Geri Dön

Multi agent intersection management considering energy consumption

Enerji tüketimini göz önünde bulunduran çok etmenli kavşak yönetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 496311
  2. Yazar: FERİT HACIOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Trafik, Ulaşım, Computer Engineering and Computer Science and Control, Traffic, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Şehirlerdeki trafik sıkışıklığı yakıt tüketiminin ve kirliliğin artmasındaki ana sebeplerden biridir. Araştırmalara göre trafik sıkışıklığı, her sene Amerika Birleşik Devletleri'nde verimliliğin düşmesi ve zaman kaybından dolayı 121 milyar dolara yakın maliyete sebep olmaktadır. Kişiler, ortalama 38-40 saatlerini trafikte kaybetmektedirler. Bu da yaklaşık haftalık çalışma saati kadardır. Buna ek olarak, trafik sıkışıklığı yılda 25 milyar kilogramlık karbondioksit salımına sebep olmaktadır. Şehir içi yollardaki araç sayısının artması geleneksel trafik yönetimi sistemlerinin yetersiz kalmasına yol açmaktadır. Trafik işaretler, trafik memurlarının müdahaleleri ve trafik ışıkları geleneksel çözümler arasında sayılabilir. Trafik ışıklarının kontrolü sabit zamanlı olarak yapılmaktadır. Günün farklı saatlerinde oluşabilecek tahmini trafik sıkışıklığına göre trafik ışığı zamanlaması yapılmaktadır. Ancak, bu yöntem değişen trafik yoğunluğuna göre güncelleme yapılmadığı için yetersiz kalmaktadır. Bu da trafikte gereksiz ve verimsiz beklemelere yol açmaktadır. Trafik yoğunluğu yollara kurulabilecek çeşitli kamera ve sensör sistemleriyle ölçülebilir. Yollara kurulan sistemlerden alınan trafik bilgisi, akıllı trafik ışığı sistemlerinin kurulması için kullanılabilir. Böylece anlık trafik yoğunluğuna göre trafik akışını arttıracak şekilde trafik ışığı zamanlaması ayarlanabilir. Bunun yanında araçlar arası ve araçlar ile saha üniteleri arası haberleşme de trafik yoğunluğunun analizi için kullanılabilir. Araç haberleşmesi sürücüler ilerideki trafik yoğunluğu hakkında bilgilendirilebilir. Bunun da ilerisinde, otonom araçlar için kavşak geçiş sistemleri oluşturulabilir. Otonom araçlar için trafik ışıklarına ihtiyaç duymadan kavşak kontrolü sağlanabilmesi için çeşitli yöntemler sunulmuştur. Bunlardan en yaygın olanı, araçların geçiş için kavşakta bulunan bir kavşak yönetim sisteminden rezervasyon istemelerine dayalı çalışmaktadır. Bunun yanında araçların birbirleri ile haberleşerek kavşak yönetimini gerçekleştirmeleri de başka bir yaklaşımdır. Otonom kavşak yönetim sistemleri araçların kavşaktan tahimin rotalarını kullanarak muhtemek kazaları tespit eder. Günümüz araç kontrol üniteleri ile araçların verilen hız profilleri ile tahmini rotaları kolaylıkla oluşturululabilir. Araçların kavşaktaki tahmini bulunma anları ve konumları karşılaştırılarak muhtemel kazalar tespit edilir. Araçlar kavşağa ulaşmadan mumtemel kazalar çözümlenmelidir. Kazaların çözümlenmesi için kullanılan en yayğın yöntem, basitçe uygulanabilir olamasından da dolayı, ilk gelen alır prensibidir. Bu prensibe göre kavşaktan geçmek için rezervasyon isteyen araçlar arasında öncelik, ilk rezervasyon isteyene verilir. Daha düşük önceliğe sahip araçlar hızlarını belirli bir zaman gecikmesini sağlamak üzere ayarlarlar. Geçiş önceliğini ilk rezervasyon isteyen araca vermek her zaman toplam zaman gecikmesi anlamında en verimli yöntem olmayabilir. İlk gelen alır prensibine göre daha verimli çalıştığı belirtilen ve ileriye bakan kavşak yönetimi oalrak adlandırılan bir yöntem sunulmuştur. Bu yönteme göre kavşaktan geçiş önceliğinin verilmesi düşük önceliğe sahip olacak araçların üzerinde oluşacak toplam zaman geçikmesini minimize edecek şekilde yapılmaktadır. Konvoy halinde ilerleyen bir grup araç arasında en öndeki aracın geciktirilmesi onu takip eden araçların da geciktirilmesi anlamına geldiği için, konvoyun tamamı tek araç olarak düşünülmüştür. Böylece konvoydaki ardışık gecikmenin azaltılması amaçlanmıştır. Bu çalışmada, kavşaktan araçların geçiş sıralamasını belirlenmiş maliyet fonksiyonlarına göre düzenleyen bir algoritma sunulmuştur. Kavaşkta tespit edilmiş muhtemel kaza noktası üzerinden geçecek araçların geçis sıralamaları araç sayısına bağlı permütasyon olarak ortaya konur. Bunlardan gerçekleşmesi muhtemel olmayanlar elenir. Muhtemel geçiş sıraları arasından bir maliyet fonksiyonuna göre seçim yapılır. Seçilen sıralamanın gerçeklenmesi için araçların kavşağa varış süreleri gecikmelerle ayarlanır. Bunun için öncelikle kavşak modeli açıklanmıştır. Kavşak dört yoldan oluşmaktadır ve haberleşme, yavaşlama ve hızlanma olmak üzere üç temel bölüme ayrılmıştır. Haberleşme bölümünde araçlar birbileri ile haberleşerek tahmini rotalarını karışılatırır ve olası kazaları tespit eder. Kazaların tespitinin kolaylaştırılması için kavşak merkezi ızagara sistemi ile bölünmüştür. Her bir geçiş sıralaması için araçlara farklı zaman gecikmeleri atanmaktadır. Dolayısıyla her bir sıralama toplamda farklı bir gecikmeye sebep olmaktadır. Bu toplam gecikme miktarı geçiş sıralamaları arasından minimum gecikmeye sebep olanın seçilebilmesi için kullanılabilir. Bu yaklaşım toplam zaman gecikmesine bağlı maliyet olarak belirtilmiştir. Araçların kavşağa geliş zamanlarının arttırılması, yavaşlama ve hızlanmalarla sağlanmaktadır. Dinamik araç modeli verilerek, hızlanma sırasında gerecek ekstra enerjinin hesaplanması anlatılmıştır. Araçların dinamik model parametrelerinin birbirinden farklı olduğu durumlarda, araçlar başlangıçta eşit hızlarla hareket ediyor ve her birine atanan gecikme eşit olsa bile gerekli yavaşlama ve hızlanmanın sağlanması için harcanacak enerji farklı olacaktır. Bu farklılıktan yola çıkarak her geçiş sıralaması için farklı bir enerji kaybı hesaplanabileceği söylenebilir. Olası geçiş sıralamaları arasından, minimum enerji kaybına sebep olması beklenen sıralamanın seçilmesi ikinci bir yöntem olarak sunulmuştur. Bu seçim kriteri enerji kaybına bağlı maliyet olarak adlandırılmıştır. Sunulan iki maliyet hesabı, bir oran ile birleştirilerek birleşik maliyet fonksiyonu ortaya konulmuştur. Bu sayede, olası geçiş sıralamaları arasından seçim yapılırken zaman gecikmesi ve enerji kaybının aynı anda göz önünde bulundurulabilmesi amaçlanmıştır. Maliyet fonksiyonlarının belirlenmesinden sonra MATLAB tabanlı bir simülasyon ortamı oluşturularak kavşak yönetimi algoritması farklı örnek durumlar için test edilmiştir. Araçların hareketi, kinematik bisiklet modeli ve“pure pursuit”yol takip algoritması verilerek açıklanmıştır. Farklı kütlelere ve yörüngelere sahip araçlardan oluşan örnek durumların, daha önceden açıklanan üç farklı maliyet fonksiyonuna bağlı, simülasyonu incelenmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre toplam zaman gecikmesine bağlı geçiş sıralaması seçiminin, olası çarpışmaların çözümlenmesi için gereken en az gecikmeyi araçlara atayarak kavşak yönetimini