적응형 교통신호 시스템의 모델링 및 검증

초록

본 논문은 교차로의 교통 흐름을 실시간으로 조절하는 적응형 교통신호를 다중 에이전트 시스템(MAS)으로 모델링하고, 이를 유한 상태 기계(FSM)로 변환한 뒤 CTL 명세를 NuSMV로 검증한다. 검증 결과를 통해 설계 결함을 식별하고 수정함으로써 시스템의 신뢰성을 확보한다.

상세 요약

본 연구는 교통 신호 제어라는 실시간 제어 문제를 다중 에이전트 시스템(MAS) 프레임워크에 매핑함으로써, 각 교차로를 독립적인 에이전트로 간주하고 상호 작용을 통해 전체 네트워크의 흐름을 최적화한다는 점에서 의미가 크다. 기존의 고정 주기 신호와 달리, 제안된 적응형 신호는 차량 대기열 길이, 도착률, 그리고 인접 교차로의 상태 정보를 실시간으로 수집하고, 이를 기반으로 녹색 신호 시간을 동적으로 조정한다. 이러한 동적 조정 로직은 에이전트 내부에 구현된 상태 전이 규칙에 의해 정의되며, 각 에이전트는 센서 입력을 받아 ‘대기’, ‘녹색’, ‘황색’, ‘적색’ 등 네 가지 기본 상태 사이를 전이한다.

모델링 단계에서는 이러한 에이전트 행동을 유한 상태 기계(FSM)로 형식화한다. FSM은 상태 집합 S, 입력 알파벳 Σ, 전이 함수 δ, 초기 상태 s₀으로 구성되며, 여기서 입력 알파벳은 차량 대기열 길이 구간(예: 0‑5, 6‑10, …)과 인접 교차로의 신호 상태를 포함한다. 전이 함수는 CTL 명세에 의해 제약받는 논리적 조건을 반영한다. 예를 들어, “대기열이 10대 이상이면 녹색 신호를 최소 30초 유지한다”는 규칙은 전이 함수의 guard 조건으로 구현된다.

검증 단계에서는 Computation Tree Logic(CTL)으로 시스템 요구사항을 명시한다. 주요 명세는 다음과 같다. ① 교차로가 ‘녹색’ 상태일 때, 일정 시간 내에 대기열이 감소한다(AG (green → AF queue↓)). ② 교통 흐름이 정체되지 않도록, 모든 에이전트는 무한히 자주 ‘녹색’ 상태에 도달한다(AG AF green). ③ 인접 교차로와의 충돌 방지를 위해, 두 교차로가 동시에 ‘녹색’ 상태가 되지 않는다(AG ¬(green_i ∧ green_j)). 이러한 명세는 NuSMV 모델 체커에 입력되어 자동으로 검증된다.

NuSMV 실행 결과, 초기 설계에서는 인접 교차로 간 동시 녹색 허용 버그가 발견되었다. 모델 체커는 위반 상태를 구체적인 상태 조합(예: 교차로 A와 B가 동시에 녹색)과 해당 경로를 제공한다. 연구팀은 전이 함수에 상호 배제 조건을 추가하고, 신호 전환 최소 간격을 명시적으로 정의함으로써 문제를 해결하였다. 수정 후 재검증 결과 모든 CTL 명세가 만족됨을 확인하였다.

이와 같은 형식적 검증 절차는 설계 단계에서 잠재적인 논리 오류를 조기에 탐지하고, 시뮬레이션 기반 테스트만으로는 놓치기 쉬운 비직관적 상호 작용을 드러내는 데 강력한 도구가 된다. 또한, FSM과 CTL을 활용한 모델링은 시스템 규모가 확대되더라도 모듈화된 에이전트 정의를 유지할 수 있어, 대규모 도시 교통망에 적용 가능한 확장성을 제공한다.