[논문 리뷰] Decentralized Optimal Control for Connected and Automated Vehicles at an Intersection

Andreas A. Malikopoulos, Christos G. Cassandras|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 11.

Traffic control and management참고 문헌 41인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 도심 교차로에서 연결형 자율 주행 차량(CAVs)을 위한 탈중앙화된 최적 제어 프레임워크를 제안하며, 완전한 해밀토니안 분석을 통해 상태 및 제어 제약 조건을 통합한다. 이 솔루션은 충돌 방지 및 신호등이 없는 교차로 통과를 보장하며 연료 소비와 이동 시간을 크게 감소시킨다. 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In earlier work, we addressed the problem of coordinating online an increasing number of connected and automated vehicles (CAVs) crossing two adjacent intersections in an urban area. The analytical solution, however, did not consider the state and control constraints. In this paper, we present the complete Hamiltonian analysis including state and control constraints. In addition, we present conditions that do not allow the rear-end collision avoidance constraint to become active at any time inside the control zone. The complete analytical solution, when it exists, allows the vehicles to cross the intersection without the use of traffic lights and under the hard constraint of collision avoidance. The effectiveness of the proposed solution is validated through simulation in a single intersection and it is shown that coordination of CAVs can reduce significantly both fuel consumption and travel time.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구에서의 격차를 보완하기 위해 교차로에서 CAV 조정에 상태 및 제어 제약 조건을 통합하고자 한다.
• 엄격한 제약 조건 하에서 후방 충돌 방지를 보장하는 탈중앙화된 제어 전략을 개발하고자 한다.
• 신호등이 없는 운영을 가능하게 하면서도 도심 교차로에서 안전성과 효율성을 유지하고자 한다.
• 단일 교차로 시나리오에서 시뮬레이션을 통해 제안된 솔루션을 검증하고자 한다.
• 협동된 CAV 이동을 통해 연료 소비와 이동 시간의 향상을 정량화하고자 한다.

제안 방법

• CAV 최적 제어를 위한 상태 및 제어 제약 조건을 포함한 완전한 해밀토니안 분석을 수행한다.
• 후방 충돌 방지 제약 조건이 제어 영역 내에서 활성화되지 않는 조건을 분석적으로 유도한다.
• 각 차량이 독립적으로 최적 경로를 계산할 수 있도록 탈중앙화된 제어 법칙을 제안한다.
• 안전 제약 조건을 최적 제어 프레임워크에 직접 통합하여 언제나 충돌 방지를 보장한다.
• 현실적인 차량 동역학을 모델링하기 위해 상태 및 제어 범위를 고려한 시간 최적 제어 설정을 사용한다.
• 다수의 CAV가 포함된 단일 교차로 환경에서 탈중앙화된 제어 전략을 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후방 충돌 방지 제약 조건이 제어 영역 전역에서 비활성 상태로 유지될 수 있는 조건는 무엇인가?
• RQ2 CAV 조정에서 상태 및 제어 제약 조건을 동시에 만족하는 탈중앙화된 최적 제어는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 신호등이 없는 환경에서 연료 소비와 이동 시간에 어떤 성과 향상이 달성될 수 있는가?
• RQ4 제약 조건의 포함이 최적 제어 문제의 해석 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 탈중앙화된 의사결정이 교차로에서 CAV 플로팅의 안전성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 분석적 솔루션은 신호등에 의존하지 않고도 교차로에서 CAV 간 충돌 없는 통과를 보장한다.
• 후방 충돌 방지 제약 조건이 활성화되지 않는 조건가 유도되어 제어 설계를 단순화시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 조정 전략이 연료 소비와 이동 시간을 크게 감소시킨다는 것을 확인한다.
• 완전한 해밀토니안 분석을 통해 상태 및 제어 제약 조건이 최적 제어 프레임워크에 성공적으로 통합되었다.
• 탈중앙화된 구현은 증가하는 CAV 수에 대응하는 확장 가능하고 강력한 조정을 가능하게 한다.
• 엄격한 안전 제약 조건을 유지하면서도 높은 교통 효율성과 에너지 절감을 달성한다.