에이전트 기반 시뮬레이션을 활용한 지하도상가 평면구조 유형별 보행 성능 분석 및 최적화 방안 연구 = Performance Analysis and Optimization of Floor Plan Types in Underground Shopping Malls Using Agent-Based Simulation

국문 초록 (Abstract)

지하도상가는 도시철도와 연계된 안정적인 유동 인구 확보라는 물리적 장점에도 불구하고, 소비 패턴의 온라인 플랫폼 중심 전환과 지역 상권의 분산으로 인해 점포 수익성 저하와 공실률 증가가 가속화되고 있다. 이에 지자체에서는 지속적인 마케팅 강화, 이벤트 개최, 임대료 지원, 그리고 리모델링 지원 등 다채로운 상권 활성화 정책을 펼쳐 왔으나 이러한 외적 요인 중심의 접근법은 일시적인 효과에 그치며 근본적인 문제를 해결하지 못하고 있는 것으로 여겨진다. 즉, 지하도상가의 문제는 단순히 마케팅이나 이벤트의 부재보다는 지하도상가의 본질적인 것으로부터 비롯될 수 있으며, 쇠퇴의 원인은 기존의 단조로운 직선형 통로와 삼열로 밀집 배치된 점포 구조에서 찾을 수 있다. 이와 같은 구조는 단순한 통과 기능에 적합할 수 있으나, 보행자의 적극적 탐색이나 체류 활동 유도에는 한계가 있어 보행자들이 최단 거리의 빠른 통과만을 목적으로 공간을 이용하게 한다.

더욱이 보행자들은 지하공간 이용 시 방향감각 상실, 심리적 폐쇄감, 공간의 답답함 등을 경험하며, 고밀도 환경에서는 혼잡으로 인한 보행 효율성 저하와 병목현상까지 겪게 된다. 결국 이러한 복합적 문제들은 지하도상가 전체의 활성화를 저해하는 악순환을 형성하고 있는 현황이다. 따라서 지하도상가의 지속가능한 발전을 위해서는 이를 해결할 수 있는 새로운 접근이 필요하므로 본 연구는 기존 구조의 한계를 규명하고, 보행자 중심의 공간 최적화 방안을 도출하기 위해 평면구조 유형별 보행 성능을 종합적으로 분석하는 것을 목적으로 한다.

연구 대상지로는 부산시 부전몰 지하도상가를 선정하였다. 부산시는 전체 면적의 약 44~47%가 산지로 구성된 도시로, 가용 평지가 제한되는 특성상 지하공간 활용의 가능성이 제기된다. 2025년 3월 기준 총 7개 지하도상가에 약 1,373개 점포를 보유하고 있으며, 광역시 중에서도 비교적 큰 규모에 해당한다. 특히 부전몰은 서면역 및 부전역과 직결된 주요 환승 거점으로, 대규모 유동 인구와 높은 보행자 밀도를 보여 평면구조 연구에 최적의 조건을 제공한다.

연구 설계는 기존 G0(기본형 삼열 구조)를 기준으로 선행연구를 바탕으로 변형한 7개 구조 유형을 설정하였다: G1(상단 점포 제거형), G2(하단 점포 제거형), G3(상하단 점포 제거형), G4(중앙 점포 50% 제거형), G5(중앙 점포 완전 제거형), G6(중앙 점포 지그재그 배치형), G7(중앙 점포 지그재그 간격 확장형). 보행자 유형은 통과형(단순 통로 이용), 실용형(특정 매장 목표 이동), 배회형(목적 없는 공간 탐색), 전유형(장시간 체류 및 공간 점유)의 4가지로 구분하였다. AnyLogic 소프트웨어를 활용한 에이전트 기반 시뮬레이션을 통해 1차 단일형(각 보행자 유형별 개별 분석)과 2차 혼합형(현실적 보행자 구성비 반영: 통과형 40%, 실용형 32%, 배회형 5%, 전유형 23%) 시뮬레이션을 수행하였으며, 평균 시간대(출입구 당 42명/h)와 피크 시간대(출입구 당 74명/h) 조건에서 각각 진행되었다.

