초보 운전자·차로 급변·병목 현상
다른 차량 속도·가속도 등에 영향
공학자들 “폭탄 연쇄 반응과 비슷”

이번 주말부터 드디어 민족 대명절 ‘추석’ 연휴가 시작된다. 일주일 가까이 이어지는 긴 연휴에 대한 기대감과 즐거움도 있지만 연휴 도로 상황을 생각하면 벌써 몸서리쳐진다. 한정된 도로에 많은 차가 한꺼번에 몰려드니 막히지 않기를 기대하는 것이 더 이상하다. 그런데 명절뿐만 아니라 평소에도 뻥 뚫려 있던 도로가 갑자기 막히는 정체가 수시로 발생한다. 또 옆 차로의 차들이 잘 달리는 것 같아 차선을 바꾸면 원래 차로의 차들이 더 잘 빠져 짜증이 나는 경우도 적지 않다.

도로에는 어떤 과학과 수학이 숨어 있을까.

뻥 뚫려 있던 도로가 갑자기 막히는 ‘유령 정체’ 현상은 느리게 움직이는 차량에 대한 다른 운전자의 반응 속도와 관계가 있다. 많은 운전자는 앞차의 상황에 따라 안전거리를 유지하고 운전하지만 초보 운전자나 앞차에 바싹 붙어 움직이는 운전자들은 급제동하는 경우가 많다. 이런 운전자들이 다른 차의 속도 및 가속도에 영향을 미치는 것이다.

또 다른 상황을 생각해 보자. 정체 없는 2차선 도로에서 1차로를 달리던 차량 A가 2차로로 갑자기 차선을 바꾸면 2차로에서 달리던 차량 B는 충돌을 피하기 위해 속도를 줄인다. B 뒤에 있던 C 역시 속도를 줄이게 된다. 이때 C가 앞서가기 위해 1차로로 갑자기 차로를 변경하면 1차로를 달리던 다른 차량 D가 속도를 줄이게 된다. 이런 차선 변경과 감속은 차간 간격을 줄이고 결국 같은 도로에 있는 다른 차들에도 동시다발적이고 연쇄적으로 영향을 미쳐 교통 체증을 일으킨다.

도로가 막힌다고 차로를 계속 바꿔 가며 운전하는 경우가 있다. 수학적 시뮬레이션 결과, 차로를 바꿔 가며 운전하는 것과 차선을 바꾸지 않고 이동하는 것은 목적지까지 도달하는 시간에는 큰 차이가 없다. 일찍 도착해야 한다는 조바심과 다른 사람보다 손해 보는 것을 참기 어려워하는 손실 혐오 심리 때문에 잦은 차선 바꾸기와 끼어들기를 하는 경우가 많은데 이는 다른 차선에 있는 차의 속도에 영향을 미쳐 유령 정체 현상을 일으킨다.

공학자들에 따르면 유령 정체는 폭탄의 연쇄 반응과 비슷하다. 폭발 반응이 시작되면 멈추기 어려운 것처럼 교통 체증도 일단 시작되면 없애는 것은 거의 불가능하다는 것이 전문가들의 의견이다. 유령 정체를 해결하기 위해 수학자들이 파동 방정식을 이용한 수학 모델을 개발하고 있지만 체증을 없앤다기보다는 완화하는 정도에 불과할 것이라고 보는 것도 이런 이유 때문이다.

사고나 도로 공사 등으로 인해 차선이 하나 줄면서 발생하는 병목 현상도 유령 정체의 주요 원인이다. 이렇게 차로가 하나 줄어들 때 즉시 깜빡이를 켜고 옆 차선으로 갈아탄 뒤 서행 대열에 합류해 좁은 구간을 통과하는 것이 좋을까, 폐쇄 차선의 끝까지 이동한 다음에 끼어들기를 해 진입하는 것이 좋을까. 과학자들에 따르면 폐쇄 지점 앞에서 한 대씩 교차 진입하는 것이 병목 현상에 대처하는 가장 효과적인 방법이다. 단 새치기 같은 얌체 짓을 하는 운전자 없이 차례로 진입한다는 점을 전제로 한다.

과학자들은 “차량 흐름에 관한 수학은 주어진 상황에서 차량의 움직임을 예측하려는 다수의 복합 이론과 방정식이 잘 구축된 분야로 최근에는 인공지능(AI)을 도로 상황 통제에 이용하려는 연구가 활발하다”면서도 “모든 차가 자율주행차로 바뀌고 AI로 도로 상황을 조절하지 않는 이상 정체 현상을 완전히 없애기는 힘들 것”이라고 말했다.