KR101563424B1 - 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템 - Google Patents

대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101563424B1
KR101563424B1 KR1020140047429A KR20140047429A KR101563424B1 KR 101563424 B1 KR101563424 B1 KR 101563424B1 KR 1020140047429 A KR1020140047429 A KR 1020140047429A KR 20140047429 A KR20140047429 A KR 20140047429A KR 101563424 B1 KR101563424 B1 KR 101563424B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
link
traffic
vehicle
queue
signal
Prior art date
Application number
KR1020140047429A
Other languages
English (en)
Inventor
장인권
장기태
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020140047429A priority Critical patent/KR101563424B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101563424B1 publication Critical patent/KR101563424B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/07—Controlling traffic signals
    • G08G1/08—Controlling traffic signals according to detected number or speed of vehicles
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/09—Arrangements for giving variable traffic instructions
    • G08G1/095—Traffic lights

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템이 제시된다.
대기 행렬 증가 균등화 방법은 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인하는 단계; 상기 도로의 각 링크에 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산하는 단계; 및 각각의 상기 링크에서 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당하는 단계를 포함한다.

Description

대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템{Method and System of Queue Growth Equalization}
본 발명은 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 교통 네트워크상에서 대기 행렬 증가율이 각 링크에 적절히 균형을 이루도록 하여 교통 체증에 대한 위험을 최소화시킬 수 있는 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도심 지역은 급속한 경제 성장과 인구 증가로 인하여 차량의 증가에 따른 교통 체증이 심각한 문제를 야기하고 있다. 이에 따라, 교통정체와 그로 인한 대기오염, 물류비용 상승, 각종 교통사고 및 대중교통의 비활성화 등 제반 교통문제를 해결하기 위하여 보다 새롭고 진보된 교통신호제어 시스템이 절실히 요구되고 있다.
교통신호를 어떻게 제어하느냐에 따라 교통환경이 크게 좌우되므로, 최적의 신호운영은 교통환경을 결정하는데 결정적인 영향을 미친다. 따라서, 보다 효율적으로 교통신호를 제어하기 위하여 교통신호의 제어방법에 대하여 많은 연구가 행하여 지고 있다.
종래의 교통신호 제어방식에는 정주기방식(Fixed-time mode), 시간제어방식(TOD mode), 교통대응방식(Auto mode), 교통감응방식(Actuated mode) 등이 있으나, 현실적인 교통 상황을 반영하지 못하여 여전히 교통 정체 등의 문제가 발생되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 각 링크의 용량과 교통 수요 간의 차이를 최소화하여 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당함으로써, 교통 네트워크상에서 대기 행렬 증가율이 각 링크에 적절히 균형을 이루도록 하여 교통 체증에 대한 위험을 최소화시킬 수 있는 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 대기 행렬 증가 균등화 방법은 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인하는 단계; 상기 도로의 각 링크에 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산하는 단계; 및 각각의 상기 링크에서 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당하는 단계를 포함한다.
상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는 각각의 상기 링크에서 상기 차량의 유입과 유출에 따른 상기 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하는 단계; 및
상기 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 기초로 상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는 하기 식으로 표현할 수 있으며,
Figure 112014037705517-pat00001
여기서,
Figure 112014037705517-pat00002
는 링크이며,
Figure 112014037705517-pat00003
는 움직이는 방향 (좌회전은 1, 직진은 2, 그리고 우회전은 3)을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00004
는 총 교통 수요에 대한
Figure 112014037705517-pat00005
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00006
방향으로 가는 비율을 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00007
는
Figure 112014037705517-pat00008
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00009
방향으로 할당된 차선(lane)의 수를 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00010
은
Figure 112014037705517-pat00011
번째 링크로 들어오는 차들의 유입량(inflow rate) (차량/시간)을 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00012
는
Figure 112014037705517-pat00013
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00014
방향으로 가는 차선(lane)당 유출량(outflow rate) (차량/시간/차선(lane))을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00015
는
Figure 112014037705517-pat00016
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00017
방향에 대한 신호 상태(signal phase)의 신호시간 비율의 합 (0≤
Figure 112014037705517-pat00018
≤1)을 나타낼 수 있다.
