은 측도에서 엇갈림 교통류를

    처리하므로 별도의 속도 추정을 하지 않고 교통량에 따라 서비스수준을 판정한다. 측도 엇갈림 구간 내에

    엇갈림 교통량이 1,100pcph이므로 <표 3-3>에 의하면 서비스수준 B에 속한다. 연결로 엇갈림 구간으로

    설계했을 때와 같은 수준이지만, 내용적으로는 서비스수준 A에 가까운 수준이라는 차이가 있다.

    문제는 측도 엇갈림 구간으로 설계했을 때 인접하여 붙는 본선 진출 연결로(분류부)와 진입 연결로

    (합류부)의 서비스수준이 어떠한 수준으로 되느냐이다. 측도 엇갈림 구간으로 설계할 정도의 부지 여유가

    있다고 보고 상하류부 연결로의 감가속 차로를 충분히 길게 잡으면, 즉 본선 진출 연결로 B의 감속

    차로는 250m, 본선 진입 연결로 C의 가속차로는 450m로 한다.

    본선에서 진출하여 측도 엇갈림 구간으로 진입하는 상류부의 진출 연결로 분류부 분석은 <표 4-5>에서

    왕복 6차로 고속도로의 독립된 유출 연결로의 추정식으로 PFD를 산출한 후, V12의 교통량을 계산한다.

    계산된 V12를 이용하여 밀도를 예측하고 서비스수준을 판정한다.

․

VF = 3,400, VR = 500이므로, PFD = 0.609-0.0000004×(3,400)-0.00015×(500) = 0.5326.

V12 = VR+(VF-VR)×PFD 이므로, V12 = 500+(3,400-500)×0.5326 = 2,044pcph.

 

․ 최대 유출 교통량 V12=2,044이므로, 분류 용량을 초과하는 지를 <표 4-1>에 의해 판정했을 때,

  4,400pcph를 초과하지 않으므로 영향권의 밀도를 산출한다.

․ 밀도 DDR = 0.5108 + 0.00589×(2,044) - 0.0043×(250) = 11.0pcpkmpl (<표 4-3>에서 서비스

  수준 B이나, 서비스수준 C에 가까운 수준).

 

다음으로 측도 엇갈림 구간에서 진출하여 본선으로 진입하는 하류부의 진입 연결로 합류부 분석은

<표 4-4>의 추정식에서 본선 교통량에 대한 차로 1과 2의 비율(PFM)을 산출한 뒤, 접속 차로로부터

두 개 차로의 교통량(V12)를 계산하고, 이를 이용하여 영향권의 밀도로 서비스수준을 판정한다.

 

․ VF = 2,900, VR = 600이므로, PFM = 0.5127+0.000193×(600) = 0.6285.

  V12 = VF×PFM 이므로, V12 = 0.6285×2,900 = 1,823pcph.

․ 최대 유입 교통량 V12+VR = 1,823+600 = 2,423pcph이므로, 합류 용량을 초과하는 지를 <표 4-1>에

  의해 판정했을 때, 4,600pcph를 초과하지 않으므로 영향권의 밀도를 산출한다.

․ 밀도 DMR = 0.2048+0.003185×(600)+0.005988×(1,823)-0.00101×(500) = 12.6pcpkmpl

  (<표 4-3>에서 서비스수준 C이나, 서비스수준 B에 가까운 수준).

 

측도 엇갈림 구간으로 설계했을 경우, 서비스수준을 정리하면, 인접 상류부의 연결로 접속부(분류부)는

서비스수준 B(C에 가까운 B), 측도 엇갈림 구간은 서비스수준 B(A에 가까운 B), 하류부의 연결로 접속부

(합류부)는 서비스수준 C(B에 가까운 C) 등으로 각각 분석되었다. 이들 모두 설계 요건에 부합한다.

