title: Movement strategies for emergency vehicles in lane-free environment

title: Στρατηγικές κίνησης για οχήματα έκτακτης ανάγκης σε δρόμους χωρίς λωρίδες
Creators: name: Παυλακη Ισμηνη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Road congestion and road accidents persist as major problems, even after decades of research and developments in road safety and traffic management and call for comprehensive solutions. Automated vehicles receive high-quality information in a fraction of a second through an array of sensors that scan the surroundings frequently. With high-quality information and split-second decisions, automated vehicles have the potential to deliver safe and efficient traffic flow. Road traffic lanes were introduced to help human drivers for safe navigation at the cost of reduced utilization of the road space. Moreover, lane changing is a high-risk task, which has the potential to trigger congestion and possibly lead to road capacity drop. Full automation of traffic makes the lanes unnecessary and calls for the novel idea of lane-free traffic. In a futuristic scenario of 100% automated vehicles, there is no need for the vehicles to follow the rules designed for human drivers. A lane-free environment is considered for the current work with fully automated vehicles for safe and efficient movement.
Emergency situations may arise due to various reasons, for example an ambulance or a fire truck navigating through traffic needs a “green corridor”, especially when human lives are at stake. With cooperation among the automated vehicles, emergency situations can be handled in an efficient manner. To this end, this diploma thesis investigates the case of an automated Emergency Vehicle (EmV), which aims at driving through traffic, while maintaining its desired speed. Regarding the connectivity capabilities of the EmV, we consider different approaches, where the EmV has no direct interaction with the rest of the traffic in terms of changing their behavior (passive approach); or cases where the EmV is capable of exchanging enhanced information with the surrounding vehicles in order to facilitate its movement, e.g. by creating “green corridors” (active approach).
The aforementioned problem is formulated as an Optimal Control Problem (OCP) and is solved numerically with use of a Feasible Direction Algorithm (FDA). The objective function of the OCP aims at minimizing several terms, regarding the safety and comfort of the passengers, fuel efficiency, and advancement goals of EmV by penalizing deviations from longitudinal and lateral desired speeds. State-dependent bounds on control inputs are used to ensure that the vehicles stay within the road boundaries and prevent crashes in emergency situations. The OCP is solved repeatedly for short-time horizons within a model predictive control (MPC) framework, while the vehicle advances.
The performance of the EmV is evaluated for both passive and active approaches and for different scenarios and traffic densities. The simulations were conducted in a lane-free environment, using a custom-made extension, named TrafficFluid-Sim, which is built for the SUMO (Simulation of Urban MObility) simulator. The results indicate that, at low-traffic densities, connectivity/cooperation between the EmV and the surrounding traffic has minor effect on the EmV’s performance, as there is sufficient space for manoeuvring. On the other hand, as the traffic density rises, the cooperation seems to be crucial and measures, like the formation of “green corridors”, are demonstrated to be extremely efficient, allowing the EmV to maintain high speeds, despite the limited space.

description: Η οδική συμφόρηση και τα τροχαία ατυχήματα εξακολουθούν να αποτελούν μείζονα προβλήματα, ακόμη και μετά από δεκαετίες έρευνας και εξελίξεων στην οδική ασφάλεια και τη διαχείριση της κυκλοφορίας και απαιτούν ουσιαστικές λύσεις. Τα αυτοματοποιημένα οχήματα λαμβάνουν πληροφορίες υψηλής ποιότητας σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μέσω μιας σειράς αισθητήρων που σαρώνουν συχνά το περιβάλλον. Με υψηλής ποιότητας πληροφορίες και αποφάσεις σε κλάσματα δευτερολέπτου, τα αυτοματοποιημένα οχήματα έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν ασφαλή και αποτελεσματική κυκλοφοριακή ροή. Οι οδικές λωρίδες κυκλοφορίας εισήχθησαν για να παρέχουν στους οδηγούς ασφαλή πλοήγηση, όμως με κόστος τη μειωμένη χρήση του οδικού χώρου. Επιπλέον, η αλλαγή λωρίδας είναι μια διαδικασία υψηλού κινδύνου, η οποία έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει συμφόρηση και πιθανώς να οδηγήσει σε μείωση της οδικής χωρητικότητας. Η πλήρης αυτοματοποίηση της κυκλοφορίας καθιστά τις λωρίδες περιττές και εισάγει τη καινοφανή ιδέα της κυκλοφορίας χωρίς λωρίδες. Σε ένα φουτουριστικό σενάριο, με χρήση 100% αυτοματοποιημένων οχημάτων, δεν υπάρχει ανάγκη τα οχήματα να ακολουθούν τους κανόνες που έχουν σχεδιαστεί για τους ανθρώπους-οδηγούς. Στη παρούσα εργασία, θεωρούμε ένα περιβάλλον χωρίς λωρίδες, με πλήρη χρήση αυτοματοποιημένων οχημάτων για ασφαλή και αποτελεσματική μετακίνηση. 
