[論文レビュー] Agent-Based Modeling and Simulation of Connected and Automated Vehicles Using Game Engine: A Cooperative On-Ramp Merging Study

Ziran Wang, BaekGyu Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2018

Traffic control and management参考文献 18被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、Unity3Dを用いたゲームエンジンベースのエージェント指向シミュレーションフレームワークを提案し、協調的で自律走行車両（CAVs）のための分散型コンSENSUSベースの協調合流プロトコルをモデル化する。人間運転車両と比較して、移動時間は7%短縮され、エネルギー消費は8%削減され、汚染物質排出量は58%削減されたが、安全は確保された。

ABSTRACT

Agent-based modeling and simulation (ABMS) has been a popular approach to modeling autonomous and interacting agents in a multi-agent system. Specifically, ABMS can be applied to connected and automated vehicles (CAVs), since CAVs can be driven autonomously with the help of on-board sensors, and cooperate with each other through vehicle-to-everything (V2X) communications. In this work, we apply ABMS to CAVs using the game engine Unity3D, taking advantage of its visualization capability and other capabilities. Agent-based models of CAVs are built in the Unity3D environment, where vehicles are enabled with connectivity and autonomy by C#-based scripting API. We also build a simulation network in Unity3D based on the city of Mountain View, California. A case study of cooperative on-ramp merging has been carried out with the proposed distributed consensus-based protocol, and then compared with the human-in-the-loop simulation where the on-ramp vehicle is driven by four different human drivers on a driving simulator. The benefits of introducing the proposed protocol are evaluated in terms of travel time, energy consumption, and pollutant emissions. It is shown from the results that the proposed cooperative on-ramp merging protocol can reduce average travel time by 7%, reduce energy consumption and pollutant emissions by 8% and 58%, respectively, and guarantee the driving safety when compared to the human-in-the-loop scenario.

研究の動機と目的

• ゲームエンジンを用いて、複雑な交通相互作用をモデル化する高精度なシミュレーション環境を構築すること。
• CAVs間の協調的合流を可能にする分散型コンセンサスベースのプロトコルを設計および実装すること。
• 移動時間、エネルギー使用量、排出量の観点から、提案されたプロトコルと人間運転車両の合流を比較して性能を評価すること。
• ゲームエンジンを用いたABMが知的交通システムにおけるスケーラブルなCAV相互作用のモデル化と評価に有効であることを実証すること。

提案手法

• 車両の運動およびV2X通信をモデル化するために、C#スクリプトを用いたUnity3Dでシミュレーション環境を構築した。
• 自律性と接続性を備えたCAVのエージェント指向モデルを実装し、リアルタイムの意思決定と調整を可能にした。
• シナリオの妥当性を検証するため、カリフォルニア州マウンテンビューの実際の都市ネットワークをUnity3Dで再構築した。
• 分散型コンセンサスベースのプロトコルにより、CAVsが最適な合流軌道を共同で決定できるようにした。
• 人間ドライバー4名を含む人間をシミュレータに組み込んだ状態で、CAVプロトコルと比較した。
• 性能指標には移動時間、エネルギー消費、汚染物質排出量を含め、複数回のシミュレーション実行で評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協調的合流のための分散型コンセンサスベースのプロトコルは、人間運転車両の合流と比較して移動時間にどのような影響を与えるか？
• RQ2 CAVsの協調動作は、合流シナリオにおけるエネルギー消費をどの程度削減できるか？
• RQ3 提案されたプロトコルは、人間運転車両と比較して汚染物質排出量にどのような影響を与えるか？
• RQ4 シミュレートされた都市環境における協調合流プロトコルの安全性はいかがな性能を示すか？
• RQ5 ゲームエンジンベースのABMフレームワークは、スケールに応じたCAV相互作用のモデル化と評価を効果的に行えるか？

主な発見

• 提案された協調的合流プロトコルにより、人間を含むシミュレーションと比較して平均移動時間が7%短縮された。
• CAVプロトコル下ではエネルギー消費が8%削減され、交通効率の向上が示された。
• 滑らかな加速と停止・再加速の減少により、汚染物質排出量は58%削減された。
• 衝突の防止と安定した合流軌道の確保により、ドライブの安全性が維持された。
• Unity3Dベースのシミュレーションフレームワークにより、高精度な可視化とV2X機能を備えたCAVのリアルタイム相互作用が実現した。
• 結果から、人間運転車両の合流に比べ、協調的CAV行動が効率性と環境的影響の両面で優れていることが示された。