AutoFlock - Zweidimensionale dezentrale Regelung heterogener Verkehrsströme mit Schwärmen kooperativer automatisierter Fahrzeuge

• Antragsteller: Professor Dr. Meng Wang
• Fachliche Zuordnung: Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544900900

Verkehrsstaus verursachen große gesellschaftliche Kosten. Eine intelligente Verkehrsflussregelung kann dazu beitragen, diese Kosten zu verringern. Der Einsatz kooperativer automatisierter Fahrzeuge (CAVs) für derartige Regelungen ermöglicht den Entwurf vollkommen neuer Konzepte. Er bringt jedoch auch Unsicherheiten hinsichtlich der Modellierung des Prozesses der Staubildung und der Stauausbreitungscharakteristiken mit sich. Diese Unsicherheiten stammen von der nichtlinearen Kopplung von mikroskopischem Fahrverhalten und makroskopischem Verkehrsfluss und stellen eine große Herausforderung für die Regelung des zukünftigen Mischverkehrs dar, welcher aus CAVs und manuell gesteuerten Fahrzeugen (HV) bestehen wird. Bereits existierende Ansätze zur mikroskopischen Fahrzeugsteuerung sind lokal begrenzt, beziehen sich auf einen kurzen Zeithorizont und vernachlässigen die Dynamik des übergeordneten Verkehrsflusses in der Entscheidungsfindung von CAVs. Derzeitige makroskopische Verkehrsflussregelungen sind oftmals zentralisiert aufgebaut und unterliegen Einschränkungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Ausfällen von Teilsystemen und Sättigungseffekten. Des Weiteren sind wesentliche Fragestellungen, die die Modellierung und Regelung eines HV-CAV-Mischverkehrs betreffen, noch unbeantwortet. Inspiriert von Schwarmbildungsmechanismen in der Natur, zielt das Projekt auf die Entwicklung eines neuen Paradigmas zur Verkehrsflussregelung ab. Dafür werden bekannte Konzepte der Verkehrsflusstheorie mit dem neuartigen Ansatz der zweidimensionalen (2-D) CAV-Schwärme kombiniert. Die einzelnen Schwärme interagieren basierend auf lokaler Kommunikation miteinander und regeln den Mischverkehr, ohne dabei direkte Steuerungsbefehle an die HVs zu geben. Hierfür wird folgendes entwickelt: 1) Verkehrsflussstabilisierende Strategien zur Vermeidung von Verkehrszusammenbrüchen bei linearen Störungen; 2) Stauwellenabsorbierende Strategien für die Eliminierung nichtlinearer Stauwellen. Die Regelungsstrategien basieren dabei auf dem mesoskopischen Modellierungsansatz der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Diese Lagrang‘sche Modellierungsmethode beschreibt auf eine natürliche Weise die Kommunikationstopologie mit endlichem Empfangsbereich sowie die begrenzten Bewegungsfreiräume verschiedener Fahrzeugklassen auf einer mikroskopischen Ebene unter Beachtung der makroskopischen Verkehrsflussmuster in 2-D. Dies wird die Regelung von Verkehrsflussdynamiken bis zu 10 Minuten im Voraus ermöglichen, was weit über existierender CAV-Steuerungsparadigmen hinausgeht, welche einen Prädiktionshorizont von weniger als 10 Sekunden aufweisen. Dieses Projekt wird ein neues Paradigma für die Verkehrsflussmodellierung und -regelung schaffen. Es wird die Kapazität der Straßen erhöhen sowie wissenschaftliche Werkzeuge etablieren, mit denen umfassende Fragenstellungen auf makroskopischer Verkehrsflussebene beantwortet werden können, noch bevor die dafür notwendigen Technologien auf dem Markt verfügbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen