포화교통류율

왜 배우는가: 포화교통류율은 신호교차로의 용량과 녹색시간 배분을 계산하는 출발점이다. 신호 설계, 교차로 서비스수준 평가, 교통영향평가에서 거의 매번 쓰이므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제133회 1교시 3번, 제113회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

포화교통류율은 녹색신호 동안 차량이 끊김 없이 통과할 수 있는 최대 교통류율이다(대/시 또는 pcu/h).

• 포화교통류율
• 포화차두시
• 이상적 포화교통류율
• 보정계수
• 유효녹색시간
• 승용차환산계수
• 교차로 용량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 빨간불에 멈춰 있던 차들이 녹색불이 켜지면 출발해 일정한 간격으로 정지선을 빠져나간다. 이때 한 시간 동안 빠져나갈 수 있는 차량 수가 포화교통류율이다. 대기 차량이 모두 빠진 뒤에도 흐름이 유지되는 상태를 전제로 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 포화교통류율(Saturation Flow Rate)은 신호교차로 접근로의 차로에서 녹색신호가 계속 켜져 있을 때, 대기행렬이 있는 상태로 연속 통과할 수 있는 최대 교통류율이다. 단위는 대/시(veh/h) 또는 pcu/h로 쓴다.

포화차두시(Saturation Headway)는 대기 차량들이 정지선을 연속으로 통과할 때 앞뒤 차량 사이 시간 간격의 평균이다. 포화교통류율과 포화차두시는 역수 관계다.

$s=\frac{3600}{h}$

여기서 s는 포화교통류율(veh/h), h는 포화차두시(s)이다. 예를 들어 포화차두시가 2.0s이면 포화교통류율은 1,800veh/h이다.

이상적 포화교통류율은 차로폭이 충분하고, 중차량과 좌우회전 차량이 없고, 경사가 없고, 버스 정차가 없는 등 이상적 조건에서의 값이다. 미국 HCM 기준의 차로당 기본값은 1,900pcu/h/ln으로 알려져 있다. 실제 교차로의 값은 이 기본값에 보정계수를 곱해 구한다.

$s=s_0\cdot N\cdot f_w\cdot f_{HV}\cdot f_g\cdot f_p\cdot f_{bb}\cdot f_a\cdot f_{LU}\cdot f_{LT}\cdot f_{RT}$

s_0은 차로당 기본 포화교통류율, N은 차로 수, f_w는 차로폭, f_{HV}는 중차량, f_g는 경사, f_p는 주차, f_{bb}는 버스 정차, f_a는 지역 유형, f_{LU}는 차로군 이용률, f_{LT}와 f_{RT}는 좌회전과 우회전이다.

포화교통류율은 교차로 용량 산정에 직접 쓰인다. 차로군의 용량은 c=s\cdot\frac{g}{C}로 구하며, g는 유효녹색시간(s), C는 신호주기(s)이다. 따라서 포화교통류율이 정확해야 용량과 v/c 비가 정확해진다.

3. 등장 배경과 필요성

신호교차로는 상충하는 교통류에 통행권을 번갈아 배분한다. 그래서 각 접근로가 한 주기 동안 실제로 얼마나 통과시킬 수 있는지를 수치로 알아야 녹색시간을 나눌 수 있다. 포화교통류율은 이 능력을 나타내는 기준값이다.

초기에는 교차로 용량을 주로 경험값이나 현장 관측으로 구했다. 이후 차두시 관측과 보정계수 방식이 정리되면서 포화교통류율을 이론적으로 계산하는 방법이 자리 잡았다. 현재는 HCM 같은 기준이 기본값과 보정계수를 제공하고, 지역 조건에 맞게 현장 관측으로 검증하는 흐름이다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 신호 주기와 녹색시간 배분의 입력값이다. 둘째, 교차로 서비스수준과 지체 산정의 기준이 된다. 셋째, 교통영향평가에서 개발 후 교차로의 처리 능력을 판단하는 근거가 된다.

