교통 흐름 모델

* 다음 자료를 저자의 허락 없이 변형하여 상업적 목적으로 사용하는 것을 금합니다.

 

[물음 9~11] 다음의 문제와 그림을 바탕으로 물음에 답하세요.

 

<문제>

부모님은 매일 출근할 때마다 교통 체증으로 어려움을 겪습니다. 또한 교통 체증으로 우리가 입는 손실은 막대합니다. 연료의 소모, 시간 허비와 같은 소모뿐만 아니라, 배기가스로 인한 오염을 그 보기로 들 수 있습니다. 이러한 교통 체증을 해결하는 가장 단순한 방법은 무엇일까요?

 

도로를 확충해 도로율을 높이고 차량을 줄이는 것입니다. 그러나 이 방법은 명백한 한계를 갖고 있습니다. 도로로 사용할 수 있는 땅은 한정되어 있고, 인구수는 늘어나기 때문입니다. 이러한 까닭에, 교통공학자들은 첨단 교통 시스템 개발에 주목하고 있습니다. 차량 신호 등의 기존 교통 시스템에 전자 제어 장치 및 통신 컴퓨터 등의 접목한 지능형 교통 시스템(ITS)을 개발하려는 것입니다. 이 시스템이 도로와 차량에 구축되면, 교통 체증을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다. 하지만 이 시스템이 제대로 작동하기 위해서는 먼저 해결되어야 문제가 있습니다. 도로의 상황 변화를 예측할 수 있도록 해주는 과학적 모델을 만들어야 합니다. 그러한 모델을 ‘교통 흐름 모델’이라고 합니다. 그런데 교통 흐름의 모델은 어떻게 만들 수 있을까요?

 

<문제 해결을 위한 그림>

 

 

 

[물음 9] 해결해야 할 문제를 요약해 본다면? (반드시 해결해야 할 구체적 문제가 무엇인지 밝혀야 합니다. 또한 그 문제가 해결되어야 하는 근거도 밝혀야 합니다.)

 

 

[물음 10] 위 <문제>와 <문제 해결을 위한 그림> 그리고 다음의 <문제 해결을 위한 단서>를 읽고 물음에 대해 토론해 봅시다.

 

<문제 해결을 위한 단서>

액체 상태의 물 분자들은 사방으로 운동하지만 또한 서로 모이려는 성질을 갖고 있습니다. 이 때문에, 액체 상태의 물 분자들은 형태는 변해도 그 부피는 일정하게 유지되는 것입니다. 기체 상태의 물 분자들은 사방으로 흘어지려는 성질을 갖고 있습니다. 이 때문에, 기체 상태의 물 분자들은 형태뿐만 아니라 부피도 변하게 되는 것입니다. 얼음의 경우, 물 분자들이 서로 강하게 결합되어 있습니다. 이 때문에, 얼음의 형태와 부피는 일정하게 유지되는 것입니다.

 

물 분자들의 운동이 얼마나 활발한가에 따라, 물 분자들의 상태는 변합니다. 실례로 물을 끓이면, 수증기가 발생합니다. 이처럼 액체 상태의 물이 수증기로 변하는 과정을 ‘상태 전이’라고 합니다. 상태 전이는 무조건적으로 일어나는 것이 아닙니다. 상태 전이에 필요한 온도, 밀도 등을 ‘임계치’라고 합니다. 실례로 액체 상태의 물이 수증기로 변하는 데 필요한 온도의 임계치는 100 도입니다.

 

물 분자들의 상태 전이와 교통 흐름을 비교해 보면, 유사한 점을 찾을 수 있습니다. 그 유사한 점은 다음과 같습니다.

 

• 고체 : 액체 : 기체 = 정체 상태 : 동기화 소통 상태 : 소통 상태

 

(1) 정체 상태, 동기화 소통 상태, 그리고 소통 상태가 무엇인지에 대해 토론해 봅시다.

 

 

(2) 컵을 깨트리는 바람에 물이 바닥에 흩어졌습니다. 온도는 25 도입니다. 온도가 100 도가 아님에도 물이 증발하는 이유에 대해 토론해 봅시다.

