Resumen de Contribución a las estrategias de optimización multiobjetivo para la coordinación de vehículos en intersecciones urbanas
- español
Más del 72 % de los ciudadanos europeos residen en núcleos urbanos. Algunas estimaciones cuantifican el posible coste asociado al tiempo perdido en atascos en la Unión Europea entre los años 2016 y 2026 en más de 200 mil millones de euros. Las situaciones de congestión son los problemas de tráfico urbano más habituales, pero no los únicos. El impacto ambiental que produce de forma directa el tráfico de vehículos, tanto por sus emisiones contaminantes como por el ruido y molestias que genera a los ciudadanos, ha provocado que en los últimos años se haya incremento el número de iniciativas para paliar estos problemas.
Cada vehículo que circula por una red de carreteras puede ser considerado como un elemento independiente que, para alcanzar sus objetivos, utiliza los recursos de la red durante un periodo de tiempo concreto. Cuando dos o más vehículos necesitan utilizar un recurso durante el mismo instante temporal, siendo sus trayectorias incompatibles (el paso de uno de los vehículos produce la detención del otro), el uso de técnicas de coordinación se hace imprescindible. La evolución de las tecnologías relacionadas con los sistemas inteligentes de transporte (ITS, del inglés Intelligent Transportation Systems) tales como la mayor precisión de los sensores, sistemas de procesado más potentes y redes de comunicación inalámbricas que han reducido su latencia a niveles cercanos a los de las redes cableadas, han abierto un camino para aplicar nuevas técnicas de coordinación de vehículos sobre puntos clave de las redes de tráfico como pueden ser las intersecciones.
Esta tesis aborda el problema de la coordinación de vehículos a su paso por cruces de carreteras o intersecciones en un entorno urbano. El estudio de este problema comienza por analizar las posibles fuentes de información existentes en un escenario de tráfico urbano, teniendo en cuenta las tecnologías disponibles en la actualidad. En este ámbito se realiza la primera contribución, proponiendo una metodología basada en la centralidad de la red de carretera que permite obtener las mejores posiciones de la red donde ubicar sensores que proporcionen la información más relevante para modelar el tráfico. La hipótesis central de esta tesis es que es posible mejorar los procesos de optimización utilizados para la gestión actual de las intersecciones. Para conseguir este fin, el primer objetivo es definir un modelo capaz de etiquetar de forma inequívoca todos los elementos que componen una intersección. Este modelo será el utilizado como base para las propuestas de optimización posteriores.
Desde el punto de vista de la coordinación de los vehículos, las contribuciones de esta tesis se clasifican dependiendo de si la coordinación de vehículos se realizada a través de elementos externos como los semáforos, o si por el contrario, esta coordinación se produce en un escenario de vehículos autónomos, donde cada uno de ellos es capaz de cruzar la intersección, sin detenerse, en condiciones seguras. En el primero de los casos, la propuesta realizada se centra en el desarrollo de un sistema multiagente, desplegado sobre un escenario simulado de tráfico real, capaz de gestionar las fases de los semáforos de cada intersección. Los agentes controladores de cada intersección tienen la capacidad de variar su comportamiento en base a los indicadores de tráfico que reciben. En el segundo de los casos, la investigación se centra en el comportamiento de los vehículos en el interior de las intersecciones, y los posibles métodos para la generación de patrones de llegada de vehículos que permitan su cruce, en condiciones seguras, sin que los vehículos se detengan y cumpliendo las preferencias de flujo del sistema. Con este fin, se ha diseñado en una primera iteración un proceso de optimización basado en un algoritmo genético con caminos fijos entre los puntos de entrada y salida de la intersección, centrado en obtener el mayor rendimiento posible para el caso de que todos los flujos de entrada sean iguales. Posteriormente, esta propuesta se ha extendido permitiendo todos los caminos posibles entre los puntos de entrada y de salida de la intersección, y generalizando además el objetivo de la optimización para lograr los flujos de entrada deseados, sin las restricciones de tener que contar con flujos de entrada simétricos. Debido al aumento exponencial de la complejidad del problema en esta última solución, se ha propuesto un algoritmo genético de longitud variable de cromosomas, adaptado a este problema.
