이 문서에서는 신호등의 운영방법에 대해서 공학적인 내용을 설명한다.
교통기사 시험 문제에도 나오는 내용이다.
1. 신호교차로
1.1. 신호교차로의 이상적인 조건
- 차로폭 3.0m 이상
- 경사가 없는 접근부
- 교통류는 직진이며 모두 승용차로 구성
- 접근부 정지선 상류부 75m 이내에 버스정류장, 노상 주·정차시설이 없음
- 접근부 정지선 상류부 60m 이내에 진출입 차량이 없음
1.2. 신호교차로 보정계수
차로폭, 좌회전차로, 우회전차로, 경사(구배), 주차, 버스정류장 방해, 중차량비율, 차로수를 변수로 하는 보정계수가 있다.1.3. 용량에 영향을 주는 요소
- 도로 기하적 요소 : 선형, 설계속도, 차로폭, 차로수, 측방여유폭, 경사(구배)
- 교통 요소 : 직진과 회전차량 구성비율, 차종의 구성비율
- 신호 요소 : 주기, 유효녹색시간, 제한속도, 차로통제
1.4. 보호좌회전의 순서
1.4.1. 선행좌회전
좌회전을 먼저 주고 그 다음 직진 신호를 주는 방법.장점
- 좌회전 전용차로가 없는 좁은 접근로의 용량 증대
- 좌회전 우선 처리로 직진과의 상충 감소
- 운전자의 적응속도가 빠름
- 신호시간 조정이 용이
단점
- 좌회전 신호가 시작할 때 대향 직진차량이 신호를 오인하여 잘못 출발할 가능성이 있음
- 좌회전 신호가 끝날 때 좌회전 차량의 진행연장이 대향 직진차량의 출발을 방해
- 연동진행 연동신호에 맞지 않으면 혼란을 야기함
1.4.2. 후행좌회전
직진을 먼저 주고 그 다음 좌회전 신호를 주는 방법.장점
- 양방향 직진이 동시에 출발함
- 후행녹색 시작 시 보행자 횡단이 거의 끝난 상태이므로 보행자와 차량간 상충이 감소함
- 연동신호에서 직진차량군 후미의 초과분을 절단할 수 있음
단점
- 좌회전 신호 시작시 대향 차량도 좌회전함.
- 전용 좌회전차로가 없을 때에는 좌회전 대기 차량이 직진을 방해함
- 양방향 보호좌회전을 줄 경우 신호처리가 불명확해짐
2. 주기 산정
2.1. 최적주기
[math(c_p=\displaystyle\dfrac {1.5l+5}{1-\displaystyle \sum_{i=1}^n y_i})]
- [math(c_p)] : 최적주기
- [math(l)] : 주기당 총 손실시간(= 현시당 손실시간의 합)
- [math(n)] : 주기당 현시의 수
- [math(y_i)] : 포화도(V/S) = [math(\dfrac {현시 i의 최대교통량}{현시i의 포화교통량})]
통상적으로 웹스터 최적주기 공식을 사용한다. 이때 교차로가 v/c비 1.0이하의 과포화 상태가 아닌 교차로에 적용토록 해야 하며 과포화된 교차로에 적용할 경우 주기가 비정상적으로 높게 산출된다. 여기서 계산된 최적주기의 0.75배 이상 1.5배 이하의 주기는 차량의 지체에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 최적주기 값이 계산되더라도 범위 내에서 주변 여건을 고려하여 조정할 수 있다. 한편 인접한 교차로와 연계하여 운영되는 교차로의 주기는 연동되는 교차로군 내에서 가장 긴 주기를 따라야 한다.
우회전이 도류화된 교차로나 적신호시 우회전이 허용되는 교차로라면 우회전 교통량은 신호에 통제되지 않으므로 제외한다.
결과값은 90초 이하라면 5초 단위로, 90초 이상이라면 10초 단위로 올림하여 표현하며 120초 이상의 주기는 지양한다.
