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가장 빠르게 교차로를 통과하게 하려면 컴퓨터가 제어하는 교통신호체계가 필수적이다.

세계 최초의 교통신호등은 지금부터 1백22년 전인 1868년 영국의 웨스트 민스터시에 등장했다. 이때는 상용(商用) 전기가 없었으므로 가스등을 사용했다. 이 신호등은 적색과 녹색 두개의 등으로만 구성됐는 데 주로 밤에만 불을 켰다. 그러나 불행하게도 가스폭발사고가 일어나는 바람에 이 신호등은 더 발전되지 못하고 말았다.

그 뒤 반세기나 지난 1918년, 뉴욕의 길가에 다시 신호등이 설치됐다. 이 신호등은 손으로 동작시키는 삼색등으로 구성돼 있었다. 이어 1925년에는 영국 런던의 번화가 피카델리에 설치되고 그 다음해에는 이것이 자동화되었다.

당시의 자동교통신호등은 교통소통에 상당히 기여했다. 하지만 통행과 정지의 시간간격이 일정했기 때문에 교통량이 하루 사이에 심하게 변하는 곳에서는 매우 비효율적이었다. 그래서 교통량에 따라 청신호의 길이를 변화시켜 주는 시도가 이뤄졌다. 그 일환으로 1930년대에는 교차로의 한쪽 귀퉁이에 마이크를 설치하고 차에서 경음기를 울리면 청신호가 연장되는 장치도 한때 사용됐다.

하지만 이 마이크는 복잡한 문제를 일으켰기 때문에 다른 방식이 곧 도입됐다. 공기가 들어 있는 고무호스를 길에 깔고, 차량의 무게로 호스 내부의 공기를 압축, 스위치를 동작시키는 장치도 선보였다.

이러한 차량검지방식(vehicle actuation method)에 의한 신호시간 연장방법은 50년대 들어오면서 레이다 자기 초음파 등 현대적인 기술과 결합, 대단한 진보를 보였다.

횡단보행시간이 가장 중요
 

교통신호기는 교차로에서 차량과 보행자의 통행순서를 지정, 안전하고 질서있게 통행하게 하는 일종의 안정장치다. 따라서 특정 방향의 청신호 시간은 그 방향의 교통량에 비례해야 한다. 아울러 차량통행과 교차가 없는 방향에서는 보행자 통행을 허용하는 것이 시간을 절약하는 데 도움이 된다.

네거리 표준교차로에서 차량과 사람 통행이 가능한 방법을 모두 예시하면 (그림1)과 같다. 즉 동서방향 또는 남북방향의 간선도로에서 지선(支線)도로로 진입하는 좌회전의 청신호가 제일 먼저 켜지는 데 이것을 제1페이스(phase)라고 한다. 곧 이어 간선도로 직진통행이 제2페이스가 되는데 동시에 이 통행과 평행이 되는 횡단보도에도 파란 불이 켜진다. 제3페이스는 지선도로에서 간선도로로의 좌회전, 제4페이스는 지선도로의 직진, 이것이 끝나면 다시 제1페이스로 되돌아 간다. 이 네 페이스의 청신호는 그 방향으로 통행할 수 있는 통행권(right of way)을 부여하는 것이다.

차량통행만을 염두에 둔다면 기본적으로 여덟가지의 흐름 방법이 있다(그림 2). 교차로의 기하학적 구조나 교통량에 따라 여러가지 조합을 만들어 낼 수 있는 것이다. 그러나 가운데 장벽이라고 표시된 양편의 신호가 동시에 선택되는 것(concurrent)은 금지돼 있다. 교차로의 신호제어기 함에는 이러한 모순된 현시(顯示)를 검지하는 모순검지기가 내장돼 있다. 따라서 기계의 고장으로 모순상황이 발생하면 신호의 회전 등은 제어기의 고장을 알리는 적색 점멸상태가 된다.

각 페이스의 청신호 시간은 해당 방향의 교통량에 따라 결정되지만 그것보다 더 중요한 것은 횡단보도가 있는 경우의 횡단보행시간이다. 보행자의 보행속도를 1초당 1.2m로 보고 횡단폭을 이 보속(步速)으로 나눈 값이 바로 횡단시간이 된다. 이 시간은 횡단자의 수에 따라 가감되지만 기본적으로 확보해야 할 가장 중요한 시간이다. 또 이 시간은 차량통행이 없더라도 보행자의 안전을 위해 축소시키지 않는다.

이 네 페이스의 시간에다 각 페이스의 청신호 끝에 나오는 황색시간 또는 전적시간(all red time)을 합친 것을 사이클시간(cycle time)이라고 한다. 그리고 각 페이스 당으로 할당한 청색시간과 황색시간의 합을 스플릿(split, 分割比)이라고 부른다.

