Adaptive und kooperative adaptive Geschwindigkeitsregelungen (C/ACC) in Aimsun Next

Technische Mitteilung #63

Von Martin Hartmann

Oktober 2021

Einführung

Die Fahrzeugautomatisierung zieht Interessengruppen an, die versuchen, die Auswirkungen dieser Technologie auf den Straßenverkehr vorherzusagen. Die verschiedenen Perspektiven der Interessengruppen können von hochrangigen Verkehrsplanungsrichtlinien bis hin zu betrieblichen Aspekten zur Validierung von Wahrnehmungssensoren unter widrigen Wetterbedingungen reichen. Aimsun deckt mit seinen Modellierungswerkzeugen und -dienstleistungen das gesamte Spektrum ab, von makroskopischen Modellen bis hin zu komplexen Echtzeit-Co-Simulationen von AV-Stacks mit digitalen Zwillingen, die realistische Verkehrsumgebungen darstellen.

In diesem Artikel erklären und zeigen wir Ihnen die mikroskopische Simulation von Fahrzeugen mit kooperativer adaptiver Geschwindigkeitsregelung (CACC) in Aimsun Next. Seit Version 8.4 enthält Aimsun Next eine native Implementierung des ACC- und CACC-Algorithmus (hier als C/ACC bezeichnet), der von Milanes & Shladover, 2014 [1] entwickelt wurde. Dieser Technische Hinweis stellt die Implementierung des Controllers in den Kontext eines Mikrosimulationsmodells, beschreibt die Parameter, die dem Nutzer offenbart werden, und gibt einige praktische Beispiele für den Einsatz des Controllers.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Fahrzeuge mit C/ACC zeigen ein deutlich anderes Fahrverhalten als konventionelle (in Aimsun Next: Gipps-gesteuerte) Fahrzeuge, so dass innerhalb der Platoons vernetzter Fahrzeuge sehr kleine Zeitlücken möglich sind. Fassen wir die wichtigsten Informationen über den C/ACC-Algorithmus im Zusammenhang mit der Mikrosimulation in Aimsun Next zusammen:

  • Fahrzeuge können entweder mit einer ACC, einer CACC oder gar keiner Geschwindigkeitsregelung ausgestattet sein.
Abbildung 1: Die C/ACC-Verteilung wird im jeweiligen Fahrzeugtyp-Editor festgelegt.
  • Der C/ACC-Algorithmus überschreibt das voreingestellte Längsfahrverhalten (Beschleunigung und Geschwindigkeit des Gipps-Fahrzeugfolgemodells).
  • Bei Fahrzeugen mit C/ACC muss die Reaktionszeit auf 0,1 s eingestellt werden, bei konventionellen Fahrzeugen sollte die fahrzeugeigene Reaktionszeit (etwa 0,8 s) beibehalten werden.
Abbildung 2: Die Verteilung der Reaktionszeit (RT) wird in den Einstellungen des Experiments festgelegt.
  • Jedes Fahrzeug mit CACC ist auch ACC-fähig. Daher verwenden Fahrzeuge mit CACC, die einem Fahrzeug ohne CACC folgen, „nur“ den ACC-Controller.
  • Die Fahrzeugfolgelücken werden zusätzlich durch einen CAMP-Kollisionsvermeidungsalgorithmus abgesichert.
  • DieMöglichkeit eines Fahrzeugs,die C/ACC zu aktivieren, sowie die maximale Platoon-Größe können über den Straßentyp eingestellt werden.
  • Das resultierende Platooning-Verhalten wird durch die Kombinationder gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit, der maximalen Platoon-Größe und der entsprechenden C/ACC-Steuerungsparameter beeinflusst.

Controller-Zustände

Dann gibt es fünf Staaten, die für ein mit CACC ausgestattetes Fahrzeug gelten:

  1. »CC Speed Regulation« („no preceding vehicle in your detection range, choose your acceleration“) -> CC Geschwindigkeitsregelung („kein vorausfahrendes Fahrzeug im Detektionsbereich, Beschleunigung auswählen“).
  2. »ACC Gap Regulation« („follow a preceding vehicle*, adjust acceleration to meet the desired time gap“) -> ACC-seitige Zeitlückenregelung („Folge einem vorausfahrenden Fahrzeug*, Beschleunigung an die Wunschzeitlücke anpassen“)
  3. »CACC Platoon Leader Gap Regulation« („max platoon size reached, you are the new leader, choose your acceleration“) -> CACC-seitige Zeitlückenregelung anhand des Führungsfahrzeugs („maximale Platoon-Größe erreicht, neues Führungsfahrzeug, Beschleunigung auswählen“).
  4. »CACC Platoon Follower Gap Regulation« („follow connected leader, adjust acceleration to meet the desired intra-platoon time gap“) -> CACC-seitige Zeitlückenregelung anhand des Folgefahrzeugs („Folge dem vernetzten Führungsfahrzeug, Beschleunigung an die Wunschzeitlücke im Platoon anpassen“)
  5. »Disabled« („no controller equipped or temporary disabled by CAMP algorithm“) -> Deaktiviert („kein Controller vorhanden oder vorübergehend durch CAMP-Algorithmus deaktiviert“)
Abbildung 3: Zustandsdiagramm und Zustandsübergangsbedingungen