 

 

(3) 물 분자들의 운동에 따른 상태 전이를 교통 흐름과 비교해 봅시다.

 

 

(4) 교통 흐름의 상태도 변합니다. 이러한 변화와 관련된 임계치를 찾으려고 할 때 무엇을 고려해야 할까요? 이에 대해 토론해 봅시다.

 

 

(5) <문제 해결을 위한 그림>에서 ‘문제 해결’ 부분은 ‘?’로 남겨져 있습니다. ‘?’에는 어떤 내용이 보충되어야 할까요?

 

 

[물음 11] 위 <문제>와 <문제 해결을 위한 그림> 그리고 <문제 해결을 위한 단서>를 바탕으로 하나의 긴 글을 완성시켜 봅시다. (자신이 교통 모델을 만드는 과학자나 공학자라고 생각하고 글을 써보세요.)

 

 

 

수능 관련 기출 문제의 지문을 활용한 다음 문제들을 풀어 봅시다.

 

2004학년도 10월 서울시 교육청

1교통 체증으로 우리가 입는 손실은 막대하다. 2연료의 소모, 시간 허비와 같은 손실을 초래하는 것은 물론 배기 가스로 인해 환경 오염을 유발하여 시민들의 건강을 위협하기도 한다. 3이런 교통 체증을 해결하는 방법은 간단하다. 4도로를 확충하여 도로율을 높이고 차량을 줄이는 것이다. 5하지만 이 방법은 한계가 있을 수밖에 없기 때문에 교통공학자들은 첨단 교통시스템 개발에 몰두하고 있다. 6도로․차량 신호 등의 기존 교통 체계에 전자․정보 통신․컴퓨터 등의 첨단 기술을 접목한 지능형 교통 시스템(ITS)을 개발하려는 것이다. 7이 시스템이 구축되면 교통 서비스를 획기적으로 개선할 수 있다. 8그러나 이 시스템이 제대로 작동하기 위해서는 전제되어야 할 것이 있다. 9도로 상황을 제대로 반영한 최적의 교통 흐름 모델이 바로 그것이다.

 

101997년 물리학자 케르너는 교통의 흐름을 3단계로 구분한 ‘단계 전환’ 이론을 발표했다. 11그는 교통 흐름을 ‘원활한 소통’ 단계, 차량 진행이 늦어지면서 나란히 가는 ‘동기화 소통’ 단계, 그리고 차량 흐름이 멈추는 ‘정체’ 단계로 구분했다. 12원활한 소통 단계에서는 차량들이 서로 멀리 떨어져 있어서 속도를 높이며 차선을 자유롭게 바꿀 수 있다. 13이 상태는 입자들이 임의대로 움직이고 서로 충돌할 가능성이 거의 없어 밀도가 낮은 기체의 흐름을 떠올리게 한다. 14러시아워 때는 교통량이 갑작스럽게 증가하여 충돌 위험이 높아지고 차량 평균 속도가 줄어든다. 15이는 액체의 상태와 유사하다. 16이 상태에서 차량이 더 ㉠늘어나 밀도가 더 증가하면 거의 움직일 수 없는 고체 덩어리와 같은 상태가 된다. 17이렇게 교통 정체 현상을 물리학적으로 해석해 보면 액체가 기체, 고체로 바뀌는 것과 같은 ‘상전이 현상’을 찾아볼 수 있다.

 

18㉡교통의 흐름이 물질의 상전이 현상과 유사하다는 것은 정체를 막을 수 있는 법칙을 찾을 수 있다는 것을 시사한다. 19여기서 물리학적 방법으로 교통 체증을 해결할 수 있는 실마리를 얻을 수 있다. 20밀도, 온도, 기압 등이 임계치를 넘어서면 물질의 질적인 상태가 전환되는 상전이 현상이 나타난다. 21이와 유사하게 물질의 상전이 현상을 교통의 흐름에 영향을 미치는 교통량, 평균 속도, 신호 체계 등의 요소들과 비교해 보면 질적 변화가 일어나게 되는 임계치를 찾아낼 수 있다. 23단순한 예를 하나 들어 보자. 24차량 수가 늘어나면 어느 순간 속도가 급격히 감소하여 정체 현상을 보이는데, 그 때가 임계치를 넘어서는 순간이다. 25이런 방식으로 교통 체증을 예방할 수 있는 최적화 모델을 찾을 수 있을 것이다.

