Konzeption und Bewertung einer zentralen Entscheidungsinstanz zur Verkehrsoptimierung an Kreuzungen

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1 Konzeption und Bewertung einer zentralen Entscheidungsinstanz zur Verkehrsoptimierung an Kreuzungen Diplomarbeitsvortrag Alexander Haag Betreuer: Prof. Dr.-Ing. K. Böhm Betreuender Mitarbeiter: Dipl.-Inform. H. Schepperle Copyright DAMAST

2 Einführung und Motivation Navigationssystem (Allgemein) COPILOTpc (In DAMAST) Zentraler Entscheider an Kreuzung 2

3 Aufgaben dieser Arbeit Konzeption einer intelligenten, zentralen Entscheidungsinstanz für die Verkehrsregelung an einer Kreuzung. Darstellung möglicher Ziele der zentralen Entscheidungsinstanz. Konzeption flexibler Strategien zur Verkehrsoptimierung für die zentrale Entscheidungsinstanz. Konzeption einer Kommunikation zwischen Fahrzeugen und zentraler Entscheidungsinstanz. Vergleich der zentralen Entscheidungsinstanz mit herkömmlichen Steuerungsverfahren (z.b. Ampel, Vorfahrtsstraße, usw.). 3

4 Gliederung des Vortrags Grundlagen zu dieser Arbeit DAMAST-Simulationsumgebung. Erweiterungen der Simulationsumgebung. Die zentrale Entscheidungsinstanz Aufbau der zentralen Entscheidungsinstanz. Berechnungsgrundlagen der zentralen Entscheidungsinstanz. Evaluation Vergleiche bei gleichverteiltem Verkehrsaufkommen. Vergleiche bei ungleich verteiltem Verkehrsaufkommen. 4

5 Die DAMAST-Simulationsumgebung 4 Module (Verkehrssimulationsmodul, Fahrerassistenzmodul, Fahrersimulationsmodul und Verkehrsregelungsmodul). Strikte Trennung zwischen den 4 Modulen. Definierte Schnittstellen zwischen den 4 Modulen. Visualisierung der Simulation. 5

6 Erweiterungen der Simulationsumgebung JADE JADE ist eine Plattform für Softwareagenten. JADE bietet eine GUI mit der Nachrichten zwischen Agenten graphisch dargestellt werden können. JADE hat definierte FIPA-konforme Protokolle zur Interaktion zwischen Agenten. Softwareagenten werden hier nur zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Kreuzung benutzt (keine weitergehende Intelligenz). Ersetzen des Defaultassistenzsystems durch ein eigenes Assistenzsystem Assistenzsystem erzeugt beim Start zusätzlich einen JADE-Agenten, der die Kommunikation abwickelt. Fahrzeuge fahren nach Erhalt der Freigabe mit angepasster Geschwindigkeit (sie kommen zu exakt zum Freigabezeitpunkt an der Kreuzung an). Einfügen der zentralen Entscheidungsinstanz in das Verkehrsregelungsmodul. 6

7 Gliederung des Vortrags Grundlagen zu dieser Arbeit DAMAST-Simulationsumgebung. Erweiterungen der Simulationsumgebung. Die zentrale Entscheidungsinstanz Aufbau der zentralen Entscheidungsinstanz. Berechnungsgrundlagen der zentralen Entscheidungsinstanz. Evaluation Vergleiche bei gleichverteiltem Verkehrsaufkommen. Vergleiche bei ungleich verteiltem Verkehrsaufkommen. 7

8 Eigenschaften der zentralen Entscheidungsinstanz Entscheider regelt jeweils genau eine Kreuzung. Entscheider hat exakte Kenntnis des Layouts der zu regelnden Kreuzung Position der ein-/ausgehenden Fahrspuren. Position der Konnektoren innerhalb der Kreuzung (Verbindung zwischen den Fahrspuren). Schnittpunkte der Konnektoren innerhalb der Kreuzung. Entscheider kommuniziert mit Assistenzsystemen der Fahrzeuge, um deren Präferenzen zu erfahren. Entscheider verwendet Strategien zur Freigabeberechnung Berücksichtigt dabei die Präferenzen der Fahrzeuge. Beispiel: Gleiche minimale Wartezeit. Beispiel: Kolonnen nicht trennen. Entscheider vergibt konkrete Freigabezeiten an die Fahrzeuge. 8

9 Kommunikation mit ankommenden Fahrzeugen Erfolgt über JADE-Agenten. Benutzt FIPA-Standards Anmeldung von Fahrzeugen angeregt. (FIPA-Subscribe) Freigabeverteilung von dem zentralen Entscheider angeregt. (FIPA-Request) Zentraler Entscheider - Fahrzeugliste - Freigabezeit Kommunikations-Agent Fahrzeug 9

