With the rapid development of communication and automation technologies, connected and autonomous vehicles (CAVs) have gained increased attention as a potential solution to address the issue of traffic congestion. However, due to long transition period towards a fully autonomous vehicle fleet, it is crucial to understand the flow of mixed traffic that comprises both CAVs and human-driven vehicles (HDVs) and to find an efficient operation strategy. In this paper, we propose a tractable mathematical model for analyzing mixed traffic, considering diverse headways and CAV penetration rates. We determine the optimal CAV penetration rate for each lane through an optimization framework to maximize the capacity of multi-lane highways. We design two scenarios that reflect the level of CAV technology, and conduct numerical examples of multi-lane highways. Furthermore, we investigate the sensitivity of the optimal capacity and planning to changes in the headway between CAVs. The results reveal that it is optimal to sequentially assign CAVs from one lane to multiple lanes, keeping other lanes dedicated only to HDVs, as the total CAV penetration rate increases. Moreover, the presented framework enables to prevent the negative impact of traffic capacity from smaller CAV penetration rate under the conservative scenario. The optimal operation strategy of HDV- and CAV-dedicated lanes based on our findings will greatly contribute to improving the mixed traffic flow of multi-lane highways.
통신 및 자동화 기술의 발전과 함께 커넥티드 자율주행 차량(CAV)이 교통 혼잡 문제의 해결 방안으로 새롭게 주목받고 있다. 그러나, 완전 자율주행 환경으로의 전환 기간이 길기 때문에, CAV와 일반 차량(HDV)이 공존하는 혼합 교통류의 특성을 이해하고 효율적인 운영 방안을 모색하는 것이 중요하다. 따라서, 본 연구는 다양한 차두시간과 CAV 혼입률을 고려하여 혼합 교통류를 분석하기 위한 직관적인 수학적 모형을 제안한다. 또한, 최적화 프레임워크를 통해 다차로 고속도로의 용량을 최대화하기 위한 차로별 CAV 혼입률을 결정한다. CAV 기술 수준을 반영한 두 가지 시나리오를 설계하고, 다차로 고속도로 수치 분석을 수행한다. 더 나아가, CAV 간 차두시간 변화에 대한 최적 용량 및 계획의 민감도를 조사한다. 분석 결과, 전체 CAV 혼입률이 증가할 때 다른 차로는 HDV 전용으로 유지하면서 특정 차로부터 다른 차로로 CAV를 순차적으로 할당하는 것이 최적임을 도출하였다. 또한, 제시된 프레임워크는 보수적인 시나리오에서 낮은 CAV 혼입률에서의 교통 용량의 부정적인 영향을 신속하게 해결하였다. 결정된 차로별 CAV 혼입률에 따른 HDV 및 CAV 전용차로의 최적 운영 전략은 다차로 고속도로의 교통 흐름 개선에 큰 기여가 될 것이다.