결국 신호제어기란 방향별로 적절한 청시간과 황색시간을 배정해 주는 일종의 순서 제어기(順序制御機, sequential controller)다. 즉 자체내에 내장한 데이터베이스에 따라 움직이거나(定周期制御機) 외부로부터의 지시에 따라 동작하며 정확한 시간유지가 생명이다.

현재 사용중인 신호제어기에는 '6809'라는 모터롤라(Motorola)회사의 8비트 마이크로프로세서가 내장돼 있다. 따라서 필요한 기능을 소프트웨어로 처리하고 있으며 기능의 보완·추가는 모두 프로그램을 고침으로써 가능해진다. 이 점이 하드웨어 로직(logic)만으로 동작하던 종래의 교통신호기와 다른 점이다.
 

정지없이 여러 교차로를 통과하려면
 

교차로마다 유입·유출되는 교통량이 차이나고 또 기하학적 구조, 즉 차선수 횡단 보도 유무 등이 다르므로 단위시간당 처리할 수 있는 차량대수도 달라진다.

그런데 이웃하고 있는 교차로들이 그 특성에 따라 제각기 동작하고 있으면 신호의 연동(連動)이 곤란해진다. 즉 A교차로를 청신호를 받아 출발한 차량이 B교차로에 도착했을 때 적신호를 받아 서게 되면 전반적으로 소통량이 감소된다. 즉 청신호를 대기하는 이른바 지연시간(delay time)이 발생해 누적되기 때문이다.

이것을 피하려면 신호의 연동이 필요하다. A교차로에서 청신호로 통과한 차량이 B교차로에 접근할 찰나에 기다렸다는 듯이 청신호로 바뀌면 정지없이 B교차로도 통과하게 돼 지연시간이 생기지 않는다. A, B 두 교차로 사이의 거리를 속도로 나누면 A에서 B로 접근하는 시간이 나오고 이 시간만큼 청신호를 늦게 켜주게 되면 신호의 연동이 이루어지는 것이다. 이 시간 차이를 오프셋(offset)시간이라고 부른다.

오프셋시간을 맞추면 여러 교차로를 적신호에 의한 정지없이 통과할 수 있다. 그러나 이 오프셋을 상행(上行) 하행(下行) 방향에 대해서 모두 함께 맞추는 것은 곤란하다. 교차로간 간격이 다르고 또 교차로에서 사용하는 페이스수 그리고 교차로 통과시간이 길게 소요되는 대형차의 혼합률에 따라서도 달라지기 때문이다. 가장 손 쉽게 이들 오프셋을 구하는 방법은 시공도(時空圖, time-space diagram)를 그리는 것이다(그림3).

하루 사이에도 교통량이 심하게 변하기 때문에 일정한 사이클시간 분할비 오프셋으로 신호등을 동작시킬 수는 없다. 따라서 교통량에 알맞는 시간계획을 짜려면 교차로에 있는 제어기들을 한 장소에서 함께 제어하지 않으면 안된다. 이 작업은 컴퓨터를 사용해 수행하는데 이를 컴퓨터제어 교통신호체계라고 한다. 이 체계의 구성요소들은 다음과 같다(그림4).

그중 중앙 컴퓨터는 시스템의 핵심부로서 제어프로그램, 각 교차로에서의 시간계획 데이터베이스 등을 갖고 있다.
차량검지기(vehicle detector)도 중요한 장비인데 현재 루프(loop)검지기가 주로 사용된다. 이 루프검지기의 팔각형 틀 속에는 전선이 감겨 있고 거기에는 고주파전류가 흐르고 있다. 따라서 차량이 그 속에 들어가면 고주파전류의 주파수가 변하기 때문에 차량을 검지할 수 있게 된다. 이 검지기를 통해 시간당 차량대수인 교통량과 루프를 점유하고 있는 시간을 측정한다.

통신장치도 필수적인 장비다. 이 기기는 전 시내에 산재해 있는 신호제어기와 컴퓨터 사이의 통신을 수행하기 위해 가동된다. 이 통신장비와 한번 연결되면 필요한 정보를 단시간 내에 주고 받을 수 있다. 일반적으로 컴퓨터의 DMA(Direct Memory Access)회로와 연결돼 컴퓨터 프로그램의 관여없이도 자동적으로 자료를 컴퓨터의 기억장치 속에서 빼가기도 하고 기억시켜 놓기도 한다.

교통상황판도 제대로 가동돼야 하는데 이 상황판은 통신장치를 통해 들어온 제어지역 내의 교통상황, 즉 교통량 속도 제어기의 동작상황 등을 운영자들에게 보여주는 장치다. 제어지역내의 상황을 표시히는 데는 세가지 색깔의 램프를 사용한다.

