KR100457599B1 - 교차로 신호체계 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 접근로를 갖는 교차로에서 차량흐름의 효율적인 제어를 위하여 사용하는 중복(overlap)신호의 유연하고 확장된 제어방법의 구현을 위한 것으로써, 임의 개수의 접근로에서 진입하는 다수의 교통 이동류의 양에 따라 적절한 녹색시간을 효율적으로 할당하는 교차로 신호계획을 산출하여 교차로의 이용효율을 향상시키는 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 교차로 신호체계 설계 방법은 다수의 유효 이동류를 포함한 다지 교차로 신호체계 설계에 있어, 각 이동류를 좌표축에 할당한 상태공간에서의 상태변수 이동문제로 변환하여 처리함으로써, 종래의 듀얼-링 방식의 교통신호를 완전히 수용하는 동시에 임의 개수의 접근로를 갖는 다지교차로에 대하여 임의 개수의 중복 신호를 구현한 다현시 체계까지 신호구성이 가능한 특성이 있다.

또한 종래의 신호설계방식에서 처리하지 못했던 횡단보도 신호와 같이 형식이 다른 이동류 간의 신호체계를 통합적으로 설계할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

교차로 신호체계 설계 방법{Intersection signal planning method}

본 발명은 교차로 신호체계 설계 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 접근로를 갖는 교차로에서 차량흐름의 효율적인 제어를 위하여 임의개수의 접근로에서 진입하는 다수의 교통 이동류의 각 교통량에 따라 적절한 녹색시간을 효율적으로 할당하여 중복(overlap)신호가 유연하게 확장되도록 교차로 신호계획을 산출하여 교차로의 이용효율을 향상시킬 수 있는 교차로 신호체계 설계 방법에 관한 것이다.

현대사회의 급격한 차량증가로 교차로를 통과하는 이동류(교차로를 이동하는 차량 및 보행자)별 교통량이 불균등하게 분포됨에 따라 안전을 위해 독립적인 보호회전신호를 갖는 신호체계를 도입하고 있다. 이러한 신호체계는 대표적으로 4지 교차로에서 듀얼-링 중복현시를 적용한 기법이 있다.

도 1은 일반적인 4지 교차로에서 이동류를 정의한 예시도로서, 각 이동류에 대한 정의를 예시적으로 보인 것이다.

차량의 직진과 좌회전에 대한 이동류와 보행자의 이동류만을 도시하였다. ① ③ ⑤ ⑦은 차량의 직진 이동류이고 ② ④ ⑥ ⑧은 차량의 좌회전 이동류 이며 ⑨ ⑩ ⑪ ⑫는 보행자의 이동류를 나타낸다.

상기 4지 교차로에서 좌회전 이동류를 보호회전(독립현시)으로서 처리했을 때 반대편의 교통량이 많아 교차로 전체의 지체도가 심하게 되는 경우에는 중복(overlap)현시를 고려한다.

상기 중복현시를 운용할 때에는 NEMA(National Electronic Manufacturers Association)규격에서 제시된 듀얼-링(Dual-ring)방식의 교통신호체계가 사용되고 있으며, 기본적인 듀얼-링 방식의 교통신호 체계에 대한 이동류 구성은 표 1과 같다. 이러한 기존의 방식에서는 보행자신호를 배제하고 차량이동류만을 설계 고려 대상으로 한다. 따라서 4지 교차로에서 최대 8개의 (차량)이동류가 존재하게 된다.

구분	제 1현시그룹	제 2현시그룹
링 A	⑥	①	④	⑦
링 B	②	⑤	⑧	③

4지 교차로에서 설정된 8개의 개별 이동류는 표 1에 나타낸 바와 같이 두 개의 링으로 배치될 수 있고, 각 이동류의 신호는 자유롭게 점등시간길이를 조정할수가 있으며 다른 링의 해당현시와 중복되어 점등 될 수 있다.

예를 들어 도 1의 이동류 ⑥은 이동류 ②, ⑤와 동시 중복 허가될 수 있다.

그러나 제 1현시그룹과 제 2현시그룹간의 동시 점등은 이동류 간의 충돌을 발생시키므로 불가능하다.

예를 들어 이동류 ④와 ⑤, 이동류 ①과 ⑧은 동시 허용될 수 없으며 이 시점을 배리어라 칭하며, 각 이동류간의 동시 중복 허가의 가능 또는 불가능한 관계를 상충관계라 한다.