sağladığı görülmüştür. Öte yandan, enerji kaybına bağlı geçiş sıralaması seçimi, geçiş önceliğini daha ağır araçlara vererek enerji kaybını azaltmaya çalıştığı gözlenmiştir. Birleşik maliyet fonksiyonuna bağlı kavşak yönetimi ile, toplam zaman gecikmesine bağlı seçime göre daha fazla zaman kaybedilirken daha az enerji harcandığı görülmüştür. Benzer şekilde, enerji kaybına bağlı seçime göre de daha az zaman kaybedildiği görülmüştür. Tezin ilerleyen bölümlerinde öncelikle literatür araştırması ve çalışmanın motivasyonu anlatılmaktadır. Daha sonra enerji kaybı hesabı ve araç hareketi simülasyonu için kullanılmak üzere araç modelleri verilmiştir. Haberlerşme protokolleri ve kaza tespiti dahil olmak üzere kavşak modeli açıklanmıştır. Daha sonra kavşak yönetimi algoritması, toplam zaman gecikmesi, enerji kaybı ve birleşik maliyet fonksiyonları ile birlikte anlatılmıştır. Simülasyon ortamının oluşturulması açıklanıp farklı örnek durumlar için kavşak yönetimi test edilmiştir. Son olarak, simülasyon sonuçları açıklanıp yorumlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Traffic congestion is one of the main reasons of increasing pollution and fuel consumption in the cities. According to recent urban mobility reports, traffic congestions cost up to $121 billion in USA every year due to productivity and time loss. Approximately 38-40 hours are spent by an average citizen in the traffic. Additionally, 25 billion kilograms of carbon dioxide is emitted due to congestions. Increasing number of vehicles on the urban roads leads congestions at the intersections. Traditional intersection management methods such as stop signs, traffic officer control and traffic lights, are getting insufficient. Traffic light timing depending on day time is a common application; however, it is not an adaptive method for changing traffic flow density. Traffic density can be measured by cameras, piezo and infrared sensors. Intelligent traffic light timing can be achieved using the traffic information gathered from the units integrated to the roads. Vehicle to vehicle and vehicle to infrastructure communication technologies allow us to gather information directly from vehicles, and analyze traffic congestion. Besides, vehicles can be informed about the traffic ahead or can be conditioned to reduce effect of congestions. Intersections can be managed by using information from the vehicles. One way to manage intersections is to integration of an intersection manager unit. Vehicles request reservation from intersection manager to pass the intersection. Another approach is interactive multi agent intersection management by the help of autonomous vehicles. Autonomous intersection management uses estimated trajectories provided by the vehicles to detect any possible crash at the intersection. Estimated position of a vehicle at a time can easily be simulated for a given velocity profile. Estimated position and time information of vehicles are compared and estimated collisions are detected. Possible collisions must be resolved before the vehicles arrive at the intersection. Most common approach is the first come – first served method, which allows the first vehicle that requests reservation first to pass the intersection, allocate the intersection. Other vehicles' trajectories must be adjusted to avoid the collision at the intersection. This adjustment is done by assigning delay to the arrival time of the vehicles at the intersection. Giving the priority to the vehicle that requests reservation first may not always be the most efficient decision in terms of total delay time. A method called look ahead intersection control policy is explained in the next sections. Look ahead intersection management policy assigns the priorities based on total delay time minimization. This method aims to reduce consecutive effect when the head vehicle of a convoy is delayed. In this study, we proposed an intersection management method searching the passing sequence from the collision point to minimize defined cost functions. First intersection model is explained to specify communication zone, velocity adjustment zone and grid structure at the center of intersection. Communication protocols are given for the communication zone. Crash detection and intersection management algorithm are executed in communication zone by all vehicles. Vehicles' estimated trajectories are transformed into time – space occupation at the intersection using grids to easily isolate possible collisions. Passing sequences of the vehicle, which are estimated to pass the collision point, are found. For each sequence, different vehicles' arrival are delayed by different amount of time. Therefore, each sequence results in different total delay time. Selection between possible passing sequences is done by minimizing total delay time. Another performance criterion is energy loss of the vehicle. Vehicle longitudinal dynamics are explained for energy loss calculation. Delay time is realized by deceleration and acceleration. Acceleration requires an increase in traction force, this leads energy loss compared to the nominal state. Since vehicle dynamics are different for different vehicles, the same velocity rate may result in different energy losses. Hence, each passing sequence has a different energy loss value associated with it. This difference is used to select the sequence with minimum energy loss. Energy loss and total delay based costs are then combined in one cost function using a rating parameter. After specifying cost functions, intersection management is simulated for different cases. A simulation framework is created in MATLAB. Vehicle kinematic bicycle model, which is used in the simulation environment, is explained. Vehicles with different masses and paths are simulated in different case studies. The case studies show that total delay based sequence selection distributes minimum delays to the vehicles only aiming to resolve estimated crashes. On the other hand, energy loss based method gives the priority to heavier vehicles to minimize energy loss. Thus, the total delay time increases in energy loss based method. The combined cost based selection method reduces energy loss of the total delay time based method. Similarly, it reduces total delay time of the energy loss based method. In this thesis, literature survey and motivation of the study is given. Then vehicle models are explained for further use in the thesis. The intersection model including communication protocols and crash detection are stated. Afterwards, the intersection management algorithm is explained. The total delay time, energy loss and combined cost functions are given. Finally, simulation environment is explained and results of case studies are discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    665221

