[論文レビュー] Development and Evaluation of Speed Harmonization Using Optimal Control Theory

Andreas A. Malikopoulos, Seongah Hong+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2016

Vehicle emissions and performance参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高速道路の速度制限区域進入前に自動運転車両の速度を調和させるリアルタイム最適制御フレームワークを提案する。後続衝突を回避するとともに、燃料消費と走行時間を最小限に抑える。閉形式解により、人間運転車両と比較して燃料消費を12–17%削減し、走行時間を28–32%短縮する。可変速度制限（VSL）よりさらに性能向上を達成する。

ABSTRACT

This article addresses the problem of harmonizing the speed of a number of automated vehicles before they enter a speed reduction zone on a freeway. We formulate the control problem and provide an analytical, closed-form solution that can be implemented in real time. The solution yields the optimal acceleration/deceleration of each vehicle under the hard safety constraint of rear-end collision avoidance. The effectiveness of the solution is evaluated through a microscopic simulation testbed and it is shown that the proposed approach reduces significantly both fuel consumption and travel time. In particular, for different traffic volume levels, fuel consumption per vehicle is reduced by 12-17% and 2-12% compared to the baseline case, where the vehicles are human-driven without control, and variable speed limit (VSL) respectively, while travel time is reduced by 28-32% and 11-28%.

研究の動機と目的

• 高速道路の速度制限区域への自動運転車両の進入に伴う速度遷移を効率的に管理する課題に対処すること。
• リア・エンジン衝突を硬性の安全制約として満たすリアルタイム制御戦略を開発すること。
• 複数の自動運転車両の速度調和を統合することで、燃料消費と走行時間を最小限に抑えること。
• 微視的シミュレーションを用いて、さまざまな交通量条件下での提案フレームワークの性能を評価すること。

提案手法

• 速度調和問題を、閉形式の解析的解を有する最適制御問題として定式化する。
• 最適制御理論を適用し、各車両のリアルタイム加速度／減速指令を導出する。
• 最小車両間隔を維持することで、リア・エンジン衝突を防止する硬性安全制約を組み込む。
• 多様な交通量レベルでの性能評価を目的とした微視的シミュレーション実験環境を用いる。
• 提案手法をベースラインの人間運転車両および可変速度制限（VSL）戦略と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動運転車両は、速度制限区域進入前にどのように協調的に減速させ、リア・エンジン衝突を回避できるか？
• RQ2 提案された制御フレームワークは、人間運転車両およびVSLシステムと比較して、燃料消費をどの程度削減できるか？
• RQ3 提案手法は、さまざまな交通状況下で走行時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 最適制御解は、安全かつ性能を保証しながらリアルタイムで実装可能か？

主な発見

• 人間運転車両のベースラインケースと比較して、1台あたりの燃料消費が12–17%削減された。
• 可変速度制限（VSL）戦略と比較して、燃料消費が2–12%削減された。
• 人間運転車両と比較して、走行時間が28–32%短縮された。
• VSL戦略と比較して、走行時間が11–28%短縮された。
• 閉形式の解析的解により、リアルタイム性能が達成された。
• すべてのテスト条件下で、リア・エンジン衝突回避が硬性制約として保証された。