[論文レビュー] Traffic Flow Control and Fuel Consumption Reduction via Moving Bottlenecks

Rabie Α. Ramadan, Benjamin Seibold|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2017

Traffic control and management参考文献 6被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、他の車両の遅延を伴わせることなく、高速道路における総合的燃料消費量を削減するために、制御された自動運転車両を移動型の混雑ポイントとして利用する手法を提案する。固定混雑ポイントの上流で、高速で走行する交通を戦略的に遅らせることで、高速時の空力抵抗を低減し、ストップアンドゴーの振動を最小限に抑える。混雑状態では最大18%の燃料節約が達成され、運用コストは最小限に抑えられる。

ABSTRACT

Moving bottlenecks, such as slow-driving vehicles, are commonly thought of as impediments to efficient traffic flow. Here, we demonstrate that in certain situations, moving bottlenecks---properly controlled---can actually be beneficial for the traffic flow, in that they reduce the overall fuel consumption, without imposing any delays on the other vehicles. As an important practical example, we study a fixed bottleneck (e.g., an accident) that has occurred further downstream. This new possibility of traffic control is particularly attractive with autonomous vehicles, which (a) will have fast access to non-local information, such as incidents and congestion downstream; and (b) can execute driving protocols accurately.

研究の動機と目的

• 制御された移動型の混雑ポイントが、他の車両に遅延を及ぼさずに高速道路交通における総合的燃料消費量を削減できるかどうかを調査すること。
• 非局所的な交通データへのアクセスと正確な制御能力を活用できる自動運転車両が、低コストで効果的な交通制御ツールとしての可能性を評価すること。
• さまざまな交通状況下で、現実的な基本的ダイアグラムと燃料消費曲線を用いて、燃料節約量を定量化すること。
• 燃料節約を超えた、環境的および運用上の利点（排出ガス削減、交通の安定性向上など）を探索すること。
• 安全および運用上の制約を満たしつつ、燃料削減を最大化する最適な移動型混雑ポイントの速度を特定すること。

提案手法

• 区分けされた定数密度プロファイルを用いたLighthill-Whitham-Richards (LWR) マクロスコピック保存則による交通流のモデリング。
• 現実的な交通ダイナミクスと燃料消費行動を表現するために、三角形のNewell–Daganzo基本的ダイアグラムと2次式のGreenshieldsフラックスを用いる。
• 操作中は一定速度を維持する制御パラメータとしての移動型混雑ポイントを定義し、交通状態に依存する速度をとる従来のPDE-ODE連成モデルとは明確に区別する。
• LWRフレームワーク内での流れの遷移と波面の伝播をモデル化するため、混雑ポイント付近での結合条件を適用する。
• 特に高速時の抵抗が主な消費要因であるため、速度依存の燃料消費率曲線（実測データから導出）を用いて燃料消費を推定する。
• 制御された移動型混雑ポイントのシナリオ下でのLWRモデルの解析的および数値的解法を用い、移動型混雑ポイント有り・無しの両状況における総燃料使用量を比較することで、燃料節約量を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの制御された移動型混雑ポイントは、他の車両の所要時間を延ばさずに高速道路交通の総合的燃料消費量を削減できるか？
• RQ2 下流に固定混雑ポイントが存在する状況下で、移動型混雑ポイントの最適速度は何か？（燃料節約を最大化するため）
• RQ3 三角形型と2次式型の異なる基本的ダイアグラム（例：三角形型 vs. 2次式型）は、予測される燃料消費量の削減にどのように影響するか？
• RQ4 ストップアンドゴー波や加速に伴う排出ガスといった非平衡効果は、移動型混雑ポイント制御の利点をどの程度拡大させるか？
• RQ5 交通密度、混雑ポイントの位置、車両速度プロファイルの変動に伴う燃料削減の結果に対する感度はどの程度か？

主な発見

• 交通障害によって生じる完全な渋滞を考慮した場合、提案された移動型混雑ポイント制御により、総合的燃料消費量が最大18%まで削減される。実際の条件下では、1時間あたり約1800リットルの節約が達成される。
• 移動型混雑ポイントの影響を受ける渋滞部分に限定して燃料節約を評価した場合、約16%の削減が達成可能であり、強い局所的影響を示している。
• この方法により、混雑への高速移行を2回の中程度の移行に置き換えることで、空力抵抗を低減し、ストップアンドゴー行動を最小限に抑える。
• 自動運転車両の浸透率が低くても、1台のAVで顕著な燃料および排出ガス削減が達成可能であり、制御戦略は非常に有効である。
• 燃料節約に加え、有害排出ガス（HC、CO、NOx）の削減と、ブレーキ摩耗や衝突リスクの増加といったストップアンドゴー交通に伴うリスクの低減も達成される。
• 最適な移動型混雑ポイント速度は、燃料削減に強く依存する重要なパラメータであり、交通密度に依存する。