[論文レビュー] Decision Making for Autonomous Vehicles at Unsignalized Intersection in Presence of Malicious Vehicles

Sasinee Pruekprasert, Xiao–Yi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Traffic control and management参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、信号のない交差点における自律走行車両の意思決定フレームワークを、ナッシュ均衡に基づくゲーム理論的手法で提案する。この手法は、車両が自らの優先順位（天使的：法的順守、中間的：中程度の順守、悪意的：自己優先・非合理的）を認識することで、衝突を解消する。交通の相互作用は逐次ゲームとしてモデル化され、車両は右折権に関する自らの信念に基づき合理的に行動する。数値シミュレーションにより、衝突率が0%にまで低下するなど、予測不可能な行動に対しても高い耐性を示し、急激に変化する危険な状況においても効果的に対処できる。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the decision making of autonomous vehicles in an unsignalized intersection in presence of malicious vehicles, which are vehicles that do not respect the law by not using the proper rules of the right of way. Each vehicle computes its control input as a Nash equilibrium of a game determined by the priority order based on its own belief: each of non-malicious vehicle bases its order on the law, while a malicious one considers itself as having priority. To illustrate our method, we provide numerical simulations, with different scenarios given by different cases of malicious vehicles.

研究の動機と目的

• 信号のない交差点における自律走行車両の安全かつ効率的な意思決定の課題を解決すること。
• 右折権ルールを無視する悪意のあるまたは非合理的な運転手と、自律走行車両との相互作用をモデル化すること。
• 各車両が優先順位について持つ信念に基づきナッシュ均衡を計算する、スケーラブルなゲーム理論フレームワークを構築し、安全かつ効率的な意思決定を保証すること。
• 天使的・中間的・悪意ある車両が混在する多様なシナリオにおいて、シミュレーションを用いて手法の耐性を検証すること。
• 一部の車両が予測不可能または自己中心的に行動する状況下でも、衝突を防止し、混雑を管理できるかを示すこと。

提案手法

• 意思決定プロセスは、完全情報の逐次ゲームとしてモデル化され、各車両は自らの優先順位に関する信念に基づき、ナッシュ均衡として制御入力を計算する。
• 車両は3種類に分類される：天使的（右折権ルールを順守）、中間的（部分的にルールを順守）、悪意的（自己優先または非合理的に行動）。
• 優先順位の順序は、各車両の信念によって決定される。天使的車両は公式な右折権ルールを用い、悪意ある車両は実際のルールに関係なく自らを優先すると仮定する。
• 車両の状態と意図に基づく優先順位の形式的定式化により、予期しない行動が発生した際に意思決定順序を動的に再評価できる。
• 制御入力はゲーム理論的最適化から導出され、加速度入力は離散的集合から選択される：減速用に[-50, -50, -50]、停止用に[0,0,0]、加速用に[10,0,0]または[20,0,0]。
• 非合理的な車両の場合、加速度は{-50, 0, 10, 20} m/s²からランダムに選択され、予測不能な行動を模倣する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右折権ルールを無視する悪意ある運転手が存在する状況下で、自律走行車両が信号のない交差点を安全に通過する方法は何か？
• RQ2 ナッシュ均衡に基づくゲーム理論的手法は、合理的および非合理的な車両が混在する交通環境において、安全性と効率性をどの程度確保できるか？
• RQ3 信念に基づく優先順位システムは、実世界の交通動態を的確にモデル化できるか？ すなわち、交通法規遵守の程度が異なる車両の行動を適切に表現できるか？
• RQ4 非合理的または自己中心的な車両の存在が、衝突率、混雑、および交差点全体の通過能力に与える影響は何か？
• RQ5 本手法は、悪意ある車両による突然の予測不能な操作をリアルタイム意思決定で適切に処理できるほど十分に耐性があるか？

主な発見

• 4台の天使的車両（ケース1）を想定したシミュレーションでは、衝突率は0%、平均合計時間は56.87ステップ（5.687秒）であり、安全かつ効率的な走行が確認された。
• 1台の悪意ある車両が存在する場合（ケース2）、衝突率は依然0%で、平均時間は53.98ステップ（5.398秒）に低下した。これは、自己中心的な車両が他車両に譲らせるため、意思決定が単純化されたことを示唆している。
• 非合理的な車両が存在するシナリオ（ケース4）では、衝突率が0.4%に上昇し、4.0%のシミュレーションで混雑が発生した。これは、本手法が予測不能な行動に対処できることを示している。
• 初期速度がゼロでない場合（ケース1’～4’）、意思決定時間の短縮により混雑が増加したが、初期速度の高さのおかげで合計時間は短縮された。
• 図4に示す危険なシナリオでは、非合理的な車両が突然停止・再始動したが、他の車両が動的に優先順位を再評価し、安全に回避した。
• 天使的車両が存在しない場合（ケース3および3’）でも、本手法は安全で安定した動作を維持した。これは、中間的車両の優先順位再評価メカニズムの耐性の高さを示している。