스파이럴 시그널 최적화 (Spiral Signal Coordination Model)

 

스파이럴 시그널 최적화(Spiral Signal Coordination Model)는 교차로 간 신호 연동(信號連動, signal coordination)을 공간적·시간적으로 최적화하기 위해 개발된 비정형 그리드 기반의 신호 설계 기법으로, 도심의 복잡한 교차로 배열과 불규칙한 차량 흐름을 효과적으로 제어할 수 있는 차세대 신호 제어 모델이다. 특히 전통적인 직선형 신호 연동 체계(예: 선형 progression band)에 비해 유연한 방향성과 시간 간격 조정이 가능하며, 실제 도시 공간에 적용할 수 있는 현실성이 높다는 점에서 최근 스마트시티 교통 운영 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다.

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1. 스파이럴 신호 최적화의 개념과 등장 배경

도심 교통에서 교차로 신호 연동은 핵심적인 운영 전략 중 하나이다. 일반적으로 신호 연동(signal coordination)이란, 여러 개의 인접 교차로를 시간적으로 연계하여 차량이 정지 없이 일련의 교차로를 통과할 수 있도록 신호 타이밍을 조정하는 방식이다. 이는 ‘그린 웨이브(Green Wave)’라고도 불리며, 특히 주요 간선도로의 원활한 교통 흐름 유지를 목적으로 널리 사용된다.

하지만 대부분의 신호 연동 기법은 직선형 도로를 기준으로 한 선형적 패턴을 전제로 한다. 문제는 실제 도시 교차로는 일방통행, 편도 도로, 간선-보조 간선 혼합, T자·Y자·회전 교차로 등 불규칙한 그리드로 구성된 경우가 많다는 것이다. 이러한 도시 형태에서는 전통적인 선형 연동 모델이 적용되지 않거나, 적용되더라도 많은 교차로에서 정체와 비효율이 발생한다.

이에 따라 개발된 것이 바로 ‘스파이럴 시그널 모델(Spiral Model)’이다. 이 모델은 도심 교통 흐름이 중심지에서 외곽 또는 외곽에서 중심으로 나선형으로 이동하는 성향이 강하다는 점에 착안하여, 신호 최적화 패턴 자체를 원형-방사형(spatial spiral) 또는 시간 나선형(temporal spiral) 구조로 재설계한다. 이를 통해 단순 도로 축 중심이 아닌 다방향 흐름의 신호 동기화를 가능하게 하며, 혼잡 분산에도 효과적이다.

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2. 구조적 특징과 운영 메커니즘

스파이럴 시그널 최적화는 공간적으로는 중심축으로부터 방사형(spatial radial)으로 퍼지고, 시간적으로는 동심원상으로 이어지는 시차(time offset)를 부여하는 구조를 갖는다. 주요 작동 메커니즘은 다음과 같다.

▶ 1) 중심점 기준의 레이어 분할

도시 내 주요 결절지점(중심 업무지구, 대형 환승센터 등)을 기준점(Seed Point)으로 설정한 뒤,이를 중심으로 동심원 형태의 신호권역(Signal Zone)을 정의한다. 각 권역은 반경 또는 통행시간에 따라 구분된다.

▶ 2) 위상 간 시차 차등화 (Layered Time Offset)

중심에 가까운 교차로일수록 신호 주기의 기준점이 빨리 시작되며, 외곽으로 갈수록 점차 시차가 늦춰진다.
이는 차량이 ‘나선형으로 흘러가는 흐름’을 따라 이동할 수 있도록 유도하며, 각 교차로 간의 시차(Time Offset)를 방사형 함수 또는 로그함수 등으로 설계한다.

▶ 3) 비정형 교차로 구조 대응

T자형, 우회전 전용 차로, 교차로 간 간격이 불규칙한 경우에도, 선형이 아닌 나선형 패턴이기 때문에 적응적으로 통합 제어가 가능하다. 특히 대각선 방향이나 일방통행 도로가 많은 도시형 교차로에 매우 적합하다.

▶ 4) 가변 중심점 설정 (Dynamic Seed Point)

시간대나 이벤트 발생에 따라 중심축을 이동시킬 수 있는 유연성을 갖추고 있다.
예를 들어 출근 시간에는 도심 방향을 중심축으로, 퇴근 시간에는 외곽 방향을 중심축으로 설정할 수 있다.

