Geometric standards applied to road design in Korea are established based on design speed. However, after examining the operating speed (V85) of a car driving an actual highway interchange ramp, the speed of the vehicle is significantly above the design speed, and due to the large variation in the speed of the ramp, the highway interchange is considered a dangerous area for traffic safety.
Therefore, in this study, the speed of operation(V85) was calculated for each type of trumpet-type interchanges in Korea.
And based on this, the speed of operation(V85) was calculated for each component of the connection geometry so that it could be applied when the new geometry stands are in place in the future.
노정훈 상무(도로 및 공항기술사), 도로부 (jhroh@samaneng.com)
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
도로 주행시 운전자는 도로의 선형, 환경, 기후조건 등에 영향을 받으며, 이러한 영향으로 운전자는 스스로가 자신의 주행행태를 결정하기 때문에 운전자의 주행행태는 도로의 기하구조와 밀접한 관계가 있다.
만약 엔지니어가 도로의 기하구조를 설계할 경우 운전자의 주행행태를 반영하지 못한다면 그 도로는 교통사고를 초래할 뿐만 아니라 이를 해결하기 위해 도로를 개량하거나 안전시설을 설치하는데 막대한 인력, 자재, 시간 등의 비용이 소모된다.
하지만 국내 도로의 기하구조 기준들은 대부분이 일본의 도로 구조령과 미국의 AASHTO 규정을 인용하고 있으며, 이는 국내 실정과 맞지 않는 기준들이 상당 부분 존재한다.
특히 고속도로 인터체인지에서는 고속도로 전체사고의 약 25%가 발생하고, 사고 원인의 53.3%는 과속에 의한 것으로 나타나(한국도로공사, 2018) 사회적으로 큰 이슈가 되고 있다.
따라서 연결로의 주행 안전성을 향상시키기 위해서는 국내 운전자들의 연결로 주행실태를 충분하게 파악하고, 이를 분석하여 기존에 적용하던 연결로 기하구조 설계기준을 운전자 주행특성에 맞게 반영할 필요가 있다.
그러므로 본 연구에서는 공용중인 고속도로 인터체인지 연결로 속도자료를 수집, 분석하고, 인터체인지 연결로 선형 요소별 운영속도(V85)를 산정하여, 향후 운영속도를 이용하여 인터체인지 연결로 기하구조를 개선하고자 할 때 속도 산정분야에 기여하고자 한다.
1.2 연구의 범위
본 연구은 고속도로 인터체인지 연결로에서 운전자의 주행행태를 파악하기 위해, 한국도로공사에서 공용중인 인터체인지 중 전체의 80% 이상을 차지하는 트럼펫형 인터체인지를 중심으로 분석을 수행하였다.
<표 1-57> 우리나라 고속도로 인터체인지 형식
연결로 운영속도(V85)를 분석하기 위하여 트럼펫형 인터체인지 형식과, 본선 통과형식 및 본선 설계속도를 기준으로
분류하여 총 12개의 트럼펫형 인터체인지를 선정하였으며, 선정된 인터체인지는 다음과 같다.
<표 1-58> 속도조사 인터체인지
1.2 연구의 방법
연구의 방법은 먼저 운영속도와 관련된 국내･외 연구자료를 검토하고 도로설계에 적용되는 운영속도 사례에 관하여 조사하였다.
또한, 공용중인 고속도로 트럼펫형 인터체인지의 기하구조 요소를 분석하고, 각각의 연결로 형식별로 가감속차로, 노즈, 연결로 구간을 NC200, NC350을 이용하여 속도자료를 수집하였다. 속도자료는 정확한 운영속도(V85)를 산정하기 위해 자료의 가공단계를 거쳤으며, Headway가 5초 이하인 차량은 자유속도가 아닌 것으로 판단하고 분석에서 제외하였다.
연결로의 운영속도는 각각의 조사지점에서 85백분위 속도( )로 산정하였으며, 조사대상 12개소 인터체인지에서 연결로 형식별, 그리고 기하구조 요소별 85백분위 속도를 평균하여 운영속도(V85)로 결정하였다.
2. 운영속도(V85) 관련 연구 및 적용사례 조사
2.1 운영속도(V85)와 관련된 연구
김용석(2004)은 운영속도를 기반으로 한 도로의 평면선형 안전성에 관한 연구를 수행하였다. 연구에 따르면 현재 우리나라 도로설계기준에서는 설계속도가 운영속도를 대표하는 것으로 인식하고 있으며, 설계속도와 운영속도의 불일치는 도로의 안전성에 영향을 미칠 수 있다고 판단하고 있다.
정준화(2005)는 지방지역 4차로 도로의 운영속도 분포 특성을 이용하여 설계기준 적용 방안에 관하여 연구하였다. 연구에서는 지방부 4차로 일반국도 평면곡선부 45개 지점에서 운영속도를 측정하고 속도의 누적 분포도를 이용하여 85백분위 속도에 대한 50백분위, 99백분위 속도에 대한 비율 1.175을 산정하였다.
한병도(2006)는 입체교차로 유출연결로의 접속부 설계속도에 관하여 연구하였다. 연구에서는 고속도로 인터체인지의 본선 및 접속도로 유출연결로 26개소에서 속도 측정 장비 Speed Meter를 설치하여 날씨에 따른 유출노즈에서의 운영속도를 측정하였다.
최재성(2008)은 자동차의 운영속도를 반영한 도로의 평면선형 설계기법에 관하여 연구하였다. 연구에서는 지방지역 양방향 2차로와 4차로 일반국도에 대한 속도 모형식을 제시하였으며, 제시한 모형식을 이용하여 도로의 평면선형 설계기법을 제시하였다.
Geometric Design Guide for Canadian Roads(TAC, 1999)에서는 도로의 안전을 판단하기 위해 설계 일관성을 평가하며, 주어진 기하구조에 대한 속도를 예측하고 이를 통해 안전성을 예측하였다. 운영속도의 예측 모형식은 다음과 같다.
Abishai Polus(ISHGD, 1995)는 세계 여러 나라에서 도로설계시 적용하는 속도에 관하여 연구하였다. 연구에 따르면 미국과 캐나다 등 몇몇 나라들은 전통적으로 설계속도 개념에 따라 도로설계를 진행하는 반면 독일, 스위스, 영국, 프랑스, 스웨덴 등은 설계속도 개념과 더불어 운전자의 주행행태가 반영된 85백분위 속도를 적용하여 도로를 설계하고 있다.
2.2 운영속도(V85) 적용사례
(1) 정지시거 산정
도로의 구조･시설기준에 관한 규칙 해설에 따르면, 정지시거 산정시 설계속도가 아닌 주행속도를 계산하여 정지시거를 산정하고 있다.
정지시거는 운전자 눈높이 1.0m에서 같은 차로상에 있는 위험요소, 고장차 등의 장애물(높이 15cm)을 발견하고 제동을 걸어 안전하게 정지할 수 있는 거리를 차로 중심선으로 측정한 거리를 말한다.
이러한 정지시거는 운전자가 앞쪽의 장애물을 인지하고 제동장치를 작동하기까지의 주행거리와 운전자가 브레이크를 밟기 시작하여 자동차가 정지할 때까지의 제동정지거리를 합한 값이다.
정지시거의 계산
이때 정지시거를 산정하기 위해 적용하는 주행속도는 운영속도(V85)가 아닌 설계속도에 일정비율을 곱하여 산정한 속도이다, 주행속도 산정은 다음과 같다.
<표 2-1 > 주행속도 산정방법
(2) 입체교차로 본선 유출 노즈통과 속도
도로의 구조･시설기준에 관한 규칙 해설에 따르면, 본선 유출 노즈에서 자동차의 운영속도는 연결로의 설계속도보다 높은 것으로 가정하였다. 따라서, 본선으로부터 연결로로 주행할 때 운전자는 본선에서의 고속주행 감각에서 완전히 벗어나지 못하므로 유출연결로 노즈에서는 반지름이 큰 원곡선을 적용하도록 규정하고 있다.
유출 노즈 최소평면곡선반지름은 노즈 부근에서의 통과속도를 <표 2-2>와 같이 가정하고, ＝2%, ＝0.10로 가정하여 계산하며, 연결로의 설계속도가 노즈 통과속도보다 높은 경우 노즈 통과속도는 연결로의 설계속도로 가정하여 계산한다.
<표 2-2> 본선 설계속도에 따른 유출 노즈 통과속도
본선 설계속도 100km/h인 경우 유출 노즈 최소 평면곡선반지름 계산
<표 2-3> 유출 연결로 노즈부 최소평면곡선반지름
(3) 검토결과
감사원 감사보고서 도로안전 관리실태(감사원, 2018)에 따르면 서해안고속도 안전진단 결과 “고속도로의 자동차 속도는 맑은 날과 강우시에도 큰 속도 차이가 발생하지 않은 것으로 조사된바, 시거 산정시 설계속도의 85%를 적용하는 것은 타당하지 않으며, 도로 전방에 있는 장애물을 발견하고 제동장치를 작동하여도 정지에 필요한 안전거리를 확보하지 않아 사고위험이 있다“고 시정을 요구하였다.
또한 시거 산정시 적용된 주행속도는 실제 운영속도보다 작은 값을 사용되어 정지시거가 과소하게 계산되고 있음을 알 수 있으며, 인터체인지 유출연결로에 적용하고 있는 노즈 통과속도는 일본의 설계기준을 그대로 적용하여 국내 현실과는 다소 차이가 있음을 알 수 있다.
따라서 정확한 운영속도를 산정하고 이를 기하구조에 적용함으로서 일반적으로 설계속도보다 높게 주행하는 운전자의 주행행태를 반영한 설계기준 개선이 필요하다.
3. 인터체인지 연결로 속도 조사
3.1 트럼펫형 인터체인지의 기하구조
인터체인지 속도조사에 앞서 트럼펫형 인터체인지의 연결로 특징에 대해 먼저 파악해 볼 필요가 있다.
Ramp-A는 설계속도 50km/h로서 영업소부터 Ramp-B Loop 연결로와 Ramp-C 준직결 연결로와 접속되며, Ramp-A 종점부는 설계속도 40km/h인 Loop 연결로와 원활한 접속을 위해 설계속도 50km/h의 최소곡선반지름에 근접한 원곡선으로 계획된다.
Ramp-B Loop 연결로는 설계속도를 40km/h를 적용하고 있으며, 용지편입을 고려하여 최소곡선반지름에 근접한 곡선반지름이 주로 사용된다. 또한 Loop 연결로는 Ramp-A와 본선에 원활한 접속을 위해 서로 다른 두 원곡선을 연결하는 난형 클로소이드가 적용된다.
Ramp-C 준직결 연결로는 설계속도 50km/h로서, 본선과 Ramp-A에 접속하기 위해 배향 곡선으로 계획된다. 본선 유출부는 본선 설계속도에 따라 노즈부 곡선반지름을 R=200~250m 이상 적용하여야 하며, 본선 유입부는 설계속도에 따라 최소곡선반지름 이상 적용한다. 또한 Ramp-A 접속부는 Ramp-A에 적용된 동일한 곡선반지름과 중심축이 적용되어야 연결로를 주행하는 자동차가 안전하고 원활하게 주행할 수 있다.
Ramp-D, Ramp-E는 직결 연결로로서 설계속도 50km/h를 적용하며, 본선 접속각에 따라 다양한 곡선반지름이 적용된다. 접속각이 작을수록 최소곡선반지름에 가까운 원곡선이 적용되며, 접속각이 클수록 곡선반지름이 큰 원곡선이 적용된다. 또한, 직결 연결로는 주로 클로소이드와 원곡선의 단순 조합으로 구성되며, 운전자는 평면선형이 양호하여 다른 연결로보다 운영속도가 빠른 경향이 있다.
