[論文レビュー] Rhythmic Control of Automated Traffic -- Part II: Grid Network Rhythm and Online Routing

Xi Lin, Meng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Traffic control and management参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、グリッドネットワークにおける連結自動運転車両（CAVs）のリアルタイムリズミカルコントロール（RC）フレームワークを提案する。このフレームワークは、事前に定義されたネットワークリズムを用いて衝突のない仮想プラトーを形成し、オンラインルーティングアルゴリズムにより進入時刻と時空トラジェクトリを最適化する。本手法は、2,000台の車両に対して0.3秒のCPU時間でほぼゼロの遅延と高いスループットを達成し、既存手法と比較して優れた計算スケーラビリティと性能を示している。

ABSTRACT

Connected and automated vehicle (CAV) technology is providing urban transportation managers tremendous opportunities for better operation of urban mobility systems. However, there are significant challenges in real-time implementation, as the computational time of the corresponding operations optimization model increases exponentially with increasing vehicle numbers. Following the companion paper (Chen et al., 2020) which proposes a novel automated traffic control scheme for isolated intersections, this study proposes a network-level real-time traffic control framework for CAVs on grid networks. The proposed framework integrates a rhythmic control (RC) method with an online routing algorithm to realize collisionfree control of all CAVs on a network and achieve superior performance in average vehicle delay, network traffic throughput, and computational scalability. Specifically, we construct a preset network rhythm that all CAVs can follow to move on the network and avoid collisions at all intersections. Based on the network rhythm, we then formulate online routing for the CAVs as a mixed integer linear program, which optimizes the entry times of CAVs at all entrances of the network and their time-space routings in real time. We provide a sufficient condition that the linear programming relaxation of the online routing model yields an optimal integer solution. Extensive numerical tests are conducted to show the performance of the proposed operations management framework under various scenarios. It is illustrated that the framework is capable of achieving negligible delays and increased network throughput. Furthermore, the computational time results are also promising. The CPU time for solving a collision-free control optimization problem with 2,000 vehicles is only 0.3 s on an ordinary personal computer.

研究の動機と目的

• 都市ネットワークにおける高計算複雑性を伴う大規模なリアルタイム協調制御の課題に対処すること。
• ネットワーク全体のリズムとオンラインルーティングを統合したスケーラブルで衝突のない制御フレームワークの開発。
• 線形計画法（LP）の緩和と事前に指定されたネットワークリズムを活用することで、数千台の車両に対する計算可能性を確保すること。
• MPおよびFCFSなどの既存の制御戦略と比較して、ネットワークスループットの向上と平均車両遅延の低減を実現すること。
• フレームワークのスケーラビリティと性能について、理論的および実証的妥当性を提供すること。

提案手法

• すべてのCAVsを調整するため、事前に定義されたネットワークリズムを確立し、停止・再加速を伴わず交差点での衝突を回避する仮想プラトーを形成する。
• オンラインルーティングを、ネットワークリズムに基づくCAVの進入時刻と時空トラジェクトリを最適化する混合整数線形計画問題（MILP）として定式化する。
• 最短経路ルーティングモデルの線形計画法（LP）緩和が最適整数解をもたらす十分条件を導出する。これにより、効率的な計算が可能になる。
• LPに基づく近似アルゴリズムを用いて、2つのオンラインルーティングプロトコル—SPR（最短経路ルーティング）およびMPR（多経路ルーティング）—を提案し、解法を実施する。
• 不均衡な需要、一時的なネットワーク内待機、およびネットワークリズムにおける非均一なブロックサイズに対応できるようにフレームワークを拡張する。
• さまざまな需要パターン下での6×6片方向および両方向グリッドネットワークにおける数値実験を通じて、計算スケーラビリティを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リズミカルコントロールフレームワークは、リアルタイムの計算可能性を満たしつつ、グリッドネットワーク上で大規模なCAVsの衝突のない協調制御を可能にするか？
• RQ2 オンラインルーティングモデルのLP緩和が、CAVルーティングにおいて最適整数解をもたらす条件は何か？
• RQ3 提案されたRCフレームワークは、MP制御およびFCFS制御と比較して、平均遅延、スループット、計算時間の観点でどのように異なるか？
• RQ4 ネットワークトポロジー（片方向対両方向）が、さまざまな需要条件下でのリズミカルコントロールの性能に与える影響は何か？
• RQ5 RCフレームワークは、不均衡な需要、動的プラトー、非グリッドネットワーク構造に対応するようにどのように拡張可能か？

主な発見

• 提案されたリズミカルコントロールフレームワークは、すべてのテストシナリオにおいて平均車両遅延を無視できるほど低く抑え、ネットワークの交通スループットを著しく向上させる。
• 2,000台のCAVsを含むネットワークでは、標準的な個人用コンピュータ上での衝突のない制御最適化問題の計算時間はわずか0.3秒であり、強力な計算スケーラビリティを示している。
• 最短経路ルーティングモデルのLP緩和は、導出された十分条件のもとで最適整数解をもたらすため、効率的なリアルタイム計算が可能になる。
• 片方向グリッドネットワークでは、高需要条件下においてMP制御と比較してRCフレームワークが平均遅延とスループットの両面で優れている。
• 片方向ネットワークと両方向ネットワークの性能差は、一時的な遅延を低減するが、迂回路の増加を伴うトレードオフを示しており、高需要都市地域に適している。
• 比較研究の結果、RCはMP制御および適応的ルーティングを備えたFCFSと比較して、遅延低減とスループット向上の両面で顕著に優れている。