상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는 하기 식을 조건으로 하며,
Figure 112014037705517-pat00019
여기서,
Figure 112014037705517-pat00020
은
Figure 112014037705517-pat00021
번째 교차로에서 총 신호주기에 대한 m번째 신호상태의 시간 비를 나타내며, c는
Figure 112014037705517-pat00022
번째 교차로에서 신호상태의 수를 나타낼 수 있다.
상기
Figure 112014037705517-pat00023
와 상기
Figure 112014037705517-pat00024
를 변화시켜 각 상기 링크에서의 상기 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)을 제어할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 대기 행렬 증가 균등화 시스템은교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인하는 측정부; 상기 도로의 각 링크에 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산하는 산정부; 및 각 상기 링크에서의 차량 유입과 유출이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당하는 신호 제어부를 포함한다.
상기 산정부는 상기 교통 신호 최적화를 계산하기 위해 하기 식을 이용하며,
Figure 112014037705517-pat00025
여기서,
Figure 112014037705517-pat00026
는 링크이며,
Figure 112014037705517-pat00027
는 움직이는 방향 (좌회전은 1, 직진은 2, 그리고 우회전은 3)을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00028
는 총 교통 수요에 대한
Figure 112014037705517-pat00029
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00030
방향으로 가는 비율을 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00031
는
Figure 112014037705517-pat00032
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00033
방향으로 할당된 차선(lane)의 수를 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00034
은
Figure 112014037705517-pat00035
번째 링크로 들어오는 차들의 유입량(inflow rate) (차량/시간)을 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00036
는
Figure 112014037705517-pat00037
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00038
방향으로 가는 차선(lane)당 유출량(outflow rate) (차량/시간/차선(lane))을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00039
는
Figure 112014037705517-pat00040
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00041
방향에 대한 신호 상태(signal phase)의 신호시간 비율의 합 (0≤
Figure 112014037705517-pat00042
≤1)을 나타낼 수 있다.
상기 교통 신호 최적화는 하기 식을 조건으로 하며,
Figure 112014037705517-pat00043
여기서,
Figure 112014037705517-pat00044
은
Figure 112014037705517-pat00045
번째 교차로에서 총 신호주기에 대한 m번째 신호상태의 시간 비를 나타내며, c는
Figure 112014037705517-pat00046
번째 교차로에서 신호상태의 수를 나타낼 수 있다.
상기
Figure 112014037705517-pat00047
와 상기
Figure 112014037705517-pat00048
를 변화시켜 각 상기 링크에서의 상기 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 각 링크의 용량과 교통 수요 간의 차이를 최소화하여 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당함으로써, 교통 네트워크상에서 대기 행렬 증가율이 각 링크에 적절히 균형을 이루도록 하여 교통 체증에 대한 위험을 최소화시킬 수 있는 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화(queue growth equalization; QGE)의 이용 여부에 따라 교통 혼잡의 비교를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션을 위한 교통 네트워크를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 네트워크에서 대기 행렬이 스필 오버하는(spill over) 시간을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 QGE와 T-7F의 성능차이를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 QGE와 T-7F의 성능차이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시뮬레이션을 위한 교통 네트워크를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체 네트워크에서 대기 행렬이 스필 오버하는(spill over) 시간을 나타내는 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화 시스템을 나타낸 도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
교통량이 과포화 된 상태에서는 하류 링크(link)에서 발생한 대기 행렬(교통 정체로 인한 차들의 정체 행렬)이 인접한 상류 링크의 통행량을 저하시킬 수 있다. 여기서, 링크는 도로 등을 의미하며, 차량은 상류 링크에서 하류 링크로 이동하는 것으로 가정한다. 따라서, 대기 행렬이 신호 사이클 내에서 완전히 소멸되지 않기 때문에 교통 체증을 피하기 위해 각각 의 교차점에 대기 행렬 증가율을 관리하는 것이 중요하다. 만약, 각 링크의 용량(Capacity)과 교통 수요 간의 차이를 최소화하기 위해 최적화된 그린 타임(Green time)이 교통 신호 시스템에 할당된다면, 교통 네트워크상에서 대기 행렬 증가율이 각 링크에 적절히 밸런스를 이루는 것이 가능할 것이고, 이로 인해 교통체증에 대한 위험을 최소화시킬 수 있다. 여기서, 그린 타임은 일련의 신호가 모두 청색이 되어 차량 등의 흐름이 원활한 시간을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 단계(110)에서, 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인할 수 있다. 여기서, 도로의 상태는 링크와 노드를 파악하며, 각 링크의 차선의 수 등 다양한 도로의 상황 및 상태를 의미할 수 있다. 교통량이 과포화 된 상태에서는 하류 링크(link)에서 발생한 대기 행렬(교통 정체로 인한 차들의 정체 행렬)이 인접한 상류 링크의 통행량을 저하시킬 수 있으므로, 각각의 링크의 용량과 교통 수요를 확인하여 차이를 최소화하는 것이 바람직하다.
