[論文レビュー] Optimal Control of Connected and Automated Vehicles at Roundabouts: An Investigation in a Mixed-Traffic Environment

Liuhui Zhao, Andreas A. Malikopoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Traffic control and management参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、混在交通環境下における円滑な合流制御を通じて、移動時間と燃料消費量を最小化するための最適制御フレームワークを、交差点における連結・自動運転車両（CAV）の調整に提案する。解析的最適化を用いることで、CAVが加速・減速を同期させ、停止を回避する制御を可能にし、100％のCAV浸透率の近接容量状態において、移動時間は51％削減され、燃料消費量は35％削減される。

ABSTRACT

Connectivity and automation in vehicles provide the most intriguing opportunity for enabling users to better monitor transportation network conditions and make better operating decisions to improve safety and reduce pollution, energy consumption, and travel delays. This paper investigates the implications of optimally coordinating vehicles that are wirelessly connected to each other in roundabouts to achieve a smooth traffic flow. We apply an optimization framework and an analytical solution that allows optimal coordination of vehicles for merging in such traffic scenario. The effectiveness of the proposed approach is validated through simulation and it is shown that fully coordinated vehicles reduce total travel time by 51% and fuel consumption by 35%. Furthermore, we study the influence of vehicle coordination in a mixed-traffic environment and compare the network performance under different market penetration rates of connected and automated vehicles (CAVs). For this particular study with near-capacity demand, due to extremely unstable traffic, the results show that even with high penetration of CAVs (e.g., 80%), travel time and fuel savings are much less than a network of CAVs.

研究の動機と目的

• 高需要下における停止・再加速走行や不安定な流れが原因で生じる円環での交通混雑と非効率を解消すること。
• 混在交通環境下における連結・自動運転車両（CAV）の最適連携が、円環の性能に与える影響を調査すること。
• 特にネットワークの容量に近い状態において、CAVの市場浸透率（MPR）の変動に応じた車両連携の利点を定量的に評価すること。
• 非CAVの存在がCAVの性能に与える影響を評価し、混在交通状況における制限要因を特定すること。
• 安全で効率的な停止なし合流を可能にする、リアルタイム最適化フレームワークの開発と検証すること。

提案手法

• 状態および制御制約を伴う連続時間最適制御問題として、合流制御問題を定式化する。
• 移動時間と燃料消費量を最小化するとともに、安全な間隔を維持するための車両軌道の解析的解を導出する。
• 実時間での車両位置および速度に基づき、制御入力を動的に調整するため、後退ホライズン最適化手法を適用する。
• CAVが衝突や停止を回避するための進入タイミングを調整する合流シナリオとして、円環をモデル化する。
• CAVの市場浸透率（0％～100％）を変化させた状況下で、フレームワークの有効性を検証するためのシミュレーション環境を構築する。
• 車両動態および安全制約（最小ヘッドウェイ）を最適化に組み込み、実現可能性と安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100％のCAV浸透率下で、円環におけるCAVの最適連携が、合計移動時間と燃料消費量に与える影響は何か？
• RQ2 CAVの市場浸透率が変化する混在交通環境下において、CAV連携による性能向上の程度は何か？
• RQ3 非CAVの存在が、特に高需要下におけるCAV連携の有効性に与える影響は何か？
• RQ4 CAV連携によって、容量に近い円環における交通流の安定化と列車形成の防止はどの程度達成可能か？
• RQ5 非CAVの割合が増加するに従い、制御フレームワークの性能はどの程度低下するか？

主な発見

• 100％のCAV市場浸透率下では、非CAV状況と比較して、ネットワーク全体の移動時間が51％削減された。
• 停止・再加速走行の排除と滑らかな加速プロファイルにより、燃料消費量は35％削減された。
• 80％のCAV浸透率でも移動時間の削減は16％にとどまり、非CAVに起因する遅延の影響により、混在交通状況では利点が限定的であることが示された。
• 非CAVの存在により、特に譲るための一時停止が原因で、顕著な遅延と列車形成が生じ、連携されたCAVの流れが乱れる。
• 高需要下ではネットワーク性能が著しく不安定となり、非CAVが存在する場合にはCAV連携の利点が著しく低下する。
• シミュレーション結果から、CAV連携は完全に自動化された環境下で最も効果的であり、非CAVの影響が増加するに従い、利得の減少が顕著であることが確認された。