Motorway traffic control with connected automated vehicles

Abstract

The Connected Automated Vehicle (CAV) revolution has begun, offering new benefits and mobility solutions to the society. The ability of CAVs to collect multiple types of data from the infrastructure and also exchange information with other connected vehicles (CV), promises to revolutionise the individual mobility within the upcoming years. Vehicle manufacturers experience the transition of becoming providers of innovative mobility solutions (IMS), replacing their up to now role of just producing conventional vehicles. Such technological advances and solutions usually come in the form of Advanced Drivers Assistance Systems (ADAS), already included at the majority of vehicles produced nowadays. These systems may contribute to improve safety and increase traffic flow efficiency on motorways, so as to develop a less congested and environmental friendly transportation network for all road users. The development, testing and validation of traffic control strategies for ADAS systems, is an interesting topic that gathered momentum in the research and industrial community during the last decade. The development of these strategies sorely lies on the CAVs ability to react in a controlled manner according to the prevailing traffic conditions, utilizing their own sensing technology. These strategies may suggest a new speed limit, a lane change maneuvre, a new time-gap value or a dedicated lane advice that needs to be applied by CAVs. In the current work, a series of local level traffic control strategies for mixed traffic are evaluated through microscopic simulations, on two real calibrated test-beds utilizing different penetration rates (PR) of CAVs, that act both as sensors and as actuators. The control strategies receive in real-time density, flow or speed measurements and deliver a series of actions to be enabled with the use of CAVs according to the policy adopted. Taking into account their simplicity in terms of control design, the control strategies showcase a satisfactory control behaviour to all the control scenarios examined. Analysing and optimising a multidestination network is typically considered a highly complex task. One destination may have more than one alternative routes, which are typically longer in distance and time. In most cases, road users select their route (i.e. which corresponds to the shortest route) based on travel time, in order to reach their destination as early as possible. This implies that during peak hours, the capacity of the route may attain or exceed its maximum value, leading to congested traffic conditions. Numerous studies in the literature address the problem of rerouting vehicles in order to prevent the formation of congestion at both urban and motorway environments, by proposing dynamic traffic assignment strategies using feedback strategies or optimal control problem formulations. In the current work, a first-order multi-lane macroscopic traffic flow model for motorway networks, incorporating capacity drop features, is utilized within an optimal control problem, to demonstrate the integrated use of various traffic control measures. Among these measures are mainstream traffic flow control, lane change control, ramp metering control and dynamic traffic assignment control. The optimal control solutions derived from the Quadratic Programming (QP) problem formulation are cast in a Model Predictive Control (MPC) framework for testing via application of the control actions for various PR of CAVs, within a microsimulation environment. A real motorway network with multiple destinations and routes was identified as the system for the needs of the microscopic evaluations. The results proved beneficial at all PR examined reaching the main goal of each one of the traffic control strategies involved. The lane changing actions offered a twofold contribution; that is to achieve an appropriate distribution of vehicles among all lanes and redirect the traffic using all the alternative routes. Furthermore, even at low PR, CAVs were able to drive the average speed of all vehicles close to the speed limit ordered; thus, applying MTFC actions on the mainstream motorway. Moreover, the use of RM actions at specific on-ramp merges were necessary to keep the merging area at an under critical density regime and avoid the formation of congestion on the motorway corridor.

