[論文レビュー] Towards Next Generation of Pedestrian and Connected Vehicle In-the-loop Research: A Digital Twin Co-Simulation Framework

Zijin Wang, Ou Zheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Traffic control and management被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Carla-SUMO共同シミュレーションとCAVEを用いて、物理的・デジタルなループで接続された車両（CVs）と歩行者を統合するデジタルツイン共同シミュレーションフレームワークを提案する。物理的およびデジタルのデジタルツイン間でリアルタイムかつ双方向のデータ交換を可能とし、V2P警告システムの事例研究を通じて検証された。次世代ITS研究におけるより現実的でスケーラブルなフレームワークを実現した。

ABSTRACT

Digital Twin is an emerging technology that replicates real-world entities into a digital space. It has attracted increasing attention in the transportation field and many researchers are exploring its future applications in the development of Intelligent Transportation System (ITS) technologies. Connected vehicles (CVs) and pedestrians are among the major traffic participants in ITS. However, the usage of Digital Twin in research involving both CV and pedestrian remains largely unexplored. In this study, a Digital Twin framework for CV and pedestrian in-the-loop simulation is proposed. The proposed framework consists of the physical world, the digital world, and data transmission in between. The features for the entities (CV and pedestrian) that need digital twining are divided into external state and internal state, and the attributes in each state are described. We also demonstrate a sample architecture under the proposed Digital Twin framework, which is based on Carla-Sumo Co-simulation and Cave automatic virtual environment (CAVE). A case study that investigates Vehicle-Pedestrian (V2P) warning system is conducted to validate the effectiveness of the presented architecture. The proposed framework is expected to provide guidance to the future Digital Twin research, and the architecture we build can serve as the testbed for further research and development of ITS applications on CV and pedestrians.

研究の動機と目的

• インтелリジェント交通システムにおける、接続された車両と歩行者を同時に統合したデジタルツインフレームワークの不足を解消すること。
• 物理的およびデジタルのデジタルツイン間でリアルタイムシミュレーションを可能とする双方向データ送信システムの開発。
• 歩行者および接続された車両を含むV2Xアプリケーションの評価に適した拡張性があり、没入型のテストベッドの構築。
• V2P警告システムに関する事例研究を通じて、フレームワークの検証。
• 将来のITS研究における人間-車両相互作用を想定したデジタルツイン環境の基盤となるアーキテクチャの提供。

提案手法

• フレームワークは、三つの構成要素（物理的世界、デジタル世界、双方向データ送信）からなるクローズドループシステムを構築する。
• エンティティ（CVsおよび歩行者）は、外部状態（例：位置、速度）と内部状態（例：意思決定論理、行動意図）でモデル化される。
• デジタルツインアーキテクチャは、交通および車両動態シミュレーションのため、Carla-SUMO共同シミュレーションプラットフォームを用いて実装される。
• 没入型の人間を含むテストは、現実的な歩行者行動シミュレーションのため、CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）を介して実現される。
• データ同期により、シミュレーション中における物理的およびデジタル表現間のリアルタイム一貫性が保証される。
• フレームワークは動的シナリオ生成およびV2P警告システム評価のためのリアルタイムフィードバックをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 双方向的かつリアルタイムなループで、接続された車両と歩行者を同時にモデル化できるデジタルツイン共同シミュレーションフレームワークは、どのように設計可能か？
• RQ2 物理的およびデジタルのデジタルツイン間で正確かつ低遅延のデータ交換を実現するために必要なアーキテクチャ的構成要素は何か？
• RQ3 CAVEを用いた没入型環境の統合は、ITSシミュレーションにおける歩行者行動モデルの忠実性をどのように向上させるか？
• RQ4 提案されたフレームワークは、V2P警告システムの開発および検証をどの程度まで支援できるか？
• RQ5 複雑で動的な交通シナリオにおいて、フレームワークの主な性能およびスケーラビリティ特性は何か？

主な発見

• 提案されたデジタルツインフレームワークは、接続された車両および歩行者の物理的およびデジタル表現間で、リアルタイムかつ双方向の相互作用を成功裏に実現した。
• Carla-SUMO共同シミュレーションとCAVEの統合により、歩行者行動の人間を含むテストに適した高精度で没入型の環境が実現された。
• 事例研究により、フレームワークが現実的な交通状況下でV2P警告システムを効果的にシミュレートおよび評価できることを示した。
• フレームワークは動的シナリオ生成およびリアルタイムデータ同期をサポートしており、シミュレーションの正確性と応答性が向上した。
• アーキテクチャは拡張可能であり、将来の歩行者および接続された車両を含むITSアプリケーションのための実用的で有効なテストベッドとして機能する。