자율주행 관련 기술이 나날이 발전하고 있다. 도로에서 일반 차량과 섞여 운행할 때 자율주행 순기능을 확보하는 것이 최우선 과제다. 주요 도로교통환경 변화에 대응해 자율주행 도입 효과를 확보할 수 있는 기술을 구분해 해당 기술에 대한 연구개발을 증진할 필요가 있다.
자율주행 기반 스마트 교통 운영 전략 구상 자율주행 관련 기술이 나날이 발전하고 있다. 그러나 모든 구성 요소를 통합해 완전 자율주행 시대가 오기까지는 오랜 시간이 걸릴 것으로 보인다. 자율주행자동차가 일반 차량과 혼재돼 운영될 때 주행안전 및 교통류의 역학적 측면에서 자율주행 순기능을 확보하는 것이 최우선 과제이며, 이를 통해 자율주행 서비스 이용자의 인식을 전환하는 것이 필요하다. 또 자율협력 주행이 원활히 도입될 수 있도록 법적·정책적 기반 마련이 필요하다.
본 연구의 초점은 자율주행시스템 도입 시 도로교통 운영의 효율성을 도모하는 데 있으며, “자율협력주행 기반 스마트교통 운영”을 위한 주요 기술 분야를 다음과 같이 정리하여 제시한다. 주요 기술 분야로는 ‘군집주행’, ‘교통류 안정성 관리’, ‘실시간 관제’, ‘동적 경로 선택’, ‘실시간 교통 신호 제어’가 있다. 본 연구에서는 도시지역 도로의 교통류 형태에 변화를 주어 통행량 증대 및 교통 혼잡 관리에 결정적인 역할을 할 수 있는 「실시간 신호 제어」 분야 연구를 수행하였다.
세종시 1생활권 BRT축 3개 연속 교차로를 대상지역으로 CWR(Capacity Waste Reduction) 신호제어 전략효과를 분석한 결과 자율주행차량도입비율(MPR)이 25% 정도가 되더라도 대상지 도로망 전체의 교통혼잡이 개선될 것으로 예측돼 MPR이 상승하면 개선효과는 더 커질 것으로 예상됐다.
자율주행 기반 실시간 교차로 신호제어 전략 개발 본 연구에서 제시하는 자율협력주행 데이터 기반 신호제어 전략의 구성은 다음과 같이 크게 1) 도로 차선별 교통정보 수집과 2) 차선별 교통정보 기반의 신호제어 전략으로 구분된다.
도로 차선별 교통정보 수집에서는 V2X 통신 메시지 정보에서 개별 차선별로 통행하고 있는 차량의 위치정보를 추출한다. 교통정보 기반의 신호제어 파트에서는 차선별 차량의 위치정보를 기반으로 차선별 차량대기 행렬의 최후방 차량을 기준으로 교차로까지의 차량 도착시간을 추정한다(Vehicle Arrival Time Estimation for Each Phase). 또한 실시간 신호제어정보를 수집하여 현재 적용되고 있는 신호현시 잔여녹색신호의 길이를 계산하고 이를 차량 도착시간과 비교하여 차량의 대기행렬 상태에 맞게 적절한 녹색신호제어입력(Control Input)을 결정하는 과정을 거친다(Adaptive Intersection Signal Control). 여기에 부가적인 기능으로 BRT 노선의 자율주행 셔틀이 운영되는 것을 가정해 BRT 셔틀 운영의 효율성을 증대하기 위한 BRT 차량 우선 신호를 추가 운영한다(Active Signal Priority Control for BRT).
상기와 같은 구성은 교차로 신호 제어로 유발될 수 있는 도로 용량의 낭비를 줄이기 위한 신호 제어에 활용하고 이를 Capacity Waste Reduction(CWR) 신호 제어 전략으로 명명하였다. CWR은 차량대기행렬의 교차로 도착시간을 예측해 대기행렬이 감소했다가 사라진 경우 그에 맞춰 해당 신호현시 녹색신호를 즉시 종료하고 다음 신호현시 녹색신호를 부여하는 실시간 제어방법이다.
이를 계산하고 이를 차량 도착 시간과 비교하여 차량의 대기 행렬 상태에 맞게 적절한 녹색 신호 제어 입력(Control Input)을 결정하는 과정을 거친다(Adaptive Intersection Signal Control). 이와 더불어 부가적인 기능으로 BRT 노선의 자율주행 셔틀이 운영되는 것을 가정하여 BRT 셔틀 운영의 효율성을 증대하기 위한 BRT 차량 우선 신호를 추가 운영한다(Active Signal Priority Control for BRT). 위와 같은 구성은 교차로 신호 제어로 유발될 수 있는 도로 용량의 낭비를 줄이기 위한 신호 제어에 활용하고 이를 Capacity Waste Reduction(CWR) 신호 제어 전략으로 명명하였다. CWR은 차량대기행렬의 교차로 도착시간을 예측해 대기행렬이 감소했다가 사라진 경우 그에 맞춰 해당 신호현시 녹색신호를 즉시 종료하고 다음 신호현시 녹색신호를 부여하는 실시간 제어방법이다.
제안 신호 제어 전략 효과 기존 상용화된 교통 시뮬레이션 프로그램인 VISSIM을 기반으로 CWR 신호 제어 전략을 적용해 다양한 교통 시나리오에서의 효과를 분석할 수 있는 SILS(Software-In-the-Loop Simulation) 기반 환경을 구축했다. 세종시 1생활권 BRT축 3개 연속 교차로를 대상지역으로 선정해 효과를 분석했다.
분석 결과 자율주행차량 도입비율(Market Penetration Rate, MPR)이 25% 정도가 되더라도 대상지 도로망 전체의 교통혼잡이 개선될 것으로 예측됐으며 MPR이 상승하면 개선효과는 더욱 커질 것으로 예상됐다. 따라서 제시된 CWR 신호 제어 방법은 실제 도로에 적용되었을 때 합리적인 성능을 보일 것으로 기대된다. BRT 우선신호 적용 효과면에서는 대부분의 조건에서 BRT 차량의 통행시간이 감소할 것으로 예측되었으나 통행시간 감소의 정량적 수치 자체는 낮고 이는 향후 개선의 여지가 남아 있음을 시사한다.
결론 실시간 교통신호 제어의 새로운 전략 및 솔루션을 개발하더라도 이를 실제 도로 운영체계에 적용하는 것은 또 다른 차원의 문제다. 우선 새로운 솔루션을 적용하려는 도로의 인프라가 실시간 신호제어 솔루션을 수용할 수 있도록 디지털화되어 있는지, 그리고 실시간 온라인으로 제어 적용이 가능한지 등 현실적인 운영 환경이 마련돼야 한다.
현재 국내에서는 스마트시티 기본계획을 기반으로 ‘국가시범도시’ 사업 및 ‘혁신성장동력’ 프로젝트 등 다양한 사업을 추진 중이며, 이 가운데 국가시범도시 민간서비스 분야에서는 ‘자율주행 셔틀’, 공공서비스 분야에서는 ‘스마트 교차로’가 스마트모빌리티의 주요 서비스로 선정돼 추진되고 있다. 따라서 다양한 실시간 신호제어 전략의 실제 적용과 자율주행의 원활한 도입 및 운영을 위해 기존 관련 사업과의 연계 방안을 수립할 필요가 있다.
글 : 김성훈 / 한국교통연구원 스마트시티교통연구센터 부연구위원출처 : 한국교통연구원 월간교통