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  iWiz(2006-06-03 01:19:11, Hit : 7839, Vote : 0
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고속도로는 왜 정체할까?


+ 도로는 왜 정체할까?

고속도로에서 정체에 휘말려 짜증을 내고 있다가 돌연 시원하게 소통된 경험이 있을 것이다. ‘사고가 난 것도 아닌데 조금 전까지의 거북이 걸음은 도대체 무엇이었을까?’ 참으로 신기한 노릇이 아닐 수 없다. 정체는 일반 도로나 고속도로에서 일상적으로 발생하여 우리를 괴롭힌다. 나아가 명절 등의 연휴때는 마치 다반사처럼 차량이 수십 킬로미터에 걸쳐 이어진다. 정체가 사라지면 얼마나 좋을까? 여기 과학잡지 뉴우튼(NEWTON) 2006년 2월호에 게재된 단순한 듯하면서 오묘한 도로 정체의 상식·비상식을 내용을 소개한다.

고속 도로나 일반 도로를 막론하고 당연한 것처럼 정체가 발생한다. 너무도 당연하여 의문스럽게 생각한 적이 없을지도 모르지만, 잠깐 생각해 보기 바란다. 애당초 왜 정체가 발생하는 것일까? ‘차가 많으니까.’ 이 한 마디로 끝낼 수도 있을 것이다. 그러나 그것은 이유가 되지 않는다. 좀더 깊이 생각해 보자.

+ 알기 쉬운 정체, 수수께끼 같은 정체

정체가 발생하는 이유는 다음과 같이 바꾸어 말할 수도 있다. ‘어떤 도로를 지나가고자 하는 자동차의 양(교통 수요)이 통행 가능한 양(교통용량)을 웃도는 상태가 계속되었기 때문이다.’ 즉 1시간에 2000대밖에 통과할 수 없는 도로를 2200대가 통행하려는 상태가 계속되면, 1시간 뒤에는 200대가 통행하지 못하고 남게 돼 버린다.

이 남겨진 자동차의 자동차의 대열을 우리는 정체라 부른다.

한편 일본 고속 도로 회사의 하나는 ‘시속40킬로미터 이하에서 지속 주행 또는 정지·발진을 반복하는 자동차의 줄이 1킬로미터 이상 그리고 15분 이상 계속한 상태’를 고속 도로의 정체로 정의하고 있다.

잠시 고속 도로에 대하여 이야기를 계속해 보자. 고속 도로에는 ‘상습 정체 구역’이 있다. 교통 수요가 늘어나면 반드시 정체되는 곳을 말한다. 교통량이 늘어나면 톨게이트의 부스가 부족하여 줄지어 닥치는 자동차를 제대로 처리하지 못한다.

이런 정체는 정체의 원인이 누가 보더라도 확실하여 알기 쉽다. 이런 정체의 원인이 되고 있는 곳을 ‘병목 지점’이라 한다.

그러나 정체의 원인을 알기 어려운 곳이 있다. 톨게이트가 있는 것도 아니다. 당연히 교통 신호도 없고, 사고가 자주 일어나는 것도, 날마다 공사를 하고 있는 것도 아니다. 그럼에도 불구하고 정체가 빈발하는 것이다. 그리고 정체를 빠져 나가면 그 앞은 휑하니 달릴 수 있는 경우가 많다. 그래서 운전자는 ‘좀전의 정체의 원인은 무엇이었을까?’ 하고 머리를 갸웃거리게 된다. 그야말로 수수께끼 같은 정체이다.

+ 자동차는 몰려든다.

거듭 말하지만 그 장소에서 정체가 발생한다는 것은 교통 수요가 교통 용량을 웃도는 상황에 있다는 것이다. 고속 도로의 경우 병목 현상만으로 교통 수요가 늘고 있다고는 생각하기 어렵다. 교통 용량이 줄어들고 있다고 생각하는 것이 자연스러울 것이다. 무엇인가 교통을 방해하는 요인이 반드시 있을 것이다.

그것을 해명하기 전에 고속 도로를 달리는 자동차의 움직임에 대하여 살펴보자. 이것이 정체와 밀접하게 관련되기 때문이다.

고속 도로를 달리는 자동차를 관찰하면, 재미있는 경향을 알게 된다. 교통량이 어느정도 늘어나면 균일하게 차가 흘러가는 것이 아니라 몇 대 내지 몇십 대의 차가 대열을 이루어 달리고, 잠시 사이를 두어 다음 대열이 다가오는 것이다. 이 대열을 ‘자동차 무리’라고 한다.

“운전자는 각각 자기가 달리고 싶은 속도의 범위가 대략 정해져 있으며, 그 범위 안에서 상대적으로 느린 차를 선두로 하여 자동차 무리를 이루는 것 같다.”고 정체의 경감·해소에 대하여 연구를 하고 있는 일본 도쿄 대학 생산기술연구소의 구와하라 마사오 교수는 말한다.

그럼 자동차 무리와 수수께끼의 정체가 어떻게 연관되고 있을까?

+ 수수께끼 같은 정체의 원흉은 ‘새그’

수수께끼 같은 정체의 비밀을 해명하기 위한 열쇠는 ‘새그’이다. 들어 보지 못한 말이지만, 간단히 말하면 도로의 높낮이가 조금 변화하는 곳이다. 영어로는 오목한 모양의 곡선을 의미한다. 예컨대 완만한 내리막길이 완만한 오르막길로 변화하는 곳이 새그이다.

그곳을 통과하는 운전자가 그 존재를 알아차리지 못할 정도로 새그의 높낮이 변화는 적은 경우가 맣다. 대략 1~2퍼센트의 높낮이 변화이다. 1퍼센트의 높낮이란 100미터를 나아가면 1미터 올라가거나 내려가는 것이다. 이 정도의 높낮이 변화가 수십 킬로미터가 넘는 정체를 유발하는 원흉이라고는 믿어지지 않을지 모른다.

지금 ‘운전자가 그 존재를 알아차리지 못할 정도’라고 하였다. 실은 이것이 특징이다. 시속 100킬로미터의 자동차 무리가 새그에 직면하였다고 하자. 높낮이 변화를 알아차리지 못하기 때문에 선두 차의 운전자가 가속 페달을 밟지 않는다. 약간의 높낮이 변화라도 시속은 자연히 97~98킬로미터 정도까지 떨어질 것이다.

뒤따르는 두 번째 차는 선두 차가 감속한 것을 알아차린다. 자동차 무리가 되어 달리고 있었기 때문에 원래 차간 거리에 그다지 여유가 없다. 그 결과 살짝 브레이크를 밟아 시속 94~95킬로미터 정도까지 감속해 버린다. 세 번째 차는 두 번째 차의감속을 보고 조금 강하게 브레이크를 밟는다. 그 결과 시속 92~93킬로미터까지 감속해 버릴 것이다.

“결국 자동차 무리의 꼬리 부분에서는 시속 20~30킬로미터까지 감속해 버리는 경우도 있다.”(구와하라 교수) 시속으로 불과 몇 킬로미터의 감속이 계기가 되어 ‘과잉 반응’을 일으키는 것이다.

이런 상황이 되었더라도 도로가 비어 있으면 정체는 되지 않는다. 다음 자동차 무리가 오기 전에 앞서 가던 자동차 무리의 꼬리 부분이 새그를 빠져나가 가속할 시간이 있기 때문이다. 그러나 도로가 혼잡하면 그렇게 되지 않는다. “시속 20~30킬로미터로 감속한 차에 다음 자동차 무리가 달려와 순식간에 정체가 생겨 버린다.”(구와하라 교수)

이상이 수수께끼 같은 정체의 발생 메커니즘이다. 정체의 원흉이 존재하는 것을 알아차리지 못하기 때문에 정체에서 빠져나간 뒤 ‘왜 정체되어 있었을까?’하고 머리를 갸웃거리는 것은 어쩌면 당연한 일인지도 모른다.

이와 같은 속도 감속에 의한 정체는 터널 입구 부근에서도 발생한다. 터널의 어둠과 협소함이 운전자를 압박하여 가속 페달을 밟지 않게 하기 때문이다.

 + 정체가 다시 정체를 부른다

새그에서 발생하는 정체에는 고약한 성질이 있다. 정체가 교통 용량의 저하를 초래하여 더욱 정체를 악화시켜 버리는 것이다. 예컨대 정체 개시 직후에는 1차선당 1800대 정도의 차가 통행하고 있었는데, 정체 개시 후 30분이 경과하면 1차선당 1600대 정도밖에 통과할 수 없게 되는 현상이 일어난다. 왜 그럴까? 실은 이것에도 운전자가 새그의 존재를 알아차리기 어려운 점이 관계되어 있다.

