[논문 리뷰] Formation Control with Lane Preference for Connected and Automated Vehicles in Multi-lane Scenarios

Mengchi Cai, Chaoyi Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 18.

Traffic control and management참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다차선 환경에서 연결 및 자율 주행 차량(CAV)을 위한 이중 수준의 형성 주행 제어 프레임워크를 제안하며, 혼잡도를 줄이고 교통 효율성을 향상시키기 위해 차량의 차선 선호도를 통합한다. 충돌 기반 탐색(CBS)을 사용해 차선 배정과 충돌 없는 경로 계획을 분리함으로써, 고밀도 교통 상황에서 규칙 기반 접근 방식에 비해 뛰어난 성능을 보이는 통합된 형성 주행을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Multi-lane roads are typical scenarios in the real-world traffic system. Vehicles usually have preference on lanes according to their routes and destinations. Few of the existing studies looks into the problem of controlling vehicles to drive on their desired lanes. This paper proposes a formation control method that considers vehicles' preference on different lanes. The bi-level formation control framework is utilized to plan collision-free motion for vehicles, where relative target assignment and path planning are performed in the upper level, and trajectory planning and tracking are performed in the lower level. The collision-free multi-vehicle path planning problem considering lane preference is decoupled into two sub problems: calculating assignment list with non-decreasing cost and planning collision-free paths according to given assignment result. The Conflict-based Searching (CBS) method is utilized to plan collision-free paths for vehicles based on given assignment results. Case study is conducted and simulations are carried out in a three-lane road scenario. The results indicate that the proposed formation control method significantly reduces congestion and improves traffic efficiency at high traffic volumes, compared to the rule-based method.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다차선 CAV 조율 방법이 차량별로 특정한 차선 선호도를 고려하지 않는 점을 보완한다.
• 차선 선호도를 형성 제어에 통합하여 고밀도 다차선 환경에서 교통 효율성을 향상시키고 혼잡도를 감소시킨다.
• 개별 차선 선호도를 고려하면서 충돌 없는 운동을 보장하는 동시에 차량의 형성 제어를 조율하는 이중 수준 프레임워크를 개발한다.
• 차선 감소 터널이나 다차선 교차로와 같은 동적 환경에서 적응형 형성 전환을 가능하게 한다.
• 고밀도 교통 하중에서 규칙 기반 및 우선순위 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보이는 확장 가능한 다차선 교통 조율 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 이중 수준의 형성 제어 프레임워크를 활용: 상위 수준은 상대적 목표 할당 및 경로 계획을 담당하고, 하위 수준은 궤적 계획 및 추적을 수행한다.
• 다중 차량 경로 계획 문제를 두 개의 하위 문제로 분리한다: (1) 차량들이 선호하는 차선에 대해 비감소 비용 할당 목록을 계산하고, (2) 할당 결과를 바탕으로 충돌 없는 경로를 계획한다.
• 할당이 완료된 후 충돌 기반 탐색(CBS) 알고리즘을 사용해 차량의 충돌 없는 경로를 생성한다.
• 경로 할당 단계에서 차량의 루트 기반 선호도에 따라 차량을 원하는 차선에 할당함으로써 차선 선호도를 통합한다.
• 이론적 최대 교통량의 상한을 계산하기 위해 형성 속도 및 차량 간격 모델을 적용한다: $ V_u = 1800 \frac{v_F}{d_F} $, $ v_F = 15~\mathrm{m/s} $, $ d_F = 15~\mathrm{m} $, 결과로 $ V_u = 1800~\mathrm{vehicle/(lane\cdot hour)} $.
• 다양한 교통 밀도에서 규칙 기반 제어와 비교하기 위해 3차선 도로 시나리오에서 시뮬레이션을 수행하여 방법의 유효성을 검증한다.

(a) Lane-drop bottleneck scenario

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 차선 선호도를 다중 차량 형성 주행에 효과적으로 통합하여 교통 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 CBS 기반 경로 계획을 포함한 이중 수준의 형성 제어 프레임워크는 고밀도 다차선 교통에서 혼잡도를 줄일 수 있는가?
• RQ3 차선 선호도를 통합한 형성 제어는 공간-시간적 속도 분포와 교통 흐름 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 규칙 기반 및 우선순위 기반 접근 방식과 비교할 때, 제안된 방법은 혼잡도 완화 및 처리 능력 측면에서 어떤가?
• RQ5 형성 제어 방법이 혼잡 없이 유지할 수 있는 이론적 최대 교통량은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 형성 제어 방법은 규칙 기반 방법에 비해 고밀도 교통 상황(최대 1600 vehicles/(lane·hour))에서 혼잡도를 크게 감소시킨다.
• 히트맵 및 스냅샷 분석 결과, 규칙 기반 방법은 500 m에서 800 m 사이에서 비효율적인 차선 변경 행동으로 인해 심각한 혼잡을 유발한다.
• 형성 제어를 통해 차량들은 일정 속도로 조율된 그룹으로 이동하여 속도 변화를 최소화하고 고밀도 상황에서도 혼잡을 피할 수 있다.
• 형성 속도가 15 m/s이고 후행 간격이 15 m일 경우, 이론적 최대 처리 능력은 1800 vehicles/(lane·hour)에 도달한다.
• 1600 vehicles/(lane·hour)에서 형성 제어 방법은 안정적인 흐름을 유지하며 규칙 기반 시뮬레이션에서 관찰된 혼잡을 피한다.
• 차량을 초기 단계에서 원하는 차선에 할당함으로써 차선 선호도를 효과적으로 처리하여, 마지막 순간의 차선 변경을 줄이고 전체적인 조율을 향상시킨다.

(b) Obstacle avoidance scenario