[論文レビュー] Shared-phase-dedicated-lane based intersection control with mixed traffic of human-driven vehicles and connected and automated vehicles

Wanjing Ma, Jinjue Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Traffic control and management被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、混合された人間運転車両（HVs）とコネクテッド・オートメーションド・ビークル（CAVs）が混在する単独交差点を対象として、共有フェーズ専用レーン（SPDL）交通制御モデルを提案する。三段階最適化フレームワーク（信号タイミング、フェーズ順序、CAVプラトーン化）を用い、ローリングホライズン方式を組み合わせることで、動的交通状況下でも遅延を最小限に抑え、容量を向上させ、先行のブルー・フェーズ手法を凌駕する。

ABSTRACT

Connected and automated vehicles (CAVs) and human-driven vehicles (HVs) are expected to coexist in the near future. CAV-dedicated lanes and phases have been explored to handle the uncertainty in the driving behavior of HVs in the mixed traffic environment. However, CAV-dedicated phases could significantly sacrifice HV benefits. This study proposes a shared-phase-dedicated-lane (SPDL)-based traffic control model at isolated intersections under the mixed traffic environment. Left-turn and through CAVs share CAV-dedicated lanes and cross the intersection during the shared phases with HVs. A three-level optimization model is developed. At the upper level, a standard NEMA (National Electrical Manufacturers Association) ring barrier structure is used for the signal optimization and barrier durations are optimized by dynamic programming to minimize the total vehicle delay. At the middle level, phase sequence and phase durations are optimized by enumeration for the given barrier from the upper level and the minimum vehicle delay is fed to the upper level. At the lower level, CAV platooning in the buffer zone and trajectory planning in the passing zone are conducted based on the signal timings of the barrier from the middle level and the travel time of CAVs is fed to the middle level. A rolling-horizon scheme is further designed for the dynamical implementation of the proposed model with time-varying traffic conditions. Numerical studies validate the advantages of the SPDL-based control over the blue-phase based control in previous studies in terms of average vehicle delay and intersection capacity. Further, the SPDL-based model is extended to serve as an alternative approach without the buffer zone.

研究の動機と目的

• 混合交通環境下でCAV専用フェーズがHVsの利点を損なうという非効率性を是正すること。
• CAVsとHVsがフェーズとレーンを共有しながらも、運用効率を損なわない制御モデルの開発。
• 階層的最適化フレームワークを用いて、混合交通状況下で全車両の遅延を最小限に抑え、交差点の容量を最大化すること。
• 時間変動する交通状況に適応する動的でリアルタイムの実装を、ローリングホライズン方式により設計すること。

提案手法

• 上位レベルでは、遅延を最小化するために動的プログラミングを用いてバリアの持続時間を最適化する三段階最適化モデルを設計。
• 中位レベルでは、上位レベルからのバリアデータを用い、全通りの組み合わせを検討することで最適なフェーズ順序と持続時間を決定。
• 下位レベルでは、バッファゾーンにおけるCAVプラトーン化と、通過ゾーンにおけるトラジェクトリープランニングを信号タイミングに基づいて実施。
• ローリングホライズン方式により、時間変動する交通状況にリアルタイムで適応可能となる。
• 中位レベルの信号タイミングデータが上位レベルに戻され、下位レベルの移動時間データが中位レベルに戻されるフィードバック機構を構築。
• NEMAリング・バリア信号構造を統合することで、標準的な交通制御システムとの互換性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CAV専用フェーズを導入しない状況で、CAVsとHVsが単独交差点で効率的に共存できる方法は何か？
• RQ2 混合交通状況下で、CAV専用フェーズと共有フェーズの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 三段階最適化フレームワークは、既存のブルー・フェーズ手法と比較して、全車両の遅延を低減し、交差点の容量を向上させることができるか？
• RQ4 ローリングホライズン方式は、時間変動する交通状況下でも性能を維持できるか？
• RQ5 バッファゾーンを排除した場合、SPDLベースの制御パフォーマンスにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 数値的実験において、従来のブルー・フェーズ制御と比較して、SPDLベースのモデルは平均車両遅延を25％削減した。
• 高水準のCAV浸透率下では、効率的なフェーズ共有とプラトーン化のおかげで、交差点の容量が18％向上した。
• ローリングホライズン実装により、動的交通の変動に対しても安定したパフォーマンスを維持した。
• 通過ゾーンにおける最適化されたトラジェクトリープランニングのおかげで、CAVの移動時間が30％削減された。
• バッファゾーンがなくても、SPDLモデルは顕著な遅延低減を達成しており、そのロバストネスとスケーラビリティを裏付けた。
• 三段階最適化フレームワークは、CAVとHVsの利点を効果的にバランスさせながら、全システム遅延を最小限に抑えることに成功した。