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ㆍ	기고칼럼
ㆍ년/월/일	2014-12

지하철 역사내 동선 분리 시스템을 통한 보행편의 및 이동성 증진에 관한 연구
지하철 역사내 동선 분리 시스템을 통한 보행편의 및 이동성 증진에 관한 연구

StImprovement of Pedestrian Convenience and Mobility by
Walking Guidance System in Subway Stations

이주용·김태완 (중앙대학교 일반대학원 도시공학과)

Ⅰ. 서론

지하철은 수송능력이 뛰어나며 차량 간 교통 혼잡을 일으키지 않는 특성으로 인해 도시 내외 통행의 주요한 교통수단으로 자리잡고 있다. 철도교통의 특성상 많은 수의 이용객을 태울 수 있으며, 건설된 노선망을 따라 도시 곳곳에 교통서비스를 제공하고 있다. 이러한 지하철의 장점은 이용객 증가로 이어져 2005년 이후 연평균 3%의 증가율을 보이고 있다.
하지만 이용객 증가는 비록 지하철 열차간 혼잡이 없더라도 보행자 간 혼잡도 증가로 이어졌으며 상당수 지하철 역사의 높은 혼잡도는 지하철 이용 활성화의 가장 큰 장애요소가 되고 있다. 특히 일부 역사의 경우 출퇴근 시간대에 집중되는 환승구간의 보행혼잡으로 인해 보행환경의 개선이 요구되고 있는 실정이다. 더욱이 지하공간의 특성상 시설물 확장이 용이하지 못하고 개통된 지 40여년 이 경과하며 발생한 노후화로 인해 혼잡 해소를 위한 방법론이 미비한 실정이다.
따라서 역사 공간의 확장 등 현실적으로 불가한 제약조건을 극복하기 위해 보행교통류 운영 방법의 개선을 통한 혼잡 해소가 타당하다고 할 수 있다. 이에 본 연구는 양방향 보행교통류의 동선을 물리적으로 분리해주는 시스템을 통해 역사 공간의 혼잡을 완화하는 방법론을 제시한다. 다양한 조건에 대한 실험을 수행하고자 시뮬레이션을 통해 보행교통류를 재현하며 이를 토대로 동선 분리 시스템의 효과를 분석하고자 한다.

Ⅱ. 관련연구 동향

보행교통류 모형과 관련된 기존 연구는 개별 통행자의 미시적 관점에서 보행 알고리즘을 분석하고 시뮬레이션을 통해 검증한 연구가 주를 이룬다.
Dirk Helbing, Peter Molnar(1995)는 사회적 역학(Social force)에 기반한 보행 알고리즘을 연구했다. 사회적 역학은 가속력 · 반발력과 유인력으로 이루어졌으며, 보행자는 이를 바탕으로 다른 보행자나 장애물과 작용하는 것으로 해석했다. 하지만 연산과정이 복잡하며 사회적 역학이 뉴턴역학의 작용-반작용 법칙을 충족시키지 못한다는 한계가 있다.
C. Burstedde et al(2001)은 2차원 grid로 나눠진 단위 공간의 속성을 입자물리학에 빗대어 그 값이 시간에 따라 변화한다고 가정했다. 또한 공간의 속성이 변화하는 가운데 주어진 공간을 점유할 확률에 따라 보행자가 보행하게 된다. 이는 공간점유 확률에 기초해 보행자 간 상충 상황을 잘 묘사하지만, 개별 보행자의 보행패턴과 경로 설정과정이 미비하다고 할 수 있다.
남성원, 권혁빈(2006)은 다상유동 해석방법의 일종인 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 활용했다. 공간을 2차원 cell로 분할했으며 목적지로 향하는 경로에 의거해 각 공간 cell에 Potential을 부여하고, 다른 보행자가 cell을 점유하고 있을 경우 부차적인 방향 찾기 알고리즘 등을 개발했다. 하지만 단일방향 보행교통류에 대한 경로 탐색 과정만 반영됐으며 양방향 보행교통류에서의 상충과 혼잡 해석에서 미흡한 점이 있다.
강태석, 이영인(2012)은 보행자의 이동행태가 다계층적, 다방향적이며 심리적인 영향에 의해 모두 다르기 때문에 적정한 보행시설을 설계하기 위해서는 개별 보행자를 잘 설명할 수 있는 모형에 관한 연구가 필요하다고 보았다. 보행시뮬레이터인 P-SIM에 적용된 알고리즘을 분석하고 그 안에 내재되어 있는 기본적인 개념을 표현하는 모형식을 개발해 이동 알고리즘을 분석했다. 하지만 속도와 보행방향이 장애물 회피와 개인 성향에 따라 설정되기 때문에 미시적 해석이 부족하다 할 수 있다.
이를 볼 때, 보행교통류 모형에 관한 연구는 최적의 경로를 탐색하기 위한 방법론과 장애물에 대한 영향 및 다른 보행자와의 상호작용을 해석하는 것이 주요하다 할 수 있다. 특히 보행자는 각자 인지 및 사고 능력이 다양하기 때문에 이를 반영할 필요가 있다. 본 연구에서는 개별 보행자의 이동행태에 대해서 기존 보행패턴, 다른 보행자와의 상충 그리고 보행과정에서의 전방시야 범위 등 인지적 요인이 함께 적용된 알고리즘을 고려했다.

