교통신호제어 변수

왜 배우는가: 교통신호제어 변수는 신호기가 교차로 교통을 처리하는 방식을 수치로 정하는 값이다. 주기·현시·녹색시간·옵셋이 바뀌면 지체와 용량이 함께 달라지므로 신호 설계와 연동 계획의 출발점이 된다. 시험에서는 용어 정의와 설계 논리를 함께 묻는 기본 개념이다.

출제 이력: 제120회 1교시 1번, 제102회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교통신호제어 변수는 교차로 신호기가 교통 흐름을 처리하는 방식을 정하는 주기·현시·녹색시간·옵셋 등의 설정 값이다.

교통신호제어 변수는 신호제어기가 정해진 시간 안에 교차로의 교통량을 처리하도록 조정하는 설정 값이다. 교통량이 바뀌면 이 값도 바뀌어야 지체가 줄어든다. 변수는 시간을 정하는 값과 순서를 정하는 값으로 나눠 볼 수 있다. 시간 변수는 신호주기, 녹색시간, 황색시간, 손실시간이고 순서 변수는 현시 순서와 옵셋이다. 답안에서는 정의를 첫 줄에 쓰고, 이어서 각 변수의 역할과 상호 관계를 적는다. 변수 이름만 나열하면 감점되므로 값이 바뀌었을 때 지체가 어떻게 변하는지까지 함께 적는다.

핵심 키워드

• 신호주기 (Cycle Length)
• 현시 (Phase)
• 녹색시간 (Green Time)
• 스플릿 (Split)
• 옵셋 (Offset)
• 황색시간 (Yellow Time)
• 손실시간 (Lost Time)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 신호는 교차로를 쓰는 차량과 보행자가 차례를 지키도록 나눠 주는 순서표다. 순서표에서 무엇을 얼마나 오래 줄지 정하는 값이 제어 변수다.

정식으로는 신호제어기가 교통 수요와 교차로 용량을 맞추기 위해 조정하는 설정 값을 말한다. 신호주기, 현시 순서, 현시별 녹색시간(스플릿), 연동 시의 옵셋이 대표적이다.

• 신호주기는 한 신호 순서가 시작해서 같은 현시가 다시 시작할 때까지 걸리는 시간이다. 교차로 주기는 모든 현시의 녹색·황색·전적색 시간을 더한 값이다. 주기가 길면 한 번에 처리할 차량은 늘지만 대기 시간도 함께 늘어난다.
• 현시는 같은 시간에 통행이 허용되는 신호 조합이다. 현시의 순서와 수는 교차로 형태와 좌회전 처리 방식에 따라 정한다. 상충하는 이동은 같은 현시에 묶지 않는다.
• 녹색시간은 주기 안에서 각 현시에 배정되는 실제 통행 시간이다. 녹색시간을 현시 사이에 나누는 비율을 스플릿이라 한다. 교통량이 많은 접근로에 녹색을 더 주면 그 방향의 포화도가 낮아진다.
• 황색시간은 정지선 근처 차량이 멈추거나 교차로를 빠져나갈 수 있도록 주는 시간이다. 전적색은 현시가 바뀔 때 교차 방향 차량이 교차로에 남지 않도록 모두 빨간불로 두는 시간이다.
• 손실시간은 출발 지연과 황색·전적색 등으로 차량이 실제 통행에 쓰지 못하는 시간의 합이다. 손실시간이 커지면 같은 주기에서 쓸 수 있는 녹색 시간이 줄어든다.
• 옵셋은 인접 교차로가 같은 주기 안에서 신호를 시작하는 시점의 차이다. 연속된 교차로에서 차량 무리가 연속으로 녹색을 만나게 하는 연동 제어의 핵심 변수다.