또한, 각 연결로별 기하구조는 인터체인지의 위치, 형식 및 접속각에 따라 다소 차이가 있지만 대부분의 트럼펫형 인터체인지의 기하구조는 Fig. 3-1과 같이 구분된다.
Fig 3-1. 트럼펫형 인터체인지의 기하구조
3.2 연결로 속도조사
(1) 속도조사 장비
연결로에는 고속도로 본선에 설치되어 있는 VDS(Vehicle Detector System)와 같은 운영속도 측정 장비가 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 Nu-Metrics사의 이동식 교통정보시스템(NC-200, NC-350)을 사용하여 연결로 운영속도를 측정하였다.
NC-200, 350은 외부 센서 장비가 필요 없는 완전 독립형 이동식 검지기로 자기 형상화(VMI, Vehicle Magnetic Imaging) 기술을 채택하여 간단한 조작으로도 차량의 운영속도, 교통량, 점유율, 차량길이, 차두간격(Headway) 등의 교통정보를 수집할 수 있다.
Fig 3-2. 운영속도 조사장비(NC-350)
해당 장비를 사용하기 위해서는 먼저 검지기를 PC와 연결하고 MH Corbin Highway Data Management Software를 실행하여 검지기 작동시간을 입력한다. 그리고 조사 대상 연결로의 차로 중앙에 검지기를 붙인다. 이때 검지기가 주변 지형의 자기장을 분석하는데 시간이 소요되기 때문에 작동시간보다 30분 전에 검지기 설치를 완료한다. 조사시간 동안 검지기는 별도의 조작 없이 데이터를 수집하여 내부에 저장하며, 이렇게 수집된 데이터는 조사 완료 후 PC를 통해서 Excel 형태로 추출할 수 있다.
(2) 속도자료의 수집
속도자료를 수집하기 위해 먼저 측정하고자 하는 인터체인지 연결로에서 워킹 메저를 사용하여 연결로 전체 구간의 길이를 측정한다. 곡선구간에는 30~40m의 일정한 간격으로 검지기를 설치하고, 직선부에는 검지기 상황 및 평면선형을 고려하여 50m 이상으로 검지기를 설치하여 운영속도를 측정하였다.
NC-200, 350 검지기는 주변 자기장의 변화를 감지하여 운영속도를 측정하기 때문에 차량이 검지기 바로 위를 지나가지 않으면 데이터가 올바르게 측정되지 않을 수 있다. 그래서 검지기 설치는 차량들의 주행 궤적을 고려하여 최대한 많은 차량이 검지기 위를 통과할 수 있도록 차로 중앙에 설치하였다.
[그림 3-3] 연결로 검지기 설치 위치
감속차로에는 본선 설계속도에 따른 감속길이를 고려하여 본선 유출 노즈부터 본선 설계속도 100km/h 노선에서는 40m 간격으로 4개소, 본선 설계속도 120km/h 노선에서는 50m 간격으로 4개소를 설치하였다. 또한 가속차로에는 본선 설계속도에 따른 가속차로 길이를 고려하여 유입 노즈부터 설계속도 100km/h 노선에서는 50m 간격으로 6개소, 설계속도 120km/h 노선에서는 100m 간격으로 5개소를 설치하였다.
[그림 3-4] 가･감속차로 검지기 설치 위치
(3) 속도자료의 가공
NC-200, 350 검지기 측정 결과는 Excel 형태로 추출된다. 측정데이타는 관측시간, 운영속도, 노면온도, 차량길이 등의 세부 결과를 확인할 수 있다. 여기서 길이(Length)는 차종 구분에 사용될 수 있으며, Headway는 선두 차량에 의한 영향을 받았는지 확인하는 데 사용된다. 그리고 Advice Code는 관측 데이터의 오류 발생 여부를 나타내는데, Advice Code 2번은 조사가 정상적으로 수행되었음을 나타내고, 4번은 역주행 차량 존재, 128번은 차량길이, 속도 등 측정 결과가 과소･과대 측정되었음을 나타낸다. <표 3-1>은 검지기에서 추출된 데이터 형식이다.
