[논문 리뷰] Measuring Impact of Adaptive and Cooperative Adaptive Cruise Control on Throughput of Signalized Intersections

Armin Askari, Daniel Albarnaz Farias외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 28.

Traffic control and management참고 문헌 5인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 세 가지 차량 따라가기 모델(Gipps, Helly, 개선된 지능형 운전자 모델(IIDM))을 사용하여 적응형 크루즈 컨트롤(ACC)과 협동형 ACC(CACC)이 신호등 제어 교차로의 통과 능력에 어떻게 기여하는지 평가한다. IIDM 모델은 현실적인 가속도 및 감속 행동을 보이며 가장 적합한 것으로 밝혀졌고, CACC는 막힘 발생 교차로에서 차량이 병렬으로 운행할 경우에만 통과 능력을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

To properly assess the impact of (cooperative) adaptive cruise control ACC (CACC), one has to model vehicle dynamics. First of all, one has to choose the car following model, as it determines the vehicle flow as vehicles accelerate from standstill or decelerate because of the obstacle ahead. The other factor significantly affecting the intersection throughput is the maximal vehicle acceleration rate. In this paper, we analyze three car following behaviors: Gipps model, Improved Intelligent Driver Model (IIDM) and Helly model. Gipps model exhibits rather aggressive acceleration behavior. If used for the intersection throughput estimation, this model would lead to overly optimistic results. Helly model is convenient to analyze due to its linear nature, but its deceleration behavior in the presence of obstacles ahead is unrealistically abrupt. Showing the most realistic acceleration and deceleration behavior of the three models, IIDM is suited for ACC/CACC impact evaluation better than the other two. We discuss the influence of the maximal vehicle acceleration rate and presence of different portions of ACC/CACC vehicles on intersection throughput in the context of the three car following models. The analysis is done for two cases: (1) free road downstream of the intersection; and (2) red light at some distance downstream of the intersection. Finally, we introduce the platoon model and evaluate ACC and CACC with platooning in terms of travel time ad network throughput using SUMO simulation of the 4-mile stretch of Colorado Boulevard / Huntington Drive arterial with 13 signalized intersections in Arcadia, Southern California.

연구 동기 및 목표

• 실제 차량 운동 모델을 사용하여 ACC와 CACC가 도심 교차로의 통과 능력에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Gipps, Helly, IIDM의 세 가지 차량 따라가기 모델이 교차로 용량과 이동 시간을 추정하는 데 어떻게 다른지 비교하는 것.
• ACC와 CACC의 차량 침투율 및 병렬 운행 행동이 교통 흐름과 대기 동역학에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 대기 시간 단축 효과를 극대화하면서 후속 막힘을 유발하지 않는 병렬 운행 최적 조건을 특정하는 것.
• 북네스티스, 메릴랜드 주에 위치한 실제 도시 네트워크에서 SUMO 시뮬레이션을 활용한 실증적 검증 제공

제안 방법

• Gipps, Helly, 개선된 지능형 운전자 모델(IIDM)을 사용해 차량 운동을 모델링하는 것.
• 자신의 도로 조건과 신호등이 뒤이어 있는 조건에서 신호등 제어 교차로의 교통 흐름을 시뮬레이션하는 것.
• 최대 차량 가속도 비율과 ACC/CACC 침투율이 교차로 통과 능력에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 협동된 차량 운행을 통해 이동 시간 단축 효과를 평가하기 위해 병렬 운행 모델을 도입하는 것.
• 7개 교차로로 구성된 도시 네트워크에서 SUMO 시뮬레이션을 수행하여 특정 구간에서 병렬 운행 유무에 따른 이동 시간을 비교하는 것.
• 신호 주기 조절 및 차량 도착 함수를 적용해 다양한 교통 구성과 병렬 운행 규칙 하에서 성능을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gipps, Helly, IIDM의 다양한 차량 따라가기 모델이 ACC 및 CACC 조건에서 교차로 통과 능력 추정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 ACC 및 CACC 침투율을 높일 경우 교차로 통과 능력과 이동 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 교통 조건에서 병렬 운행이 이동 시간을 크게 단축시키며, 언제 새로운 막힘을 유발하는가?
• RQ4 차량 순서—대기열의 앞부분에 집중된 경우 vs. 뒤섞여 있는 경우—는 ACC 및 CACC 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 조건에서 교차로에서의 병렬 운행이 네트워크 성능 향상 또는 악화를 초래하는가?

주요 결과

• Gipps 모델은 과도하게 공격적인 가속도로 인해 이론적 평형 유량 한계를 초과하는 과도한 통과 능력 추정치를 산출한다.
• Helly 모델은 현실적으로 부자연스럽게 급격한 감속을 유도하여 운전자의 편안함과 안전성 평가에 부적합하다.
• IIDM 모델은 가속도 및 감속 행동의 가장 현실적인 균형을 제공하여 ACC/CACC 영향 평가에 가장 적합한 선택이다.
• CACC 차량은 병렬 운행 그룹으로 구성되어야만 통과 능력 향상 효과를 크게 얻을 수 있으며, CACC 차량과 일반 차량이 뒤섞여 있을 경우 순수 ACC와 유사한 성능을 보인다.
• CACC 침투율이 75%일 경우 병렬 운행 그룹이 더 자주 형성되고 크기가 커지지만, 이는 후속 교차로에서 과포화를 유도하여 상류의 시간 절감 효과를 상쇄한다.
• 비막힘 교차로(예: AP3319 및 AP3299)에서 병렬 운행을 허용해도 이동 시간 절감 효과가 없으며, 횡단 보행자 통행을 차단할 수 있어 병렬 운행은 막힘 발생 교차로에 국한되어야 한다는 것이 확인되었다.