한편 신호제어기는 컴퓨터의 지시를 받아 적 청 황색 등을 차례로 켜서 교차로 교통을 처리하는 핵심적인 장치다.
가변 교통안내판도 도로에서 흔히 보는 장치다. 이 기기는 중앙 컴퓨터에 입력되는 거리의 교통상황을 운전자들에게 알려서 미리 혼잡한 지역을 피할 수 있도록 해주기 위해 몇 가지 문자정보를 표시할 수 있는 장치다.
 

제어전략은 어디까지?

컴퓨터를 사용해 도시내의 교통신호기를 제어하는 기술은 70년대 중반부터 세계적으로 널리 보급됐다. 이는 당시에 미니컴퓨터라고 불린 중소형 16비트 컴퓨터가 염가로 널리 보급된 것과 궤를 같이 하고 있다. 그때의 미니컴퓨터들은 대개 16비트였고 최대 기억용량이 1백28KB 정도였다. 따라서 시시각각으로 변하는 교통량에 알맞은 시간계획 -사이클 스플릿 오프셋시간- 을 실시간으로 계산한다는 것은 거의 불가능했다. 그래서 대용량 컴퓨터로 발생가능한 여러 교통상황을 예측, 시간계획을 미리 계산했다. 그 뒤 이 시간계획들을 기억장치 속에 저장해 두었다고 거기 해당하는 상황이 발생했을 때 그 시간계획을 기억장치에서 인출, 긴요하게 사용하는 이른바 '패턴선택형'이 대부분이었다.

이 패턴선택형에는 두가지가 있는데 첫째는 '시간/주일 선택형'이다. 도로의 하루 사이의 교통량 변화는 대개 일정하다. 따라서 시간대로 분할하여 시간계획을 마련해 두는 일이 가능한 데 이것이 바로 시간/주일 선택형(time of day/week mode)인 것이다. 이 방법은 신호변화가 일정해 운전자들에게 안정감을 주지만 반대로 급격한 미세변화에는 잘 적응하지 못한다는 약점을 안고 있다.

두번째 방법은 교통량 대응방법(traffic response)이다. 즉 제어지역내의 차량검지기가 보고한 교통량과 점유율을 받아서 변화가 생기면 거기에 대응하는 시간계획을 즉시 선택하여 사용하는 방법이다. 대개는 교통량에 따라 여덟가지의 유형으로 시간계획을 분류해 두었다가 사용한다. 이 방식을 쓰면 교통량의 증가나 감소가 검지되는 즉시 사이클시간 스플릿시간 오프셋시간을 변화시킬 수 있다.

그러나 교통량은 점차로 증가하는 데 언제나 최대시간의 사이클을 사용한다는 점이 약점이다. 따라서 도로를 횡단하는 보행자들에게 큰 불편을 준다. 사이클시간이 길어질 뿐 아니라 횡단기회가 한 사이클에 한번씩 밖에 없으므로 보행자들은 꽤 오랫동안 신호등 앞에서 기다리게 된다. 차량소통을 위해 보행자들에게 일방적인 피해를 줄 수는 없으므로 이 단점은 매우 치명적이었다.

근래 컴퓨터 기술이 발전하고 염가의 기종이 출현한 데 힘입어 제어기술도 '실시간 계산형'으로 발전해가는 추세다. 그러나 여기에는 몇 가지 문제가 도사리고 있다. 첫째는 실시간으로 계산한다고 하더라도 별로 큰 도움이 되지 않는다는 점이다. 순식간에 시간계획을 변경시킨 자료를 얻게 되지만 이 변화가 매우 작아 실익이 별로 없다. 또 컴퓨터를 32비트 등 대용량으로 바꾸면 경제적 부담만 증가하게 된다.
두번째는 16비트 통신장치를 32비트 통신장치로 개조하는 문제다. 여기에는 막대한 하드웨어 비용이 소요된다. 모든 교차로의 신호제어기를 32비트로 바꾸려면 엄청난 경비를 지불해야 하는 것이다.

따라서 가능하면 하드웨어는 손대지 않고 소프트웨어 개조만으로 시스템의 성능을 향상시키는 것이 바람직하다.

현재 패턴선택형 제어전략은 매우 바쁘게 짜여 있다. 중앙 컴퓨터와 지역 교통신호제어 사이에 1초에 한번씩의 교신이 이루어져 명령지시와 상황보고를 주고 받고 있기 때문에 다른 일을 할만한 시간여유가 별로 없다.

