고속도로 합류부 교통와해 특성 및 확률모형 개발 = The Characteristics of Breakdown and the Development of Breakdown Probability Models at Freeway Merging Areas

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

After gathering the aerial photograph data which are useful for microscopic analysis, we analyzed the characteristics of flow transition regime related with breakdown occurrence and developed some models reflecting breakdown characteristics at a freeway merging area using VISSIM simulation tool. To do this, we produced the aggregated traffic data such as flows, speeds, and densities in 5-, 10-, 15-, and 30-second intervals by lane for more detailed analysis which has not been available in the existed detector data.
Based on the aggregated data of 15-second interval, we analyzed a undamental diagram of flow-density relationship. It was revealed that the flow-density relationship showed to exist three different kinds of parts in a flow transition regime and that the traffic flow sequentially went through 3 parts.
We confirmed that the second part found newly in this study existed prior to breakdown. The flow and density of the second part were lower than those of the first part. The time-space diagram was used to find the reason why the second part happened in the flow transition process. It was confirmed that the second part was generated by the lane changing of mainline vehicles upstream which avoid ramp vehicles entering to freeway mainline. The breakdown occurrence at a merging area was affected by the low merging speed of ramp vehicle at the end of acceleration lane.
In addition, we found that the shapes of the fundamental diagrams could vary by locations within a merging area.
These shapes of fundamental diagrams were determined by the interrelation of 3 parts described above. The models for breakdown probability are defined as the function of freeway mainline flow and the ramp flow. The developed models can reflect the various flow levels with the different lanes of freeways. The results of this study give more detailed information to understand the traffic flow of transition regimes. In addition, the models are applicable to establish the traffic control system like ramp meters since the probability of breakdown occurrence can be recognized in advance under various circumstances.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고속도로 연결로 합류부 구간에서 개별 차량 자료를 수집하여 교통와해 발생과 관련 있는 교통류 전이영역의 특성을 분석하고 VISSIM을 이용하여 교통와해 확률을 추정하는 모형식 개발을 목적으로 수행되었다.
교통와해가 발생하는 전이구간에서는 3개 영역으로 구분되어 교통류가 전이되고 교통와해 발생 이전에 교통량과 밀도가 낮아지는 2영역의 존재가 확인되었다. 이러한 2영역의 존재는 연결로 진입차량들로 인해 발생하는 본선 차량들의 차로 변경에 의해 발생하고 있으며, 연결로 합류부에서 교통와해 발생은 시공간도 분석을 통하여 연결로 차량의 진입 속도에 의해 본선 교통류가 영향을 받기 때문인 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 기존의 검지기 데이터와의 차별성을 가지면서 더욱 세밀한 분석을 위하여 개별 차량의 궤적을 추적할 수 있는 1초 단위의 항공사진 자료를 차로별로 5초, 10초, 15초, 30초 단위의 교통량, 속도, 밀도자료로 집계하여 교통량-속도-밀도 관계도를 통한 전이영역의 특징을 찾아보고 교통기본도의 형태를 지점별로 비교․분석하고, 또한 개별차량 궤적을 표시하는 시공간도 작성 등 미시적인 분석을 통해 교통와해 원인을 분석하였다.
또한 교통와해 발생에 따른 교통류 전이영역에서 나타나는 특징과 교통와해 발생의 확률적 특성을 표현할 수 있는 모형식 개발을 수행하였다. 개발된 모형식들은 연결로 교통량과 본선 교통량의 함수로 표현되고 본선 교통량보다 연결로 교통량이 교통와해 발생확률에 더 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다. 이러한 연구결과들은 합류부의 교통와해 특성에 대한 이해도를 증진시키고 향후 고속도로 교통류를 효율적으로 운영하고 제어할 수 있는 토대를 마련하여 개발모형식의 현실 적용을 통한 다양한 활용이 기대된다.