Καταστάσεις έκτακτης ανάγκης ενδέχεται να προκύψουν για διάφορους λόγους, για παράδειγμα ένα ασθενοφόρο ή ένα πυροσβεστικό όχημα που πλοηγείται στην κυκλοφορία χρειάζεται έναν «πράσινο διάδρομο», ειδικά όταν διακυβεύονται ανθρώπινες ζωές. Με τη συνεργασία μεταξύ των αυτοματοποιημένων οχημάτων, οι καταστάσεις έκτακτης ανάγκης μπορούν να αντιμετωπιστούν με αποτελεσματικό τρόπο. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά την περίπτωση ενός αυτοματοποιημένου οχήματος έκτακτης ανάγκης (Emergency Vehicle - EmV), το οποίο στοχεύει στη διέλευση του οχήματος μέσα από την κυκλοφορία, διατηρώντας την επιθυμητή του ταχύτητα. Όσον αφορά τις δυνατότητες συνδεσιμότητας του EmV, εξετάζουμε διαφορετικές προσεγγίσεις, όπου το EmV δεν έχει άμεση αλληλεπίδραση με την υπόλοιπη κίνηση όσον αφορά την αλλαγή της συμπεριφοράς τους (παθητική προσέγγιση), καθώς και περιπτώσεις όπου το EmV είναι ικανό να ανταλλάσσει βελτιωμένες πληροφορίες με τα γύρω οχήματα για να διευκολύνει την κίνησή του, π.χ. με τη δημιουργία «πράσινων διαδρόμων» (ενεργητική προσέγγιση).
Το προαναφερθέν πρόβλημα διατυπώνεται ως Πρόβλημα Βέλτιστου Ελέγχου (Optimal Control Problem - OCP) και επιλύεται αριθμητικά με τη χρήση ενός αλγόριθμου εφικτής κατεύθυνσης (Feasible Direction Algorithm - FDA). Η αντικειμενική συνάρτηση του OCP στοχεύει στην ελαχιστοποίηση πολλών όρων σχετικά με την ασφάλεια και την άνεση των επιβατών, την κατανάλωση καυσίμου και άλλους στόχους βελτίωσης της ποιότητας κίνησης του EmV με αριθμητικές ποινές αποκλίσεων από τις διαμήκεις και πλευρικές επιθυμητές ταχύτητες. Τα όρια που εξαρτώνται από τις εξισώσεις κατάστασης στις εισόδους ελέγχου χρησιμοποιούνται για να διασφαλιστεί ότι τα οχήματα παραμένουν εντός των ορίων του δρόμου και αποτρέπουν ατυχήματα σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Το OCP επιλύεται επαναληπτικά για σύντομους χρονικούς ορίζοντες μέσα σε ένα πλαίσιο προβλεπτικού ελέγχου βάσει μοντέλου (Model Predictive Control - MPC), ενώ το όχημα προχωρά.
Η απόδοση του EmV αξιολογείται, τόσο στις παθητικές, όσο και στις ενεργητικές, προσεγγίσεις, για διαφορετικά σενάρια και πυκνότητες κυκλοφορίας. Οι προσομοιώσεις έλαβαν χώρα σε ένα περιβάλλον χωρίς λωρίδες, χρησιμοποιώντας την προσαρμοσμένη επέκταση με την ονομασία TrafficFluid-Sim, η οποία έχει κατασκευαστεί για τον προσομοιωτή SUMO (Simulation of Urban MObility). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι, σε χαμηλές πυκνότητες κυκλοφορίας, η συνδεσιμότητα/συνεργασία μεταξύ του EmV και της γύρω κυκλοφορίας έχει μικρή επίδραση στην απόδοση του EmV, καθώς υπάρχει επαρκής χώρος για ελιγμούς. Από την άλλη, καθώς αυξάνεται η πυκνότητα κυκλοφορίας, η συνεργασία φαίνεται να είναι κρίσιμη και μέτρα, όπως ο σχηματισμός «πράσινων διαδρόμων», αποδεικνύονται εξαιρετικά αποτελεσματικά, επιτρέποντας στο EmV να διατηρεί υψηλές ταχύτητες, παρά τον περιορισμένο χώρο.