도 2는 일반적인 듀얼-링 방식의 4지 교차로 신호제어방법에 따른 기본 현시 체계도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 종래의 방식에 따르면 좌회전 우선, 제 1 좌회전 직진 동시 허용, 제 2 좌회전 직진 동시 허용 및 직진 우선과 같이 총 4가지의 기본 현시체계를 기본으로 하고 있다.

이러한 중복현시의 목적은 교통량의 편차가 심할 경우 동시에 허용되고 있는 이동류 중 일부 이동류가 종결되었는데도 차량이 없는 이동류에 대한 신호가 지속되므로써 교차로 이용효율을 떨어뜨리므로, 대기중인 이동류 중 허용 가능한 이동류를 연결지어 진행시킴으로써 신호주기를 감소시키고 교차로 이용효율을 향상시키고자 하는데 있다.

즉, 교차로에서는 교통흐름 없이 낭비되는 시간을 가능한 감소시키도록 효율적인 교통신호 체계를 구성하기 위함이다.

한편, 도 1에 나타낸 4지 교차로에서 8개 이동류(차량의 이동류)를 유효 이동류라 할 때, 각 이동류 간의 상충관계를 파악하면 표 2와 같이 확인할 수 있다.

이동류	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧
①	○	○	×	×	○	×	×	×
②	○	○	×	×	×	○	×	×
③	×	×	○	○	×	×	○	×
④	×	×	○	○	×	×	×	○
⑤	○	×	×	×	○	○	×	×
⑥	×	○	×	×	○	○	×	×
⑦	×	×	○	×	×	×	○	○
⑧	×	×	×	○	×	×	○	○

상기 표 2에서와 같이 가로 세로의 교차점을 확인하여 '0'에 해당하는 이동류(③과 ④, ①과 ⑤ 등)는 동시허용 가능하고 'X'에 해당하는 이동류(②와 ④, ⑥과 ⑦ 등)는 동시허용 불가능하다.

그리고 4지 교차로 각 이동류 간의 동시에 허용될 수 있는 최대 이동류 개수는 두 개이므로 형성될 수 있는 상태공간은 2차원이다.

도 3은 종래 방법에 의한 4지 교차로 신호계획을 2차원 상태공간에 표현한 그래프이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 상태공간의 차원 즉, 좌표축의 개수는 동시에 허용 가능한 이동류의 최대 개수와 같다. 따라서 4지 교차로의 경우를 보면, 유효 이동류로서 8개 이동류를 대상으로 하고 이 8개 이동류 중 동시에 허용이 가능한 이동류의 최대 개수는 2개이므로 2차원의 상태공간을 이루게 되어 2개 신호에 대한 중복 현시계획을 수립하게 된다.

그리고 좌표축에 임의의 순서조합으로 이동류 구간을 배치하되, 각 신호구간의 길이는 소요현시율에 의해서 결정되는 것이며 이것은 교통공학에서 사용되는 공식인 설계시간 동안 실제도착교통량을 포화교통량으로 나눈 값을 사용한다.

한편, 각 좌표축은 실제적으로 하나의 링을 나타내게 되고 축 상의 구간들은 이동류를 나타내는 것으로서, 도 3과 같은 상태공간이 구성될 수 있다. 여기에서 빗금친 부분은 이동류 간 충돌을 발생시키는 상충영역(101)이고 백색으로 표현되는 부분은 동시허용 가능영역(102)이다.

그리고 상기 각 영역을 지나는 대각선방향의 직선은 상태공간에서 교차로 신호기를 통해 표출되는 지점들을 나타낸 것으로 시간의 흐름에 따라 신호의 변화를 나타내는 상태변수 이동선(103)이다. 따라서 상태변수가 상태변수 이동선(103)을 따라 이동하고 이 지점을 나타내는 좌표값은 그 지점에 대응되는 이동류들이 표출되는 허용신호(녹색등기)가 된다. 이러한 상태변수 이동선은 각 좌표축과 동일한 각을 유지하는 직선이 된다.

도 3에서 상기 상태변수 이동선(103)은 상충영역(101)을 통과하게되므로 충돌구간(104)이 발생하게 된다. 이 충돌구간(104)에서는 이동류②와 ③이 동시에 허가되어 충돌을 일으키므로 이러한 신호조합은 발생되지 말아야 하는 것이다. 따라서 종래에는 도 4에 나타낸 바와 같이 각 이동류의 신호주기를 도식화하여 상태변수 이동선(103)이 상충영역(101)을 통과하는 충돌구간(104)이 발생되지 않도록 점으로 나타낸 부분과 같이 널구간(105)을 추가하고 있다.

