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보리스 커너

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목차

1. 개요

보리스 커너는 엔지니어이자 물리학자이며, 주로 차량 교통 흐름 연구에 기여했다. 그는 자동 솔리톤 이론을 개발하고, 다임러 연구상을 수상했으며, 고속도로 교통 병목 현상에 대한 이해를 바탕으로 3상 교통 이론을 제시했다. 3상 교통 이론은 교통 흐름을 세 가지 상으로 설명하고, 교통 혼잡 발생 확률을 최소화하는 고장 최소화 원리를 도입했다. 또한, 커너는 자율 주행 자동차 개념을 제시하고, 혼잡 패턴 제어 접근법과 네트워크 처리량 최대화 접근법을 개발하는 등 교통 및 운송 과학 발전에 기여했다.

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보리스 커너 - [인물]에 관한 문서
기본 정보
보리스 커너, 2018
이름보리스 S. 커너
출생일1947년 12월 22일
출생지모스크바
국적독일
학문 분야비선형 물리학
교통 및 운송 과학
직장Pulsar and Orion Companies (모스크바) (1972–1992)
Daimler Company (독일) (1992–2013)
University Duisburg-Essen (2013–현재)
교육전자 엔지니어
모교모스크바 기술 대학교 MIREA
박사 학위 논문 제목물리학 및 수학 박사
과학 박사 학위 논문 제목물리학 및 수학 과학 박사
박사 학위 취득 년도1979년
과학 박사 학위 취득 년도1986년
알려진 업적3상 교통 이론
케르너의 3상 이론을 이용한 교통 체증 재구성 (ASDA/FOTO 방법)
수상다임러 연구상 1994

2. 생애 및 학력

1992년 러시아에서 독일로 이주한 후, 슈투트가르트에 위치한 다임러에서 근무하기 시작했다. 이때부터 그의 주요 연구 관심사는 차량 교통 흐름을 이해하는 것으로 바뀌었다. 그는 고속도로 교통 병목 현상에서 나타나는 교통 흐름 붕괴의 경험적 특성을 연구했으며, 이를 바탕으로 1996년부터 2002년까지 3상 교통 이론을 개발했다. 이러한 공로로 1994년 다임러 연구상을 수상했다.

2000년부터 2013년까지 다임러에서 과학 연구 분야 "교통" 부문의 책임자로 일했으며, 2011년에는 독일 두이스부르크-에센 대학교에서 교수 학위를 취득했다. 2013년 1월 31일 다임러에서 은퇴한 후, 현재까지 두이스부르크-에센 대학교에서 교수로 재직 중이다.

2. 1. 초기 생애

커너는 엔지니어이자 물리학자이다. 그는 1947년 소련 모스크바에서 태어났으며, 1972년 모스크바 기술 대학교 Московский технологический университет|모스콥스키 테흐놀로기체스키 우니베르시테트rus (MIREA)를 졸업했다. 이후 소련 과학 아카데미에서 1979년에 Ph.D.|박사eng 학위를, 1986년에 Sc.D.|이학 박사eng 학위를 취득했다. 1972년부터 1992년까지 그의 주요 연구 관심사는 반도체, 플라스마, 고체 물리학 분야였다. 이 기간 동안 그는 V.V. 오시포프와 함께 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 시스템에서 스스로 형성되는 고립된 고유 상태인 자동 솔리톤 이론을 개발했다.

3. 경력

보리스 커너는 엔지니어이자 물리학자이다. 그는 소련 모스크바에서 태어나 모스크바 기술 대학교를 졸업하고 소련 과학 아카데미에서 박사 학위를 취득했다. 초기에는 반도체, 플라스마, 고체 물리학 분야 연구에 집중하며 V.V. 오시포프와 함께 자동 솔리톤 이론을 개발했다.

1992년 독일로 이주한 후에는 슈투트가르트에 있는 다임러에서 근무하며 연구 분야를 차량 교통 흐름으로 전환했다. 그는 고속도로 교통 병목 현상에 대한 연구를 바탕으로 3상 교통 이론을 개발했으며, 1994년에는 다임러 연구상을 수상했다. 다임러에서 교통 연구 책임자로 일하다가 2013년 은퇴 후, 현재는 독일 두이스부르크-에센 대학교에서 교수로 재직 중이다.

