Modeling the safety and efficiency performance of automated vehicles using fuzzy logic
Authors: Μάττας Κωνσταντίνος 
Published: May 2021

Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται ραγδαία εξέλιξη των τεχνολογιών αυτοματισμού και συνδεσιμότητας οχημάτων. Υπάρχουν εκτιμήσεις της βιομηχανίας ότι η πλήρως αυτοματοποιημένη οδήγηση θα είναι πραγματικότητα τα επόμενα χρόνια. Ακόμη και για χαμηλά επίπεδα αυτοματισμού, αυτά τα συστήματα μπορούν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην κατάσταση των δικτύων οδικών μεταφορών. Η οδική ασφάλεια είναι ένας σημαντικός παράγοντας, καθώς πολλά ατυχήματα οφείλονται σε ανθρώπινα λάθη, τα οποία μπορούν να αποφευχθούν από αυτοματοποιημένα συστήματα οδήγησης. Επιπλέον, τα προβλήματα κυκλοφορίας είναι πολύ κοινά στα σημερινά οδικά δίκτυα, λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για μεταφορά και της αδυναμίας των δικτύων να παρέχουν επαρκή επίπεδα εξυπηρέτησης. Ειδικά για τα αστικά δίκτυα, οι επιπτώσεις της συμφόρησης είναι σημαντικές τόσο όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμων όσο και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθώς και όσον αφορά το χρόνο που ο μέσος άνθρωπος χάνει. Η αύξηση της χωρητικότητας αυτών των δικτύων μπορεί να είναι πολύ δαπανηρή ή ακόμη και αδύνατη με την τρέχουσα υποδομή. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αλλάξει χάρη σε τεχνολογίες αυτοματισμού και της διασυνδεσιμότητας. Η οδηγική συμπεριφορά των αυτοματοποιημένων οχημάτων μπορεί να σχεδιαστεί για να είναι πιο αποτελεσματική, πιο ασφαλής, με καλύτερη χρήση της ικανότητας του δικτύου. Η ανάπτυξη συστημάτων που μπορούν να είναι τόσο ασφαλή και αποτελεσματικά όσο ένας έμπειρος οδηγός συνεπάγεται περίπλοκα προβλήματα. Η ασαφής λογική μπορεί να έχει πολλές εφαρμογές σε αυτά τα ζητήματα. Τα κύρια ερευνητικά ερωτήματα είναι: Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση των τεχνολογιών αυτοματοποιημένης οδήγησης; Ποιες επιπτώσεις μπορούν να έχουν αυτές οι τεχνολογίες στα οδικά δίκτυα; Πώς μπορούμε να έχουμε συστήματα εγγυημένης ασφάλειας που δεν οδηγούν σε επιδείνωση των προβλημάτων κυκλοφορίας; Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας των παραπάνω ερωτήσεων, προτείνουμε εφαρμογές ασαφούς λογικής: Ποσοτικοποίηση του επιπέδου ασφάλειας με χρήση ασαφούς λογικής. Σχεδιασμός ενός ασαφούς αυτοματοποιημένου συστήματος ελέγχου κίνησης ενός οχήματος, που να εγγυείται ασφάλεια και συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη ροή κυκλοφορίας. Ανάπτυξη εργαλείων ασαφούς λογικής για αποτελεσματικότερη δρομολόγηση οχημάτων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσομοίωσης για την εκτίμηση των συνεπειών στα οδικά δίκτυα. Χρησιμοποιήθηκαν πραγματικά δεδομένα για τη μοντελοποίηση του οδικού δικτύου της περιφερειακής οδού της Αμβέρσας, πόλης του Βελγίου που φιλοξενεί ένα από τα μεγαλύτερα λιμάνια της Ευρώπης. Τα σημαντικότερα ευρήματα περιλαμβάνουν ότι η πολύ συντηρητική συμπεριφορά αυτοματοποιημένων οχημάτων μπορεί να επιδεινώσει σοβαρά την κατάσταση κυκλοφορίας και η συνδεσιμότητα μπορεί να είναι απαραίτητη για τη μείωση της συμφόρησης. Επιπλέον, ακόμη και για διασυνδεδεμένα αυτοματοποιημένα οχήματα, εάν ο φόρτος αυξηθεί, ενδέχεται να μην πραγματοποιηθούν η κατάσταση να επιδεινωθεί. Αναλύθηκε επίσης η συμπεριφορά και οι δυνατότητες των σημερινών συστημάτων. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από ένα πραγματικό πείραμα, διερευνώνται ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες των συστημάτων. Αποδεικνύεται ότι παρουσιάζουν μορφές αστάθειας που είναι επιζήμιες για τα δίκτυα κυκλοφορίας. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, στη βιβλιογραφία ερευνήθηκαν μαθηματικά μοντέλα για την αναγνώριση της μη ασφαλούς συμπεριφοράς οδήγησης. Εντοπίστηκαν οι αδυναμίες τους στην ανάλυση του επιπέδου ασφάλειας των προηγμένων τεχνολογικών συστημάτων. Με βάση αυτά, αντιπροσωπευτικοί δείκτες ασφαλείας (Surrogate Safety Metrics, SSM) αναπτύσσονται με της χρήση ασαφούς λογικής. Η χρησιμότητα των προτεινόμενων SSM και τα πλεονεκτήματά τους έναντι των παραδοσιακών δεικτών διερευνώνται τόσο από πειράματα προσομοίωσης όσο και από πειραματικά δεδομένα.Το επόμενο βήμα στην έρευνα είναι ή διερεύνηση της χρησιμότητας των ασαφών SSM για τον έλεγχο του οχήματος. Ένα ασαφές συμπερασματικό σύστημα σχεδιάστηκε που εντοπίζει πιθανούς κινδύνους και αντιδρά κατάλληλα, ανάλογα με το επίπεδο κινδύνου. Τα προτεινόμενα συστήματα αυτόματου ελέγχου παρουσιάζουν ευστάθεια και ωφελούν τη ροή της κυκλοφορίας. Μια άλλη παρατήρηση αφορά τον κυκλοφοριακό φόρτο. Για αυξημένη ζήτηση, ακόμη και αν τα οχήματα σχηματίζουν αποτελεσματικούς σχηματισμούς, τα προβλήματα συμφόρησης θα επιδεινωθούν. Έτσι, η βέλτιστη κατανομή της ζήτησης μπορεί να αποδειχθεί απαραίτητη. Το πρόβλημα της δρομολόγησης ενός ή περισσοτέρων οχημάτων απαιτεί συχνά την επίλυση του γνωστού προβλήματος του περιπλανώμενου πωλητή (Traveling Salesman Problem,TSP). Η πολυπλοκότητά του προβλήματος κάνει αναγκαία την χρήση ευρετικών αλγορίθμων για την επίλυσή του. Αναπτύσσεται μια ασαφής προσέγγιση για τη σύγκριση του κόστους κάθε σύνδεσης με όλες τις εναλλακτικές, ποσοτικοποιώντας την καταλληλόλητα κάθε μεμονωμένης επιλογής που πρέπει να γίνει. Η χρήση των παραγόμενων ασαφών συνόλων παρουσιάζεται να βελτιώνει την ποιότητα των λύσεων υφιστάμενων ευρετικών αλγορίθμων.