Numerical analysis and practical application of moving bottlenecks
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2019
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University Department of Urban Planning and Engineering 2019.8
발행연도
2019
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
이동병목 현상의 수치적 해석과 적용에 관한 연구
형태사항
xiii, 92장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Jin-hyuk Chung
UCI식별코드
I804:11046-000000521648
소장기관
The phenomenon of the capacity reduction caused by slow-moving vehicles on highways is defined as a moving bottleneck, which is differentiated from the bottlenecks that occur at fixed points(stationary bottleneck) owing to the physical and geometric conditions of roads. Newell(1998) used a moving coordinate to present the characteristics of a moving bottleneck occurring along a two-lane unidirectional highway clearly and reasonably. Therefore, this thesis analyzed the effect of moving bottlenecks on traffic flow numerically using Newell's theory and intended to demonstrate its validity.
To facilitate the numerical analysis, the q–k relation should be simplified into the triangular form presented by Newell. To analyze bottlenecks that occur when the total numbers of input and output vehicles in the same space–time area are the same, the total delay and number of vehicles in congestion must be the same regardless of the movement of the bottleneck. Under this premise, three examples of moving bottlenecks were analyzed numerically using Newell's methodology. Comparing with the case of a stationary bottleneck under the same road and traffic conditions, the obtained results satisfied the aforementioned premise. However, the congestion duration due to the considered moving bottleneck was longer than that due to the stationary bottleneck because the bottleneck section moved downstream according to the speed of slow vehicles. When considering the time required for further travel until the driven bottleneck point, the total travel time in the entire space–time area was the same regardless of the movement of the bottleneck. Therefore, this paper considerably concludes the validity of the analysis methodology of moving bottlenecks presented by Newell numerically. Additionally, traffic characteristics of moving bottlenecks were derived as an analysis of the change in the speed of moving bottlenecks, arrival traffic flow rate, and capacity of roads.
In this study, a moving bottleneck detection algorithm was proposed as a practical application of the analysis methodology of moving bottlenecks. The basic principle of the algorithm was to use speed data that varied with time and location to find the cases, where low speeds are continuously detected at three or more downstream points. A two-lane unidirectional highway was analyzed. First, a moving bottleneck was determined to occur when the areas with an average speed of less than 80 km/h were moving downstream according to the data. The developed algorithm was able to detect such low-speed areas, and through this algorithm, specific moving bottleneck occurrence points and their duration time were derived. To verify that the detected low-speed areas resulted from slow vehicles, the detection results were compared with video data only for Honam Branch Line, for which the video data were available. Therefore, the actual slow vehicles were confirmed to pass through the corresponding section, resulting in a decrease in the average speed of the section. The algorithm developed herein demonstrated that detecting low-speed areas moving downstream through real data is possible regardless of the detection of its causes.
In the future, the proposed methodology for numerical analysis of moving bottlenecks is expected to calculate the maximum throughput for basic freeway segments and environmental impact analysis of moving bottlenecks. Additionally, the detection algorithm developed herein can contribute to the management of chronically congested sections. Detecting slow vehicles causing moving bottlenecks is expected to be easier in case the algorithm is constructed in conjunction with CCTV data. Future research includes developing a method for finding an optimal value of the detection reference speed of the algorithm and verifying it.
고속도로에서 저속으로 주행하는 차량에 의해 용량저하가 발생하는 현상을 이동병목으로 정의한다. 이는 차로수 감소구간이나 합류지점 등과 같이 도로의 기하구조적인 조건으로 인해 고정된 지점에서 발생하는 병목현상(이하 고정병목)과는 차별화된다. 이동병목에 관한 기존의 연구를 고찰한 결과, Newell은 이동좌표계를 활용하여 편도 2차로 고속도로에서 발생하는 이동병목의 특성을 명확하고 합리적으로 제시하였다. 따라서, 본 연구에서는 Newell의 이론을 활용하여 이동병목이 교통류에 미치는 영향을 수치적으로 해석하고, 이 이론의 유효성을 입증하고자 하였다.
이동병목에 의해 발생하는 혼잡의 영향을 분석하고, 그 결과를 정량적인 수치로 도출하기 위해서는 Newell이 제시한 삼각형 형태로 단순화한 교통량-밀도 관계식을 활용하여야 한다. 이에 대한 유효성은 Son & Hurdle이 입증한 바 있다. 총입력차량수와 총출력차량수가 같은 동일한 시공간영역내에서 발생한 병목현상을 분석하면, 병목의 이동여부에 관계없이 총지체와 지체경험차량수는 당연히 같아야 한다. 이러한 전제하에, Newell이 제시한 이동병목 현상의 해석방법론으로 다음과 같은 세 개의 예제를 분석하였다.