정체에 빠져들었을 때 자동차의 흐름이 갑자기 좋아졌다고 생각한 순간 곧 다시 거북이 걸음으로 바뀌는 것이 반복된 경험이 없는가?

이것을 ‘조밀파’라고 하며, 정체 중인 자동차의 밀도 변화가 파의 흐름처럼 전해지는 현상이다. 조밀파 그 자체는 새그에 의한 정체 이외에도 일반적으로 볼 수 있다.

자동차가 가다가 멈추는 것이 되풀이되면, 운전자는 앞차가 가속하더라도 ‘아무리 움직이더라도 곧 멈추어 버릴 것’이라고 생각하여 그다지 민감하게 반응하지 않게 되는 듯하다. “이런 상태에서는 정체의 선두와 간격이 벌어져 앞이 비어 있더라도 운전자는 힘차게 가속하지 않는다. 그 결과 정체의 선두로부터 차간 거리가 통상보다 크게 벌어져 교통 용량이 저하하는 것이다.”(구와하라 교수) 가파른 오르막길 등 정체의 원인을 쉽게 알 수 있는 곳에서는 정체가 발생하더라도 운전자가 정체를 통과하였음을 알아차리기 때문에 교통 용량의 저하는 일어나기 어렵다.

+ 정체를 줄이려면?

귀찮은 정체를 해소하는 방법은 없을까? 여기서부터는 고속 도로뿐 아니라 일반 도로까지 이야기를 넓혀보자. 정체를 해소하려면 교통 용량을 늘리거나 수요를 조정할 수밖에 없다. 우선 교통 용량을 늘리는 방향에 대하여 생각해 보자.

고속 도로에서는 실은 몇 년 전에 비하여 정체는 줄어들고 있다. 이것은 차선 증설 공사와 ETC(논스톱 자동 요금 수납 시스템)의 보급이 이루어져 교통 용량이 증가한 때문이다. 이런 시설 개량을 하여 교통 용량을 늘이는 것도 가능하지만, 우리들의 운전 여하에 따라 교통 용량을 늘릴 수도 있다.

구와하라 교수는 말한다. “혼잡해지면 차선 변경이 어려워진다. 그러면 운전자는 일단 추월 차선으로 나가면 주행 차선으로 돌아오지 않게 되는 것 같다. 편도 2차선의 고속 도로일 경우 정체발생 직전의 상황에서는 주행 차선 40퍼센트 정도의 비율이 된다. 그 결과 대부분의 경우 정체는 추월 차선에서부터 시작되는 것이다.”

즉 주행 차선은 아직 여유가 있는데 추월 차선은 포화 직전의 상태이다. 양자를 균등화하면 교통 용량은 올라갈 것이다.

그럼 일반 도로의 교통 용량을 늘리려면 어떻게 하면 좋을까? “도쿄 도심의 교차점을 조사하자 교차점에서 발생하는 정체 가운데 70퍼센트는 노상 주차가 원인이었다. 교차점은 원래 서로 다른 방향의 흐름이 교차하기 때문에 병목 현상을 일으키기 쉬운 곳이다. 이 때문에 교차점 부근의 노상주차는 엄격히 규제할 필요가 있다. 한편 주차하더라도 영향이 적은 곳에서는 시간대를 지정하여 주차를 인정하는 등 유연한 대응이 바람직하다.”(구와하라교수)

그 밖에는 신호의 전환을 조정하는 것도 생각 할 수 있다. 예컨대 자주 정체하는 교차점의 푸른색 신호 시간이 50초였다고 하면 이것을 5초 늘이기만 하더라도 교통 용량은 10퍼센트 증가한다. 이런 미세 조정을 하기 위해 주요 교차점마다 직진 차량, 위회전 차량, 좌회전 차량 등의 정보를 실시간으로 파악하여 몇 분 앞의 교통 수요를 자동적으로 예측하는 시스템 개발도 진행되고 있다.

+ 정체 해소의 비책

이번에는 교통 수요를 조정하는 것에 대하여 생각해 보자. 고속 도로의 커다란 정체를 보면 교통 용량을 대폭 넘어서는 차량이 몰려든 것으로 생각해 버린다. 그러나 실제로는 교통 수요와 교통 용량 사이의 차는 불과 10% 정도인 경우가 많다. 그 상태가 몇 시간이나 계속되기 때문에 몇십 킬로미터의 정체로 발전하고 있는 것이다.