주요 연구 결과, 평면구조가 보행자의 이동 패턴과 공간 이용에 결정적 영향을 미치는 것으로 나타났다. G0(기본형 삼열 구조)는 특정 구역으로의 밀도 집중과 출구 편중을 야기하여 비효율적 공간 활용을 보인 반면, G5(중앙 점포 완전 제거형)는 가장 균등한 공간 분산을, G6(중앙 점포 지그재그 배치형)는 자연스러운 밀도 분산을 달성했다. 보행자 유형별 구조 반응성의 명확한 차별화도 확인되었다. 통과형은 모든 구조에서 높은 유출 효율성을 유지하며 구조 변화에 가장 둔감했고, 통로 이용률이 극히 낮아 최단경로 선호 특성을 보였다. 실용형은 주로 서면역 방향 출구를 이용하며 특정 구역에 밀도가 집중되는 뚜렷한 선택 편향을 보였고, 배회형은 모든 출구를 가장 균등하게 이용하며 구조 탐색성이 높았다. 전유형은 상대적으로 낮은 유출 효율성과 부전역 방향 출구 편중 경향을 보이며 구조 변화에 가장 민감하게 반응했다.

기존 공간 설계 이론과 실제 보행자 행태 간의 역설적 차이를 발견하였다. G2(하단 점포 제거형)는 예상과 달리 특정 출구 집중을 심화시켰고, G4(중앙 점포 50% 제거형)는 부분적 개방이 공간 인지에 혼란을 야기한 반면, G5(중앙 점포 완전 제거형)는 명확한 경로 제약 최소화 효과를 보였다. 이를 통해 물리적 접근성보다는 인지적 명료성이, 단순한 개방성보다는 적절한 복잡성이 보행자 행태에 더 중요하다는 새로운 설계 원칙을 도출하였다. 또한, 평면구조 유형별 혼잡 대응력의 명확한 성능 차이가 나타났다. G0(기본형 삼열 구조)는 피크 시간대에 가장 큰 유출 효율성 저하를 보인 반면, G5(중앙 점포 완전 제거형)와 G6(중앙 점포 지그재그 배치형)는 혼잡 시에도 오히려 성능이 향상되는 우수한 적응력을 입증했다.

최적화 전략으로는 공간 목적에 따른 차별화된 구조 선택 기준을 확립하였다. 통과 중심 공간에는 G1(상단 점포 제거형) 또는 G2(하단 점포 제거형)가 저밀도 조건에서 제한적으로 적합하고, 상업 중심 공간에는 G4(중앙 점포 50% 제거형)가 상업 기능과 통행 기능의 균형을 제공할 수 있다. 체험 중심 공간에는 G6(중앙 점포 지그재그 배치형)와 G7(중앙 점포 지그재그 간격 확장형)이 탐색성과 적응성을 지원한다. 더불어 체류 중심 공간에는 G5(중앙 점포 완전 제거형)가 균등한 밀도 분산으로 최적 성능을 보였으며, G3(상하단 점포 제거형)가 안정적 대안으로 나타났다. 현실적인 복합적 환경에 대응하는 평면구조 최적화 전략에 있어서 통과와 상업이 복합된 공간에서는 G4(중앙 점포 50% 제거형)의 단일 적용이, 상업과 체류가 복합된 공간에서는 G5(중앙 점포 완전 제거형)를 주 평면구조로 하고 G4(중앙 점포 50% 제거형)를 보조구조로 활용하는 방식이, 통과와 체류가 복합된 공간에서는 G5(중앙 점포 완전 제거형)의 완전 개방 구조를 기본으로 하되 필요시 G3(상하단 점포 제거형)를 대안으로 적용하는 전략이, 상업과 체험 기능이 결합된 공간에서는 G6(중앙 점포 지그재그 배치형)를 주구조로 하고 G4(중앙 점포 50% 제거형)를 보조 적용하는 방식이 효과적임을 제시하였다. 이를 통해 시간대별, 구역별 상황 변화에 유연하게 대응할 수 있는 통합적 최적화 방안을 구축하였다.