상기 널구간(105)은 가상의 이동류 구간으로서 아무런 교통흐름을 갖지 않는 이동류이므로 교차로의 이용효율이 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위하여 널구간(105)을 인접된 구간의 신호를 연결하는 경우도 있으나 이때에는 소요현시율이 변하게 되는 문제점이 있었다.

한편, 교차로에 실제적으로 존재하는 횡단보도 신호는 신호체계 설계 시 제외시키고 도 5에 나타낸 바와 같이 인접한 직진이동류 시간과 함께 구동시키고 있다. 이와 같은 신호체계는 실제 직진 이동류의 흐름이 완료되었어도 연결된 횡단신호 때문에 신호시간을 연장시켜야하는 문제점이 있다.

따라서, 차량이 없는 이동류 측의 횡단보도에서 보행자의 자의적 판단에 의한 무단횡단이 발생하여 사고가 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 우회전과 직진 이동류를 통합하더라도 15개 이상의 이동류가 존재하는 5지 이상의 다지교차로에서는, 3개 이상의 이동류간 중복허용 신호가 가능한데도 불구하고 종래의 기본적인 듀얼-링 방식의 교통신호 체계는 2개 이동류 간 중복허용 경우만을 다루는 2개 링으로 구성되기 때문에 도 6에 나타낸 바와 같이 신호체계를 구성하고 있다.

상술한 5지 이상 다지교차로의 신호체계 설계를 위한 시도가 특허 제284262호와 같이 개발되었으나, 이 방법 또한 단순한 듀얼-링의 확장으로서 현시의 숫자만 증가되었을 뿐 2개 신호의 중복현시만으로 구현되기 때문에 다지교차로의 완전한 중복현시 신호체계의 구축이 불가능 할 뿐만 아니라, 횡단보도 신호에 대한 고려는 하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 다수의 접근로를 갖는 교차로에서 임의로 설정된 차량 이동류 및 보행자의 이동류 방향에 대하여 해당 이동류의 양에 따른 최적의 신호체계를 설계하여 교차로를 사용하는 모든 차량 및 보행자의 흐름을 효율성 있게 구성할 수 있는 교차로 신호체계 설계방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 4지 교차로에서 이동류를 정의한 예시도.

도 2는 일반적인 듀얼-링 방식의 4지 교차로 신호제어방법에 따른 기본 현시 체계도.

도 3은 종래 방법에 의한 4지 교차로 신호계획을 2차원 상태공간에 표현한 도식.

도 4는 종래 방법에 의한 4지 교차로 신호계획을 나타낸 예시도.

도 5는 종래 방법에 의한 신호계획을 4지 교차로에서 횡단보도와 차량 직진 이동류와 연결한 현시 형태 예시도.

도 6은 종래 방법에 의한 5지 교차로에서 현시 방식을 나타낸 예시도.

도 7은 본 발명에 의한 교차로 현시체계 설계 방법을 설명하기 위한 흐름도.

도 8a 및 도 8b는 발명에 의한 방법으로 설계된 4지 교차로 신호계획을 2차원 상태공간에 표현한 도식.

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 의한 방법으로 설계된 다른 구성의 4지 교차로 신호계획을 2차원 상태공간에 표현한 그래프.

도 10은 본 발명에 의한 방법으로 설계된 4지 교차로에서 횡단보도 신호를 포함한 4중 링 중복 현시계획의 예시도.

도 11은 본 발명에 의한 방법으로 설계된 교차로 신호계획을 3차원 상태공간에 표현한 그래프.

도 12는 본 발명에 의한 방법으로 설계된 5지 교차로에서 중복 현시체계의 예시도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

