[论文解读] A Cooperative Control Framework for CAV Lane Change in a Mixed Traffic Environment

Runjia Du, Sikai Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Traffic control and management参考文献 25被引用 24

一句话总结

本文提出了一种协作控制框架，使联网的有人驾驶车辆（CHDVs）与联网的自动驾驶车辆（CAVs）能够在混合交通环境中安全且高效地执行变道操作。通过与邻近车辆协作并采用避碰机制，该框架确保了所有车辆的安全，同时减少了变道时间并提升了整体交通流效率，尤其在高密度条件下表现更优。

ABSTRACT

In preparing for connected and autonomous vehicles (CAVs), a worrisome aspect is the transition era which will be characterized by mixed traffic (where CAVs and human-driven vehicles (HDVs) share the roadway). Consistent with expectations that CAVs will improve road safety, on-road CAVs may adopt rather conservative control policies, and this will likely cause HDVs to unduly exploit CAV conservativeness by driving in ways that imperil safety. A context of this situation is lane-changing by the CAV. Without cooperation from other vehicles in the traffic stream, it can be extremely unsafe for the CAV to change lanes under dense, high-speed traffic conditions. The cooperation of neighboring vehicles is indispensable. To address this issue, this paper develops a control framework where connected HDVs and CAV can cooperate to facilitate safe and efficient lane changing by the CAV. Throughout the lane-change process, the safety of not only the CAV but also of all neighboring vehicles, is ensured through a collision avoidance mechanism in the control framework. The overall traffic flow efficiency is analyzed in terms of the ambient level of CHDV-CAV cooperation. The analysis outcomes are including the CAVs lane-change feasibility, the overall duration of the lane change. Lane change is a major source of traffic disturbance at multi-lane highways that impair their traffic flow efficiency. In providing a control framework for lane change in mixed traffic, this study shows how CHDV-CAV cooperation could help enhancing system efficiency.

研究动机与目标

• 为解决在CAV可能采取保守行为的混合交通环境中CAV变道所面临的安全与效率挑战。
• 缓解在高密度、高速交通条件下，HDVs利用CAV保守性进行变道时带来的风险。
• 开发一种控制框架，确保CAV及邻近车辆在变道过程中实现避碰。
• 分析CHDV-CAV协作对整体交通流效率及变道可行性的影响。
• 量化协作水平对变道时长与系统级性能的影响。

提出的方法

• 该框架采用协作控制策略，使CAVs在变道过程中与联网的有人驾驶车辆（CHDVs）协同。
• 控制框架中嵌入了避碰机制，以确保整个操作过程中所有参与车辆的安全。
• 控制设计整合了车辆动力学与车距约束，以维持安全距离。
• 该框架将变道建模为一系列协调操作，CHDVs通过调整速度与位置来创造安全间隙。
• 系统通过CAV与CHDV之间的实时通信实现动作同步并维持安全。
• 基于CHDV-CAV协作的环境水平，通过变道时长与可行性等指标评估交通流效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 当被保守的高速有人驾驶车辆包围时，CAVs如何在混合交通环境中安全地执行变道？
• RQ2 CHDVs与CAVs之间需要达到何种协作水平才能确保变道过程中的安全？
• RQ3 CHDV-CAV协作如何影响CAV变道的时长与可行性？
• RQ4 不同水平的CHDV-CAV协作对整体交通流效率有何影响？
• RQ5 协作控制框架是否能够在保障所有车辆安全的同时提升变道效率？

主要发现

• 所提出的框架确保了CAV及所有邻近车辆在变道过程中的避碰。
• CHDV-CAV协作在高密度交通条件下显著提升了变道的可行性。
• 当实现更高水平的CHDV-CAV协作时，变道时长得以减少。
• 该框架通过最小化变道带来的干扰，提升了整体交通流效率。
• 研究表明，CAV与CHDVs之间的协调操作可带来更安全、更可预测的变道。
• CHDV-CAV协作的环境水平是决定系统整体效率与安全性能的关键因素。