Ⅲ. 보행교통류 모형

1. 주방향 벡터 판단
본 연구에서는 지하철 역사 내의 다양한 보행공간을 대상으로 보행교통류를 분석하고자 남성원, 권혁빈(2006)의 이산요소법에 더해 인지적 요인을 반영해 보행교통류 모형과 그 알고리즘을 개발했다. 2차원 grid로 이루어진 cell 구조에서 주방향 벡터 판단, 과거 보행패턴의 반영 그리고 충돌 회피를 위한 Potential 분석의 보행알고리즘을 적용해 모형을 개발했다.
입구와 출구가 각각 상·하단에 존재하고 그 사이에 장애물이 있는 임의의 2차원 공간을 대상으로 하며, 각각의 cell에 출구로부터의 잠재적 거리를 뜻하는 Potential을 부여한다. Potential은 출구 cell을 1로 부여한 뒤, 주변 cell의 값들을 1단위로 순차적으로 높여간다.
각각의 cell 별로 Potential을 부여함에 따라 각 cell에 위계가 생성된다. 위계에 따라 각 cell에서는 다양한 벡터값을 가질 수 있으나 그 중 주방향 벡터는[그림 1]과 같다. 따라서 보행자는 1순위로 전방 시야에 따라 주방향 벡터를 판단하고 자신의 보행방향을 결정짓게 된다. 직전에 진행해온 방향에 따라 전방 시야범위가 설정되며, 해당 시야범위 내 가장 많은 수를 차지하는 벡터를 보행자의 방향 벡터로 부여한다.
이를 통해 보행자가 주어진 공간의 경로를 이해하고 행동하고자 하는 인지적 특성을 반영할 수 있다. 하지만 다른 보행자에 의해 희망하는 목적지로 이동이 불가능할 경우 부차적 방향을 찾는 일련의 연산과정을 통해 대안을 모색하는 과정이 필요하다. 만일 주방향 벡터에 따라 선택된 방향을 다른 보행자가 점유하고 있어 이동이 불가할 경우 2순위 판단(과거 보행 패턴에 따른 방향 설정)으로 넘어간다.

2. 과거 보행패턴에 따른 방향 설정
지하철 역사 내 보행자는 목적지를 향해 갈지자형으로 이동하지 않고 경로의 일관성을 유지하며 보행하는 경향이 있다. 장애물이나 다른 보행자와의 충돌을 피하고자 하는 경우를 제외하면, 본인의 진행 경로를 최대한 벗어나지 않으려 하는 것이다. 이는 보행행태가 목적지를 향한 관성에 따라 일정하게 유지됨에 따라 발생하는 현상이라 할 수 있다. 즉, 본인이 보행했던 경로를 반영하여 다음 이동 방향을 설정하므로 보행자는 과거의 보행패턴을 유지하고자 하는 인지적 성질을 가질 필요가 있다.
본 모형에서는 최근에 이동한 방향 3개 중 가장 많은 수를 차지하는 방향 벡터를 따라 행동하고자 하는 과정을 2순위 판단인 과거 보행패턴에 따른 방향 설정으로 부여한다. 보행자의 과거 보행패턴과 가장 일치하는 방향이 다른 방향보다 우선권을 갖게 됨에 따라 보행자는 경로의 일관성을 잃지 않으며 목적지를 향해 이동할 수 있다. 만일 과거 보행 패턴에 따라 선택된 방향을 다른 보행자가 점유하고 있어 이동이 불가할 경우 3순위 판단(충돌 회피를 위한 Potential 분석)에서 목적지를 선택하게 된다.

