Zaccaria, Gaetano (2023) Metastabilità e crash nelle dinamiche di car-following. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Negli ultimi anni il crescente tasso di penetrazione sul mercato di veicoli dotati di sistemi di guida automatizzati, quali l’Adaptive Cruise Control (ACC), ha sollevato preoccupazioni riguardo la sicurezza del traffico e ha fatto riemergere negli ambiti scientifici l’interesse per lo studio di una proprietà microscopica del traffico ben nota, ossia la stabilità di stringa. Per stabilità di stringa si intende un sistema di veicoli capaci di smorzare un disturbo introdotto dal primo veicolo del plotone. Una sperimentazione della Commissione Europea in Ungheria nel 2019 e successivi studi hanno dimostrato che i veicoli dotati di ACC sono instabili in stringa (Ciuffo, 2021); instabilità di stringa che nei casi peggiori può portare ad una collisione tra due o più veicoli del plotone. Di conseguenza, è stata proposta una modifica all'UN R 157, proponendo l'inserimento della stabilità di stringa come requisito per i veicoli automatizzati (UNR157 - 8a sessione - Regolamenti sui veicoli - Wiki UNECE). In letteratura, la stabilità di stringa è stata principalmente studiata in un contesto lineare (Treiber, 2011; Wilson, 2001; Ward, 2008; Montanino e Punzo, 2021; Montanino et al., 2021). Tuttavia, il traffico è un fenomeno chiaramente non lineare, basti pensare alle forti decelerazioni che sperimentano alla guida, così come i controllori implementati nei sistemi ACC sono non lineari. Quindi per affrontare lo studio della stabilità di stringa è necessario svolgere le analisi in un contesto non lineare, in modo da poter valutare fino a che punto l’analisi lineare della stabilità di stringa possa essere o meno. La maggior parte degli studi sulla stabilità di stringa in campo non lineare si basano su ipotesi restrittive e quasi mai soddisfatte nella realtà o utilizzano la risoluzione dell'equazione mKdV (Nagatani, 1998; Ge et al., 2005). Tuttavia, gli approcci in simulazione possono fornire una maggiore accuratezza e flessibilità nell'analisi della dinamica del traffico (Treiber e Kesting, 2013; Sun et al., 2018). Si affronta quindi lo studio della metastabilità (condizione in cui un modello linearmente stabile diventa instabile per disturbi non lineari) di due modelli di car-following ampiamente studiati in letteratura, con l’intento di individuare la regione di metastabilità dei due modelli ed eventuali condizioni che causano collisioni tra i veicoli. Si fornisce con questa tesi un framework metodologico per lo studio non lineare della stabilità di stringa e dell‘analisi di sicurezza del traffico, basato su un approccio in simulazione. Sono stati studiati due modelli di car-following Gipps (Gipps, 1981) e IDM (Treiber e Kesting, 2000); modelli che riproducono con migliori performance le dinamiche di guida rispetto ai controllori lineari che sono di frequente utilizzati in letteratura (He et al. 2021). Lo studio è condotto su 8192 set di parametri estratti da distribuzioni uniformi con metodo quasi-Montecarlo. Ogni set di parametri costituisce un plotone omogeneo, in seguito simulato con i modelli di Gipps e l’IDM, considerando diverse velocità di equilibrio e due tipologie di disturbi con intensità da -0.1 m/s2 a -0.9 m/s2. A valle dello studio si sono identificate delle soglie di metastabilità, oltre la quale l’analisi lineare di stabilità di stringa non è più valida e quindi vi è la necessità di studiare la stabilità di stringa in campo non lineare. Inoltre si è riscontrato che i modelli in esame non sono in grado di riprodurre le collisioni all’interno dei plotoni, a meno che non venga introdotto un vincolo sulla decelerazione massima consentita; in tal caso la collisione avviene sempre tra il primo e secondo veicolo del plotone, per cui non è mai conseguenza di una amplificazione del disturbo lungo il plotone e quindi la metastabilità e l’instabilità di stringa per questi due modelli non generano mai collisioni, al più fenomeni di stop and go con probabile peggioramento delle qualità del traffico. Quindi i modelli di Gipps e l’IDM non sono modelli in grado di riprodurre le collisioni, per cui non utilizzabili per studi di analisi di sicurezza del traffico. Bibliografia: Ciuffo, B., Mattas, K., Makridis, M., Albano, G., Anesiadou, A., He, Y., Josvai, S. Komnos, D., Pataki, M., Vass, S., Szalay, Z. – 2021 -Requiem on the positive effects of commercial adaptive cruise control on motorway traffic and recommendations for future automated driving systems - Transportation Research Part C: Emerging Technologies – Vol. 130 – 103305. Ge, H., K., Dai, S., Q., Dong, L., Y., Xue, Y. - 2004 - Stabilization effect of traffic flow in an extended car-following model based on an intelligent transportation system application - Physical Review E – Vol. 70 – 066134 – p. 1-6. Gipps, P., G. - 1981 - A behavioural car-following model for computer simulation - Transportation Research Part B: Methodological. – Vol.15 – No 2 – p. 105-111. Montanino, M., Monteil, J., Punzo, V. - 2021 - From homogeneous traffic flows Lp string stability under uncertain model parameters - Transportation Research Part B. – Vol.146 – p. 136-154. 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