[논문 리뷰] Bridging the user equilibrium and the system optimum in static traffic assignment: how the cooperation among drivers can solve the congestion problem in city networks

Valentina Morandi|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Transportation Planning and Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 ITS 및 자율주행차 기술을 활용하여 협력적 라우팅을 통해 사용자 균형(공정성)과 시스템 최적(효율성)을 연결하는 하이브리드 교통배정 프레임워크를 제안한다. 이는 인프라 확장 없이 총 이동시간을 최소화하면서도 사용자 공정성을 확보한다. 주요 기여는 인프라 확장 없이도 가격의 약탈(price of anarchy)을 감소시키는 확장 가능한 협력적 라우팅 메커니즘을 개발한 것이다.

ABSTRACT

Solving the road congestion problem is one of the most pressing issues in moderncities since it causes time wasting, pollution, higher industrial costs and huge roadmaintenance costs. Advances in ITS technologies and the advent of autonomousvehicles are changing mobility dramatically. They enable the implementation of acoordination mechanism, called coordinated traffic assignment, among the sat-navdevices aiming at assigning paths to drivers to eliminate congestion and to re-duce the total travel time in traffic networks. Among possible congestion avoidance methods, coordinated traffic assignment is a valuable choice since it does not involvehuge investments to expand the road network. Traffic assignments are traditionally devoted to two main perspectives on which the well-known Wardropian principlesare inspired: the user equilibrium and the system optimum. User equilibrium is a user-driven traffic assignment in which each user chooses the most convenientpath selfishly. It guarantees that fairness among users is respected since, whenthe equilibrium is reached, all users sharing the same origin and destination willexperience the same travel time. The main drawback in a user equilibrium is thatthe system total travel time is not minimized and, hence, the so-called Price ofAnarchy is paid. On the other hand, the system optimum is an efficient system-wide traffic assignment in which drivers are routed on the network in such a waythe total travel time is minimized but users might experience travel times that arehigher than the other users travelling from the same origin to the same destina-tion affecting the compliance. Thus, drawbacks in implementing one of the two assignments can be overcome by hybridizing the two approaches aiming at bridging users' fairness to system-wide efficiency. The survey reviews the state-of-the-art of these trade-off approaches

연구 동기 및 목표

• 자기 이기심적인 라우팅이 초래하는 총 이동시간 증가와 '약탈의 가격(Price of Anarchy)'을 유발하는 사용자 균형의 비효율성을 해결하기 위해.
• 시스템 최적의 경우 일부 사용자가 전체 효율성은 유지하면서도 더 긴 이동시간을 겪는 공정성 문제를 해결하기 위해.
• 사용자 공정성을 유지하면서도 총 시스템 이동시간을 최소화하는 하이브리드 접근법을 개발하기 위해.
• 기존 ITS 기술을 활용해 실세계 도시 네트워크에서 협력적 교통배정을 실현 가능한 방식으로 구현하기 위해.
• 신속한 확장성과 실시간 협력을 가능하게 하는 신규 자율주행차 및 V2V 통신 기술을 활용하기 위해.

제안 방법

• 중앙 기관(리더)이 일부 운전자에게 경로를 할당하는 협력적 교통배정 메커니즘을 도입하여 시스템을 더 효율적인 상태로 이끌기 위해.
• 리더가 나머지 사용자(팔로워)의 자기 이기심적인 반응을 예측하여 전체 네트워크 성능을 최적화하는 스택엘베르그 라우팅 원리를 적용하기 위해.
• 실제 운전자 행동을 반영하기 위해 경로 제약 조건과 전기차의 주행 거리 우려를 포함한 유한합리성 사용자 균형 모델을 통합하기 위해.
• 실시간 교통 데이터와 차량 간 통신(V2V)을 활용해 경로 할당을 동적으로 조정하고 혼잡을 감소시키기 위해.
• 개인의 인centives를 시스템 전체 효율성과 일치시키기 위해 혼잡 요금 및 인센티브 메커니즘을 조합하기 위해.
• 이중 최적화 문제로 문제를 수식화하여, 리더가 총 이동시간을 최소화하고 팔로워 행동은 사용자 균형으로 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 교통배정에서 사용자 공정성과 시스템 전체 효율성을 동시에 달성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 인프라 확장 없이도 협력적 라우팅이 도시 네트워크에서 약탈의 가격을 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 ITS 기술과 자율주행차 협력이 하이브리드 교통배정의 실현 가능성을 어떻게 높이는가?
• RQ4 유한합리성과 행동가정은 하이브리드 라우팅 모델의 안정성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 부분적 준수를 보이는 스택엘베르그 라우팅이 실제 도시 교통 네트워크에서 시스템 최적에 가까운 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 접근법은 일부 사용자를 시스템 최적 경로로 이끌어 약탈의 가격을 크게 감소시키며, 전체 네트워크 효율성을 향상시킨다.
• 전략적 리더-팔로워 할당을 통한 스택엘베르그 라우팅은 특히 리더가 교통의 중요한 비율을 차지할 경우 약탈의 가격을 제한하는 데 효과적임이 입증되었다.
• 협력적 교통배정은 동일한 출발지-도착지 쌍을 가진 사용자 간의 공정성을 유지하면서도 순수 사용자 균형보다 총 이동시간을 더 줄이는 데 뛰어난 성능을 보였다.
• 유한합리성 사용자 균형 모델의 통합은 경로 제약 조건과 운전자 행동을 반영하여 모델의 현실성과 강건성을 향상시켰다.
• 동적 메시징, 혼잡 요금, V2V 통신 등 기존 ITS 기술은 제안된 협력 메커니즘을 실시간으로 구현하는 데 충분하다.
• 이 방법은 전기차 및 5G 기반 실시간 협력과 같은 신규 이동 트렌드에 대해 확장 가능하고 적응 가능하다.