3. 1. 소련 시절 (1972-1992)

커너는 엔지니어이자 물리학자이다. 그는 1947년 소련 모스크바에서 태어나 1972년 모스크바 기술 대학교 MIREA를 졸업했다. 보리스 커너는 1979년과 1986년에 각각 소련 과학 아카데미에서 Ph.D.와 Sc.D.(이학 박사) 학위를 받았다. 1972년부터 1992년까지 그의 주요 관심사는 반도체, 플라스마 및 고체 물리학이었다. 이 기간 동안 보리스 커너는 V.V. 오시포프와 함께 광범위한 물리적, 화학적 및 생물학적 소산 시스템에서 형성되는 고립된 고유 상태인 자동 솔리톤 이론을 개발했다.

3. 2. 독일 이민 후 (1992-현재)

1992년 러시아에서 독일로 이민한 후, 커너는 슈투트가르트에 있는 다임러에서 근무를 시작했다. 이때부터 그의 주요 연구 관심사는 차량 교통 흐름을 이해하는 것으로 바뀌었다. 그는 1994년 다임러 연구상을 수상했다. 커너가 이해한 고속도로 교통 병목 현상에서 교통 흐름의 붕괴에 대한 경험적 핵 생성 특성은 그가 1996년부터 2002년까지 소개하고 개발한 커너의 3상 교통 이론의 기반이 되었다.

2000년부터 2013년까지 그는 다임러에서 과학 연구 분야 "교통"의 책임자였다. 2011년에는 독일 두이스부르크-에센 대학교에서 "교수" 학위를 받았다. 2013년 1월 31일 다임러에서 은퇴한 후, 그는 두이스부르크-에센 대학교에서 근무하고 있다.

4. 3상 교통 이론

보리스 커너가 제안한 3상 교통 이론은 교통 흐름을 이해하는 중요한 접근 방식 중 하나이다. 이 이론은 교통 상태를 자유 흐름(F), 동기화 흐름(S), 광역 이동 정체(J)의 세 가지 상(phase)으로 구분하며, 특히 교통 혼잡 상태를 동기화 흐름과 광역 이동 정체라는 두 가지 뚜렷한 상태로 나누어 설명한다.[26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38]

이론의 핵심은 고속도로 병목 현상에서 관찰되는 교통 붕괴를 자유 흐름(F)에서 동기화 흐름(S)으로의 확률적 상전이(F → S 전이)로 설명하고, 이 전이가 핵 생성과 유사한 경험적 특성을 보인다는 점을 강조하는 것이다.[16][17][18] 커너는 1990년대 말 '동기화된 흐름' 개념을 도입하여 이러한 현상을 설명하는 이론적 토대를 마련했다.[39][40]

3상 교통 이론은 특정 수학 모델 자체라기보다는, 실제 교통 데이터 관찰에 기반한 여러 가설로 이루어진 질적 이론 체계이다. 이론의 예측을 검증하고 구체적인 교통 현상을 시뮬레이션하기 위해, 커너와 동료 연구자들은 여러 수학적 모델을 개발했다. 대표적인 예로 2002년 소개된 커너-클레노프 확률적 미시 교통 흐름 모델[43]과 이후 개발된 커너-클레노프-볼프 셀룰러 오토마타 (CA) 교통 흐름 모델[44]이 있다.

이러한 모델들은 3상 이론의 틀 내에서 램프 미터링, 속도 제한 제어, 동적 교통 할당, 다양한 교통 상황(심각한 병목, 이동 병목, 이질적 교통 흐름), 차량 간 통신 (V2V), 자율 주행차의 영향, 도시 교통 신호 제어, 차량 연료 소비량 예측 등 광범위한 교통 문제 연구 및 응용에 활용되어 왔다.[45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55][56][57][58][59][60][61] 커너는 2011년 이후 이 이론을 고속도로뿐만 아니라 도시 교통 분석으로도 확장 적용했다.

4. 1. 이론 개요

보리스 커너의 3상 교통 이론은 교통 흐름을 자유 흐름(F), 동기화 흐름(S), 광역 이동 정체(J)의 세 가지 상으로 구분하여 설명한다. 이 중 동기화 흐름(S)과 광역 이동 정체(J)는 교통 혼잡 상태에 해당한다.

이론의 핵심적인 내용 중 하나는 고속도로 병목 현상에서 발생하는 교통 붕괴가, 자유 흐름 상태가 준안정 상태에 있을 때 동기화 흐름 상태로 넘어가는 확률적 상전이(F → S 전이)라는 점이다. 이는 교통 붕괴(F → S 전이)가 마치 물질의 상변화처럼 특정 지점에서 시작되어 퍼져나가는 핵 생성과 같은 성질을 보인다는 것을 의미한다.[26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38] 커너는 실제 교통 데이터를 통해 관찰되는 이러한 교통 붕괴의 핵 생성 특성을 설명하기 위해 3상 이론을 제시했다.

커너 이론은 또한 동기화 흐름 상태 자체의 불안정성(S → F 불안정성)을 설명한다. 동기화 흐름 상태에서 국소적으로 속도가 충분히 크게 증가하면, 이 변화가 주변으로 퍼져나가며(속도 파동) 결국 해당 구간이 다시 자유 흐름 상태로 돌아가는 국소적인 상전이(S → F 전이)가 발생할 수 있다.[16][17][18] 이처럼 자유 흐름의 준안정성(F → S 전이를 유발)은 동기화 흐름의 불안정성(S → F 전이를 유발)과 밀접하게 연관되어 있다.

1990년대 말 커너가 도입한 '동기화된 흐름'이라는 개념은 F → S 전이의 핵 생성 특성을 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다.[16][17][18][39][40] 이 때문에 '동기화된 흐름'은 사실상 '3상 교통 이론'과 같은 의미로 사용되기도 한다.

커너는 1998년 연구를 통해, 특별한 이유 없이 발생하는 것처럼 보이는 '이동 정체' 현상이 실제로는 F → S → J 순서로 일어나는 연속적인 상전이의 결과임을 경험적 데이터를 통해 밝혔다.[26] 3상 이론에서는 준안정 상태인 자유 흐름에서 동기화 흐름으로의 전이(F → S)가 광역 이동 정체로 바로 전이(F → J)되는 것보다 훨씬 높은 확률로 일어난다고 가정한다.[16]

경험적 관찰 결과에 따르면, 3상 교통 이론에서 다루는 세 가지 교통 상태 사이의 모든 상전이는 핵 생성 특성을 나타낸다.[16][17][18]

커너는 2011년에서 2014년 사이에 고속도로 교통을 설명하기 위해 개발된 3상 이론을 도시 교통 분석에도 적용하여 그 범위를 확장했다.

4. 2. 동기화 흐름

1990년대 말, 보리스 커너는 새로운 교통 위상인 동기화 흐름(Synchronized floweng)을 도입했다.[16][17][18][39][40] 이는 커너의 3상 교통 이론에서 교통 혼잡 상태를 나타내는 두 가지 주요 교통상 중 하나이다(다른 하나는 광역 이동 정체상(J)). 자유 흐름(F)과 구별된다.

동기화 흐름의 핵심적인 특징은 고속도로 병목 현상에서 자유 흐름(F)이 동기화 흐름(S)으로 전환되는 상전이(F → S 전환)가 핵 생성의 특성을 갖도록 한다는 점이다.[16][17][18][39][40] 커너 이론에 따르면, 고속도로 병목 지점에서의 교통 붕괴는 본질적으로 자유 흐름의 준안정 상태에서 발생하는 확률적인 F → S 상전이이며, 이는 핵 생성처럼 국소적으로 시작되어 퍼져나가는 성질을 보인다.[26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38] 실제 교통 데이터에서 관찰되는 이러한 경험적 핵 생성 현상을 설명하는 것이 3상 이론의 주요 목표 중 하나이다.

반대로, 동기화 흐름은 특정 조건에서 다시 자유 흐름으로 돌아갈 수도 있다. 이는 동기화 흐름 내에서 국소적인 속도 증가가 성장하려는 불안정성(S → F 불안정성) 때문이다. 이러한 불안정성이 충분히 커지면 병목 지점에서 동기화 흐름이 국소적으로 자유 흐름으로 전환(S → F 전이)될 수 있다.[16][17][18]

커너는 1998년 연구를 통해, 경험적으로 잘 알려진 '명백한 이유 없이' 발생하는 '이동 정체' 현상이 실제로는 F → S → J 전환이라는 연속적인 상전이 과정을 통해 발생한다는 것을 밝혔다.[26] 3상 이론에 따르면, 준안정 상태의 자유 흐름에서 동기화 흐름으로 전환될 확률(F → S)이 직접 광역 이동 정체상으로 전환될 확률(F → J)보다 훨씬 높기 때문에 이러한 순차적 전환이 나타난다.[16]

경험적 관찰 결과에 따르면, 3상 교통 이론에서 다루는 세 가지 교통 위상(F, S, J) 사이의 모든 상전이는 핵 생성 특성을 나타낸다.[16][17][18] 이러한 동기화 흐름의 개념과 그 특성은 3상 교통 이론의 핵심을 이루므로, '동기화 흐름 교통 위상'이라는 용어는 '3상 교통 이론'과 거의 동의어로 사용될 수 있다.[16][17][18][39][40]

4. 3. 경험적 증거 및 예측

보리스 커너의 3상 교통 이론에서 교통 혼잡 상태는 동기화 흐름(S)과 광역 이동 정체(J)의 두 가지 상으로 나뉘며, 자유 흐름(F)과 구분된다. 이 이론의 중요한 결과 중 하나는 고속도로 병목 현상에서의 교통 붕괴가 자유 흐름의 준안정 상태에서 발생하는 확률적 상전이(F → S 전이)라는 점이다. 이는 실제 교통 데이터에서 관찰되는 경험적 사실로, 교통 붕괴(F → S 전이)가 핵 생성과 유사한 성질을 보인다는 것을 의미한다.[26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38] 커너 이론은 바로 이러한 경험적 핵 생성 성질을 설명하는 데 중점을 둔다.

커너 이론은 F → S 상전이와 관련된 자유 흐름의 준안정성이 동기화 흐름의 불안정성(S → F 불안정성)의 핵 생성 성질에 의해 지배된다고 예측한다. 이 S → F 불안정성은 동기화 흐름 내에서 국소적인 속도 증가가 파동처럼 성장하는 현상을 말하며, 결국 병목 현상에서 동기화 흐름이 자유 흐름으로 국소적으로 전환(S → F 전이)되는 결과로 이어진다.[16][17][18]

1990년대 말, 커너는 F → S 전환의 핵 생성 특성을 설명하는 기본 개념인 '동기화된 흐름'을 도입했다.[16][17][18][39][40] 따라서 '동기화된 흐름'은 '3상 교통 이론'과 거의 같은 의미로 사용될 수 있다.

또한, 1998년 커너는 경험적 교통 데이터를 분석하여, 특별한 이유 없이 발생하는 것으로 알려진 '이동 정체' 현상이 실제로는 F → S → J 전환이라는 연속적인 상전이 때문에 발생한다는 것을 밝혔다.[26] 3상 교통 이론에 따르면, 준안정 상태의 자유 흐름에서 F → S 전환이 일어날 확률이 F → J 전환 확률보다 훨씬 높기 때문에 이러한 연속적 전환이 나타난다.[16] 커너의 이론에서는 세 가지 교통 위상 간의 모든 상전이가 경험적 관찰 결과에 따라 핵 생성 특성을 나타낸다고 본다.[16][17][18]

2011년 이후 커너는 고속도로 교통을 위해 개발된 3상 이론을 도시 교통 분석으로 확장했다. 또한 2011년에는 교통 및 운송 네트워크 제어를 위한 고장 최소화(Breakdown Minimization, BM) 원리를 제안했다. 이 원리는 시스템 최적이나 사용자 균형처럼 통행 시간을 직접 최소화하는 대신, 네트워크 내에서 교통 혼잡 발생 확률 자체를 최소화하는 것을 목표로 한다.[41][42]

5. 3상 교통 이론의 수학적 모델

커너의 3상 교통 이론은 교통 흐름의 수학 모델 자체가 아니라 여러 가설로 이루어진 질적인 교통 흐름 이론이다. 이 이론의 틀 안에서 처음으로 수학적 시뮬레이션을 통해 병목 현상에서 준안정 자유 흐름에서 정체 흐름으로의 상 전이(F → S 상 전이)를 통한 교통 체증 발생을 보여주고 설명한 수학 모델은 2002년에 소개된 커너-클레노프 확률적 미시적 교통 흐름 모델이다.[43] 몇 달 후, 커너, 클레노프, 볼프는 커너의 3상 교통 이론 틀 내에서 셀룰러 오토마타 (CA) 교통 흐름 모델을 개발했다.[44]

커너-클레노프 확률적 교통 흐름 모델은 커너 이론의 틀 안에서 개발되어, 이후 다양한 교통 현상을 시뮬레이션하는 데 활용되었다. 예를 들어 램프 미터링, 속도 제한 제어, 교통 및 운송 네트워크의 동적 교통 할당, 심각한 병목 현상 및 이동 병목 현상의 교통 분석, 서로 다른 차량과 운전자로 구성된 이질적 교통 흐름의 특징 연구, 교통 체증 경고 방법 개발, 협력 운전을 위한 차량 간 통신 (V2V) 통신 연구, 혼합 교통 흐름에서 자율 주행차의 성능 평가, 도시 교통의 신호등에서 발생하는 교통 체증 분석, 과포화된 도시 교통 상황 연구, 교통 네트워크에서 차량 연료 소비량 예측 등에 적용되었다.[45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55][56][57][58][59][60][61]

6. 3상 교통 이론 기반 지능형 교통 시스템

3상 교통 이론은 교통 공학 분야 응용의 이론적 기반이 된다.[16][17] 이 이론에 기반한 주요 지능형 교통 시스템 응용으로는 고속도로 교통 혼잡 재구성을 위한 ASDA/FOTO 방법,[62][63] 교통 정체 발생 시 병목 현상을 관리하는 ''혼잡 패턴 제어 접근법'',[16][64][65] 그리고 선행 차량과의 고정된 차두 시간 개념에서 벗어난 자율 주행 자동차[68][69][70] 등이 있다.

6. 1. ASDA/FOTO 방법

삼상 교통 이론은 교통 공학 분야의 응용에 대한 이론적 기반이다.[16][17] 삼상 교통 이론의 첫 번째 응용 분야 중 하나는 고속도로 네트워크에서 정체된 교통 패턴의 시공간 재구성을 위한 온라인 응용 프로그램에 사용되는 ASDA/FOTO 방법이다.[62][63]

6. 2. 혼잡 패턴 제어 접근법

2004년 커너는 ''혼잡 패턴 제어 접근법''을 소개했다.[16][64][65] 이 접근법은 네트워크 병목 지점에서의 표준적인 교통 제어 방식과 차이가 있다. 표준 방식은 램프 미터링, 속도 제한 또는 다른 교통 제어 전략을 사용하는 제어기를 통해 병목 지점에서 가능한 최대 유량으로 자유 흐름 상태를 유지하려고 시도한다. 반면, 혼잡 패턴 제어 접근법에서는 병목 지점에서 자유 흐름이 유지되는 동안에는 교통 흐름을 제어하지 않는다. 오직 병목 지점에서 자유 흐름에서 동기화된 흐름으로의 전환(F → S 전환), 즉 교통 정체가 발생했을 때만 제어기가 작동하여 병목 지점의 자유 흐름을 회복시키려 한다. 이 혼잡 패턴 제어 접근법은 교통 정체가 발생하는 경험적 핵 생성 특성과 일치하는 것으로 평가된다. 결과적으로 혼잡 패턴 제어 접근법을 통해 병목 지점에서 자유 흐름이 회복되거나, 교통 정체가 병목 지점 주변에 국소적으로 형성될 수 있다.[66][67]

6. 3. 자율 주행 자동차

2004년 커너는 3상 교통 이론의 틀 내에서 자율 주행 자동차의 개념을 도입했다. 3상 교통 이론의 틀 내에서 자율 주행 차량은 선행 차량에 대한 고정된 차두 시간이 없는 자율 주행 차량이다.[68][69][70]

7. 2015년 이후 연구

2015년, 커너는 고속도로 병목 지점에서 교통 정체가 발생하기 전에 F → S → F 전환의 무작위적인 시퀀스가 나타날 수 있음을 발견했다. F → S 전환의 발달은 S → F 불안정으로 인해 중단될 수 있으며, 이는 병목 지점에서 동기화된 흐름(S)이 해소되어 자유 흐름(F)으로 돌아가는 S → F 전환을 유발한다. 이러한 F → S → F 전환은 병목 지점에서 교통 정체가 발생하는 시점에 무작위적인 시간 지연을 가져오는 효과가 있다.[71]

커너는 교통 정체의 경험적 핵 생성 특성(F → S 전환)으로부터 새로운 교통 및 운송 과학 패러다임이 도출된다고 주장했다. 그는 삼상 교통 이론이 확률적 고속도로 용량의 의미를 바꾼다고 설명한다. 즉, 임의의 시간 순간에는 최소 고속도로 용량과 최대 고속도로 용량 사이의 값 범위가 존재하며, 이 값들 자체도 확률적이다. 병목 지점에서의 교통 흐름 속도가 특정 시간 순간의 용량 범위 내에 있을 때, 교통 정체는 단지 일정한 확률로만 발생할 수 있다. 다시 말해, 어떤 경우에는 정체가 발생하고 다른 경우에는 발생하지 않을 수 있다는 것이다.[16][17][18][72]

2016년, 커너는 정체 최소화 원리를 적용한 "네트워크 처리량 최대화 접근법"을 개발했다. 이 접근법은 전체 네트워크에서 자유 흐름 상태를 유지하면서 네트워크의 처리량을 최대화하는 것을 목표로 한다.[73] 같은 해, 그는 교통 또는 운송 네트워크의 성능을 측정하는 "네트워크 용량"이라는 새로운 척도를 도입했다.[73]

2019년에는 S → F 불안정과 S → J 불안정 사이에 시공간적 경쟁이 존재한다는 사실을 발견했다.[38]

참조

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[4] 뉴스 Adapting to road conditions https://www.economis[...] 2024-11-03
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