이처럼 바쁜 중앙 컴퓨터의 부담을 줄여주기 위해 지역 신호제어기에 더 많은 기능을 주는 작업이 시도되고 있다. 즉 분산처리를 하면 상당한 개선이 이루어질 것이다.

실제로 교차로에 있는 지역제어기에서 방향별 청시간(스플릿) 배분을 결정해버리면 1초에 한번씩의 교신이 필요없게 된다. 그러면 중앙 컴퓨터는 사이클시간과 그것이 시작되는 오프셋시간만 결정해서 통보해주고 변경이 필요할 때문 교신을 하면 된다. 남은 시간은 입력된 교통량 자료를 처리, 적절한 사이클시간과 오프셋시간을 계산하게 된다. 어떤 시간계획이 지연시간 최소, 정지회수 최소, 대기행렬 길이 최소를 이룰 수 있을지 산출해내는 일을 책임지게 되는 것이다.

전자가 핸들을 잡는다

차량의 폭발적 증가는 어떤 의미로는 교통신호등의 한계를 노출시킨 것이라고 볼 수 있다. 주거지역에서 도심으로 들어오는 길은 대개 둘 또는 하나의 외길로 되어있기 십상이므로 단시간 안에 폭주하는 교통량을 원활하게 처리하는 일이 매우 어려운 실정이다. 교통신호등은 아무리 최선의 조건으로 동작시킨다고 하더라도 결국 교통량을 제한하게 되는 것이다.

그러나 교통신호등을 컴퓨터로 제어하는 시스템은 운전자들에게 적절하고도 신속한 정보를 제공할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 서울시내만 하더라도 도처에 1천3백여기의 차량검지기가 매설되어 있기 때문에 교통상황에 관한 정보는 충분히 갖고 있다고 할 수 있다.

단지 이 정보를 어떤 방법으로 운전자들에게 전달하느냐가 문제다. 흔히 방송국에서 아나운서들이 교통정보를 방송하지만 그것은 시간적으로 그리고 공간적으로 제한돼 있기 때문에 충분치 못하다.

그러나 최근 전자공학과 컴퓨터의 놀라운 기술적 발전에 힘입어 염가의 무선전화가 많이 이용되고 있다. 이 무선전화의 채널에 컴퓨터를 연결하면 단시간 내에 많은 정보량을 송수신할 수 있다.

차량에 설치된 컴퓨터가 보낸 위치정보가 교통관제센터에 들어가면 센터에서는 차량을 중심으로 반경 6~8km 내에 있는 모든 도로의 혼잡·정체정보를 발신해 준다. 그러면 자동차의 무선전화의 수신기가 이것을 수신, 차량 내부에 있는 모니터 화면의 지도 위에 표시한다. 운전자는 이 화면을 보고 주변도로의 교통상황을 한 눈에 알게 된다.

심지어는 목적지까지 갈 수 있는 여러 길중에서 현재 가장 덜 혼잡한 길을 선택해 안내하는 이른바 경로유도도 가능하다.

이러한 전자유도 교통체계는 지난 10년동안 일본 영국 서독 등지에서 연구되어 왔다. 일본은 신자동차교통정보통신시스템(Advanced Mobile Traffic Information and Communication System, AMTICS라는 약자로 불림)이라는 이름으로, 영국에서는 오토가이드(Auto Guide)라는 명칭으로 이미 거리에서의 실험까지 모두 끝내 놓고 있다.

이 장치의 보급속도는 자동차에 장착될 단말장치의 가격이 얼마냐에 달려 있다. 일본에서는 5만엔 정도면 많은 차량이 설치할 것이라는 여론조사까지 마친 상태다. 영국의 것은 무선전화의 채널 대신에 교차로에 세워 놓은 적외선 송수신장치와의 교신을 통하는 기술을 채택하고 있어서 더욱 싸게 판매될 가능성이 높다.

목표지점까지의 모든 경로에 관한 교통정보를 갖고 있으면 어느 길로 가는 것이 빠른지, 시간이 얼마나 소요될 것인지를 예측할 수 있게 된다. 또 도로상황으로서 봐서 도저히 목표지점까지 약속된 시간 안에 도착할 수 없으므로 지하철이나 전철로 가는 것이 더 빠르겠다는 판단도 할 수 있다. 이것이 바로 이 정보시스템의 효용성이다.

이런 속도로 전자공학 컴퓨터공학 교통관제기술 등이 발달하면 머지 않은 장래에 운전자가 없고 대신 전자(電子)가 핸들을 잡는 무인운전시대를 맞을 것으로 보인다. 그야말로 스스로 움직이는 '자동'차가 출현하게 될 날이 가까워 온 것이다. 실제로 미국의 달라스국제공항 같은 곳에서는 무인전차가 공항내의 승객의 이동을 전담하고 있다.