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KR101333498B1 - 독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 알고리즘 - Google Patents

독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 알고리즘 Download PDF

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KR101333498B1
KR101333498B1 KR1020120092731A KR20120092731A KR101333498B1 KR 101333498 B1 KR101333498 B1 KR 101333498B1 KR 1020120092731 A KR1020120092731 A KR 1020120092731A KR 20120092731 A KR20120092731 A KR 20120092731A KR 101333498 B1 KR101333498 B1 KR 101333498B1
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KR
South Korea
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intersection
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Application number
KR1020120092731A
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Inventor
김영찬
정영제
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선검지체계에서 얻어지는 개별차량 통행시간 정보를 이용하여 실시간 신호제어가 가능한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 교차로에 진입하는 개별차량의 ID와 검지시각 정보를 수집할 수 있는 검지체계를 적용하여 개별차량의 구간통행시간 정보를 수집하며, 개별차량 통행시간 정보로부터 도착교통류율, 지체, 적색시간 변화에 따른 지체 변화량을 산정하여 교통흐름을 원활하게 하기 위한 실시간 신호제어를 하는 것이 목적이다.

Description

독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 알고리즘 {TRAFFIC SIGNAL CONTROL ALGORITHM ON ISOLATED INTERSECTION BASED ON TARVEL TIME}
본 발명은 독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선검지체계에서 얻어지는 개별차량 통행시간 정보를 이용하여 실시간 신호제어가 가능한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 건설교통부 및 한국건설교통기술평가관리원의 R&D 정책인프라 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 11TRPI-C057493-01, 과제명: 차세대 무선통신 신호제어시스템 기술 사업화].
일반적으로 도로상의 교차로에 설치된 교통신호등들을 제어하는 교통신호 제어 시스템은, 각 도로의 교차로 부근에 이 교차로의 교통신호등을 제어하는 로컬(현장) 교통 신호 제어기가 있고, 필요에 따라서 원격지에서 이러한 로컬 교통 신호 제어기들을 제어하는 중앙 통제 시스템을 설치하는 방식으로 구성되어 있다.
그런데, 이러한 교통신호 제어 시스템은, 하루를 시간대별(예를들면, 출근시간대(오전7시-10시), 주간시간대(오전10시- 오후 5시), 퇴근시간대(오후5시-8시), 야간시간대(오후8시- 다음날 오전 7시)) 별로 나누어서, 각 시간대별의 교통 상황을 고려하여, 각 로컬 교통 신호 제어기의 각 방향의 시간 간격 데이터와 인접 로컬 신호 제어기와의 연동값 데이터를 결정하여, 각 로컬 교통 신호 제어기에 이 데이터들을 입력하여 동일 시간대에서는 동일한 방식으로 제어를 반복하도록 동작한다. 그리고, 시간대에 따라 통행 차량이 많이 차이가 나기 때문에, 통행 차량이 많은 경우(주간이나 출퇴근 시간)에는 한 주기가 길고(예를 들면 180초), 통행 차량이 적은 경우(심야나 주말)에는 한 주기를 짧게(예를 들면150초) 운용한다.
또한 각 로컬 교통 신호 제어기의 동기를 위해 GPS 장치를 내장하여 GPS 장치에서 주기적으로 시간을 수신하여 각 로컬 교통 신호 제어기의 동기를 맞추고 있다.
그래서, 로컬 교통 신호 제어기들만 존재하는 경우에는 교통신호 제어 담당자가 사전에 시간대에 따른 각 방향의 통행량을 고려해서 한 주기 내에서 각 방향 신호 간격과 연동값을 정하여 로컬 교통 신호 제어기에 입력하여, 이 입력된 각 방향의 신호 간격에 따라 로컬 교통 신호 제어기가 교통신호등을 제어하게 된다.
또한, 로컬 교통 신호 제어기와 중앙 통제 시스템이 존재하는 경우에는, 중앙 통제 시스템 측에서 사전에 시간대에 따른 각 방향의 통행량을 고려해서 한 주기와, 한 주기 내에서 각 방향 신호 간격과, 연동값을 정하여 통신 장치에 의해 로컬 교통 신호 제어기로 송신하여, 각 교통 신호 제어기가 수신된 한 주기 시간 데이터와, 한 주기 내에서의 각 방향 신호 간격과 연동값에 따라, 교통신호등을 제어하게 된다.
그런데, 이러한 교통 신호 제어 시스템에 의해 교통 신호등을 제어하는 경우에, 교통 흐름을 원활하게 하기 위하여 교통 신호등이 연동이 되도록 제어하여, 간격이 짧은 신호등 사이에서는 인접 교차로의 교통신호등의 직진신호들을 동시에 개시해 주는 방식을 사용하고, 간격이 긴 신호등 사이에는 현재 출발 교차로에서 출발한 선두차량이 전방 신호등 근처에 도착하면 전방 신호등의 직진 신호가 개시되게 하는 방식으로 연동값을 정하여 연동화를 실시하고 있지만, 이러한 진행 방향의 연동화는 각 신호등 사이 간격이 천차만별이고, 같은 시간대(예를들면, 출근시간대 오전7시-오전10시)내라도 피크 정체 시간대(강남의 경우 오전 8시대)와 준피크 시간대(강남의 경우 오전 7-8시, 오전 9-10시)마다 연동화 값이 상이하고, 같은 시간대라도 차량의 흐름이나 교통상황에 따라서도 연동값이 상이하다.
따라서, 정체 방향으로 차량의 흐름과 교통상황에 따라 시시각각 변화하는 연동값을 조정하기 위하여 최적의 연동값을 정하는 것이 용이하지 않고, 설령 정한다 하더라도 대부분 반대 방향 차량에는 심한 경우에 계속 신호등에 걸리는 현상을 초래하는 경우도 발생하는 등 반대방향 차량 흐름에 심각한 장애를 주어서, 정체 방향의 신호 연동화는 잘해야 3-4개가 정도의 전방 신호등에만 가능한 실정이다.