101 : 상충영역 102 : 동시허용 가능영역

103 : 상태변수 이동선 104 : 충돌구간

105, 108 : 널 구간 106 : 널1 구간

107 : 널7 구간

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 접근로를 갖고 다수의 이동류가 교차하는 교차로의 이동류 통과신호체계 설계에 있어서, 교차로 신호체계를 수립하되, 교차로의 유효한 개별 이동류에 대하여 이동류 속성을 정의하는 제 1 단계; 상기 정의된 유효 이동류 간의 상호(상충)관계를 정의하는 제 2 단계; 동시 허용가능한 신호의 최대 개수에 따른 다차원 상태공간을 정의하는 제 3 단계; 상기 결정된 상태공간의 기준 좌표축 상에 유효 이동류 구간을 할당하는 제 4 단계; 상기 좌표 축 상에 할당되는 위치에 신호구간을 배치하고 이동류 구간 사이에 널 신호구간을 삽입하는 제 5 단계; 상기 단계를 거쳐 구성된 상태공간 내에서 이동류 구간 조합에 따른 영역속성을 정의하고 상태변수 이동선를 설정하는 제 6 단계; 상태변수 이동선이 상충영역을 통과할 경우 신호구간을 조절하는 제 7 단계; 상기 단계를 거쳐 형성된 한 주기간 신호 계획을 나타내는 상태공간의 크기를 측정하는 제 8 단계; 좌표축 상의 이동류 구간 배치 조합을 다양하게 변경하고, 상기 단계를 통해 형성된 한 주기 상태공간 중, 제시된 조건을 만족하고 그 공간의 크기를 최소로 하는 신호계획을 선택하는 제 9 단계; 증가된 널 신호구간을 인접한 이동류 구간에 재배분하여 주기를 결정 및 분할하고 현시계획을 산출하는 제 10 단계를 포함하여서 된 것이다.

이하 본 발명을 나타낸 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.본 발명은 여러가지 교통흐름이 교차되는 지점의 제어계획을 수립하는 방법에 관한 것으로서, 현재 교차로를 이동하는 자동차 이동류만을 다루는 제한된 영역이 아닌 보행자나 철도 그리고 추후 도입될 수 있는 다양한 교통흐름에 대해서도 적용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 다수의 접근로와 이동류가 교차하는 교차로의 이동류가 통과할 수 있도록 이동류 통과신호체계를 수립하기 위해서는 제 1 단계에서 교차로를 통과하는 모든 유효한 개별 이동류에 대하여 각 이동류의 속성을 이용하여 소요현시율을 계산한다.상기 이동류란 일반 교통이론에서 명시하는 바와 같이 자동차의 교통흐름, 횡단보행자, 건널목의 기차이동 등을 지칭하는 것이며, 이때 이동류의 속성은 각 이동류의 형태에 따라 달라질 수 있으나, 본 발명에서는 교차지점 점유에 관여하는 매개변수를 의미하는 것이며, 이는 자동차 이동류의 경우 교통수요, 포화교통량, 유효이동류 등 이고, 횡단보행이동류의 경우 도로폭, 보행속도상수, 보행수요 등이며, 이러한 이동류간의 작용관계는 이동류가 교차지점을 점유하고자 하는 비율로서, 제 2 단계에서 정의된 각 유효 이동류 간의 동시허용 가능 여부에 따라서 상충관계를 정의한다.제 3 단계에서 동시 허용가능한 신호의 최대 개수에 따른 다차원 상태공간을 정의하되, 상태공간 차원 수와 중복 신호에 사용되는 링의 개수가 동일하며, 이를 동시에 허용이 가능한 최대 이동류 개수로부터 얻어내는 것으로서, 이는 동시 허용가능한 신호의 최대 개수를 구하는 과정 및 이로부터 다차원 상태공간을 정의하는 과정이며, 동시 허용가능한 신호의 최대개수라 함은 구하는 과정이 따로 있는 것이 아니라 그 자체가 과정을 설명하는 것이고, 충돌(상충)없이 교차로에 동시에 진입하도록 허용할 수 있는 이동류의 개수와 같은 의미이며, 이는 일반적인 듀얼링 방법을 이용하여 허용가능한 최대 이동류 개수와 같은 차원의 상태공간을 설정하게 된다.즉, 상태공간이 2차원일 경우에는 평면공간이고, 상태공간이 3차원일 경우에는 도 11에 나타낸 바와 같은 공간으로서, 4차원 이상의 상태공간도 가능하게 되는 것이다.

제 4 단계에서는 결정된 상태공간의 기준 좌표축 상에 유효 이동류 구간을 할당하되, 모든 이동류 구간 전단에 널 이동류 구간이 위치하여 유효 이동류 구간을 연결하고, 한 주기 상태공간의 경계면에 있어서도 널 이동류 구간을 갖도록 한다.이는 차원이 결정된 다차원 상태공간의 좌표축 상에 유효이동류 구간을 할당할 때에는 각 이동류를 상징하는 구간을 임의의 순서조합으로 배치하는 것이며, 이와 같이 임의 순서조함으로 배치된 유효 이동류 구간은 이후 단계를 수행하면서 계속적으로 수정 조합, 평가 되는 것이다.

