교통공학의 학문적 정의, 목적 및 다른 학문 분야와의 연관성을 고찰하고 기초적인 체계를 정립한다.

사람과 화물의 안전하고 신속하며 효율적인 이동을 위한 시설의 계획, 설계, 운영 및 관리를 연구하는 공학적 방법론을 정의한다.

교통공학의 연구 대상인 교통 체계(Transportation System)는 사람이나 화물의 공간적 이동이라는 목적을 달성하기 위해 유기적으로 결합된 복합체이다. 이 체계는 크게 이동의 주체인 인간, 이동의 수단인 차량, 이동의 통로가 되는 시설, 그리고 이들을 효율적으로 관리하는 운영 및 제어 체계로 구성된다. 교통 체계를 이해하기 위해서는 각 구성 요소의 개별적 특성뿐만 아니라, 이들이 상호작용하며 발생하는 동적인 현상을 체계적으로 분석해야 한다.

교통 체계에서 가장 핵심적이면서도 변동성이 큰 요소는 인간(Human)이다. 인간은 운전자(Driver), 보행자(Pedestrian), 승객의 형태로 체계에 참여한다. 특히 운전자는 외부 정보를 시각 및 청각으로 수용하고 이를 판단하여 차량을 조작하는 의사결정 주체로서 역할을 수행한다. 운전자의 특성 중 인지-반응 시간(Perception-Reaction Time)은 도로 설계의 안전성을 결정하는 결정적인 변수이다. 이는 위험을 인지한 순간부터 브레이크를 밟는 등의 물리적 행동에 옮기기까지 걸리는 시간을 의미하며, 설계 기준에 따라 차이가 있으나 통상적으로 2.5초 내외가 적용된다. 보행자 역시 교통 체계의 취약한 구성 요소로서, 이들의 보행 속도와 행동 특성은 신호 교차로의 녹색 시간 산정 및 보행 환경 설계의 근거가 된다.

차량(Vehicle)은 동력 장치를 이용하여 인간과 화물을 운송하는 물리적 매체이다. 차량의 성능은 교통류의 질적 수준을 결정짓는 중요한 요인이다. 차량의 가속 및 제동 성능, 차체 크기, 최소 회전 반경과 같은 정적·동적 특성은 도로 설계의 기하구조(Geometric Design)를 결정하는 척도가 된다. 예를 들어, 대형 화물차의 회전 궤적은 교차로의 가각 정리 및 차로 폭 설계에 직접적인 영향을 미친다. 또한 차량의 운동 특성은 개별 차량 간의 상호작용을 다루는 차량 추종 이론(Car-Following Theory)의 기초가 되며, 이는 전체 교통 흐름의 안정성과 용량(Capacity)을 분석하는 데 필수적이다.

교통 시설(Transportation Facility)은 이동이 이루어지는 물리적 기반 시설을 통칭한다. 여기에는 도로(Roadway), 철도(Railway), 항공로 등의 선형 시설과 터미널, 주차장, 항만 등의 점적 시설이 포함된다. 도로 시설의 경우 차로 수, 평면 곡선 반경, 종단 경사 등의 요소가 주행 속도와 안전성에 기여한다. 시설의 물리적 한계는 해당 교통망이 수용할 수 있는 최대 교통량을 결정하며, 이는 서비스 수준(Level of Service, LOS) 평가의 기준이 된다. 특히 시설 요소는 한 번 구축되면 수정하기 어렵고 막대한 비용이 소요되므로, 계획 단계에서부터 장래 수요를 고려한 정밀한 공학적 검토가 요구된다.

운영 및 제어 체계는 앞선 세 요소가 안전하고 효율적으로 작동하도록 규제하고 조정하는 소프트웨어적 구성 요소이다. 교통신호(Traffic Signal), 도로 표지, 노면 표시와 같은 교통 제어 장치와 교통 법규가 이에 해당한다. 현대 교통공학에서는 정보 통신 기술을 결합한 지능형 교통 체계(Intelligent Transport Systems, ITS)를 통해 실시간 교통 정보를 수집하고 가공하여 사용자에게 제공함으로써 체계의 효율성을 극대화한다. 이러한 제어 체계는 상충하는 교통류 간의 사고 위험을 최소화하고, 한정된 도로 공간에서 지체 시간을 줄이는 역할을 한다.

