혼합 교통 흐름을 위한 새로운 셀룰러 오토마타 모델

초록

본 논문은 모터 차량(NaSch)과 비모터 차량(Burgur) 각각에 적합한 셀룰러 오토마타 모델을 결합해 혼합 교통 흐름을 시뮬레이션하는 CCA(Combined Cellular Automata) 모델을 제안한다. 두 모델의 구조적 유사성을 활용해 상호작용을 나타내는 차선 변경 및 결합 규칙을 설계하고, 버스 정류장이 비전용 차선에 위치한 상황을 실험한다. 시뮬레이션 결과, nm‑vehicles와 m‑vehicles 간의 충돌 회피, 정체 형성, 흐름 특성이 현실과 유사하게 재현됨을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 셀룰러 오토마타 기반 교통 모델을 확장하여, 모터화 차량(NaSch, NCA)과 비모터화 차량(Burgur, BCA)의 동시 흐름을 하나의 프레임워크 안에서 다루는 방법론을 제시한다. 먼저, NCA는 차량의 가속·감속·제동·전진을 1차원 격자 상에서 확률적 규칙으로 구현하며, BCA는 보행자·자전거 등 비모터화 교통수단을 연속적인 점유 셀로 표현한다. 두 모델은 시간·공간 이산화 방식과 셀당 최대 점유 수가 유사해 직접적인 결합이 가능하다는 점이 핵심이다.

결합 단계에서는 m‑vehicles와 nm‑vehicles 사이의 물리적 충돌을 방지하고, 실제 도로에서 관찰되는 차선 변경·우회 행동을 모사하기 위해 특수한 차선 변경 규칙을 도입한다. 구체적으로, m‑vehicle이 nm‑vehicle이 점유한 셀에 접근할 경우, 앞선 nm‑vehicle이 일정 거리 이상 이동했을 때만 차선을 변경하도록 하여 ‘우선권’ 개념을 구현한다. 반대로, nm‑vehicle은 m‑vehicle이 근접하면 정지하거나 우측으로 회피하도록 설계되어, 양측 흐름이 서로 방해하지 않으면서도 상호 영향을 주고받는다.

시뮬레이션은 버스 정류장이 비전용 차선에 위치한 전형적인 혼합 교통 상황을 모델링한다. 정류장에 정차하는 버스는 m‑vehicle에 속하지만, 정차 구간이 nm‑vehicle 전용 차선에 겹치므로 차선 변경 규칙이 빈번히 작동한다. 결과는 버스 정차 시 nm‑vehicle 흐름이 일시적으로 감소하고, m‑vehicle은 정차 구간을 우회하거나 대기함으로써 전체 시스템의 평균 속도와 흐름량이 변하는 양상을 보여준다.

이러한 모델링 접근은 기존 연구가 m‑vehicle과 nm‑vehicle을 별도 시뮬레이션하거나, 단순한 충돌 방지 규칙만 적용했던 것과 차별화된다. CCA 모델은 두 교통수단의 미세한 상호작용을 정량적으로 분석할 수 있게 하며, 정책 입안자가 버스 정류장 배치, 전용 차선 설계, 교통 신호 최적화 등을 평가하는 데 유용한 도구가 된다. 다만, 모델은 1차원 도로와 정적인 차선 구조에 한정돼 있어 복합 교차로·다중 차선·동적 신호 체계 등 복잡한 실제 도로 환경에 적용하려면 추가적인 확장이 필요하다.