<표 3-1> 운영속도조사 데이터 시트
조사 결과 추출된 NC-200, 350 검지기 데이터는 지점속도 측정 결과로 일정 구간의 연결로 운영속도를 예측하는데 적합하지 않다. 그래서 오류코드 발생 등 여러 가지 불필요한 자료가 포함되어 가공이 필요하다.
자료의 가공방법은 먼저 차량 도착시간을 확인하여 NC-200, 350 검지기 지점속도 자료를 개별차량의 운영속도 프로파일(Speed profile) 형태로 변환하였다. 그리고 Advice Code를 확인하여 오류가 발생한 데이터를 제거하였다. 이때, 미 검지, 오류코드 등으로 운영속도 관측 값이 존재하지 않는 지점은 전･후 지점의 평균값으로 보정하였다. 마지막으로 선두 차량에 의해 영향을 받을 우려가 있는 것으로 판단된 차량들을 제외하였는데, 해외 연구를 참고하여 Headway가 5초 이하인 차량은 자유속도가 아닌 것으로 판단하고 분석에서 제외하였다.
4. 연결로 운영속도(V85) 분석
4.1 운영속도의 개념
운영속도(Operating speed)는 기상조건이 양호하고 교통량이 적은 상황에서 운전자가 자유롭게 주행할 수 있는 속도를 의미한다(AASHTO, 2011). 또한, 운영속도는 실제 주행하는 자동차에 의해 관측되는 지점속도로서 도로의 기하구조와 안전성 문제를 점검하는데 유용한 개념이다. 운영속도는 운전자마다 다르게 나타나는 경향을 보이는데, 도로설계에서는 특정 지점의 운영속도 대푯값으로 85백분위 속도(V85)를 사용한다.
[그림 4-1] 85백분위 속도(V85) 계산
우리나라 도로설계 기준에서 설명하고 있는 V85는 도로의 구간특성을 운전자가 어떻게 받아들였는지 가늠하고 설계속도와 관련 기준 설정에 활용할 수 있는 속도로 정의하고 있다. 또한 V85는 도로 기하구조에 관한 운영속도를 통계적으로 기술하는 대푯값으로 기존 도로의 속도 한계를 정하는데 가장 일반적인 척도로써 받아들여질 수 있는 속도로 정의되기도 한다.
따라서 본 연구에서는 연결로의 속도 중에서 를 기준으로 운영속도를 분석하는 것이 가장 적절할 것으로 판단하였으며, 조사대상 12개소 인터체인지 운영속도 측정 결과를 연결로 유형별로 구분(Loop, 준직결, 직결(진출, 진입))하여 지점별V85를 산출하고, 기하구조별 평균운영속도를 산정하였다.
4.2 연결로 운영속도 분석
(1) Loop 연결로 운영속도 분석
Loop 연결로의 운영속도는 연결로를 구성하고 있는 선형요소를 구분하고, 해당하는 조사지점에서 V85를 산정하여 선형요소에 대한 평균운영속도를 산정하였다.
[그림 4-2] Loop 연결로 선형요소
<표 4-1> Loop 연결로 운영속도(유출)
<표 4-2> Loop 연결로 운영속도(유입)
Loop 연결로의 설계속도는 40km/h이나 최저운영속도는 유출연결로 R2에서 47.7km/h, 유입연결로 R2에서 49.2km/h로 조사되었다. 또한 가･감속차로를 제외한 연결로 모든 구간에서 운전자는 설계속도보다 약 7.4km/h~17.9km/h 이상 빠른 속도로 운영하는 것으로 조사되었다. 또한, 최소곡선반지름 R2에서의 운영속도는 고속도로 유입연결로보다 유출연결로가 다소 느린 것으로 조사되었다.