교통 체계의 구성 요소들은 독립적으로 존재하지 않고 끊임없이 상호작용한다. 운전자의 인지 능력과 차량의 제동 성능, 그리고 도로의 마찰 계수와 경사는 결합되어 정지 시거(Stopping Sight Distance)를 형성한다. 정지 시거 $ d $는 다음과 같은 물리적 관계식으로 표현할 수 있다.

$$ d = \frac{v}{3.6}t + \frac{v^2}{254(f \pm g)} $$

여기서 $ v $는 주행 속도(km/h), $ t $는 인지-반응 시간(sec), $ f $는 노면의 미끄럼 마찰 계수, $ g $는 도로의 종단 경사를 의미한다. 이 식은 인간(반응 시간), 차량(속도 및 제동력), 시설(경사 및 마찰)의 상호작용을 수학적으로 보여주는 대표적인 사례이다. 교통공학은 이러한 다각적인 상호관계를 분석하여 전체 시스템의 최적화를 추구하는 학문이다.

고대 도로 건설부터 산업혁명기 철도의 등장, 현대의 자동차 중심 사회와 첨단 교통 기술에 이르기까지의 변천 과정을 다룬다.

도로 위 차량의 움직임을 물리적 및 통계적으로 모형화하여 교통 흐름의 특성을 파악하는 이론적 배경을 설명한다.

교통량, 속도, 밀도라는 세 가지 핵심 변수의 정의와 이들 사이의 기본 관계식을 수립한다.

개별 차량 간의 간격과 반응을 연구하는 차량 추종 이론 및 차로 변경 모형을 중심으로 분석한다.

교통 흐름을 유체 흐름과 유사한 연속체로 간주하여 전체적인 교통 충격파와 흐름의 변화를 예측한다.

장래의 교통 수요를 과학적으로 추정하고 이를 바탕으로 효율적인 교통 시설 확충 계획을 수립하는 과정을 다룬다.

목표 설정, 데이터 수집, 대안 설정 및 평가로 이어지는 종합적인 교통 계획 수립의 표준 공정을 설명한다.

통행 발생부터 노선 배정에 이르는 전통적인 수요 예측 기법의 각 단계를 체계적으로 분석한다.

특정 지역에서 발생하는 총 통행량과 출발지와 목적지 간의 통행 배분 원리를 규명한다.

이용자의 수단 결정 요인을 분석하고 물리적인 교통망에 통행량을 할당하는 알고리즘을 검토한다.

기존 교통 시설의 효율성을 극대화하기 위한 신호 제어, 용량 분석 및 운영 최적화 기법을 고찰한다.

평면 교차로에서의 신호 주기, 녹색 시간 배분 및 연동 시스템을 통한 지체 시간 최소화 방안을 연구한다.

도로가 수용할 수 있는 최대 차량 통과 능력을 산정하고 운전자가 느끼는 쾌적성을 등급화하여 평가한다.

교통사고의 원인을 인적, 물적, 환경적 요인으로 분석하고 이를 예방하기 위한 공학적 대책을 수립한다.

정보 통신 기술과 자동차 공학이 결합된 차세대 교통 시스템의 구성과 발전 방향을 제시한다.

실시간 교통 정보 수집, 가공, 제공을 통해 교통 흐름을 최적화하는 통합 시스템의 구조를 다룬다.

차량 간 통신 및 자율주행 기술이 교통 운영 효율성과 안전성에 미치는 영향을 분석한다.

탄소 배출 저감, 대중교통 중심 개발 및 친환경 이동 수단 도입을 통한 도시 교통의 지속 가능성을 모색한다.