이와 같이 교차로에서 교통흐름을 원활하게 할 수 있는 교통신호제어에 대한 종래 기술의 한 예가 한국등록특허 제10- 0876094호 " 교통 정체 해소를 위한 교통신호 제어 시스템의 제어 방법"에 도시되었다. 상기 선행기술 1은 교차로들 간격이 좁고 정체 정도가 심한 도심 구간에서 교통 정체를 해소하기 위한 교통신호제어 목적을 가지고 도출되었다.그러나 상기 선행기술 1은 교통 정체가 발생하면 이를 감안하여 교통신호의 제어를 수행할 뿐, 가까운 장래에 당연히 발생하게 될 교통 정체에 대한 예측 및 모델링 등의 과정이 없어, 효율적인 교통 흐름 제어가 불가능하였다.
이러한 상기 선행기술 1의 문제점을 해결하기 위하여 보다 효과적으로 교통 흐름을 제어하기 위한 신호 제어 방법이 한국등록특허 제10-1059450호 "통행시간 기반 교통 신호 제어 시스템 및 방법"에 설명되었다. 상기 선행기술 2는 자동요금징수시스템 및 교통정보수집 시스템 등에 적용되고 있는 DSRC(Dedicated Short-Range Communication)와 같이, 양방향 통신이 가능한 통신 기술로서 개별차량 ID 수집이 가능한 기술을 이용한다. 따라서 복수의 검지장치를 이용하여 실시간의 정확한 구간통행시간 정보가 수집 가능하며, 단속류에서 개별차량의 실시간 구간통행시간 정보는 신호교차로로 인해 발생되는 지정체 정보를 포함하고 있다.
상기 선행기술 2는 수집된 개별차량 통행시간정보를 이용하여 실시간 교통신호를 제어할 수 있도록 한 통행시간 기반 교통 신호 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 차량의 통행시간 정보를 수집하는 차량정보 수집부; 상기 통행시간 정보를 이용하여 이동류별 통행시간 지체를 산정하고, 개별차량의 연동비율에 따라 지체변화량을 산정하며, 지체 변화량에 따라 현시를 배분하는 교통신호 제어부; 및 상기 교통신호 제어부의 제어에 따라 현시를 표시하는 교통 신호 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그런데 상기 선행기술 2에서는, 신호시간을 최적화의 과정 없이 지체 변화율의 비율에 따라 단순히 배분하였기 때문에, 보다 최적화되고 계획적인 교통 신호 제어 시스템에 대한 요구가 대두 되었다.
한국등록특허 10-0876094호 한국등록특허 제10-1059450호
본 발명은 교차로에 진입하는 개별차량의 ID와 검지시각 정보를 수집할 수 있는 검지체계를 적용하여 개별차량의 구간통행시간 정보를 수집하며, 개별차량 통행시간 정보로부터 도착교통류율, 지체, 적색시간 변화에 따른 지체 변화량을 산정하여 교통흐름을 원활하게 하기 위한 실시간 신호제어를 하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 교차로의 신호제어 장치는 측정부, 산정부, 도착교통류율 추정부를 포함한다.
측정부는 복수의 개별차량들 각각이 교차로에 진입하는 진입시각을 측정하고, 상기 개별차량들 각각이 상기 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정한다.
산정부는 개별차량들 각각의 진입시각 및 진출시각을 이용하여 개별차량들 각각의 교차로 내에서의 지체시간을 산정한다.
도착교통류율 추정부는 개별차량들 각각의 진출시각 및 지체시간을 포함하는, 복수의 개별차량들의 교차로에 대한 교통 데이터를 수집하고, 수집된 교통 데이터에 대한 선형회귀분석 기법을 이용하여 교차로 내의 이동류에 대한 도착교통류율을 추정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 최근 Hipass 단말기 보급확대에 따라, Hipass 단말기를 Probe로 이용해 실시간 교통정보를 수집하는 ATMS 사업 등 개별차량의 구간정보를 이용하기 위한 시스템들이 활발히 구축되고 있는데 이들과 검지체계를 공유하여 실시간 신호제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에서는 신호최적화를 위해 단순한 지체변화율의 비율 대신 적색시간의 변화에 따른 지체변화량을 산정하여 신호최적화에 이용한다. 또한, 변수의 생성과정에서 시간대별 지체의 변화를 따르는 대신에 결정적 지체모형에 기반하여 신호최적화에 이용되는 변수를 생성한다.
신호최적화의 과정에서는 현시변화율에 따르는 대신에 선형계획모형에 기반하여 현시분할을 수행하고, 교통 신호를 제어하여 교통 흐름을 최적화한다.
본 발명은 독립교차로의 통행시간 기반 신호제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 통행시간기반 신호제어 알고리즘은 교차로 지체를 최소화 시키기 위한 현시별 적색시간 변화량을 결정하게 되며, 혼합선형계획모형(mixed-integer linear programming)을 적용하여 신호시간의 최적화 과정을 수행한다.
또한, 정보수집이 가능한 Probe 차량의 비율에 따라 이동류의 지체추정 성능을 확인하였으며, 40% 이상 Probe 차량 비율이 확보되는 경우 효과적 신호제어가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에서 지체변화량을 산정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에서 최적 주기를 산정하고 현시분할하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 포화상태에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별차량의 통행시간을 산정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매 주기 종료시 도착교통류율을 추정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차로의 신호제어 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변화량 추정과 신호 제어가 가능한 교차로의 신호제어 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 변화량 추정부의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 산정부의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별차량 지체와 검지기 통과시각에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 비포화 상태의 단위시간 t에 따른 지체 변화량에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 과포화 상태의 단위시간 t에 따른 지체 변화량에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험대상 교차로 및 검지기의 레이아웃을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 도착교통류율의 측정방법에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