다만 기준값을 그대로 쓰면 오차가 생긴다. 운전자 행태, 차종 구성, 교차로 형태가 지역마다 다르기 때문이다. 카타르의 연구에서는 미국 기준값을 지역 보정 없이 쓰는 문제가 지적되었다. 또 Webster 계열 산정식은 혼잡 교차로에서 포화교통류율을 과대 추정할 수 있다는 지적이 있다. 따라서 기준값을 쓰되 현장 조건에 맞게 보정하고 검증하는 것이 실무와 시험 모두에서 요구된다.

4. 구성요소·원리·절차

포화교통류율은 신호 녹색 동안 대기행렬이 끊기지 않고 정지선을 통과하는 차로당 최대 교통류율이다. 단위는 veh/h/lane 또는 pcu/h/lane을 쓴다. 이 값은 이상 조건의 기본포화교통류율에서 도로·교통 조건별 보정계수를 곱해 구한다.

구성요소는 다음 표와 같다.

표의 각 보정계수는 기준 조건에서 1.0이다. 기준 조건과 다른 조건이 있을 때만 1.0보다 작거나 크게 된다. 따라서 조건이 이상적인 교차로는 기본값과 거의 같은 값이 나온다.

원리는 다음과 같다. 녹색이 켜진 직후 첫 차는 출발 시동 지체가 있다. 이후 차들은 일정한 차두시간 h로 정지선을 지난다. 포화교통류율은 이 포화 차두시간의 역수다.

$s = \frac{3600}{h}$

여기서 s는 포화교통류율(veh/h/lane), h는 포화 차두시간(s/veh)이다. 실무에서는 기본값에 보정계수를 곱해 조정 포화교통류율을 구한다.

$s = s_0 \times N \times f_w \times f_{HV} \times f_g \times f_p \times f_{bb} \times f_{LT} \times f_{RT}$

포화교통류율은 기본값에 보정계수를 곱해 구한다. 차로군의 용량은 녹색시간 비율을 곱해 구한다.

$c = s \times \frac{g}{C}$

여기서 c는 차로군 용량(veh/h), g는 유효 녹색시간(s), C는 주기(s)다. 이 식으로 교통량을 용량과 비교해 v/c 비를 구한다.

산정 절차는 다음과 같다.

• 접근로별 차로 수와 차로폭, 경사를 조사한다.
• 기본포화교통류율을 정한다.
• 기하 조건과 교통 조건의 보정계수를 차례로 곱해 조정 포화교통류율을 구한다.
• 녹색시간 비율을 곱해 차로군 용량을 구한다.
• 교통량을 용량으로 나눠 v/c 비를 구하고 서비스 수준을 판정한다.

보정계수를 생략하면 포화교통류율이 실제보다 커진다. 그 결과 용량이 과대 산정되어 신호 주기와 녹색시간이 부족하게 설계된다. 따라서 대형차, 회전, 보행자 영향을 빠짐없이 반영해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

포화교통류율의 직접적인 법정 기준은 없다. 실무 기준은 미국 HCM(Highway Capacity Manual)의 방법론이며, 국내에서는 도로용량편람의 값을 기본으로 삼는다. HCM은 교차로 용량과 서비스 수준의 계산 절차를 제시하는 대표 기준이다.

기본포화교통류율은 이상 조건에서 차로당 1,900pcphgpl 이다. 아래 표는 HCM에서 기준으로 쓰는 값과 적용 조건이다.

위 표의 값은 기준 조건에서의 값이다. 현장 조건이 다르면 보정계수로 조정한다. 값을 외우기보다 조건별 보정 방향을 이해하는 것이 답안에 유리하다.

기준 체계는 HCM의 판(edition)이 바뀌면서 보정 방법이 달라져 왔다. 따라서 답안에는 기준 명칭과 판을 함께 적는다. 국내 설계에서는 국내 편람 값을 우선하고 HCM 값을 참고한다. 해외 기준은 값의 개념과 조건 차이만 설명한다.

6. 유형과 비교

포화교통류율은 적용 조건에 따라 기본포화교통류율, 조정포화교통류율, 실측포화교통류율로 나눈다. 기본값은 차로폭·대형차·경사·우회전 등 보정이 없는 이상 조건의 값이다. 조정값은 기본값에 실제 조건의 보정계수를 곱한 값이다. 실측값은 현장에서 관측한 값이다.