Модель взаимодействия беспилотных автомобилей в однополосном потоке.

Аннотация

Юрченко А.С., Зензеров В.И., Бельков Д.В. Модель взаимодействия беспилотных автомобилей в однополосном потоке. Взаимодействия устройств и машин, подключенных к Интернету и друг к другу, описывают технологии межмашинного взаимодействия. Для обмена беспроводными сигналами между беспилотными автомобилями применяется технология V2V. Она позволяет автоматически реагировать на внезапные изменения дорожной ситуации, чтобы избежать ДТП. В статье для технологии V2V предложена модель взаимодействия беспилотных автомобилей в однополосном потоке. Взаимодействие выполняется по схеме «автомобиль–поле–автомобиль».

Межмашинное взаимодействие

Межмашинное взаимодействие (М2М) объединяет технологии, где используются сетевые устройства обменивающиеся информацией и выполняющие действия без участия человека. Аббревиатура М2М буквально означает «машина к машине». Она описывает взаимодействие устройств и машин, подключенных к Интернету и друг к другу. Их вычислительные возможности позволяют собирать информацию, и распространять ее на другие устройства, создавая интеллектуальную сеть вещей или систем. Области использования межмашинного взаимодействия показаны на рисунке 1.

Среди вариантов межмашинного взаимодействия можно выделить технологии взаимодействия с беспилотным автомобилем. Они показаны на рисунке 2.

Для обмена беспроводными сигналами между автомобилями применяется технология V2V. Она позволяет автоматически реагировать на внезапные изменения дорожной ситуации, чтобы избежать ДТП. V2V сочетает в себе GPS, Wi-Fi, датчики автомобиля и бортовой компьютер [1–3]. Транспортный поток с применением этой технологии показан на рисунке 3.

На рисунке 3 видно, что каждый автомобиль окружен «полем». Взаимодействие выполняется по схеме «автомобиль–поле–автомобиль». Впервые о возможности использования понятия «поле» при моделировании транспортных потоков сказано в работе [4].

Цель данной статьи – моделирование взаимодействия беспилотных автомобилей в однополосном потоке. Задачей является построение модели для технологии V2V на основе схемы межмолекулярного взаимодействия.

Разработка модели

Современная теория транспортного потока выделяет в нем три фазы:

1. Свободный поток – фаза F.
2. Синхронизированный поток – фаза S.
3. Широкий движущийся кластер (локальный движущийся затор) – фаза J.

В свободном транспортном потоке каждый водитель может практически свободно установить желаемую для него скорость. Другие водители ему не препятствуют. В плотном транспортном потоке скорость автомобилей меньше, чем их минимально возможная скорость в свободном потоке.

Фазы S и J принадлежат плотному потоку. Его возникновение обычно происходит вблизи неоднородности на автомагистрали, вызванной въездом на магистраль, съездом с нее, изменением числа полос, сужением дороги, подъемом и т.п. Типичным примером перехода от свободного к синхронизированному потоку является переход к однополосному движению. В однополосном потоке обгон невозможен и движение каждого автомобиля ограничено впереди идущим автомобилем [5].

Обозначим: r – расстояние между беспилотными автомобилями A₁(лидер) и A₂(ведомый) в однополосном потоке. Предлагаемая модель относится к классу моделей следования за лидером.

Пусть на ведомый автомобиль действуют одновременно сигнал ускорения величиной f₁ и сигнал торможения, имеющий значение f₂.Сигналы генерируются автоматически системой управления автомобилем. Цель управления – обеспечить безаварийное максимально быстрое движение автомобиля A₂.Уровень сигналов зависит от r: f₁=-k₁/r^a₁,f₂=k₂/r^a₂, где k₁, k₂ – константы. Если a₂>a₁,то значение сигнала торможения уменьшается быстрее, чем значение сигнала ускорения. В этом случае суммарный сигнал f=f₁+f₂ на больших расстояниях является сигналом ускорения, а на малых расстояниях – сигналом торможения. Графики зависимостей f₁(r),f₂(r) при k₁=1,k₂=2, a₁=2, a₂=3 показаны на рисунках 4, 5.

Как показано на рисунке 6, автомобиль A₂ , начиная с большого r, вплоть до расстояния d=OL, движется к автомобилю A₁ с возрастающей скоростью из-за наличия на этом участке сигнала ускорения. Значение ускорения падает с уменьшением r. Точка L соответствует равновесию сигналов ускорения и торможения. После нее движение автомобиля замедляется. Достигнув точки N, автомобиль A₂ остановится. Расстояние q=ON=1 является минимальным допустимым расстоянием, при котором ведомый автомобиль находится к лидеру «бампер к бамперу». Дискретный шаг по оси абсцисс на графиках равен габаритному размеру автомобиля. Автомобиль A₂ останавливается, догнав A₁ в точке, где сигнал торможения имеет максимальную величину, а сигнал ускорения – минимальную.

В случае больших значений r действие сигналов f₁(r),f₂(r) на автомобиль A₂ прекращается. При r→∞ сигнал f(r)→0.

Выводы

В статье для технологии V2V предложена модель взаимодействия беспилотных автомобилей в однополосном потоке. Взаимодействие выполняется по схеме «автомобиль–поле–автомобиль». Модель построена на основе схемы межмолекулярного взаимодействия.

Список использованной литературы

1. Технология межмашинного взаимодействия М2М – Режим доступа: https://mcr3g.ru/m2m.php
2. V2V: What are vehicle-to-vehicle communications and how do they work? – Режим доступа: https://www.extremetech.com/extreme/176093-v2vwhat-are-vehicle-to-vehicle-communications-and-how-does-it-work
3. I2V-взаимодействие – основа беспилотного движения. – Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/aiqcnt/i2vvzaimodeistvie--osnovabespilotnogo-dvijeniia-5bd6dac972e96d00aacab238
4. Семенов В.В. Смена парадигмы в теории транспортных потоков – Режим доступа: https://b-ok.org/book/3150565/7221c4
5. Гасников А.В., Кленов С.Л. и др. Введение в математическое моделирование транспортных потоков. М.: МФТИ, 2010. – 362 с.