제 5 단계에서는 상기 좌표 축 상에 할당되는 위치에 신호구간을 배치하고 이동류 구간 사이에 널 신호구간을 삽입한다.즉, 좌표축 상에 할당되는 위치에 신호구간을 배치하고 이동류 구간 사이에 널 신호구간을 삽입하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.신호구간을 배치하는 것은 각 좌표축에 순서조합된 이동류에 주어지는 구간크기(길이)를 설정하는 것이며 자동차 이동류의 경우 소요 현시율로서 각 이동류가 교차공간을 점유하는 상호비율을 설정해주는 것입니다.널신호구간은 어떠한 이동류에도 영향을 끼치지 않는 가상 신호 구간으로서 초기설정크기는 0이고 모든 이동류 구간 전단과 한주기 상태공간의 외곽에 기본적으로 배치되는 것이다.제 6 단계에서는 구성된 상태공간 내에서 이동류 구간 조합에 따른 영역속성을 정의하고 모든 좌표축과 동일한 각을 이루도록 상태변수 이동선를 설정한다.즉, 상태공간에서 어떠한 지점에서의 이동류신호는 대응되는 좌표축상에 위치한 이동류들의 조합으로 자명하게 이루어지게 되는 것이고, 이때 이동류간의 상호관계에 의하여 그러한 조합상태가 허용가능한가에 대한 평가가 이루어지며, 이에 대한 일예로 표 2와 도 3에 도시된 바와 같이 상태공간의 어떤 영역에 연관된 이동류들이 동시에 허용될경우 가능영역(102)라고 하고 이동류들 사이에 하나라도 문제가 있을 경우는 허용되어서는 안된다는 의미로 상충영역(101)이라 칭하는 것입니다.상태변수 이동선이라고 하는 것은 실제적으로 시간의 흐름에 따라 주어진 이동류 구간의 상태가 실제 신호조합에 의해 나타날 수 있는 것을 공간 상 하나의 직선으로 표현된다고 하는 것으로서 이는 자동적이고 기본적으로 대각선으로 표시되는 것으로서, 2차원 공간상에서는 45도 선이라고 규정할 수 있으나, 3차원 또는 그 이상의 차수가 올라가게 될 경우를 포괄하기 위한 표현으로 모든 좌표축과 동일한 각도를 유지하는 직선으로 형성되는 것이며, 이는 모든 상태공간에 대하여 무조건적으로 사용되므로 매번 설정하는 방법을 필요로 하는 것이 아다.

제 7 단계에서는 상태변수 이동선이 상충영역(제 2 단계에서 정의된 상충관계구간)을 통과할 경우 신호구간을 조절하되, 상태공간 내에서 상태변수 이동경로가 상충영역을 통과할 경우 이동경로가 상충영역으로부터 벗어나도록 해당 구간에 앞에 삽입된 널 신호구간 크기를 증가시킨다.이 단계는 상태변수 이동선이 상충영역을 통과하는 것을 판단하는 근거 및 이로부터 신호구간을 조절하기 위한 것으로서, 고정된 상태변수 이동선과 이동류구간들의 조합으로 형성되는 공간상의 하이퍼장방형 영역과의 중첩(통과)의 판단수단은 기하학적인 방법을 사용하여 판단할 수 있는 것이다.그 판단 방법의 일예를 설명하면 다음과 같다.해당영역에 관련된 좌표축상 각 이동류 구간 최원값(원점으로부터 멀리 있는 값)들의 최소값 크기가 각 이동류 구간 최근값(원점으로부터 가까운 값)들의 최대값 보다 크다면 상태공간 이동선과 해당 영역이 중첩(통과)하는 것으로 판단하게 되는 것이며, 이는 기하학적인 공리를 취하는 것임으로 이러한 판단식은 실시자의 편의에 따라 사용할 수 있는 것은 자명하다.그리고 신호구간의 조절은 이동류 구간 앞(원점방향)위치에 사전에 정의되어 삽입된 널구간의 양을 증가시켜 해당 좌표축상의 이동류 위치를 원점으로부터 멀어지도록 변형하는 것입니다.이러한 과정을 거쳐 좌표축상 배치된 이동류구간들의 누적 길이는 증가하게 됨과 함께 해당 영역은 상태변수 이동선과 만나지 않은 위치로 이동하게 되는 것이며, 이 역시 기하학적으로 자명한 것이며, 그 실시예는 도 8a 내지 도 9b에 나타낸 바와 같다.

