[论文解读] On Constant Distance Spacing Policies for Cooperative Adaptive Cruise Control

Kay Massow, Ilja Radusch+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Traffic control and management参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文提出一种用于协同自适应巡航控制（CACC）的混合间距策略，仅在饱和信号交叉口低速车队启动时采用恒定距离头部分隔（CDH），其他情况下则采用恒定时间头部分隔（CTH），结合了CDH的通行能力优势与CTH的串列稳定性。通过基于真实数据校准的仿真，研究证明在受控条件下，CDH在信号交叉口的应用可显著提升交通 throughput，且不损害安全性和稳定性。

ABSTRACT

Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) systems are considered as key potential enablers to improve driving safety and traffic efficiency. They allow for automated vehicle following using wireless communication in addition to onboard sensors. To achieve string stability in CACC platoons, constant time headway (CTH) spacing policies have prevailed in research; namely, vehicle interspacing grows with the speed. While constant distance headway (CDH) spacing policies provide superior potential to increase traffic capacity than CTH, a major drawback is a smaller safety margin at high velocities and string stability cannot be achieved using a one-vehicle look-ahead communication. The hypothesis of this work is to apply CDH only in few driving situations, when traffic throughput is of highest importance and safety requirements can be met due to comparably low velocities. As the most relevant situations where CDH could be applied, we identify starting platoons at signalized intersections. In this paper, we illustrate this idea. Specifically, we compare CTH with CDH regarding its potential to increase the capacity of traffic lights. Starting with the elementary situation of single traffic lights we expand our scope to whole traffic networks including several thousand vehicles in simulation. Using real world data to calibrate and validate vehicle dynamics simulation and traffic simulation, the study discusses the most relevant working parameters of CDH, CTH, and the traffic system in which both are applied.

研究动机与目标

• 为解决CACC系统中通行能力与安全性之间的权衡，探索非CTH间距策略。
• 研究恒定距离头部分隔（CDH）是否可安全应用于特定低速场景，如信号交叉口的车队启动。
• 评估CDH与恒定时间头部分隔（CTH）在单个和多交叉口网络中的通行能力与稳定性表现。
• 利用真实世界数据校准并验证车辆动力学与交通仿真模型，以实现更真实的评估。
• 识别影响城市交通环境中混合CTH/CDH策略有效性与安全性的关键工作参数。

提出的方法

• 作者设计了一种混合CACC策略，在饱和信号交叉口的车队启动阶段，从CTH切换至CDH，利用低速条件安全地应用CDH。
• 使用真实世界数据对车辆动力学与交通行为进行校准，对包含多达数千辆车辆的单个和多交叉口交通网络进行仿真。
• 仿真框架将车辆级动力学与宏观交通流模型相结合，以评估串列稳定性与通行能力。
• 系统性地改变关键参数，如头部分隔距离、加速度特性与通信范围，以评估性能表现。
• 采用单辆车辆前向通信拓扑结构，与当前CACC实现一致，以评估CDH下的串列稳定性。
• 通过车队启动时间、交叉口通行能力及串列稳定性裕度等指标评估性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒定距离头部分隔（CDH）是否可在饱和信号交叉口的低速车队启动过程中安全应用于CACC车队？
• RQ2 CDH在信号交叉口的通行能力方面与恒定时间头部分隔（CTH）相比如何？
• RQ3 影响CDH在混合CTH/CDH CACC策略中可行性与安全性的关键系统参数有哪些？
• RQ4 CDH在不损害串列稳定性或安全性的情况下，最多可将交通通行能力提升多少？
• RQ5 基于真实世界数据校准的仿真结果，能在多大程度上反映混合间距策略下的真实交通性能？

主要发现

• 与CTH相比，CDH在饱和信号交叉口的车队启动阶段可显著提升交通通行能力，尤其在高需求条件下。
• 当CDH仅限于低速、高安全裕度条件（如交叉口启动）时，混合CTH/CDH策略可保持串列稳定性。
• 基于真实世界数据校准的仿真结果表明，在特定条件下，CDH相比CTH可将交叉口通行能力提升高达20%。
• 在低速车队启动过程中，CDH的安全裕度足够大，尽管其在高速下存在固有风险，但仍具备可行性。
• 头部分隔距离、车辆响应时间与通信范围等关键参数显著影响混合策略的性能与稳定性。
• 本研究证实，当CDH仅应用于低速、受控场景时，单辆车辆前向通信拓扑结构足以维持串列稳定性。