* Das vorausfahrende Fahrzeug kann ein Fahrzeug ohne, mit ACC oder mit CACC innerhalb des ACC-Untergrenzwerts der Netto-Weglücke oder des CACC-Untergrenzwerts der Netto-Zeitlücke sein.

Platoon-Parameter ACC

  • »ACC controller gains« (Verstärkung des ACC-Controllers): Empfindlichkeitsparameter des ACC-Controllers in Bezug auf Positions- und Geschwindigkeitsfehler bei freiem Verkehrsfluss und bei der Fahrzeugfolge. Die voreingestellten Werte sind Standardwerte gemäß [1], die die Differenz zwischen den realen empirischen und den simulierten Ergebnissen nachweislich minimieren. Wir empfehlen den meisten Anwendern, die Standardwerte zu übernehmen.
  • »Lower clearance threshold« (Untergrenzwert der Netto-Weglücke): die Borddetektoren des betreffenden Fahrzeugs haben ein Führungsfahrzeug erkannt; das betreffende Fahrzeug wechselt in den Zustand »ACC Gap Regulation« und versucht, die Wunschzeitlücke zu erreichen.
  • »Upper clearance threshold« (Obergrenzwert der Netto-Weglücke): das Führungsfahrzeug befindet sich außerhalb des Detektionsbereichs der Bordsensoren; das betreffende Fahrzeug verlässt das Platoon und wechselt in den Zustand »CC Speed Regulation«.
  • »Desired Time Gap« (Wunschzeitlücke): Zeitabstand des betreffenden Fahrzeugs zum Führungsfahrzeug innerhalb des Platoons; als Standardwert ist eine Verteilung nach Nowakovski (1,2/0,4/1,1/2,2 s) eingestellt [3].

Platoon-Parameter CACC

  • »CACC controller gains« (Verstärkung des ACC-Controllers): Empfindlichkeitsparameter des CACC-Controllers zur Anpassung der Zeitlücke des betreffenden Fahrzeugs zum Führungsfahrzeug.
  • Ist-Zeitlücke > Obergrenzwert der Netto-Zeitlücke: das betreffende Fahrzeug wechselt in den Zustand »ACC Gap Regulation« (das Führungsfahrzeug hat z. B. seine gewünschte Geschwindigkeit erhöht und befindet sich außerhalb der Vernetzungsreichweite).
  • Ist-Zeitlücke < Untergrenzwert der Netto-Zeitlücke: das betreffende Fahrzeug wechselt in den Zustand »CACC Platoon Follower Gap Regulation« und richtet sich nach der Zeitlücke des Folgefahrzeugs innerhalb des Platoons (Standardwert 0,6s).
  • Ist-Zeitlücke < Obergrenzwert der Netto-Zeitlückeund maximale Platoon-Größe erreicht: ® das betreffende Fahrzeug wird zum Führungsfahrzeug eines eigenen Platoons, wechselt in den Zustand »CACC Platoon Leader Gap Regulation« und richtet sich nach der Zeitlücke des Führungsfahrzeugs (Standardeinstellung 1,5 s).
  • Zeitlücke zwischen Unter- und Obergrenzwert der Netto-Zeitlücke: das betreffende Fahrzeug verwendet zur Steuerung die Hystereseregel und wendet den Fahrzeugfolgezustand aus dem vorherigen Zeitschritt an.

Übernahme durch CAMP im Notfall

Zur Kollisonswarnung nach vorne verwendet das C/ACC-Modell in Aimsun Next einen CAMP-Algorithmus [2]. Dieser Algorithmus ist Bestandteil des Modells und prüft, ob die Zeitlück des betreffenden Fahrzeugs zum Führungsfahrzeug ausreichend ist, um eine sichere Folgefahrt zu gewährleisten. Bei Aktivierung des CAMP-Algorithmus an einem beliebigen Punkt wird der C/ACC-Regler gefolgt von einer 20-sekündigen Abklingzeit deaktiviert, bevor ein erneuter Wechsel in den letzten C/ACC-Zustand erfolgt.