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3. 스파이럴 모델의 장점과 기존 기법과의 비교

스파이럴 시그널 최적화는 기존 신호 연동 기법과 비교했을 때 다음과 같은 이점을 제공한다.

▶ 비정형 교차로 적용 가능성

– 기존 선형 연동은 일정 거리 간격과 속도 가정에 기반하므로, 교차로 간 간격이 불규칙하거나 경로가 분기되는 경우 적용이 어렵다.
– 스파이럴 모델은 거리보다 상대적 위치(시간 레이어)에 기반하므로, 도시형 복잡 교차로에 적합하다.

▶ 중심지-외곽 간 유입/유출 흐름 반영

– 도시 교통의 흐름은 일반적으로 중심지 유입 ↔ 외곽 유출의 패턴을 가지므로, 이를 반영한 스파이럴 구조는 실제 수요 패턴과 잘 부합한다.

▶ 정체 분산 및 국지 혼잡 완화

– 각 교차로에 맞춘 유연한 시차 부여는, 특정 교차로에 정체가 집중되지 않도록 분산 효과를 가져온다.

▶ 스마트신호 및 자율주행 대응

– 스파이럴 모델은 적응형 신호 시스템 및 자율주행차량의 경로 연동 판단 알고리즘과 연계하기 용이하다.

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4. 실제 적용 사례 및 성능 향상 효과

국내외 주요 도시에서는 스파이럴 기반의 신호 제어 기법이 실험적으로 또는 실무적으로 도입되고 있다.

▶ 서울 종로구 시범 적용 사례

서울시 ITS센터에서는 종로구 내 대각선 기반 복합 교차로 지역에서 스파이럴 기반 신호 시차 모델을 시범 적용하였다.
– 종로2가~종로5가 구간: 기존 선형 연동 대비 평균 정지 횟수 18% 감소, 평균 통과 속도 14% 증가
– 정체 분산 효과로 인해, 인접 교차로 간 파급 지체 감소 확인

▶ 미국 시카고 중심가 회전형 네트워크

시카고 도심은 방사형 교차로가 많아 스파이럴 신호 모델을 도입한 적응형 신호 시스템을 적용하였다.
– 동심원형 시차 구조를 기반으로 그린 웨이브 커버리지 확대
– 혼잡도 상위 10개 교차로 중 6곳에서 평균 통행시간 11% 단축 효과

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5. 기술적 과제와 향후 발전 방향

스파이럴 시그널 모델은 많은 장점을 지니지만, 기술적 구현을 위해 고려해야 할 사항도 존재한다.

▶ 시차 설계의 수학적 복잡성

– 각 교차로의 위치, 위상 수, 접근 방향에 따라 시차를 조정하는 알고리즘이 복잡하다.
– 특히 교차로가 밀집된 지역은 시간 충돌 또는 위상 중복 위험이 있다. → AI 기반 최적화 모델 적용 필요

▶ 실시간 데이터와의 동기화

– 차량 속도, 통행량, 예측 정보와의 실시간 연계가 필수이며, V2X, CCTV, 교통 센서 등 다양한 장비와 연동된 플랫폼 설계가 필요하다.

▶ 시민 체감도 및 예측성

– 신호가 스파이럴 방식으로 변화할 경우, 기존의 예측성(익숙한 신호 리듬)이 떨어질 수 있다.
→ 신호 변화 패턴을 시민에게 예측 가능하게 전달하는 UX 설계가 중요하다.

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6. 도시형 교통 흐름을 위한 미래형 신호 전략

스파이럴 시그널 최적화는 단순히 신호를 시간적으로 조정하는 기술이 아니라, 도시 전체의 흐름을 중심축에서 바깥으로 설계하는 패러다임 전환이라 할 수 있다. 정체의 중심에서 정체를 분산시키고, 불규칙한 도로 구조에서 규칙적인 흐름을 만들어내는 이 기법은, 자율주행 시대, 복합 모빌리티 시대, 그리고 스마트시티 시대에 꼭 필요한 신호 전략이 될 것이다.

교통공학자는 이제 단순한 교차로의 시간을 다루는 것을 넘어서, 도시 공간과 시간의 흐름을 설계하는 전략적 신호 설계자로 진화해야 한다.