[논문 리뷰] Rhythmic Control of Automated Traffic -- Part I: Concept and Properties at Isolated Intersections

Xiangdong Chen, Meng Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 09.

Traffic control and management참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 연결형 자율주행차(CAV)를 위한 계산 효율적인 교차로 통제 전략인 리듬 제어(RC)를 제안한다. RC는 고정된 반복적인 차량 운동 순서를 통해 고립된 교차로에서 충돌 방지 및 정지 없이 통과를 가능하게 하며, 서로 충돌하는 여러 운동이 동시에 우회전 권한을 공유할 수 있도록 한다. 시뮬레이션 결과, 정적 및 비정적 교통 조건 하에서 기존의 신호 제어 및 무신호 제어 방식보다 성능이 뛰어나며, 교차로 용량을 크게 증가시키고 평균 차량 지연을 감소시킨다.

ABSTRACT

Leveraging the accuracy and consistency of vehicle motion control enabled by the connected and automated vehicle technology, we propose the rhythmic control (RC) scheme that allows vehicles to pass through an intersection in a conflict-free manner with a preset rhythm. The rhythm enables vehicles to proceed at a constant speed without any stop. The RC is capable of breaking the limitation that right of way can only be allocated to non-conflicting movements at a time. It significantly improves the performance of intersection control for automated traffic. Moreover, the RC with a predetermined rhythm does not require intensive computational efforts to dynamically control vehicles, which may possibly lead to frequent accelerations or decelerations. Assuming stationary vehicle arrivals, we conduct theoretical investigation to show that RC can considerably increase intersection capacity and reduce vehicle delay. Finally, the performance of RC is tested in the simulations with both stationary and non-stationary vehicle arrivals at both symmetric and asymmetric intersections.

연구 동기 및 목표

• 연결형 자율주행차(CAV)를 위한 기존 실시간 교차로 통제 방법의 확장성 및 성능 한계를 해결하기 위함.
• 충돌 방지를 보장하면서도 빈번한 가속 및 감속을 피할 수 있는 계산적으로 경량화된 제어 체계를 개발하기 위함.
• 기존의 제약 조건인 동시에 서비스 가능한 운동이 반드시 충돌하지 않는 운동이어야 한다는 제약를 깨고, 교차로 처리 능력을 향상시키기 위함.
• 대칭적 및 비대칭적 교차로, 정적 및 비정적 차량 도착 조건을 포함한 다양한 교통 조건 하에서 RC의 성능을 평가하기 위함.
• 향후 격자 기반 스케일의 협업을 위한 기반을 마련하기 위해, 확장 가능하고 안전하며 효율적인 고립형 교차로 제어 프레임워크를 제안하기 위함.

제안 방법

• RC는 교차로에서 충돌하는 지점에서 서로 다른 도착 레인의 차량을 번갈아가며 운행하는 고정된 반복 순서로 차량 운동을 구성하여 충돌 없는 통과를 보장한다.
• 차량은 사전 정의된 리듬에 따라 교차로에서 특정 시간대에 배정되며, 이로 인해 정지 없이 일정 속도로 주행이 가능하다.
• 작은 궤적 이탈을 처리하기 위해 충돌 방지 제약 조건에 최소 차량 간 거리 기준(δ)을 통합하여 안전성을 확보한다.
• δ를 초월해 이탈하는 차량은 실시간으로 궤적을 조정하며, 이웃한 타당한 시간대를 활용해 안전성과 순서의 일관성을 유지한다.
• 차량 고장 또는 차단과 같은 극단적인 상황에서는 영향을 받는 레인을 일시적으로 비활성화하여 시스템의 안전성과 다른 레인의 정상 운영을 유지한다.
• 프레임워크는 차량 간 및 차량-인프라 간 완전한 통신을 전제로 하며, 정밀한 운동 제어와 실시간 조율을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 신호 제어 및 무신호 CAV 제어 방식과 비교해 리듬 제어 체계가 교차로 용량을 크게 향상시키고 차량 지연을 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 비정적 및 불균형적인 교통 수요 상황, 특히 각 진입로에서 수요가 다를 경우 RC의 성능은 어떠한가?
• RQ3 RC는 충돌 없이 동시에 여러 충돌 운동이 우회전 권한을 가질 수 있도록 할 수 있는가? 이는 기존의 단계 기반 신호 제어의 한계를 초월하는가?
• RQ4 소규모 궤적 이탈이나 차량 고장과 같은 실제 세계의 교란 요소에 대해 RC는 얼마나 강건한가?
• RQ5 실제 교차로에 안전하게 구현하기 위해 필요한 실무적 구현 과제와 비상 복구 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• RC는 정적 및 비정적 수요 조건 하에서 대칭적 및 비대칭적 교차로를 포함한 대부분의 교통 시나리오에서 가장 낮은 평균 차량 지연를 기록한다.
• 특히 다수의 충돌 운동이 리듬 기반 순서로 조율될 경우, 기존의 신호 제어 및 무신호 제어 방식에 비해 교차로 용량이 크게 증가한다.
• RC는 충돌 없이 여러 충돌 운동을 동시에 통과시킬 수 있으며, 이는 기존의 동시에 서비스 가능한 운동이 반드시 충돌하지 않는 운동이어야 한다는 전통적 제약를 깨는 것이다.
• 이 방법은 계산적으로 효율적이며 실시간 최적화에 대한 강한 요구 없이도 실생활 적용에 확장 가능하다.
• 궤적 조정 프로토콜은 안전 기준 δ 이내의 이탈을 효과적으로 처리하여 계속 충돌 없이 운영이 가능하다.
• 비상 대응 프로토콜, 예를 들어 블록이 발생한 경우 레인을 일시적으로 비활성화하는 조치는 시스템의 안전성을 유지하면서도 영향을 받지 않은 레인의 운영을 계속 가능하게 한다.