ACC車両による高速道路サグ部における渋滞緩和効果

土木技術資料 54-5(2012)
ACC車両による高速道路サグ部における渋滞緩和効果
岩﨑
健 ＊ 鈴木一史 ＊＊ 坂井康一 ＊ ＊＊ 金澤文彦 ＊ ＊＊＊
1．はじめに 1
Q（交通量）
国 内の都 市間高速 道路にお ける渋 滞の約 6割は
S （車頭間隔）
基本S-V式
基本容量
Qc
サグ・上り坂部で発生している。これらの渋滞
Kc-1 臨界車頭間隔
要因として、追越車線への車線利用の偏り、
個々のドライバの運転特性のばらつきにより発
Vf
KC
Kj-1 停止車頭間隔
K （密度）
Kj
Vf
生する密で構成台数の多い車群の形成、減速波
V （速度）
基本自由流
速度
の 増 幅 ・ 伝 播 、 上 り 坂 部 で の 無 意 識 な 速 度 低 下 、 図-1 三角形近似の Q-K 式(左)基本追従モデによる S-V 式(右)
Vi+1
および渋滞発生後の漫然運転などが指摘されて
Vi
Vi-1
いる。これらの要因に対して、車線利用率適正
大型車
化 サ ー ビ ス や 速 度 低 下 防 止 /回 復 サ ー ビ ス を は じ
Si,i+1
めとした情報提供により渋滞緩和に繋がる行動
Smini+1
間 距 離 を 一 定 に 維 持 で き る ACC (Adaptive
Cruise Control)機能を搭載した車両(以下ACC車
両)が市販化されている。
ITS研 究 室 で は 、 ITSス ポ ッ ト に よ る 路 車 間 連
携 サ ー ビ ス を 活 用 し た 、 イ ン フ ラ と ACC車 両 の
連携による新たな渋滞対策の確立に向けた研究を
行 っ て い る 。 本 研 究 で は サ グ 部 (こ こ で は 下 り か
ら 上 り へ の 縦 断 勾 配 変 化 区 間 を 対 象 と す る )に お
け る 現 象 を 対 象 と す る 。 ACC機 能 を 活 用 す る こ
とで、勾配変化による速度低下や渋滞発生後の漫
然運転などを抑制・防止することが可能となり、
渋 滞 削 減 効 果 が 見 込 ま れ る 。 し か し 、 ACC車 両
よる渋滞緩和効果を把握するために実施した、ミ
クロ交通シミュレーションによる推計結果につい
て報告する。なお、本研究では東名高速道路下り
大和サグ(横浜町田ICの下流約2km)を対象とする。
V
図-2
最小車頭
間隔
Smini-1
Vfi V
希望速度
Vfi-1 V
個別車両の S-V式
生 要 因 と し て 、 (1)車 間 距 離 の 比 較 的 長 い 車 両 を
先頭として、密で構成台数の多い車群が形成され
る。 (2)車群内の車両が何らかの理由で（サグ部
の場合は勾配の変化）減速した場合、その車両よ
り後続の車両の減速度は、反応の遅れが原因で後
方ほど大きくなる（減速波の上流側への増幅伝
播）。さらに、(3)サグ部の上り勾配区間において、
ドライバがその勾配変化に気づかないため、無意
識に速度が低下し交通容量が低下することが報告
されている 2) 。また、(4)渋滞に巻き込まれている
時間が長くなるほど、追従挙動が緩慢となり発進
流率が低下することが報告されている 2) 。
の混入による渋滞削減の効果は未だ明らかとなっ
て い な い 。 そ こ で 本 稿 で は 、 ACC車 両 の 混 入 に
SCi-1
Smini
Vfi+1
るための車両制御技術として、速度に応じて車
S
臨界車頭
間隔
SCi
SCi+1
一方で、ドライバの運転時の負担を軽減させ
Si-1,i
車頭間隔 S
S
を促すようドライバに働きかける対策が立案さ
れ、一部は実現されている。
小型車
小型車
上記のようなサグ渋滞に特有の挙動も表現でき
るシミュレータとするために、実測交通量より得
られたデータより決定される基本追従モデル
（lower order model 3 ））に、サグ部における車両
