Analysis on variable speed limit (VSL) control system at fixed freeway bottlenecks

Abstract

교통 수요가 기하급수적으로 늘어남에 따라 혼잡 발생 또한 매우 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 혼잡 상황은 교통 시스템의 효율을 떨어뜨릴 뿐 아니라 교통 사고의 발생도 증가시켜 이를 해결하기 위해 많은 노력들이 이루어져왔다. 그 중 하나인 가변속도제어 시스템은 혼잡 상황 발생 시 유입교통량을 줄임으로써 이를 완화시키는 제어전략이다. 전 세계 곳곳에서 도입, 운영되고 있는 가변속도제어 시스템에 대한 평가는 상이한 것으로 알려져 있다. 가장 큰 이유로는 위치 기반 서비스로의 가변속도제어 시스템을 정확히 이해하지 못하고 이를 토대로 제어 전략을 수립하여 적용함으로써 시스템의 효과를 적절히 얻지 못하는 데 있다. 본 연구에서는 가변속도제어 시스템을 실제 고속도로 병목구간에 도입, 적용하기에 앞서 이론적으로 교통 흐름에 미치는 영향을 면밀히 분석하고 이를 기반으로 하여 효율성 및 안전도를 향상시키기 위한 제어 전략을 수립하고자 한다. 거시적 관점에서 충격파 이론을 기반으로 하여 가변속도제어 시스템이 병목구간에서의 혼잡 교통류에 미치는 영향을 분석하였다. 뿐만 아니라, 시스템을 도입하고 운영하는데 있어 고려해야 하는 제어 변수들에 따른 교통 흐름에 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 대기 행렬 분석을 통해 병목구간에서의 대기행렬로 인해 발생하는 지체시간을 이론적으로 도출하고 이를 최소화 하기 위한 가변속도제어 전략을 수립하였다. 결론적으로, 제한 속도 별로 최적의 가변속도제어 시작 시점을 도출하였으며, 제안한 전략을 통해 병목구간에서 발생하는 대기 행렬로 인한 지체를 최소화할 수 있는 것을 확인하였다. 교통 효율성뿐만 아니라 안전도 측면에서의 모델 예측(MPC) 기반 가변속도제어 전략을 수립하였다. 기존의 대표적인 교통류 모델인 CTM(Cell Transmission Model)을 가변속도제어 시스템 도입 시 교통흐름을 묘사할 수 있게 수정하여 고속도로 병목구간에서의 교통 역동성을 예측하였다. 이를 토대로 사고 발생 위험도를 구간별 속도 차이를 기반으로 평가하여 그 값을 최소화시킬 수 있는 가변속도제어 프레임워크를 제시하였다. 뿐만 아니라, 실제 도입 운영 시 가장 큰 제약 사항인 미래 교통 수요에 대한 불확실성을 보완하고자 K 근접 이웃 (k-nearest neighbor) 알고리즘을 토대로 이를 예측하는 모델을 개발하여 안전도 향상을 위한 가변속도제어 프레임워크와 결합하였다. 마지막으로 실제 고속도로 데이터를 이용하여 안전도와 효율성 측면에서 시스템의 효과를 정량적으로 산정, 검증하였다. 결론적으로, 미래 교통수요 예측 모델을 결합한 고도화된MPC 기반의 가변속도제어 운영 계획 가이드라인을 제시할 있었다. 거시적 관점에서의 이론적 분석을 통해 도출된 제어 전략을 효과를 미시적 교통 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 하지만 기존의 미시적 교통 시뮬레이션 알고리즘 및 상용 프로그램은 교통 흐름을 정확하게 묘사할 수 없기 때문에 새로운 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 NGSIM 데이터를 통해 검증하였으며, 이를 토대로 제어 전략에 대한 평가를 수행하였다. 제안한 가변속도제어 전략을 적용하여 시뮬레이션 한 결과, 병목구간에서 대기 행렬로 인한 지체 시간을 줄일 수 있었고 뿐만 아니라 교통 흐름 또한 원활해지는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 위치기반의 가변속도제어 시스템이 병목구간에서의 교통흐름에 미치는 영향을 이론적으로 분석하고 이를 토대로 교통 효율성을 증대시킬 수 있는 제어 전략을 도출하였다. 뿐만 아니라 안전도 측면에서 미래 교통 수요의 불확실성을 보완할 수 있는 MPC 기반의 가변속도제어 운영 프레임워크를 제시하였다. 제안한 전략의 효과를 새로운 미시적 교통 시뮬레이션 알고리즘 개발을 통해 검증하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 가변속도제어 전략은 실제 고속도로 병목구간에 도입 시 효율성 및 안전도를 향상시킬 수 있는 운영 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.