신호등에서의 협동형 적응형 크루즈컨트롤, 거리 고정 정책의 효율성

초록

본 논문은 협동형 적응형 크루즈컨트롤(CACC)에서 차량 간 거리를 일정하게 유지하는 CDH(Constant Distance Headway) 정책을, 교차로 신호등 대기 시와 같이 저속·고통과량 상황에만 적용함으로써 교통 흐름을 개선하고, 기존의 시간 기반 CTH(Constant Time Headway) 정책과 비교해 용량 향상을 정량적으로 평가한다. 실험은 실제 차량 동역학 데이터를 기반으로 한 마이크로시뮬레이션과 수천 대 차량을 포함한 대규모 교통망 시뮬레이션으로 수행했으며, CDH 적용 시 신호 대기 시간 감소와 교차로 통과량 증가가 확인되었다.

상세 분석

이 연구는 CACC 플래툰에서 문자열 안정성(string stability)을 확보하기 위해 전통적으로 사용되어 온 CTH 정책이 속도에 비례해 차량 간 간격을 늘리는 방식임을 재확인한다. CTH는 고속 주행 시 안전 마진을 충분히 확보하지만, 간격이 커짐에 따라 도로 용량이 제한된다. 반면 CDH는 일정한 물리적 거리(예: 5 m)를 유지하도록 설계돼, 동일 속도 구간에서 차량 밀도를 크게 높일 수 있다. 그러나 고속 구간에서 CDH를 적용하면 안전 여유가 급격히 감소하고, 1대 앞 차량만을 통신으로 참조하는 경우 문자열 안정성을 보장하지 못한다는 근본적인 한계가 있다.

논문은 이러한 한계를 회피하기 위한 전략으로 “조건부 CDH 적용”을 제안한다. 핵심 가정은 교차로 신호등 앞에서 차량이 정지·출발을 반복하는 구간에서는 평균 속도가 낮고, 교통 흐름의 병목이 신호 대기 시간에 크게 좌우된다는 점이다. 따라서 저속 구간에서만 CDH를 적용하고, 고속 구간에서는 기존 CTH로 전환함으로써 두 정책의 장점을 조합한다.

시뮬레이션 설계는 크게 두 단계로 나뉜다. 첫 번째는 단일 신호등을 중심으로 한 마이크로 시뮬레이션으로, 실제 차량 동역학 파라미터(가속·제동 한계, 통신 지연, 센서 오차 등)를 실험 데이터로 보정하였다. 여기서 CDH와 CTH 각각에 대해 차량 간 최소 안전거리, 충돌 위험도, 그리고 신호 대기 시간 감소율을 비교했다. 결과는 CDH 적용 시 평균 대기 시간이 12 %~18 % 감소하고, 충돌 위험도는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않음(속도 ≤ 30 km/h)함을 보여준다.

두 번째는 수천 대 차량이 동시에 흐르는 대규모 교통망 시뮬레이션이다. 네트워크는 다중 교차로와 다양한 신호 주기(30 s, 45 s, 60 s)를 포함했으며, 각 교차로마다 CDH 적용 여부를 독립적으로 제어했다. 주요 평가지표는 교차로 통과량(veh/h), 전체 네트워크 평균 여행 시간, 그리고 플래툰 내 문자열 안정성 지표(ℋ∞ ‑norm)이다. CDH를 신호 대기 구간에만 적용한 경우, 전체 네트워크 통과량이 평균 7 %~10 % 증가하고, 평균 여행 시간은 5 %~9 % 감소했다. 문자열 안정성은 고속 구간에서 CTH가 유지되었기 때문에 손실되지 않았으며, 통신 지연(≤ 100 ms)과 패킷 손실(≤ 2 %) 조건에서도 안정적인 제어가 확인되었다.

핵심 인사이트는 다음과 같다. ① CDH는 저속·고밀도 구간에서 용량을 극대화할 수 있다. ② 안전성은 속도 제한과 통신 품질에 민감하므로, 정책 전환 기준을 명확히 정의해야 한다(예: 속도 ≤ 30 km/h, 통신 지연 ≤ 150 ms). ③ 플래툰 내부의 혼합 정책(고속 CTH / 저속 CDH) 적용 시 문자열 안정성 손실 없이 전체 네트워크 효율성을 향상시킬 수 있다. ④ 실시간 교통 신호 제어와 연계된 V2I(Vehicle‑to‑Infrastructure) 통신을 활용하면, 신호 상태에 따라 자동으로 정책을 전환하는 알고리즘을 구현할 수 있다. 이러한 결과는 향후 스마트 시티 교통 관리 시스템에 CDH 기반의 조건부 플래툰 운영 전략을 도입할 근거를 제공한다.