독립교차로의 실시간 신호제어 방법에서 복수의 개별차량들 각각이 교차로에 진입하는 진입시각을 측정한다(S110). 이후, 개별차량들 각각이 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정하고(S120), 개별차량들 각각의 진입시각 및 진출시각을 이용하여 개별차량들 각각의 교차로 내에서의 지체시간을 산정한다(S130).
이후, 개별차량들 각각의 상기 진출시각 및 상기 지체시간을 포함하는, 복수의 개별차량들의 교차로에 대한 교통 데이터를 수집하고, 수집된 교통 데이터에 대한 선형회귀분석 기법을 이용하여 교차로 내의 이동류에 대한 도착교통류율을 추정한다(S140).
이때, 교차로의 매 신호 주기 종료를 확인하여 주기가 종료되었을때, 개별차량의 교차로 진출시각과 차량당 평균 지체를 산정하며, 최소자승법의 선형회귀분석을 통해 이동류 각각에 대한 도착교통류율을 추정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에서 지체변화량을 산정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 2의 S110, S120, S130, S140의 과정은 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 생략한다.
S140의 과정 이후, 추정된 상기 도착교통류율과, 미리 설정된 결정적 지체모형을 이용하여 상기 교차로에 대한 이동류별 총 지체와 상기 교차로의 적색시간 변화에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정한다(S150).
이때, 차량당 평균 지체의 변화량은 교차로의 비포화상태와 과포화상태로 구분할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 실시간 신호제어 방법에서 최적 주기를 산정하고 현시분할하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
도 3의 S110, S120, S130, S140, S150의 과정은 도 1과 도 2에서 설명한 것과 유사하므로 생략한다.
교차로의 적색시간 변화와, 차량당 평균 지체의 변화량에 대한 선형계획 모형을 이용하여 교차로 지체를 최소화 하기 위한 교차로의 교통 신호의 최적 주기를 산정하고 현시분할을 수행한다(S160).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립교차로의 포화상태에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
추정된 도착교통류율과, 미리 설정된 결정적 지체모형을 이용하여 교차로에 대한 이동류별 총 지체와 교차로의 적색시간 변화에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정한다(S150).
이때, 교차로의 상태가 과포화 상태인지를 판단(S151)하여 교차로의 상태가 과포화 상태일 경우, 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하였을 때의 적색시간 변화에 대한 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 계산한다(S152). 이후, 결정적 지체모형의 과포화지체에 의한 추가적인 지체를 고려하여 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 보정한 제2 변화량을 추정한다(S153).
만약 교차로의 상태가 과포화 상태가 아닌 비포화 상태일 경우, 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하고, 추정된 도착교통류율, 교차로 내의 상기 이동류에 대한 출발교통류율을 이용하여 상기 적색시간 변화에 대한 차량당 평균 지체의 변화량을 추정한다(S154).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별차량의 통행시간을 산정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
개별차량들 각각이 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정하고(S120), 개별차량들 각각의 진입시각과 진출시각을 이용하여 개별차량들 각각의 교차로 내에서의 통행시간을 산정한다(S131).
이후, 개별차량들 각각의 통행시간과 교차로 내의 이동류의 링크 길이, 및 상기 교차로 내의 이동류의 자유속도를 고려하여 개별차량들 각각의 지체시간을 산정한다(S132).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매 주기 종료시 도착교통류율을 추정하는 방법에 따른 순서도를 나타낸 것이다.
교차로의 매 신호 주기 종료를 확인(S141)하고, 교차로의 매 신호 주기가 종료될 때마다 교차로 내의 이동류 각각에 대한 도착교통류율을 추정한다(S142).
이때, 개별차량의 교차로 진출시각과 차량당 평균 지체를 산정하며, 최소자승법의 선형회귀분석을 통해 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차로의 신호제어 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
교차로의 신호제어 장치는 측정부(710), 산정부(720), 도착교통류율 추정부(730)을 포함한다.
측정부(710)는 복수의 개별차량들 각각이 교차로에 진입하는 진입시각을 측정하고, 개별차량들 각각이 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정한다.
산정부(720)는 개별차량들 각각의 진입시각 및 진출시각을 이용하여 개별차량들 각각의 교차로 내에서의 지체시간을 산정한다.
도착교통류율 추정부(730)는 개별차량들 각각의 진출시각 및 지체시간을 포함하는, 복수의 개별차량들의 교차로에 대한 교통 데이터를 수집하고, 수집된 교통 데이터에 대한 선형회귀분석 기법을 이용하여 교차로 내의 이동류에 대한 도착교통류율을 추정한다.
이때, 교차로의 매 신호 주기 종료 시 교차로 내의 이동류 각각에 대한 도착교통류율을 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변화량 추정과 신호 제어가 가능한 교차로의 신호제어 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
변화량 추정과 신호 제어가 가능한 교차로의 신호제어 장치(700)는 측정부(710), 산정부(720), 도착교통류율 추정부(730), 변화량 추정부(740), 신호 제어부(750)를 포함한다.
