[論文レビュー] Rhythmic Control of Automated Traffic -- Part I: Concept and Properties at Isolated Intersections

Xiangdong Chen, Meng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Traffic control and management参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、連結型自動運転車両（CAVs）のための計算効率の高い交差点管理戦略として、リズミカル・コントロール（RC）を提案する。RCは、固定で繰り返される車両移動のシーケンスを通じて、孤立した交差点における衝突防止・停止なし通過を実現する。RCは、複数の衝突する移動を同時に優先順位を共有することで、交差点の容量を著しく向上させ、平均車両遅延を低減する。シミュレーションでは、定常的および非定常的交通状況下で、従来の信号制御および信号なし手法を上回る性能を示した。

ABSTRACT

Leveraging the accuracy and consistency of vehicle motion control enabled by the connected and automated vehicle technology, we propose the rhythmic control (RC) scheme that allows vehicles to pass through an intersection in a conflict-free manner with a preset rhythm. The rhythm enables vehicles to proceed at a constant speed without any stop. The RC is capable of breaking the limitation that right of way can only be allocated to non-conflicting movements at a time. It significantly improves the performance of intersection control for automated traffic. Moreover, the RC with a predetermined rhythm does not require intensive computational efforts to dynamically control vehicles, which may possibly lead to frequent accelerations or decelerations. Assuming stationary vehicle arrivals, we conduct theoretical investigation to show that RC can considerably increase intersection capacity and reduce vehicle delay. Finally, the performance of RC is tested in the simulations with both stationary and non-stationary vehicle arrivals at both symmetric and asymmetric intersections.

研究の動機と目的

• 連結型自動運転車両（CAVs）のための既存のリアルタイム交差点制御手法におけるスケーラビリティおよび性能の制限を解決すること。
• 衝突防止を保証しながら、頻繁な加速・減速を回避する計算コストが低い制御方式を開発すること。
• 従来の制約である「同時に処理可能な移動は非衝突移動に限られる」という制限を打ち破り、交差点のスループットを向上させること。
• 対称的および非対称的交差点、および定常的および非定常的車両到着状況を含む、さまざまな交通状況下でのRCの性能を評価すること。
• 将来的なグリッドスケール連携の基盤を築くために、スケーラブルで安全かつ効率的な制御フレームワークを、孤立した交差点に提案すること。

提案手法

• RCは、交差するレーンからの車両を交互に切り替えることで、各衝突ポイントでの衝突防止を保証する固定で繰り返される移動シーケンスに車両移動を整理する。
• 車両は事前に定められたリズムに従い、交差点での特定の時間スロットに割り当てられ、停止なしで一定速度で走行可能となる。
• 最小車両間隔閾値（δ）を安全制約に統合することで、微小な軌道ずれに対しても安全を確保する。
• δを超えてずれた車両に対しては、リアルタイムで軌道調整が行われ、隣接する利用可能な時間スロットを用いて安全とシーケンスの整合性を維持する。
• 深刻な状況（車両の故障やブロック）が発生した場合には、影響を受けるレーンの一時的な無効化が行われ、システムの安全と他のレーンの運用継続を保証する。
• 本フレームワークは、完全な車両間通信（V2V）および車両-インfra通信（V2I）を仮定しており、正確な運動制御とリアルタイムの連携を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の信号制御および信号なしCAV制御手法と比較して、リズミカル・コントロール方式が交差点の容量を著しく向上させ、車両遅延を低減できるか？
• RQ2 非定常的かつ非対称な交通需要状況下（特にアプローチ間での需要にばらつきがある場合）でRCはどのように性能を発揮するか？
• RQ3 RCは、衝突を避ける限り、複数の衝突する移動を同時に優先順位を保証できる程度まで、従来のフェーズベース信号制御の制限を超えることができるか？
• RQ4 微小な軌道ずれや車両故障などの現実世界の擾乱に対して、RCはどれほど頑健か？
• RQ5 RCを現実の交差点に安全に導入するにあたり、実装上の課題と緊急時回復メカニズムは何か？

主な発見

• RCは、定常的および非定常的需要下、対称的および非対称的交差点において、ほとんどの交通状況で最低の平均車両遅延を達成した。
• RCでは、従来の信号制御および信号なし制御と比較して、交差点の容量が著しく向上した。特に、複数の衝突する移動がリズミカルなシーケンシングにより連携される場合に顕著であった。
• RCは、衝突を避ける限り、複数の衝突する移動を同時に進行可能にし、従来の制限（非衝突移動のみが同時に処理可能）を打ち破った。
• 本手法は計算的に効率的であり、リアルタイム最適化に高コストを要しないため、実世界の応用にスケーラブルである。
• 軌道調整プロトコルは、安全閾値δ内でのずれを効果的に処理し、継続的な衝突なしの運用を保証した。
• 緊急時プロトコル（ブロック状態でのレーンの一時無効化）により、システムの安全性が維持され、影響を受けないレーンの運用継続が可能となった。