고속도로 진입램프와 본선 간의 통합 동적 미터링 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

램프 미터링 효과는 실시간 교통상황에 따라 램프에서 본선으로 진입하는 교통량을 어떻게 조절하느냐에 달려 있다. 본 논문에서는 기존 미터링기법을 검토하고 램프 미터링은 교통혼잡 시 필요하므로 검지기 수집 데이터 등을 분석하여 교통혼잡시 실시간 교통상황을 잘 구현할 수 있는 램프 미터링율 산정방법과 운영기법을 제시하였다. 그리고 많은 본선 교통량에 비해 상대적으로 적은 램프 교통량에 대한 미터링 만으로는 합류구간의 정체를 해소하기에 충분하지 못한 경우가 많다. 따라서 본 논문에서는 램프 미터링과 많은 본선 교통량을 제어할 수 있는 본선 미터링을 통합하여 고속도로 합류구간의 정체 현상을 완화하고 합류구간의 정체가 본선 미터링 지점으로 이전되지 않도록 본선 교통량을 효율적으로 처리할 수 있는 통합 동적 미터링기법을 제시하였다. 이를 위해 고속도로 검지기로 수집된 교통량, 속도, 점유율 데이터를 분석하여 혼잡 교통류 특성을 잘 반영해 주는 전‧후 시간대 속도 차이를 이용한 미터링률 산정 방법을 제시하고 램프 미터링과 본선 미터링 통합 제어관리 알고리즘을 개발하였다. 검지기 데이터 분석 결과에 의하면 속도 80kph까지는 교통량이 증가하 더라도 소통 원활 상태로 정상 교통류 상태가 유지되지만 80kph 이하에서 혼잡이 시작되어 70kph 이하에서는 급격하게 속도가 저하되어 교통류 가 와해상태에 도달하고 정체 상태에서 소통 원활 상태로 회복되는 데에는 더 많은 시간이 걸리게 된다. 이러한 특성을 반영하여 본 논문에서는 합류구간 속도가 80kph 이하로 떨어지면 램프 미터링이 시작되도록 하고 램프 미터링이 시행된 이후에도 혼잡이 계속되어 속도가 70kph 이하로 떨어지게 되면 교통혼잡이 급속도로 확산되는 것을 막기 위하여 램프 미 터링과 함께 합류구간 상류부에 본선 미터링을 시행되도록 하였다. 특히 본선 미터링 지점으로 합류구간의 정체가 이전되는 것을 예방하 기 위하여 본선 미터링 지점의 통행속도가 80kph 이상으로 소통상태가 원활할 때만 본선 미터링이 시행되도록 하였다. 시뮬레이션 결과 통합 미터링 시행으로 미터링 미시행시보다 본선 미터링 지점의 평균 통행속도는 1.05% - 12.48% 감소하였지만 84.98kph - 88.84kph로 소통 원활 상태의 정상 교통류 속도를 유지하면서 교통량은 오히려 근소하게 증가하였다. 합류구간에서는 점유율을 3.65% - 15.04% 감소시켜 속도는 5.05% - 26.71%로 크게 증가하였고 통과 교통량도 1.96% - 3.9%가 증가하여 network 전체 이용 차량의 평균 통행속도는 11.89% - 15.14%가 증가하였다. 안전 측면 효과를 살펴보면 상충 건수는 후방추돌은 15.97% - 41.68% 가 줄어들고 측면 추돌은 51.53% - 53.68%로 더 크게 줄어들었을 뿐만 아니라 사고 위험도가 클수록 상충 건수가 크게 줄어들어 사고 발생 가능 성 및 위험도도 작아지는 것으로 나타나 교통흐름이 보다 더 원활해지고 안정화되는 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 제시한 통합 미터링을 정체가 발생하는 합류구간 등에 적용 시 본선 미터링 시행구간의 속도는 감소되지만 정상 교통류 상 태를 유지하면서 통과 교통량은 증가하게 되어 본선 교통흐름을 크게 저해하지 않는 것으로 나타났다. 그리고 합류구간의 교통흐름을 크게 개선 하면서 Network 전체에서의도 개선되고 상충 위험도 크게 감소되어 고속도로 상의 교통류의 소통 개선과 안정화에 기여가 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The effectiveness of ramp metering depends on how it manages the traffic volume entering the mainline from the ramp based on real-time traffic conditions. The thesis reviewed existing metering techniques and analyzed data collected from detectors, as ramp metering is essential during congestion. Based on this analysis, a ramp metering rate calculation method and operational techniques that effectively represent real-time traffic conditions during congestion are proposed. Ramp metering only the relatively small volume of ramp traffic compared to the large volume of mainline traffic is often insufficient to alleviate congestion at merging sections. Therefore, the thesis proposes a dynamic integrated metering technique that integrates ramp metering with mainline metering, which controls high mainline traffic volume. This technique efficiently manages mainline traffic volume and prevents congestion at merging sections from being transferred to mainline metering points. To achieve this, analyzed traffic volume, speed, and occupancy data collected by highway detectors. In this resarch proposed a metering rate calculation method that utilizes speed differences before and after congestion to accurately reflect congestion characteristics. Then an integrated control and management algorithm for ramp and mainline metering are developed. Analysis of detector data shows that traffic flow remains smooth and normal up to 80 kph(kilometer per hour) even when traffic volume increases. However, congestion begins below 80 kph, and below 70 kph, speeds drop sharply, leading to a breakdown in traffic flow. It takes longer for traffic to recover from congestion to smooth flow. Reflecting these characteristics, the thesis proposes ramp metering when the merging speed falls below 80 kph. If congestion persists after ramp metering is implemented and speeds drop below 70 kph, mainline metering is implemented upstream of the merging section to prevent rapid congestion. To prevent congestion from spreading to the mainline metering point, mainline metering is implemented only when the speed at the mainline metering point is above 80 kph and traffic flow is smooth. Simulation results show that with the implementation of integrated metering, speeds at mainline metering points decreased by 1.05-12.48% compared to when metering was not implemented, but traffic volume actually increased slightly while maintaining the normal traffic speed of 84.98 kph to 88.84 kph. At merging sections, the occupancy rate decreased by 3.65% to 15.04%, significantly increasing speeds by 5.05-26.71% and increasing throughput by 1.96-3.9%, resulting in an average travel speed increase of 11.89%-15.14% for all vehicles using the network. In terms of safety, the number of conflicts decreased significantly: rear-end collisions decreased by 15.97-41.68%, and side-end collisions decreased by 51.53-53.68%. Furthermore, the higher the risk of accidents, the greater the decrease in conflicts, reducing the likelihood and risk of accidents. This indicates a smoother and more stable traffic flow. Consequently, when the integrated metering system proposed in the thesis is applied to congested merging sections, speeds on the mainline metered sections are reduced. However, normal traffic flow is maintained while throughput increases, minimizing any significant disruption to mainline traffic flow. Furthermore, by significantly improving traffic flow on merging sections, the system is expected to significantly improve network-wide traffic flow and reduce conflict risks, contributing to improved and more stable traffic flow on highways.