PID-Based Freeway Work Zone Traffic Control with Short-Term Traffic State Prediction under Mixed Traffic Flow of CAV and MV

Abstract

During road work, lane closure is a primary reason for the reduction in road capacity. Merging of vehicles from the queue in closed work zone lane to the neighboring lane may cause congestion to worsen. This study proposes a freeway work zone traffic control to relieve congestion and improve flow efficiency in mixed flow with connected automated vehicles (CAV). To resolve the problem, a new work zone traffic control consists of Merge control and Speed control. A short-term prediction model and a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller are applied to Merge control for work zones. The merge control determines the traffic state through the predicted density of open lanes at each segment, and can flexibly respond to the traffic situation by determining Merge or No merge. When Merge is determined at a segment, the proper number of merging vehicles is estimated through PID control using the threshold of severely congestion as the target value. The purpose of Speed control is to provide a sufficient vehicle gap to merging vehicles through Slow down or No speed limit control depending on the predicted density of open lanes for upstream vehicles. The effect of the proposed work zone traffic control was analyzed by implementing a calibrated real world network under mixed traffic flow of CAVs and manual vehicles using a microscopic simulation tool. Simulation results show that work zone traffic control improves the merging behavior of work zone vehicles. First of all, the number of merging vehicles concentrated near the work zone has been dispersed upstream. Additionally, the ratio of vehicles with low merging speed decreased, and the density of open lanes maintained below the threshold causing severe congestion. As a result, the proposed work zone traffic control improved the operational efficiency, safety, and environmental indices of the work zone by providing the number of merging vehicles and the speed limit value suitable for the traffic situation.

도로공사로 인한 차로 폐쇄는 도로용량 감소의 주요 원인이다. 폐쇄차로의 대기행렬에 속한 차량들의 합류는 정체를 더 악화시킬 수 있다. 본 연구는 connected automated vehicles (CAV)가 혼재된 상황에서 정체를 완화하고 교통 효율을 개선하기 위한 고속도로 공사구간의 교통관리를 제안한다. 고속도로 공사구간 교통관리는 합류제어와 속도제어로 구성된다. 고속도로 공사구간 합류제어에는 Short-term 교통류 예측 모델과 Proportional-Integral-Derivative (PID) controller가 적용되었다. 본 합류제어는 각 segment 별 일반차로의 예측밀도를 통해 교통류 상태를 판단하고, Merge 혹은 No merge를 결정하여 교통상황에 유연하게 대응할 수 있다. Merge가 결정되었을 때, 극심한 혼잡의 임계값을 목표값으로 사용하는 PID control을 통해 적절한 합류차량 대수가 산정된다. 속도제어는 상류부 차량들에게 일반차로의 예측밀도에 따라 Slow down 혹은 No speed limit의 제어를 통해 합류차량들에게 충분한 차량간격을 제공하는데 목적이 있다. 본 연구에서 제안하는 공사구간 교통관리는 미시교통 시뮬레이션을 활용하여 현실에 맞춰 보정된 실제 고속도로 네트워크에 CAV와 일반차량이 혼재된 상황을 구현하여 효과분석 되었다. 시뮬레이션 결과에서 공사구간 교통관리가 공사구간 차량들의 합류행태를 개선시키는 것이 나타났다. 우선 공사구간 인근에 집중된 합류차량 대수가 상류부로 분산되었다. 또한 차량들의 저속 합류 비율이 감소했고, 일반차로의 밀도가 극심한 혼잡을 유발하는 임계값 이하로 유지되었다. 결과적으로 본 연구에서 제안하는 공사구간 교통관리는 교통상황에 알맞는 합류차량 대수와 속도제한 값을 제공하여 공사구간의 운영성, 안전성, 환경성 지표를 개선시켰다.