거꾸로 말하면 이것은 교통 수요를 조금만 조정하면 정체를 해소할 수 있다는 것이다. 구와하라 교수는 행락지에서 돌아오는 차량이 많은 자동차 도로를 예로 23킬로미터의 정체를 해소하는 방법에 대하여 시산하였다. 그것에 의하면 각 운전자가 최대 15분 정도의 시간 조정을 하기만 하면 정체는 해소된다고 한다.

그럼 마지막으로 이 개념을 발전시킨 궁극의 정체 해소 방법을 소개한다. 정체에 전혀 휘말리지 않고 덤으로 도착 시각도 전혀 변화하지 않는 마치 마법과 같은 방법이다.

어느 지점 (A)로부터 근무처까지 이어지는 하나의 도로를 상상하기 바란다. 근무처의 입구에는 정문 (B)가 있으며, 매일 아침 이것이 원인으로 정체가 발생한다고 하자. 간단히 하기 위해 이문을 통과할 수 있는 자동차는 1분에 1대뿐이라고 한다.

어느 날 X씨가 전혀 정체에 휘말리지 않고 10분 만에 AB 사이를 통과하였다. X씨 다음으로 A점을 통과한 Y씨도 순조롭게 AB 사이를 나아간다. 그러나 아슬아슬하게 X씨의 뒤에 처져 결국 AB 사이를 통과하는 데 11분이 걸렸다. Y씨는 첫 ‘정체의 희생자’이며, 정체가 없는 경우에 비해 1분 낭비한 셈이 된다. Y씨 다음으로 A점을 통과한 사람은 Z씨이다. Z씨도 도중까지 순조롭게 나아가지만 결국 Y씨의 뒤에 처져 AB사이를 통과하는 데 12분 걸렸다. Z씨는 정체 때문에 2분을 낭비한 셈이다.

그날 논의가 이루어져 다음날부터 전원이 일정한 규칙에 따라 출근하기로 정하였다. 그 규칙이란 ‘각자가 정체로 낭비한 시간만큼 다음날부터 자택에서 느긋하게 쉬고 나서 출발한다’는 것이다.

다음날이 되었다. 전날 정체에 휘말리지 않는 X씨는 전날과 같은 시각에 자택을 출발한다. A점 통과 시각도 B점 통과 시각도 전날과 같다. Y씨는 전날 정체로 1분 낭비하였으므로 규칙에 따라 1분 늦게 출발한다. 당연히 전날보다 1분 늦게 A점을 통과한다. 전날은 아슬아슬하게 정체가 시작되었지만, 이번에는 1분 늦은 덕분에 X씨가 B점을 통과한 직후에 B점에 도착하였다. 결국 Y씨는 정체를 경험하지 않았으며, 전날 11분 걸린 AB 사이를 오늘은 10분 만에 지나왔다. 근무처에 도착한 시각은 그러나 전날과 같다.

Z씨는 전날보다 2분 늦게 A점을 통과한다. 전날은 ‘첫 희생자’인 Y씨의 뒤에서 더 기다렸다. 오늘 Z씨가 B점에 이른 것은 Y씨가 막 B점을 통과한 직후이다. 그 결과 Z씨도 정체를 경험하지 않고 10분 만에 AB 사이를 통과하였으며, 전날과 같은 시각에 근무처에 도착하였다.

이리하여 정체는 완전히 해소된다. 여기서는 3대의 차량으로 설명하였지만, 차가 몇 대로 늘어나더라도 원리는 같다. “늦지 않으려고 일찍 집을 출발하는 것과 반대되는 발상이다. 전날까지 정체에 휘말려 낭비한 시간을 집에서 느긋하게 보내는 것으로 교환하는 셈이다.”(구와하라 교수) 정체로 인해 20분 낭비한 사람이라면 집에서 커피를 마시면서 준비를 해도 좋을 정도로 여유가 있을 것이다.

그러나 이것을 실현하는 데는 모두가 이 규칙을 엄밀하게 지킬 필요가 있다. 그렇지 않으면 규칙을 지킨 사람만 지각하는 셈이 될지도 모른다. 그리고 모든 도로에서 실현하기란 어려울 것이다. 하지만 이것만으로도 정체가 완전히 해소된다니 매력적인 이야기이다.




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