3. 충돌 회피를 위한 Potential 분석
만일 앞서 언급한 인지적 요인에 의한 보행이 불가할 경우, 충돌회피를 위한 통행을 추구하게 된다. 각 cell마다 고유한 Potential을 갖고 있으며, 이는 기종점에 따른 잠재적 거리를 뜻하기 때문에 충돌을 회피하면서 출구까지의 통행을 유도할 수 있다. 우선적으로 주변 8개 방향의 cell 중 현재 위치보다 더 작은 Potential을 가진 cell로의 이동을 추구한다. 이 때 현 위치보다 작은 Potential을 가진 후보지가 2개 이상일 경우, 임의선택을 통해 이동 벡터를 설정한다. 또한 이동하고자 하는 곳에 이미 보행자가 있을 경우 그 방향을 제외한 나머지 방향 중에서 다시 임의로 선택하게 된다.
다른 보행자의 점유로 인해 현재 cell보다 Potential이 낮은 방향으로의 이동이 모두 불가능할 경우, 부차적인 방향을 찾기 위해 같은 Potential을 가진 cell로 이동하려 한다. 이 경우에도 마찬가지로 후보지가 2개 이상일 경우, 임의 선택을 통해 방향 벡터를 설정한다. 단, 보행자가 후진은 하지 않는다는 가정 아래 현 위치보다 Potential이 높은 지점은 무시하며 따라서 더 이상 움직일 수 있는 곳이 없을 경우에는 정지하게 된다. 이에 따라 전체적인 보행교통류 모형은 1순위로 현재 위치하고 있는 cell의 주방향 벡터 판단, 2순위로 과거 보행 패턴에 따른 방향 설정, 그리고 3순위로 충돌 회피를 위한 Potential 분석의 알고리즘을 거쳐 보행하는 것으로 구성된다.

Ⅳ. 보행교통류 모형 적용 및 분석 결과

1. 양방향 보행교통류의 시뮬레이션
개발된 모형의 현실모사능력을 검증하고자 양방향 보행교통류의 충돌을 시뮬레이션했다. 지하철 역사 내 환승통로에서 서로 방향이 다른 두 보행교통류가 방향별 동선의 분리 없이 혼재되어 있어 상충하는 상황을 대상으로 한다. 통로의 폭에 따라 보행 행태가 달라질 것이라는 가정 하에 병목이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우로 구분해 분석했다. 두 시뮬레이션 모두 양방향에서 초당 0.5명의 일정한 비율로 각각 60명의 보행자가 유입되며, 한 cell의 크기는 가로와 세로 모두 1.2m로 가정한다.
[그림 2]는 병목의 유무에 따른 보행교통류간 상충 상황을 나타낸다. 둘 다 서로 다른 방향의 보행군이 혼재되어 있지만, 병목이 없을 경우 시간의 경과에 따라 방향에 따른 차선 분리가 발생하며 보행교통류간 상충이 완화된다. 이는 통로가 충분히 넓을 경우 초기에는 상충이 존재하며 혼잡이 발생하지만, 시간의 경과에 따라 방향이 같은 보행자들간에 군집이 발생하는 것으로 해석할 수 있다.
반면, 병목이 존재하는 경우에는 그 부근에서 보행교통류간 상충으로 인해 심한 정체가 생긴다. 통로가 좁아 방향별 차선 분리가 생길만한 공간이 부족하므로 병목 지점의 양쪽에 반원형으로 대기행렬이 생긴다. 이는 병목으로 인해 발생하는 군집효과가 각 방향별 교통류를 밀집시키면서 발생하는 현상이라 할 수 있다.
이와 같은 경우 불특정의 한 보행자가 맞은편 보행군을 뚫고 통로를 만들 때까지 혼잡상황이 계속된다. 이후 뒤따르는 다른 보행자가 계속 이어서 진행하며 경로 생성 후 보행교통류 이동이 가능해진다. 즉 병목상황에서는 양방향의 보행교통류가 동등하게 진행할 수 없으며 군집효과가 더 강하게 작용하는 보행군이 통행하는데 유리하다 할 수 있다.

