[論文レビュー] Controllability Analysis and Optimal Control of Mixed Traffic Flow with Human-driven and Autonomous Vehicles

Jiawei Wang, Yang Zheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2020

Traffic control and management参考文献 40被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、環状道路における1台のコネクテッドアンドオートメーティッドビークル（CAV）と複数の異種のドライバー運転車両（HDV）を含む混在交通流の可制御性と安定化可能性を分析する。ポポフ＝ベレヴィッチ＝オウツ（PBH）基準を用いて、システムは完全に可制御ではないが、緩い条件下では安定化可能であることを証明し、CAVの通信能力を活用して到達可能な交通速度を最大化する構造的最適制御戦略を設計した。数値実験により有効性が検証された。

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.

研究の動機と目的

• 1台のCAVと複数の異種のHDVを有する混在交通システムの基本的可制御性および安定化可能性の特性を調査すること。
• 非一様な交通状態下におけるCAVをモバイルアクチュエータとして用いる理論的理解の不足を埋める。
• CAVの通信制約と交通ダイナミクスを考慮した、システムレベルの最適制御戦略を設計すること。
• CAV制御による到達可能な交通速度の理論的上限を導出することにより、性能の定量的評価を可能とすること。

提案手法

• 混在交通システムの可制御性および安定化可能性を厳密に分析するために、ポポフ＝ベレヴィッチ＝オウツ（PBH）基準を適用する。
• CAVに対して2次元のクルーズフォローアプローチをモデル化し、異種のHDVダイナミクスを組み込む。
• CAVの制御入力を、通信範囲およびトポロジーを明示的に組み込んだ構造的最適制御問題として扱う。
• システムの固有値構造および状態行列の核空間を分析することで、安定化可能性に必要な条件を導出する。
• 行列分解および再帰的固有ベクトル解析を用いて、緩い条件下でシステムの可制御でないモードが非関連であることを証明する。
• システム制約のもとで到達可能な交通速度を最大化する最適制御問題を定式化・解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1台のCAVと複数の異種のHDVを有する混在交通システムは完全に可制御か？
• RQ2 どのような条件下でこのようなシステムは安定化可能であり、安定化のための最小要件は何か？
• RQ3 CAVの通信能力をどのように形式的に構造的最適制御フレームワークに統合できるか？
• RQ4 このようなシステムにおいて、CAV制御による到達可能な交通速度の理論的上限は何か？
• RQ5 システムの固有値構造および核空間は、その可制御性および安定化可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PBH基準を用いた解析により、1台のCAVと複数の異種のHDVを有する混在交通システムは完全に可制御でないことが証明された。
• 非常に緩い条件下でシステムは安定化可能であり、1台のCAVが交通流を能動的に滑らかにできることが示された。
• 状態行列の核空間の解空間の次元は1であることが確認され、1つの可制御でないモードが存在することが裏付けられた。
• 最適制御戦略に基づき、到達可能な交通速度の上限が導出され、CAV支援交通制御の性能限界を提供した。
• 数値実験により解析結果が確認され、提案された制御戦略が交通安定性およびスループットの向上に有効であることが検証された。
• CAVは、ドライバー行動のばらつきがある異種交通でも、グローバルな交通ダイナミクスに影響を与えるモバイルアクチュエータとして機能することが明らかになった。