 

26그러나 이러한 전환이 일어나는 임계치를 구하는 것이 쉬운 일은 아니다. 27한 지역의 도로망을 구성한 뒤 일정한 차량을 배치해 실험하기가 수월하지 않기 때문이다. 28그래서 연구자들은 시뮬레이션 프로그램으로 평균 속도가 급격히 감소되는 임계치를 찾고 있다. 29이를 위해서는 차량의 흐름을 점검할 수 있는 장치 즉 도로에 지능을 부여하는 장치가 설치되어야 한다. 30그래야만 실제 차량의 흐름을 시뮬레이션에 포함시켜 전환 단계를 정확하게 예측할 수 있고, 이를 통해 최적화 모델의 현실성과 실용성을 높일 수 있다.

 

1. 위 글의 내용과 일치하지 않는 것은? (기출 문제)

① 케르너의 이론은 상전이 현상으로 설명할 수 있다.

② 동기화 소통에서 차량은 차선을 자유롭게 바꿀 수 있다.

③ 교통 공학자들은 첨단 교통 시스템 개발에 몰두하고 있다.

④ 원활한 소통 단계는 물리학적으로 보면 기체 상태에 해당한다.

⑤ 임계치를 찾아내기 위해 시뮬레이션 프로그램을 활용하고 있다.

 

2. 위 글에서 제시하고 있는 문제 해결 방식과 가장 유사한 사례로 볼 수 있는 것은? (기출 문제)

① 각계각층의 다양한 의견을 수렴한 후, 쓰레기 매립장 건설을 추진한다.

② 스스로의 힘으로 빈곤에서 벗어날 수 있도록 빈민층을 단계적으로 지원한다.

③ 할인율에 따른 예상 고객수를 계산하여 이익을 극대화할 수 있는 판매 가격을 결정한다.

④ 질병의 원인이 되는 바이러스를 찾아서, 이를 퇴치할 수 있는 백신을 개발한다.

⑤ 수익의 일부를 사회에 환원하여 기업 이미지를 높임으로써 수익성을 제고한다.

 

3. 위 글에서 설명한 ‘교통 흐름상의 임계치’를 정할 때 고려할 필요가 없는 것은? (기출 문제 변형)

① 과속 운전을 하는 사람의 습관을 바꾸어 주기 위한 속도 제한 프로그램

② 구간과 구간 사이의 소통을 원활하게 할 수 있는 최대 평균 속도

③ 차량의 흐름을 원활하게 하기 위한 신호등의 최적 점멸 주기

④ 교통량의 변화에 따라 가변 차선을 운용하기에 적절한 시간대

⑤ 교통 정체를 일으키지 않도록 시간당 통과시킬 수 있는 차량의 최대치

 

4. ㉠과 문맥적 의미가 유사하게 사용된 것은? (기출 문제)

① 한두 번 하다 보니 거짓말이 차차 늘었다.

② 올해 들어 그 정당의 세력이 많이 늘었다.

③ 한 마리였던 돼지가 지금은 열 마리로 늘었다.

④ 전쟁이 끝난 후 궁핍했던 살림은 차차 늘었다.

⑤ 꾸준한 노력의 결과 그는 실력이 부쩍 늘었다.

 

5. ㉡을 <보기>와 같이 정리할 때, ( ) 안에 들어갈 내용으로 가장 타당한 것은? (기출 문제 변형)

		보기
∘(                                                           ) ↓ ∘교통의 흐름은 물질의 상전이 현상과 유사하다. ↓ ∘교통 체증 문제 해결의 실마리를 얻을 수 있다.

① 상전이 현상은 임계치를 가지고 있다.

② 상전이 현상은 일종의 정체 현상이다.

③ 물리학적 방법은 보편성을 가지고 있다.

④ 교통 체증은 여러 단계를 거쳐 일어난다.

⑤ 교통의 흐름은 함수 관계로 파악할 수 있다.