Geri Dön

A reservation based multi agent intersection management for autonomous vehicles

Otonom araçlar için rezervasyon bazlı çok ajanlı kavşak yönetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 665221
  2. Yazar: ATAKAN YASİN YEŞİLYURT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Trafik, Computer Engineering and Computer Science and Control, Traffic
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Trafik sıkışıklığı, şehirlerde artan kirlilik ve yakıt tüketiminin ana nedenlerinden birisidir. Trafik sıkışıklığı, çağdaş toplumlarda şehirlerin kalabalıklaşmasıyla büyüyen bir sorun halini almıştır. Günümüzde Covid-19 salgınının etkisi ve bireyselleşmenin artışı ile birlikte bireysel otomobil kullanımı da artış göstermektedir. Mevcut trafik altyapısı göz önüne alındığında, araç sayısının artışı önemli gecikmelere neden olabileceğinden, kalabalık şehirlerde daha fazla trafik sıkışıklığı beklenmektedir. Trafik sıkışıklığının artması, enerji tüketiminin, karbondioksit salınımının ve trafikte bekleme sürelerinin artmasına sebep olmaktadır. Tüm bu sorunlar çevre kirliliğine, yenilenemeyen enerji kaynaklarının tüketilmesine, ülke ekonomilerinin zarar görmesine ve yaşam kalitesinde düşüşe neden olmaktadır. Yapılan araştırmalara göre önümüzdeki 10 yıl içeresinde ABD'deki en kalabalık 25 şehirde, trafik sıkışıklığı ile ortaya çıkacak kayıpların, sürücülere 480 milyar dolara mal olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca araştırmalarda, bir ABD vatandaşının ortalama 38-40 saatlerini trafikte kaybettikleri belirtilmiştir. Bu bilgilere ek olarak, araştırmalarda 25 milyar kilogram karbondioksit salınımı yaşandığı da notlar arasına eklenmiştir. Bir diğer araştırmaya göre İstanbul ve İstanbul gibi kalabalık şehirlerdeki trafiğe bakıldığında, serbest akışlı trafiğe kıyasla seyahat sürelerinde %50 artışla trafik sıkışıklığının ve bekleme sürelerinin arttığı görülmektedir. İstanbul'da yıl boyunca trafiğin yoğun olduğu saatlerde araç kullanmak için fazladan 225 saat harcandığı da araştırmalar içinde yer alan önemli notlardandır. Trafik sıkışıklığı, araçların sürekli olarak kullandığı karmaşık yol ağlarında daha yaygındır. Karmaşık yollar, kavşaklar, ana yol girişleri ve azalan-artan şerit yapısına sahip yollar olarak örneklendirilebilir. Trafik mühendisleri, akıllı kavşak ve bunun gibi modern çözümler ile trafik sorununu azaltmak için çalışmalar sürdürmektedir. Kavşak tiplerinin düzenlenmesi bir önlem olsa da trafik sıkışıklığının azalmasına yönelik çözümlerde tek başına yeterli olmamaktadır. Bunun için modern trafik kontrol mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Kavşaklardaki trafik sıkışıklığını azaltmak için sabit zamanlı trafik sinyalleri, trafik işaretleri ve trafik polisleri gibi geleneksel yöntemler, araba sayısı ve karmaşık yolların sayısı düzenli olarak arttığı için giderek etkisiz hale gelmektedir. Örneğin, trafiğin meşgul olmadığı bir yolda ,trafil sinyalleri ve işaretlerinin araçların gereksiz yere durmasına neden olması geleneksel sistemlerin değişken durumlarda verimli olmadığını göstermektedir. Bu soruna çözüm olarak günümüzde şehirlerde kullanılan, mesai saatleri gibi belirli saatlerde ışık saatlerini değiştiren trafik ışık yönetim sistemleri, trafik sıkışıklığını en aza indirmek için kullanılan yaygın stratejilerden biridir. Kameralar ve sensörler gibi trafik gözlem sistemleri ile trafik durumunun ölçülmesi, trafik kontrol sistemlerinde ve trafik durum bilgilendirme sistemlerinde büyük bir avantaj sağlamaktadır. Karmaşık ve sıkışık yollara kurulan bu trafik gözlem sistemleri, akıllı trafik ışıklarının geliştirilmesinde büyük bir kazanım sağlamıştır. Trafik gözlem sistemlerinin sağlayacağı geri beslemeler sayesinde trafik ışıklarının süreleri güncellenecek ve trafik sıkışıklığını azaltmak için kullanılabilecektir. Ayrıca, Araçtan Altyapıya ve Araçtan Araca iletişim teknolojilerinin geliştirilmesi hem sürücülere yönelik uyarı sistemlerinin geliştirilmesine hem de trafik kontrol sistemlerinin bu iletişim sistemlerini kullanarak trafik sıkışıklığının azaltılmasınayardımcı olacaktır. Otonom araç endüstrisine yönelik çalışmaların artması ile birlikte kavşak yönetimi için akıllı çözümlerin oluşturulmasının önünü açacaktır. Tüm bu ilerlemeler, kavşaklardaki trafik sıkışıklığının ölçülmesini ve oluşan trafik sıkışıklığının azaltılmasına olanak sağlayacaktır. Trafik ışıklarının otonom araçların kameralar ile algılanmaları bazı olumsuz hava koşullarında problem oluşturabileceği öngörülmektedir. Bu gelişmeler ve olası sorunlar göz önüne alındığında trafik ışığı içermeyen kavşak modellerinde, araçları koordine ederek trafik sıkışıklığını kontrol etmek mümkün hale gelecektir. Trafik ışığının olmadığı otonom araç trafiğinde araçların kaza yapmadan geçişlerinin sağlanması için rezervasyon bazlı trafik kavşak yönetim sistemleri önerilen bir çözümdür. Araçlar, planladıkları rota dahilinde anlık hızları ve kavşağın konumuna göre ne kadar süre işgal edeceğini de belirterek kavşakta oluşacak olası kazaların ve beklemelerin önüne geçilecektir. Bu yöntem dahilinde araçlardan kavşağa ilk olarak ulaşanın ilk rezervasyon yapması ve ilk olarak kavşaktan geçmesi olası çözümlerden biridir. Bu çalışmada, tamamen otonom araç senaryolarında trafik sıkışıklığını çözmek ana amaçlardandır. Otonom araçlar, trafik sinyallerinin olmadığı bir kavşağa yaklaştıklarında, çarpışmadan ve enerji tüketimini en aza indirerek koordineli bir şekilde kavşaktan geçebilirler. Bunu başarmak için, çok ajanlı sistemler mimarisi kullanılarak bir iletişim ağı oluşturulmuştur. Bu ağa göre araç ajanları ve kavşak ajanlarını içeren bir çok ajanlı sistem mimarisi kullanılmıştır. Bu mimariye göre her kavşakta bir kavşak ajanı bulunacak ve bu ajanlar oradaki trafiğin yönetimi için araç ajanları ile iletişime geçerek trafiğin kontrolünü sağlayacaktır. Bu yöntemde araç ajanları kavşak içerisinde işgal etmeyi bekledikleri alanı tahmini varış