[論文レビュー] Modelling and Traffic Signal Control of Heterogeneous Traffic Systems

Yicheng Zhang, Rong Su+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Traffic control and management参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、信号制御付きと非信号制御付き交差点を併せ持つ異種都市交通システムを対象に、非信号交差点にはギャップ受容モデルを、信号制御にはラグランジュ緩和を用いた階層的分散最適化を適用した、新規の混合整数プログラミングモデルを提案する。主な発見は、信号制御は高流量または中程度の流量条件下でのみ遅延を低減するが、低流量条件下では不要な信号が遅延を増加させるため、コスト効率の良い交差点制御計画が可能になることである。

ABSTRACT

An urban traffic system is a heterogeneous system, which consists of different types of intersections and dynamics. In this paper, we focus on one type of heterogeneous traffic network, which consists of signalized junctions and non-signalized ones, where in the latter case vehicles usually follow the first-in-first-out principle. We propose a novel model describing the dynamic behaviors of such a system and validate it via simulations in VISSIM. Upon such a new model, a signal control problem for a heterogeneous traffic network is formulated as a mixed integer programming problem, which is solved by a Lagrangian multiplier based hierarchical distributed approach. Comparisons between a homogeneous traffic system and a heterogeneous one are provided, which leaves the door open for developing a systematic planning approach on deciding what traffic junctions require signal control to ensure a good traffic control performance, thus, have a great social and economic potentials, considering that it is rather expensive to have signal control in an urban area.

研究の動機と目的

• 信号制御付きおよび非信号制御付き交差点を含む異種都市交通システムをモデル化すること。
• 混合交通ネットワーク全体の遅延を最適化する信号制御戦略を開発すること。
• 信号制御が性能を向上させるのか、それとも不要な遅延を引き起こすのかを、交通量の条件に応じて特定すること。
• コスト効率を最大化する目的で、どの交差点に信号を設置すべきかを決定する体系的な計画フレームワークを提供すること。

提案手法

• 信号交差点における流れのダイナミクスを記述するため、制御可能および制御不能な流れ成分を用いた新規な動的モデルを構築した。
• 非信号交差点については、最初に到着した車両が優先される原則に基づくギャップ受容モデルを用い、車両の進行を推定した。
• 信号制御問題を、ネットワーク全体の遅延を最小化することを目的とした混合整数プログラミング（MILP）問題として定式化した。
• MILP問題を効率的に解くために、ラグランジュ乗数に基づく階層的分散最適化手法を適用した。
• 4×4グリッドおよびシンガポール・チャイニーズ・ウエストの実際の交通ネットワークを用いて、VISSIMシミュレーションによるモデルの妥当性を検証した。
• MATLABとGurobiを用いてコントローラーを実装し、COMインタフェースを介してVISSIMと連携させ、リアルタイムの信号最適化を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種交通システムにおいて、交差点の信号制御が全体のネットワーク遅延を低減するのはどのような状況か？
• RQ2 交通量が変化する条件下で、完全に信号制御されたネットワークと部分的または完全に非制御のネットワークの性能はどのように比較されるか？
• RQ3 ギャップ受容モデルを用いて非信号交差点をモデル化した場合、システム全体の遅延および流れのダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ4 交通量と遅延低減の観点から、最適な交差点の信号制御を同定する体系的な計画手法を開発できるか？
• RQ5 提案されたMILPに基づく信号制御戦略は、固定周期制御や従来の連携制御手法と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• 低流量条件下（ケース1）では、すべての流れがギャップ受容閾値未満にあり、非信号交差点を車両が妨げられることなく通過するため、ネットワーク遅延はゼロである。
• 低流量条件下での信号制御（ケース2）では、信号による列車形成のため遅延が4,860秒に増加し、不要な信号が性能を悪化させることを示している。
• 中程度の流量条件下（ケース5）では、信号制御による遅延低減効果が限定的であり、中程度の流れレベルでは恩恵が小さいことを示している。
• 高流量条件下（ケース9）では、信号制御により総遅延が13,200秒に低減され、非制御システムに比べ顕著な改善効果が確認された。
• 部分的に制御されたネットワーク（9つの信号交差点）は、高流量条件下で完全に制御されたシステム（ケース8対ケース9）を上回る性能を示し、過剰な信号化が遅延を増加させることを示している。
• シンガポール・チャイニーズ・ウエストでのシミュレーション結果は、信号制御が高濃度混雑時において最も効果的であることを確認しており、モデルの実世界への適用可能性を裏付けている。