이 변수들은 서로 연결돼 있다. 주기를 먼저 정하고, 그 안에서 스플릿을 나누고, 연동 구간에서 옵셋을 맞추는 순서가 일반적이다. 한 값을 바꾸면 나머지도 함께 바뀌므로 답안에서는 관계를 함께 적어야 한다. 신호주기는 모든 현시의 녹색·황색·전적색 시간을 더한 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 신호는 고정 주기와 고정 녹색시간으로 운영됐다. 고정 방식은 설계 당시의 교통량에는 맞지만 시간대별 운영의 변화를 따라가지 못한다. 출퇴근 시간에는 특정 방향의 대기가 길어지고 야간에는 녹색이 낭비된다. 그래서 시간대별로 제어 변수를 달리 설정하는 방식이 등장했다.

교통량이 교차로 용량을 넘는 경우에는 녹색시간 배분이 더 중요해진다. 신호 운영자는 상충하는 이동의 지체를 비슷하게 맞추도록 녹색을 나눈다. 한 이동에 녹색을 더 주면 상충 이동의 녹색은 줄어든다. 즉 한 변수의 개선이 다른 이동의 악화로 이어지므로 상충 관계를 함께 따져야 한다.

가까운 교차로가 연속해 있으면 차량 무리가 연속으로 녹색을 만나도록 옵셋과 주기를 맞춰야 한다. 연동이 잘 맞으면 정지 횟수와 지체가 줄고 연료 소비와 배출가스도 줄어든다. 다만 망 전체에서 연동을 항상 유지하기는 어렵다. 양방향 도로에서는 한 방향의 연동을 살리면 반대 방향의 연동이 깨지는 경우가 많다.

최근에는 검지 자료로 교통량을 실시간 반영하는 적응형 신호제어가 확대되고 있다. 국내 적응형 신호제어 시스템인 CAERUS는 교차로 이동들의 포화도 0.80~0.95 목표 범위에 맞추도록 녹색시간과 주기를 조정한다. 이 방식은 제어 변수를 고정값이 아니라 교통 상태에 따라 움직이는 값으로 다룬다는 점이 핵심이다.

제어 변수를 조정해야 하는 이유는 다음과 같다.

• 교통량 불균형에 따른 방향별 지체 해소
• 정지 횟수와 대기행렬 감소, 대기행렬이 인접 교차로로 넘치는 현상 방지
• 대중교통과 긴급차량의 우선 처리
• 보행자 횡단 시간 확보 등 안전 요구 반영

4. 구성요소·원리·절차

교통신호제어 변수는 신호기가 한 주기 동안 시간을 어떻게 나누어 쓰는지 정하는 값이다. 변수는 주기길이, 현시 구성과 순서, 현시별 녹색시간, 옵셋(연동 시차)으로 나뉜다. 한 변수를 바꾸면 다른 변수와 지체가 함께 바뀌므로 각 변수를 따로 정하지 않는다.

손실시간은 기동 손실, 황색·전적색 손실, 보행자 양보 손실로 구성된다. 현시 수가 늘면 손실시간 L이 커지고, 주기가 길어져 지체가 증가한다. 현시를 설계할 때 현시 수를 무작정 늘리지 않는 이유가 여기에 있다.

상충 이동(movement)은 통행 경로가 서로 교차하는 이동이다. 상충 이동은 원칙적으로 같은 현시에 둘 수 없고, 대향 좌회전 등 일부 예외만 허용된다. 현시 구성은 이 규칙을 먼저 적용해 정한다.

신호제어의 기본 원리는 교차로 처리 능력과 실제 교통량의 비율을 맞추는 것이다. 이 비율을 포화도라 한다. 현시별 임계 교통류 비율 y_i 는 그 현시에서 가장 많이 차는 차로군의 교통량을 포화교통류율로 나눈 값이다.

$y_i = v_i / s_i$

$Y = y_1 + y_2 + ... + y_n$

y_i 는 임계 차로군 i의 교통류 비율(무차원), v_i 는 교통량(대/h), s_i 는 포화교통류율(대/h), Y 는 전 현시 임계 비율의 합(무차원)이다. 한 주기 안에 교차로가 모든 교통을 처리하려면 Y<1 이어야 한다.

주기길이는 지체가 최소가 되는 값으로 정한다. 그 근사식이 Webster 식이며 다음과 같다.

