نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

پیش‌بینی هوشمند سرعت خودرو بر اساس مجموعه‌داده واقعی بزرگراه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
چکیده
پیش‌بینی دقیق سرعت خودرو موجب کاهش مصرف انرژی و افزایش ایمنی خودروهای هوشمند می‌شود. با توجه به داده‌های موجود در سیستم‌های حمل‌و‌نقل هوشمند و ظرفیت شبکه‌های عصبی عمیق در بهره برداری از این داده‌ها، یک روش هوشمند برای پیش‌بینی سرعت با استفاده از شبکه‌های عصبی عمیق ارائه شده است. پیش‌بینی سرعت با استفاده از سابقه سرعت خودروی هدف و خودروهای جلویی آن انجام می‌شود. به منظور افزایش دقت پیش‌بینی، یک روش نوآورانه برای نرمال‌سازی داده‌های سرعت خودرو معرفی شده است که منجر به کاهش خطای پیش‌بینی می‌شود. علاوه بر این، برای مواجهه با چالش‌هایی که در عمل برای رانندگی وجود دارد، عدم قطعیت در میزان سابقه سرعت در دسترس و تعداد خودروهای جلویی در رو‌ش توسعه یافته لحاظ شده است. در این پژوهش، پیش‌بینی سرعت با گام زمانی بسیار کوتاه، که در مطالعات پیشین گزارش نشده و چالش برانگیزتر است، انجام شده است. برای آموزش مدل‌های پیشبین سرعت هوشمند از داده‌های واقعی بزرگراه استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد که روش پیشنهاد، به‌ویژه در گام‌های زمانی اولیه، دقت بالاتری داشته دارد و فاقد آفست است. همچنین، برخلاف تحقیقات موجود، حتی در صورت عدم وجود خودروی جلویی نیز امکان پیش‌بینی سرعت وجود دارد و دقت پیش‌بینی در این شرایط از روش‌های تحلیلی رایج بیشتر است. میانگین خطای مطلق پیش‌بینی در افق شش ثانیه‌ای با روش پیشنهادی برابر با 0/2410 متر بر ثانیه است که نسبت به مدل‌های تحلیلی حداقل 29/30 درصد و نسبت به حالتی که از روش نرمال‌سازی ارائه شده استفاده نشده است حداقل 13/18 درصد کاهش نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Intelligent vehicle velocity forecasting based on the real highway data

نویسندگان English

Mostafa Khanalipour
Mohsen Mohammadi
Hossein Mohammadi
School of Mechanical Engineering, Shiraz University
چکیده English

Accurate vehicle speed prediction leads to reduced energy consumption and increased safety of intelligent vehicles. Considering the data available in intelligent transportation systems and the capability of deep neural networks to exploit these data, an intelligent method for speed prediction using deep neural networks is proposed. Speed prediction is performed using the speed history of the target vehicle and its preceding vehicles. In order to increase prediction accuracy, an innovative method for normalizing vehicle speed data is introduced, which results in a reduction in prediction error. Furthermore, to address practical driving challenges, uncertainty in the amount of available speed history and the number of preceding vehicles is considered in the developed method. In this study, speed prediction is carried out with a very short time step, which, although it improves accuracy, increases the dimensionality of the problem and doubles the difficulty of the prediction task; an issue that has not been reported in previous studies. Real-world highway data are used to train the intelligent speed prediction models. The results show that the proposed method achieves higher accuracy, particularly in the initial time steps, and is free of offset. The mean absolute prediction error over a six-second horizon obtained using the proposed method is 0.2410 m/s, which indicates at least a 49.1% reduction compared to analytical models.

