Some issues of isolated merging bottleneck on traffic flow and capacity
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2019
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University Department of Urban Planning and Engineering 2019.2
발행연도
2019
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
독립된 합류부 병목지점에 대한 교통류와 용량에 대한 고찰
형태사항
xiii, 96장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Hyung Jin Kim
UCI식별코드
I804:11046-000000519075
소장기관
병목지점에서 발생한 정체에 의해 교통류가 용량 수준에 미처 도달하지 못하고 감소하는 것은 “용량감소 현상”이라 불리며 다양하게 연구되어 왔다. 도로의 이용효율을 높여 정체를 빠르게 해소하거나 정체발생을 예방하기 위해서는 병목지점에서 발생하는 용량감소 현상에 대한 이해가 필수적이다. 연속류도로는 합류부의 진입램프 교통류에 의해 병목지점이 형성되고 용량감소 현상이 발생한다. 그러므로 본 연구에서는 정체발생 전후의 대표 교통류인 최대 통과교통류율(비정체시)과 대기행렬 해소비율(정체시)이 진입 교통류로 인해 받는 영향을 분석하여 기존의 용량감소 현상에 대한 새로운 해석을 제시하였다.
본 연구에서는 고속도로 본선과 진입램프의 교통정보 분석을 위해 대한민국 고속도로 분기점에 위치한 5개 독립된 합류부를 연구의 대상으로 설정하였다. 5개 대상지에 대한 실증분석의 과정에서 정체상황의 교통류가 비정체시의 최대 통과교통류율보다 높게 관측되는 사례를 발견하였다. 이러한 사례는 비정체시의 최대 통과교통류율을 도로의 용량으로 정의한 고전적 교통류 모델로 설명이 불가능하다. 개념적으로 용량을 초과하는 교통류를 관측하는 것이 불가능하기 때문에 비정체시의 최대 통과교통류율을 용량으로 정의할 수 없다. 합류부 병목지점의 실제 용량은 실증적으로 관측되는 교통류보다 훨씬 높다. 용량이 고속도로 설계요소, 운영요소에 영향을 받아 운영효율이 감소되었을 때 최대 통과교통류율 또는 대기행렬 해소비율로 관측된다. 따라서 독립된 합류부 영역에 정체가 발생함에 따른 교통류 처리량 변화를 용량감소 현상이라고 지칭하는 대신에 최대 통과교통류율과 대기행렬 해소비율이 고속도로 설계요소와 운영요소에 따라 진입램프 교통류로부터 상이한 영향을 받아 변화하는 매커니즘을 분석하였다.
첫 번째로는 비혼잡시의 최대 통과교통류율과 진입램프 교통류간의 상관관계가 연구되었다. 비혼잡시 최대 통과교통류율은 특정한 진입램프 교통류 비율에서 최소가 되는 아래로 볼록한 이차함수 형태를 나타냈다. 비혼잡시 최대 통과교통류율은 분석 대상지에 따라 진입 램프 교통류 비율에 대한 민감도가 서로 다르게 측정되었는데, 민감도는 합류부 차로수가 적을수록, 진입램프가 1개 차로로 구성될수록, 버스중앙차로가 운영중일수록 높게 관측되었다. 그러나 놀랍게도, 가속차로의 길이는 민감도에 영향을 미치지 않았다.
두 번째로는 혼잡시의 대기행렬 해소비율과 진입램프 교통류간의 상관관계가 연구되었다. 특히 대기행렬 해소비율은 혼잡이 시작되는 시점의 진입램프 교통류 비율과 관계가 있으며, 비혼잡시의 최대 통과교통류율과 유사하게 혼잡시 대기행렬 해소비율도 특정한 진입램프 교통류 비율에서 최소가 되는 아래로 볼록한 이차함수 형태를 나타냈다. 진입램프 교통류 비율에 대한 민감도 순위도 전반적으로 최대 통과 교통류율과 유사하였다. 대기행렬 해소비율의 진입램프 교통류 비율에 대한 민감도는 합류부 차로수가 적을수록, 진입램프가 1개 차로로 구성될수록, 버스중앙차로가 운영중일수록 높게 관측되었다. 비혼잡시 최대 통과교통류율과 달리 대기행렬 해소비율은 가속차로의 길이에도 영향을 받았다. 비혼잡 상황에서는 진입램프 교통류가 본선으로 쉽게 합류가 가능하지만, 반대로 혼잡 상황에서는 가속차로의 길이가 본선으로 합류하기 위한 수락간격을 탐색하는 능력을 좌우하기 때문인 것으로 해석된다.