단계(120)에서, 각각의 상기 링크에서 상기 차량의 유입과 유출에 따른 상기 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화할 수 있으며, 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 기초로 상기 교통 신호 최적화를 계산할 수 있다.
대기 행렬 증가의 정도를 정량화하는 것은 대기 행렬 증가 균등화(queue growth equalization; QGE) 방법을 이용할 수 있으며, 대기 행렬 증가 균등화를 이용하여 정량적 측정을 위해 교통 네트워크를 링크(link)와 노드(node)로 구성할 수 있다. 이 때, 링크(link)는 도로 등을 의미하며, 노드(node)는 교차로 등을 의미할 수 있다. 각각의 노드는 2-상태(phase), 3-상태(phase) 또는 4-상태(phase) 운영시스템과 같은 방향성을 주는 교통신호에 의해 운영될 수 있다.
이에 따라, 효과의 측정(Measure of Effectiveness; MOE)은 주어진 교통 네트워크에서 대기 행렬 증가의 정도를 하기 식과 같이 정량화하여 나타낼 수 있다.
Figure 112014037705517-pat00049
여기서,
Figure 112014037705517-pat00050
는 링크 (도로)이며,
Figure 112014037705517-pat00051
는 움직이는 방향 (좌회전은 1, 직진은 2, 그리고 우회전은 3)을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00052
는 총 교통 수요에 대한
Figure 112014037705517-pat00053
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00054
방향으로 가는 비율을 나타내며, li,j 는
Figure 112014037705517-pat00055
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00056
방향으로 할당된 차선(lane)의 수를 나타낸다. 그리고,
Figure 112014037705517-pat00057
은
Figure 112014037705517-pat00058
번째 링크로 들어오는 차들의 유입량(inflow rate) (차량(vehicles)/시간(hour))을 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00059
는
Figure 112014037705517-pat00060
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00061
방향으로 가는 차선(lane)당 유출량(outflow rate) (차량(vehicles)/시간(hour)/차선(lane))을 나타내고,
Figure 112014037705517-pat00062
는
Figure 112014037705517-pat00063
번째 링크에서
Figure 112014037705517-pat00064
방향에 대한 신호 상태(signal phase)의 신호시간 비율의 합 (0 ≤
Figure 112014037705517-pat00065
≤ 1)을 나타낼 수 있다.
이 때, 신호 상태는 한 주기 중에서 신호 표시가 변하지 않는 일정한 시간 구간을 나타낼 수 있다.
[수학식 1]에서
Figure 112014037705517-pat00066
번째 링크에서의 유입(inflow)과 유출(outflow)은
Figure 112014037705517-pat00067
와
Figure 112014037705517-pat00068
를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 교통 류의 보존법칙을 이용하여,
Figure 112014037705517-pat00069
는
Figure 112014037705517-pat00070
번째 링크에서의 유입량(inflow rate)을 다음 식과 같이 표현할 수 있다. 또한,
Figure 112014037705517-pat00071
는 인접한 링크들로부터
Figure 112014037705517-pat00072
번째 링크에 유출량(outflow rate)의 함수로 가정할 수 있다.
Figure 112014037705517-pat00073
대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여 교통 신호 최적화에 대한 더 구체적인 설명은 아래에서 하기로 한다.
단계(130)에서, 각각의 상기 링크에서 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)이 조절되도록, 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당함으로써, 차량의 대기 행렬은 균등화를 이룰 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화(queue growth equalization; QGE)의 이용 여부에 따라 교통 혼잡의 비교를 나타낸 도이다.
