보행자와 시내버스를 고려한 강화학습 기반의 교차로 신호 최적화 = Optimization of Traffic Lights at an Intersection Based on Reinforcement Learning Considering Pedestrians and City Bus

국문 초록 (Abstract)

차량의 증가로 인한 도심에서의 교통체증 문제는 이동시간의 증가와 에너 지 낭비를 가져오며 전체적인 도시물류의 효율성을 떨어뜨리는 결과를 가져 오게 되는데, 이러한 문제는 차량, 도로, 수요 등 다양한 요인들이 결합되어 있다. 이들 중에서 교차로의 신호체계도 중요한 요인으로 여겨지고 있다. 도심 교차로의 신호체계는 교통 흐름을 제어하는 역할을 할 수 있다. 신 호의 주기와 순서가 차량의 이동과 흐름을 바꿀 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 교차로의 신호를 최적화하는 연구가 많이 수행되어져 왔는데, 주로 차량이 많이 기다리지 않도록 신호등의 최적 시간을 찾는 연구들이다. 이러 한 연구들은 차량의 흐름을 원활하게 조절하여 교통체증을 줄이는 결과를 가져오게 된다. 하지만 차량의 흐름과 함께 교차로의 신호는 보행자의 흐름 에도 영향을 주고 차량 중에서 대중교통인 버스의 흐름에도 영향을 준다. 따라서 교차로의 신호체계는 차량뿐만 아니라 여러 이해관계자와 관련이 되 어 있다. 따라서 교차로의 신호체계와 관련된 연구는 이해관계자를 고려한 연 구도 필요하다고 볼 수 있다. 본 연구는 도심 교차로의 신호 체계를 신호와 관련된 이해관계자인 보행 자와 대중교통 차량인 시내버스를 고려한 문제를 동적으로 모형화하고 최적 해를 찾는 해법과 전략을 제시하고자 한다. 차량의 흐름은 도로와 시간에 따 라 달라지기 때문에 일정한 신호 체계와 정적인 제어는 최적해가 되기 어렵 다. 이러한 문제를 위해서 도로와 시간에 따라 다르게 적용할 수 있게 하는 것이 필요하며 실제 교차로의 상황에 맞게 문제가 모형화 되어야 하며, 이를 위해 강화학습 기반의 모형을 사용하였으며, 이해관계자의 다양한 상황을 고 려한 모형을 제시한다. 실제 상황에 맞는 모형을 위해 도심의 교차로에서 발생하는 실제 데이터 를 이용하였으며, 이해관계자들을 고려하기 위해 공공데이터와 함께 수작업 으로 데이터를 수집하여 문제의 모형에 적용하였다. 또한 보행자가 신호등을 빨리 건너기 위해 신호를 요청하는 보행자 푸시버튼을 가정한 경우도 고려 하여 다양한 상황에서의 신호 체계 최적 모형과 해를 제시하고자 하였다. 출퇴근 시간처럼 교통이 혼잡한 시간대와 출퇴근 시간이 아닌 비교적 교 통이 혼잡하지 않은 비혼잡 시간대가 도로의 상황이 다르기 때문에 두 시간 대를 나누어 모형을 개발하였다. 본 연구에서 제안한 차량과 이해관계자를 고려한 신호 최적화 모형으로 작동 방식과 교통 구성 요소의 서로 다른 행 동 특성 반영 정도에 따라 고정식 신호 최적화 모형과 평균 대기시간 기반 모형, 보행 완료시간 고려 모형, 잔여 보행자 고려 모형, 보행자 푸시버튼 기 반 모형, 시내버스를 고려한 모형을 설계하였으며 차량과 보행자의 통행량과 대기시간을 기준으로 현재 사용되고 있는 교차로의 신호체계와 결과를 비교 하고 분석하였다. 모형들의 해를 분석해보면, 혼잡 시간대에서는 차량 통행량이 집중되는 교 통 환경의 특성상 차량 흐름을 중심으로 신호 시간을 배분하는 고정식 신호 최적화 모형과 평균 대기시간 기반 모형에서 상대적으로 높은 지연시간 개 선 효과가 나타났다. 반면 비혼잡 시간대에서는 보행자의 횡단 특성을 반영 한 잔여 보행자 고려 모형과 보행자 푸시버튼 기반 모형에서 우수한 성능이 확인되었다. 또한 버스 우선순위 기반 신호 제어 전략은 혼잡 시간대와 비혼 잡 시간대 모두에서 신호 대기 시간을 완화하는 동시에 교차로 전체 지연시 간을 감소시키는 효과를 보였다. 본 연구는 도심 교차로 신호에 대한 최적제어 전략을 찾는 문제를 다루었 고, 신호와 관련된 차량과 보행자 및 시내버스의 이해관계자 관점에서의 최 적 교차로 신호체계를 구하는 모형과 해법을 제안하였다. 교통상황이 출퇴근 시간과 아닌 시간대가 상이하기 때문에 혼잡시간대와 비혼잡시간대로 구분 하여 모형을 개발하고 이해관계자가 고려된 모형들을 비교하여 이해관계자 별로 적합한 신호체계를 찾을 수 있도록 하였다. 문제는 실제 교차로에서의 차량과 보행자의 데이터를 수집하여 모형에 적용해서 현실문제에 더욱 적합 한 모형과 해를 제안할 수 있다고 볼 수 있다. 논문에서 제시한 모형과 최적 정책은 도심에서 교통체증과 함께 보행자의 통행과 시내버스의 통행에 최적 인 교차로 신호체계를 설계하고 구현할 수 있는 기초자료를 제공할 수 있다. 또한 도심에서의 스마트물류와 스마트시티에 적용할 수 있는 코어 알고리즘 으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차· ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 국 문 요 약 ⅴ
• Ⅰ. 서 론· 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 개요 및 구성 3
• Ⅱ. 선행 연구 조사 5
• 2.1 차량을 고려한 신호 최적화 5
• 2.2 차량과 보행자를 고려한 신호 최적화 7
• 2.3 보행자 푸시버튼을 고려한 신호 최적화 8
• 2.4 시내버스 수요를 고려한 신호 최적화 9
• 2.5 본 연구의 차별점 10
• Ⅲ. 신호 최적화 모형 12
• 3.1 문제 정의 12
• 3.2 데이터 구성 및 전처리 14
• 3.2.1 차량 데이터 14
• 3.2.2 보행자 데이터 17
• 3.2.3 보행자 푸시버튼 데이터 19
• 3.2.4 시내버스 데이터 22
• 3.3 차량과 보행자를 고려한 신호 최적화 모형 23
• 3.3.1 고정식 신호 모형 24
• 3.3.2 평균 대기시간 기반 모형 27
• 3.3.3 보행 완료시간 고려 모형 30
• 3.3.4 잔여 보행자 고려 모형 32
• 3.3.5 보행자 푸시버튼 기반 모형· 33
• 3.4 차량과 시내버스를 고려한 신호 최적화 모형· 36
• Ⅳ. 실험 결과 38
• 4.1 기존 신호 체계 38
• 4.2 제안 신호 체계 40
• 4.2.1 차량과 보행자를 고려한 신호 체계 40
• 4.2.2 차량과 시내버스를 고려한 신호 체계· 49
• 4.3 신호 체계 효과 분석 51
• 4.3.1 차량과 보행자를 고려한 신호 최적화 모형의 효과 분석 51
• 4.3.2 차량과 시내버스를 고려한 신호 최적화 모형의 효과 분석 53
• Ⅴ. 결 론 55
• 참 고 문 헌 58
• ABSTRACT 61