title: Joint optimization of vehicle trajectories for a highway weaving area in lane-free traffic
title: Κοινή βελτιστοποίηση τροχιών οχημάτων για μία περιοχή σύμπλεξης κυκλοφοριακών ρευμάτων σε αυτοκινητόδρομο χωρίς λωρίδες
Creators: name: Δαφερερας Γεωργιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Traffic congestion on highways and arterials is an increasingly serious problem for most major cities around the world, leading to substantial delays, increased fuel consumption, excessive environmental pollution, and compromised traffic safety. While traffic management measures utilizing conventional actuators are valuable and, in some cases, capable of delaying or even preventing congestion, they are not always adequate for addressing heavily congested traffic conditions. Gradually emerging and future ground-breaking vehicle automation and communication systems should be exploited to develop innovative solutions that can be applied within a smart road infrastructure.
The recently introduced TrafficFluid concept presents a novel paradigm for vehicular traffic, particularly applicable at high levels of vehicle automation and communication systems. The TrafficFluid concept suggests: (1) lane-free traffic, whereby vehicles are not bound to fixed traffic lanes, as in conventional traffic; and (2) vehicle nudging, whereby vehicles may exert a "nudging" effect on vehicles in front of them. Vehicles in a lane-free environment do not necessarily align to form lanes but are self-organizing into dynamically changing 2-D clusters, depending on the vehicle sizes, their desired speeds, the employed vehicle movement strategies, and the prevailing density, so as to maximize the infrastructure utilization.
This thesis introduces a joint trajectory optimization algorithm for a number of connected and automated vehicles within a lane-free highway weaving area, i.e. a common highway design element near ramps. A weaving area may experience congestion problems even when traffic flow is less than capacity due to design and complexity of the vehicle interactions, resulting into low traffic flow and potential safety issues. A double-integrator model is utilized for the longitudinal and lateral movements of each vehicle. The objective function comprises several sub-objectives reflecting corresponding, partially competing, driving aspects and concerns, including passenger comfort, low fuel consumption, vehicle advancement at desired speed, collision avoidance, suppressing of infeasible maneuvers. Fixed and state-dependent control input bounds account for various technical limitations as well as road boundary adherence. The solution to the formulated joint Optimal Control Problem (OCP) is computed using a highly efficient Feasible Direction Algorithm, which exploits the structure of the state equations to map the OCP into a reduced Nonlinear Programming Problem. To demonstrate the efficiency of the proposed approach, challenging scenarios will be examined on a lane-free highway, including an on-ramp and off-ramp, located close to each other and forming a weaving area. 
description: Η κυκλοφοριακή συμφόρηση σε αυτοκινητόδρομους και αρτηρίες είναι ένα ολοένα και πιο σοβαρό πρόβλημα για τις περισσότερες μεγάλες πόλεις σε όλο τον κόσμο, οδηγώντας σε σημαντικές καθυστερήσεις, αυξημένη κατανάλωση καυσίμου, υπερβολική περιβαλλοντική ρύπανση και μειωμένη κυκλοφοριακή ασφάλεια. Ενώ τα μέτρα διαχείρισης της κυκλοφορίας που χρησιμοποιούν συμβατικά μέσα είναι πολύτιμα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ικανά να καθυστερήσουν ή ακόμα και να αποτρέψουν τη συμφόρηση, δεν είναι πάντα επαρκή για την αντιμετώπιση συνθηκών κυκλοφορίας με μεγάλη συμφόρηση. Σταδιακά αναδυόμενα και μελλοντικά πρωτοποριακά συστήματα αυτοματισμού και επικοινωνίας οχημάτων θα πρέπει να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη καινοτόμων λύσεων που μπορούν να εφαρμοστούν σε μια έξυπνη οδική υποδομή.
