Research on Optimization Method of Green Wave Coordinated Signal Considering Carbon Emission Reduction

기술 요약: 탄소 배출 저감을 고려한 녹색파(Green Wave) 연동 신호 최적화 방법

문제 제기
도시 교통 혼잡과 배기가스 오염은 지속 가능한 발전에 상당한 제약을 가하고 있다. 녹색파 연동 신호 제어는 간선 도로의 효율성을 높이는 입증된 방법이지만, 기존 연구는 신호 매개변수(주기, 녹색 시간, 오프셋)와 탄소 배출 사이의 동적 상관관계에 대한 체계적인 이해가 부족한 경우가 많다. 또한, 현재의 배출 모델은 거시적 평균에 의존하거나 외국 교통 환경(예: 미국)을 기반으로 구축되어 있어, 중국 도로 네트워크에 적용할 때 적응 편향이 발생할 수 있다. 따라서 교통 효율성을 저해하지 않으면서 탄소 저감을 위해 신호 타이밍을 최적화할 수 있도록, 교통 시뮬레이션과 배출량 추정을 통합한 국지적이고 미시적인 접근 방식이 필요하다.

방법론
본 연구는 시뮬레이션, 모델링 및 최적화를 결 der한 다단계 방법론을 채택하였다:

1. 플랫폼 구축 (VISSIM-MOVES 통합):

   • VISSIM(교통 흐름 시뮬레이션)과 MOVES(배출 모델링)를 통합하여 미시적 교통 탄소 배출 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였다.
   • 국지화: MOVES 모델을 중국 상황에 맞게 국지화하였다. 지리적 매개변수는 진난(Jinan)의 기후 데이터(기준점인 미국 미니애폴리스와 매칭)를 사용하여 보정하였고, 차량 연식 분포를 현장 조사에 따라 조정하였으며, 연료 특성(황 및 벤젠 함량)을 중국 VIA 표준에 맞게 업데이트하였다.
   • 데이터 상호작용: Python 스크립트를 통해 VISSIM으로부터 초 단위 속도 및 가속도 데이터를 추출하여, MORES 배출 계산의 동력이 되는 차량 특정 출력(VSP)을 계산하도록 하였다. 이 플랫폼은 현장 측정된 PEMS 데이터와 비교 검증되었으며, 오차 범위 8% 이내를 달성하였다.

2. 평가 및 상관관계 분석:

   • 핵심 평가 지표로 평균 차량 지체(average vehicle delay), 평균 정지 횟수(average number of stops), 평균 대기 행렬 길이(average queue length)를 선정하였다.
   • 피어슨 상관 분석 결과, 이러한 교통 운영 지표와 탄소 배출 사이에 강한 양의 상관관계(계수 > 0.92)가 있음을 확인하였으며, 이를 통해 해당 지표들을 배출 최적화를 위한 대리 지표로 사용하는 타당성을 검증하였다.

3. 시나리오 분류:

   • 최적화 효과의 이질성을 고려하기 위해, 공간적·시간적 특성(예: 교차로 간격, 교통 흐름 상태 - 자유/안정/불안정 흐름 등)에 따라 녹색파 간선 도로를 차별화된 시나리오로 분류하였다.

4. 최적화 모델 개발:

   • 배출량 추정: VSP 이론을 기반으로 총 CO₂ 배출량을 추정하는 수학적 모델을 도출하였다. 이 모델은 배출을 네 가지 단계(가속, 감속, 공회전(대기), 순항)로 분해하며, 총 배출량을 총 정지 횟수 및 총 지체 시간과 직접 연결한다.
   • 지체 모델링: 포화도(saturation < 1) 조건에서 적합한 Webster 지체 모델을 선택하였다.
   • 최적화 전략: "최적 오프셋 제약 — 다매개변수 협력 최적화" 방법을 제안하였다.
     • 1단계: 녹색파 대역폭(bandwidth)을 유지하기 위한 최적의 오프셋을 결정한다.
     • 2단계: 포화도, 보행자 안전 및 신호 분할에 대한 제약 조건을 준수하면서, 총 탄소 배출을 최소화하도록 공통 주기, 협력 방향 녹색 시간 및 녹색파 속도를 최적화한다.
     • 3단계: 오프셋을 미세 조정하여 최종 계획을 확정한다.
   • 솔버(Solver): 최적화 모델을 해결하기 위해 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 사용하였다.

