Modeling the safety and efficiency performance of automated vehicles using fuzzy logic

Abstract

In recent years, there is a rapid evolution of automation and vehicle connectivity technologies. There are industry estimates that fully automated driving will be a reality in the coming years. Even for low levels of automation, these systems can have a significant impact on the state of road transport networks. Road safety is an important factor, as several accidents are due to human error, which can be avoided thanks to automated driving systems. In addition, traffic problems are very common in today's road networks, because of the growing demand for transportation and the inability of networks to provide adequate levels of service. Especially for urban networks, the effects of congestion are significant both in terms of fuel consumption and environmental impact, as well as in terms of the time that the average person loses in such a situation. Increasing the capacity of these networks can be very costly or even impossible with the current infrastructure. However, this can change with the advent of automation and vehicle connectivity. The driving behavior of automated vehicles can be designed to be more efficient, safer, and to make better use of network capacity. Developing systems that can be as secure and efficient as an experienced driver involve intricate problems and are by no means easy. Fuzzy logic can have several applications in these issues. The main research questions are: What is the current state of automated driving technology? What impacts can these technologies have on road networks? How can we have systems of guaranteed safety that do not lead to aggravation of traffic problems? Based on the results of the research of the above questions, we propose applications of fuzzy logic: Quantify the level of safety of a system of two vehicles car-following. Design a fuzzy automated longitudinal motion control system of a vehicle, which is safe and contributes to more efficient traffic flow. Develop fuzzy logic tools for more efficient vehicle routing. Simulation experiments were performed to assess the impact on road networks. Data were used to model the road network of the Antwerp ring road, a city in Belgium that is home to one of Europe's largest ports, resulting in major traffic problems. Major findings include that very conservative AV behavior can severely deteriorate the traffic condition, and connectivity may be necessary to improve congestion. Moreover, even for CAVs, if the demand increases, the potential benefits may not be realized, especially regarding environmental impacts. The behavior and capabilities of the existing systems were also analyzed. Using trajectory data from a real-world experiment, some important characteristics and capabilities of the systems are investigated. They are shown to be string unstable, increasing the magnitude of traffic shockwaves, which can be detrimental to traffic networks. In the context of the doctoral dissertation, mathematical models for recognizing unsafe driving behavior were researched in the literature. Their shortcomings in analyzing the level of safety of advanced technology systems were identified. Based on these, Surrogate Safety Metrics (SSMs) are developed based on definitions of fuzzy logic. The usefulness of the proposed SSMs and their advantages over traditional indicators have been investigated both by simulation experiments and on experimental data. The next step in the research is to investigate the usefulness of the proposed fuzzy SSMs for vehicle control. A fuzzy inference system was designed to identify potential hazards and react appropriately, depending on the level of danger. The proposed controllers are shown to be string stable and keep such distances that would facilitate the traffic flow.Another observation is concerning traffic demand. For increased demand, even if the vehicles form efficient platoons, congestion problems may worsen. Thus, prospects for optimal distribution of traffic demand may prove necessary. The problem of routing one or more vehicles often requires solving the well-known Traveling Salesman Problem (TSP). TSP is an NP-hard (Non-deterministic polynomial time hard) problem. Heuristic algorithms are often used to solve it. A fuzzy approach to compare the cost of each edge with all alternatives is developed, quantifying the suitability of each individual choice to be made. This approach is presented to improve the quality of solutions for a number of heuristic algorithms.

Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται ραγδαία εξέλιξη των τεχνολογιών αυτοματισμού και συνδεσιμότητας οχημάτων. Υπάρχουν εκτιμήσεις της βιομηχανίας ότι η πλήρως αυτοματοποιημένη οδήγηση θα είναι πραγματικότητα τα επόμενα χρόνια. Ακόμη και για χαμηλά επίπεδα αυτοματισμού, αυτά τα συστήματα μπορούν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην κατάσταση των δικτύων οδικών μεταφορών. Η οδική ασφάλεια είναι ένας σημαντικός παράγοντας, καθώς πολλά ατυχήματα οφείλονται σε ανθρώπινα λάθη, τα οποία μπορούν να αποφευχθούν από αυτοματοποιημένα συστήματα οδήγησης. Επιπλέον, τα προβλήματα κυκλοφορίας είναι πολύ κοινά στα σημερινά οδικά δίκτυα, λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για μεταφορά και της αδυναμίας των δικτύων να παρέχουν επαρκή επίπεδα εξυπηρέτησης. Ειδικά για τα αστικά δίκτυα, οι επιπτώσεις της συμφόρησης είναι σημαντικές τόσο όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμων όσο και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθώς και όσον αφορά το χρόνο που ο μέσος άνθρωπος χάνει. Η αύξηση της χωρητικότητας αυτών των δικτύων μπορεί να είναι πολύ δαπανηρή ή ακόμη και αδύνατη με την τρέχουσα υποδομή. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αλλάξει χάρη σε τεχνολογίες αυτοματισμού και της διασυνδεσιμότητας. Η οδηγική συμπεριφορά των αυτοματοποιημένων οχημάτων μπορεί να σχεδιαστεί για να είναι πιο αποτελεσματική, πιο ασφαλής, με καλύτερη χρήση της ικανότητας του δικτύου. Η ανάπτυξη συστημάτων που μπορούν να είναι τόσο ασφαλή και αποτελεσματικά όσο ένας έμπειρος οδηγός συνεπάγεται περίπλοκα προβλήματα. Η ασαφής λογική μπορεί να έχει πολλές εφαρμογές σε αυτά τα ζητήματα. Τα κύρια ερευνητικά ερωτήματα είναι: Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση των τεχνολογιών αυτοματοποιημένης οδήγησης; Ποιες επιπτώσεις μπορούν να έχουν αυτές οι τεχνολογίες στα οδικά δίκτυα; Πώς μπορούμε να έχουμε συστήματα εγγυημένης ασφάλειας που δεν οδηγούν σε επιδείνωση των προβλημάτων κυκλοφορίας; Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας των παραπάνω ερωτήσεων, προτείνουμε εφαρμογές ασαφούς λογικής: Ποσοτικοποίηση του επιπέδου ασφάλειας με χρήση ασαφούς λογικής. Σχεδιασμός ενός ασαφούς αυτοματοποιημένου συστήματος ελέγχου κίνησης ενός οχήματος, που να εγγυείται ασφάλεια και συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη ροή κυκλοφορίας. Ανάπτυξη εργαλείων ασαφούς λογικής για αποτελεσματικότερη δρομολόγηση οχημάτων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσομοίωσης για την εκτίμηση των συνεπειών στα οδικά δίκτυα. Χρησιμοποιήθηκαν πραγματικά δεδομένα για τη μοντελοποίηση του οδικού δικτύου της περιφερειακής οδού της Αμβέρσας, πόλης του Βελγίου που φιλοξενεί ένα από τα μεγαλύτερα λιμάνια της Ευρώπης. Τα σημαντικότερα ευρήματα περιλαμβάνουν ότι η πολύ συντηρητική συμπεριφορά αυτοματοποιημένων οχημάτων μπορεί να επιδεινώσει σοβαρά την κατάσταση κυκλοφορίας και η συνδεσιμότητα μπορεί να είναι απαραίτητη για τη μείωση της συμφόρησης. Επιπλέον, ακόμη και για διασυνδεδεμένα αυτοματοποιημένα οχήματα, εάν ο φόρτος αυξηθεί, ενδέχεται να μην πραγματοποιηθούν η κατάσταση να επιδεινωθεί. Αναλύθηκε επίσης η συμπεριφορά και οι δυνατότητες των σημερινών συστημάτων. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από ένα πραγματικό πείραμα, διερευνώνται ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες των συστημάτων. Αποδεικνύεται ότι παρουσιάζουν μορφές αστάθειας που είναι επιζήμιες για τα δίκτυα κυκλοφορίας. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, στη βιβλιογραφία ερευνήθηκαν μαθηματικά μοντέλα για την αναγνώριση της μη ασφαλούς συμπεριφοράς οδήγησης. Εντοπίστηκαν οι αδυναμίες τους στην ανάλυση του επιπέδου ασφάλειας των προηγμένων τεχνολογικών συστημάτων. Με βάση αυτά, αντιπροσωπευτικοί δείκτες ασφαλείας (Surrogate Safety Metrics, SSM) αναπτύσσονται με της χρήση ασαφούς λογικής. Η χρησιμότητα των προτεινόμενων SSM και τα πλεονεκτήματά τους έναντι των παραδοσιακών δεικτών διερευνώνται τόσο από πειράματα προσομοίωσης όσο και από πειραματικά δεδομένα.Το επόμενο βήμα στην έρευνα είναι ή διερεύνηση της χρησιμότητας των ασαφών SSM για τον έλεγχο του οχήματος. Ένα ασαφές συμπερασματικό σύστημα σχεδιάστηκε που εντοπίζει πιθανούς κινδύνους και αντιδρά κατάλληλα, ανάλογα με το επίπεδο κινδύνου. Τα προτεινόμενα συστήματα αυτόματου ελέγχου παρουσιάζουν ευστάθεια και ωφελούν τη ροή της κυκλοφορίας. Μια άλλη παρατήρηση αφορά τον κυκλοφοριακό φόρτο. Για αυξημένη ζήτηση, ακόμη και αν τα οχήματα σχηματίζουν αποτελεσματικούς σχηματισμούς, τα προβλήματα συμφόρησης θα επιδεινωθούν. Έτσι, η βέλτιστη κατανομή της ζήτησης μπορεί να αποδειχθεί απαραίτητη. Το πρόβλημα της δρομολόγησης ενός ή περισσοτέρων οχημάτων απαιτεί συχνά την επίλυση του γνωστού προβλήματος του περιπλανώμενου πωλητή (Traveling Salesman Problem,TSP). Η πολυπλοκότητά του προβλήματος κάνει αναγκαία την χρήση ευρετικών αλγορίθμων για την επίλυσή του. Αναπτύσσεται μια ασαφής προσέγγιση για τη σύγκριση του κόστους κάθε σύνδεσης με όλες τις εναλλακτικές, ποσοτικοποιώντας την καταλληλόλητα κάθε μεμονωμένης επιλογής που πρέπει να γίνει. Η χρήση των παραγόμενων ασαφών συνόλων παρουσιάζεται να βελτιώνει την ποιότητα των λύσεων υφιστάμενων ευρετικών αλγορίθμων.