[论文解读] Optimal Control of Connected Automated Vehicles at Urban Traffic Intersections: A Feasibility Enforcement Analysis

Yue Zhang, Christos G. Cassandras+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Traffic control and management参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可行性保障区（FEZ），通过在进入控制区之前预先调整车辆速度和到达时间，确保城市交叉口处联网自动驾驶车辆（CAVs）的无碰撞、最优控制。FEZ确保每辆CAV以前置条件处于可行区域内的状态进入控制区，从而实现去中心化的最优控制，最小化燃油消耗并最大化通行量，同时强制执行硬性安全约束。

ABSTRACT

Earlier work has established a decentralized optimal control framework for coordinating online a continuous flow of connected automated vehicles (CAVs) entering a control zone and crossing two adjacent intersections in an urban area. A solution, when it exists, allows the vehicles to cross the intersections without the use of traffic lights, without creating congestion on the connecting road, and under the hard safety constraint of collision avoidance. We establish the conditions under which such solutions exist and show that they can be enforced through an appropriately designed feasibility enforcement zone that precedes the control zone. The proposed solution and overall control architecture are illustrated through simulation.

研究动机与目标

• 为解决确保联网自动驾驶车辆（CAVs）进入城市交叉口控制区时具备可行初始条件的挑战。
• 识别最优控制解存在的条件，特别是关于速度和到达时间的条件。
• 设计一种可行性保障区（FEZ），主动调整CAVs的速度和进入时间，使其在进入控制区前满足可行性要求。
• 实现在无交通信号灯的两个相邻交叉口之间，CAVs的去中心化、实时协调，最小化燃油消耗并避免碰撞。
• 建立一个仅依赖车对车和车对基础设施通信的可扩展、安全且高效的交叉口管理框架。

提出的方法

• 本文基于硬性安全约束（包括追尾碰撞避免）定义了在速度-到达时间空间中存在最优控制解的可行区域。
• 提出位于控制区之前的可行性保障区（FEZ），在此区域内对CAVs进行控制，使其在进入控制区前达到可行的初始状态。
• FEZ设计采用反馈控制律，根据前车的实时信息调整车辆速度，确保车辆在可行区域内进入控制区。
• 该方法利用去中心化的最优控制框架，每辆CAV仅使用本地信息和安全约束独立求解自身的最优控制问题。
• 理论分析证明，若FEZ设计得当，所有进入控制区的CAVs都将具备可行的初始条件，从而实现无碰撞、最优运行。
• 仿真结果验证了FEZ的有效性：配备FEZ的CAVs保持了安全的车距，而未配备FEZ的CAVs则违反了安全约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种速度和到达时间条件下，CAV进入交叉口控制区的最优控制问题存在可行解？
• RQ2 如何确保CAV以满足最优控制问题可行性约束的初始条件进入控制区？
• RQ3 如何设计最优的可行性保障区（FEZ），以确保所有CAVs在无集中协调的情况下均能进入控制区的可行区域？
• RQ4 与未设置此类区域的系统相比，FEZ的引入如何影响城市交叉口处CAVs的安全性、燃油效率和通行量？
• RQ5 所提出的框架能否在保持安全性和最优性的同时，支持多种CAV类型和动态交通条件？

主要发现

• 在进入控制区前可获取的信息范围内，完全表征了CAV初始条件（到达时间和速度）的可行区域。
• 证明了FEZ能够有效强制所有进入控制区的CAVs满足可行初始条件，确保最优控制解始终可行。
• 仿真结果表明，未配备FEZ的CAVs中，前20辆中有6辆违反了最小安全距离约束（s_i(t) < 10 m），而所有配备FEZ的CAVs均保持了安全间距。
• 在给定系统参数下，FEZ长度被解析推导为44米，确保所有CAVs均可被调整至可行区域。
• 已具备可行初始条件的CAVs（例如某车道的首辆车）无需调整，体现了该方法的高效性。
• 该框架实现了两个相邻交叉口之间CAVs的去中心化、实时协调，实现了燃油高效、无拥塞、无碰撞的运行。