이 결과를 연결로 엇갈림 형태로 설계했을 때와 같이 비교하면, 상류부 분류부와 측도 엇갈림 구간은

약간 나아지고 하류부 합류부는 약간 나빠지므로, 전체적으로 비슷한 서비스 상태를 보인다고 볼 수

있다. 출입 교통이 본선에 미치는 영향 측면에서 볼 때, 두 형태는 영향을 미치는 영역의 진행 방향

분산 정도가 다른 정도이지 그 영향 정도는 큰 차이가 나지 않음을 보여준다. 즉, 연결로 엇갈림 형태는

해당 구간 길이와 상하류부의 얼마 정도의 구간 길이만큼에서 본선 우측 영역에 진행 방향으로 길게

영향을 미치는 반면, 측도 엇갈림 구간의 경우 상류부의 분류부와 상류부의 합류부를 포함한 본선의

우측 두 접속부 부근에서 영향을 미침을 보여준다.

다만, 측도 엇갈림 처리 기술 대안이 ⅰ) 용량 개념에 기반을 둔 것이라기보다는 본선의 고속 교통과

출입 차량의 저속 교통을 분리시켜 안전 측면을 더 고려했다는 점에서, ⅱ) 본선에 두 개의 출입

지점상의 영향을 주고 있음에도 큰 영향이 없음을 보인다는 점에서 비교적 긍정적인 대안임을 분석

결과는 보여 준다.

 

5) 5단계 : 분석 결과의 종합 및 평가

   고속도로 기본구간을 포함하여 엇갈림 구간과 연결로 접속부의 모든 서비스수준이 설계시의 최소

   기준치와 부합하므로 <그림 5-5>에서 시도된 예비 설계는 시행할 만한 것으로 판단된다. 다만, 소구간

   3에서 측도 엇갈림 구간 설계시와 소구간 5의 분류부에서 국지적으로 그 운영 상태가 다른 구간보다

   다소 양호하지 않음을 염두에 두어야 한다.

 

4 운영 상태 분석

  고속도로 운영 분석 방법은 설계시의 접근 방법과 거의 같지만 대안을 고려하지 않는다는 점에서 더 단순

  하다. 모든 교통량, 기하구조 및 교통 상태 등을 알아야 하며, 연결로의 위치, 엇갈림 형태 및 기타 특성에 따라

  고속도로를 소구간으로 나누어 분석해야 한다. 운영 상태 분석은 교통류가 정상류 상태일 때와 통행 와해

  상태일 때로 나누어 분석한다.

 

(1) 정상류 상태의 분석

    교통류가 정체되지 않은 정상류 상태를 분석할 때에는 앞에서 설명한 분석 지침에 따라 고속도로를 동질성

    구간으로 나누어 다음 순서에 따라 분석하면 된다.

 

1) 2장의 절차에 따라 각 소구간의 서비스수준 결정

2) 다음과 같은 경우에 대하여 각 연결로 접속부의 서비스수준 결정 : 이들에 대한 검토는 4장의 분석 절차를

   따라야 하며, 연결로가 명확하게 엇갈림 구간의 일부일 때는 3장의 절차를 이용해야 한다.

 

① 독립된 연결로

② 인접한 하류의 연결로와 연계

③ 인접한 상류의 연결로와 연계

 

3) 엇갈림 구간의 서비스수준 결정(3장의 절차)

   특정 소구간이 이들 분석 방법 중 여러 가지로 적용이 가능한 경우, 그 중 가장 낮은 서비스수준

   분석 결과를 보이는 경우를 적용한다. 각 소구간별 서비스수준을 종합하였을 때 가장 낮은 운영 상태를

   나타내는 구간이 분석 구간 전체의 서비스수준을 좌우하므로, 개선의 초점을 이 구간에 두고 운영 개선

   방안을 찾아야 한다. 소구간들의 분석 결과에 대한 포괄적인 해석은 경험적인 판단에 달려 있으며,

   엇갈림 유역과 연결로 접속부의 영향권에 대한 일반적인 지침은 5-2절에 설명되어 있다.

   실제로 개별 요소의 영향권은 교통수요나 기하구조 조건 등에 따라 좁게는 수백 미터에서 넓게는

   1km 이상의 범위에 걸쳐 다양하게 나타난다. 그러나, 이러한 영향권을 정확하게 결정하지 못한다

   할지라도 인접하는 소구간보다 나쁜 서비스수준으로 운영되는 엇갈림 구간 및 연결로 접속부는 이들이

   상류 구간의 운영 상태에 영향을 미치기 때문에 주의하여야 한다.