제 8 단계에서는 상기 단계를 거쳐 형성된 한 주기간 신호 계획을 나타내는 상태공간의 크기를 측정하는 것으로서, 상기한 바와 같이 상태변수 이동선은 모든 좌표축과 동일한 각도를 유지하고 있으며 이에 따라 일주기가 완료되는 시점에서의 상태변수의 이동으로 형성되는 공간은 정방형이 되는 것이다.이는 동시에 각 좌표축에 배치된 유효이동류 구간의 누적 길이중 최대크기가 곧 정방형 영역의 일변 크기를 나타내므로 이것이 상태공간의 크기를 나타내게 되는 것이다.제 9 단계에서 좌표축 상의 이동류 구간 배치 조합을 다양하게 변경하고, 상기 단계를 통해 형성된 한 주기 상태공간 중, 제시된 조건을 만족하고 그 공간의 크기가 최소로 되도록 신호계획을 선택하게 되는 것이다.즉, 이동류 구간 배치 조합의 변경은 제 4단계에서 설명한 바와 같이 임의의 조합을 새로이 생성하여 배치하고 상기한 4~8단계 과정을 반복수행하는 것을 의미하는 것으로서, 반복 횟수는 사전에 주어진 횟수 또는 평가지수 허용범위 수렴을 기준으로 하는 것이고, 상기 과정을 반복 수행하여 우수한(상태공간의 크기를 최소) 이동류 배치를 찾아낼수 있는 것이다.제 10 단계에서 증가된 널 신호구간을 인접한 이동류 구간에 재배분하여 주기를 결정 및 분할하고 현시계획을 산출하는 것이다.상기 널신호구간은 실제 이동류 제어에 사용되지 않는 시간이므로 인접한 유효이동류에 할당할 수 있다면 통과교통량을 보다 증대시킬 수 있다는 관점에서 도 8에 나타낸 바와 같이 원점에서 먼 측에 인접한 허용구간으로 포함 시키는 것이다.이러한 과정을 통하여 형성된 이동류 구간크기 배분을 통해 현시계획을 산출하는 것은, 이동류 구간의 단위가 소요현시율일 경우 교통공학 교과서에 기술된 주기및 유효녹색시간 산출식에 대입하여 얻을 수 있으므로 교통이론의 기초가 있는 실시자의 경우 용이하게 구현할 수 있으며, 이동류 구간의 단위가 시간일 경우 일주기 상태공간의 크기가 곧 주기시간이며 배분된 이동류 구간의 순서와 크기가 현시계획을 의미하는 것이다.

이와 같은 본 발명을 이용하여 4지 교차로 신호계획을 수립하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상태공간의 차원 즉, 좌표축의 개수는 동시에 허용 가능한 이동류의 최대 개수와 같으므로, 4지 교차로의 경우 유효 이동류로서 8개 이동류를 대상으로 하고 이 8개 이동류 중 동시에 허용이 가능한 이동류의 최대 개수는 2개이므로 2차원의 상태공간을 이루게 되어 2개 신호에 대한 중복 현시계획을 수립하게 된다. 즉, 본 발명은 듀얼-링 설계방법을 포함하는 유연하고 확장된 설계방법이다.

상술한 바와 같이 도 1에 나타낸 바와 같이 4지 교차로에서 8개 이동류를 유효 이동류라 할 때, 각 이동류 간의 상충관계를 파악하면 표 2와 같이 확인할 수 있다. 그리고 신호구간의 길이를 결정하기 위해 소요현시율을 계산한다.

다음 단계로서 좌표축에 임의의 순서조합으로 이동류 구간을 배치하면 2차원 공간상에 각 이동류 구간에 따른 영역의 속성이 상호 상충관계에 의해 정의되어지며, 각 축에 배치되는 이동류 구간 사이에는 크기가 0인 널 이동류 구간을 포함한다. 상기 널 이동류 구간이란 가상의 이동류로서 아무런 교통흐름을 갖지 않는 이동류이므로 모든 이동류와 허용관계를 갖을 수 있다.

이에 해당하는 2차원 상태공간은 도 3과 같은 상태공간이 구성되는 것으로서, 상태변수 이동선(103)은 상충영역(101)을 통과하게 되므로 충돌구간(104)이 발생하게 된다. 이 충돌구간(104)이 발생되지 않도록 하기 위해서 도 8a에 나타낸 바와 같이 이동류 ①과 ③ 사이에 널1 구간(106)을 확장한다. 널 구간은 모든 이동류와 허용관계에 있으므로 이로 인해 발생한부분은 충돌문제가 발생시키지 않는다.

또한 상태변수 이동선은 모든 좌표축과 동일한 각을 가지고 있고, 한 주기에 걸친 교차로 신호는 동시간에 완결되어야 하는 현 교통신호 규정을 감안하면 최종적으로 구성된 상태공간은 정방형 구조를 갖게 된다. 따라서 각 좌표축들의 한 주기 구간을 일치시켜야 하는데 이를 위해 종결 경계면인 이동류 ⑦ 이후에 널1 구간 (107)구간을 확장 조정한다.