주요 결과
본 방법론은 진난(Jinan)의 일반적인 교차로 간격을 가진 안정 흐름 구간(4개 교차로, I1–I4)의 사례 연구를 통해 검증되었다.

• 매개변수 조정: 최적화 결과, 공통 주기가 증가하였고(220초 $\rightarrow$ 235초), 협력 방향 녹색 시간이 평균 15초 증가하였으며, 녹색파 속도가 상승하였다(55 km/h $\rightarrow$ 62 km/h).
• 성능 개선:
  • 평균 차량 지체: 16.47% 감소 (84.79초 $\rightarrow$ 70.83초).
  • 평균 정지 횟수: 14.34% 감소 (1.234 $\rightarrow$ 1.057).
  • 총 탄소 배출량: 4.78% 감소 (~4.49백만 g $\rightarrow$ ~4.28백만 g).
  • 녹색파 대역폭: 20초 증가 (협력 효율성 31% 개선).
• 메커니즘 분석: 배출량 감소는 주로 "감속-공회전-가속" 사이클의 감소에 의해 주도되었다. 정지 횟수의 감소는 고배출 가속 이벤트를 제거하였고, 지체 감소는 공회전 배출을 낮추었다. 최적화된 녹색파 속도는 차량을 낮은 VSP 빈(0–6 kW/t) 내에 머물게 하여, 거리당 배출량을 8.6% 줄였다.

의의 및 기여
본 논문은 저탄소 교통 관리 분야에 다음과 같은 기여를 한다고 주장한다:

1. 국지화된 배출 모델링: 중국의 지리적, 차량 및 연료 조건에 맞춰 MOVES 모델을 성공적으로 국지화함으로써, 배출 모델링에 대한 국내 독자적 지식재산권의 공백을 메우고 추정 정확도를 향상시켰다.
2. 시나리오 기반 차별화: 균일한 시나리오를 가정하는 기존 연구와 달리, 본 연구는 제어 매개변수가 다양한 시공간적 시나리오(예: 짧은 교차로 간격 vs 긴 교차로 간격)에서 배출량에 어떻게 영향을 미치는지 체계적으로 분석하였다. 이를 통해 최적화 전략이 차별화되어야 함을 밝혔다(예: 짧은 간격의 교차로는 대기 행렬 유출 위험 때문에 녹색 시간 변화에 더 민감함).
3. 새로운 최적화 프레임워크: 제안된 "최적 오프셋 제약" 방법은 배출 저감과 교통 효율성 사이의 충돌을 해결한다. 오프셋을 먼저 고정하여 녹색파 대역폭을 보존함으로써, 배출 저감을 추구하는 과정에서 협력 체계를 무너뜨릴 수 있는 기존 최적화의 함정을 피했다.
4. 시너지 효과 증명: 신호 최적화를 통한 탄소 배출 최소화가 교통 효율성(지체 및 정지 감소)을 동시에 개선할 수 있음을 보여줌으로써, 저탄소 간선 도로 관리를 위한 실행 가능한 기술적 솔루션을 제시하였다.

한계 및 향-후 과제
저자들은 본 연구가 현장 측정치를 기준으로 보정된 시뮬레이션 데이터에 의존하고 있으며, 최종 최적화 결과에 대한 직접적인 다중 소스 실증적 배출 모니터링이 부족하다는 점을 인정하였다. 향 향후 연구에서는 신에너지 차량을 포함한 혼합 교통 흐름을 포함하고, 더 넓은 범위의 현장 모니터링 데이터로 모델을 검증할 것을 제안하였다.