도 2의 (a)는 대기 행렬 증가 균등화를 이용하지 않고 대기 행렬 증가의 정도를 나타낸 도이며, (b)는 대기 행렬 균등화를 이용하여 대기 행렬 증가의 정도를 나타낸 도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 대기 행렬 증가 균등화를 이용함으로써, 대기 행렬이 점차 균등하게 전환될 수 있다. 더 상세하게는, 각 네트워크에서 [수학식 1]을 이용하여 최소화시킨 최적화된 교통신호들이 결정됨으로써, 교통정체가 국부지역에서 발생되는 상황에서도 각 네트워크에 대기 행렬이 균등하도록(smoother) 전환시킬 수 있다. 이에 따라, 차량이 교통 네트워크에서 점차 균일하게(gradually and uniformly) 통행하도록 도와줄 수 있으며, 교통정체를 지연시킬 수 있다. 그 결과, 총 유출은 더 긴 시간 동안 높게 유지될 수 있다.
앞에서 설명한 새로운 효과의 측정(Measure of Effectiveness; MOE)을 사용해서 교통 신호 최적화를 하기 식과 같이 공식화하여 표현할 수 있다.
Figure 112014037705517-pat00074
여기서,
Figure 112014037705517-pat00075
은
Figure 112014037705517-pat00076
번째 교차로에서 총 신호주기에 대한 m번째 신호상태의 시간 비를 나타내며,
Figure 112014037705517-pat00077
은
Figure 112014037705517-pat00078
번째 교차로에서 모든 신호상태의 비의 합이 1이 되는 것을 의미한다.
그리고, [수학식 3]에서 설계변수는
Figure 112014037705517-pat00079
번째 교차로에서 신호상태 비율,
Figure 112014037705517-pat00080
을 나타내므로,
Figure 112014037705517-pat00081
는 다음 식과 같이
Figure 112014037705517-pat00082
의 선형함수로 표현할 수 있다.
Figure 112014037705517-pat00083
여기서, c는
Figure 112014037705517-pat00084
번째 교차로에서 신호상태의 수를 나타낼 수 있다.
또한, [수학식 2]와 [수학식 4]의 설계변수
Figure 112014037705517-pat00085
에 대한 목표함수와 제한조건함수의 민감도를 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014037705517-pat00086
[수학식 5]에서, 도로(link)와 교차로(node)가 서로 연결되어지지 않는다면,
Figure 112014037705517-pat00087
는 0이 되기 때문에 식을 계산하는데 있어서 효율성을 이끌 수 있다.
결국, 교통 네트워크에 전반적으로 균형화된 대기 행렬 증가를 공급하기 위해서 [수학식 5]로부터 얻은 민감도를 이용하여, [수학식 3]에서 각 신호상태에 대한 최적화된 값들을 찾을 수 있다.
교통신호 최적화의 성능을 입증하기 위해 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션을 위한 교통 네트워크를 나타낸 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션에서 사용되는 교통 네트워크는 9개의 교차로와 48개의 도로로 구성될 수 있다. 그리고, 각 도로는 일정한 용량(Capacity)을 가지는 1개의 레인이 있으며, 그 길이는 1km로 가정할 수 있다. 또한, 각 교차로에서는 차량이 들어오고 나가는 도로가 각각 4개씩 존재하도록 할 수 있다. 또한, 차량이 나가는 도로에서는 좌회전, 직진, 우회전 3개의 가능한 이동(movement)이 있을 수 있다. 그리고, 네트워크상에 오른쪽 3개, 위쪽 3개 총 6개의 도로에 수요(demand)를 부여할 수 있다. 주어진 수요(demand) 상황에서 교통신호 최적화와 기존의 신호 최적화 패키지 TRANSYT-7F(ver. 8.2)을 이용해서 교통신호시간은 최적화 되며, 최적화된 시간을 각각 CORSIM(교통 시뮬레이션 소프트웨어)에 입력 데이터(input data)로 넣고 교통시스템의 효율성을 평가하여 두 알고리즘을 비교할 수 있다.
제안된 알고리즘의 성능을 입증하기 위해 3가지 시나리오를 설계할 수 있다.
시나리오 1은 아무런 제한이 없는 상황으로, 알고리즘이 기존의 최적 교통신호 시간을 결정할 수 있는지 여부를 검사하는 것이다. 그리고, 시나리오 2는 6번째 교차로의 나가는 도로에서 용량을 제한하여 하나의 병목 현상을 만든 상황이다. 마지막으로, 시나리오 3은 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 도로의 용량을 줄여, 수요(demand) 패턴이 균일하지 않고 다방향성을 가지는 복잡한 경우를 평가하도록 할 수 있다.
