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화음탐색법을 이용한 교통망 링크 통행비용함수 정산기법 개발
Calibration of a Network Link Travel Cost Function with the Harmony Search Algorithm 원문보기

大韓交通學會誌 = Journal of Korean Society of Transportation, v.30 no.5, 2012년, pp.71 - 82  

김현명 (명지대학교 교통공학과) ,  황용환 (명지대학교 교통공학과) ,  양인철 (한국건설기술연구원 도로연구실)

초록
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본 연구에서는 최근 개발된 화음 탐색법을 이용해 교통망 통행배정 모형의 통행비용 함수의 하나인 BPR 함수의 계수들을 추정하였다. 기존 연구에서는 교통량과 통행시간 자료를 실측해 이를 통계적으로 분석해 계수를 추정하는 방법과 관측교통량과 통행배정 교통량을 일치시키는 계수값을 찾는 것을 목표로 통행배정 모형과 최적화 기법을 결합시킨 방법을 이용하여왔다. 이중 대형 교통망의 계수 정산에 자주 이용되어온 최적화 기법은 관측 통행패턴을 최대한 근접하게 재현하는 계수를 추정할 수 있다는 장점이 있으나 그 수학적 성질과 추정 계수값에 대한 수학적 검토가 충분히 이루어지지 못했다. 본 연구에서는 이러한 문제 인식아래 최근 개발된 전역 탐색 기법인 화음탐색법 기반의 교통망 비용함수 정산 방법을 개발하였다. 화음탐색법은 2000년대 초반 개발된 이후 다양한 분야에서 기존에 사용되던 전역탐색기법들에 비해 우수한 성질을 입증하여 왔으나 교통분야에는 그 적용 예가 거의 없었다. 본 연구는 화음탐색법의 개념을 설명하고 이를 이용해 개발된 정산 알고리즘을 기존 연구에서 사용된 점진증가법 및 황금율법과 성능 비교하였다. 화음탐색법 기반 정산기법은 기존 기법들에 비해 관측 통행패턴을 보다 근접하게 재현할 수 있는 비용함수 계수값들을 찾을 수 있는 것으로 나타났다. 또, 관측 교통량 기반 계수추정법은 BPR식의 ${\beta}$값 추정에는 적합하지만 초기속도나 ${\alpha}$값 정산을 위해서는 통행 속도나 시간과 같은 추가 자료가 필요한 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Some previous studies adopted a method statistically based on the observed traffic volumes and travel times to estimate the parameters. Others tried to find an optimal set of parameters to minimize the gap between the observed and estimated traffic volumes using, for instance, a combined optimizatio...

주제어

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문제 정의

  • 먼저 최적화기법의 한계를 완화하기 위해 α와 β 및 초기속도(V0)값의 추정 범위를 합리적으로 설정할 경우 이를 최적화 과정에서 반영할 수 있도록 전역 탐색 기법을 설계하였다. 또 추정 범위뿐만 아니라 각 도로 위계별로 각 계수들 간에 지켜져야 할 제약조건들이 있는 경우 이러한 제약들이 최적화 과정에서 반영되도록 수학적 제약식을 구성해 최적화가 가능하도록 하였다. 단, 본 연구에서는 이러한 제약들이 수학적 최적화 과정에서 반영되도록 설계하는 것만 고려하고, 개별 도로위계간의 계수관계나 계수의 존재 범위를 교통류 이론을 통해 설정하는 것은 향후연구로 남겨둔다.
  • 본 연구는 이러한 교통망 정산에 관련된 여러 문제 중 새로운 정산 알고리즘을 제시하는데 목표를 두고 있다. 복수해가 존재하는 교통망 정산의 특성상 전역 탐색 알고리즘(Global search algorithm)의 일종인 화음 탐색법(Harmony search method)을 이용해 통행 비용함수 계수정산 문제를 풀 수 있는 알고리즘을 개발하였고, 개발된 기법을 실제 정산문제에 황금율(Golden section) 법, 점진증가(Incremental) 법과 같은 전통적 기법과 함께 적용하여 그 성능을 비교하였다.
  • 본 연구는 최근 전역탐색 알고리즘으로 개발되어 다양한 분야에서 적용되고 있는 화음탐색법을 통행비용함수 정산에 적용하고 그 성능을 기존 기법과 비교하는데 목표를 두고 있다 (Geem et al., 2005; Lee and Geem, 2005). 본 연구에서는 Meta-Heuristic 최적화 알고리즘의 하나인 화음탐색법을 적용하여 정적 교통망의 VDF 계수 추정 문제를 풀기로 한다.
  • 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 두 기법의 장점을 결합한 추정 기법을 제시하였다. 먼저 최적화기법의 한계를 완화하기 위해 α와 β 및 초기속도(V0)값의 추정 범위를 합리적으로 설정할 경우 이를 최적화 과정에서 반영할 수 있도록 전역 탐색 기법을 설계하였다.
  • 본 연구에서는 향후 연구를 위한 중요한 시사점들도 제시하였다. 먼저 현재 가장 많이 이용되는 교통량 재현력을 기준으로 한 통행비용함수 계수 정산은 V0와 α값 정산에 대해서는 한계가 있을 수 있다는 점이다.
  • 위의 연구들이 혼잡의 영향을 고려하기 위해 함수를 복수로 정의하였다면, 최근 들어 통행배정모형의 발전과 함께 차량의 유형에 따라 또는 도로구간의 유형에 따라 개별 함수를 정의하는 연구들도 발표되고 있다. 이러한 연구의 초기 예로는 Mahmassani and Mouskos(1988)을 들 수 있는데, 이 연구에서는 승용차와 트럭의 동일 링크 주행에 따른 상호 영향을 고려하기 위해 복수 차종이 혼재된 교통량을 고려하는 링크 통행비용 함수를 제시하였다

