Effect of automated vehicles on highway traffic flow and signalized junctions
Authors: Τυπάλδος Παναγιώτης 
Published: February 2023

Τα τελευταία χρόνια, έχει διεξαχθεί εντατική έρευνα για την ανάπτυξη πλήρως αυτοματοποιημένης οδήγησης για οχήματα κινούμενα σε δρόμους. Τα πλήρως αυτόματα οχήματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των κυκλοφοριακών λειτουργιών μειώνοντας τα ατυχήματα που προκαλούνται από ανθρώπινα λάθη, βελτιώνοντας την άνεση του οδηγού και των επιβατών, μειώνοντας την κυκλοφοριακή συμφόρησης και, ταυτόχρονα, συμβάλλοντας σε περιβαλλοντικές και οικονομικές πτυχές μέσω της μείωσης της κατανάλωσης καυσίμων και της εκπομπής ρύπων. Παρόλο που ο αυτοματισμός του οχήματος έχει ήδη οδηγήσει σε σημαντικά επιτεύγματα, υποστηρίζοντας τους οδηγούς με διάφορους τρόπους, η αύξηση του επιπέδου αυτοματισμού σε πλήρως αυτοματοποιημένη οδήγηση είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο πρόβλημα. Αυτό οφείλεται κυρίως στην πολυπλοκότητα των περιβάλλοντων του φυσικού κόσμου, συμπεριλαμβανομένης της αποφυγής στατικών και κινούμενων εμποδίων, της συμμόρφωσης με τους κανόνες οδικής κυκλοφορίας και της ανθρώπινης οδηγικής συμπεριφοράς. Η σημασία της οικολογικής οδήγησης για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου των οχημάτων στου δρόμους είναι ένα πολύ γνωστό και ευρέως αντιμετωπισμένο θέμα. Η οικολογική οδήγηση σκοπεύει στο να ελαχιστοποιήσει την κατανάλωση καυσίμων μέσω κατάλληλων ελιγμών ενός αυτόματου ή μη οχήματος. Στην τρέχουσα εργασία, το πρόβλημα της οικολογικής οδήγησης προσεγγίζεται ως ένα πρόβλημα βέλτιστου ελέγχου με σταθερό χρονικό ορίζοντα. Για την εκτίμηση της κατανάλωσης καυσίμου, χρησιμοποιούνται διάφορες εναλλακτικές λύσεις. Αρχικά, εξετάζεται ένα ρεαλιστικό, αλλά μη-γραμμικό και μη-λείο μοντέλο κατανάλωσης καυσίμων από τη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια εφαρμόζονται απλές διαδικασίες εξομάλυνσης, ώστε να καταστεί δυνατή η εφαρμογή αριθμητικών αλγορίθμων για την αποτελεσματική λύση του προκύπτοντος μη-γραμμικού προβλήματος βέλτιστου ελέγχου. Επιπλέον, εξετάζονται κατάλληλες τετραγωνικές προσεγγίσεις του μη-γραμμικού μοντέλου, οι οποίες επιτρέπουν τη αναλυτική λύση του προβλήματος. Μια εκτενής σύγκριση, με βάση διάφορα σενάρια οδήγησης, δείχνει τα χαρακτηριστικά κάθε εναλλακτικής προσέγγισης. Συγκεκριμένα, αποδεικνύεται ότι ο συχνά χρησιμοποιούμενος, αλλά έντονα αμφισβητούμενος, τετραγωνικός όρος της επιτάχυνσης παρέχει εξαιρετικές προσεγγίσεις για τροχιές που ελαχιστοποιούν την κατανάλωση καυσίμων. Παρά την, φαινομενικά, απλή δομή του περιβάλλοντος των αυτοκινητοδρόμων, οι ενέργειες των ανθρώπινων οδηγών μπορεί, συχνά, να οδηγήσουν σε ατυχήματα και αυξημένη κατανάλωση καυσίμων. Τα