[论文解读] Platoon Forming Algorithms for Intelligent Street Intersections

Rik W. Timmerman, Marko Boon|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2019

Traffic control and management参考文献 29被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对智能十字路口自动驾驶车辆的新型车队形成算法（PFAs），通过速度控制实现车辆在进入路口前的同步，形成高速车队，从而最小化延迟并最大化路口通行能力。全面PFA显著降低了平均延迟——与传统交通灯相比，通行能力几乎翻倍——尽管其牺牲了公平性，表明需通过k-限制策略在延迟与公平性之间取得平衡。

ABSTRACT

We study intersection access control for autonomous vehicles. Platoon forming algorithms, which aim to organize individual vehicles in platoons, are very promising. To create those platoons, we slow down vehicles before the actual arrival at the intersection in such a way that each vehicle can traverse the intersection at high speed. This increases the capacity of the intersection significantly, offering huge potential savings with respect to travel time compared to nowadays traffic. We propose several new platoon forming algorithms and provide an approximate mean delay analysis for our algorithms. A comparison between the current day practice at intersections (through a case study in SUMO) and our proposed algorithms is provided. Simulation results for fairness are obtained as well, showing that platoon forming algorithms with a low mean delay sometimes are relatively unfair, indicating a potential need for balancing mean delay and fairness.

研究动机与目标

• 设计新型车队形成算法（PFAs），以提升自动驾驶车辆在路口的效率与通行能力。
• 解决最小化平均延迟与确保车辆公平获取路口通行权之间的权衡问题。
• 统一并扩展现有基于轮询模型和排队论的方法，用于智能路口控制。
• 通过仿真与解析近似方法评估PFAs的性能，并与传统交通灯系统进行对比。
• 探索在混合交通环境中，通过为传统车辆提供速度建议系统，应用PFAs的可行性。

提出的方法

• 本文提出一类新型闭式速度轨迹算法，可精确调节车速，使车辆在进入路口前实现同步，形成车队。
• 采用轮询模型对路口接入进行建模，其中服务器（路口）根据PFA调度规则，循环服务各队列（驶向路口的车辆流）。
• 全面PFA策略在切换前服务完队列中所有车辆，而k-限制PFA策略则对车队规模施加上限以提升公平性。
• 作者基于排队论推导了平均延迟的近似分析，将PFA设计与性能指标相联系。
• 在SUMO中开展仿真，采用固定周期和自适应交通灯控制作为基线进行对比。
• 通过速度调节确保车队以前往路口时保持高速，从而最小化清空时间并最大化吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计车队形成算法，以在维持车辆公平通行的前提下最小化路口的平均延迟？
• RQ2 与传统交通灯系统相比，基于PFA的控制在延迟与通行能力方面能带来多大性能提升？
• RQ3 不同的轮询策略——全面式与k-限制式——如何影响基于车队的路口控制中延迟与公平性之间的权衡？
• RQ4 在混合交通环境中，通过为传统车辆提供速度建议系统，PFAs的适用程度如何？
• RQ5 能否基于轮询模型，为基于PFA的路口控制推导出平均延迟的解析近似？

主要发现

• 全面PFA显著降低了平均延迟，在仿真中实现的通行能力接近传统固定周期交通灯的两倍。
• 在高流量条件下，全面PFA在平均延迟方面优于固定周期与自适应交通灯控制。
• 尽管平均延迟较低，全面PFA表现出相对较差的公平性，表明需在效率与公平性之间进行权衡。
• k-限制PFA策略通过限制车队规模，提供了低延迟与公平性之间的良好折中。
• 速度调节使车队能够以高速通过路口，从而降低整体延迟与制动次数。
• 所提出的PFAs可通过速度建议系统应用于传统交通，表明其具备实际部署潜力。