[논문 리뷰] Freeway Lane Management Approach in Mixed Traffic Environment with Connected Autonomous Vehicles

Omar Khadeer Hussain, Amir Ghiasi외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 09.

Traffic control and managementEngineering인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 혼합 교통 환경에서 연결형 자율 주행 차량(CAV)에 할당할 최적의 고속도로 차선 수를 결정하기 위한 분석적 관리 차선 모델을 제안한다. 중립, 보수적, 공격적인 세 가지 CAV 기술 시나리오를 사용하여, 더 공격적인 CAV 기술은 더 좁은 간격과 향상된 흐름 효율성으로 인해 전용 차선이 필요한 정도를 감소시킴을 보여주며, 수치적 결과는 CAV 침투율이 높아질수록 용량 향상이 뚜렷함을 입증한다.

ABSTRACT

Connected autonomous vehicles (CAV) technologies are about to be in the market in the near future. This requires transportation facilities ready to operate in a mixed traffic environment where a portion of vehicles are CAVs and the remaining are manual vehicles. Since CAVs are able to run with less spacing and headway compared with manual vehicles or mixed traffic, allocating a number of freeway lanes exclusive to CAVs may improve the overall performance of freeways. In this paper, we propose an analytical managed lane model to evaluate the freeway flow in mixed traffic and to determine the optimal number of lanes to be allocated to CAVs. The proposed model is investigated in two different operation environments: single-lane and managed lane environments. We further define three different CAV technology scenarios: neutral, conservative, and aggressive. In the single-lane problem, the influence of CAV penetration rates on mixed traffic capacity is examined in each scenario. In the managed lanes problem, we propose a method to determine the optimal number of dedicated lanes for CAVs under different settings. A number of numerical examples with different geometries and demand levels are investigated for all three scenarios. A sensitivity analysis on the penetration rates is conducted. The results show that more aggressive CAV technologies need less specific allocated lanes because they can follow the vehicles with less time and space headways.

연구 동기 및 목표

• 혼합 교통 환경에서 연결형 자율 주행 차량(CAV)이 포함된 고속도로 흐름 성능을 평가하기 위한 분석 모델을 개발하는 것.
• 다양한 CAV 침투율과 기술 수준에서 CAV에 할당할 최적의 관리 차선 수를 결정하는 것.
• 중립, 보수적, 공격적인 세 가지 CAV 기술 시나리오가 고속도로 용량과 차선 효율성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다양한 교통 수요 및 지형 조건 하에서 단일 차선 및 관리 차선 구성 방식의 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 저자는 혼합 교통 환경에서 차량 추종 다이내믹스와 차선 변경 행동을 통합한 분석적 관리 차선 모델을 개발한다.
• 세 가지 CAV 기술 시나리오를 정의한다: 중립(기준), 보수적(소규모 간격), 공격적(최소 간격 및 헤드웨이).
• 모델은 시간 및 공간 간격 파rameter를 사용하여 CAV 플로트의 효율성과 전체 고속도로 용량에 미치는 영향을 정량화한다.
• 각 시나리오 하에서 성능을 시뮬레이션하기 위해 다양한 고속도로 지형과 수요 수준에서 수치적 예제를 수행한다.
• CAV 침투율에 대한 민감도 분 析을 수행하여 그 영향이 용량과 최적 차선 할당에 미치는 영향을 평가한다.
• 단일 차선 및 관리 차선 구성 방식을 비교하여 전용 CAV 차선의 최적 수를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 침투율과 CAV 기술 수준에서 CAV에 할당할 최적의 관리 차선 수는 얼마인가?
• RQ2 CAV의 포함 여부가 혼합 교통 환경에서 전체 고속도로 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중립, 보수적, 공격적인 세 가지 CAV 기술 시나리오가 차선 이용률과 흐름 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 교통 수요 하에서 단일 차선 및 관리 차선 고속도로 구성 방식 간의 성능 차이는 무엇인가?
• RQ5 최적 차선 할당은 CAV 침투율의 변화에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 더 공격적인 CAV 기술은 시간 및 공간 간격이 크게 감소하여 플로트 효율성이 향상되어 전용 차선이 필요한 수가 줄어든다.
• 고속도로 침투율이 높을수록 관리 차선 구성이 단일 차선 구성보다 성능이 뛰어나며, 특히 공격적인 기술 시나리오에서 두드러진다.
• 중립 CAV 시나리오는 최적 성능를 달성하기 위해 가장 많은 전용 차선이 필요하지만, 공격적 시나리오는 적은 차선으로도 유사한 용량을 달성한다.
• 민감도 분 析는 보수적 및 중립 시나리오에서 차선 할당이 CAV 침투율 변화에 가장 민감하며, 높은 침투율에 이르면 수익 감소 효과가 나타남을 확인한다.
• 수치적 결과는 공격적인 CAV 기술 하에서는 단일 전용 차선만으로도 전용 차선이 없는 경우에 비해 처리 능력이 크게 향상됨을 보여준다.
• 모델은 최적 차선 할당이 특정 CAV 기술 수준에 매우 의존하며, 공격적 시스템은 단위 차선당 더 높은 용량 향상을 가능하게 함을 입증한다.