(시나리오 1)
병목 현상이 발생하지 않는 균일한 수요와 단방향성(uni-directional)의 흐름을 나타낸 것으로, 방향의 전환(turning)없이 위에서 아래로, 우에서 좌로만 주행하며 1000vph의 균일한 흐름이 네트워크 수요(demand)로 설계하고 각 도로의 용량은 2000vph로 설정할 수 있다. 이러한 상황에서는 각 교차로에 위에서 아래, 우에서 좌에 대해 동일한 신호시간을 할당함으로써, 네트워크에서 대기 행렬이 발생하지 않도록 할 수 있다.
따라서, QGE와 T-7F를 사용하여 교통신호 시간을 최적화하고, 위에서 아래로, 우에서 좌로 각각에 정확히 절반의 신호시간이 결정된다. 이러한, 교통 시스템 상황에서는 신호의 한 주기(single cycle) 이내에 각 교차로의 차량들이 모두 지날 수 있기 때문에 교통 지연은 다음 초록(청색) 불을 기다리는 차량처럼 교차로에서만 발생할 것이다.
(시나리오 2)
하나의 병목 현상이 발생하는 균일한 수요와 단방향성의 흐름을 나타낸 것으로, 하나의 도로의 용량을 줄여 하나의 병목 현상을 부과한 상황이고, 나머지 모든 입력(input)은 시나리오 1과 동일하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 6번 교차로의 나가는 도로에서 용량을 줄여 4번, 5번 교차로에 대기 행렬이 전파될 수 있다. 수평 방향으로 스필 오버(spill over)되는 대기 행렬은 교차로에서 위에서 아래로의 교통흐름에게도 영향을 주고, 수직 방향으로 상류층에 대기 행렬이 발생하기 시작할 것이다. 그 결과, 네트워크에 퍼진 정체 현상은 유출(outflow)을 감소시키며, 결국 지연시간은 증가시킬 수 있다.
CORSIM을 이용한 시뮬레이션을 통해 얻은 전체 평균 유출(outflow)은 QGE가 4610vph, T-7F가 3790vph로 QGE가 더 월등한 성능을 가진 알고리즘이라는 것을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 네트워크에서 대기 행렬이 스필 오버하는(spill over) 시간을 나타내는 도이다.
도 4를 참조하면, 적색 선은 스필 오버(spill over) 링크를 나타내고, 적색 선 위의 숫자는 스필 오버된 경과시간을 나타낸다. 또한, 도 4의 (b)를 참조하면 T-7F을 이용한 신호시스템은 윗부분의 모든 들어오는 방향의(inward-bound) 도로들이 대기 행렬이 넘쳐 적색 선인 것을 알 수 있고, 이에 따라 도로들의 유입(inflow)이 제한될 수 있다. QGE를 이용한 신호체계에서는 6번째 교차로 가까이에 대기 행렬이 천천히 증가하고 그로 인해 스필 오버 경과시간이 지연될 수 있다. 이는, T-7F와 달리 QGE는 상류 링크에서 6번 교차로로의 유입(inflow)을 유지(holding)함으로써, 전체 네트워크 대기 행렬 증가를 균형화할 수 있도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 QGE와 T-7F의 성능차이를 나타낸 도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 네트워크 전반적인 대기 행렬의 진화(evolution)를 검사하기 위해서 표준 누적량(normalized accumulation)을 계산하고, 경과시간 1000초, 2000초, 그리고 3000초에 대해 네트워크 상황을 나타낼 수 있다. 선의 색상은 표준 누적량의 크기와 일치하고 색상이 짙어질수록 표준 누적량이 큰 것을 나타낸다.
