[논문 리뷰] Controllability Analysis and Optimal Control of Mixed Traffic Flow with Human-driven and Autonomous Vehicles

Jiawei Wang, Yang Zheng외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 06.

Traffic control and management참고 문헌 40인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고속도로 환형 주행에서 한 대의 연결형 자율주행차(CAV)와 다수의 이질적인 인간 운전 차량(HDVs)으로 구성된 혼합 교통 흐름의 제어 가능성과 안정 가능성에 대해 분석한다. Popov-Belevitch-Hautus(PBH) 기준을 사용하여, 시스템은 완전히 제어 가능하지 않지만 온건한 조건 하에서는 안정 가능하다고 증명하고, CAV의 통신 능력을 활용하여 도달 가능한 교통 속도를 최대화하는 구조적 최적 제어 전략을 설계하였다. 이는 수치 실험을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Connected and automated vehicles (CAVs) have a great potential to improve traffic efficiency in mixed traffic systems, which has been demonstrated by multiple numerical simulations and field experiments. However, some fundamental properties of mixed traffic flow, including controllability and stabilizability, have not been well understood. This paper analyzes the controllability of mixed traffic systems and designs a system-level optimal control strategy. Using the Popov-Belevitch-Hautus (PBH) criterion, we prove for the first time that a ring-road mixed traffic system with one CAV and multiple heterogeneous human-driven vehicles is not completely controllable, but is stabilizable under a very mild condition. Then, we formulate the design of a system-level control strategy for the CAV as a structured optimal control problem, where the CAV's communication ability is explicitly considered. Finally, we derive an upper bound for reachable traffic velocity via controlling the CAV. Extensive numerical experiments verify the effectiveness of our analytical results and the proposed control strategy. Our results validate the possibility of utilizing CAVs as mobile actuators to smooth traffic flow actively.

연구 동기 및 목표

• 한 대의 CAV와 다수의 이질적인 HDV로 구성된 혼합 교통 시스템의 기본적인 제어 가능성과 안정 가능성 성질을 조사하기 위해.
• 비균일한 교통 조건에서 CAV가 이동형 액추에이터로 기능할 때 이론적 이해의 격차를 메우기 위해.
• CAV의 통신 제약 조건과 교통 역학을 고려한 시스템 수준의 최적 제어 전략을 설계하기 위해.
• CAV 제어를 통해 도달 가능한 교통 속도의 이론적 상한선을 도출하여 성능를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 혼합 교통 시스템의 제어 가능성과 안정 가능성에 대한 엄밀한 분석을 위해 Popov-Belevitch-Hautus(PBH) 기준을 적용한다.
• CAV에 대해 2차 차량 따라주기 프레임워크를, HDV에 대해 이질적인 동역학을 사용하여 시스템을 모델링한다.
• CAV의 제어 입력을 구조적 최적 제어 문제로 간주하여 통신 범위와 토폴로지 요소를 명시적으로 통합한다.
• 시스템 고유구조와 상태행렬의 영공간 분석을 통해 안정 가능성에 필요한 조건을 유도한다.
• 행렬 분해와 순차적 고유벡터 분석을 사용하여, 온건한 조건 하에서 시스템의 비제어 가능 모드가 비의미가 없음을 증명한다.
• 시스템 제약 조건 하에서 도달 가능한 교통 속도를 최대화하기 위한 최적 제어 문제를 수립하고 해법을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 대의 CAV와 다수의 이질적인 HDV로 구성된 혼합 교통 시스템은 완전히 제어 가능한가?
• RQ2 이러한 시스템은 어떤 조건에서 안정 가능하며, 안정화에 필요한 최소 조건은 무엇인가?
• RQ3 CAV의 통신 능력을 어떻게 공식적으로 구조적 최적 제어 프레임워크에 통합할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 CAV 제어를 통해 도달 가능한 교통 속도의 이론적 상한선은 무엇인가?
• RQ5 시스템의 고유구조와 영공간은 제어 가능성과 안정 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• PBH 기준을 통해 증명된 바, 한 대의 CAV와 다수의 이질적인 HDV로 구성된 혼합 교통 시스템은 완전히 제어 가능하지 않다.
• 매우 온건한 조건 하에서 시스템은 안정 가능하며, 이는 단일 CAV가 교통 흐름을 능동적으로 매끄럽게 만들 수 있음을 시사한다.
• 상태행렬의 영공간에 대한 해공간의 차원은 1이며, 이는 비제어 가능 모드가 단 하나 존재함을 확인한다.
• 최적 제어 전략에 기반하여 도달 가능한 교통 속도의 상한선을 도출하였으며, 이는 CAV 보조 교통 제어의 성능 한계를 제공한다.
• 수치 실험을 통해 분석 결과가 확인되었고, 제안된 제어 전략이 교통 안정성과 처리 능력을 향상시키는 데 효과적임을 검증하였다.
• CAV는 다양한 운전 습관을 가진 이질적 교통 환경에서도 전역적 교통 역학에 영향을 줄 수 있는 이동형 액추에이터로 기능한다.