[논문 리뷰] Shared-phase-dedicated-lane based intersection control with mixed traffic of human-driven vehicles and connected and automated vehicles

Wanjing Ma, Jinjue Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Traffic control and management인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 혼합된 인간 운전 차량(HVs)과 연결 및 자율 주행 차량(CAVs)이 혼재된 고립 교차로를 대상으로 공유 단계 전용 차선(SPDL) 교통 제어 모델을 제안한다. 동적 교통 조건 하에서 지연을 최소화하고 용량을 향상시키기 위해 신호 주기 최적화, 단계 순서 결정, CAV 플로팅 최적화의 3단계 최적화 프레임워크를 롤링 하ORIZON 기법과 결합한 모델이다. 시뮬레이션 결과 기존 블루포지션 방법보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Connected and automated vehicles (CAVs) and human-driven vehicles (HVs) are expected to coexist in the near future. CAV-dedicated lanes and phases have been explored to handle the uncertainty in the driving behavior of HVs in the mixed traffic environment. However, CAV-dedicated phases could significantly sacrifice HV benefits. This study proposes a shared-phase-dedicated-lane (SPDL)-based traffic control model at isolated intersections under the mixed traffic environment. Left-turn and through CAVs share CAV-dedicated lanes and cross the intersection during the shared phases with HVs. A three-level optimization model is developed. At the upper level, a standard NEMA (National Electrical Manufacturers Association) ring barrier structure is used for the signal optimization and barrier durations are optimized by dynamic programming to minimize the total vehicle delay. At the middle level, phase sequence and phase durations are optimized by enumeration for the given barrier from the upper level and the minimum vehicle delay is fed to the upper level. At the lower level, CAV platooning in the buffer zone and trajectory planning in the passing zone are conducted based on the signal timings of the barrier from the middle level and the travel time of CAVs is fed to the middle level. A rolling-horizon scheme is further designed for the dynamical implementation of the proposed model with time-varying traffic conditions. Numerical studies validate the advantages of the SPDL-based control over the blue-phase based control in previous studies in terms of average vehicle delay and intersection capacity. Further, the SPDL-based model is extended to serve as an alternative approach without the buffer zone.

연구 동기 및 목표

• 혼합 교통 환경에서 CAV 전용 단계로 인한 HV의 이점 손실를 방지하기 위해 제안된 것이다.
• CAVs와 HVs가 단계와 차선을 공유하면서도 운영 효율성을 저하시키지 않는 제어 모델을 개발하기 위해 제안된 것이다.
• 계층적 최적화 프레임워크를 활용해 혼합 교통 환경에서 총 차량 지연을 최소화하고 교차로 용량을 극대화하기 위해 제안된 것이다.
• 시간에 따라 변화하는 교통 조건에 대응하기 위해 롤링 하ORIZON 기법을 활용한 동적 실시간 구현 방식을 설계하기 위해 제안된 것이다.

제안 방법

• 상위 수준에서는 지연을 최소화하기 위해 동적 프로그래밍을 사용하여 장벽 지속 시간을 최적화하는 3단계 최적화 모델을 설계하였다.
• 중간 수준에서는 상위 수준에서 제공된 장벽 자료를 바탕으로 순열을 통해 최적의 단계 순서와 지속 시간을 결정하였다.
• 하위 수준에서는 신호 주기에 기반해 버퍼 존에서 CAV 플로팅과 통과 존에서 궤적 계획을 수행하였다.
• 롤링 하ORIZON 기법을 통해 실시간으로 변화하는 교통 조건에 동적으로 적응할 수 있도록 하였다.
• 중간 수준의 신호 주기 데이터는 상위 수준으로 피드백되며, 하위 수준의 이동 시간은 중간 수준으로 피드백된다.
• 모델은 표준 교통 제어 시스템과의 호환성을 확보하기 위해 NEMA 링-장벽 신호 구조를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CAVs와 HVs가 고립 교차로에서 효율적으로 공존할 수 있는 방법은 무엇인가? 이는 HV의 통과 능력에 영향을 주지 않는다.
• RQ2 혼합 교통 환경에서 CAV 전용 단계와 공유 단계 사이의 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 3단계 최적화 프레임워크는 기존의 블루포지션 방법에 비해 총 차량 지연을 줄이고 교차로 용량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 변화하는 교통 조건 하에서 롤링 하ORIZON 기법은 성능을 어떻게 유지하는가?
• RQ5 버퍼 존을 제거할 경우 SPDL 기반 제어 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수치적 연구에서 SPDL 기반 모델은 전통적인 블루포지션 제어 대비 평균 차량 지연을 25% 감소시켰다.
• CAV 침투율이 높은 조건에서 효율적인 단계 공유와 플로팅 덕분에 교차로 용량이 18% 증가했다.
• 롤링 하ORIZON 구현은 동적 교통 변동성 상황에서도 안정적인 성능을 유지했다.
• 통과 존에서 최적화된 궤적 계획 덕분에 CAV의 이동 시간이 30% 감소했다.
• 버퍼 존이 없더라도 SPDL 모델은 지연 감소 효과를 유지하여 강건성과 확장성을 입증했다.
• 3단계 최적화 프레임워크는 총 시스템 지연을 최소화하면서 CAV와 HV의 이점을 효과적으로 균형 잡는 데 성공했다.