挙動の特徴が表現可能なよう、後述する様々なモ
デルを追加した。基本追従モデルの入力データは、
2．ミクロ交通シミュレータの構築
大和サグ部に設置したトラフィックカウンター
2.1 サグ部における運転挙動の表現
交通量より算出されるQ-K式を三角形近似したも
(以下サ グ部ト ラカン )より 取得した 。図 -1は 実測
既 往の研 究 1) に よる とサグ 部にお ける 渋滞の 発
────────────────────────
The Understanding of Congestion Mitigation Effectiveness
According to ACC-equipped Vehicles at Sag Section on
Expressways
の (図 -1左 )と 、 Q-K式 よ り 算 出 さ れ る 基 本 S-V式
(図 -2右 )を示 したも のであ る。また 車線変 更モ デ
ル には花房 ら 4) の提 案する 意思決定 プロセ スによ
－ 30 －
土木技術資料 54-5(2012)
るモデルを採用し、車線変更による影響も考慮し
たモデルとした。
(1) 構成台数の多い車群の形成
走行時において希望する速度や快適に走行でき
る先行車両との間隔はドライバにより異なる。そ
の挙動差異による車群の形成を表現するため、全
て の 車両 が基 本 S-V式 を用 い るの でな く、 図 -2に
非ACC車両の挙動
示す様に、車両ごとに臨界車頭間隔と希望速度を
非ACC車
両の流率
付与し、車両ごとのS-V式に従って追従走行する
モデルとした。なお、最小車頭間隔は停止時の密
度3.3m(120pcu/km)とした。臨界車頭間隔は、臨
非 ACC車 よ り も 追 従
時における反応が
優 れ る た め 、 ACC車
両 の S-V式 よ り も 、
個 別 車 両 の 基 本 S-V
式に近くなるよう
な挙動をする。
ACC車両の流率
界時にサグ部トラカンにより観測されたデータ、
希望速度は閑散時に観測されたデータ、それぞれ
図-3
ACC車両の追従時のS-V（追従履歴）
より算出される平均値と分散に合致するよう、車
表-1
IDM+の設定変数
両ごとにランダムに付与した。このモデルにより、
速度の低い車両が先頭となって車群を形成するプ
ロセスが表現可能となる。なお大型車と小型車の
混入比率はサグ部トラカンの実測値を使用、車長
は大型車9m、小型車5mとした。
(2) 追従車両の加減速挙動の反応遅れ
追従車両の挙動は先行車両の加減速を認知して
上段：設定値
から動作を開始するため、遅れが生じる。よって
下段：設定根拠
追従車両の加減速は、基 本S-V式 に従わず先行車
両に比べ大きくなる。例えば上り勾配区間では、
先行車が加速した場合、反応が遅れるために、一
(3) サグ部上り勾配区間における速度低下
旦車頭時間が長くなって（交通流率（単位時間あ
サグ部の上り勾配区間における、ドライバの無
たりに通過する交通量）が低下する）から基本S-
意識な速度低下を表現するため、上り勾配開始点
V式 に 戻 る よ う な 円 弧 軌 跡 を 描 く （ 図 -3）。 こ の
より徐々に（重力加速度の道路縦断勾配方向成
挙 動 を 表 現 す る た め 先 述 の Lower Order Model
分）速度が低下するモデルを追加した。走行速度
に 加 え て 、 Intelligent Driver Model+( 以 下
の低下幅が一定以上になると、ドライバが速度低
IDM+) 5) （式(1)）を採用し、加減速度の最大値を
下に気づいたとして、走行速度は希望速度に復帰
規定して いる。 IDM+とは自車速 度、及び先行 車
する。速度低下は自由流時にサグ部トラカンより
との相対速度に基づいて加減速度を求める、式
得られた実測値を用いて、勾配開始点より徐々に
