[论文解读] Autonomous and Connected Intersection Crossing Traffic Management using Discrete-Time Occupancies Trajectory

Qiang Lu, Kyoung-Dae Kim|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Traffic control and management参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于离散时间占用轨迹的交叉口协调算法（DICA），这是一种集中式、无死锁且无饥饿的算法，通过在离散时间槽中建模车辆轨迹，实现对自动驾驶和网联车辆交叉口的管理。增强版DICA将计算复杂度降低至O(n²Lₘlog₂Lₘ)，在低至中等交通流量下优于优化的交通信号灯，同时通过精确的时空协调确保安全性和效率。

ABSTRACT

In this paper, we address a problem of safe and efficient intersection crossing traffic management of autonomous and connected ground traffic. Toward this objective, we propose an algorithm that is called the Discrete-time occupancies trajectory based Intersection traffic Coordination Algorithm (DICA). We first prove that the basic DICA is deadlock free and also starvation free. Then, we show that the basic DICA has a computational complexity of $\mathcal{O}(n^2 L_m^3)$ where $n$ is the number of vehicles granted to cross an intersection and $L_m$ is the maximum length of intersection crossing routes. To improve the overall computational efficiency of the algorithm, the basic DICA is enhanced by several computational approaches that are proposed in this paper. The enhanced algorithm has the computational complexity of $\mathcal{O}(n^2 L_m \log_2 L_m)$. The improved computational efficiency of the enhanced algorithm is validated through simulation using an open source traffic simulator, called the Simulation of Urban MObility (SUMO). The overall throughput as well as the computational efficiency of the enhanced algorithm are also compared with those of an optimized traffic light control.

研究动机与目标

• 解决在混合交通环境中自动驾驶和网联车辆安全高效通过交叉口的挑战。
• 开发一种集中式协调算法，确保在动态车辆到达情况下无死锁且无饥饿的运行。
• 在不损害安全性或吞吐量的前提下，提高交叉口管理算法的计算效率。
• 在不同交通条件下，通过与优化的交通信号控制对比，验证算法的性能。
• 为未来集成应急车辆优先通行和混合交通运行奠定基础。

提出的方法

• 该算法使用离散时间占用轨迹（DTOT）建模车辆运动，通过在交叉口内时间戳空间单元中表示每辆车的存在状态。
• 将交叉口协调问题建模为调度问题，确保在离散时间槽中，没有两个冲突车辆在同一时间占据同一空间。
• 核心算法基于时间槽分配的冲突解决机制，根据到达顺序和路线兼容性对车辆进行优先级排序。
• 通过优化的排序和数据结构技术提升计算效率，将复杂度从O(n²Lₘ³)降低至O(n²Lₘlog₂Lₘ)。
• 采用SUMO仿真对系统进行验证，将吞吐量和计算时间与优化的交通信号控制进行对比。
• 该算法设计具有可扩展性，可集成应急车辆优先通行和混合交通场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 集中式协调算法能否在自动驾驶车辆交叉口管理中确保无死锁且无饥饿的运行？
• RQ2 基于DTOT的协调算法的计算复杂度是多少？如何通过优化实现实时部署？
• RQ3 增强版DICA在吞吐量和计算效率方面与优化的交通信号控制相比表现如何？
• RQ4 当交通流量突然变化时（如从每10分钟100辆增至500辆），DICA的鲁棒性如何？
• RQ5 该算法能否扩展以处理应急车辆和有人驾驶车辆共存的混合交通？

主要发现

• 原始DICA被证明既无死锁也无饥饿，确保车辆在交叉口安全且公平地通行。
• 原始DICA的计算复杂度为O(n²Lₘ³)，通过算法优化显著降低至O(n²Lₘlog₂Lₘ)。
• 仿真结果表明，在低至中等交通流量条件下（例如100–300辆），增强版DICA的吞吐量高于优化的交通信号灯。
• 增强版DICA在交通流量变化时表现出更强的鲁棒性，当流量从100辆增至500辆时，性能保持稳定，而交通信号灯的流量比率急剧上升，表明出现拥堵。
• 在高密度交通中，由于车辆交替频繁停靠，DICA的性能劣于优化的交通信号灯，凸显了混合策略的必要性。
• 该算法正在扩展，以集成基于流的控制中的分组策略，以提升拥堵情况下的性能，并支持应急车辆优先通行。