süreleri ile paylaşacaklardır. Kavşak ajanları, araçlar tarafından istenilen rezervasyonları zaman-mekan temelinde düzenler ve rezervasyonların sonuçlarını araçlara duyurur. Bu yönteme göre araç ajanları, kavşak bölgesine ulaşmadan hızlarını, araca karşı uygulanan dinamik kuvvetlerinden yararlanarak düşük fren ivmesi ile yavaşlama stratejisi uygulayacaklardır. Böylece durmalarına gerek kalmadan kavşaktan olabildiğince hızlı bir şekilde geçmesi planlanmıştır. Kavşak ajanları için araçların geçiş sıralamasını belirlenmiş maliyet fonksiyonlarına göre düzenleyerek kavşaktan geçecek araçların rezervasyon işleminin tamamlanmasını sağlayan bir algoritma sunulmuştur. Kavşakta tespit edilmiş muhtemel çatışma noktaları üzerinden geçecek araçların olası kaza durumlarını önlemek için geliş sıralarına ve maliyetlerine bağlı bir sıralama gerçekleştirilir. Bu sıralamada eğer uygun bulunmayan bir rezervasyon olursa kavşak ajanı araç ajanına yeni rezervasyon alanları önerir ve araç ajanı onaylayıp bu hareketi yerine getirmek ile sorumlu olur. Seçilen sıralamanın gerçeklenmesi için araçların kavşağa varış süreleri gecikmelerle ayarlanır. Bu çalışmada, dörtyol kavşaklar için tasarlanmış olup T tipi kavşaklar ve çok şeritli kavşaklar için kullanılabilecektir. Kavşak modelinin oluşturulması ile başlanan süreçte oluşturulan model hakkında bazı varsayımlarda bulunarak kavşak 3 bölgeye ayrılarak araçların kontrolü daha kolay bir hale getirilmiştir. Bu bölgeler, kavşak bölgesi, iletişim bölgesi ve eylem bölgesidir. Bu sayede araçların kavşak ajanı ile haberleşeceği ve hareketlerini gerçekleştireceği bölgeler bulunmaktadır. Bu bölgeler araçların en düşük frenleme ivmelerini göz önüne alınarak ve iletişim sistemlerin kısıtları göz önüne alınarak hesaplanmıştır. Ayrıca rezervasyon sisteminin kullanışlılığını arttırmak için kavşak bölgesi parçalara ayrılmıştır. Oluşturulan senaryo içerisinde hem elektrikli hem de yenilenemeyen yakıt-bazlı farklı tipte araçlar bulunmaktadır. Sistemde bulunan farklı tip araçlar içinde ortak bir yönetim oluşturulması ve parametrik değişimler ile sistemin kontrolünün yapılması amaçlanmıştır. Önerilen metodolojide, araçların kavşağa yakınlığı, enerji değişimi ve kayıp zamanı bir oran ile birleştirilerek birleşik maliyet fonksiyonu ortaya konulmuştur. Eğer araçlar sürü hareketi yapıyorlarsa onların maliyetlerinin toplam bir maliyet olduğu var sayılmıştır. Ayrıca araçlardan gelebilecek olası hatalar için kavşak ajanının araçları durdurarak ve ya kavşağı o aracın geçeceği sürede boşaltarak kavşak güvenliğini arttırmasına yönelik bir yöntem önerilmiştir. SUMO programı kullanılarak bir simülasyon ortamı oluşturulmuş ve kavşak yönetim algoritması farklı örnek durumlar için test edilmiştir. Farklı kütlelere, boyutlara, tiplere ve yörüngelere sahip araçlardan oluşan örnek farklı trafik senaryoları üzerinde önerilen yöntem simülasyonlar ile incelenmiştir. Sonuçlara göre önerilen metodun, ilk gelen ilk gider, sabit zamanlı trafik ışığı ve akıllı trafik ışığı yöntemlerine göre enerji tüketimi, seyahat süreleri ve ortalama hızları özellikleri üzerinde üstünlüğünü göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Traffic congestion is one of the significant reasons for increased pollution and fuel consumption in cities. Traffic congestion in contemporary societies has become a growing problem with crowding cities. Nowadays, with the impact of the Covid-19 epidemic and an increase in individualization, individual use of vehicles is also on the rise. In line with the existing traffic infrastructure, more traffic congestion is expected in crowded cities as an increase in the number of vehicles can cause significant delays. Increasing traffic congestion leads to an increase in energy consumption, carbon dioxide emissions, and waiting times in traffic. All these problems cause environmental pollution, the consumption of non-renewable resources, damage to the economies of the country, and a decline in the quality of life. According to research, it is estimated that losses due to traffic congestion in the 25 busiest cities in the US will cost drivers 480 billion dollars over the next ten years. Besides, analysis demonstrates that a US citizen is losing an average of 38-40 hours in traffic. In addition to this information, it was added that 25 billion kilograms of carbon dioxide had been emitted in the studies. According to other studies, traffic congestion and waiting times increased with a 50% increase in travel times compared to free flow in crowded cities such as Istanbul. One of the research notes is that an additional 225 hours of driving time is spent in Istanbul during rush hours throughout the year. Traffic congestion is more common in complex road networks used by vehicles on a regular basis. Complex roads can be exemplified as intersections, main road entrances, and roads with a descending lane structure. Traffic engineers are taking steps to reduce traffic problems with modern solutions, such as roundabout intersections and so on. Although the regulation of intersection types is a measure, this is not sufficient to provide solutions to reduce traffic congestion. Modern traffic control mechanisms are needed for this purpose. Traditional methods of reducing traffic congestion at intersections, such as fixed-time traffic signals, road signs, and traffic police, are increasingly ineffective as the number of cars and the number of complex roads increases steadily. Because such systems cannot respond to variable situations, even if the road is not busy, traffic signals and signals cause vehicles to stop unnecessarily. As a solution to this problem, traffic light management systems used in cities today and changing light hours at certain hours, such as working hours, are one of the common strategies used to minimize traffic congestion. Measuring the traffic situation with traffic monitoring systems, such as cameras and sensors, seems