(1)で示される非線形追従モデルである。IDM+に
15km/h低 下 し 、 そ の 後 希 望 速 度 ま で 回 復 す る と
おける一般車両(以下非ACC車両)とACC車両の設
いう速度プロファイルを与えている。
定パラメータを表-1に示す。なお、本稿では大型
(4) 渋滞巻き込まれ時間に伴う追従挙動の鈍化
車 ACCの 挙 動 に つ い て は 知 見 が 少 な い た め 車 種
渋滞に巻き込まれる時間が長くなると、運転に
による違いは考慮していない。
対する飽きや疲れ等が原因で追従挙動が鈍化（漫
IDM＋のモデル式
然 運 転 に よ る 発 進 流 率 の 低 下 )す る こ と が 既 往 の
𝑑𝑑
𝑑𝑑
𝑣 4
= 𝑎・ 𝑚𝑚𝑚 �1 − � � , 1 − �
𝑉0
𝑠 ∗ (𝑣, ∆𝑣) = 𝑆0 + 𝑣𝑣 +
𝑣∆𝑣
2√𝑎𝑎
𝑠 ∗ (𝑣,∆𝑣) 2
𝑠
� � -------------[1]
研 究により 知られ ている 2) 。 渋滞発 生後にお ける
捌け交通量の観測データから、渋滞継続時間と交
通流率の関係を算出し、渋滞時間に伴い徐々に交
通流率が低下する(車頭間隔が増加する)モデルと
した。
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土木技術資料 54-5(2012)
表-2
2.2 ACC車両挙動の表現
ACC 車 混 入 率
想定シナリオ
ACC 設 定
市販当初
車間時間設定：
短 （ =1.35 秒 ）
応 遅れ が改善 される )、 (3)勾 配変 化によ らず 速度
3%
5%
10%
30%
50%
70%
一 定 、 (4)渋 滞 巻 き 込 ま れ 時 間 に よ ら ず 車 間 時 間
100%
参考ケース
に お け る 速 度 一 定 制 御 、 (2)追 従 走 行 時 に お け る
車 間 時 間 一 定 制 御 (非 ACC車 両 と 比 較 し 加 減 速 反
一 定 、 と い う ACC車 両 に 特 有 の 挙 動 を 再 現 す る
100km/hで 同 約 50m)、 2.5秒 (長 :車 速 100km/hで
現況シミュレーション交通量
21.52kpトラカン速度
同 約 70m)と 設 定 し た 。 車 間 時 間 の 設 定 が 「 中 」
図-4
8:40
8:30
8:20
8:10
8:00
速度 [km/hr]
0
7:50
10
0
7:40
20
50
7:30
30
100
7:20
40
150
7:10
50
200
7:00
60
250
6:50
70
300
6:40
80
350
6:30
90
400
6:00
100km/h で 車 間 距 離 約 40m) 、 1.85 秒 ( 中 : 車 速
100
450
6:20
メ ーカの 取扱 説明書 等を参 考に、 1.35秒 (短 :車速
500
6:10
であり、本稿ではそれぞれの車間時間を自動車
交通量 [台/5分]
(1) 設定車間時間に応じたS-V式の設定
「 短 」「 中 」「 長 」 の 3段 階 の 車 間 時 間 設 定 が 可 能
目標速度分布：
非 ACC 車 の 希 望 速
度分布と同一
普及促進策導入後
渋滞発生時刻
ようにモデリングを行った。
現 在 市 販 さ れ て い る ACC車 両 は 、 一 般 的 に
自然普及
8:50
ACC車 両 の 車 両 制 御 技 術 で は 、 (1)自 由 走 行 時
渋滞緩和効果試算の検討ケース
21.52KPトラカン交通量（サグより上流側）
現況シミュレーション旅行速度
交通量と速度による現況再現性の確認
以上の場合、渋滞発生前に観測される交通流率よ
ACC車両混入率 10%
りも低くなることが明らかなため、本研究では
ACC車 両 は 全 て 車 間 時 間 「 短 」 を 選 択 す る こ と
□ 第1走行車線