 

<그림 5-7>은 어떤 고속도로의 특정 구간 운영 상태를 소구간별로 분석한 결과를 그림으로 나타낸

것으로 매우 유용한 분석 기법이다. 이 기법에서 가정한 영향권의 기준은 5-2절에서 이미 설명한

바 있다.

 

① 유입 연결로 : 100m 상류, 400m 하류

② 유출 연결로 : 400m 상류, 100m 하류

③ 엇갈림 유역 : 유입 연결로에서 100m 상류, 유출 연결로에서 100m 하류

    각 소구간에 대한 서비스수준을 표시한 <그림 5-7>을 보면, 소구간 4의 엇갈림 유역이 병목 구간

    또는 한계 구간이라는 것이 명확하게 나타난다. 표시된 운영 상태가 유지되는 동안 소구간 4가 서비스

    수준 E의 악화된 상태로 운영되어도 다른 구간에 영향을 미치지만 않는다면, 다른 소구간들은 서비스

    수준 B나 C로 운영될 수 있을 것이다. 이미 설명한 바와 같이 소구간 4가 상류 구간에 미치는 영향을

    정확하게 결정할 수는 없으나, 그 영향이 확산되지 않는다는 보장은 없다.

 

400m

100m 100m 100m

400m

100m

-F

-E

-D

-C

-B

-A

서비스

수준

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

 

그림 5-7 분석 구간 전체의 서비스수준 비교

 

교통량이 이보다 조금 더 증가하면 소구간 4는 제일 먼저 통행 와해 상태가 발생하게 될 것이며,

그 여파는 상류부인 소구간 3, 소구간 2 그리고 소구간 1의 차례로 퍼져나갈 것이다. 이 구간에서 통행

와해 상태가 발생하면 이 상태의 시공간적 확산은 다음 절의 상세한 분석 기법을 사용하여 추정할 수

있다.

 

(2) 통행 와해 상태의 분석

    고속도로의 운영 특성상 용량을 초과한 교통수요, 사고, 공사 등으로 인해 한 지점에서 통행 와해 상태가

    발생하면, 그 여파는 고속도로 전체 구간에 미친다. 여기서는 고속도로의 한 지점에서 발생한 통행 와해 상태가

    주는 시공간적 영향을 분석한다.

    통행 와해 상태가 발생하는 동안이나 발생 직후 교통류의 움직임을 파악하기는 쉽지 않다. 그러나

    중요한 것은 정체된 차량 행렬이 해소될 때 빠져나갈 수 있는 최대 교통량은 얼마나 되는가 하는 점이다.

    많은 경우 차량들은 멈춰 있던 상태에서 정상적인 상태의 용량(설계속도 100kph일 때 2,200pcphpl)을

    넘게 빠져나갈 수는 없다. 연속류 통행에서는 속도, 밀도 및 교통량 사이의 관계식이 용량 상태 전후

    에서 불연속적이며, 정체 상태에서 출발할 수 있는 최대 교통량은 안정류 상태에서의 최대 교통량보다

    적다.

    고속도로에서 정지 상태의 차량 행렬로부터 출발하는 교통량은 적게는 1,500pcphpl에서 많게는

    2,200pcphpl의 범위에 분포한다. 지역적인 운전자 특성이 여기에 주로 영향을 미치며, 그 범위는 용량

    수준에 비해 32%까지의 용량 감소에서부터 거의 감소되지 않는 경우에까지 다양하게 나타난다.

    사고로 인한 일시적인 병목이나 기하구조상의 제약으로 인한 영구적인 병목이 정체 차량군 형성과

    소멸에 미치는 영향은 작지 않다. <그림 5-8>에 표시된 경우를 생각해 보도록 하자. 기본 조건을 가진

    설계속도 100kph의 3차로 고속도로의 한 구간에서 첨두 한 시간 동안의 교통수요는 5,500pcph, 첨두

    시간 다음 한 시간 동안은 4,500pcph, 그 다음 한 시간 동안은 3,000pcph라고 가정한다. 만약, 첨두

    시간의 시점에서 사고가 발생하여 15분 동안 한 차로가 차단되어 정체 차량군이 형성되었을 경우, 차로당

    용량이 1,500pcphpl로 감소한다고 가정(이때의 용량은 2,200pcphpl이 될 수 없다)하면 이로 인해

    다음과 같은 운영 여건의 변화를 예상할 수 있다.

