[논문 리뷰] Scheduling Autonomous Vehicle Platoons Through an Unregulated Intersection

Juan José Besa Vial, William E. Devanny외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 15.

Traffic control and management참고 문헌 23인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 정지 신호나 신호등이 없는 교차로를 통과하는 자율 주행 차량 펠리톤의 스케줄링을 위해 최대 지연 시간을 최소화하는 다항 시간 알고리즘을 제시한다. k-way 병합 및 이원 교차 시나리오에 대해 동적 프로그래밍과 매개변수 검색을 사용한다. 더 일반적인 문제—비상수 k-way 병합과 이원 통행을 동시에 고려한 경우—는 분할 문제로부터의 환원을 통해 NP-완전임을 증명한다.

ABSTRACT

We study various versions of the problem of scheduling platoons of autonomous vehicles through an unregulated intersection, where an algorithm must schedule which platoons should wait so that others can go through, so as to minimize the maximum delay for any vehicle. We provide polynomial-time algorithms for constructing such schedules for a $k$-way merge intersection, for constant $k$, and for a crossing intersection involving two-way traffic. We also show that the more general problem of scheduling autonomous platoons through an intersection that includes both a $k$-way merge, for non-constant $k$, and a crossing of two-way traffic is NP-complete.

연구 동기 및 목표

• 신호등이나 정지 표지판이 없는 교차로를 통과할 때 자율 주행 차량 펠리톤을 조율하는 과제를 해결한다.
• 펠리톤 내 모든 차량이 겪는 최대 지연 시간을 최소화하면서 펠리톤의 연속성을 유지한다.
• k-way 병합(상수 k) 및 이원 교차와 같은 특정 유형의 교차로에 대해 효율적인 스케줄링 알고리즘을 개발한다.
• 비상수 k-way 병합과 이원 통행을 포함하는 일반적인 경우에 대해 계산 복잡도의 경계를 설정하기 위해 NP-완전성을 입증한다.
• 펠리톤의 도착 및 출구 시간에 대한 전부의 사전 지식이 있는 조건에서 오프라인 스케줄링 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 펠리톤이 동기적으로 움직이며 후진할 수 없도록 하는 이산적 시간 및 공간 모델을 사용하여 스케줄링 문제를 수식화한다.
• 상수 k에 대해 k-way 병합 및 이원 교차 교차로에 대한 최적 스케줄을 구성하기 위해 동적 프로그래밍 기법을 적용한다.
• 지연 제약 조건 하에서 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 매개변수 검색을 사용한다.
• 교차로를 갈라진 차선의 집합으로 모델링하여, 동시에 충돌 경로를 점유하지 않도록 하는 비갈림 제약 조건을 확보한다.
• 일반적인 경우의 NP-완전성을 입증하기 위해 PARTITION 문제를 MULTI-CROSS 문제로 환원한다.
• 최대 지연 시간 매개변수 d_max를 정의하고, 타당성과 지연 범위를 확인하기 위해 스케줄을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 k가 상수일 때 k-way 병합 교차로를 통과하는 자율 주행 펠리톤에 대해 다항 시간 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ2 최대 지연 시간을 최소화하면서 이원 교차 교차로를 효율적으로 스케줄링할 수 있는가?
• RQ3 비상수 k-way 병합과 이원 통행을 동시에 포함하는 교차로를 통과하는 펠리톤의 스케줄링 문제의 계산 복잡도는 무엇인가?
• RQ4 실제 제약 조건 하에서 일반적인 스케줄링 문제가 NP-완전임을 증명할 수 있는가?
• RQ5 모든 도착 및 출구 시간이 사전에 알려져 있을 때, 효율적인 오프라인 알고리즘이 존재하는가?

주요 결과

• k가 상수일 때 k-way 병합 교차로를 통과하는 펠리톤에 대해 동적 프로그래밍과 매개변수 검색을 사용한 다항 시간 알고리즘이 존재한다.
• 이원 교차 교차로에 대해 최대 지연 시간을 최소화하면서 펠리톤의 연속성을 유지하는 다항 시간 알고리즘이 제시된다.
• 비상수 k-way 병합과 이원 통행을 동시에 포함하는 일반 문제의 경우, 분할 문제로부터의 환원을 통해 NP-완전성이 입증된다.
• 입력 집합에 유효한 분할이 존재할 경우, 구성된 스케줄의 최대 지연 시간은 2q+1 이내로 제한된다. 특히 주요 펠리톤에 대해 정확한 지연 시간이 달성된다.
• NP-완전성 결과는 2q+1를 초과하는 지연이 발생할 경우 최대 지연 제약 조건을 위반하게 되어, 유효한 분할에 대응하는 특정 스케줄링 순서를 강제하기 때문에 성립한다.
• 모든 제안된 스케줄은 충돌 여부와 최대 지연 시간을 다항 시간 내에 검증할 수 있으므로 문제의 복잡도는 NP에 속한다.