The field of research that has recently come to the fore is the perimeter control, which aims to manage the transfer flow between urban road networks. However, there is a lack of description on the behavior of transfer flow between networks in the relation to macroscopic fundamental diagram (MFD). Hence, a conceptual description on the transfer flow is suggested, and such suggestion is investigated with microscopic simulation experiments. Throughout the investigation, it is found that the network outbound demand pattern strongly influences the maximum outbound flow regardless of the spatial inhomogeneity. It is found that the boundary capacity influences the network outbound flow as well. The restriction effect on outbound flow of a network due to the limited supply level of a neighboring network is also examined. Furthermore, it is found that a network’s inflow or outbound flow in each direction (north, south, east, and west) is proportional to the demand level in each direction. The suggested conceptual description on transfer flow has been confirmed through the investigations, and this can be useful for various analyses on inter-network traffic dynamics.
The focus of the perimeter control is to control traffic demand for large urban area prior to controlling internal flow inside the area. Such control concept needs to be tested by simulations, hence, it is necessary to develop a model that can appropriately estimate or predict the network-wide flow dynamics. In this research, agent-based network transmission model (ANTM) is proposed for describing the aggregated flow dynamics over the urban area of multiple large-scale networks. The proposed model is the combination of the CTM, MFD, and agent concept. The CTM-based simulation is adopted for the simplicity considering the computation requirements for real-time feasibility. The MFD concept is applied for representing the network properties, and a new approach is taken particularly for estimating network outbound flow that gets affected by both demand patterns and boundary capacity. The agent concept is applied for representing drivers’ travel direction choice behaviors. By using the choice behaviors, the split fractions of the network flow in each direction can be dynamically changed based on the traffic condition. The model is compared with microscopic simulations and shows an appropriate level of prediction accuracy for large areas. In addition, various direction choice behaviors are applicable to this model.
Then, several practices have been carried out to see the effect of adjusting the capacity values at the boundaries between network pairs. The first example of the application is the feedback control strategy and the second example is the model predictive control, and a new distributed model predictive control (DMPC) strategy is particularly provided and tested. With these case study examples, the applicability of the newly developed simulation model is presented. Since various perimeter control strategies are applicable, the proposed model can be a useful tool for developing new control approaches in terms of reducing the traffic congestion in urban areas.
도시 교통 제어 분야에서 최근 각광 받고 있는 주제는 네크워크 주변 제어(perimeter control)이다. 주변 제어는 도심 지역단위 도로 네트워크간의 교통량 이동(transfer flow)의 관리를 주요 목적으로 한다. 하지만, 현재까지 이루어진 연구에서는 거시적 교통 기본도(MFD: macroscopic fundamental diagram)에 관계한 네크워크간 교통량 이동 행태에 대한 설명이 부족하다. 본 학위논문에서는 도로 네트워크간 교통량 이동에 대한 개념을 이론적으로 가정하고 이를 마이크로 시뮬레이션을 통하여 조사하였다. 조사 결과, 교통량의 공간적 비균질성(spatial inhomogeneity)의 영향이 유사한 상태에서도 도로 네트워크 유출 수요 패턴(outbound demand pattern)이 최대 교통 유출량(maximum outbound flow)에 강한 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 네트워크 경계의 교통 용량(boundary capacity)도 유출량에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 인접 도로 네트워크의 교통 상태에 따라 해당 네트워크의 유출량이 제한되는 효과도 확인하였으며, 네트워크의 교통 유입량(inflow) 및 유출량이 동, 서, 남, 북 각 방향에 대한 교통 수요량 비율에 비례한다는 것을 발견하였다. 위와 같은 정보는 네크워크간 교통량 이동에 대한 다양한 분석에 유용하게 활용될 수 있다.
주변 제어의 주요 요점은 도심의 각 지역의 내부 교통(internal traffic)을 제어하기 이전에 도심 지역간의 교통 수요를 제어함에 있다. 이러한 제어 방법은 시뮬레이션을 통하여 실험되어야 하므로 네트워크간 교통류 역학(traffic flow dynamics)을 예측할 수 있는 모델 개발이 필요하다. 본 학위논문에서는 다수의 대규모 도심 네트워크의 교통류 역학을 표현하기 위한 에이전트 기반 네트워크 전송 모델(ANTM: agent-based network transmission model)을 개발하였다. 개발된 모델은 cell transmission model(CTM), MFD, 에이전트 개념의 조합으로 구성되었다. CTM 기반 시뮬레이션 개념은 실시간 적용 가능성을 고려하여 채택되었으며, MFD 개념은 각 네트워크 셀의 교통 속성을 표현하기 위하여 적용되었고, 에이전트 개념은 개별 차량 운전자의 이동방향 선택 행동(travel direction choice behavior)를 표현하기 위하여 적용되었다. 마이크로 시뮬레이션과의 비교를 통하여 개발된 모델이 적정 수준 이상의 교통량 예측 정확도를 보여줌을 확인하였다. 또한, 차량 에이전트들의 이동방향 선택 관련 모듈을 시뮬레이션에서 분리된 방식으로 개발하였기 때문에, 다양한 운전자의 선택 행동 모델링 적용이 가능하다.
마이크로 시뮬레이션과의 비교 평가 후, 네트워크 주변 제어에 대한 ANTM 시뮬레이션의 적용가능성(applicability)을 확인하기 위한 테스트를 하였다. 네트워크 주변 제어 적용의 첫 번째 예시는 피드백 제어(feedback control strategy) 전략이며, 두 번째 예시는 분산형 모델 예측 제어(distributed model predictive control) 전략이다. 사례 연구를 통하여, 다양한 네트워크 주변 제어 기법에 대한 ANTM의 적용가능성이 확인되었다. 따라서 새로이 개발된 시뮬레이션 모델은 도심 지역의 교통혼잡을 줄이기 위한 다양한 네트워크 주변 제어 기법 개발과 테스트를 가능케 하는 유용한 도구가 될 수 있다.