QGE에 의한 신호체계에서는 대기 행렬이 병목 현상이 일어나는 6번 교차로로부터 멀리 떨어진 도로에서 점차적으로 정체현상이 일어나는 것을 알 수 있다. 이로 인해, 교통 네트워크에서 발생하는 대기 행렬들이 넓게 분포되어 대기 행렬의 과포화 현상을 지연시킬 수 있다. 한편, T-7F에 의한 신호체계에서는 시간이 지날수록 병목 현상이 일어나는 곳의 상류 부근에 수평 방향으로 대기 행렬이 일어날 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 QGE와 T-7F의 성능차이를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도 5의 QGE와 T-7F의 성능차이를 더 세부적으로 검사하기 위해 2개의 도로에서 (4번째 교차로와 5번째 교차로 사이의 도로와 5번째 교차로와 6번째 교차로 사이의 도로) 시간에 대한 누적량의 그래프로 나타낼 수 있다. T-7F에서는 2개의 도로에서의 누적량이 순차적으로(sequentially) 발생할 수 있다. 여기서, 하류에 해당하는 5번과 6번 사이의 도로에서 발생하는 대기 행렬 스필 오버가 상류에 해당하는 4번과 5번 사이의 도로에서도 비슷하게 발생한다는 것을 말하다. 이와 대조적으로, QGE 신호체계에서는 2개의 도로에서 거의 동시에 정체 현상이 발생하기 시작하다. 이는, 상류에 해당하는 4번과 5번 사이의 도로에서 T-7F와는 반대로 점진적으로 차량이 축적되어지기 때문이다. 또한, 상류도로에서 대기 행렬을 점진적으로 증가시켜서 결국에 하류에 발생하는 스필 오버가 지연되게 된다. 이러한 메커니즘은 2개의 도로에서 대기 행렬 증가를 균형화할 수 있고, 결과적으로 전체 교통 네트워크에의 총 유출(outflow)은 더 긴 시간 동안 높은 상태로 유지될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시뮬레이션을 위한 교통 네트워크를 나타낸 도이다.
(시나리오 3)
다중 병목 현상이 발생하는 균일한 수요와 다?향성의 흐름으로, 병목 지점을 하나 더 추가하여 9번째 교차로의 나가는 영역(outward-bound) 도로의 용량을 줄일 수 있다. 그리고, 현실과 유사하게 수요(demand) 패턴을 더 복잡하게 하기 위해서 각 도로에서 단방향성(uni-directional)이 아닌 다방향성(multi-directional)을 할당할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체 네트워크에서 대기 행렬이 스필 오버하는(spill over) 시간을 나타내는 도이다.
시나리오 2와 동일하게, 도 7과 도 8을 이용하여 시뮬레이션 결과를 설명하는 부분이고, 결과적으로 T-7F보다 QGE의 성능이 더 효과적인 것을 알 수 있다.
[표 1]은 QGE와 T-7F를 3가지 시나리오에 대한 성능을 비교한 것을 나타낸다.
Figure 112014037705517-pat00088
시나리오 1은 QGE가 올바른 신호체계를 갖췄는지 알기 위해 시뮬레이션을 실행하고 기존의 알고리즘인 T-7F와 동일함을 보여서 그것을 입증할 수 있다. 그리고, 시나리오 2에서는 하나의 병목 현상을 추가하여 QGE가 T-7F보다 더 우월한 성능임을 입증할 수 있다. 마지막으로, 시나리오 3은 현실과 유사하도록 2개의 병목 현상과 다방향성을 추가하여 다시 한번 QGE가 더 효율적인 알고리즘임을 보일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 행렬 증가 균등화 시스템을 나타낸 도이다.
도 9를 참조하면, 대기 행렬 증가 균등화 시스템은 측정부(210), 산정부(220), 그리고 신호 제어부(230)를 포함할 수 있다.
측정부(210)는 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인할 수 있다. 여기서, 도로의 상태는 링크와 노드를 파악하며, 각 링크의 차선의 수 등 다양한 도로의 상황 및 상태를 의미할 수 있다. 교통량이 과포화 된 상태에서는 하류 링크(link)에서 발생한 대기 행렬(교통 정체로 인한 차들의 정체 행렬)이 인접한 상류 링크의 통행량을 저하시킬 수 있으므로, 각각의 링크의 용량과 교통 수요를 확인하여 차이를 최소화하는 것이 바람직하다.
산정부(220)는 각각의 링크에서 상기 차량의 유입과 유출에 따른 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산할 수 있다. 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하는 것은 대기 행렬 증가 균등화(queue growth equalization; QGE) 방법을 이용할 수 있으며, 대기 행렬 증가 균등화를 이용하여 정량적 측정을 위해 교통 네트워크를 링크(link)와 노드(node)로 구성할 수 있다. 이 때, 링크(link)는 도로 등을 의미하며, 노드(node)는 교차로 등을 의미할 수 있다. 각각의 노드는 2-상태(phase), 3-상태(phase) 또는 4-상태(phase) 운영시스템과 같은 방향성을 주는 교통신호에 의해 운영될 수 있다.
