[论文解读] Rhythmic Control of Automated Traffic -- Part I: Concept and Properties at Isolated Intersections

Xiangdong Chen, Meng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Traffic control and management参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出节奏控制（RC），一种计算高效的联网自动驾驶车辆（CAVs）交叉口管理策略，通过固定且重复的车辆运行序列，实现无冲突、无停车的独立交叉口通行。RC显著提升交叉口通行能力并减少平均车辆延迟，通过允许多个冲突运动同时共享通行权，相较于传统信号控制和无信号控制方法，在静态与非静态交通条件下均表现出更优性能。

ABSTRACT

Leveraging the accuracy and consistency of vehicle motion control enabled by the connected and automated vehicle technology, we propose the rhythmic control (RC) scheme that allows vehicles to pass through an intersection in a conflict-free manner with a preset rhythm. The rhythm enables vehicles to proceed at a constant speed without any stop. The RC is capable of breaking the limitation that right of way can only be allocated to non-conflicting movements at a time. It significantly improves the performance of intersection control for automated traffic. Moreover, the RC with a predetermined rhythm does not require intensive computational efforts to dynamically control vehicles, which may possibly lead to frequent accelerations or decelerations. Assuming stationary vehicle arrivals, we conduct theoretical investigation to show that RC can considerably increase intersection capacity and reduce vehicle delay. Finally, the performance of RC is tested in the simulations with both stationary and non-stationary vehicle arrivals at both symmetric and asymmetric intersections.

研究动机与目标

• 解决现有联网自动驾驶车辆（CAVs）实时交叉口控制方法在可扩展性和性能方面的局限性。
• 开发一种计算轻量级控制方案，避免频繁加速与减速，同时确保车辆无碰撞通行。
• 打破传统限制：即仅非冲突运动可同时服务，从而提升交叉口吞吐量。
• 在对称与非对称交叉口、静态与非静态车辆到达等多种交通条件下，评估RC的性能表现。
• 通过提出一种可扩展、安全且高效的孤立交叉口控制框架，为未来大规模网格化协同奠定基础。

提出的方法

• RC将车辆运行组织为固定且重复的序列，通过交替来自不同交叉车道的车辆，确保在每个冲突点实现无冲突通行。
• 车辆根据预定节奏被分配至交叉口的特定时间槽，实现恒速行驶，无需停车。
• 通过最小车车间距阈值（δ）实现安全控制，该阈值被整合进无碰撞约束中，以应对微小轨迹偏差。
• 对于偏离δ范围的车辆，实时应用轨迹调整，利用相邻的可行时间槽以维持安全与序列完整性。
• 在极端情况（如车辆故障或阻塞）下，受影响车道将被临时禁用，以保障系统安全并维持其他车道的正常运行。
• 该框架假设具备完全的车车间通信与车路通信，以支持精确运动控制与实时协调。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统信号控制和无信号CAV控制方法相比，节奏控制方案是否能显著提升交叉口通行能力并减少车辆延迟？
• RQ2 在非静态与非均衡交通需求场景下，RC的表现如何，特别是在各进口道需求变化较大的情况下？
• RQ3 RC在多大程度上可实现冲突运动同时持有通行权而不发生碰撞，从而突破传统基于相位的信号控制的局限？
• RQ4 RC对现实世界干扰（如轻微轨迹偏差或车辆故障）的鲁棒性如何？
• RQ5 在真实交叉口安全部署RC时，实际实施挑战与应急恢复机制有哪些？

主要发现

• 在大多数交通场景下，包括对称与非对称交叉口，以及静态与非静态需求条件下，RC实现了最低的平均车辆延迟。
• 与传统信号控制和无信号控制相比，RC显著提升了交叉口通行能力，尤其在通过节奏化调度协调多个冲突运动时更为明显。
• RC使多个冲突运动能够同时通行而不发生碰撞，突破了传统限制——即仅非冲突运动可同时服务。
• 该方法计算效率高，无需复杂实时优化，因此可扩展应用于现实场景。
• 轨迹调整协议能有效处理在安全阈值δ范围内的微小偏差，确保持续无冲突运行。
• 应急协议（如阻塞时临时禁用车道）可维持系统安全，并允许未受影响车道继续运行。