CAV Control Strategy at a Freeway Lane-drop Bottleneck Considering the Gap Settings of AVs

Abstract

Lane-drop bottleneck is a frequently observed bottleneck in a freeway due to lane closures, work zones, and incidents. A potential cause for a capacity drop at a lane-drop bottleneck is the critical conflicts by mandatory lane changing near the lane-dropping point, and the upstream inflow higher than the downstream capacity. Therefore, the throughput is expected to increase by operating CAV control strategy that can reduce disruption and keep the upstream inflow under downstream capacity. CAVs in this study are assumed to provide multiple gap settings, including the shortest and the longest gap settings currently available in commercial AVs. A novel concept that controls the gap setting of CAVs to increase throughput at a lane-drop bottleneck is proposed. The proposed strategy consists of merging control and inflow control. Merging control adjusts the gap setting of CAVs to a proposed gap setting that can reduce disruption caused by merging when applied to CAVs. Inflow control adjusts the gap setting of CAVs to either the shortest or the longest gap setting dynamically to regulate upstream inflow and keep bottleneck occupancy at the target occupancy. Proportional-Integral-Derivative (PID) controller was utilized for inflow control. To validate the proposed strategy, the simulation experiment was conducted with micro-simulation VISSIM. The results indicated that the proposed strategy prevents capacity drop and improves traffic flow efficiency in all demand scenarios under CAV environment. The proposed strategy also improved traffic flow efficiency under all simulated MPR scenarios, and the gain in performance was marginal for MPRs higher than 50%. Furthermore, the proposed strategy reduced CO2 emissions and the number of conflicts for all MPRs.

차로감소 병목구간은 차로감소, 공사, 사고 등으로 인해 고속도로에서 자주 관측된다. 이러한 고속도로 차로감소 병목구간에서는 필수적인 차로변경으로 인한 차들 간의 상충, 그리고 상류부 유입교통량이 하류부 용량보다 큰 상황으로 인해 용량저하가 발생할 수 있다. 따라서 CAV 제어를 통해 차량 합류 행태를 개선하고 상류부 유입교통량을 조절할 수 있다면 정체구간 유출교통량을 늘릴 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 CAV가 현재 판매되는 자율주행차들이 제공하는 차간거리설정을 포함하여 여러 차간거리설정들을 제공한다고 가정하였으며, CAV의 차간거리설정 제어를 통해 차로감소 병목구간의 유출교통량을 증가시킬 수 있는 새로운 개념의 전략을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 전략은 합류제어와 유입량제어로 구성된다. 합류제어는 CAV의 차간거리설정을 합류를 개선할 수 있도록 제안된 새로운 차간거리설정으로 조정한다. 유입량제어는 비례-적분-미분 제어기를 활용하여 CAV들의 차간거리설정을 가장 긴 설정 혹은 가장 짧은 설정으로 동적으로 제어함으로써 상류부 유입교통량을 조절하고 병목구간 점유율을 목표 점유율에 가깝게 유지하도록 한다. 본 연구는 제안된 전략의 성능을 평가하기 위해 미시교통류시뮬레이션 VISSIM에 전략을 구현하고 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, CAV 환경에서 본 전략은 모든 용량 시나리오에 대해 용량저하를 방지하고 운영성을 개선하였다. 또한 본 전략은 검토된 모든 CAV 시장점유율에서 운영성을 개선하였고, 시장점유율 50% 이상에서는 개선 정도의 증가율이 미미함을 확인하였다. 운영성 뿐만 아니라 환경성과 안전성 측면에서도 모든 시장점유율에서 전략이 효과적임을 확인하였다.