Optimal control strategies for lane-free vehicular traffic

Abstract

Traffic congestion on highways and arterials is an increasingly serious problem for mostbig cities around the world, causing substantial delays, increased fuel consumption, excessive environmental pollution and reduced traffic safety. Traffic management measures, based on conventional actuators, are valuable and, in some cases, able to delayor even avoid the onset of congestion. However, they are not always sufficient to tackle 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. Recently, the TrafficFluid concept was introduced, which is a novel paradigm for vehicular traffic, 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, i.e. influence the movement of 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 available infrastructure utilization. There are diverse possibilities for the design of 2-D movement strategies in this environment. In this thesis, such strategies are proposed within an optimal control framework. Nonlinear constrained optimal control and model predictive control problems are formulated for the movement of connected and automated vehicles in lane-free traffic. The optimization problems considered address different levels of complexity, ranging from individual vehicles to the joint optimization of small or large groups (hundreds of vehicles). Moreover, diverse formations and infrastructures are examined, including the creation of1-D snake-like interruptible vehicle platoons and 2-D flexible flocks, navigating on lane freeroad configurations such as straight segments, funnels, and weaving sections. Different algorithms are applied for the solution of these problems, including feasible direction algorithms. The obtained movement strategies are evaluated via microscopic simulation using an appropriately modified open-source tool.

Η κυκλοφοριακή συμφόρηση σε αυτοκινητόδρομους και αρτηρίες είναι ένα ολοένα και πιο σοβαρό πρόβλημα για τις περισσότερες μεγάλες πόλεις σε όλο τον κόσμο, προκαλώντας σημαντικές καθυστερήσεις, αυξημένη κατανάλωση καυσίμου, υπερβολική περιβαλλοντική ρύπανση και μειωμένη οδική ασφάλεια. Τα μέτρα διαχείρισης της κυκλοφορίας, που βασίζονται σε συμβατικές μεθοδολογίες, είναι πολύτιμα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορούν να καθυστερήσουν ή ακόμα και να αποτρέψουν την εμφάνιση συμφόρησης. Ωστόσο, δεν επαρκούν πάντα για την αντιμετώπιση των κυκλοφοριακών συνθηκών μεγάλης συμφόρησης. 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. Πρόσφατα, εισήχθη η ιδέα TrafficFluid, η οποία είναι ένα νέο παράδειγμα για την κυκλοφορία οχημάτων, που μπορεί να εφαρμοστεί σε υψηλά επίπεδα αυτοματισμού οχημάτων και συστημάτων επικοινωνίας. Η ιδέα του 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 ώθησης, δηλαδή να επηρεάσουν την κίνηση των οχημάτων που βρίσκονται μπροστά τους. Τα οχήματα σε περιβάλλον χωρίς λωρίδες δεν ευθυγραμμίζονται απαραίτητα για να σχηματίσουν λωρίδες, αλλά αυτο-οργανώνονται σε δυναμικά μεταβαλλόμενες ομάδες, ανάλογα με τα μεγέθη του οχήματος, τις επιθυμητές ταχύτητες, τις στρατηγικές κίνησης του οχήματος που εφαρμόζονται και την επικρατούσα πυκνότητα, για τη μεγιστοποίηση χρήσης της διαθέσιμης υποδομής.Υπάρχουν διάφορες δυνατότητες για το σχεδιασμό στρατηγικών κίνησης σε δύο διαστάσεις σε αυτό το περιβάλλον. Η παρούσα διατριβή προτείνει στρατηγικές που βασίζονται στον βέλτιστο έλεγχο. Διαμορφώνονται μη γραμμικά προβλήματα βέλτιστου ελέγχου με περιορισμούς και προβλήματα προγνωστικού ελέγχου για την κίνηση συνδεδεμένων και αυτοματοποιημένων οχημάτων σε κυκλοφορία χωρίς λωρίδες. Τα προβλήματα βελτιστοποίησης που εξετάζονται αφορούν διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας, που κυμαίνονται από μεμονωμένα οχήματα έως την κοινή βελτιστοποίηση μικρών ή μεγάλων ομάδων (εκατοντάδες οχήματα). Επιπλέον, εξετάζονται διάφοροι σχηματισμοί και υποδομές, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας 1-D διμοιριών διακοπτόμενων οχημάτων που μοιάζουν με φίδια και 2-D εύκαμπτων κοπαδιών, που πλοηγούνται σε διαμορφώσεις δρόμων χωρίς λωρίδες, όπως ευθύγραμμα τμήματα, χοάνες και τμήματα πλέξης. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων εφαρμόζονται διαφορετικοί αλγόριθμοι, συμπεριλαμβανομένων αλγορίθμων εφικτής κατεύθυνσης. Οι στρατηγικές κίνησης δοκιμάστηκαν μέσω μικροσκοπικής προσομοίωσης χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλα τροποποιημένο εργαλείο ανοιχτού κώδικα.