[논문 리뷰] Are commercially implemented adaptive cruise control systems string stable?

George Gunter, Derek Gloudemans외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

Traffic control and management참고 문헌 48인용 수 268

한 줄 요약

연구는 2018년식 ACC 장착 차량 일곱 대를 테스트하고 모든 차량이 스트링 불안정하다고 밝혀내며, 데이터 기반 지연 미분방정식 모델을 1,200마일이 넘는 주행 데이터로 보정하고, 여덟 대 편대(platoon)에서 불안정을 검증한다.

ABSTRACT

In this article, we assess the string stability of seven 2018 model year adaptive cruise control (ACC) equipped vehicles that are widely available in the US market. Seven distinct vehicle models from two different vehicle makes are analyzed using data collected from more than 1,200 miles of driving in car-following experiments with ACC engaged by the follower vehicle. The resulting dataset is used to identify the parameters of a linear second order delay differential equation model that approximates the behavior of the black box ACC systems. The string stability of the data-fitted model associated with each vehicle is assessed, and the main finding is that all seven vehicle models have string unstable ACC systems. For one commonly available vehicle model that offers ACC as a standard feature on all trim levels, we validate the string stability finding with a multi-vehicle platoon experiment in which all vehicles are the same year, make, and model. In this test, an initial disturbance of 6 mph is amplified to a 25 mph disturbance, at which point the last vehicle in the platoon is observed to disengage the ACC. The data collected in the driving experiments is made available, representing the largest publicly available comparative driving dataset on ACC equipped vehicles.

연구 동기 및 목표

• 현실 주행에서 현재의 상용 ACC 시스템이 스트링 안정성을 가지는지 평가한다.
• 현장 데이터로부터 ACC 동작을 근사하는 데이터 기반의 지연 기반 차간 추종 모델을 개발한다.
• 각 테스트 대상 ACC 시스템의 스트링 안정성을 정량화하고 교란이 편대에서 어떻게 전파되는지 이해한다.
• 동일 차종 차량을 이용한 다중 차량 편대 실험으로 안정성 결론을 검증한다.

제안 방법

• 지연 미분방정식으로 ACC 동역학 모델화(최적 속도와 상대속도 항(OVRV) 및 시간 지연 포함) ˙s_i(t)=v_{i-1}(t)−v_i(t), ˙v_i(t)=k1[s_i(t−τ)−η−t_h v_i(t)]+k2[v_{i−1}(t−τ)−v_i(t)].
• 훈련 데이터에서 NOMAD를 사용해 시뮬레이션 속도와 측정 속도 사이의 평균 제곱 오차를 최소화하여 매개변수(k1, k2, t_h, τ, η)를 보정한다.
• 지연된 시스템의 머리-꼬리 전달 함수 Γ(z)를 통해 스트링 안정성을 분석하고(DDE-BIFTOOL을 사용하여) 안정성 영역의 매개변수 영역을 탐색한다.
• 두 제조사, 일곱 모델에 걸친 1,200마일 이상 주행 데이터를 수집하고, 검증을 위해 두 차량 간 시험과 여덟 차량 편대 시험을 수행한다.
• 공개 현장 데이터 및 데이터 세트를 공개적으로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현실 주행에서 2018년식 상용 ACC 시스템 일곱 대가 스트링 안정성을 가지는가?
• RQ2 데이터 기반의 지연 차간 추종 모델이 서로 다른 차량 모델에서도 ACC 동작을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ3 보정된 ACC 모델이 시뮬레이션 편대에서 스트링 불안정을 보이는가?
• RQ4 대형 편대가 두 차량 실험에서 관찰된 불안을 검증하고 실제로 ACC 비활성화로 이어지는가?

주요 결과

• 시험에 포함된 일곱 대의 ACC 모델은 최소 추종 및 최대 추종 설정 모두에서 스트링 불안정하다.
• 보정된 모델 매개변수는 차량 간에 다르지만 불안정한 안정성 분류를 낳는다(k1, k2, t_h, τ, η는 차종마다 다름).
• 여덟 차량 편대에서 6 mph의 교란이 마지막 차량에서 ACC 해제가 일어나기 전까지 25 mph로 확대되어 실용적 불안정을 보여준다.
• 두 차량 테스트와 시뮬레이션에서 모든 차량에 대해 편대에서 교란의 성장이 관찰된다.
• 공개적으로 공개된 주행 데이터는 현재까지 ACC 장착 차량 테스트를 위한 최대 공개 데이터 세트를 대표한다.