[論文レビュー] A Decentralized Optimal Control Framework for Connected and Automated Vehicles at Urban Intersections

Andreas A. Malikopoulos, Christos G. Cassandras+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Traffic control and management参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、信号のない都市交差点におけるコネクテッド自動運転車両（CAVs）の分散型最適制御フレームワークを提案する。各車両は、集中型最適化から導出されたスループットを最大化する走行時刻に従って、独立してエネルギー消費を最小化する。提案手法は、定められた条件下で安全かつ実行可能であることを保証し、シミュレーションにより燃料消費と移動時間の顕著な削減が確認された。

ABSTRACT

We address the problem of optimally controlling connected automated vehicles (CAVs) crossing an urban inter- section without any explicit traffic signaling. We first formulate a centralized problem with the objective of controlling CAV acceler- ation/deceleration to maximize traffic throughput subject to hard safety constraints and minimal energy cost. We show that the solution of this problem provides the times required for individual CAVs to cross the intersection and that the centralized problem becomes, under certain conditions, equivalent to a decentralized framework whereby each CAV minimizes its energy consumption subject to the throughput-maximizing timing constraints. We present a complete analytical solution of these decentralized problems and derive conditions under which feasible solutions satisfying all safety constraints always exist. The effectiveness of the proposed solution is validated through simulation and shows significant reductions in both fuel consumption and travel time.

研究の動機と目的

• 信号のない都市交差点におけるコネクテッド自動運転車両（CAVs）の制御フレームワークを開発すること。
• 厳密な安全制約のもとで、スループットを最大化するとともにエネルギー消費を最小化すること。
• 集中型最適制御問題を、実装に適した分散型定式化に変換すること。
• 交差点を安全に通過するための、実行可能で安全な車両軌道を保証する解析的条件を導出すること。
• 実際の都市交差点シナリオにおけるシミュレーションにより、フレームワークを検証すること。

提案手法

• 集中型最適制御問題を定式化し、CAVsの最適な加減速プロファイルを決定する。これにより、スループットを最大化し、エネルギー消費を最小化する。
• 集中型最適化から得られる走行時刻制約を導出し、これを分散型フレームワークにおける固定時刻入力として用いる。
• 集中型問題を、各CAVが自らのエネルギー消費を独立して最小化する分散型問題に変換する。ただし、スループット最適化された走行時刻を満たすものとする。
• 各個々のCAVについて、解析的解を用いて分散型最適制御問題を解く。
• すべての安全制約を満たす実行可能解が常に存在するための数学的条件を確立する。
• 実際の都市交差点シナリオを想定したシミュレーションにより、フレームワークを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型制御フレームワークは、信号のない交差点におけるCAVsについて、集中型最適制御解と同等のスループットとエネルギー効率を達成できるか？
• RQ2 分散型フレームワークにおいて、実行可能で安全な軌道が存在する条件は何か？
• RQ3 エネルギー消費および移動時間の観点から、分散型解は集中型最適化と比べてどのように異なるか？
• RQ4 分散型環境において、安全制約が常に満たされるための解析的条件は何か？
• RQ5 分散型フレームワークは、保証された性能と安全性を備えて実用的に実装可能か？

主な発見

• 導出された条件下では、分散型フレームワークは集中型解と同等の最適スループットを達成する。
• 各CAVは、集中型最適化から得られる時刻制約を満たしつつ、独立してエネルギー消費を最小化できる。
• 導出された解析的条件が満たされれば、すべての安全制約を満たす実行可能解が存在する。
• シミュレーションにより、従来の制御戦略と比較して燃料消費と移動時間が顕著に削減された。
• 解析的解により、リアルタイム適用性と都市交差点制御におけるスケーラビリティが保証される。
• 本フレームワークにより、信号のない高スループットでエネルギー効率の良い都市交差点の交通流が実現可能となる。