to be of great benefit to traffic control systems and traffic situation information systems. Installed on complex and congested roads, these traffic monitoring systems have made a significant contribution to the development of smart traffic lights. The feedback from traffic monitoring systems updates the duration of the lights and enables them to reduce traffic congestion. In addition, with the development of vehicle-to-infrastructure and vehicle-to-vehicle communication technology, warning systems for drivers and traffic control systems will help to reduce traffic congestion by using these communication systems. Increased studies for the Autonomous Vehicle Industry will pave the way for the creation of smart intersection management solutions. All these advances will make it possible to measure traffic congestion at intersections and to reduce the resulting traffic congestion. The perception of traffic lights by cameras of autonomous vehicles is thought to cause problems in some adverse weather conditions. From the perspective of these developments and possible problems, it will be possible to control traffic congestion by coordinating vehicles in intersection models without traffic lights. Reservation-based traffic intersection management systems are recommended for autonomous vehicle traffic where there is no traffic light to ensure that vehicles pass without accidents. By indicating the instantaneous speeds on the route, they planned and how long the junction will take depending on its location, possible accidents and waiting at the intersection will be avoided. Within this method, it is one of the possible solutions for vehicles to make the first reservation and to pass through the intersection. Resolving traffic congestion in fully autonomous vehicle scenarios is one of the main objectives of this study. When autonomous vehicles approach an intersection without traffic signals, they can cross the intersection in a coordinated manner without collisions and minimize energy consumption. To achieve this, a communication network has been established using the architecture of multi-agent systems. The network uses a multi-agent system architecture, including vehicle agents and intersection agents. According to this architecture, there will be an intersection agent at each intersection, and these agents will contact the traffic management agents there and control the traffic. Throughout this way, vehicle agents will share the area they expect to occupy at the intersection with their estimated time of arrival. Intersection agents shall organize the reservations requested by the vehicles on a time-space basis and announce the results of the reservations made to the vehicles. Under this method, vehicle agents will apply a slowing strategy with low brake acceleration by taking advantage of their speed and dynamic forces applied to the vehicle before reaching the intersection area. It was therefore planned to pass through the intersection as quickly as possible without having to stop. For intersection agents, an algorithm is presented that ensures the completion of the vehicle reservation process that passes through the intersection by arranging the vehicle transition order according to the cost functions determined. In order to prevent possible accidents of vehicles passing through potential conflict points identified at the intersection, a ranking shall be made based on their order of arrival and costs. In this ranking, where an unsuitable reservation is made, the intersection agent shall propose new areas of the reservation to the vehicle agent and the vehicle agent shall be responsible for the approval and implementation of this action. The arrival time of the vehicles at the intersection shall be adjusted with a delay to comply with the chosen order. This study is designed for crossroads and can be used for T-type intersections and multi-lane 4 legged intersections. In the process that began with the creation of the intersection model, some assumptions about the model were made and the control of the vehicles was made easier by dividing the intersection into 3 regions. These areas are the intersection zone, the communication zone, and the action zone. In this way, there are areas where the vehicles can communicate and move with the intersection agent. These zones are calculated by considering the lowest acceleration of the brakes on vehicles and taking into account the limitations of the communication systems. Besides, the intersection area was divided into parts to increase the usefulness of the reservation system. Within the scenario created, there are different types of electric and non-renewable fuel-based vehicles. The aim is to create common management between the different types of vehicles in the system and to control the system with parametric changes. In the proposed methodology, the combined cost function is presented by combining the proximity of vehicles to the intersection, the change in energy, and the loss of time with a ratio. If the vehicles are driving, the total cost is assumed to be the same. In addition, the intersection agent has increased the safety of the intersection by stopping the vehicles or unloading the intersection while the vehicle passes for possible errors that may arise from the vehicles. A simulation environment has been created using the SUMO program and an intersection management algorithm has been tested for different sample cases. The sample of vehicles with different weights, lengths, types, and trajectories was analysed with simulations on the proposed method for different traffic scenarios. According to the results, the proposed system has shown its superiority in terms of energy consumption, travel times, and average speed over the first-come first-cost system, fixed-time traffic lights, and smart lighting methods.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    496311

