본 논문에서는 고속도로 인터체인지 연결로를 대상으로 주행속도를 예측하고 설계 일관성을 평가하기 위해 새로운 기준을 개발하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 지금까지 주행속도 예측모형에 관한 연구는 지방지역 2차로 도로와 다차로 도로를 중심으로 활발하게 진행되어왔으며, 설계 일관성 평가는 설계속도와 주행속도 차이에 의한 방법, 인접구간 주행속도 차이에 의한 방법, 속도의 표준편차를 이용하는 방법 및 횡방향마찰력 차이에 의한 방법 등으로 연구가 진행되어왔다. 그러나 기존 연구에서 개발된 주행속도 예측모형과 설계 일관성 평가방법은 지방지역 2차로 도로와 다차로 도로의 본선을 위한 지표들로서, 선형이 다변화되고, 속도 편차가 크며, 제한속도보다 훨씬 높은 속도로 주행하는 고속도로 인터체인지 연결로에 적용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 논문에서는 우리나라 고속도로 인터체인지 연결로의 기하구조와 도로환경에 적합한 주행속도 예측모형을 개발하고, 설계 일관성 평가기준을 정립하고자 한다.
우리나라 고속도로 인터체인지 연결로에 대한 주행속도 예측모형과 설계 일관성 평가기준을 정립하기 위해 본 논문에서는 고속도로 인터체인지의 대표 형식이라 할 수 있는 트럼펫형 인터체인지를 대상으로 본선 설계속도와 연결로의 서비스수준, 인터체인지 입지여건 및 교통사고 건수 등을 종합적으로 고려하여 조사대상 인터체인지 12개소를 선정하였으며, 연결로 유형별로 기하구조 데이터를 추출하고, 2017년 8월부터 11월까지 약 4개월 동안 연결로와 가·감속차로의 주행속도를 조사하였다. 주행속도는 가·감속차로의 경우 50m~100m 간격으로, 연결로는 30m~40m 간격으로 Nu-Metrics사의 이동식 교통정보시스템을 매설하여 측정하였으며, 측정된 자료에서 미 검지 데이터, 오류코드 및 Headway가 5초 이하인 차량을 제외하는 등의 자료 가공 단계를 거쳐 연결로 각 지점을 대표할 수 있는 주행속도를 산출하였다.
주행속도 예측모형 개발을 위해 본 논문에서는 연결로를 유입과 유출연결로로 분류하고, Loop, 준직결, 직결 연결로 구분하였으며, 각 연결로마다 가·감속구간과 연결로구간으로 분리하여 총 12개의 예측모형을 개발하였다. 모형개발에 사용된 종속변수는 자동차의 주행 특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 85백분위속도를 선정하였으며, 종속변수에 영향을 미치는 독립변수는 곡선반경, 기준점으로부터의 백분위거리, 감속거리, 가속거리, 곡률변화율, 편경사 등을 선정하였다. 독립변수 결정시 도로의 차로 수, 차로 폭, 길어깨 폭 등의 횡단구성 요소는 본 연구가 고속도로 인터체인지 연결로만을 대상으로 하였기 때문에 독립변수에서 제외하였다. 연결로 유형별로 개발된 12개의 주행속도 예측모형은 곡선반경, 기준점으로부터의 백분위거리, 감속거리, 가속거리, 곡률변화율, 편경사가 독립변수로 각각 적용되었으며, 일부 모형에서는 수정결정계수가 다소 낮게 산출되었지만 대부분의 모형에서 신뢰성 있는 예측모형이 개발되었다. 또한, 개발된 예측모형에서 잔차분석, 다중공선성 진단 및 모형의 적합도 검정을 통해 모형의 통계적 유의성을 검증하였다.