کلیدواژه‌ها English

Vehicle Velocity Forecasting
Machine Learning
Data Normalization
Connected Automated Vehicles
Deep Learning
[1] X. Li, W. Lin, Y. Jin, D. Chen, T. chen, Dynamic Energy Management Strategy of Hybrid Electric Vehicles based on Velocity Prediction, IFAC-PapersOnLine, 54(10) (2021) 363369.
[2] C. Sun, X. Hu, S.J. Moura, F. Sun, Velocity Predictors for Predictive Energy Management in Hybrid Electric Vehicles, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 23(3) (2015) 11971204.
[3] Y. Jia, C. Cai, D. Görges, An LSTM-Based Speed Predictor Based on Traffic Simulation Data for Improving the Performance of Energy-Optimal Adaptive Cruise Control, in:  2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2020, pp. 17.
[4] B. Li, W. Zhuang, B. Chen, H. Zhang, S. Yu, J. Zhang, G. Yin, Predictive Ecological Cooperative Control of Electric Vehicles Platoon on Hilly Roads, Chin. J. Mech. Eng., 38(1) (2025) 37.
[5] T. Ersal, I. Kolmanovsky, N. Masoud, N. Ozay, J. Scruggs, R. Vasudevan, G. Orosz, Connected and automated road vehicles: state of the art and future challenges, Vehicle System Dynamics, 58(5) (2020) 672704.
[6] E. Hyeon, Y. Kim, N. Prakash, A.G. Stefanopoulou, Influence of Speed Forecasting on the Performance of Ecological Adaptive Cruise Control, in:  ASME 2019 Dynamic Systems and Control Conference, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2019.
[7] J.J.Q. Yu, Online Traffic Speed Estimation for Urban Road Networks with Few Data: A Transfer Learning Approach, 2019 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC),  (2019).
[8] J.B. Kenney, Dedicated Short-Range Communications (DSRC) Standards in the United States, Proceedings of the IEEE, 99(7) (2011) 11621182.
[9] S. Lefèvre, C. Sun, R. Bajcsy, C. Laugier, Comparison of parametric and non-parametric approaches for vehicle speed prediction, in:  2014 American Control Conference, 2014, pp. 34943499.
[10] Z. Zhou, Z. Yang, Y. Zhang, Y. Huang, H. Chen, Z. Yu, A comprehensive study of speed prediction in transportation system: From vehicle to traffic, iScience, 25(3) (2022) 103909.
[11] K. Liu, Z. Asher, X. Gong, M. Huang, I. Kolmanovsky, Vehicle velocity prediction and energy management strategy part 1: Deterministic and stochastic vehicle velocity prediction using machine learning, SAE Technical Paper, 2019.
[12] S.D. Cairano, D. Bernardini, A. Bemporad, I.V. Kolmanovsky, Stochastic MPC With Learning for Driver-Predictive Vehicle Control and its Application to HEV Energy Management, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 22(3) (2014) 10181031.
[13] M. Wegener, F. Herrmann, L. Koch, R. Savelsberg, J. Andert, Longitudinal Vehicle Motion Prediction in Urban Settings With Traffic Light Interaction, IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 8(1) (2023) 204215.
[14] E. Hyeon, D. Shen, D. Karbowski, A. Rousseau, Forecasting Short to Mid-Length Speed Trajectories of Preceding Vehicle Using V2X Connectivity for Eco-Driving of Electric Vehicles, SAE Int. J. Adv. & Curr. Prac. in Mobility, 3(4) (2021) 18011809.
[15] E. Hyeon, Y. Kim, T. Ersal, A. Stefanopoulou, Data-Driven Forgetting and Discount Factors for Vehicle Speed Forecasting in Ecological Adaptive Cruise Control, J. Dyn. Sys., Meas., Control, 144(1) (2022).
[16] E. Hyeon, D. Karbowski, A. Rousseau, Potential Energy Saving by Different Cooperative Driving Automation Classes in Car-Following Scenarios *, in:  2023 American Control Conference (ACC), 2023, pp. 13131318.
[17] J. Guo, H. He, C. Sun, ARIMA-Based Road Gradient and Vehicle Velocity Prediction for Hybrid Electric Vehicle Energy Management, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 68(6) (2019) 53095320.
[18] C. Pan, A. Huang, J. Wang, L. Chen, J. Liang, W. Zhou, L. Wang, J. Yang, Energy-optimal adaptive cruise control strategy for electric vehicles based on model predictive control, Energy, 241 (2022) 122793.
[19] C. Pan, Y. Li, J. Wang, J. Liang, H. Jinyama, Research on multi-lane energy-saving driving strategy of connected electric vehicle based on vehicle speed prediction, Green Energy and Intelligent Transportation, 2(6) (2023) 100127.
[20] J. Wang, Z. Li, C. Pan, Energy-efficient trajectory planning with curve splicing based on PSO-LSTM prediction, Control Engineering Practice, 150 (2024) 106009.
[21] S.K. Chada, D. Görges, A. Ebert, R. Teutsch, Deep Learning-Based Vehicle Speed Prediction for Ecological Adaptive Cruise Control in Urban and Highway Scenarios, IFAC-PapersOnLine, 56(2) (2023) 11071114.
[22] M.F. Ozkan, Y. Ma, