[論文レビュー] Decentralized Optimal Control for Connected and Automated Vehicles at an Intersection

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

Traffic control and management参考文献 41被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、完全なハミルトニアン解析を用いて状態制約および制御制約を組み込んだ、都市交差点における連結自動運転車両（CAVs）の分散型最適制御フレームワークを提示する。この手法により、衝突防止および信号機なしの通過が実現され、燃料消費と移動時間の大幅な削減が達成される。シミュレーションによる検証が行われた。

ABSTRACT

In earlier work, we addressed the problem of coordinating online an increasing number of connected and automated vehicles (CAVs) crossing two adjacent intersections in an urban area. The analytical solution, however, did not consider the state and control constraints. In this paper, we present the complete Hamiltonian analysis including state and control constraints. In addition, we present conditions that do not allow the rear-end collision avoidance constraint to become active at any time inside the control zone. The complete analytical solution, when it exists, allows the vehicles to cross the intersection without the use of traffic lights and under the hard constraint of collision avoidance. The effectiveness of the proposed solution is validated through simulation in a single intersection and it is shown that coordination of CAVs can reduce significantly both fuel consumption and travel time.

研究の動機と目的

• 先行研究におけるギャップを埋めるために、交差点におけるCAVs協調制御に状態および制御制約を組み込むこと。
• 厳しい制約下でも追突回避を保証する分散型制御戦略の開発。
• 交通信号のない運用を可能にしつつ、都市交差点における安全性と効率性を維持すること。
• 単一交差点シナリオにおけるシミュレーションを通じて、提案手法の検証。
• 協調的なCAVsの動きによって、燃料消費および移動時間の改善を定量すること。

提案手法

• 状態および制御制約を含む完全なハミルトニアン解析を実施し、CAVsの最適制御を実現する。
• 制御領域内において追突回避制約が非活性のままとなる解析的条件を導出する。
• 各車両が自らの最適軌道を独立して計算できる分散型制御則を定式化する。
• 安全制約を最適制御フレームワークに直接統合し、常に衝突回避を保証する。
• 現実的な車両動態をモデル化するため、状態および制御の上限を考慮した時間最適制御定式化を用いる。
• 複数台のCAVsを含む単一交差点環境において、シミュレーションを用いて制御戦略を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追突回避制約が制御領域全体で非活性のままとなる条件は何か？
• RQ2 状態および制御制約を満たすように、CAVs協調における分散型最適制御をどのように設計できるか？
• RQ3 交通信号が存在しない状況で、燃料消費および移動時間にどの程度の改善が達成できるか？
• RQ4 制約の組み込みが、最適制御問題の解析的解法可能性に与える影響は何か？
• RQ5 分散型意思決定が、交差点におけるCAVsプラトーンの安全性および効率性に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された解析的解法により、信号機に依存せずにCAVsが衝突なしに交差点を通過可能であることが保証された。
• 追突回避制約が活性化しない条件が導出され、制御設計の簡素化が実現された。
• シミュレーション結果から、協調制御戦略が燃料消費および移動時間の両方を顕著に削減することが確認された。
• 完全なハミルトニアン解析により、状態および制御制約が最適制御フレームワークに効果的に統合された。
• 分散型実装により、増加するCAVs数に対してもスケーラブルかつロバストな協調が可能となった。
• 高い安全性を維持しつつ、交通効率の向上とエネルギー消費の削減を達成した。