10 Zeitpunkt der Kommunikation mit ankommenden Fahrzeugen Anmeldung des Fahrzeugs erfolgt bei Einfahrt in das Netz Nachricht über konkrete Freigabe erfolgt circa 6 Sekunden vor der Kreuzung Ungefähre Position des Fahrzeugs bei der Freigabeverteilung 6 Sekunden Position des Fahrzeugs bei der Anmeldung an der Kreuzung 10

11 Implementierter Ablauf der Freigabezeitberechnung 1. Alle Fahrzeuge im Radius 6 Sekunden um die Kreuzung in Liste aufnehmen. 2. Erweitere Fahrzeugliste um nachfolgende Fahrzeuge. 3. Prüfung auf Kolonnen a) Ja Berechne Freigabe für Kolonnen(dadurch Vorzug vor einzelnen Fahrzeugen) und vergebe Zeiten an entsprechende Fahrzeuge. b) Nein reduziere Fahrzeugliste auf Liste aus Schritt Prüfe Kreuzungskonflikte der Fahrzeuge. 5. Vergebe Freigabezeiten für einzelne Fahrzeuge nach den Prioritäten der Wartezeiten. 6. Versende berechnete Freigabezeiten an die entsprechenden Fahrzeuge. 1 2 Nimm alle Fahrzeuge innerhalb 6 Sekunden vor der Kreuzung Nimm alle auf denselben Spuren folgenden Fahrzeuge 3 a Gibt es Kolonnen? nein Nimm erste Menge von Fahrzeugen (innerhalb 6s) ja b Teste auf Konflikte in Kreuzung Löse Konflikte nach Höhe der Wartezeiten auf Vergebe Zeiten Teste die Kolonnen auf Konflikte in der Kreuzung Vergebe vorab Zeiten für Kolonnenfahrzeuge Nimm restliche Fahrzeuge der ersten Menge 11

12 Verwandte Arbeiten Reservierungssystem (Dresner und Stone (2004/05)) Kreuzung wird in Kacheln unterteilt (NΧN Kacheln). Fahrzeuge kommunizieren mit der Kreuzung und teilen so ihre Präferenzen mit. Reservierung von Kacheln vergibt die zentrale Instanz nach dem FIFO-Prinzip. Zentrale Instanz hat keine Optimierungsmöglichkeiten. Fuzzy Logic System (Diplomarbeit, HTBLVA Innsbruck (2005)) Verbesserte, verkehrsabhängige Ampelschaltung. Einteilung in linguistische Variablen. Starke Einschränkungen im Szenario (d.h. keine Abbieger, nur einspurige Fahrbahnen) Verkehrsabhängigkeit nur durch Veränderung der Grünzeiten gewährleistet. Self Organizing Traffic Lights (Gershenson (2005)) Verbesserte, verkehrsabhängige Ampelschaltung. Unterstützt Kolonnen. Starke Einschränkungen im Szenario (d.h. nur einspurige Fahrbahnen, Verkehr nur aus West und Nord. Verkehrsabhängigkeit nur durch Phasendauer und Phasenfolge gewährleistet. 12

13 Gliederung des Vortrags Grundlagen zu dieser Arbeit DAMAST-Simulationsumgebung. Erweiterungen der Simulationsumgebung. Die zentrale Entscheidungsinstanz Aufbau der zentralen Entscheidungsinstanz. Berechnungsgrundlagen der zentralen Entscheidungsinstanz. Evaluation Vergleiche bei gleichverteiltem Verkehrsaufkommen. Vergleiche bei ungleich verteiltem Verkehrsaufkommen. 13

14 Evaluation Gleichverteilter Verkehr (250 Fz/h pro Richtung) Vergleich zwischen Ampel und zentralem Entscheider. Dauer: 30 Simulationsminuten. Vergleichszahl ist die durchschnittliche Wartezeit der letzten 5 Simulationsminuten. Ungleich verteilter Verkehr (jeweils 500 Fz/h aus Nord und Süd sowie je 100 Fz/h aus Ost und West) Vergleich zwischen Ampel, Vorfahrtsstraße und zentralem Entscheider. Dauer: 30 Simulationsminuten. Vergleichszahl: durchschnittliche Wartezeit der letzten 5 Simulationsminuten. 14

15 Vergleich zwischen Ampel und zentralem Entscheider Ampel optimiert für diese Verkehrsdichte*: Maximale Ausnutzung des Ampelzyklus für Grünphasen 2 Grünphasen (Nord Süd & Ost West), 2 Zwischenzeitphasen (Gelb). Zyklusdauer: 58 Sekunden. Jede Grünphase hat 25 Sekunden, Zwischenzeit ist je 4 Sekunden. Die nächsten Folien zeigen die Vergleichswerte (durchschnittliche Wartezeit der vergangenen 5 Simulationsminuten) Über die gesamte Simulationszeit (30 Minuten). Zu diskreten Simulationszeiten (5, 10, 15, 20 und 25 Minuten). *) Standardverfahren aus der Verkehrstechnik (AKF-Verfahren) 15