    Multi agent intersection management considering energy consumption

    Enerji tüketimini göz önünde bulunduran çok etmenli kavşak yönetimi

    FERİT HACIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  2. Tez No

    836462

    Applications of multi-agent systems in transportation

    Ulaşımda çoklu ajan sistemlerinin uygulamaları

    İLHAN TUNÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  3. Tez No

    68890

    Tarihsel çevreyi korumanın Türkiye'ye özgü koşulları (İstanbul 1923-1973)

    Circumstances specific to Turkey in the conservation of the historical environment (İstanbul 1923-1973)

    NUR ALTINYILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    İç Mimarlık ve Çevre Tasarımı Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DOĞAN KUBAN

  4. Tez No

    639249

    Machine learning based multi-scale joint forecasting-scheduling for the internet of things

    Nesnelerin interneti için makine öğrenmesi tabanlı çok ölçekli bütünleşik tahminleme-çizelgeleme

    MERT NAKIP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN RODOPLU

    PROF. DR. CÜNEYT GÜZELİŞ

  5. Tez No

    400760

    Energy-efficient channel access and routing protocols for multi-hop wireless networks

    Başlık çevirisi yok

    FİKRET SİVRİKAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolRensselaer Polytechnic Institute

    PROF. BÜLENT YENER

Geri Dön