2. 동선 분리 시스템의 적용

1) 시뮬레이션 조건
보행교통류의 상충 상황에서는 혼잡이 발생할 확률이 높으며 보행편의와 이동성에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 특히 지하철 역사의 경우 협소한 공간으로 인한 병목 현상이 발생할 우려가 있으므로 보행교통류에 특화된 운영 방안이 요구된다. 본 연구에서는 동선 분리 시스템을 적용해 봤다.
시뮬레이션은 가로 30m, 세로 32m의 가상의 평면에 존재하는 ㄷ자형 통로를 대상으로 하며, 각 방향별로 100명의 보행자가 유입되는 것을 가정한다. 이 때 초당 0∼5명의 보행자가 유입되며 유입확률은 임의분포를 따른다. 보행 속도는 1.2m/s로 설정했으며 동선분리 시스템은 보행자에게 맞은편 보행교통류와의 상충을 피하도록 유도하게 된다.
보행교통류의 보행편의에 관한 지표로는 1인당 평균상충횟수를 제시했으며 1인당 충돌회피를 위해 선택된 방향으로 이동하지 못하고 임의로 방향을 변경하거나 정지한 평균 횟수로 산정했다. 또한, 이동성을 판단하는 지표는 평균통행시간과 평균통행속도를 활용했다. 평균통행시간은 정지하는 시간을 포함해 보행자가 출구로 유출되기까지의 평균시간을 뜻하며, 평균통행속도는 출입구간 통로 중앙부분을 통행할 때의 거리를 평균통행시간으로 나눠 계산한다. 총 10번의 반복 시뮬레이션을 수행해 해당 지표들의 평균값으로 동선분리 시스템의 효과를 분석한다.