도 8의 측정부(710), 산정부(720), 도착교통류율 추정부(730)는 도 7에서 설명한 것과 유사하므로 생략한다.
변화량 추정부(740)는 추정된 도착교통류율과, 미리 설정된 결정적 지체모형을 이용하여 교차로에 대한 이동류별 총 지체와 상기 교차로의 적색시간 변화에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정한다.
이때, 교차로가 비포화 상태인 경우 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하고, 추정된 도착교통류율, 교차로 내의 상기 이동류에 대한 출발교통류율을 이용하여 적색시간 변화에 대한 차량당 평균 지체의 변화량을 추정할 수 있다.
신호 제어부(750)는 교차로의 적색시간 변화와, 차량당 평균 지체의 변화량에 대한 선형계획 모형을 이용하여 교차로 지체를 최소화 하기 위한 상기 교차로의 교통 신호의 최적 주기를 산정하고 현시분할을 수행한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 변화량 추정부의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
변화량 추정부(740)에서 교차로가 과포화 상태인 경우,
제1 변화량 계산부(741)는 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하였을 때의 적색시간 변화에 대한 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 계산한다.
이때, 제2 변화량 추정부(742)는 결정적 지체모형의 과포화지체에 의한 추가적인 지체를 고려하여 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 보정한 제2 변화량을 추정한다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 산정부의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
산정부(720)는 통행시간 산정부(721), 지체시간 산정부(722)를 포함한다.
통행시간 산정부(721)는 개별차량들 각각의 진입시각과 진출시각을 이용하여 개별차량들 각각의 교차로 내에서의 통행시간을 산정한다.
지체시간 산정부(722)는 개별차량들 각각의 통행시간과 교차로 내의 이동류의 링크 길이 및 교차로 내의 이동류의 자유속도를 고려하여 개별차량들 각각의 지체시간을 산정한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별차량 지체와 검지기 통과시각에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
통행시간 기반 신호제어 방법에서 교차로에 개별차량 지체와 검지기 통과시각에 대하여 이동류
Figure 112012068039777-pat00001
의 도착교통류율
Figure 112012068039777-pat00002
는 고정된 출발율
Figure 112012068039777-pat00003
(1130)로부터 진출부 검지시각
Figure 112012068039777-pat00004
와 개별차량 지체
Figure 112012068039777-pat00005
(1140)로부터 추정이 가능하다.
이때, 개별차량의 검지기 통과시각에서 개별차량 지체를 제외한 시간이 도착율의 x좌표로 적용되며, 이후 누적차량의 대수를 이용하여 도착율의 y좌표를 추정할 수 있다. 이들 좌표로부터 직석회귀식을 추정하기 위해 최소자승법을 적용하여 도착율 직선의 산정할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비포화 상태의 단위시간 t에 따른 지체 변화량에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
개별차량의 지체와 진출부 검지기 통과시각 정보로부터 도착율을 추정한 이후 이동류별 총 지체를 산정한다. 이때, 교차로의 상태가 비포화 상태일때의 이동류 총 지체는 결정적 지체모형의 균일지체에 해당한다. 비포화 상태에서 이동류의 총 지체
Figure 112012068039777-pat00006
는 삼각형 ABC의 면적으로 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012068039777-pat00007
여기서
Figure 112012068039777-pat00008
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00009
의 도착교통류율을 나타내고,
Figure 112012068039777-pat00010
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00011
의 고정된 출발율을 나타낸다.
Figure 112012068039777-pat00012
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00013
의 적색시간을 나타낸다.
상기 수학식 1에서의 이동류
Figure 112012068039777-pat00014
의 차량당 평균지체
Figure 112012068039777-pat00015
는 수학식 2로 나타내어질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012068039777-pat00016
여기서
Figure 112012068039777-pat00017
는 주기길이를 나타내고,
Figure 112012068039777-pat00018
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00019
의 적색시간을 나타낸다. 이에 따라, 이동류
Figure 112012068039777-pat00020
의 차량당 평균지체는 총 지체
Figure 112012068039777-pat00021
에 총 차량대수
Figure 112012068039777-pat00022
Figure 112012068039777-pat00023
를 나누어 산정할 수 있다.
비포화 상태에서 지체의 산정방식은 도로용량편람에서의 결정적 지체모형의 면적을 이용한 균일제치의 산정과 동일한 원리에 해당될 수 있다. 이때 적색시간 변화량
Figure 112012068039777-pat00024
에 따른 총 지체
Figure 112012068039777-pat00025
의 변화량
Figure 112012068039777-pat00026
를 산정하며,
Figure 112012068039777-pat00027
는 도 12에서 삼각형 AB1C1과 삼각형 ABC의 면적차이로서 수학식 3으로 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012068039777-pat00028