본 연구는 지하도상가의 쇠퇴 원인을 공간 구조 차원에서 접근하여, 보행자 유형별 차별화된 공간 반응성을 정량, 정성적으로 규명하고 공간 목적에 따른 구체적 평면구조 선택 기준을 확립하였다. 특히 새로운 설계 원칙을 실증적으로 도출함으로써 기존 공간 설계 이론의 한계를 보완하였으며, 단일형과 혼합형 시뮬레이션을 통해 보행자 간 상호작용이 공간 성능에 미치는 복합적 효과를 규명하였다. 이를 바탕으로 지하도상가가 단순한 통과 공간을 넘어 보행자 중심의 매력적이고 효율적인 도시 공간으로 재탄생할 수 있는 실증적 근거와 실무적 가이드라인을 제공하였다는 점에서 의의가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Underground shopping malls, despite their physical advantages of securing stable pedestrian flow through connection to urban railway systems, are experiencing accelerated decline in store profitability and increased vacancy rates due to the shift in consumer patterns toward online platforms and the dispersion of local commercial districts. In response, local governments have continuously implemented diverse commercial revitalization policies including marketing enhancement, event hosting, rent subsidies, and remodeling support. However, these externally-focused approaches appear to achieve only temporary effects without addressing fundamental problems. This raises more fundamental questions that underground shopping mall issues may stem from intrinsic problems rather than simply the absence of marketing or events.

The fundamental causes of decline can be identified in the existing monotonous linear corridor configurations and three-row densely arranged store structures. While such structures may be adequate for simple transit functions, they demonstrate limitations in inducing active pedestrian exploration or extended stay activities, causing pedestrians to utilize spaces solely for rapid transit via the shortest routes. Furthermore, pedestrians utilizing underground spaces experience spatial disorientation, psychological confinement, and claustrophobic sensations, and in high-density environments, they encounter reduced pedestrian efficiency and bottleneck phenomena due to congestion. These complex problems form a vicious cycle that hinders the overall revitalization of underground shopping malls. Therefore, new approaches are needed for the sustainable development of underground shopping malls. This study aims to identify the limitations of existing structures and comprehensively analyze pedestrian performance by floor plan structure types to derive pedestrian-centered spatial optimization strategies. This research was conducted with Bujeon Mall underground shopping mall in Busan City as the primary research target, selected due to its strategic significance as a major metropolitan underground commercial facility.

The research methodology employed a systematic experimental design establishing seven distinct structural variations based on the existing G0 (Basic Three-Row Structure), G1 (Upper Store Removal Type), G2 (Lower Store Removal Type), G3 (Upper and Lower Store Removal Type), G4 (Central Store 50% Removal Type), G5 (Central Store Complete Removal Type), G6 (Central Store Zigzag Arrangement Type), and G7 (Central Store Zigzag Spacing Expansion Type). Pedestrian behavior was categorized into four distinct typologies: Passing type characterized by rapid transit-focused movement, Pragmatic type demonstrating goal-oriented movement toward specific commercial destinations, Meandering type exhibiting exploratory spatial navigation behaviors, and Appropriation type involving extended occupancy and territorial utilization of spaces. The analytical framework utilized sophisticated agent-based simulation modeling through AnyLogic software, implementing both single-type analysis and mixed-type analysis incorporating realistic pedestrian composition ratios under both average temporal conditions and peak operational scenarios.