    A reservation based multi agent intersection management for autonomous vehicles

    Otonom araçlar için rezervasyon bazlı çok ajanlı kavşak yönetimi

    ATAKAN YASİN YEŞİLYURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  2. Tez No

    486577

    A software defined network framework in 5G wireless systems

    5G kablosuz sistemlerde yazılım temelli ağ iskeleti

    GÖKHAN SEÇİNTİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BERK CANBERK

  3. Tez No

    820974

    Bioprospection of antagonistic yeasts for biocontrolling postharvest pathogenic fungi and physicochemical characterization of a yeast exopolysaccharide

    Patojenik küflerin hasat sonrasi biyolojik kontrolünde antagonistik mayalarin biyoprospeksiyonu ve bir maya ekzopolisakkaritinin fizikokimyasal karakterizasyonu

    SEBAHAT ÖZTEKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HATİCE FUNDA KARBANCIOĞLU GÜLER

  4. Tez No

    603843

    Multi agent intersection management for autonomous vehicles

    Otonom araçlar için çok etmenli kontrol mekanizması

    BURAK UGRANLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET AKAR

  5. Tez No

    693127

    A time-based intuitive path planning on large-scale crowd simulation models

    Geniş çaplı kalabalık benzetiminde zaman odaklı sezgisel yol planlama

    BERK ECER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU AKÇAPINAR SEZER

Geri Dön