이때, 총 지체의 변화량
Figure 112012068039777-pat00029
에 해당 주기의 도착차량 대수를 나누어 산정할 수 있는 차량당 평균지체의 변화량
Figure 112012068039777-pat00030
는 수학식 4로 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112012068039777-pat00031

비포화 상태에서 적색시간 동안 생성된 대기행렬은 녹색시간 내에 모두 해소되며, 이때 대기행렬 해소 이후 이동류
Figure 112012068039777-pat00032
의 여유녹색시간
Figure 112012068039777-pat00033
는 수학식 5로 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012068039777-pat00034
이후 이동류
Figure 112012068039777-pat00035
의 여유녹색시간
Figure 112012068039777-pat00036
는 적색시간 변화량
Figure 112012068039777-pat00037
의 최대값으로 이용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 과포화 상태의 단위시간 t에 따른 지체 변화량에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
교차로의 상태가 과포화 상태에서의 총 지체는 도 12에서의 비포화 상태에서와 동일한 방법으로 이동류별 도착교통류율을 산정하고, 이후, 도13에서의 삼각형 ABC와 사각형 DEFG 면적의 합을 이용하여 계산할 수 있다.
이때, 삼각형 ABC는 비포화 상태와 동일한 도로용량편람의 균일지체에 해당하는 부분이며, 사각형 DEFG는 과포화로 인한 추가지체와 증분지체에 해당한다. 과포화 상태의 총 지체 산정과정은 수학식 6으로 표현할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112012068039777-pat00038
여기서,
Figure 112012068039777-pat00039
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00040
의 적색시간(1310),
Figure 112012068039777-pat00041
는 이동류
Figure 112012068039777-pat00042
의 녹색시간(1320),
Figure 112012068039777-pat00043
는 출발교통류율(1330)을 나타낸다. 이때, 이동류
Figure 112012068039777-pat00044
의 적색시간
Figure 112012068039777-pat00045
(1310), 이동류
Figure 112012068039777-pat00046
의 녹색시간(1320)
Figure 112012068039777-pat00047
, 출발교통류율(1330)
Figure 112012068039777-pat00048
을 이용한 균일 지체의 산정부분과 초기대기행렬의 크기
Figure 112012068039777-pat00049
, 주기길이
Figure 112012068039777-pat00050
, 이동류의 용량
Figure 112012068039777-pat00051
를 이용한 추가지체를 산정하는 부분으로 구분할 수 있다.
이때, 이동류
Figure 112012068039777-pat00052
의 차량당 평균지체
Figure 112012068039777-pat00053
는 수학식 7로 나타내어진다.
[수학식 7]
Figure 112012068039777-pat00054
교차로가 과포화 상태일 경우 적색시간 변화량
Figure 112012068039777-pat00055
에 따른 총 지체의 변화량
Figure 112012068039777-pat00056
는 균일지체의 면적 변화량에 해당하는 삼각형 AB1C1과 삼각형 ABC의 면적차이와 추가지체의 변화량에 해당하는 사각형 DEFG와 사각형 DE1F1G의 면적차이의 총 합에 해당하며, 수학식 8과 같이 나타내어진다.
[수학식 8]
Figure 112012068039777-pat00057
이때, 차량당 평균지체의 변화량은 비포화 상태와 동일한 방법으로 수학식 9로 나타내어진다.
[수학식 9]
Figure 112012068039777-pat00058
수학식 9를 이용하여 차량당 평균지체의 변화량은 총 지체의 변화량에 해당 주기, 총 도착차량 대수를 나누어 산정한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험대상 교차로 및 검지기의 레이아웃을 나타낸 것이다.
링크별 구간통행시간의 수집이 가능하도록 지정이 가능하다. 개별 링크(1430)의 진입(1420) 및 진출부(1410)에서 개별차량의 ID 및 통과시각을 수집할 수 있는 차량검지체계를 적용할 수 있으며, 상하류부 검지기의 통과시각 차이로부터 개별차량의 통행시간을 측정할 수 있다. 이를 이용하여 구간통행시간과 자유속도 통행시간과의 차이로부터 이동류, 차량의 지체를 산정할 수도 있다.
이때, 개별차량의 ID 및 검지기 통과시각정보를 수집하여 매 주기 종료시 개별차량의 교차로 진출시각과 차량당 평균 지체를 산정하며, 최소자승법의 선형회귀분석을 통해 교차로 도착교통류율을 추정할 수 있다.
이후, 결정적 지체모형을 이용하여 이동류별 지체 및 적색시간 변경에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정할 수도 있으며, 선형계획 모형을 이용하여 교차로 지체를 최소화 하기 위한 최적 주기를 산정하여 현시분할을 수행할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 도착교통류율의 측정방법에 대한 그래프를 나타낸 것이다.
통행시간 기반 실시간 신호제어를 위하여 교차로 지체를 포함하는 구간통행시간으로부터 이동류별 도착교통류율을 추정한다. 이동류
Figure 112012068039777-pat00059
의 출발교통류율
Figure 112012068039777-pat00060
를 상수로 가정하여 교차로 진출시각
Figure 112012068039777-pat00061