교통 신호 최적화를 공식화 한 것은 앞에서 언급하였으므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
신호 제어부(230)는 각 상기 링크에서의 차량 유입과 유출이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당할 수 있다. 이에 따라, 교통 네트워크상에서 대기 행렬 증가율이 각 링크에 적절히 균형을 이루도록 하여, 교통 체증에 대한 위험을 최소화시킬 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인하는 단계;
    상기 도로의 각 링크에 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산하는 단계; 및
    각각의 상기 링크에서 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당하는 단계를 포함하고,
    상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는
    하기 식으로 표현할 수 있으며,
    Figure 112015088697154-pat00146

    여기서,
    Figure 112015088697154-pat00147
    는 링크이며,
    Figure 112015088697154-pat00148
    는 움직이는 방향 (좌회전은 1, 직진은 2, 그리고 우회전은 3)을 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00149
    는 총 교통 수요에 대한
    Figure 112015088697154-pat00150
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00151
    방향으로 가는 비율을 나타내며,
    Figure 112015088697154-pat00152
    는
    Figure 112015088697154-pat00153
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00154
    방향으로 할당된 차선(lane)의 수를 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00155
    은
    Figure 112015088697154-pat00156
    번째 링크로 들어오는 차들의 유입량(inflow rate) (차량/시간)을 나타내며,
    Figure 112015088697154-pat00157
    는
    Figure 112015088697154-pat00158
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00159
    방향으로 가는 차선(lane)당 유출량(outflow rate) (차량/시간/차선(lane))을 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00160
    는
    Figure 112015088697154-pat00161
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00162
    방향에 대한 신호 상태(signal phase)의 신호시간 비율의 합 (0≤
    Figure 112015088697154-pat00163
    ≤1)을 나타내는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는
    각각의 상기 링크에서 상기 차량의 유입과 유출에 따른 상기 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하는 단계; 및
    상기 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 기초로 상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교통 신호 최적화를 계산하는 단계는
    하기 식을 조건으로 하며,
    Figure 112015088697154-pat00107

    여기서,
    Figure 112015088697154-pat00108
    은
    Figure 112015088697154-pat00109
    번째 교차로에서 총 신호주기에 대한 m번째 신호상태의 시간 비를 나타내며,
    c는
    Figure 112015088697154-pat00110
    번째 교차로에서 신호상태의 수를 나타내는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기
    Figure 112015088697154-pat00111
    와 상기
    Figure 112015088697154-pat00112
    를 변화시켜 각 상기 링크에서의 상기 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)을 제어할 수 있는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 방법.
  6. 삭제
  7. 교통 네트워크에서 교통 수요와 도로의 상태를 확인하는 측정부;
    상기 도로의 각 링크에 차량의 대기 행렬 증가의 정도를 정량화하여, 교통 신호 최적화를 계산하는 산정부; 및
    각 상기 링크에서의 차량 유입과 유출이 조절되도록, 최적화된 그린 타임(Green time)을 교통 신호 시스템에 할당하는 신호 제어부를 포함하고,
    상기 산정부는
    상기 교통 신호 최적화를 계산하기 위해 하기 식을 이용하며,
    Figure 112015088697154-pat00113

    여기서,
    Figure 112015088697154-pat00114
    는 링크이며,
    Figure 112015088697154-pat00115
    는 움직이는 방향 (좌회전은 1, 직진은 2, 그리고 우회전은 3)을 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00116
    는 총 교통 수요에 대한
    Figure 112015088697154-pat00117
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00118
    방향으로 가는 비율을 나타내며,
    Figure 112015088697154-pat00119
    는
    Figure 112015088697154-pat00120
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00121
    방향으로 할당된 차선(lane)의 수를 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00122
    은
    Figure 112015088697154-pat00123
    번째 링크로 들어오는 차들의 유입량(inflow rate) (차량/시간)을 나타내며,
    Figure 112015088697154-pat00124
    는
    Figure 112015088697154-pat00125
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00126
    방향으로 가는 차선(lane)당 유출량(outflow rate) (차량/시간/차선(lane))을 나타내고,
    Figure 112015088697154-pat00127
    는
    Figure 112015088697154-pat00128
    번째 링크에서
    Figure 112015088697154-pat00129
    방향에 대한 신호 상태(signal phase)의 신호시간 비율의 합 (0 ≤
    Figure 112015088697154-pat00130
    ≤ 1)을 나타내는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 교통 신호 최적화는
    하기 식을 조건으로 하며,
    Figure 112014037705517-pat00131

    여기서,
    Figure 112014037705517-pat00132
    은
    Figure 112014037705517-pat00133
    번째 교차로에서 총 신호주기에 대한 m번째 신호상태의 시간 비를 나타내며,
    c는
    Figure 112014037705517-pat00134
    번째 교차로에서 신호상태의 수를 나타내는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기
    Figure 112014037705517-pat00135
    와 상기
    Figure 112014037705517-pat00136
    를 변화시켜 각 상기 링크에서의 상기 차량의 유입(inflow)과 유출(outflow)을 제어할 수 있는 것
    을 특징으로 하는 대기 행렬 증가 균등화 시스템.