2.2. 임계차로군 방법
첨두 도착교통량을 처리할 수 있는 용량을 제공하기 위해 최소주기를 구하는 방법이다.[math(C_{min}=\displaystyle\dfrac L{1-\displaystyle \sum y_i})]
3. 유효 녹색시간
신호교차로에서 차량이 실제로 진행할 수 있는 시간을 말한다. 녹색신호이 현시되더라도 차량의 인지반응시간이 발생하므로 녹색신호가 현시되자마자 출발하는 것은 불가능하다. 이를 출발손실시간이라고 한다. 또한 녹색시간이 종료되고 황색신호로 바뀌는 순간에 차량이 바로 멈추는 것도 불가능하다. 이렇게 황색신호의 일부를 녹색신호처럼 사용하는 시간을 진행연장시간이라고 한다.유효녹색시간[math(g_i)] = 녹색시간 + 황색시간 - 출발손실시간 - 소거손실시간
유효녹색시간[math(g_i)] = 녹색시간 - 출발손실시간 + 진행연장시간
유효녹색시간[math(g_i)] = 녹색시간 - 출발손실시간 + 진행연장시간
- 두 공식은 같은 값을 가진다.
용량
[math(c_i = S_i \times \dfrac {g_i}C)]
4. 적정 황색시간
[math(y=t_b+\dfrac v{2a}+\dfrac {w+l}v-t_s)]
- [math(y)] = 적정 황색시간(초)
- [math(t_b)] = 반응시간(초) : 보통 1초를 적용한다.
- [math(v)] = 차량접근속도(㎧)
- [math(a)] = 임계감속도(㎨) : 보통 5㎨를 적용한다.
- [math(w)] = 교차로 폭(m)
- [math(l)] = 차량길이(m) : 보통 5m를 적용한다.
- [math(t_s)] = 출발인지반응 및 여유시간(초) : 보통 1.5초를 적용한다.
만약 정지선까지 정지하는데 필요한 거리[math(d)]를 알 수 있다면 다음 식을 사용하여도 무방하다.
[math(y=t_b+\dfrac dv+\dfrac {w+l}v-t_s)]
적정 황색시간은 정지선에 정지하는 경우와 정지선을 넘어 교차로를 완전히 빠져나가는데 걸리는 시간을 합한 것이다. 황색시간을 적정 황색시간보다 길게 줄 경우 옵션존이 발생하고, 짧게 줄 경우 딜레마존이 발생한다.
황색시간의 부여 단위는 소숫점 이하 한 자리까지 표시한다. 황색신호는 최소 3초에서 최대 5초의 범위 내에서 적용하고 그 이상의 시간이 필요한 경우 신호여건을 재검토하거나 남은 시간을 모든 교차로에서 적색신호를 현시하는 전적색신호를 활용한다.
5. 옵셋
연속된 두 신호교차로에서 한 교차로의 녹색신호가 켜진 순간부터 다음 신호교차로에서 녹색신호가 켜지는 순간까지의 신호를 말한다. 간단히 말하면 교차로 간격(l)에서 차량 통행속도(v)를 나눈 값이다.[math(t=\dfrac lv)]
다만 다음 신호교차로의 하류부에 대기차량이 있을 경우에는 다음 신호교차로에서 대기하는 차량이 교차로를 빠져나가는데 소요되는 시간을 빼줘야 한다.
[math(t=\dfrac lv-(n×h-d))]
- n : 대기하는 차량대수
- h : 포화차두시간(초)
- d : 출발손실시간(초)
6. 포화도
Degree of Satuartion교통류율 대 용량의 비 (V/C)를 말한다. 포화도는 교통량비(V/S)에서 주기당녹색시간비(g/C)를 나눠 구할 수 있다.
6.1. 임계차로군
주어진 현시동안 가장 큰 교통량비(V/S) 값을 갖는 차로군6.2. 임계V/C비
교차로 전체를 대상으로 임계차로군의 V/C비를 종합한 값을 말한다.[math(X_c=\dfrac C{C-L}{\displaystyle \sum y_i})]
- C : 최적주기
- L : 주기당 총 손실시간
- [math(y_i)] : 각 현시 임계차로군의 교통량비
7. 지체
- 균일지체 : 주어진 교통량이 교차로에 정확히 일정한 차두간격으로 도착한다고 가정할 때 평균지체
- 증분지체 : 균일하지 않은 도착에 의한 임의지체와 분석기간 내에서 주기과포화현상에 의한 과포화지체
- 추가지체 : 분석전 분석 대상이 되는 교차로에서 미처 처리되지 못하고 남아있는 차량으로 인해 초기 대기행렬이 원인이 되어 발생하는 지체
- 총지체도 = 총 정지 차량수 × 설정된 지체간격
- 접근차량당 평균 지체도 = [math(\dfrac{총 지체도}{도착교통량})] = [math(\dfrac{총 지체도}{총 정지 차량 + 총 접근 차량})]