첫째, 단일 이동병목이 발생하는 경우
둘째, 이동병목이 하류부에 존재하는 고정병목과 중첩되는 경우
셋째, 두 개의 이동병목이 중첩되는 경우
모든 도로 및 교통조건이 동일한 조건에서 이동병목과 고정병목을 비교한 결과, 위에서 언급한 전제를 만족시키는 것으로 확인되었다. 단, 이동병목에 의한 혼잡지속시간은 병목이 저속차량속도에 따라 하류부로 이동하기 때문에 고정병목에 비해 길었다. 하지만, 병목구간이 이동한 만큼 추가로 주행하는데 소요되는 시간을 감안하면, 전체 시공간영역 내에서 소요되는 총 시간은 병목의 이동여부에 관계없이 동일하다. 따라서, 본 논문에서는 중요한 결론으로 Newell이 제시한 이동병목 현상의 해석방법론의 유효함이 수치적으로 입증되었음을 얻었다.
또한, 이동병목의 다양한 조건이 변화함에 따른 교통류 특성의 변화를 분석을 통해 도출하였다. 이동병목의 속도가 증가할수록 혼잡이 종료되는 지점이 차량 진행방향을 따라 더욱 멀어지며, 혼잡영역 내의 밀도는 낮아지고, 혼잡영역 내의 주행 속도는 증가한다. 이동병목을 통과할 수 있는 최대 통과 교통류율의 범위는 1차로 용량에서 2차로 용량 사이에 존재하며, 이동병목의 속도가 증가함에 따라 최대 통과 교통류율도 증가한다. 이동병목 구간으로 진입하는 교통류율이 1차로 용량을 초과하면 혼잡이 발생하기 시작하며, 진입 교통량이 증가할수록 혼잡영역이 넓어진다.
Newell이 제시한 이동병목이론은 유효하며, 이동병목 현상을 해석하기에 효과적임이 입증되었으므로, 이를 실제 병목현상에 적용하는 방안으로 본 연구에서는 이동병목 검지알고리즘을 새롭게 제시하였다. 실제 고속도로 데이터의 분석을 통해 얻은 이동병목의 혼잡패턴을 알고리즘으로 검지하고, 알고리즘의 검지 능력을 확인하고자 하였다. 이동병목 검지알고리즘의 기본 원리는 시간 및 위치에 따라 변화하는 속도데이터를 활용하여, 총 3개 이상의 연속된 지점에서 저속이 검지 되는 경우를 찾아내는 방식으로 설정하였다. 분석대상 고속도로는 편도 2차로 고속도로로 한정하였으며, 영동고속도로, 호남선지선고속도로, 남해고속도로를 대상으로 분석을 진행하였다. 먼저, 고속도로 데이터에서 속도가 80km/h 미만인 저속영역이 하류부로 이동하는 현상이 나타나는 경우, 이동병목이 발생한 것으로 판단하였다. 개발한 알고리즘은 이러한 저속영역의 검지가 가능하였고, 이를 통해 구체적인 이동병목의 발생 지점 및 지속 시간을 도출하였다. 알고리즘을 통해 검지된 이동병목에 의한 혼잡영역은 짧게는 3개의 검지기를 지나는 구간(약 1.7km)에서 길게는 7개의 구간(약 10.6km)에 걸쳐 발생하였다. 검지된 저속영역이 실제 저속차량에 의해 발생하였음을 확인하고자 영상자료가 존재하는 호남선지선고속도로에 한하여 검지 결과를 영상자료와 대조하였다. 그 결과, 실제 저속차량이 해당 구간을 통과함으로 인해 평균통행속도의 저하가 발생하였음이 확인되었다. 본 연구에서 개발된 알고리즘은 저속영역의 발생 원인의 검지 가능 여부와 관계없이 실제 데이터를 통해 하류부로 움직이는 저속영역을 검지하는 능력은 충분히 입증됨을 밝히는 바이다.
끝으로 본 연구 결과에 대한 추가적인 활용방안 및 향후 연구과제를 다음과 같이 제안한다. 이동병목 현상의 수치적 해석 방법론은 향후 고속도로 기본구간 분석 시 최대 통과 교통류율 산정방법에 적용할 수 있을 것이며, 이동병목의 환경적 영향 분석에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 본 연구에서 개발한 검지알고리즘의 결과를 이동병목에 의한 상습적인 혼잡 지점을 평가하는 지표로써 활용한다면, 고속도로 관리를 위한 정책적 기여가 충분히 가능할 것이다. 또한, 알고리즘이 실시간으로 수집되는 CCTV 영상자료와 연계되어 구축된다면, 이동병목의 원인이 되는 저속차량의 검지에 용이할 것으로 기대되는 바이다. 알고리즘의 검지 기준속도의 최적값을 찾고, 이를 검증하는 방법에 대해서는 향후 발전시켜야 할 과제로 남겨두고자 한다.
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