渋滞長でみたときの
渋滞発生時刻
△ 第2走行車線
× 追越車線
を前提とし、渋滞緩和効果を試算することとした。
なお、ACC車両の希望速度は100km/hとした。
(2) ACC車両の制御技術による反応遅れの改善
追 従 走 行 時 に お け る ACC車 両 は 、 非 ACC車 両
渋滞発生時刻
よりも先行車両への速度変化に俊敏な反応が可能
で あ る た め 、 非 ACC車 両 に 比 べ 、 追 従 走 行 時 の
ACC車両混入率 70%
反応遅れは小さく、減速波の伝播が抑制されると
□ 第1走行車線
渋滞長でみたときの
△ 第2走行車線
渋滞発生時刻
× 追越車線
考えられる。
IDM+で 加 減速度の大 きさを 決める最大 加速度
と 最 大 減 速 度 の パ ラ メ ー タ を 、 非 ACC車 両 よ り
基本S-V式に近い小さな 円弧を描くように試行を
行 い 決 定 し た (表 -1中 :a=3m/s 2 ,b=6m/s 2 )。 こ れ に
渋滞発生時刻
より先行車両の速度変化に対して俊敏に反応する
ACC 車 両 の 挙 動 が 表 現 さ れ る 。 図 -3 の よ う に
ACC車 両 は 、 非 ACC車 両 に 比 べ 車 頭 間 隔 の 増 減
図-5
渋滞発生前後における車線別走行速度
(上：混入率 10%、下：混入率70%)
が小さくなるようにパラメータを設定した。
3. 渋滞削減効果の試算
(3)縦断勾配変化による速度低下の解消
3.1 検討ケースの設定
ACC車 両 は 、 上 り 勾 配 区 間 で も ほ と ん ど 速 度
以上述べてきたようにサグ部に特有の挙動と
低 下がな いため 、 2.1(3)で 示した 勾配変化 によ る
ACC車 両 の 挙 動 を 再 現 で き る よ う に ミ ク ロ 交 通
無意識な速度低下は生じないものとした。
シミュレータを構築した。普及シナリオとして、
(4) 渋滞巻き込まれ時間に寄らず車間時間一定
表-2に示す市販当初、自然普及、普及促進策導入
ACC車 両 で は 車 間 時 間 を 一 定 に 制 御 し て い る
後 の 7パタ ー ンを 設定 した 。 各シ ナリ オに 応じ た
た め 、 非 ACC車 両 の よ う に 、 渋 滞 に 巻 き 込 ま れ
ACC車 両 の 混 入 率 が 達 成 さ れ る よ う に ACC車 両
ている時間が長くなることによる追従挙動の鈍化
をランダムに発生させ、シミュレーションによる
は生じないものとした。
推計を行った。
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土木技術資料 54-5(2012)
30
3.2 シミュレーションによる現況再現性の確認
現況再現の対象区間は、東名高速道路の横浜青
22.5
100%
20.4
97%
20
葉 ICの 下 流 15.0kpか ら サ グ 部 の 上 り 勾 配 区 間 の
終 点 で あ る 23.0kpと し た 。 現 況 再 現 性 は 渋 滞 発
1%
0%
生後から速度が安定するまでのプロセスにより確
40
5.2
5
9%
0
積交通量をトラカンデータと比較し、特に渋滞発
60
46%
10
生前後における速度、交通量、および渋滞中の累
80
79%
13.3
15
3%
5%
17%
10%
30%
100
0.8
50%
削減率（％）
渋滞損失時間（千台時）
25
120
24.7 24.4
20
0
0
70% 100%
ACC車両 の混入率
図-6
認している（図-4）。
ACC車両混入率別渋滞損失時間
3.3 試算結果
における渋滞緩和効果について、ミクロ交通シ
(1) 渋滞発生前車線別速度の比較
ミュレーションによる試算結果を示した。設定
図-5は渋滞発生前後における車線別の走行速度
車 間 時 間 が 全 て 「 短 」 で あ り 、 常 に ACC機 能 を