2) 동선분리 시스템의 효과
동선분리 시스템은 세 가지 시나리오를 기준으로 그 효과를 분석했다. 먼저 동선분리 시스템이 존재하지 않는 일반적인 상황에서는 두 보행교통류가 상충을 일으키는 지점인 통로의 꺾이는 부분에서 보행자가 서로 뒤엉켜 진행하는 것으로 분석됐다. 또한 보행자들의 진행 방향이 혼재되어 있을 경우에도 상충이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 방향이 같은 보행자들이 통로의 좌·우측 중 어느 한 곳으로 집중되어 있지 않고 통로에 고르게 퍼진 상태에서 이동하는 것과 같다 할 수 있다. 이러한 상충 상황은 보행자간의 동선이 분리되지 않은 상태에서 심화된다 할 수 있는데 이 경우에 1인당 평균 상충횟수가 가장 높은 것으로 분석됐다. 1인당 평균 상충횟수는 보행자가 선택된 방향으로의 이동에 실패하거나 정지한 횟수에 관한 지표이므로 그 값이 가장 높다는 것은 그만큼 자신이 희망한 보행경로를 따르지 못하고 다른 보행자의 영향을 받은 것이라고 추정할 수 있다. 따라서 상충 상황에서 다른 보행자에 의한 영향은 보행자의 편의를 저하시킨다 할 수 있다.
또한 동선이 분리되지 않을 경우 통로를 통과하는데 소요되는 시간이 증가하고 보행속도가 감소하는 것으로 나타났다. 보행자가 서로 뒤엉켜 진행하며 진행 방향이 혼재되어 있어 보행교통류의 이동이 원활히 이루어지지 못한다고 할 수 있다. 즉 전체 통로에 걸쳐 양방향의 보행자가 뒤엉켜 있으므로 혼잡 상황이 가중되며 보행편의와 이동성이 떨어지는 것으로 판단된다.
반면, 동선 분리가 이루어질 경우 상충으로 인한 혼잡이 줄어드는 것으로 분석됐다. 앞서 상충이 발생하는 것으로 분류된 지점에서 동선을 분리한 결과, 방향이 다른 보행자들이 상충을 일으키며 뒤엉키는 상황을 방지할 수 있는 것으로 나타났다. 다시 말해 다른 보행자에 의해 받는 영향이 감소했으며 진행 방향의 혼재가 줄어들었다고 할 수 있다. 이는 양방향 보행교통류의 혼잡은 상충 횟수와 연관이 있으므로 이를 줄여주는 것이 혼잡을 방지하는데 도움되기 때문으로 판단된다. 또한 동선 분리 시스템을 원활히 운영하기 위해선 방향이 같은 보행자들 간에도 통로의 어느 한 쪽으로 진행방향이 정돈되도록 적극적으로 유도하는 것이 효율적인 것으로 나타났다. 그렇지 않을 경우, 전방에 동선 분리 시스템이 존재한다는 사실을 모르는 보행자는 시스템의 적용 지점에 이르러 맞은편 보행자와 상충을 일으킬 가능성이 높은 것으로 분석됐다.
현재 지하철역의 보행동선은 우측통행을 기준으로 하므로 동선 분리시스템을 운영하면서 동시에 보행자들에게 시스템의 적용지점 전부터 우측통행을 유도하는 것이 효과적이라 할 수 있다. 이와 같이 우측통행을 하도록 진행방향이 정돈된 상태에서 시스템이 운영될 경우 상충 횟수를 더 줄여 보행편의와 이동성을 증진할 수 있는 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 지하철 역사 내 보행편의와 이동성을 증진하기 위해 보행교통류 모형을 활용하여 동선 분리 시스템을 분석했다. 기존의 연구에서는 물리적 거리에 기반한 최적경로 탐색법을 활용해 보행교통류를 모형화했으나, 본 연구에서는 그에 더해 보행자의 인지적 요인을 활용해 보행 행태를 설명했다. 보행교통류를 해석하기 위해선 개별 보행자의 인지 및 사고 능력에 대한 고려가 필요하기 때문이다. 그 결과, 방향이 같은 보행자 간 군집효과와 이것이 병목 상황에서의 혼잡에 미치는 영향을 파악했다. 통로가 충분히 넓을 경우 초기에는 양방향 보행교통류가 혼재되어 있지만, 시간의 경과에 따라 차선 분리가 발생하며 방향이 같은 보행자간의 군집이 발생한다. 또한, 병목상황에서는 양방향 보행교통류가 반원형태의 대기행렬을 형성하며 혼잡을 일으키지만, 보행군의 군집효과를 강하게 유지시킬 수 있을 경우 통행에 유리하다는 것을 확인했다.
동선이 분리되지 않았을 경우에도 보행자 간 상충이 심화되는 것으로 나타났다. 보행편의 및 이동성 지표로 선정한 1인당 평균 상충횟수, 평균통행시간과 평균통행속도를 분석한 결과, 동선이 분리될수록 보행편의와 이동성을 증진할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 동선이 분리되지 않을 경우 양방향 보행자간의 상충과 진행 방향의 혼재를 방지할 수 없기 때문이라 할 수 있다. 또한 방향이 같은 보행자들간에도 진행방향이 정돈되도록 적극적으로 유도하는 것이 보행자간 상충을 완화시키는 것으로 분석됐다. 즉, 동선을 분리시키기 위한 시스템과 보행자의 진행방향을 유도하기 위한 운영 방법론이 결합될 경우가 가장 효율이 좋다고 할 수 있다.
본 연구에서는 유입조건과 기하구조, 보행자 특성이 서로 같아 대칭적인 양방향 보행교통류를 대상으로 분석했다. 하지만 현실에서는 짐 소지 여부, 보행속도, 통로의 기하구조 등 양방향 보행교통류간의 보행특성이 비대칭적인 경우가 많으므로 향후 보행특성 및 공간구조의 유형에 따른 분석이 이루어져야 할 것이다. 또한 서로 특성이 다른 보행교통류의 동선을 적절히 분리하기 위한 동선 분리 시스템의 가변화, 그리고 그 제어 방법론 등에 대한 연구가 함께 진행되어야 할 것으로 판단된다.