인터체인지 연결로에 대한 설계 일관성 평가기준은 운전자가 연결로를 자유롭게 주행할 때 발생하는 주행횡방향마찰력과 설계속도로 주행할 때 발생되는 설계횡방향마찰력 차이를 이용하였으며, 평가기준 정립방법은 주행횡방향마찰력과 설계횡방향마찰력 차이를 순차적으로 나열하여 15백분위와 85백분위를 안전성 평가범위로 결정하고, Rice(1973)가 제안한 g-g diagram과 Lamm(1999)이 제안한 안전성 평가방법을 이용하여 일관성 평가범위의 적정성을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 정립한 새로운 설계 일관성 평가지표는 기준 영역을 3가지(Good, Fair, Poor)로 분류하여 제시하였으며, 현재 설계 및 공사중인 광주순환고속도로 남장성IC와 세종~안성간 고속도로 동천안IC를 대상으로 주행속도 예측과 설계 일관성 평가를 실시하여 인터체인지의 안전성을 점검하였다.
본 논문에서 개발된 주행속도 예측모형과 설계 일관성 평가기준은 향후 심도 있는 추가 연구와 적용사례를 중심으로 검증 및 개선 절차가 필요하겠지만, 그동안 지방지역 2차로 도로와 다차로 도로의 본선에만 관심을 갖고 연구해 온 많은 학자들에게 인터체인지 연결로에 대한 주행속도 예측과 설계 일관성 평가에 대한 새로운 패러다임을 제시할 것이다.

In this paper, a study was conducted on freeway interchange ramps with the objective of developing new vehicle speed prediction model and design consistency. The vehicle speed prediction models are based on a thorough research into two-lane and multi-lane rural roads. Among the methods for evaluating the design consistency of roads are difference in design speed and running speed, difference in driving speed between adjacent sections, usage of speed standard deviation, and the difference in lateral friction force. However, it is not desirable to apply the vehicle speed prediction models and the design consistency developed in the previous studies to freeway interchange ramps due to their diversified alignment, substantial speed deviation, and the tendency by the motorists to drive a much higher speed than the speed limit on freeway interchange ramps. Therefore, this study aims at developing a vehicle speed prediction model and design consistency for the geometry and road environment of freeway interchange ramp in our country.
Twelve trumpet interchanges were studied to establish the vehicle speed prediction model and design consistency assessment criteria. In addition, the ramp level of service, basic freeway segment geometric characteristics, and crash and vehicle speed data were comprehensively investigated for each type of ramp for about four months from August through November, 2017. The vehicle speeds were measured by installing a mobile traffic information system of Nu-Metrics at intervals of 50m to 100m for the acceleration and deceleration lanes while the ramp section was measured at intervals of 30m to 40m. Undetected data, error codes, and vehicles with a headway less than 5 seconds were excluded from the measured data.
Twelve vehicle speed prediction models were developed for freeway interchange ramps in this study. The 85th percentile speed which best represents the driving characteristics of the vehicle has been selected as the dependent variable in the model. Explanatory variables that were hypothesized to have an affect on the dependent variables include curve radius, percentile distance from the nose point, deceleration distance, acceleration distance, curvature change rate and superelevation slope. Cross section elements such as the number of lanes, width of the road, and width of the shoulder were excluded from the independent variables while designing the model since this study is focused on freeway interchange on-and-off ramps.
The vehicle speed prediction model used the curve radius, the percentile distance from the nose point, the deceleration distance, the acceleration distance, the curvature change rate and the superelevation slope as independent variables respectively and the reliable prediction model was developed in most models. In addition, the prediction model developed has been verified for statistical significance by analyzing residuals, diagnosing multicollinearity and testing the suitability of the model.
The design consistency criteria for interchange ramps used the difference between the lateral friction produced when the driver was driving freely on the ramp and the design lateral friction produced when driving at the design speed. The design consistency criteria determined the 15th and 85th percentiles as the safety assessment ranges using the difference between the driving and the design lateral friction forces. Therefore, the new design consistency index in this study categorizes the reference area into three standards (Good, Fair and Poor). In addition, the safety of interchanges for highways currently being designed and under construction was checked through vehicle speed prediction and design consistency.
This study represents a new paradigm for many scholars with interest in the design of freeway interchange ramps. However, the vehicle speed prediction and design consistency indices developed in this study require verification and improvement in further studies and application cases in the future.