Η επανάσταση του Συνδεδεμένου Αυτόματου Οχήματος (CAV) έχει ήδη ξεκινήσει, προσφέροντας νέα οφέλη και λύσεις κινητικότητας στην κοινωνία. Τα αυτόματα οχήματα έχουν τη δυνατότητα να συλλέγουν πολλαπλούς τύπους δεδομένων από την εκάστοτε υποδομή αλλά και να ανταλάσσουν δεδομένα με άλλα συνδεδεμένα οχήματα, φέρνοντας έτσι την επανάσταση στην ατομική κινητικότητα μέσα στα επόμενα χρόνια. Οι κατασκευαστές οχημάτων βιώνουν τη μετάβαση και γίνονται πάροχοι καινοτόμων λύσεων κινητικότητας (IMS), αντικαθιστώντας τον μέχρι τώρα ρόλο της απλής παραγωγής συμβατικών οχημάτων. Τέτοιες τεχνολογικές εξελίξεις και λύσεις έρχονται με τη μορφή Προηγμένων Συστημάτων Υποβοήθησης Οδηγού (ADAS), που ήδη περιλαμβάνονται στην πλειοψηφία των οχημάτων που παράγονται σήμερα. Αυτά τα συστήματα μπορούν να συμβάλλουν στη βελτίωση της ασφάλειας και στην αύξηση της απόδοσης της ροής της κυκλοφορίας στους αυτοκινητόδρομους, παράγοντας ένα φιλικό προς το περιβάλλον δίκτυο μεταφορών για όλους τους χρήστες του δρόμου. Η ανάπτυξη, δοκιμή και αξιολόγηση στρατηγικών ελέγχου κυκλοφορίας για συστήματα ADAS, είναι ένα ενδιαφέρον θέμα που έχει συγκεντρώσει μεγάλη δυναμική στην ερευνητική και βιομηχανική κοινότητα την τελευταία δεκαετία. Η ανάπτυξη αυτών των στρατηγικών έγκειται πολύ στην ικανότητα των αυτόματων οχημάτων CAV να αν- τιδρούν με ελεγχόμενο τρόπο σύμφωνα με τις επικρατούσες κυκλοφοριακές συνθήκες, χρησιμοποιώντας τη δική τους τεχνολογία ανίχνευσης. Αυτές οι στρατηγικές μπορεί να προτείνουν ένα νέο όριο ταχύτητας, έναν ελιγμό αλλαγής λωρίδας, μια νέα τιμή χρονικού διαστήματος ή μια ειδική συμβουλή λωρίδας που πρέπει να εφαρμοστεί από τα αυτόματα οχήματα. Στην τρέχουσα εργασία, μια σειρά στρατηγικών ελέγχου κυκλοφορίας σε τοπικό επίπεδο για μικτή κυκλοφορία αξιολογούνται μέσω μικροσκοπικών προσομοιώσεων, σε δύο πραγματικά δίκτυα αυτοκινητοδρόμων που χρησιμοποιούν διάφορα ποσοστά αυτομάτων οχημάτων που λειτουργούν τόσο ως συλλέκτες δεδομένων όσο και ως ενεργοποιητές αποφάσεων. Οι στρατηγικές ελέγχου λαμβάνουν μετρήσεις πυκνότητας, ροής ή ταχύτητας σε πραγματικό χρόνο και παρέχουν μια σειρά ενεργειών που πρέπει να ενεργοποιηθούν με τη χρήση αυτόματων οχημάτων σύμφωνα με την πολιτική που έχει υιοθετηθεί. Λαμβάνοντας υπόψη την απλότητά τους ως προς τον σχεδιασμό ελέγχου, οι στρατηγικές ελέγχου παρουσιάζουν μια ικανοποιητική συμπεριφορά ελέγχου σε όλα τα σενάρια ελέγχου που εξετάστηκαν. Η ανάλυση και η βελτιστοποίηση ενός δικτύου πολλαπλών προορισμών θεωρείται συνήθως μια πολύπλοκη εργασία. 