[논문 리뷰] A new approach for modelling mixed traffic flow with motorized vehicles and non-motorized vehicles based on cellular automaton model

Xiaoyu Zhao, Baozhu Jia외 1명|ArXiv.org|2007. 07. 09.

Traffic control and management참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자동차와 비모터화차량을 동시에 포함하는 혼합 교통 흐름을 시뮬레이션하기 위해, 모터화차량에 대한 NaSch CA 모델과 비모터화차량에 대한 Burgers CA 모델을 통합한 복합 세포자기모형(CCA)을 제안한다. 전용 차선 변경 규칙을 도입함으로써 차량 유형 간의 상호작용을 반영하였으며, 이는 교통 조건에 따라 비모터화차량의 차선 변경이 총 시스템 흐름을 향상시키거나 저해할 수 있음을 밝혀내었다. 최적의 흐름은 임계 전이점 근처에서 관찰되었다.

ABSTRACT

In this study, we provide a novel approach for modelling the mixed traffic flow. The basic idea is to integrate models for nonmotorized vehicles (nm-vehicles) with models for motorized vehicles (m-vehicles). Based on the idea, a model for mix traffic flow is realized in in the following two steps. At a first step, the models that can be integrated should be chosen. The famous NaSch cellular automata (NCA) model for m-vehicles and the Burgur cellular automata (BCA) model for nm-vehicles are used in this paper, since the two models are similar and comparable. At a second step, we should study coupling rules between m-vehicles and nm-vehicles to represent their interaction. Special lane changing rules are designed for the coupling process. The proposed model is named as the combined cellular automata (CCA) model. The model is applied to a typical mixed traffic scenario, where a bus stop without special stop bay is set on nonmotorized lanes. The simulation results show that the model can describe both the interaction between the flow of nm-vehicles and m-vehicles and their characters.

연구 동기 및 목표

• 모터화차량과 비모터화차량을 모두 포함하는 혼합 교통을 정확하게 표현할 수 있는 통합된 교통 흐름 모델을 개발하는 것.
• 기존 모델들이 차선 기반 모터화차량과 비차선 기반 비모터화차량의 상이한 행동을 포착하지 못하는 한계를 해결하는 것.
• 특히 차선 변경 행동을 포함한 차량 유형 간의 상호작용이 전체 교통 흐름 효율성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 개발도상국에서 흔한 도시 환경에서 이질적인 교통을 시뮬레이션하기 위한 계산적으로 실현 가능하고 확장 가능한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• CCA 모델은 모터화차량을 위한 NCA 사이트와 비모터화차량을 위한 BCA 사이트라는 두 가지 다른 사이트 유형을 사용하며, 각각 고유한 세포자기규칙에 따라 제어된다.
• 모터화차량에 대한 NaSch CA 모델과 비모터화차량에 대한 Burgers CA 모델을 통합함으로써, 이들의 유사한 이산 시간-공간 역학성과 규칙 기반 진화 특성을 활용한다.
• 비모터화차량과 모터화차량 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 특수 설계된 차선 변경 규칙를 도입하였으며, 특히 전용 차선이 없는 버스 정류장과 같은 상황을 대상으로 한다.
• 모델은 비모터화차량 차선에 위치한 버스 정류장을 포함하는 혼합 교통 시나리오에서 검증되었으며, 다양한 유입률 조건 하에서 흐름 역학을 분석하였다.
• 전체 시스템 성능을 정량화하기 위해 총 흐름 비율 $ R_q $ 가 도입되었으며, 이는 양차량 유형의 병합 처리량을 측정한다.
• 흐름 포화 및 자유 흐름 조건을 기반으로 사분면으로 분류된 4개 영역으로 나누어 $ (P^{nm}_e, P^m_e) $ 공간에 단계도를 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 통합된 세포자기모형이 차선 기반 모터화차량과 비차선 기반 비모터화차량의 공존을 효과적으로 표현할 수 있는가?
• RQ2 비모터화차량의 차선 변경 행동은 혼합 교통 시스템의 총 처리량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 교통 조건에서 비모터화차량의 차선 변경이 총 시스템 흐름을 향상시키거나 저해하는가?
• RQ4 혼합 교통에서 자유 흐름과 포화 흐름 간의 임계 전이점은 모터화차량과 비모터화차량에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• CCA 모델은 모터화차량과 비모터화차량이 각각 임계 유입률 $ P^{m}_{ec} $ 와 $ P^{nm}_{ec} $ 에서 자유 흐름에서 포화 흐름으로의 단계 전이를 성공적으로 포착하였다.
• 영역 II에서는 비모터화차량 흐름이 포화되어 있지만 모터화차량 흐름은 자유 흐름인 상황에서 총 흐름 비율 $ R_q $ 는 $ P^{m}_{e} $ 가 증가함에 따라 일정한 점까지 증가하다가 감소하며, 이는 $ II_1 $ 과 $ II_2 $ 의 경계 근처에 局부 최대값을 가짐을 시사한다.
• 영역 III에서는 모터화차량 흐름이 포화 상태에 도달하여 $ R_q $ 는 $ P^{nm}_{e} $ 가 증가함에 따라 일시적으로 감소하지만, 차선 변경 빈도가 감소하고 시스템 안정성이 향상되면서 결국 증가한다.
• 영역 IV에서는 양측 흐름이 모두 포화 상태에 도달하며, $ R_q $ 는 일정하게 유지되어 추가적인 유입 증가가 총 시스템 처리량 향상에 기여하지 않음을 나타낸다.
• 모델은 비모터화차량의 차선 변경 행동이 모터화차량 교통이 자유 흐름일 땐 총 시스템 흐름을 향상시키지만, 모터화차량 흐름이 포화 상태일 땐 해로운 영향을 미칠 수 있음을 드러냈다.
• CCA 모델은 특히 개발도상국에서 흔한 도시 환경에서 혼합 교통 시스템을 모델링하는 데 강력한 잠재력을 보였다.