Leveraging Cooperative Connected Automated Vehicles for Mixed Traffic Safety

📄 arXiv: 2406.11508v1 📥 PDF

作者: Chenguang Zhao, Tamas G. Molnar, Huan Yu

分类: eess.SY

发布日期: 2024-06-17

💡 一句话要点

利用协同式网联自动驾驶车辆提升混合交通安全

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 协同控制 互联自动驾驶车辆 混合交通流 控制障碍函数 交通安全 智能交通系统 车辆控制

📋 核心要点

  1. 现有CAV控制研究较少关注安全影响，特别是稳定性和安全性之间的权衡，这是核心问题。
  2. 论文设计了CAV的协同反馈控制器，利用合作和与HV的连接来稳定混合交通，提升安全性和平稳性。
  3. 理论和数值分析表明，CAV合作有助于稳定交通，安全滤波器能保证安全，HV连接提供额外安全和稳定收益。

📝 摘要（中文）

互联自动驾驶车辆（CAV）的引入被认为可以减少拥堵、提高安全性并提高交通效率。大量研究集中于在完全互联的自动驾驶交通中控制纯CAV车队，以及在与人类驾驶车辆（HV）的混合交通中控制单个或多个CAV。已经提出了CAV巡航控制设计来稳定跟车交通动力学，但很少有研究考虑其安全影响，特别是稳定性和安全性之间的权衡。本文研究了如何设计CAV的协同控制策略，以提高不同连接和自动化程度下混合交通的安全性和平稳性。考虑到一对CAV在HV中行驶的混合交通，我们为这对CAV设计了协同反馈控制器，以通过合作以及可能通过利用与HV的连接来稳定交通。使用控制障碍函数（CBF）研究了CAV控制器的实时安全影响。我们构建了基于CBF的安全约束，在此基础上，我们提出了安全关键的控制设计，以保证CAV安全、HV安全和车队安全。已经进行了理论和数值分析，以探索CAV合作和HV连接对稳定性和安全性的影响。结果表明，CAV的合作有助于稳定混合交通，同时可以通过安全滤波器来保证安全。此外，CAV和HV之间的连接提供了额外的好处：如果HV连接到上游CAV（即CAV向前看），则有助于CAV稳定上游交通，而如果HV连接到下游CAV（即CAV向后看），则可以提高此连接的HV的安全性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决混合交通流中，如何通过协同控制互联自动驾驶车辆（CAV）来提升整体交通安全性和稳定性的问题。现有方法在设计CAV控制策略时，往往忽略了安全性和稳定性之间的权衡，并且较少考虑CAV与人类驾驶车辆（HV）之间的协同交互。

核心思路：论文的核心思路是设计一种协同反馈控制器，使一对CAV能够通过相互合作以及与HV的连接来稳定交通流。同时，利用控制障碍函数（CBF）构建安全约束，确保CAV、HV以及整个车队的安全。通过这种方式，在保证交通稳定性的前提下，最大限度地提升安全性。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个模块：1) 混合交通流建模：建立包含CAV和HV的混合交通流模型，描述车辆之间的交互关系。2) 协同反馈控制器设计：为一对CAV设计协同反馈控制器，利用车辆间的通信信息进行协同控制。3) 控制障碍函数（CBF）构建：基于车辆间的安全距离等约束，构建CBF安全约束。4) 安全关键控制设计：结合协同反馈控制器和CBF安全约束，设计安全关键的控制策略，保证车辆安全。5) 理论分析和数值仿真：对所提出的控制策略进行理论分析和数值仿真，验证其有效性。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了基于协同控制的CAV控制策略，充分利用了CAV之间的通信能力，提升了控制效果。2) 将控制障碍函数（CBF）引入到混合交通流控制中，实现了对车辆安全性的显式约束。3) 分析了CAV与HV之间的连接对交通安全性和稳定性的影响，为未来的智能交通系统设计提供了指导。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 协同反馈控制器的参数设计，需要根据交通流的特性进行调整。2) 控制障碍函数（CBF）的选取，需要保证其能够准确地描述车辆间的安全约束。3) 安全关键控制器的设计，需要在保证安全性的前提下，尽可能地提升控制性能。

📊 实验亮点

论文通过理论分析和数值仿真验证了所提出的协同控制策略的有效性。结果表明，CAV的合作有助于稳定混合交通，安全滤波器可以保证安全。此外，CAV与HV之间的连接可以进一步提升交通安全性和稳定性。例如，当HV连接到上游CAV时，可以帮助CAV稳定上游交通；当HV连接到下游CAV时，可以提高该HV的安全性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于智能交通系统、自动驾驶车辆控制等领域。通过提升混合交通流的安全性和稳定性，可以减少交通事故，提高交通效率，降低能源消耗。未来的智能交通系统可以借鉴该研究思路，实现更加安全、高效、环保的交通运输。

📄 摘要（原文）

The introduction of connected and automated vehicles (CAV) is believed to reduce congestion, enhance safety, and improve traffic efficiency. Numerous research studies have focused on controlling pure CAV platoons in fully connected automated traffic, as well as single or multiple CAVs in mixed traffic with human-driven vehicles (HVs). CAV cruising control designs have been proposed to stabilize the car-following traffic dynamics, but few studies has considered their safety impact, particularly the trade-offs between stability and safety. In this paper, we study how cooperative control strategies for CAVs can be designed to enhance the safety and smoothness of mixed traffic under varying penetrations of connectivity and automation. Considering mixed traffic where a pair of CAVs travels amongst HVs, we design cooperative feedback controllers for the pair CAVs to stabilize traffic via cooperation and, possibly, by also leveraging connectivity with HVs. The real-time safety impact of the CAV controllers is investigated using control barrier functions (CBF). We construct CBF safety constraints, based on which we propose safety-critical control designs to guarantee CAV safety, HV safety and platoon safety. Both theoretical and numerical analyses have been conducted to explore the effect of CAV cooperation and HV connectivity on stability and safety. Our results show that the cooperation of CAVs helps to stabilize the mixed traffic while safety can be guaranteed with the safety filters. Moreover, connectivity between CAVs and HVs offers additional benefits: if an HV connects to an upstream CAV (i.e., the CAV looks ahead), it helps the CAV to stabilize the upstream traffic, while if an HV connects to a downstream CAV (i.e., the CAV looks behind), the safety of this connected HV can be enhanced.