Modelling and Lagrangian control of mixed traffic: platoon coordination, congestion dissipation and state reconstruction

• Traffic congestion is a constantly growing problem, with a wide array of negative effects on the society, from wasted time and productivity to elevated air pollution and reduction of safety. The introduction of connected, autonomous vehicles enables a new, Lagrangian paradigm for sensing andcontrolling the traffic, by directly using connected vehicles inside the traffic flow, as opposed to the classical, Eulerian paradigm, which relies on stationary equipment on the road. By using control methods specifically tailored to the Lagrangian paradigm, we are able to influence the traffic flow even if the penetration rate of connected vehicle is low. This allows us to answer one of the central impending questions of the traffic control using emerging technologies: How can we influence the overall traffic by using only a smallportion of vehicles that we can control directly?Traffic phenomena such as moving bottlenecks and stop-and-go waves are particularly pertinent to Lagrangian traffic control, and therefore need to be captured in traffic models. In this thesis we introduce the influence of these phenomena into the cell transmission model, multi-class cell transmission model, and tandem queueing model. We also propose a transition system model based on front tracking, which captures the relevant phenomena, and show under which conditions it corresponds to the Lighthill-Whitham-Richards model. Moving bottlenecks are introduced as a moving zone in which a reduced flux function describes the traffic flow, and their influence on the surrounding traffic is given by solving the Riemann problems at the flux function boundaries. Stop-and-go waves are introduced by constraining the wave speed of rarefaction, resulting in constant stop-and-go wave propagation speed and discharging flow lower than the road capacity, which is consistent with the empirical observations.We use the proposed traffic models to design control laws that address three problems: platoon merging coordination, congestion reduction, and traffic state reconstruction. We study the case when two trucks are closing the distance and merging into a platoon on a public road, and propose an optimal control algorithm which accounts for the mutual influence between the trucks and the surrounding traffic. The proposed control law minimizes the total fuel consumption of the trucks, and improves the reliability of platooning. Then, we consider two forms of the congestion reduction problem: stationary bottleneck decongestion, and stop-and-go wave dissipation. In both cases, connected vehicles are used as moving bottlenecks to restrict the traffic flow enough to let the congestion dissipate. By applying these control laws, the throughput of the road is increased and the total travel time of all vehiclesis reduced. Finally, we generalize the stop-and-go wave dissipation problem by dropping the assumption that the full traffic state is known, and instead propose traffic state reconstruction algorithms which use local measurements originating from the connected vehicles. We show that the proposed control laws can also be implemented using the reconstructed traffic state. In this case, as the number of available connected vehicles increases, the control performance approaches the full-information control case.

• Trafikstockning är ett ständigt växande problem, med ett brett utbud av negativa effekter på samhället, från bortkastad tid och produktivitet till ökade mängd luftföroreningar och minskning av säkerhet. Införandet av uppkopplade, autonoma fordon möjliggör ett nytt, Lagrangianskt paradigm för att styra och mäta trafiken, genom att direkt använda uppkopplade fordon inuti trafikflödet, i motsats till det klasiska, Euleriska paradigmet, som är beroende på stillastående utrustning på vägen. Genom att använda kontrollmetoder som är anpassad för Lagrangian-paradigmet kan vi påverka trafikflödet även om marknadsintrång av uppkopplade fordon är låg. Detta gör det möjligt för oss att besvara en av de centrala överhängande frågorna om trafikkontrollen med framväxande teknik: Hur kan vi påverka den totala trafiksituationen genomatt direkt kontrollera en liten del av fordonen?Vissa trafikfenomen som rörliga flaskhalsar och stop-and-go-vågor är särskilt relevanta för Lagrangian trafikstyrning, och måste därför modelleras. I denna avhandling introducerar vi påverkan av dessa fenomen i cellöverföringsmodellen, flerklasscellöverföringsmodellen, och tandemkömodellen. Vi föreslår även en övergångssystemmodell baserad på front-tracking-metoden, som beskriver relevanta fenomen, och visar under vilka förhållanden den motsvarar Lighthill-Whitham-Richards-modellen. Rörliga flaskhalsar introduceras som en rörlig zon där en reducerad flödesfunktion beskriver trafikflödet, och deras inflytande på trafiken beräknas genom att lösa Riemann-problemen vid flödesfunktioners gränser. Stop-and-go-vågor introduceras genom att begränsa sällsynthetens våghastighet, som resulterar i konstant stop-and-go-vågenshastighet och utflöde som är lägre än vägkapaciteten, vilket överensstämmermed de empiriska observationerna.Vi använder de föreslagna trafikmodellerna för att utforma kontrolllagar som hanterar tre problem: koordinering av fordonstågsammanfogning, minskning av trafikstockningar och uppskattning av trafiktillstånd. Vi studerar fallet när två lastbilar närmar sig varandra och sammanfogar till en fordonståg på allmän väg, och föreslår en optimal kontrollalgoritm som tar hänsyn till interaktionen mellan lastbilarna och den omgivande trafiken. Den föreslagna kontrolllagen minimerar den totala bränsleförbrukningen för lastbilarna och förbättrar pålitligheten av fordonstågskörning. Sedan granskar vi två former av problem med minskning av trafikstockningar: stationär flaskhalsavlastning och stop-and-go-vågskingring. I båda fallen används uppkopplade fordon som rörliga flaskhalsar för att begränsa trafikflödet så att trängseln upplösas. Genom att tillämpa dessa kontrolllagar ökar vägens genomströmning och den totala restiden för alla fordon minskas. Slutligen, generaliserar vi stop-and-go-vågskingringsproblem genom att släppa antagandet att hela trafiktillståndet är känt, och istället föreslå trafiktillståndsuppskattningsalgoritmer som använder lokala mätningar från de uppkopplade fordonen. Vi visar att de föreslagna kontrolllagarna kan även implementeras med hjälp av det uppskattade traffiktillståndet. I detta fall, när antalet tillgängliga uppkoppladefordon ökar, blir kontrollprestationer nästan lika bra som när det fullständiga traffiktillståndet är känt.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Reglerteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Control Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

traffic control

Lagrangian control

mixed traffic models

Intelligent Transportation Systems

Connected and Automated Vehicles

traffic congestion

platoon coordination

moving bottlenecks

bottleneck decongestion

stop-and-go wave dissipation

traffic state reconstruction

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)