KR1020140047429A 2014-04-21 2014-04-21 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템 KR101563424B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140047429A KR101563424B1 (ko) 2014-04-21 2014-04-21 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140047429A KR101563424B1 (ko) 2014-04-21 2014-04-21 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101563424B1 true KR101563424B1 (ko) 2015-10-27

Family

ID=54428633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140047429A KR101563424B1 (ko) 2014-04-21 2014-04-21 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101563424B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102602021B1 (ko) * 2022-12-16 2023-11-14 주식회사 핀텔 교차로의 신호체계에 대한 평가지표를 산출하고 비교하는 방법 및 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001134893A (ja) 1999-11-05 2001-05-18 Sumitomo Electric Ind Ltd 交通信号制御装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001134893A (ja) 1999-11-05 2001-05-18 Sumitomo Electric Ind Ltd 交通信号制御装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김홍진외 2명. 과포화 시 대기행렬길이 균형화를 통한 교통신호제어 전략수립. 한국 ITS학회 논문지. 2003.09.12., 제2권, 제2호, pp.13-22.*

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102602021B1 (ko) * 2022-12-16 2023-11-14 주식회사 핀텔 교차로의 신호체계에 대한 평가지표를 산출하고 비교하는 방법 및 시스템
WO2024128724A1 (ko) * 2022-12-16 2024-06-20 주식회사 핀텔 교차로의 신호체계에 대한 평가지표를 산출하고 비교하는 방법 및 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sharon et al. Real-time adaptive tolling scheme for optimized social welfare in traffic networks
Himpe et al. An efficient iterative link transmission model
Rey et al. Blue phase: Optimal network traffic control for legacy and autonomous vehicles
Jayakrishnan et al. An evaluation tool for advanced traffic information and management systems in urban networks
Lo A novel traffic signal control formulation
US8543964B2 (en) Constraint optimization of sub-net level routing in asic design
Fu et al. Delay variability at signalized intersections
Zhong et al. Stochastic cell transmission model for traffic network with demand and supply uncertainties
US20140375475A1 (en) Traffic signal control method and traffic signal controller
Hao et al. Model based urban traffic control, part I: Local model and local model predictive controllers
Wada et al. An optimization modeling of coordinated traffic signal control based on the variational theory and its stochastic extension
Roshandeh et al. New methodology for intersection signal timing optimization to simultaneously minimize vehicle and pedestrian delays
Liu et al. An integrated control model for freeway corridor under nonrecurrent congestion
Ma et al. Coordinated optimization of signal timings for intersection approach with presignals
JP2009003699A (ja) 交通信号制御装置、及び交通信号制御方法
Smith et al. Traffic control which maximises network throughput: Some simple examples
Zheng et al. Measuring networkwide traffic delay in schedule optimization for work-zone planning in urban networks
Yu et al. Person-based optimization of signal timing: Accounting for flexible cycle lengths and uncertain transit vehicle arrival times
KR101563424B1 (ko) 대기 행렬 증가 균등화 방법 및 시스템
Gunarathna et al. Real-time lane configuration with coordinated reinforcement learning
CN102693213B (zh) 应用于片上网络的系统级传输延时模型的建立方法
JP6820498B2 (ja) 信号制御装置並びに信号制御方法及びそれに用いるプログラム
Ma et al. A method of signal timing optimization for spillover dissipation in urban street networks
JP7033716B2 (ja) 信号制御装置および信号制御方法
Corthout et al. Marginal dynamic network loading for large-scale simulation-based applications

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181002

Year of fee payment: 4