16 Vergleich zwischen Ampel und zentralem Entscheider (gesamte Simulation) 16

17 Vergleich zwischen Ampel und zentralem Entscheider (konkrete Simulationszeiten) Diskrete Werte zu den Simulationszeitpunkten 5, 10, 15, 20 & 25 Minuten Entscheider Ampel Nord West Süd Ost Nord West Süd Ost 2,2 2,3 2,2 1,5 8,9 6,6 8,5 7,5 1,3 1, ,7 7,7 7,5 6,7 1,9 1,7 2 1,6 5,6 10,1 7,4 9,6 2,6 2,2 1,9 2,2 6,3 7,9 7,7 8,7 0,9 1,7 1,7 1,8 6,8 6,9 7,2 8,4 17

18 Vergleich zwischen Ampel, Vorfahrtsstraße und zentralem Entscheider Erinnerung: je 500 Fz/h aus Nord und Süd, je 100 Fz/h aus Ost und West. Ampel optimiert für die vorliegende Verkehrsdichte (2 Grünphasen) Zyklusdauer: 88 Sekunden. Die Grünphase der Nord-Süd-Achse hat 60 Sekunden, die Grünphase der Ost-West-Achse 20 Sekunden. Zwischenzeiten (Gelb) zwischen den Grünphasen je 4 Sekunden. Die Vorfahrtsstraße liegt auf der Nord-Süd-Achse. Die nächsten Folien zeigen die Vergleichswerte (durchschnittliche Wartezeit der vergangenen 5 Simulationsminuten) Über die gesamte Simulationszeit (30 Minuten). Zu diskreten Simulationszeiten (5, 10, 15, 20 und 25 Minuten). 18

19 Vergleich: Ampel und zentraler Entscheider (gesamte Simulation) 19

20 Vergleich: Vorfahrtsstraße und zentraler Entscheider (gesamte Simulation) 20

21 Vergleich: Ampel, Vorfahrtsstraße und zentraler Entscheider (konkrete Werte) Entscheider Ampel Vorfahrtsstr Nord West Süd Ost Nord West Süd Ost Nord West Süd Ost 0,8 0,8 0,7 0,8 5,7 18,3 3,3 26,9 0,4 14,3 0,5 14,2 0,8 1 0,9 1 3,5 23,7 3,9 27,3 0,4 15,8 0,4 8,9 0,6 0,8 0,5 0,8 3,8 19,4 2,9 16,4 0,1 8,2 0,3 11,5 0,9 0,9 0,9 1,3 4,2 26,5 3,2 25,9 0,3 7,3 0,2 4,5 0,7 1 0,8 1 5,3 23,4 2,4 21,9 0,1 9,2 0,4 9 21

22 Zusammenfassung Zentrale Entscheidungsinstanz ist leistungsfähiger als herkömmliche Verfahren (Ampel, Vorfahrtsstraße, usw.) Regelung verkehrsabhängig. Mindestzeiten sind nicht so restriktiv wie bei der Ampel (keine festen Grünzeiten). Kurzzeitige Änderungen der Verkehrsdichte sind kein Problem. Bei ungleichem Verkehr wird auch die Nebenstraße optimal gesteuert. Ökonomische Fahrweise durch exakte Freigaben möglich. Zentrale Entscheidungsinstanz muss nicht angepasst werden, um verschiedene Verkehrsstärken optimal handzuhaben. Zentrale Entscheidungsinstanz ist besser als bestehende Arbeiten Optimierung des Verkehrs durch flexibel einsetzbare Strategien. Globale Optimierung durch alleinige Entscheidungsgewalt der zentrale Entscheidungsinstanz erreichbar. Nur geringe Einschränkungen im Verkehrsszenario. 22

23 Ausblick Vorhandene Strategien können erweitert werden Entscheider kann beispielsweise mit einer erweiterten Kolonnen-Strategie auch selbstständig Kolonnen erzeugen. Neue Strategien können entwickelt werden. Nach Erhalt der Freigaben können die Assistenzsysteme in einer Art Tauschbörse untereinander ihre Freigabezeiten weiter tauschen 1). Agenten können aus vergangenen Ereignissen lernen 2) Beispiel Optimale Definition einer Kolonne. Beispiel Aufwand und Nutzen der Tauschbörse. 1) Diplomarbeit Simone Forster 2) Studienarbeit Sebastian Mast 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 24