Το TrafficFluid, μια ιδέα που εισήχθη πρόσφατα, παρουσιάζει ένα νέο παράδειγμα για την κυκλοφορία οχημάτων, ιδιαίτερα εφαρμόσιμο σε υψηλά επίπεδα αυτοματισμού οχημάτων και συστημάτων επικοινωνίας. Συγκεκριμένα το TrafficFluid προτείνει: (1) κυκλοφορία χωρίς λωρίδες, σύμφωνα με την οποία τα οχήματα δεν δεσμεύονται σε σταθερές λωρίδες κυκλοφορίας, όπως στη συμβατική κυκλοφορία, και (2) ώθηση οχήματος, σύμφωνα με την οποία τα οχήματα μπορούν να ασκήσουν μια επίδραση «ωθώντας» τα οχήματα που βρίσκονται μπροστά τους. Τα οχήματα σε περιβάλλον χωρίς λωρίδες δεν ευθυγραμμίζονται απαραίτητα για να σχηματίσουν λωρίδες, αλλά αυτο-οργανώνονται σε δυναμικά μεταβαλλόμενα δισδιάστατα συμπλέγματα, ανάλογα με το μέγεθος των οχημάτων, τις επιθυμητές ταχύτητες, τις στρατηγικές κίνησης που εφαρμόζονται και την επικρατούσα κυκλοφοριακή πυκνότητα, για τη μεγιστοποίηση της χρήσης της υποδομής.
Αυτή η διπλωματική εργασία εισάγει έναν κοινό αλγόριθμο βελτιστοποίησης τροχιάς για έναν αριθμό συνδεδεμένων και αυτοματοποιημένων οχημάτων σε μια περιοχή σύμπλεξης κυκλοφοριακών ρευμάτων αυτοκινητόδρομου χωρίς λωρίδες, δηλαδή ένα κοινό στοιχείο σχεδιασμού αυτοκινητοδρόμων κοντά σε ράμπες. Μία τέτοια περιοχή μπορεί να αντιμετωπίσει προβλήματα συμφόρησης ακόμα και όταν η κυκλοφοριακή ροή είναι μικρότερη από τη χωρητικότητα λόγω του σχεδιασμού και της πολυπλοκότητας των αλληλεπιδράσεων των οχημάτων, με αποτέλεσμα χαμηλή κυκλοφοριακή ροή και πιθανά προβλήματα ασφάλειας. Ένα μοντέλο διπλής ολοκλήρωσης χρησιμοποιείται για τις διαμήκεις και πλευρικές κινήσεις κάθε οχήματος. Η αντικειμενική συνάρτηση περιλαμβάνει πολλούς επιμέρους στόχους που αντικατοπτρίζουν αντίστοιχα, εν μέρει ανταγωνιστικές, οδηγικές πτυχές και ανησυχίες, όπως η άνεση των επιβατών, η χαμηλή κατανάλωση καυσίμου, η προώθηση του οχήματος στην επιθυμητή ταχύτητα, η αποφυγή σύγκρουσης, η καταστολή ανέφικτων ελιγμών. Τα σταθερά και εξαρτώμενα από την κατάσταση όρια εισόδου ελέγχου αντιπροσωπεύουν διάφορους τεχνικούς περιορισμούς καθώς και την τήρηση των ορίων του δρόμου. Η λύση στο διαμορφωμένο κοινό Πρόβλημα Βέλτιστου Ελέγχου (ΠΒΕ) υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν εξαιρετικά αποδοτικό αλγόριθμο εφικτής κατεύθυνσης, ο οποίος εκμεταλλεύεται τη δομή των εξισώσεων κατάστασης για να αντιστοιχίσει το ΠΒΕ σε ένα μειωμένο πρόβλημα μη γραμμικού προγραμματισμού. Για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης, θα εξεταστούν δύσκολα σενάρια σε έναν αυτοκινητόδρομο χωρίς λωρίδες, συμπεριλαμβανομένης μιας οδού εισόδου και μιας οδού εξόδου από τον αυτοκινητόδρομο, που βρίσκονται η μια κοντά στην άλλη και σχηματίζουν ένα τμήμα σύμπλεξης κυκλοφοριακών ρευμάτων.