장대 도로 터널 조명, 색채, 그래픽의 운전자 인지부하에 관한 메타 분석
Meta-Analysis on the Cognitive Load of Drivers in Response to Lighting, Color, and Graphics in Long Road Tunnels
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초록
(연구배경 및 목적) 도시화와 교통량 증가로 인해 지하 고속도로의 필요성이 점점 강조되고 있다. 이는 토지 보상비 절감, 환경 영향 최소화, 극단적인 기상 조건에서도 안정적인 운영이 가능하다는 장점을 지닌다. 그러나, 20km 이상의 장거리 주행 환경에서는 자연적 시각 자극의 부족으로 인해 운전자의 심리적 불안과 피로가 가중될 수 있다. 특히, 3km 이상의 장대 터널에서는 폐쇄감과 제한된 시야로 인해 운전자의 인지 부하가 증가하며, 터널 내에서 발생하는 교통사고는 치사율이 높고 증가하는 추세를 보인다. 이에 따라, 본 연구는 2010~2023년 사이 발표된 논문을 메타분석하여 장대 터널의 시각적 환경(조명, 색채, 그래픽)의 개선이 운전자의 인지 부하 감소에 미치는 효과를 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이를 바탕으로 인간 중심의 시각적 환경 최적화 설계를 위한 근거를 제시하는 것을 목표로 한다. (연구방법) 본 연구는 장대 도로 터널의 조명, 색채, 그래픽이 운전자의 인지 부하에 미치는 영향을 파악하기 위해 체계적인 문헌 분석을 수행하였다. 첫째, 2010년 1월부터 2024년 7월까지 Scopus, Web of Science 등의 데이터베이스에서 총 1,080편의 논문을 검색하였다. 둘째, 중복 논문을 제거하고 연구 기준에 따라 논문을 선별한 결과, 최종적으로 25편의 논문을 분석 대상으로 선정하였다. 셋째, 장대 터널 또는 유사한 지하 공간에서 수행된 실증 연구를 중심으로 독립 변수와 종속 변수를 설정하였으며, 랜덤 효과 모델과 Q 통계량을 활용하여 연구 간 이질성을 평가하였다. 넷째, Forest Plot과 Funnel Plot을 활용하여 연구 결과를 시각적으로 분석하였다. (결과) 본 연구에서는 터널 환경에서 조명이 운전자의 인지 부하 감소에 가장 큰 효과를 나타냄(=0.793)을 확인하였으며, 색채(=0.788) 역시 유사한 수준의 효과를 보였다. 반면, 그래픽(=0.494)은 상대적으로 중간 수준의 효과를 나타냈다. 추가적으로, 하위 그룹 간 효과 차이를 분석한 결과(Qb=19.533, p<0.001), 설계 시 각 요소의 민감도 해석이 필요함을 확인하였다. Funnel Plot 분석 결과에서는 연구 간 다양성이 일부 확인되었으며, 터널 내 조명과 색채 중심의 개선이 인지 부하 감소에 핵심적인 역할을 함이 입증되었다. 이를 바탕으로 장대 지하 고속도로에서 인지 부하를 줄이기 위한 최적의 설계 방향을 도출하였다. (결론) 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 첫째, 장대 터널 시각적 환경(조명, 색채, 그래픽) 중에서 조명이 인지 부하 감소에 가장 중요한 요소임을 확인하였으며, 색채 역시 유사한 수준의 긍정적인 영향을 미친다. 둘째, 그래픽은 조명과 색채보다는 낮은 중간 효과를 보였지만, 특정 지점에 자연 경관 이미지를 적용할 경우 피로 완화와 안전성 향상에 기여할 수 있다. 셋째, 터널 내 최적의 시각 환경 디자인을 위해 조명, 색채, 그래픽의 우선순위를 고려한 체계적인 접근이 필요하다. 마지막으로, 향후 연구에서는 VR 및 주행 시뮬레이션을 활용하여 색채와 조명의 상호작용을 분석하는 실증 연구가 필요함을 제안한다. 이러한 연구는 장대 터널 내 운전자 경험을 최적화하고, 보다 안전한 주행 환경을 조성하는 데 기여할 수 있을 것이다.
Abstract
(Background and Purpose) The rapid urbanization and increasing traffic volume have necessitated the development of underground highways, which offer advantages such as reduced land acquisition costs, minimized environmental impact, and stable operation under extreme weather conditions. However, long-distance driving environments exceeding 20 km can lead to heightened psychological distress and fatigue due to the absence of natural visual stimuli. Particularly in tunnels longer than 3 km, drivers experience increased cognitive load due to spatial confinement and restricted visibility, contributing to high fatality rates in tunnel-related traffic accidents. (Method) This study conducts a meta-analysis of research published between 2010 and 2023 to quantitatively assess the effects of visual environmental improvements in long tunnels on reducing drivers' cognitive load. A systematic literature review was conducted, retrieving 1,080 papers from databases such as Scopus and Web of Science. After removing duplicates and applying selection criteria, 25 empirical studies focusing on long tunnels or similar underground spaces were analyzed. Independent and dependent variables were identified, and statistical methods, including a random-effects model and Q-statistics, were employed to evaluate heterogeneity. The results were visualized using Forest Plots and Funnel Plots. (Results) In the tunnel environment, lighting demonstrated the greatest effect on reducing cognitive load(=0.793), followed closely by color (=0.788), while graphics showed a moderate effect (=0.494). Significant differences in subgroup effects (Qb=19.533, p<0.001) indicate the necessity of sensitivity analysis during design. Funnel Plot analysis revealed some variability among studies, confirming that improvements centered on lighting and color are critical for reducing cognitive load. These findings provide optimal design directions for mitigating cognitive load in long underground highways. (Conclusions) The conclusions drawn from this study are as follows. First, in the visual environment design of long tunnels, lighting is the most critical factor in reducing cognitive load, and it was confirmed that color has a similar effect. Second, although graphics showed a moderate effect that was lower than those of lighting and color, applying natural scenery graphics at specific points can help alleviate fatigue and enhance safety. Consequently, a systematic approach that considers the priority of lighting, color, and graphics is necessary for optimal visual environment design within tunnels. In the future, the research will be expanded into an empirical study analyzing the interaction of color and lighting through VR and driving simulations.