 

① 한 차로를 차단할 경우 용량은 곧바로 6,600pcph에서 4,400pcph 이하로 감소하며, 수요 교통량이

    5,500pcph이기 때문에 즉시 정체 차량 행렬이 발생한다. 더구나 이로 인하여 용량이 3,000pcph로

    떨어진다.(2차로만 통행하면 차로당 용량이 1,500pcphpl로 감소하는 것으로 가정했을 경우)

    따라서, 사고가 발생한 직후 15분 동안은 5,500/4 = 1,375pc로 도착하여 3,000/4 = 750pc만

    통과하며, 625pc의 차량 행렬이 정체 구간의 뒤쪽에 형성된다.

② 차단된 차로가 정상 개통된 후에도 멈춰 있는 차량 행렬이 여전히 존재하기 때문에 용량은 단지

    1,500×3 = 4,500pcph로만 증가한다. 따라서, 다음 45분 동안은 5,500×3/4 = 4,125pc가 도착

    하여 4,500×3/4 = 3,375pc만 통과하게 되므로 750pc의 차량 행렬이 발생한다.

③ 두 번째 한 시간 동안은 4,500pc의 도착 교통량이 모두 통과한다. 이때 차량 행렬은 증가하거나

    감소하지 않고 안정된 상태를 유지하지만 분산되지는 않는다.

④ 그 후, 차량 행렬은 분산되기 시작하는데, 3,000pcph가 도착하고 4,500pcph가 통과하기 때문이다.

    1,375pc(625 + 750)의 차량 행렬은 0.92시간(= 1,375/(4,500~3,000))에 걸쳐 분산된다.

    따라서 본래의 용량까지 회복되기까지는 15분 동안의 한 차로 불통이 발생한 후 약 2.92시간이 소요

    된다. 차량 행렬의 길이는 한 대당 유효 길이를 3개 차로에 동일하게 10m라고 가정할 때 4.583km

    (= (1,375/3)×10)에 달하게 되므로 첨두시에는 4km 이상의 길이로 한 시간 동안 지속된다.

 

<그림 5-8>은 이 분석 결과를 그림으로 나타낸 것이다. 여기의 예는 극단적인 것으로 계산을 단순화

하기 위하여 차량 행렬에서의 출발률을 1,500pcphpl로 가정한 것이다. 이 값은 많은 경우에 너무 큰

값이 될 것이다. 그렇지만 통행 와해 상태의 시공간적인 파급 효과는 명확하게 나타나므로 고속도로

운영 상태 분석 과정에서는 이로 인한 잠재적인 사고까지도 고려해 볼 필요가 있다. 차량 행렬 내의

차량 길이인 10m는 근사값이며, 차량 행렬 내에서의 잦은 정지와 진행 움직임을 고려한 값이다.

 

1.0 A 2.0 3.0

시간(시)

750

B

412

5

550

0

C

E

D

F

862

5

G

H

10,000

13,000

I

5,000

10,000

15,000

차단 시점부터 2.92시간이

지난후 대기행렬은 해소된다 2.92

도착 교통량(수요)

통과 교통량(용량)

EF : 대기 차량의 차량당 대기시간

DE : 대기 행렬의 길이(대)

차량 대수(pc)

15분 동안 한

차로를 차단함

5,500pcph

 

그림 5-8 통행 와해 상태의 차량 대기 행렬의 형성과 분산

 

이 기법은 근사적인 것이며, 불안정한 고속도로 교통 흐름에 대한 여러 가지 미시적인 특성을 고려

하지 않은 것이다. 그러나, 고속도로 전체의 운영상 한 지점에서 통행 와해 상태가 주는 영향을 추정

하는 데 유용하다. 그렇지만 차량 행렬에서 출발률이 지역 조건에 따라 상당히 폭넓게 변하므로 이와

같은 분석을 수행할 때는 현장에서 관측한 적절한 출발률에 따라 적절히 조정하여야 한다.