[논문 리뷰] A Bi-Level Cooperative Driving Strategy Allowing Lane Changes

Huile Xu, Yi Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 24.

Traffic control and management참고 문헌 44인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비신호 교차로 및 작업 구역과 같은 갈등 영역에서 안전한 차선 변경을 가능하게 하는 연결형 자율 주행 차량(CAV)을 위한 이중 수준 협동 주행 전략을 제안한다. 우수한 갈등 영역 조율과 MCTS(몬테카를로 트리 검색)를 활용한 히وري스틱 규칙를 적용한 하향 수준의 차선 변경 해결을 통해 우회적 우회 권리 결정을 분리함으로써, 지연 감소, 에너지 효율성 향상, 승객의 편안함 향상 등의 목표를 실시간으로 거의 최적의 계획으로 달성한다.

ABSTRACT

This paper studies the cooperative driving of connected and automated vehicles (CAVs) at conflict areas (e.g., non-signalized intersections and ramping regions). Due to safety concerns, most existing studies prohibit lane change since this may cause lateral collisions when coordination is not appropriately performed. However, in many traffic scenarios (e.g., work zones), vehicles must change lanes. To solve this problem, we categorize the potential collision into two kinds and thus establish a bi-level planning problem. The right-of-way of vehicles for the critical conflict zone is considered in the upper-level, and the right-of-way of vehicles during lane changes is then resolved in the lower-level. The solutions of the upper-level problem are represented in tree space, and a near-optimal solution is searched for by combining Monte Carlo Tree Search (MCTS) with some heuristic rules within a very short planning time. The proposed strategy is suitable for not only the shortest delay objective but also other objectives (e.g., energy-saving and passenger comfort). Numerical examples show that the proposed strategy leads to good traffic performance in real-time.

연구 동기 및 목표

• 차선 변경이 필요하지만 전통적으로 금지되어 있는 갈등 영역에서의 협동 주행 시 안전 위험을 해결하기 위해.
• 갈등 영역 조율과 차선 변경 중 횡방향 충돌 방지를 동시에 해결하기 위해.
• 지연 최소화, 에너지 소비 감소, 승객의 편안함 향상과 같은 다중 목표를 동시에 지원하는 실시간이고 확장 가능한 전략을 개발하기 위해.
• 작업 구역 및 차선 진입 영역과 같은 고밀도 교통 환경에서 안전하고 효율적인 차선 변경을 가능하게 하기 위해.
• 엄격한 시간 제약 조건 내에서 계층적 계획 프레임워크를 활용해 거의 최적의 해답을 도출하기 위해.

제안 방법

• 협동 주행 문제를 두 수준으로 분해: 상위 수준은 갈등 영역 내 우회 권리 조율, 하위 수준은 차선 변경 조율.
• 차량 간 상호작용 순서와 우선순위를 모델링하기 위해 상위 수준의 해를 트리 공간에 표현.
• 히وري스틱 규칙를 통합한 몬테카를로 트리 검색(MCTS)을 활용해 근사 최적의 행동 시퀀스를 효율적으로 탐색하고 선택.
• 이중 단계 결정 과정 도입: 먼저 갈등 영역에서 차량 순서를 결정하고, 그 다음 횡방향 충돌 없이 차선 변경 허가를 결정.
• MCTS 프레임워크 내 보상 함수 조정을 통해 지연, 에너지, 편안함 등의 다중 최적화 목표를 지원.
• 양 수준에서의 체계적 조율을 통해 잠재적 충돌을 명시적으로 분류하고 해결함으로써 안전성을 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비신호 교차로 및 갈등 영역에서 안전한 차선 변경을 어떻게 협동 주행 전략에 통합할 수 있는가?
• RQ2 어떤 계층적 계획 접근 방식이 차선 변경 중 횡방향 충돌을 방지하면서도 차량 간 실시간 조율을 가능하게 하는가?
• RQ3 MCTS와 히وري스틱을 조합한 이중 수준 프레임워크가 엄격한 시간 제약 조건 하에서도 거의 최적의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 전략은 지연 최소화, 에너지 효율성 향상, 승객의 편안함 향상과 같은 다양한 목표에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 갈등 영역과 차선 변경 전환 지점에서의 체계적 우회 권리 할당이 전체 교통 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 이중 수준 전략은 안전을 해치지 않으면서 고밀도 교통 환경에서 안전한 차선 변경을 성공적으로 구현한다.
• 히وري스틱 규칙를 적용한 MCTS 기반 접근 방식은 매우 짧은 계획 시간 내에 거의 최적의 해답을 도출하여 실시간 구현에 적합하다.
• 수치 예제를 통해 지연 감소 및 에너지 효율성 향상과 같은 다중 목표에서 향상된 교통 성능을 입증한다.
• 갈등 영역 및 차선 변경 단계에서 잠재적 충돌 유형을 명시적으로 분류하고 해결함으로써 안전성을 유지한다.
• 지연 최소화, 연료 소비 감소, 승객 편안함 향상 등의 다양한 최적화 목표에 유연하고 적응 가능한 프레임워크이다.
• 차선 변경이 운영적으로 필수적인 작업 구역 및 차선 진입 영역과 같은 도전적인 환경에서도 전략이 효과적이다.