[논문 리뷰] On the Interaction between Autonomous Mobility-on-Demand and Public Transportation Systems

Mauro Salazar, Federico Rossi외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 30.

Transportation and Mobility Innovations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사회적 복지를 극대화하기 위해 자율주행 차량과 대중교통을 조율하는 상호운반 자율 이동 서비스(I-AMoD) 시스템을 위한 네트워크 흐름 모델을 제안한다. 가격 정책과 통행료 부과 메커니즘을 통합함으로써, 이는 이기적인 에이전트가 사회 최적 상태로 이르게 하여 이동 시간, 배출가스, 비용을 감소시킨다. 특히 혼잡 상황에서 효과적이며, 뉴욕 시티 사례 연구에서 I-AMoD는 고립된 AMoD 시스템에 비해 배출가스를 약 30% 감소시키고 통행료는 200% 증가시켰다.

ABSTRACT

In this paper we study models and coordination policies for intermodal Autonomous Mobility-on-Demand (AMoD), wherein a fleet of self-driving vehicles provides on-demand mobility jointly with public transit. Specifically, we first present a network flow model for intermodal AMoD, where we capture the coupling between AMoD and public transit and the goal is to maximize social welfare. Second, leveraging such a model, we design a pricing and tolling scheme that allows to achieve the social optimum under the assumption of a perfect market with selfish agents. Finally, we present a real-world case study for New York City. Our results show that the coordination between AMoD fleets and public transit can yield significant benefits compared to an AMoD system operating in isolation.

연구 동기 및 목표

• 도시 이동 효율성을 향상시키기 위해 자율이동서비스(AMoD) 플릿과 대중교통 시스템 간의 상호작용을 모델링하는 것.
• 완벽한 시장 조건 하에서 개인 에이전트 행동을 사회 최적 상태와 일치시키기 위한 가격 및 통행료 체계를 설계하는 것.
• 고립된 AMoD 시스템에 비해 상호운반 조율이 이동 시간, 배출가스, 운영 비용 감소에 미치는 양적 이점을 정량화하는 것.
• 뉴욕 시티를 사례 연구로 삼아 실제 도시 환경에서 I-AMoD 모델의 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 도시 인프라 기반의 방향 그래프에서 AMoD 차량, 대중교통, 보행자 네트워크 간의 결합을 기반으로 한 다중 품목 네트워크 흐름 모델을 수립한다.
• 외부성 내재화와 사회 최적 경로 채택 유도를 위한 가격 및 통행료 메커니즘을 도입한다.
• 자기 이기적인 에이전트 행동 하에서 제안된 가격 체계가 사회 최적 상태를 달성함을 보여주기 위해 변분부등식 수식을 사용한다.
• 실제 도로 및 대중교통 네트워크 데이터를 활용해 맨해튼 지역에 대한 실제 사례 연구를 적용하여 다양한 혼잡 수준에서의 성능을 시뮬레이션한다.
• 총 시스템 비용을 최소화하기 위해 혼합정수선형계획법(MILP) 수식을 사용해 최적의 통행료와 경로 배정을 계산한다.
• 공공 대중교통 수용 능력을 0으로 설정하여 고립된 AMoD 시스템과 비교함으로써 상호운반 조율의 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 도시 환경에서 AMoD 플릿을 대중교통과 최적화하여 사회적 복지를 극대화할 수 있는가?
• RQ2 상호운반 이동 시스템에서 이기적인 에이전트가 전체 시스템의 사회 최적 상태로 이끌어내기 위한 가격 및 통행료 체계는 무엇인가?
• RQ3 혼잡 상황에서 상호운반 조율이 이동 시간, 배출가스, 비용 감소에 기여하는 양적 이점은 무엇인가?
• RQ4 특히 고도의 도로 이용 상황에서 I-AMoD 시스템의 최적 통행료는 고립된 AMoD 시스템의 것과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 단독 AMoD 운영에 비해 상호운반 조율은 차량 주행 거리와 배출가스를 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 고도의 혼잡 상황에서 I-AMoD 시스템은 효율적인 경로 설정과 수단 공유 덕분에 고립된 AMoD 시스템 대비 평균 이동 시간을 40% 이상 감소시킨다.
• 도로 용량 제약 상황에서 I-AMoD 시스템은 고립된 AMoD 시스템 대비 이산화탄소 배출량을 약 30% 감소시킨다.
• I-AMoD 시스템의 최적 도로 통행료는 고립된 AMoD 시스템 대비 약 200% 낮으며, 후자의 평균 부과 요금은 거의 6달러에 이른다.
• 고도의 도로 이용 상황에서 I-AMoD 시스템은 금전적 비용과 이동 시간을 각각 40% 이상 감소시켜 AMoD와 대중교통 간 강력한 상호보완성을 입증한다.
• 가격 체계는 이기적인 에이전트가 사회 최적 경로를 선택하도록 성공적으로 이끌었으며, 완벽한 시장 가정 하에서 이론적으로 사회 최적 상태로 수렴한다는 점을 입증한다.
• 완전한 도로 포화 상태에서도 보행자 및 대중교통 수단 사용 덕분에 I-AMoD 시스템은 타당성과 효율성을 유지하지만, 고립된 AMoD 시스템은 모든 요청을 처리하지 못하는 것으로 나타났다.