(2) 준직결 연결로 운영속도 분석
준직결 연결로의 운영속도는 연결로를 구성하고 있는 선형요소를 구분하고, 당해 조사지점에서 V85 를 산정하여 선형요소에 대한 평균운영속도를 산정하였다.
[그림 4-3] 준직결 연결로 선형요소
<표 4-3> 준직결 연결로 운영속도(유출)
<표 4-4> 준직결 연결로 운영속도(유입)
준직결 연결로의 설계속도는 50km/h이나 최저운영속도는 연결로의 최소곡선반지름 구간인 R1에서 최저운영속도가 나타났으며, 유출연결로 R1에서 60.2km/h, 유입연결로 R1에서 59.7km/h로 조사되었다. 또한 가･감속차로를 제외한 연결로 모든 구간에서 운전자는 설계속도보다 약 9.7km/h~27.1km/h 이상 빠른 속도로 운영하는 것으로 조사되었다.
(3) 직결 연결로 운영속도 분석
직결 연결로의 운영속도는 연결로를 구성하고 있는 선형요소를 구분하고, 당해 조사지점에서 V85 를 산정하여 선형요소에 대한 평균운영속도를 산정하였다.
[그림 4-4] 직결 연결로 선형요소
<표 4-5> 직결 연결로 운영속도(유출)
<표 4-6> 직결 연결로 운영속도(유입)
직결 연결로의 설계속도는 50km/h이나 최저운영속도는 연결로의 최소곡선반지름구간인 R5, R6에서 최저운영속도가 나타났으며, 유출연결로 R5에서 70.9km/h, 유입연결로 R6에서 71.9km/h로 조사되었다. 또한 가･감속차로를 제외한 연결로 모든 구간에서 운전자는 설계속도보다 약 10.9km/h~27.7km/h 이상 빠른 속도로 운영하는 것으로 조사되었다.
[그림 4-5] 트럼펫 Type-A 기하구조 요소별 운영속도
[그림 4-6] 트럼펫 Type-B 기하구조 요소별 운영속도
6. 결론
우리나라 도로의 기하구조는 설계속도를 기준으로 그 기준값을 결정하고 있으며, 도로를 주행하는 자동차의 주행특성을 나타내는 운영속도(V85)는 도로설계에 적용되지 않고 있다. 특히 고속도로 인터체인지 연결로는 본선보다 선형이 불량하고 속도의 변화폭이 크기 때문에 연결로 설계시 자동차의 운영속도를 고려하여 설계하는 것이 무엇보다 중요하다. 그러나 국내 설계기준에서는 연결로를 주행하는 자동차의 주행속도를 무시한 설계속도만 사용하여 설계하고 있다.
따라서 본 연구에서는 고속도로 인터체인지 주행속도 조사 결과를 토대로 인터체인지 연결로 각각의 기하구조 요소별로 운영속도(V85)를 산정하여 향후 도로설계 기준을 재정립할 때 사용할 수 있도록 다음과 같은 연결과를 도출하였다.
트럼펫형 인터체인지의 평균운영속도를 연결로 기하구조별 구분하여 분석한 결과 인터체인지 형식에 따라 [그림 4-5]과 [그림 4-6]과 같이 분석되었다.
분석된 운영속도를 살펴보면 연결로의 모든 구간에서 설계속도보다 높은 운영속도가 관측되어 설계속도와 운영속도의 차이가 큰 것을 알 수 있다.
이러한 설계속도와 운영속도의 차이는 인터체인지를 주행하는 운전자의 주행 안전성에 영향을 줄 수 있으며, 심각한 교통사고로 이어질 수 있다.
따라서 설계속도와 운영속도의 차이로 인해 발생 되는 안전성의 문제를 해결하기 위해서는 향후 운전자들의 주행특성을 반영하여 연결로에 대한 설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
참 고 문 헌
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11. Abishai Polus et al.(1995), Review of international design speed practices in roadway geometric design
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