가설 설정

  • 평가교통망의 경우 Figure 3에서 보인바와 같이 정방형이며 각 노드들은 길이 20km의 링크로 연결되어있는 G(25, 80)의 교통망으로서, 개별 링크의 용량은 1,200(대/시)와 1,800(대/시)의 두 가지 값으로 설정되었으며, 개별 링크의 구체적 용량 설정은 논문 분량상 싣지 않았다. 교통망의 링크 종류는 총 4개 유형으로 Table 5과 같이 가정하였으며, 각 계수별로 존재범위역시 가정하였다. 예제에 사용된 관측교통량은 도로 위계별로 VDF 계수값을 가정한 후 정적 통행배정을 통해 얻어진 교통량을 사용하였다.
  • 이러한 문제를 고려하고자 본 연구에서는 전체 계수존재영역에서 최소값 기준으로 0.25, 0.50, 0.75 위치에서 참값을 선정하여 참값을 가정하였다. 예를 들어 계수의 존재 범위가 0부터 10인 경우 0.
  • 화음탐색법을 통행비용함수 계수 정산에 적용할 경우 가장 복잡한 점은 목적함수의 형태가 아니라 각 계수들에 적용되는 제약식의 형태이다. 통행비용 함수의 계수들은 본 연구에서 크게 두 가지 종류의 제약들에 의해 종속된다고 가정한다. 첫 번째 제약은 계수값의 존재범위제약으로서 이 값은 초기에 설정되면 계산 과정에서는 바뀌지 않기 때문에 계수의 초기값 발생과 계산과정 중간에 발생하는 화음의 임의발생 과정에서 경계 제약으로만 고려하면 다른 복잡한 고려과정을 필요로 하지는 않는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
화음탐색법에서 새로운 화음을 만드는 방법 세 가지는 무엇인가? 화음기억이란 새로운 화음을 만드는 경우 HM에 있는 화음을 조합해 새 화음을 만들어내는 것을 말한다. 화음탐색법에서는 새로운 화음을 만드는 방법이 크게 세 가지가 있는데, 첫 번째는 현재의 기억과 관계없이 완전히 새로운 화음을 만드는 것이며, 두 번째 기법은 현재 기억된 화음에서 일부 기억들을 추출해 새로운 화음을 만드는 화음기억이고, 세 번째 기법은 피치조정이다.
화음탐색법이란 무엇인가? 화음탐색법(이하 HS) 는 음악 작곡에서 그 기본개념을 가져왔는데, 연주자가 청중에게 감동을 주기위해현장에서 좋은 화음 조합을 찾아 연주하는 즉흥 연주를 모방한 알고리즘으로서, 연주자들이 서로 조화를 찾아가며 연주하는 것을 모방해 아름다운 화음을 찾듯이 해를 검색하는 방법이다. 최적화연산 과정은 연주자가 자신의 악기를 이용해 음을 연주하되 복수의 악기를 연주한 음이 얼마나 아름다운지를 평가하고 이를 조정하는 과정으로 이루어진다.
최적화연산 과정 중, 각 악기들이 연주한 음들 중 좋은 화음이 저장되는데 이를 무엇이라 하는가? 최적화연산 과정은 연주자가 자신의 악기를 이용해 음을 연주하되 복수의 악기를 연주한 음이 얼마나 아름다운지를 평가하고 이를 조정하는 과정으로 이루어진다. 이때, 각 악기들이 연주한 음들 중 좋은 화음이 저장되는데 이를 Harmony memory(이하 HM)라 한다. HM에 저장 가능한 화음의 최대개수는 HMS(Harmony memory size)라 하며, HMS의 역할은 유전알고리즘(Genetic algorithm)에서 유전자와 동일하다.
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