이와 같이 널 구간의 확장으로 충돌구간이 발생되지 않으면 도 8b에 나타낸 바와 같이 확장된 널 구간을 인접된 이동류에 배분하고 배분된 널 구간은 동시허용 가능영역(102)의 널 구간은 각 이동류에 포함시킨다.

또한, 도 9a는 이동류를 다른 조합으로 사용할 경우의 일 예를 나타낸 것으로서, 상태변수 이동선(103)은 두 개의 상충구간(102)인 이동류 ③과 ⑤ 및 이동류 ⑥과 ⑦의 충돌구간을 지나게 된다.

상기 상태공간의 내부에 충돌구간이 발생하지 않으면서 정방형을 유지하기위해서는 도 9b에 나타낸 바와 같이 이동류 ④와 ⑤사이, 이동류 ⑥과 ⑧사이 및 이동류 ⑧ 이후에 널구간(108)을 각각 확장하면 가능하게 되지만 이러한 설계는 도 8b에 비하여 상태공간이 크게 되므로 좋지 않은 신호체계가 된다. 이와 같이 비교 검색을 통해 적절한 신호배치를 설정하게 되는 것이다.

한편, 산출하고자 하는 교차로 신호체계에는 신호시간의 효율적 이용이라는 목적을 추구하지만 교차로 상황에 따른 부가적인 제약조건이 있을 수 있다. 예를 들어 좌회전 금지 교차로와 같이 일부 이동류가 생략된다던가, 좌회전 우선이라는 특정신호간의 순서배치 등이 있을 수 있는데, 이 경우에는 이동류 구간의 크기를 0로 하거나 각 좌표축에 이동류 구간들을 할당할 때 배치 제약조건으로 설정하면 적절한 신호의 배치가 가능하게 되는 것이다.

이러한 판단근거를 통해 적절하고 우수한 이동류 순차조합을 선별한 후, 실제적으로 사용되지 않는 널 이동류 구간을 인접한 실제 이동류로 재 분배하는 과정을 거치게 되는 것이며 이는 자원의 효용을 높이기 위한 것으로 교차로 신호체계에서 유효녹색시간을 증가시키는 역할을 한다. 따라서 가장 적절한 상태공간은 도 7b와 같이 되는 것이다.

그리고 보행자의 이동류를 중복신호체계의 유효 이동류로서 편입시키고 타 이동류와의 상충관계를 파악하면 도 10에 나타낸 바와 같이 횡단보도의 운영을 포함한 효과적인 신호체계를 구축할 수 있게된다. 이 경우 동시에 허용되는 최대 이동류 수가 4개이므로 4개의 링으로 구성되는 신호체계라 할 수 있다.

또한 본 발명은 5지 이상 교차로의 적용에 있어서도 가능하다.

일 예로 5지교차로는 확장된 3차원 상태공간으로서, 이는 3개 이동류가 동시에 허용되는 경우이며 9개 이동류 경우를 들 수 있다.

즉, 5지교차로는 3차원 상태공간으로서, 3개의 축을 갖게 되며 도 11과 같은 형태를 이루게 된다. 이러한 3차원 상태공간에서 본 발명의 방법에 의한 각 단계를 수행하면 도 12에 나타낸 바와 같은 형태인 3개의 중복신호를 갖는 신호체계를 구성할 수 있게 되는 것이다.

따라서 5지 이상 다수개의 접근로를 갖는 다지교차로에 대해서도 n개의 이동류가 동시에 허용되는 n차원 상태공간의 해석으로 다수 링에 의해 이루어지는 다현시 중복신호체계를 구성할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 다수의 유효이동류를 포함한 다수의 접근로를 갖는 교차로 신호체계를 설계할 때 각 이동류를 좌표축에 할당된 상태공간에서의 상태변수 이동문제로 변환 처리하여 듀얼-링 방식의 교통신호를 완전히 수용함은 물론 임의의 접근로를 갖는 다지교차로에 존재하는 이동류에 대하여 임의의 다현시 체계까지 신호구성이 가능하게 되는 특유의 효과가 있다.

또한 본 발명은 횡단보도 신호와 같이 형식이 다른 이동류 간의 신호체계를 통합적으로 설계할 수 있게되어 교차로를 사용하는 모든 차량 및 보행자의 흐름을 효율성 있게 구성할 수 있게 되는 특유의 효과가 있다.