와 지체
Figure 112012068039777-pat00062
의 크기로부터 개별차량의 도착 좌표를 추정할 수 있다. 출발교통류율에 의한 차량출발좌표는
Figure 112012068039777-pat00063
로 표현되며, 이때 차량도착좌표는
Figure 112012068039777-pat00064
로 표현된다.
[수학식 10]
Figure 112012068039777-pat00065
[수학식 11]
Figure 112012068039777-pat00066
도착교통류에 의한 개별차량 도착좌표들에 수학식 10과 수학식 11과 같이 최소자승법을 이용한 직선 회귀분석으로 X절편에 해당하는 도착교통류율 추정치
Figure 112012068039777-pat00067
와 Y절편에 해당하는 초기대기행렬 추정치
Figure 112012068039777-pat00068
를 산정할 수 있다.
이때, 도착교통류율 산정방식은 교차로 포화상태와 관계없이 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
또한, 회귀분석에 적용되는 개별차량의 도착교통류 좌표는 고정된 출발교통류율로부터 좌표의 추정이 가능한 차량, 즉 지체를 경험한 차량 만을 대상으로 하며, 대기행렬 해소 이후 관측되는 차량들의 좌표는 분석대상에서 제외할 수 있다.
이에 따라 출발교통류율을 상수로 가정하여 개별차량의 통행시간 정보로부터 도착교통류율을 산정하고, 결정적 지체 모형의 면적산정을 통해 이동류별 총 지체와 차량당 평균지체, 적색시간 변화에 따른 지체 변화량을 산정할 수 있다.
이동류별 지체 및 지체 변화량 산정 이후 주기 길이 결정 및 현시 분할이 이루어지며, 주기는 수학식 12로 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112012068039777-pat00069
p번째 주기에서 이동류
Figure 112012068039777-pat00070
의 교차로 총 지체를
Figure 112012068039777-pat00071
로 나타내는 경우, p번째 주기의 길이 Cp가 상기 수학식 12와 같이 나타내어진다. 즉, p번째 주기와 (p-1)번째 주기의 교차로 총 지체 변화에 따라 주기의 길이의 증감여부가 결정된다. 총 지체의 변화량이 지체 변화의 임계치
Figure 112012068039777-pat00072
를 초과하는 경우 단위주기 길이
Figure 112012068039777-pat00073
의 크기로 주기 길이의 증가가 이루어지며, 반대로 지체가 감소하는 상황에서는
Figure 112012068039777-pat00074
크기로 주기 길이의 감소가 이루어진다. 또한 지체 변화량의 절대값이 임계치 이내에 존재하는 경우 현재 주기 길이를 유지한다. 지체변화량의 임계치
Figure 112012068039777-pat00075
와 단위주기길이 변화량
Figure 112012068039777-pat00076
는 교차로 및 교통상황의 조건에 따라 결정한다.
주기길이의 결정 이후 교차로 지체 최소화를 위한 현시분할 과정이 이루어지며, 이때 차량당 평균 지체를 최소화하기 위한 현시별 적색시간의 변화량
Figure 112012068039777-pat00077
를 결정할 수 있는 선형계획모형은 수학식 13, 수학식 14, 수학식 15, 수학식 16, 수학식 17, 수학식 18로 나타낼 수 있다.
본 혼합정수선형계획모형(mixed-integer linear programing)은 수학식 13과 같이 현시별 적색시간의 변화량
Figure 112012068039777-pat00078
를 결정하는데 목적이 있다.
[수학식 13]
Figure 112012068039777-pat00079
본 선형계획 모형의 목적함수는 수학식 14와 같이 다음 주기의 차량당 평균지체
Figure 112012068039777-pat00080
를 최소화 하는 것이며, 수학식 14와 같이 표현된다.
[수학식 14]
Figure 112012068039777-pat00081
Figure 112012068039777-pat00082
는 현재 주기의 차량당 평균지체
Figure 112012068039777-pat00083
에 적색시간 변화량
Figure 112012068039777-pat00084
에 따른 평균 지체 변화량을 적용하여 산정한다. 이는 수학식 15로 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112012068039777-pat00085
적색시간 변화를 통해 다음 주기 차량당 평균 지체를 최소화하기 위한 현시 변화의 크기를 결정할 수 있다. 이때 이동류별 적색시간 변화의 합
Figure 112012068039777-pat00086
는 주기변화량과 동일하여야 하며, 주기 길이가 현재와 동일하게 유지되는 경우 적색시간 변화량의 합은 0이 되어야만 한다. 이는 수학식 16으로 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112012068039777-pat00087
현시 변화량의 크기는 급격한 현시변화를 방지하기 위해 최소 현시변화량
Figure 112012068039777-pat00088
와 최대 현시변화량
Figure 112012068039777-pat00089
의 범위 내에서 이루어지며 수학식 17로 나타낼 수 있다..
[수학식 17]
Figure 112012068039777-pat00090
여기에서 최대 현시변화량
Figure 112012068039777-pat00091
는 비포화 상태에서 대기행렬 해소 이후 여유녹색시간의 크기를 이용한다. 대기행렬 해소 이후 녹색시간의 범위 내에서 현시 변화가 이루어지게 함으로써 해당 이동류를 비포화 상태로 유지함과 동시에 교차로 지체를 최소화하기 위한 최적 신호시간을 산정할 수 있다.
또한, 보행자 녹색시간을 고려하기 위한 방법으로 최소녹색시간
Figure 112012068039777-pat00092
의 범위 내에서 현시변화가 이루어질 수도 있고, 이는 수학식 18로 나타낼 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112012068039777-pat00093