$C_0 = (1.5L + 5) / (1 - Y)$

C_0 는 최적주기(초), L 은 주기당 총 손실시간(초)이다. 상수 1.5와 5는 Webster 식의 고정 계수다. 분모 1-Y 가 0에 가까워질수록 주기가 급격히 길어진다. 그러므로 Y 가 1에 가까운 과포화 상태에서는 이 식의 결과를 그대로 쓰기 어렵고, 주기 상한을 두거나 현시 구성을 바꾼다.

유효녹색시간의 합은 C_0 - L 이다. 이를 현시별 임계 비율에 비례해 나누면 현시별 녹색시간이 된다.

$g_i = (y_i / Y)(C_0 - L)$

g_i 는 현시 i의 유효녹색시간(초)이다. 이 배분은 차로군별 포화도를 같은 수준으로 맞춘다. 2025년 12월 발표된 적응형 신호제어 연구에 따르면 한국의 적응형 신호제어 알고리즘 CAERUS는 차로군 포화도를 0.80~0.95 목표 범위에 맞춰 지체를 줄인다. 녹색시간 제어 변수를 키우면 상충 흐름 간 포화도 불균형이 줄어드는 것으로 나타났다. 서울 교차로 3곳의 시뮬레이션 결과다.

녹색시간은 임계 비율 y_i 에 비례해 배분한다

제어변수 결정 절차는 다음과 같다.

• 교차로 교통량을 방향·차로군별로 조사하고 피크 시간대 값을 고른다.
• 차로군별 포화교통류율 s_i 를 구하고 y_i = v_i / s_i 를 계산한다.
• 현시별 임계 y_i 를 합해 Y 를 구한다. Y 가 1 이상이면 현시 구성을 바꾼다.
• 현시 수와 황색·전적색 시간으로 L 을 계산한다.
• Webster 식으로 C_0 를 구하고 현장 여건에 맞춰 조정한다.
• g_i = (y_i / Y)(C_0 - L) 로 현시별 녹색시간을 배분한다.
• 연동 구간이면 옵셋을 설정해 녹색 시작 시차를 맞춘다.

옵셋은 인접 교차로의 녹색 시작 시각 차이다. 차량군(platoon)이 연속된 녹색 신호를 받도록 옵셋을 맞추면 연속 통과율이 높아지고 지체가 줄어든다. 다만 양방향 도로에서는 한쪽 방향의 연동을 맞추면 반대 방향이 어긋나기 쉬워 두 방향을 함께 고려해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

「도로교통법」은 신호기의 종류와 기능, 신호의 의미를 정한다. 주기나 녹색시간 같은 제어 변수 값은 법령에 직접 적히지 않는다. 변수를 계산하는 기준은 도로용량편람의 신호교차로 분석 방법이다. 제어변수는 용량 분석의 입력값이므로 같은 방법으로 계산해야 결과를 비교할 수 있다.

표의 최대 주기는 나라마다 다르므로 답안에서는 국내 기준을 먼저 쓰고, 외국 사례는 비교용으로만 덧붙인다. 포화도 목표 범위는 연구 결과이므로 설계 기준으로 단정하지 않는다. 최적주기 식은 비포화 조건에서만 쓰며, 과포화 조건에서는 적용 범위를 먼저 밝힌다.

2008년 연구는 해석식 기반 주기 설계 모형인 COSMOS가 포화 수준에 따라 목표 v/c 비율을 불안정하게 만들 수 있음을 지적했다. 이에 신경망 기반 주기 설계가 대안으로 제시되었다. 이 연구는 실시간 신호제어에서 주기 결정 방식의 안정성이 중요함을 보여 준다. 최근 연구가 고정 주기 대신 실시간 갱신 방식으로 옮겨 가는 배경이다.

도로용량편람은 개정이 반복되므로 분석 시점의 판을 답안에 명시한다. 손실시간 값은 현시 구성이 바뀌면 함께 달라지므로, 현시 구성을 변경할 때마다 주기와 녹색시간을 다시 계산한다.