Claims (7)

1. 다수의 접근로를 갖고 다수의 이동류가 교차하는 교차로의 이동류 통과신호체계 설계에 있어서, 제어하고자 하는 이동류 허용구간(시간)이 좌표축 상에 배치된 다차원 상태공간을 구성하고, 실제 신호등기로 표출되는 상태변수 이동선과 상태공간 영역간의 상호관계를 사용하여 효율적인 중복 신호체계를 수립하는 것을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 교차로 신호체계를 수립하되, 교차로를 이동하는 유효한 개별 이동류(교통흐름, 횡단보행자 및 건널목을 이동하는 기차)에 대하여 각 개별 이동류의 속성(속도, 시간, 이동량)을 정의하는 제 1 단계; 상기 정의된 유효 이동류 간의 충돌을 방지하도록 각 이동류간의 동시 중복 허가의 가능 또는 불가능한 상태인 상호(상충)관계를 정의하는 제 2 단계; 각 이동류가 상호 충돌(상충)없이 교차로에 동시에 진입할 수 있는 동시 허용가능한 이동류 신호의 최대 개수에 해당하는 다차원 상태공간을 정의하는 제 3 단계; 상기 결정된 상태공간의 기준 좌표축 상에 유효 이동류 구간을 임의의 순서조합으로 할당하는 제 4 단계; 상기 좌표 축 상에 할당되는 위치에 신호구간을 배치하고 이동류 구간 전단과 한 주기 상태공간의 외곽에 배치되며 어떠한 이동류에도 영향을 끼치지 않는 가상 신호 구간인 널 신호구간을 삽입하는 제 5 단계; 상기 단계를 거쳐 구성된 상태공간 내에서 이동류 구간 조합에 따른 영역속성을 정의하고 상태공간 상에 하나의 직선으로 표현되는 상태변수 이동선를 설정하는 제 6 단계; 상태변수 이동선이 해당영역에 관련된 좌표축상 각 이동류 구간 최원값(원점으로부터 멀리 있는 값)들의 최소값 크기가 각 이동류 구간 최근값(원점으로부터 가까운 값)들의 최대값 보다 크다면 상태공간 이동선과 해당 영역이 중첩(통과)되어 상충영역을 통과할 경우 이동류 구간 앞(원점방향)에 위치된 널 구간의 양을 증가시켜 해당 좌표축상의 이동류 위치를 원점으로부터 멀어지도록 하여 신호구간을 조절하는 제 7 단계; 상기 단계를 거쳐 형성된 한 주기간 신호 계획을 나타내는 상태공간인 좌표죽과 동일한 각도를 유지하는 상태변수 이동선에 의해서 형성되는 정방형 공간의 크기를 측정하는 제 8 단계; 좌표축 상의 이동류 구간 배치 조합을 다양하게 변경하고, 사전에 주어진 반복횟수 또는 평가지수 허용범위 수렴을 기준을 만족하도록 상기 단계를 반복수행하여 형성된 복수의 한 주기 상태공간 중, 제시된 조건을 만족하고 그 공간의 크기를 최소로 하는 신호계획을 선택하는 제 9 단계; 통과 교통량이 증대되도록 상기 단계에서 증가되어 실제 이동류 제어에 사용되지 않는 널신호구간을 원점에서 먼 측에 인접한 유효이동류의 허용구간으로 할당한 후 이동류 구간의 단위를 소요현시율로 정의하고, 이동류 구간의 단위를 시간으로 정의하여, 일주기 상태공간의 크기를 주기시간으로 설정한 후 배분된 이동류 구간의 순서와 크기에 의한 현시계획을 산출하는 제 10 단계를 포함함을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 제 3단계의 상태공간 차원 수와 중복 신호에 사용되는 링의 개수가 동일하며, 이를 동시에 허용이 가능한 최대 이동류 개수로부터 얻어내는 것을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 제 4 단계의 모든 이동류 구간 전단에 널 이동류 구간이 위치하여 유효 이동류 구간을 연결하고, 한 주기 상태공간의 경계면에 있어서도 널 이동류 구간을 갖도록 함을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
5. 제 2 항에 있어서, 제 6 단계의 상태변수 이동선은 모든 좌표축과 동일한 각을 이루는 것을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
6. 제 2 항에 있어서, 제 7 단계는 상태공간 내에서 상태변수 이동경로가 상충영역을 통과할 경우 해당 구간에 앞에 삽입된 널 신호구간 크기를 증가시켜 이동경로가 상충영역으로부터 벗어나도록 함을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.
7. 제 2 항에 있어서, 대상 유효 이동류에 횡단보도 보행 이동류를 포함함을 특징으로 하는 교차로 신호체계 설계 방법.