- 정치차량당 평균 지체도 = [math(\dfrac{총 지체도}{정지차량수})]
- 평균제어지체 요소 [math( d=d_1×{PF}+d_2+d_3)] [초/대]
- [math(d_1)] : 균일지체
- [math({PF})] : 신호연동 연동지수
- [math(d_2)] : 증분지체
- [math(d_3)] : 추가지체
8. 보행 신호
보행자지체는 보행자가 차로를 횡단하기 위해 신호 횡단보도에서 적색 보행신호에 의해 정지되어 있을 때의 평균지체를 말한다.[math(d_p = \dfrac {(C-g)^2}{2C})] (초)
- [math(C)] : 주기(초)
- [math(g)] : 보행자 유효녹색시간(초)
- 보행자교통류율 : 대상지역의 보행교통량을 단위시간 동안 단위길이를 통과한 보행자 수로 환산한 값(인/분/m)
- 보행자점유공간 : 보행자 한 명이 이용가능한 공간의 크기(㎡/인)
- 유효보도폭원 : 실제 보도폭에서 보도 상에 설치된 보행장애시설의 방해폭원을 제외한 폭원. 즉 실제 보행자가 이용할 수 있는 보도의 폭
- 방해폭원 : 보도 상에 설치된 보행장애시설의 폭
총 횡단보도 점유 시간 결정
[math(T = (V_i + V_o) \times t)](초)
* [math(V_i)] : 횡단보도 진입 보행량
* [math(V_o)] : 횡단보도 진출 보행량
* [math(V_o)] : 횡단보도 진출 보행량
한 주기당 보행자 수는 아래 식으로 구한다.
[math(N = \dfrac {V_o(C-G_c)}{C})](인/주기)
* [math(G_c)] : 보행자 녹색시간(초)* [math(V_o)] : 횡단보도 진출 보행량
총 횡단 시간은 아래와 같이 정한다.
[math(t = 3.2 + \dfrac{L}{S_p} + (0.81 \times \dfrac {N_{ped}}{W_E}))] (초)
* 3.2 : 보행자 Start Up Time (초)
선행보행군의 선두보행자와 마지막 보행자가 횡단보도에 완전히 진입할 때까지의 시간
* [math(L)] : 횡단보도 길이(m)* [math(S_p)] : 보행자의 평균속도(㎧)
* [math(N_{ped})] : 한 주기동안 횡단한 보행자(인)
* [math(W_E)] : 유효 횡단보도 폭(m) (4.0미터 이상)
시-공간 면적
[math(TS = L \times W_E \times ((WALK + FDW) - \dfrac L{2S_p}))]
신호교차로 횡단보도 점유공간 결정
[math(M = \dfrac {TS}T)]
보행 신호 결정
최소 보행자 신호시간([math(G_p)]) = 보행자 횡단방향과 같은 방향의 최소 차량용 녹색시간
최소 보행자 신호시간([math(G_p)]) = 최소 초기 녹색시간 + 점멸 녹색시간
최소 보행자 신호시간([math(G_p)]) = 최소 초기 녹색시간 + 점멸 녹색시간
- [math(G_p = 4초)] : 횡단보행자의 수가 10명 미만일 때
- [math(G_p = 7초)] : 횡단보행자의 수가 10명 이상일 때
- 최소 보행자 신호시간은 보행신호가 현시되었을 때 보행자군이 횡단보도로 모두 내려오는데 걸리는 시간이다.
점멸녹색시간 = 보행자 횡단시간 - 차량용 황색시간
9. 서비스 수준
9.1. 차량 신호
| 수준 | 차량당 제어지체(초) |
| A | 15 이하 |
| B | 30 이하 |
| C | 50 이하 |
| D | 70 이하 |
| E | 100 이하 |
| F | 220 이하 |
| FF | 340 이하 |
| FFF | 340 초과 |
E수준을 도로의 용량으로 보고 F부터 FFF까지는 도로 용량을 초과하는 심각한 상태의 교통정체가 발생하는 수준을 말한다.
9.2. 보행 신호
| 수준 | 보행교통류율(인/분/m) | 점유공간(㎡/인) | 밀도(인/㎡) | 속도(m/분) |
| A | 20 이하 | 3.3 이상 | 0.3 이하 | 75 이상 |
| B | 32 이하 | 2.0 이상 | 0.5 이하 | 72 이상 |
| C | 46 이하 | 1.4 이상 | 0.7 이하 | 69 이상 |
| D | 70 이하 | 0.9 이상 | 1.1 이하 | 62 이상 |
| E | 106 이하 | 0.38 이상 | 2.6 이하 | 40 이상 |
| F | - | 0.38 미만 | 2.6 초과 | 40 미만 |