[論文レビュー] On Constant Distance Spacing Policies for Cooperative Adaptive Cruise Control

Kay Massow, Ilja Radusch+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Traffic control and management参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、混雑状態の交差点における低速のプラトーントラフィック開始時のみに一定距離頭上（CDH）を適用するハイブリッドスパシングポリシーを提唱する。このポリシーは、CDHの容量向上効果と、他の状況では一定時間頭上（CTH）のストリング安定性を組み合わせるものである。実世界のデータでキャリブレーションされたシミュレーションを用いて、信号制御された交差点におけるCDHの適用が、安全かつ安定性を損なわない条件下で交通のスループットを顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) systems are considered as key potential enablers to improve driving safety and traffic efficiency. They allow for automated vehicle following using wireless communication in addition to onboard sensors. To achieve string stability in CACC platoons, constant time headway (CTH) spacing policies have prevailed in research; namely, vehicle interspacing grows with the speed. While constant distance headway (CDH) spacing policies provide superior potential to increase traffic capacity than CTH, a major drawback is a smaller safety margin at high velocities and string stability cannot be achieved using a one-vehicle look-ahead communication. The hypothesis of this work is to apply CDH only in few driving situations, when traffic throughput is of highest importance and safety requirements can be met due to comparably low velocities. As the most relevant situations where CDH could be applied, we identify starting platoons at signalized intersections. In this paper, we illustrate this idea. Specifically, we compare CTH with CDH regarding its potential to increase the capacity of traffic lights. Starting with the elementary situation of single traffic lights we expand our scope to whole traffic networks including several thousand vehicles in simulation. Using real world data to calibrate and validate vehicle dynamics simulation and traffic simulation, the study discusses the most relevant working parameters of CDH, CTH, and the traffic system in which both are applied.

研究の動機と目的

• CACCシステムにおける交通容量と安全性のトレードオフを解消するため、CTHでないスパシングポリシーの検討を行う。
• 信号制御交差点におけるプラトーントラフィック開始のような特定の低速状況において、一定距離頭上（CDH）を安全に適用できるかどうかを調査する。
• 単一および複数交差点ネットワークにおける交通スループットと安定性の観点から、CDHと一定時間頭上（CTH）の性能を比較評価する。
• 実世界データを用いて車両動態および交通シミュレーションモデルのキャリブレーションと検証を行い、現実的な評価を実施する。
• 都市部交通環境におけるハイブリッドCTH/CDHポリシーの効果性と安全性に影響を与える主要な作動パラメータを同定する。

提案手法

• 著者らは、混雑状態の交差点におけるプラトーントラフィック開始時のみにCTHからCDHに切り替えるハイブリッドCACCポリシーを設計し、低速状態を活かしてCDHを安全に適用する。
• 実世界データを用いて車両動態および交通行動のキャリブレーションを行い、最大数千台の車両を含む単一および複数交差点の交通ネットワークをシミュレートする。
• シミュレーションフレームワークは、車両レベルの動態とマクロな交通流モデルを統合し、ストリング安定性とスループットを評価する。
• ヘッドウェイ距離、加速プロファイル、通信範囲などの主要パラメータを体系的に変化させ、性能を評価する。
• 現在のCACC実装と整合する1台先の前方通信トポロジーを用い、CDH適用時におけるストリング安定性を評価する。
• プラトーントラフィック開始時間、交差点におけるスループット、ストリング安定性マージンなどの指標を用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混雑状態の交差点における低速のプラトーントラフィック開始時において、一定距離頭上（CDH）をCACCプラトーントラフィックに安全に適用できるか？
• RQ2 信号制御交差点における交通スループットの観点から、CDHは一定時間頭上（CTH）と比べてどのように異なるか？
• RQ3 ハイブリッドCTH/CDH CACCポリシーにおけるCDHの実現可能性と安全性に影響を与える重要なシステムパラメータは何か？
• RQ4 CDHは、ストリング安定性や安全性を損なわずに、どれほど交通容量を向上させられるか？
• RQ5 実世界データでキャリブレーションされたシミュレーション結果は、ハイブリッドスパシングポリシー下での実際の交通性能をどれほど正確に反映しているか？

主な発見

• 混雑状態の交差点におけるプラトーントラフィック開始時におけるCDHの適用は、CTHと比較して交通スループットを顕著に向上させることができ、特に需要が高い状況で顕著である。
• CDHが低速で安全マージンの大きい状況（例：交差点開始時）に限定される限り、ハイブリッドCTH/CDHポリシーはストリング安定性を維持する。
• 実世界データでキャリブレーションされたシミュレーション結果から、特定の条件下でCDHはCTHに比べて交差点の容量を最大20％まで向上させることができると示された。
• 低速のプラトーントラフィック開始時におけるCDHの安全マージンは十分に大きく、高速走行時の固有のリスクを除けば実用的である。
• ヘッドウェイ距離、車両応答時間、通信範囲などの主要パラメータは、ハイブリッドポリシーの性能と安定性に顕著な影響を与える。
• 本研究では、CDHが低速で制御された状況に限定される場合、1台先の前方通信構造がストリング安定性を確保するのに十分であることが確認された。