αυτόματα οχήματα εξοπλισμένα με κατάλληλους αισθητήρες και αλγόριθμους προγραμματισμού πορείας έχουν τη δυνατότητα να αντιμετωπίσουν αυτά τα ζητήματα. Σε αυτό το πλαίσιο, ένας αλγόριθμος προγραμματισμού πορείας, για συνδεδεμένα και μη-συνδεδεμένα αυτόματα οχήματα σε αυτοκινητόδρομους πολλαπλών λωρίδων, εξάγεται από την κατάλληλη διαμόρφωση ενός προβλήματος βέλτιστου ελέγχου. Σε αυτό το πλαίσιο, η αντικειμενική συνάρτηση προς ελαχιστοποίηση περιέχει κατάλληλους όρους που αντικατοπτρίζουν: τους στόχους της κίνησης του οχήματος, την άνεση των επιβατών, την αποφυγή συγκρούσεων με άλλα οχήματα και την αποφυγή κίνησης εκτός δρόμου. Η συνδεσιμότητα συνεπάγεται, στην παρούσα εργασία, ότι τα συνδεδεμένα οχήματα μπορούν να ανταλλάσσουν μεταξύ τους (V2V) πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο σχετικά με την τελευταία βραχυπρόθεσμη διαδρομή τους. Για την αριθμητική επίλυση του προβλήματος βέλτιστου ελέγχου, χρησιμοποιείται ένας αποτελεσματικός αλγόριθμος εφικτών κατευθύνσης. Για να εξασφαλιστούν τοπικά ελάχιστα υψηλής ποιότητας, σχεδιάστηκε επίσης ένας απλοποιημένος αλγόριθμος Δυναμικού Προγραμματισμού, για να υπολογίσει μια αποτελεσματική αρχική τροχιά για τον αλγόριθμο εφικτών κατευθύνσεων. Χάρη στους πολύ χαμηλούς υπολογιστικούς χρόνους, η προσέγγιση είναι εκτελέσιμη σε πραγματικό χρόνο στο πλαίσιο ελέγχου προβλεπτικού μοντέλου (MPC) που αντιμετωπίζει διάφορες εμπλεκόμενες αβεβαιότητες. Η προτεινόμενη προσέγγιση ενσωματώνεται σε μια πλατφόρμα μικροσκοπικής προσομοίωσης, η οποία επιτρέπει την αξιολόγηση πληθώρας ρεαλιστικών σεναρίων κίνησης οχημάτων κάτω από διαφορετικά μείγματα οχημάτων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, σε έναν ευθύγραμμο αυτοκινητόδρομο πολλαπλών λωρίδων, υποδεικνύουν υψηλότερη αποτελεσματικότητα των βέλτιστα ελεγχόμενων οχημάτων στο να διατηρηθούν κοντά στην επιθυμητή τους ταχύτητά, σε σύγκριση με τα χειροκίνητα οχήματα. Η αύξηση του ποσοστού των αυτόματων οχημάτων διαπιστώθηκε ότι οδηγεί σε συνολικά αποτελεσματικότερη κυκλοφοριακή ροή, ωφελώντας και τα χειροκίνητα οχήματα. Επιπλέον, τα συνδεδεμένα ελεγχόμενα οχήματα φαίνεται να είναι πιο αποτελεσματικά στην επίτευξη της επιθυμητής ταχύτητάς τους, σε σύγκριση επίσης με τα αντίστοιχα μη-συνδεδεμένα ελεγχόμενα οχήματα, λόγω της βελτιωμένης πληροφόρησης σε πραγματικό χρόνο και της βραχυπρόθεσμης πρόβλεψης που επιτυγχάνονται μέσω της επικοινωνίας V2V. Οι αστικές περιοχές και συγκεκριμένα οι σηματοδοτούμενες διασταυρώσεις έχουν καθοριστικό ρόλο στην ασφάλεια των οδηγών, καθώς και στην αυξημένη κατανάλωση καυσίμων των οχημάτων. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα συστήματα, γνωστά ως συστήματα GLOSA (Green Light Optimal Speed Advisory). Στην τρέχουσα εργασία, έχει προταθεί ένα πρόβλημα στοχαστικού βέλτιστου ελέγχου διακριτού χρόνου για την αντιμετώπιση του προβλήματος GLOSA σε περιπτώσεις όπου ο χρόνος της επόμενης εναλλαγής σήματος αποφασίζεται σε πραγματικό χρόνο και επομένως είναι αβέβαιος εκ των προτέρων. Η αντίστοιχη αριθμητική λύση μέσω ΣΔΠ (Στοχαστικού Δυναμικού Προγραμματισμού) απαιτεί αυξημένο υπολογιστικό χρόνο, ο οποίος αποκλείει τη λύση του προβλήματος στον υπολογιστή του οχήματος σε πραγματικό χρόνο. Για την αντιμετόπηση του αυξημένου υπολογιστικού φόρτου, αναπτύχθηκαν επίσης αρκετές τροποποιημένες εκδοχές του Δυναμικού Προγραμματισμού. Ως πρώτη προσπάθεια, χρησιμοποιήθηκε Διακριτικός Διαφορικός Δυναμικός Προγραμματισμός (ΔΔΔΠ) για την αριθμητική επίλυση του προβλήματος του στοχαστικού βέλτιστου ελέγχου. Ο αλγόριθμος ΔΔΔΠ αποδείχθηκε ότι επιτυγχάνει αποτελέσματα ισοδύναμα με αυτά που λαμβάνονται με τον συνηθισμένο αλγόριθμο ΣΔΠ, αλλά με σημαντικά μειωμένους υπολογιστικούς χρόνους. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική τροποποιημένη έκδοση του Δυναμικού Προγραμματισμού, γνωστή ως Διαφορικός Δυναμικός Προγραμματισμός (ΔΔΠ). Για το στοχαστικό πρόβλημα GLOSA, αποδεικνύεται ότι ο ΔΔΠ επιτυγχάνει σχεδόν στιγμιαίες (εξαιρετικά γρήγορες) λύσεις όσον αφορά τους υπολογιστικούς χρόνους, γεγονός που επιτρέπει την εύκολη εκτέλεση της προτεινόμενης προσέγγισης σε πραγματικό χρόνο στο πλαίσιο ελέγχου προβλεπτικού μοντέλου, στον υπολογιστή του οχήματος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο ΔΔΠ δεν απαιτεί διακριτοποίηση των μεταβλητών, επομένως οι λύσεις που λαμβάνονται μπορεί να είναι ελαφρώς καλύτερες από τις τυπικές λύσεις του ΣΔΠ. Ωστόσο, σε όλα τα προαναφερθέντα προβλήματα GLOSA, υπήρχε η υπόθεση ότι το σήμα κυκλοφορίας είναι αρχικά κόκκινο και γίνεται πράσινο, πράγμα που σημαίνει ότι λήφθηκε υπόψη μόνο μισός κύκλος ενός φωτεινού σηματοδότη. Για το σκοπό αυτό, το προαναφερθέν πρόβλημα επεκτάθηκε λαμβάνοντας υπόψη έναν πλήρη κύκλο φωτεινών σηματοδοτών, που αποτελείται από τέσσερις φάσεις: μια ορισμένη πράσινη φάση, κατά την οποία το όχημα μπορεί να περάσει ελεύθερα, μια αβέβαιη πράσινη φάση, στην οποία υπάρχει πιθανότητα το φανάρι να παρατείνει τη διάρκειά του ή να γίνει κόκκινο ανά πάσα στιγμή, μια ορισμένη κόκκινη φάση κατά την οποία το όχημα δεν μπορεί να περάσει, και μια αβέβαιη κόκκινη φάση, στην οποία υπάρχει πιθανότητα το κόκκινο σήμα να παραταθεί ή να γίνει πράσινο ανά πάσα στιγμή. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη προσέγγιση ΣΔΠ επιτυγχάνει καλύτερη μέση απόδοση, όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμων, σε σύγκριση με το μοντέλο IDM (Intelligent Driver Model), το οποίο μιμείται την ανθρώπινη συμπεριφορά οδήγησης.