본 연구에서는 실증 분석을 통해 진입 램프 교통류율과 최대 통과교통류율, 대기행렬 해소비율이 각각 아래로 볼록한 이차함수 관계를 가지고 있다는 것을 보여주었다. 이 이차함수 관계가 나타내는 중요성과는 특정한 용량 감소비율을 제시한 기존의 분석 모델과 달리, 혼잡 발생시점의 진입램프 교통류 비율에 따라 통과교통류율 변화율이 상이하게 나타난다는 것이다.
본 연구는 향후 본선이나 진입램프 교통류 제어를 통해 합류부의 운영효율을 어떻게 증대시킬 수 있는지에 대한 단초를 제시하였다. 또한 이 연구 결과는 진입램프 교통류의 합류부 운영효율을 저하를 최소화할 수 있는 기하구조 설계나, 시스템 균형을 이루는 자율주행 알고리즘 등에도 활용될 수 있을 것으로 기대되는 바이다.
The downward fluctuation of throughput at the bottleneck due to the congestion occurrence is intensively studied, and this phenomenon is generally known as capacity-drop. To properly resolve the traffic congestion or prevent the congestion occurrence, understanding this phenomenon and improving the road efficiency is required. In an uninterrupted flow, the bottleneck is activated by the on-ramp traffic. With this background, this study analyzes the influence of on-ramp traffic to either the maximum throughput under non-congestion (maximum throughput) or queue-discharge flow rate during congestion (discharge rate). The analysis contributed in introducing the advanced description of traffic flow fluctuation due to the congestion occurrence at isolated merging bottleneck compared to the classical capacity-drop concept.
In this study, five isolated merging bottleneck study sites are selected at Korean highway junctions to observe main-line and on-ramp traffic information. In empirical observations, some of the higher congested traffic flow data compared to their maximum throughput were collected. It was found that these empirical cases indeed cannot be explained using classical models, where the capacity is defined as a maximum throughput. The existence of higher traffic flow under congestion compared to non-congestion implies that the maximum throughput should not be conceptually regarded as the capacity of the merging bottleneck.
The capacity of the merging bottleneck is much higher than the empirically observed traffic flow. The capacity is dynamically mitigated depending on operation factors and/or highway design factors. The mitigated capacity is observed as the maximum throughput or discharge rate depending on given traffic conditions. From this argument, the throughput fluctuation due to the congestion occurrence should not be referred to as “capacity-drop;” instead, it should be explained by how the maximum throughput and discharge rate get different magnitude of impacts from on-ramp traffic according to the operation factors or highway design factors.
First, I studied the relation between the on-ramp traffic flow ratio (on-ramp ratio) and maximum throughput realized using the empirical method. This relation shows a convex quadratic polynomial relation, which implies that the maximum throughput is minimized at a specific on-ramp traffic flow ratio. The maximum throughput of each site exhibits different levels of elasticity toward change of the on-ramp ratio. The elasticity tends to be increased when the merging bottleneck has a small number of main-line lanes, a single-lane on-ramp, and a bus priority lane at the center. The length of the acceleration lane does not change the maximum throughput elasticity.
Next, the relation between the on-ramp ratio and the discharge rate is analyzed. The discharge rate is influenced by the on-ramp ratio in the queue-forming state with a convex quadratic polynomial relation. Further, the result of the analysis is similar to that for the maximum throughput. The discharge rate is also minimized under the specific on-ramp ratio. The overall elasticity of discharge rate is similar to that of the maximum throughput analysis. The elasticity tends to increase when the merging bottleneck has less number of main-line lanes, a single-lane on-ramp, and a bus priority lane operating in the center. However, unlike the maximum throughput analysis, the length of the acceleration lane affects the elasticity of the discharge rate. In the non-congestion state, the on-ramp traffic easily merges into the main-line traffic; conversely, in the congestion state, the longer length of the acceleration lane helps the on-ramp traffic to easily explore the acceptance gap.
In summary, the empirical observations showing a convex quadratic polynomial relation between the on-ramp ratio and either the maximum throughput or the discharge rate. The key contribution of the convex quadratic polynomial relation is that a given study site can exhibit different magnitudes of gap between the maximum throughput and discharge rate depending upon the on-ramp ratio, which is in the queue-forming state; whereas, previous studies exclusively focused on a certain capacity-drop magnitude.
This study sheds some light on how the operating efficiency of isolated merging bottleneck can be improved through ramp or main-line traffic control. The results will provide practical insights for highway geometric design or a system optimized operation algorithm for connected vehicle, which can minimize the negative impact of on-ramp traffic.
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