[論文レビュー] Decentralized Optimal Control for Connected Automated Vehicles at Intersections Including Left and Right Turns

Yue Zhang, Andreas A. Malikopoulos+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2017

Traffic control and management被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、左折・右折を含む都市交差点における連結自動運転車両（CAV）の分散型最適制御フレームワークを提示する。先行研究を拡張し、硬直的な安全制約を満たしたまま、燃料消費量と乗客の不快感を重み付き最適化で同時に最小化することで、信号のないスムーズで安全かつ効率的な交差点通過を実現する。

ABSTRACT

In prior work, we addressed the problem of optimally controlling on line connected and automated vehicles crossing two adjacent intersections in an urban area to minimize fuel consumption while achieving maximal throughput without any explicit traffic signaling and without considering left and right turns. In this paper, we extend the solution of this problem to account for left and right turns under hard safety constraints. Furthermore, we formulate and solve another optimization problem to minimize a measure of passenger discomfort while the vehicle turns at the intersection and we investigate the associated tradeoff between minimizing fuel consumption and passenger discomfort.

研究の動機と目的

• 交差点におけるCAVの分散型最適制御を、左折・右折を含むように拡張し、安全制約とスループットを維持すること。
• 合流領域（MZ）における合流ゾーンでの左折・右折の際の燃料消費量を最小化するため、First-In-First-Out（FIFO）キューイング機構を用いる。
• 乗客の不快感を最小化する新しい最適化問題を定式化・解法する。
• 多目的最適化を用いて、合流領域（MZ）における燃料消費量と乗客の不快感のトレードオフを調査すること。
• 衝突回避制約から導出された終端条件を用いることで、計算負荷を増加させることなく、オンライン実装可能性を保証すること。

提案手法

• 先行研究[12]の分散制御フレームワークを拡張し、左折・右折用の新たな衝突回避終端条件を導入することで、旋回動作を含める。
• 位置、速度、加速度を状態変数および制御入力変数とする2次元車両動力学を用い、式(1)および(2)に従う。
• 合流領域（MZ）を一辺Sの正方形として定義し、直進・左折・右折の各パス長をそれぞれS、S_L = (3/8)πS、S_R = (1/8)πSとする。
• FIFOキューイングおよび間隔制約に基づく時間的・位置的制約を用いて、横方向の衝突を回避する硬直的な安全制約を終端条件として設定する。
• 2つの最適化問題を解く：1つは加速度のL²ノルム（燃料消費量）を最小化するもの、もう1つはジャerkのL²ノルム（乗客の不快感）を最小化するもので、重み付き和を用いてトレードオフ解析を行う。
• 重みwを変化させることで、式(28)の組み合わせ目的関数に対するパレートフロンティアを構築し、次元なしの多目的比較を可能にするために正規化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型最適制御を、交差点における左折・右折を含むようにどのように拡張できるか。この際、硬直的な安全制約を維持できるか。
• RQ2 合流領域（MZ）で旋回を行うCAVの燃料消費量を最小化する最適制御戦略は何か。
• RQ3 ジャerkを指標として用いることで、旋回動作中の乗客の不快感をどのように定量的に最小化できるか。
• RQ4 合流領域（MZ）において、燃料消費量の最小化と乗客の不快感の最小化の間にはどのようなトレードオフがあるか。
• RQ5 提案された制御フレームワークは、非旋回ケースと同等の計算複雑性でオンライン実装可能か。

主な発見

• 提案された制御フレームワークは、ベースラインケースを上回る計算負荷を伴わず、左折・右折を含む分散型最適制御解法を成功裏に拡張した。
• 最適制御解法は、FIFOキューイングおよび間隔制約に基づく明確に定義された終端条件により、衝突回避を確実に実現している。
• シミュレーション結果から、最初の30台のCAVの合流領域（MZ）における軌道が分離され、衝突が発生していないことが確認され、各旋回動作に応じた明確な位置プロファイルが得られた。
• 加速度およびジャerkプロファイル（図5）から、ジャerk最小化のみを目的とした場合、より滑らかで快適な動作が得られる一方、燃料消費量最小化のみを目的とした場合、ジャerk値が高くなることが明らかになった。
• パレートフロンティア（図3）は、燃料消費量と乗客の不快感の間の明確なトレードオフを示しており、重みw=0.95の重み付き目的関数が両指標を効果的にバランスさせていることが示された。
• 終端加速度をゼロに設定し、初期加速度をCZ解から導出することで、連続性とMZへの滑らかな遷移を確保した。これにより、オンライン実装が可能であることが裏付けられた。