Simulationsbeispiele

  1. Fahrzeug mit CACC (rot) ohne vorausfahrendes Fahrzeug ® »CC Speed Regulation«
  1. Fahrzeug mit CACC (rot, Wunschgeschwindigkeit = 49,9 km/h), das einem Fahrzeug ohne C/ACC (blau, Wunschgeschwindigkeit = 57 km/h) folgt ® ACC-Geschwindigkeitsregelung bis Erreichen der Netto-Weglücke > Obergrenzwert der Netto-Weglücke (120 m) ® »CC Speed Regulation«

Verlangsamen Sie die Aufzeichnung und markieren Sie die Werte für die Netto-Weglücke und den Geschwindigkeitsregelungszustand.

Anmerkung: Zur Visualisierung des Fahrverhaltens können Sie sowohl für die Zeitlücken-(blaue Linie) als auch die Weglückenwerte zum Führungsfahrzeug (grüne Linie) Zeitreihen (TS) einzelner Fahrzeuge erfassen.

  1. Das Fahrzeug mit CACC ist mit dem Platoon vernetzt und richtet sich nach der Zeitlücke innerhalb des Platoons (0,6 s) > »CACC Gap Regulation«
  1. Fahrzeug mit CACC ohne Führungsfahrzeug (»CC Speed Regulation« aktiv) kurz vor Erkennen eines neuen vorausfahrenden Fahrzeugs. Sobald die Netto-Weglücke unter den unteren Grenzwert von 100 m fällt, wechselt das betreffende Fahrzeug in den Zustand »ACC Gap Regulation«.

Verlangsamen Sie die Aufzeichnung und markieren Sie die Werte für die Netto-Weglücke und den Geschwindigkeitsregelungszustand.

 

  1. Fahrzeug mit CACC-Ausrüstung kurz vor der Einreihung in den CACC-Platoon: Unterschreitung des unteren Grenzwerts der Netto-Zeitlücke von 0,5 s und vorübergehende Anwendung der »ACC Gap Regulation« (linkes Bild) sowie nach Einreihen in das CACC-Platoon und Orientierung nach der Zeitlücke des Folgefahrzeugs ®. »CACC Platoon Follower Gap Regulation« (rechtes Bild).

Verlangsamen Sie die Aufzeichnung und markieren Sie die Werte für die Netto-Zeitlücke und den Geschwindigkeitsregelungszustand.

 

  1. Durch die Beschränkung der Platoon-Größe wird das betreffende Fahrzeug zwingend zu einem neuen Führungsfahrzeug (CACC-Platoon ganz links). Das Führungsfahrzeug des rechten Platoons befindet sich im Zustand »ACC Gap Regulation«, da der Abstand zu den vorausfahrenden Fahrzeugen geringer ist als der Obergrenzwert der Netto-Weglücke von 120 m. Nach Überschreiten dieses Grenzwerts wechselt das Führungsfahrzeug in den Zustand »CC Speed Regulation«.

Abschließende Bemerkung

Im implementierten Modell kann ein tatsächliches Führungsfahrzeug mit verschiedenen CACC-Tags gekennzeichnet werden (auch bei Platoon-Größe = 1):

  • »CACC Platoon Leader«: die maximale Platoon-Größe zwingt das Fahrzeug, ein neues Platoon zu bilden;
  • »ACC Gap Regulation«: wenn sich das Führungsfahrzeug innerhalb der Sensorreichweite zu einem vorausfahrenden Fahrzeug befindet;
  • »CC Gap Regulation«: wenn sich das Führungsfahrzeug außerhalb der Sensorreichweite zu einem vorausfahrenden Fahrzeug befindet.

Literaturverweise

[1] Vicente Milanés, Steven E. Shladover: „Modeling cooperative and autonomous adaptive cruise control dynamic responses using experimental data“, Transportation Research, Part C, Emerging technologies, Elsevier, 2014, S. 285–300. 10.1016/j.trc.2014.09.001 . hal-01091160

[2] Kiefer, R. J., Cassar, M. T., Flannagan, C. A., LeBlanc, D. J., Palmer, M. D., Deering, R. K., Shulman, M.A., 2003: „Forward collision warning requirements project: refining the CAMP crash alert timing approach by examining „last-second“ braking and lane change maneuvers under various kinematic conditions“, NHTSA Research Report HS-809 574.

[3] Nowakowski, C., J. O’Connell, S. E. Shladover und D. Cody, 2010: „Cooperative Adaptive Cruise Control: Driver Selection of Car-Following Gap Settings Less Than One Second“, 54th Annual Human Factors and Ergonomics Society Meeting, San Francisco, CA.

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