Para validar las propuestas realizadas se han utilizado simuladores y escenarios de tráfico realistas, que permiten probar de forma intensiva cada una de ellas. Además del uso de simuladores comerciales, ha sido necesario implementar un simulador de intersecciones propio, el cual sea capaz de reproducir las peculiaridades del problema tratado. En cada caso, los resultados obtenidos utilizando las propuestas realizadas han sido comparados frente a otras soluciones ampliamente utilizadas. Los buenos resultados obtenidos con los métodos propuestos en esta tesis permiten confirmar las hipótesis planteadas en el inicio de la investigación.
- English
More than 72 % of Europeans live in urban areas. Some estimations quantify the possible cost related to the time lost in traffic jams in the European Union between 2016 and 2026 in more than 200 thousand million euros. Traffic jams are the most common urban traffic problem but not the only one. The environmental impact produced directly by vehicular traffic, both by pollutant emissions and by the noise and discomfort endured by citizens, has increased the number of initiatives to alleviate these problems in recent years.
Each vehicle that circulates on a road network can be considered as an independent element that, to achieve its objectives, uses the resources of the network for a specific period. When two or more vehicles need to use a resource during the same time, and their trajectories are incompatible (the passage of one of the vehicles causes the stopping of the other), then the use of coordination techniques is essential. The evolution of technologies related to Intelligent Transportation Systems such as improved sensor accuracy, more powerful processing systems and wireless communication networks that have reduced their latency to levels close to wired networks, has paved the way to apply new vehicle coordination techniques on key points of traffic networks such as intersections.
This thesis addresses the problem of the coordination of vehicles as they cross junctions or intersections in an urban environment. The study of this problem begins by analyzing the possible sources of information existing in an urban traffic scenario, considering the technologies currently available. In this area, our first contribution is the proposal of a methodology based on the study of the centrality of the road network. The goal of such methodology is to determine the best positions for sensors, so that they provide the most relevant data for traffic modeling. The central hypothesis of this thesis is that it is possible to improve the optimization processes used for the current management of intersections. To achieve this goal, the first objective is to define a model capable of labeling unequivocally all the elements that make up an intersection. This model is used later as the basis for subsequent optimization proposals.
From the point of view of the coordination of vehicles, the contributions of this thesis are classified depending on whether the coordination of vehicles is carried out through external elements such as traffic lights, or this coordination occurs in a scenario of autonomous vehicles, where each of them is able to cross the intersection, without stopping, in safe conditions. In the first case, the proposal focuses on the development of a multi-agent system, deployed on a simulated scenario based on real data, capable of managing the traffic light phases of each intersection. The controlling agents for each intersection can vary their behavior based on the traffic indicators they receive. In the second case, the research focuses on the behavior of vehicles inside the intersections, and the possible methods to generate vehicle arrival patterns that allow their crossing, in safe conditions, without the vehicles being hindered and complying with system flow preferences. To this end, in a first iteration, an optimization process based on a genetic algorithm with fixed paths between the entry and exit points of the intersection has been designed. The algorithm is focused on obtaining the highest possible yield if all entrance flows are equal. Subsequently, this proposal is extended allowing all possible paths between the entry and exit points of the intersection and generalizing the optimization goal to achieve the desired input flows, without the restriction of having symmetrical input flows. Due to the exponential increase in the complexity of the problem in this last scenario, a genetic algorithm with variable-length chromosomes is proposed, adapted for this problem.
Simulators and realistic traffic scenarios have been used to validate the proposals, which allow intensive testing of each of them. In addition to the use of commercial simulators, it has been necessary to implement our own intersection simulator, which can reproduce the peculiarities of the problem. In each case, the results obtained using the proposals have been compared with other widely used solutions. The good results obtained with the methods proposed in this thesis allow us to confirm the hypotheses raised at the beginning of the research.
