[논문 리뷰] Modelling and Traffic Signal Control of Heterogeneous Traffic Systems

Yicheng Zhang, Rong Su외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 10.

Traffic control and management참고 문헌 13인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 신호 제어 및 비신호 제어 교차로를 포함하는 이질적인 도시 교통 시스템을 위한 새로운 혼합정수프로그래밍 모델을 제안한다. 비신호 제어 교차로에는 간격 수용 모델을, 신호 제어에는 라그랑주 승수 기반 계층적 분산 최적화 기법을 적용한다. 주요 발견은 고도 또는 중간 수준의 교통량에서만 신호 제어가 지연을 줄이며, 저도착률 조건에서는 불필요한 신호 제어가 지연을 증가시킨다는 점으로, 이는 비용 효율적인 교차로 제어 계획 수립에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신호 제어 및 비신호 제어 교차로를 포함하는 이질적 도시 교통 시스템을 모델링하기.
• 혼합 교통 네트워크 전반의 지연을 최소화하는 신호 제어 전략 개발하기.
• 신호 제어가 성능 향상에 기여하는지 또는 불필요한 지연을 유발하는지에 따라 교통 조건을 규명하기.
• 비용 효율성을 극대화하기 위해 어느 교차로를 신호 제어로 전환할지 결정하는 체계적 계획 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 제어 가능 및 비제어 가능한 유량 성분을 사용하여 신호 제어 교차로의 유량 동역학을 기술하는 새로운 동적 모델 개발.
• 비신호 제어 교차로의 경우, 선도 원칙에 기반한 간격 수용 모델을 사용하여 차량의 진행 상황을 추정.
• 전체 네트워크 지연을 최소화하기 위해 혼합정수프로그래밍(MILP) 문제로 제어 문제를 수립.
• MILP 문제를 효율적으로 해결하기 위해 라그랑주 승수 기반 계층적 분산 최적화 기법 적용.
• 4x4 격자 및 싱가포르 주루앙 웨스트 실세계 교통 네트워크에서 VISSIM 시뮬레이션을 통해 모델 검증.
• MATLAB과 Gurobi를 사용하여 제어기 구현, 실시간 신호 최적화를 위해 COM을 통한 VISSIM 인터페이스 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 교통 시스템에서 교차로의 신호 제어가 전체 네트워크 지연을 줄이는 조건은 언제인가?
• RQ2 다양한 교통량 조건에서 완전히 신호 제어된 네트워크와 부분적 또는 완전히 비제어 네트워크의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ3 간격 수용 모델을 통해 비신호 제어 교차로를 모델링할 경우, 전체 시스템의 지연과 유량 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 교통량과 지연 감소 기반으로 최적의 교차로를 식별할 수 있는 체계적 계획 접근법을 개발할 수 있는가?
• RQ5 제안된 MILP 기반의 신호 제어 전략은 고정시간 또는 전통적인 조율 제어 방법보다 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 저도착률 조건(사례 1)에서는 모든 유량이 간격 수용 임계값 이하이므로, 비신호 제어 교차로를 통과하는 차량이 방해 없이 통과하므로 네트워크 지연이 0초이다.
• 저도착률 시나리오에서 신호 제어가 적용된 경우(사례 2), 신호 유도 큐잉으로 인해 지연이 4,860초로 증가하여, 필요하지 않은 경우에 신호 제어가 성능을 악화시킬 수 있음을 보여준다.
• 중간 수준의 도착률 조건(사례 5)에서는 신호 제어로 인한 지연 감소가 미미하여 중간 수준의 유량에서는 유의미한 이점이 없음을 나타낸다.
• 고도의 도착률 조건(사례 9)에서는 전체 지연이 13,200초로 감소하여, 비제어 시스템 대비 뚜렷한 개선을 보여준다.
• 부분적으로 제어된 네트워크(9개의 신호 제어 교차로)는 고도의 도착률 조건에서 완전히 제어된 시스템(사례 8 대비 사례 9)보다 성능이 뛰어나, 과도한 장비 설치가 지연을 증가시킬 수 있음을 시사한다.
• 싱가포르 주루앙 웨스트에서의 시뮬레이션 결과는 신호 제어가 혼잡도가 높을 때 가장 효과적임을 확인하였으며, 이는 모델의 실세계 적용 가능성을 검증한다.