'Ενας προορισμός μπορεί να έχει περισσότερες από μία εναλλακτικές διαδρομές, οι οποίες είναι συνήθως μεγαλύτερες τόσο σε απόσταση όσο και σε χρόνο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι χρήστες του δρόμου επιλέγουν τη διαδρομή τους (η οποία συνήθως αντιστοιχεί στη συντομότερη διαδρομή) με βάση τον χρόνο ταξιδιού, προκειμένου να φτάσουν στον προορισμό τους όσο το δυνατόν νωρίτερα. Αυτό σημαίνει ότι κατά τις ώρες αιχμής, η χωρητικότητα της διαδρομής μπορεί να φτάσει ή να υπερβεί τη μέγιστη τιμή της, οδηγώντας σε συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης. Πολυάριθμες μελέτες στη βιβλιογραφία αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της αναδρομολόγησης οχημάτων προκειμένου να αποτραπεί ο σχηματισμός συμφόρησης τόσο σε αστικά δίκτυα όσο και σε αυτοκινητόδρομους, προτείνοντας στρατηγικές δυναμικής εκχώρησης κυκλοφορίας χρησιμοποιώντας στρατηγικές με ανατροφοδότηση ή βέλτιστα προβλήματα ελέγχου. Στην τρέχουσα εργασία, ένα μακροσκοπικό μοντέλο κυκλοφοριακής ροής πρώτης τάξης πολλαπλών λωρίδων για δίκτυα αυτοκινητοδρόμων που ενσωματώνει χαρακτηριστικά πτώσης χωρητικότητας, χρησιμοποιείται σε ένα βέλτιστο πρόβλημα ελέγχου, για να καταδείξει την ολοκληρωμένη χρήση διαφόρων μέτρων ελέγχου της κυκλοφορίας. Μεταξύ αυτών των μέτρων είναι ο κύριος έλεγχος ροής κυκλοφορίας, ο έλεγχος αλλαγής λωρίδας, ο έλεγχος μέτρησης ράμπας και ο δυναμικός έλεγχος ανάθεσης κυκλοφορίας. Οι βέλτιστες λύσεις ελέγχου που προκύπτουν από τη διατύπωση του προβλήματος Τετραγωνικού Προγραμματισμού (QP), τοποθετούνται σε ένα πλαίσιο Προγνωστικού Ελέγχου Μοντέλου (MPC) για δοκιμή μέσω εφαρμογής των ενεργειών ελέγχου για διάφορα ποσοστά αυτόματων οχημάτων, μέσα σε ένα περιβάλλον μικροπροσομοίωσης. 'Ενα πραγματικό δίκτυο αυτοκινητο- δρόμων με πολλαπλούς προορισμούς και διαδρομές, προσδιορίστηκε ως το δίκτυο για τις ανάγκες των αξιολογήσεων βελτιστοποίησης του επιπέδου του δικτύου. Τα αποτελέσματα αποδείχθηκαν ωφέλιμα για όλα τα ποσοστά CAV που εξετάστηκαν για την επίτευξη του κύριου στόχου καθεμιάς από τις εμπλεκόμενες στρατηγικές ελέγχου της κυκλοφορίας. Οι ενέργειες αλλαγής λωρίδας προσέφεραν διπλή συμβολή· δηλαδή να επιτευχθεί κατάλληλη κατανομή των οχημάτων σε όλες τις λωρίδες και να ανακατευθύνει την κυκλοφορία χρησιμοποιώντας όλες τις εναλλακτικές διαδρομές. Επιπλέον, ακόμη και σε χαμηλές τιμές αυτόνομων οχημάτων, τα CAV ήταν σε θέση να οδηγήσουν τη μέση ταχύτητα όλων των οχημάτων κοντά στο όριο ταχύτητας που είχε προταθεί, εφαρμόζοντας έλεγχο στην ροή κυκλοφορίας MTFC στον κύριο αυτοκινητόδρομο. Επιπλέον, η χρήση ενεργειών μετρήσεων ράμπας RM σε συγκεκριμένες ράμπες εισόδου ήταν απαραίτητη για να διατηρηθεί η περιοχή συγχώνευσης σε καθεστώς κάτω από κρίσιμη πυκνότητα και να αποφευχθεί ο σχηματισμός συμφόρησης στον αυτοκινητόδρομο.