우리 주변의 병목현상 왜 일어날까?

우리 주변은 정체로 가득 차 있을 때가 많다. 불이 난 건물의 비상구에는 한꺼번에 몰려든 사람들로 붐빈다.
쓸데없는 스팸으로 겪는 인터넷 정체도 만만치 않다. 뻥 뚫린 항공로에서교통 정체가 일어나는가 하면, 빨리 달리던 자동차들이 갑자기 느릿느릿 굴러간다.
‘도대체 저 구간이 왜 정체였지’라는 의문이 생기지만 답은 찾을 길이 없다.
글. 김형자(과학 칼럼니스트)
똑같은 상황에서의 체증은 운전자의 특성이 큰 원인
교통 체증의 원인은 여러 가지다. 당연히 길이 막히는 첫째 이유는 자동차가 많고 도로가 좁기 때문이다. 지름이 커서 단면적이 넓은 파이프에는 작은 파이프보다 같은 시간 동안 더 많은 물이 지나갈 수 있다. 마찬가지로 차선이 많은 넓은 도로에서 더 많은 차가 다닐 수 있다. 하지만 하나의 차선 위를 달릴 수 있는 차량의 수는 정해져 있다.
교통공학자들에 따르면 한 차선에서 안전하게 달릴 수 있는 자동차의 수는 시간당 1,800대라고 한다. 자동차가 2초에 1대꼴로 지나가는 속도로, 최소 이 정도는 되어야 운전자가 앞차의 움직임을 파악하면서 안전하게 운전할 수 있다. 이 이상 자동차가 많아지면 그 도로는 막히고 사고 위험도 높아진다. 하지만 똑같은 넓이의 도로에 똑같은 수의 자동차가 있더라도 모든 곳에서 똑같이 길이 막히는 건 아니다. 왜 그럴까. 세계의 물리학자들은 이 문제를 놓고 1990년대부터 교통량 속에서 자연적 체증을 이끌어내는 인자들의 복잡한 상호작용을 수없이 연구해왔다. 그 결과 중 하나가 운전자의 특성이다. 차량 운전자들의 습관과 자신들의 판단대로 차량을 운전하기 때문에 차간거리가 불규칙해지면서 병목현상이 나타난다는 것이다. 도로에 차가 많더라도 앞뒤 차와 일정한 간격을 유지하면서 운전하면 느리지만 꾸준하게 움직일 수 있다. 하지만 실제 도로에서 자동차가 움직이는 모습은 파도치듯 일렁거린다. 많은 운전자가 어느 순간 속도를 확 냈다가 다시 확 줄이며 운전하기 때문이다.
잘 달리던 앞차가 돌발적인 상황으로 갑자기 속도를 줄이면 그 결과는 전후좌우 차에 영향을 미친다. 브레이크를 밟는 시점이 앞차에서 점점 뒤로 진행돼, 바로 뒤 차량은 급하게 브레이크를 잡아야 하고, 맨 뒤 차량은 아예 정지해야 한다. 교통량이 적으면 그 효과가 곧 없어지겠지만 교통량이 많은 경우 작은 정체 구역을 형성하고, 이러한 정체 구역은 점점 뒤로 전파되어 그 결과 흐름이 깨지면서 차가 막히게 되는 것이다.
서행 차량이 추월차선에 들어서도 속도 뚝 떨어져
그렇다면 신호등이나 교차로도 없는 고속도로가 막히는 이유는 뭘까. 자동차가 고속도로로 들어오는 합류부에서 발생하는 정체가 뒤로 전달되기 때문이다. 잘 흐르던 고속도로에 갑자기 자동차가 들어오면 뒤따라오던 자동차가 순간적으로 속도를 늦추게 된다. 예를 들어 시속 100㎞로 달리던 도로에 자동차가 계속 끼어들어 시속 40㎞로 줄었다고 하자. 당장은 합류부 근처만 속도가 줄어든다. 그러나 뒤따라오던 차량이 연쇄적으로 속도를 줄이면서 순식간에 전체 도로의 속도가 시속 40㎞로 떨어지게 된다. 서행 차량이 추월차선에 들어서는 경우도 마찬가지다. 그 뒤를 쫓던 고속 차량의 속도가 뚝 떨어지는 건 당연한 일. 감속의 파도는 곧 뒤로 물결쳐 간다. 결정적인 순간에 이런 일이 벌어지면 ‘한 대의 차량’ 때문에 많은 차량이 꼬리를 물고 기어가게 된다.
자동차와 자동차·도로 인프라 등이 실시간으로 정보를 주고받는 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 시스템이 해답을 줄 것이다. 네트워크를 통해 실시간으로 정보를 주고받으며 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
돈 줄줄 새는 꽉 막힌 도로, 자율주행 시대엔 걱정 끝!
이렇게 차가 막히면 어떤 손해가 생길까? 그만큼 일을 못 한다고 생각하면 도로 위에서 버리는 시간은 그대로 돈이다. 연료비도 만만찮다. 길이 막혀 서 있더라도 연료는 계속 소비된다. 한국교통연구원에서는 이 모든 비용을 합쳐 연구 보고서를 냈다. 우리나라에서 교통 혼잡으로 발생하는 손해는 무려 24조 원. 이 돈은 우리나라 국내 총생산의 3%에 해당한다. 차가 막히는 것이 잠깐 참으면 되는 간단한 문제가 아니라는 것을 알 수 있다.
교통 체증은 환경에도 적이다. 배기 가스량을 늘리기 때문이다. 미국 캘리포니아대학교 기계공학과 앤드류 킨 교수는 길이 막혀 차가 움직였다 멈췄다 반복할 때 배기 가스량이 어떻게 변하는지를 실험했다. 그 결과 내리막길을 갈 때보다, 가속 페달을 자주 밟는 오르막길을 오를 때 일산화탄소(CO)와 질소산화물(NOx) 배출량이 최고 두 배까지 증가했다. 막힌 도로를 달릴 때 운전자는 가속 페달을 자주 밟게 마련이다.
하지만 곧 다가올 자율주행 시대엔 이런 걱정은 없다. 자동차와 자동차·도로 인프라 등이 실시간으로 정보를 주고받는 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 시스템이 해답을 줄 것이다. 네트워크를 통해 실시간으로 정보를 주고받으며 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 예를 들어 교차로의 파란 신호등이 15초 후에 붉은색 등으로 바뀐다고 차에 알리면 신호등까지의 거리 그리고 앞차들의 흐름을 계산해서 자동차가 운전자에게 교차로 통과가 가능한지 아닌지 여부를 알려준다. 이렇듯 차량 간 정보를 교환할 경우, 신호등이 없어도 차량이 복잡한 교차로를 바람처럼 자유롭게 비켜 지나갈 수 있다. 자율주행 차는 교통사고 발생률도 줄여 교통사고 또한 점점 사라질 것으로 전망된다.
그 효과를 기대해보자.

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