The principal research findings reveal six significant discoveries with substantial implications for underground commercial space design. First, floor plan structural configurations demonstrate decisive influence on pedestrian movement patterns, with G0 producing inefficient spatial utilization while G5 achieved optimal spatial distribution equilibrium and G6 facilitated natural density distribution patterns. Second, distinct differentiation in structural responsiveness across pedestrian typologies was empirically confirmed, with each type demonstrating unique behavioral characteristics and varying degrees of sensitivity to structural modifications. Third, significant paradoxical discrepancies between established spatial design theoretical frameworks and observed pedestrian behavioral patterns were identified, establishing new evidence-based design principles demonstrating that cognitive clarity supersedes physical accessibility and that appropriate spatial complexity proves more beneficial than simple openness. Fourth, clear performance differentials in congestion response capabilities were systematically confirmed, with G0 exhibiting substantial performance degradation during peak periods while G5 and G6 demonstrating superior adaptability during congestion scenarios. Fifth, complex interactive effects of pedestrian inter-group dynamics on overall spatial performance were discovered, with mixed-type simulations producing results completely contrary to single-type simulation outcomes, indicating that pedestrian diversity creates synergistic effects that fundamentally alter spatial performance characteristics. Sixth, comprehensive optimization strategies established differentiated structural selection criteria according to spatial functional objectives: transit-centered spaces are optimally served by G1 or G2 under low-density conditions providing efficient linear movement pathways, commercial-centered spaces achieve optimal performance through G4 balancing commercial exposure with circulation efficiency, experience-centered spaces benefit from G6 and G7 configurations that promote exploration and adaptability through strategic spatial complexity, and stay-centered spaces achieve superior density distribution through G5's complete central opening with G3 serving as a stable alternative. Additionally, sophisticated hybrid strategies were developed for realistic mixed-function environments, including G4 for transit-commercial integration, G5 with G4 auxiliary support for commercial-stay combinations, G5 with G3 alternatives for transit-stay scenarios, and G6 with G4 auxiliary application for commercial-experience spaces.

This research contributes significant theoretical and practical value by presenting sustainable regeneration strategies for underground shopping malls through structural design optimization using agent-based simulation, providing empirical evidence and specific directional guidance for transforming underground shopping malls from simple transit spaces into pedestrian-centered, attractive, and efficient urban environments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 4
• 1. 연구의 배경과 목적 4
• 2. 연구의 범위 및 방법 7
• 3. 용어 정의 11
• 4. 연구의 흐름도 13
• Ⅱ. 이론적 고찰 14
• 1. 지하도상가 14
• 1) 지하도상가의 개념 및 법적 정의 14
• 2) 지하도상가의 유형 16
• 3) 지하도상가의 특성 및 구성요소 17
• 4) 부산시 지하도상가의 현황 19
• 5) 관련 연구 동향 22
• 2. 에이전트 기반 시뮬레이션(Agent-Based Simulation) 25
• 1) 에이전트(Agent)의 정의 25
• 2) 에이전트 기반 시뮬레이션(Agent-Based Simulation, ABS) 27
• 3) AnyLogic 소프트웨어 29
• 4) 관련 연구 동향 32
• Ⅲ. 연구 방법 및 범위 36
• 1. 연구 대상지 선정 36
• 2. 공간적 범위 설정 39
• 3. 보행 시뮬레이션 방법 및 구축 41
• 1) AnyLogic 보행 시뮬레이션 개요 41
• 2) 평면구조 모델링(Space Modeling) 44
• 3) 보행자 에이전트 설정(Pedestrian Agent Setting) 50
• 4) 유입 인원 및 분포 설정(Rate of Arrival) 52
• 5) 보행자 유형별 AnyLogic 시뮬레이션 설계 54
• 4. 분석 프로세스 설정 62
• Ⅳ. 지하도상가 평면구조에 따른 보행 시뮬레이션 실험 64
• 1. 보행 시뮬레이션 분석 64
• 1) 1차 단일형 시뮬레이션 분석 64
• 2) 2차 혼합형 시뮬레이션 분석 90
• 2. 지하도상가 평면구조의 보행 성능 분석 및 최적화 방안 도출 104
• 1) 평면구조별 보행 성능 특성 분석 104
• 2) 보행 밀도별 보행 성능 특성 분석 106
• 3) 공간 목적별 평면구조 최적화 방안 107
• 4) 복합적 평면구조 최적화 방안 110
• Ⅴ. 결론 및 시사점 112
• ● 참고문헌 116
• ● Abstract 124