Optimal arrival time scheduling of automated vehicles at intersections

Abstract

A perspectiva de um ambiente urbano em que os veículos sejam automatizados, conectados e cooperativos motiva o estudo de novas estratégias de coordenação que têm o potencial de trazer ganhos significativos à segurança e eficiência viária. Embora várias estratégias já tenham sido propostas, a maioria delas emprega suposições simplificadoras que tem também o efeito te torná-las excessivamente restritivas, ou não levam indicadores de desempenho em consideração explicitamente. Além disso, nota-se na literatura a falta de estudos de como parâmetros do controlador -- tais como o tamanho da área de controle e headways mínimos -- afetam a eficiência do tráfego. Em geral, também não há discussão suficiente sobre complexidade computacional ou capacidade viária. Para lidar com essas questões, o Escalonamento Ótimo do Horário de Chegada (OATS, Optimal Arrival Time Scheduling) é proposto como uma nova estratégia de coordenação que minimiza o horário de chegada dos veículos numa interseção isolada e garante que não haverá colisões, sem ser excessivamente restritiva. Na Estratégia OATS, o problema de coordenação é decomposto em quatro subproblemas. Em particular, o problema de definição dos horários de chegada na interseção é modelado como um programa linear inteiro misto que minimiza o tempo agregado que os veículos levam para chegar à interseção. Simulações microscópicas de tráfego são realizadas e o desempenho do OATS é avaliado em diversas demandas de tráfego e configurações do controlador. Observa-se que um aumento do headway mínimo afeta negativamente tanto a eficiência do tráfego quando a complexidade computacional. Resultados de simulação mostram que uma interseção operando com a estratégia OATS é capaz de servir mais do que o dobro da capacidade de uma interseção semaforizada convencional, enquanto os veículos ficam sujeitos a atrasos mais do que uma ordem de magnitude menores. O emprego de áreas de controle pequenas, assim como outras simplificações estudadas, reduz significativamente o tamanho do problema, em troca de um ligeiro aumento nos tempos de atraso dos veículos. Nas condições estudadas, o emprego da estratégia OATS permite uma grande eficiência viária, e o tempo de execução é pequeno o suficiente para uma implementação em tempo real mesmo com uma demanda de tráfego elevada. A decomposição em subproblemas permite também formular o problema de motion planning usando apenas restrições lineares. Formulações alternativas que permitem que veículos desviem do horário de chegada programado para minimizar uma função custo que leva energia em consideração também são avaliadas. Resultados de simulação mostram que, para demandas elevadas de tráfego, a alternativa que traz melhores resultados do ponto de vista energético é a que garante que os veículos chegam à interseção o mais rápido possível. Isso sugere que, sob condições de tráfego intenso, minimizar os horários de chegada dos veículos à interseção tem também o efeito de reduzir o gasto energético.

Abstract : The perspective of an urban environment in which vehicles are automated and cooperative motivates the investigation of new coordination strategies that have the potential to result in significant gains to road safety and efficiency. Although several coordination strategies have already been proposed, most of them either adopt simplifying assumptions that have the side effect of making them excessively restrictive, or do not take a measure of performance explicitly into account. Besides that, there is a lack in the current literature on the topic of how control parameters -- such as the size of the control region or minimum headways -- affect traffic efficiency. In general, there is also little discussion about computational effort or road capacity. To address these issues, Optimal Arrival Time Scheduling (OATS) is proposed as a novel intersection coordination strategy that minimizes the arrival time of vehicles at an isolated intersection and guarantees that there will be no collisions without being overly restrictive. In the OATS strategy, the coordination problem is decomposed into four subproblems. In particular, the problem of defining arrival times at the intersection is modeled as a Mixed Integer Linear Program (MILP) that minimizes the total time vehicles take to reach the intersection. Microscopic traffic simulations are performed and OATS performance is evaluated for many different traffic demands and control configurations. Increasing minimum headways is observed to affect both traffic efficiency and computational complexity in a negative way. Simulation results show that an intersection controlled by OATS is capable of servicing more than double the capacity of an intersection controlled by conventional traffic lights, while vehicles experience delays more than one order of magnitude smaller. Employing small control areas, as well as other simplifications investigated, significantly reduces the size of the problem, in exchange of a small increase in vehicle delays. In the scenarios considered, the OATS strategy allows great road efficiency and has a sufficiently small execution time to be used in a real time application, even if traffic demand is high. The decomposition in subproblems also allows the formulation of a motion planning problem using only linear constraints. Alternative formulations that allow vehicles to deviate from the scheduled arrival times in order to minimize a cost function that takes energy expenditure into account are also evaluated. Simulation results show that, for high traffic demands, the formulation that has better results in regards to energy expenditure is also the one that guarantees vehicles arrive at the intersection as soon as possible. This suggests that, under heavy traffic conditions, minimizing arrival times also has the effect of reducing energy expenditure.