참고문헌 (Reference)

• 1 김상구, "차로별 교통류 상호영향에 따른 고속도로 합류부 교통와해 특성 분석에 관한 연구" 대한교통학회 25 (25): 73-81, 2007
• 2 임성만, "연속교통류 재현을 위한 거시적 모형의 비교 연구" 대한교통학회 20 (20): 69-82, 2002
• 3 이승준, "도시고속도로 차로별 교통류 특성에 관한 연구" 서울대학교 대학원 1998
• 4 박상조, "교통류 시· 공간 분석을 통한 혼잡교통류 해석" 서울대학교 대학원 2001
• 5 이선하, "검지기간 속도-밀도의 관계를 활용한 돌발상황 감지기법" 대한교통학회 24 (24): 127-137, 2006
• 6 임재혁, "검지기 데이터를 활용한 연속교통류 특성분석" 목원대학교 대학원 2003
• 7 김상구, "강제합류 형태를 포함한 확률적 연결로 합류용량 산정 모형 개발" 대한교통학회 21 (21): 107-120, 2003
• 8 이승준, "가속차로 길이에 따른 합류행태 및 합류부 교통특성 분석" 대한교통학회 23 (23): 53-66, 2005
• 9 Schonhof, M., "features of congested traffic states and their implications for traffic modeling" 41 (41): 135-166, 2007
• 10 Edie, L. C., "Traffic Flow in Tunnels" 37 : 334-344, 1958
• 11 Cassidy M. J., "Traffic Flow and Capacity, In Handbook of Science" 151-185, 2000
• 12 Kerner, B. S., "Theory of Congested Traffic Flow : Self-Organization Without Bottlenecks" 147-172, 1999
• 13 Kerner, B. S, "Theory of Breakdown Phenomenon at Highway Bottlenecks" 2002
• 14 Kerner, B. S., "The Physics of Traffic-Empirical Freeway Pattern Features Engineering Applications, and Theory" 2004
• 15 Cassidy M. J., "Study of Traffic at a Freeway Merge and Roles for Ramp Metering" 2002
• 16 Polus, A., "Stochastic nature of freeway capacity and its estimation" 29 (29): 842-852, 2002
• 17 Koshi, M., "Some Findings and an Overview on Vehicular Flow Characteristics" 403-426, 1983
• 18 Banks, J. H., "Review of empirical research on congested freeway flow" (1802) : 225-232, 2002
• 19 Banks, J. H., "Relationship Between Mean Flow Rate and Probability of Breakdown at Freeway Bottlenecks" 2006
• 20 Elefteriadou, L, "Probabilistic Nature of Breakdown at Freeway Merge Junctions" (1484) : 80-89, 1994
• 21 Bassan. S., "Modeling of freeway breakdown process with log-periodic oscillations" 34 (34): 1577-1586, 2007
• 22 Hillegas, B. D., "Investigation of Flow-Density Discontinuity and Dual-Mode Traffic Behavior" 495 : 53-60, 1974
• 23 Atho, P., "Interdependence of Certain Operational Characteristics within a Moving Traffic Stream" 72 : 58-57, 1965
• 24 TRB, "Highway Capacity Manual"
• 25 FHWA, "Freeway data collection for studying vehicle interaction" 1985
• 26 Edie, L. C., "Following and Steady-State Theory for Non-congested Traffic" 9 : 66-76, 1961
• 27 Banks, J. H., "Flow Breakdown at Freeway Bottlenecks: Evidence from Automated Flow Analysis" (2099) : 14-21, 2009
• 28 Hall, F. L., "Empirical Analysis of Freeway Flow-Density Relationships" 20A (20A): 197-210, 1986
• 29 Mattar, C., "Analysis of the breakdown process on congested freeways" 2009
• 30 Greenberg, H., "An Analysis of Traffic Flow" 7 : 79-85, 1959
• 31 Greenshields, B. D., "A Study of Traffic Capacity" 14 : 448-477, 1934
• 32 Zhang, H. M., "A Car-Following Theory for Multiphase Vehicular Traffic Flow" 2002