Internal boundary control of lane-free automated vehicle traffic
Authors: Μαλεκζαντεχκέμπρια Μιλάντ 
Published: November 2023

Οι οδικές μεταφορές υφίστανται μια βαθιά μεταμόρφωση, που βασίζεται σε σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις αναφορικά με την οδική υποδομή, τα οχήματα και την διαχείριση της κυκλοφορίας. Σε αυτό το πλαίσιο, τα οχήματα επικοινωνούν αδιάλειπτα μεταξύ τους και με την υποδομή και καθοδηγούνται από δεδομένα πραγματικού χρόνου και προηγμένους αλγόριθμους, που τα επιτρέπουν να κινούνται αυτόνομα. Τα Συνδεδεμένα Αυτόματα Οχήματα (ΣΑΟ) είναι εξοπλισμένα με μια σειρά από αισθητήρες, κάμερες, Lidar, ραντάρ και συστήματα επικοινωνίας V2X (Vehicle-to-Everything). Αυτές οι τεχνολογίες επιτρέπουν στα οχήματα να «βλέπουν» το περιβάλλον τους, να ανταλλάσσουν πληροφορίες με κοντινά οχήματα, σήματα κυκλοφορίας και υποδομές και να λαμβάνουν έξυπνες αποφάσεις με βάση αυτή τη συλλογική ενημέρωση. Μία από τις πολλές εξελίξεις σε αυτό το πλαίσιο είναι το πρότυπο TrafficFluid, μια εμπροσθομερης προσέγγιση στην οδική κινητικότητα που γίνεται ολοένα και πιο σημαντική στην εποχή των ΣΑΟ. Το TrafficFluid προτείνει την κυκλοφορία των οχημάτων χωρίς λωρίδες. Παραδοσιακά, οι δρόμοι οριοθετούνται με παράλληλες λωρίδες για να απλοποιηθεί η οδήγηση από ανθρώπους. Ωστόσο, το παράδειγμα χωρίς λωρίδα σηματοδοτεί μια απόκλιση από αυτό το άκαμπτο πλαίσιο. Αντί να περιορίζει τα οχήματα σε προκαθορισμένες λωρίδες, οραματίζεται ένα δυναμικό και προσαρμόσιμο κυκλοφοριακό οικοσύστημα. Η κυκλοφορία χωρίς λωρίδες συνεπάγεται ότι η σταδιακή διαπλάτυνση (στένωση) του δρόμου οδηγεί σε αντίστοιχη σταδιακή αύξηση (μείωση) ικανότητας, και αυτό ανοίγει τον δρόμο για την εξέταση του Ελέγχου Εσωτερικού Ορίου (ΕΕΟ) σε πραγματικό χρόνο σε αυτοκινητόδρομους και αρτηρίες προκειμένου να μοιράζεται ευέλικτα το συνολικό πλάτος και ικανότητα του δρόμου (και στις δύο κατευθύνσεις) μεταξύ των δύο κατευθύνσεων σε εξάρτηση από την αμφίδρομη ζήτηση και συνθήκες κυκλοφορίας, έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η συνολική απόδοση ροής (δύο κατευθύνσεων). Το πρόβλημα διατυπώνεται αρχικά στην παρούσα διατριβή ως ένα κυρτό πρόβλημα Τετραγωνικού Προγραμματισμού (ΤΠ), το οποίο μπορεί να λυθεί εύκολα και αποτελεσματικά. Επιπλέον, η νέα δράση ελέγχου διερευνάται διεξοδικά για διάφορες περιπτώσεις, οι οποίες αναδεικνύουν τα χαρακτηριστικά και τις δυνατότητες της. Επίσης, αυτή η διατριβή αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τον ΕΕΟ, σε ένα δεύτερο βήμα, αναπτύσσοντας κατάλληλους Γραμμικούς-Τετραγωνικούς ρυθμιστές βασισμένους σε ανατροφοδότηση με ή χωρίς ολοκληρωμένη δράση (ρυθμιστές LQI και LQ). Οι προτεινόμενοι ρυθμιστές διερευνήθηκαν μέσω μακροσκοπικών προσομοιώσεων που περιλαμβάνουν διαφορετικά σενάρια ζήτησης σε ένα ρεαλιστικό τμήμα αυτοκινητόδρομου. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι ρυθμιστές μπορούν να είναι εξίσου αποτελεσματικοί με μια λύση ανοιχτού βρόχου βέλτιστου ελέγχου με μη γραμμικούς περιορισμούς. Επιπλέον, οι προτεινόμενοι ρυθμιστές δεν απαιτούν ακριβή μοντελοποίηση ή πρόβλεψη της εξωτερικής ζήτησης, επομένως είναι πιο εύρωστοι. Ωστόσο, οι κεντρικές λύσεις που απαιτούν πληροφορίες από ολόκληρο το τμήμα του αυτοκινητόδρομου που εξετάζεται μπορεί να είναι προβληματικές για μεγάλους αυτοκινητόδρομους σε σχέση με το εύρος της απαιτούμενης επικοινωνίας σε πραγματικό χρόνο. Σε ένα τρίτο βήμα αυτής της εργασίας, εξετάζονται δύο διαφορετικά σχήματα αποκεντρωμένου ελέγχου, συγκεκριμένα η επικαλυπτόμενης μέθοδος LQR και οι ανισότητες γραμμικού πίνακα (LMI) για τον ΕΕΟ σε κυκλοφορία ΣΑΟ χωρίς λωρίδες. Ως τελευταίο βήμα, η παρούσα διατριβή ολοκληρώνει και επικυρώνει την λειτουργικότητα του ΕΕΟ με πολύ πιο ρεαλιστικό τρόπο μέσω μικροσκοπικής προσομοίωσης και ενεργού κίνησης εσωτερικών ορίων, χρησιμοποιώντας το εργαλείο προσομοίωσης TrafficFluid-Sim που βασίζεται στο SUMO. Για την υλοποίηση ΕΕΟ χρησιμοποιείται ένα σχήμα ελέγχου ανάδρασης LQR. Επιπλέον, για τη βελτίωση της απόδοσης του ελεγκτή LQR, σχεδιάστηκε ένας όρος εμπρόσθιας τροφοδοσίας, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τις εξωτερικές διαταραχές, δηλαδή την ροή που εισέρχεται στο κυρίως ρεύμα του αυτοκινητόδρομου και τις ροές στις ράμπες εισόδου και οδηγεί σε ένα επαυξημένο σχήμα ελέγχου LQR-FF. Οι ελεγκτές LQR και LQR-FF διερευνώνται και συγκρίνονται σε ένα ρεαλιστικό περιβάλλον, αποδεικνύοντας πώς μπορεί να λειτουργήσει ο ΕΕΟ στην πράξη για την καταπολέμηση της κυκλοφοριακής συμφόρησης σε αυτοκινητόδρομους με πρωτόγνωρη αποτελεσματικότητα.