본 발명의 일 실시 예에 따른 통행시간 기반 실시간 신호제어 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 본 발명을 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 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
710 : 측정부
720 : 산정부
730 : 도착교통류율 추정부

Claims (16)

  1. 복수의 개별차량들 각각이 교차로에 진입하는 진입시각을 측정하는 단계;
    상기 개별차량들 각각이 상기 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정하는 단계;
    상기 개별차량들 각각의 상기 진입시각 및 상기 진출시각을 이용하여 상기 개별차량들 각각의 상기 교차로 내에서의 지체시간을 산정하는 단계; 및
    상기 개별차량들 각각의 상기 진출시각 및 상기 지체시간을 포함하는, 상기 복수의 개별차량들의 상기 교차로에 대한 교통 데이터를 수집하고, 상기 수집된 교통 데이터에 대한 선형회귀분석 기법을 이용하여 상기 교차로 내의 이동류에 대한 도착교통류율을 추정하는 단계;
    를 포함하는 교차로의 신호제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추정된 상기 도착교통류율과, 미리 설정된 결정적 지체모형을 이용하여 상기 교차로에 대한 이동류별 총 지체와 상기 교차로의 적색시간 변화에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 단계;
    를 더 포함하는 교차로의 신호제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 교차로의 상기 적색시간 변화와, 상기 차량당 평균 지체의 변화량에 대한 선형계획 모형을 이용하여 교차로 지체를 최소화 하기 위한 상기 교차로의 교통 신호의 최적 주기를 산정하고 현시분할을 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 교차로의 신호제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선형계획 모형은
    아래 수학식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 교차로의 신호제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112012068039777-pat00094