を 示 し た も の で あ る 。 ACC 車 両 の 混 入 率 が
作動させて走行しているという限定的な条件下
10%(図-5 上図)と比較して、70%(図-5 下図)の場
で は あ る が 、 ACC車 両 の 混 入 に よ る 渋 滞 削 減 効
合では渋滞発生直前まで流率の高い状態が維持さ
果が確認された。ミクロ交通シミュレーション
れ て お り 、 渋 滞 発 生 を ACC車 両 混 入 に よ り 遅 ら
に よ り ACC車 両 の 混 入 率 が 増 加 す る に 従 い 、 渋
せる効果が確認されたといえる。
滞長、および渋滞損失時間が短くなることが示
(2) 渋滞損失時間の短縮効果
された。
図 -6は ACC車 両 の 混 入 率 別 の 渋 滞 損 失 時 間 と
現 況 (ACC混 入 率 0%)に 対 す る 削 減 率 の 試 算 結 果
を示したものである。渋滞損失時間とはある設定
区間における基準となる旅行時間と実際にかかっ
た旅行時間の差（遅れ時間）の総和のことであり、
基準旅行時間よりも速く走行した場合、渋滞損失
時間はゼロとなる。ここでは渋滞損失時間の算出
に用いる基準旅行速度として、当該区間における
渋滞発生直前での速度70km/hを用いた。
ミクロ交通シミュレーションによる試算では、
例 え ば ACC車 両 の 混 入 率 30%で 渋 滞 損 失 時 間 の
削 減 率 が 約 50%と な る こ と が 示 さ れ た 。 ACC車
両の普及率増加に伴い、渋滞損失時間削減率も増
加することが示された。
参考文献
1）邢 健 、 越 正 毅 ： 高 速 道 路 の サ グ に お け る 渋 滞 現 象
と 車 両 追 従 挙 動 の 研 究 、 土 木 学 会 論 文 集 、 No.506、
IV-26、pp.44～55、1995.
2） 越 正 毅 、 桑 原 雅 夫 ほ か ：高速 道 路 の ト ン ネ ル ・ サ
グ に お け る 渋 滞 現 象 に 関する 研 究 、 土 木 学 会 論 文
集、No.458、IV-18、pp.65～71、1993.
3） G.F.Newell: A simplified car-following theory; a
lower order model, Transportation Research
Part B, 36, pp.195-205,2002.
4） 花 房 比 佐 友 、 堀 口 良 太 ほ か ： 高 速 道 路 サ グ 部 に お
け る AHS円 滑 化 サ ー ビ ス 評 価 用 交 通 シ ミ ュ レ ー タ
の開発、第4回ITSシンポジウム、2005.
5） Wouter J.Schakel, Bart van Arem et al：Effects
of Cooperative Adaptive Cruise Control on
Traffic Flow Stability, Proceedings of 13 th
International IEEE Annual Conference on
Intelligent Transport Systems, 2010
4. まとめ
本 稿 で は 、 ACC車 両 の 混 入 率 に 応 じ た サ グ 部
岩﨑
健*
国土交通省国土総合政策
総合研究所高度道路交通
システム研究室 交流研
究員
Ken IWASAKI
坂井康一 ***
鈴木一史**
国土交通省国土総合政策
総合研究所高度道路交通
システム研究室 研究
官、博士（工学）
Dr.Kazufumi SUZUKI
国土交通省国土総合政策
総合研究所高度道路交通
システム研究室 主任研
究官
Koichi SAKAI
－ 33 －
金澤文彦 ****
国土交通省国土総合政策
総合研究所高度道路交通
システム研究室長
Fumihiko KANAZAWA