Implications and numerical application of the asymptotical shock wave model

According to the Lighthill and Whitham's shock wave model, a shock wave exists even in a homogeneous speed condition. They referred this wave as unobservable- analogous to a radio wave that cannot be seen. Recent research has attempted to identify how such a counterintuitive conclusion results from the Lighthill and Whitham's shock wave model, and derive a new asymptotical shock wave model. The asymptotical model showed that the shock wave in a homogenous speed traffic stream is identical to the ambient vehicle speed. Thus, no radio wave-like shock wave exists. However, performance tests of the asymptotical model using numerical values have not yet been performed. We investigated the new asymptotical model by examining the implications of the new model, and tested it using numerical values based on a test scenario. Our investigation showed that the only difference between both models is in the third term of the equations, and that this difference has a crucial role in the model output. Incorporation of model parameter${\alpha}$ is another distinctive feature of the asymptotical model. This parameter makes the asymptotical model more flexible. In addition, due to various choices of ${\alpha}$ values, model calibration to accommodate various traffic flow situations is achievable. In Lighthill and Whitham's model, this is not possible. Our numerical test results showed that the new model yields significantly different outputs: the predicted shock wave speeds of the asymptotical model tend to lean toward the downstream direction in most cases compared to the shock wave speeds of Lighthill and Whitham's model for the same test environment. Statistical tests of significance also indicate that the outputs of the new model are significantly different than the corresponding outputs of Lighthill and Whitham's model.

점진적 충격파모형의 함축적 의미와 검산

Lighthill과 Whitham의 충격파모형에 따르면 동일한 속도를 유지하는 교통류 흐름상태에서도 충격파가 존재하며, 이는 라디오 전파처럼 보이지도 않고 관측할 수도 없다고 하였다. 최근의 한 논문은 이 문제에 대해 새로운 접근방법을 통해 위와 같은 모순이 어떻게 발생하였는지를 보여주었고, 이를 개선하기 위해 점근적 충격파모형 (asymptotical shock wave model) 을 제시하였다. 점근적 충격파모형은 동일한 속도로 이동하는 균일한 교통류에서 라디오 전파와 같은 관측 불가능한 충격파가 존재하지 않는 것을 증명하였다. 그러나 상기 논문은 모형의 유도와 증명에 치중하였고 모형으로서의 해석이나 구체적인 수치를 적용한 모형의 검증은 아직 실행된 적이 없다. 본 논문은 점근적 충격파모형의 내포된 의미를 해석하고, 구체적인 수치를 바탕으로 한 시나리오를 통해 모형의 성능을 시험하였다. 그 결과 점근적 충격파모형은 기존 모형에 비해 수식상의 큰 차이는 없었지만, 유일한 차이인 등식의 세 번째 항목이 모형 결과에 결정적인 차이를 나타냄을 확인하였다. 새 모형에 도입된 파라메터는 적용된 수치의 대소에 따라 그 결과가 다르게 나타났다. 이는 기존의 충격파모형에는 없는 특징으로서, 적절한 수치를 선정한다면 다양한 교통흐름에 신축적으로 모형을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 구체적인 수치를 적용한 점근적모형의 시나리오별 시험 결과 동일한 조건에서 새로운 모형은 기존 모형에 비해 충격파가 교통류의 하류 측으로 더 진행됨을 확인하였다. 양 모형간의 이러한 차이는 통계적 유의성 검토에서도 확인되었으며, 향후 현장 자료를 적용한 추가적 비교연구가 필요한 것으로 사료된다.