    Figure 112012068039777-pat00095

    Figure 112012068039777-pat00096

    Figure 112012068039777-pat00097

    Figure 112012068039777-pat00098

    Figure 112012068039777-pat00099

    Figure 112012068039777-pat00100
    는 적색시간의 변화량이고,
    Figure 112012068039777-pat00101
    는 현시별 다음 주기의 차량당 평균지체이다.
    Figure 112012068039777-pat00102
    는 현재 주기의 차량당 평균지체이고,
    Figure 112012068039777-pat00103
    는 이동류
    Figure 112012068039777-pat00104
    의 평균지체 변화량을 나타낸다.
    Figure 112012068039777-pat00105
    는 이동류
    Figure 112012068039777-pat00106
    별 적색시간 변화의 합이고,
    Figure 112012068039777-pat00107
    는 단위주기 변화량이다.
    Figure 112012068039777-pat00108
    는 최소 현시변화량이고,
    Figure 112012068039777-pat00109
    는 최대 현시변화량이다.
    Figure 112012068039777-pat00110
    는 이동류
    Figure 112012068039777-pat00111
    의 녹색시간이고,
    Figure 112012068039777-pat00112
    는 이동류
    Figure 112012068039777-pat00113
    의 최소 녹색시간이다.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 단계는
    교차로가 비포화 상태인 경우 상기 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하고, 상기 추정된 도착교통류율, 상기 교차로 내의 상기 이동류에 대한 출발교통류율을 이용하여 상기 적색시간 변화에 대한 상기 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 교차로의 신호제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 단계는
    교차로가 과포화 상태인 경우, 상기 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하였을 때의 상기 적색시간 변화에 대한 상기 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 결정적 지체모형의 과포화지체에 의한 추가적인 지체를 고려하여 상기 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 보정한 제2 변화량을 추정하는 단계;
    를 포함하는 교차로의 신호제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 교차로 내에서의 상기 지체시간을 산정하는 단계는
    상기 개별차량들 각각의 상기 진입시각과 상기 진출시각을 이용하여 상기 개별차량들 각각의 상기 교차로 내에서의 통행시간을 산정하는 단계; 및
    상기 개별차량들 각각의 통행시간과 상기 교차로 내의 상기 이동류의 링크 길이, 및 상기 교차로 내의 상기 이동류의 자유속도를 고려하여 상기 개별차량들 각각의 상기 지체시간을 산정하는 단계
    를 포함하는 교차로의 신호제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도착교통류율을 추정하는 단계는,
    상기 교차로의 매 신호 주기 종료 시 상기 교차로 내의 상기 이동류 각각에 대한 상기 도착교통류율을 추정하는 교차로의 신호제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
  10. 복수의 개별차량들 각각이 교차로에 진입하는 진입시각을 측정하고, 상기 개별차량들 각각이 상기 교차로에서 진출하는 진출시각을 측정하는 측정부;
    상기 개별차량들 각각의 상기 진입시각 및 상기 진출시각을 이용하여 상기 개별차량들 각각의 상기 교차로 내에서의 지체시간을 산정하는 산정부; 및
    상기 개별차량들 각각의 상기 진출시각 및 상기 지체시간을 포함하는, 상기 복수의 개별차량들의 상기 교차로에 대한 교통 데이터를 수집하고, 상기 수집된 교통 데이터에 대한 선형회귀분석 기법을 이용하여 상기 교차로 내의 이동류에 대한 도착교통류율을 추정하는 도착교통류율 추정부;
    를 포함하는 교차로의 신호제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 추정된 상기 도착교통류율과, 미리 설정된 결정적 지체모형을 이용하여 상기 교차로에 대한 이동류별 총 지체와 상기 교차로의 적색시간 변화에 따른 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 변화량 추정부;
    를 더 포함하는 교차로의 신호제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 교차로의 상기 적색시간 변화와, 상기 차량당 평균 지체의 변화량에 대한 선형계획 모형을 이용하여 교차로 지체를 최소화 하기 위한 상기 교차로의 교통 신호의 최적 주기를 산정하고 현시분할을 수행하는 신호제어부;
    를 더 포함하는 교차로의 신호제어 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 변화량 추정부는,
    교차로가 비포화 상태인 경우 상기 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하고, 상기 추정된 도착교통류율, 상기 교차로 내의 상기 이동류에 대한 출발교통류율을 이용하여 상기 적색시간 변화에 대한 상기 차량당 평균 지체의 변화량을 추정하는 교차로의 신호제어 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 변화량 추정부는,
    교차로가 과포화 상태인 경우, 상기 결정적 지체모형의 균일지체를 가정하였을 때의 상기 적색시간 변화에 대한 상기 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 계산하는 제1 변화량 계산부; 및
    상기 결정적 지체모형의 과포화지체에 의한 추가적인 지체를 고려하여 상기 차량당 평균 지체의 제1 변화량을 보정한 제2 변화량을 추정하는 제2 변화량 추정부;
    를 포함하는 교차로의 신호제어 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 산정부는,
    상기 개별차량들 각각의 상기 진입시각과 상기 진출시각을 이용하여 상기 개별차량들 각각의 상기 교차로 내에서의 통행시간을 산정하는 통행시간 산정부; 및
    상기 개별차량들 각각의 통행시간과 상기 교차로 내의 상기 이동류의 링크 길이, 및 상기 교차로 내의 상기 이동류의 자유속도를 고려하여 상기 개별차량들 각각의 상기 지체시간을 산정하는 지체시간 산정부;
    를 포함하는 교차로의 신호제어 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 도착교통류율 추정부는,
    상기 교차로의 매 신호 주기 종료 시 상기 교차로 내의 상기 이동류 각각에 대한 상기 도착교통류율을 추정하는 교차로의 신호제어 장치.
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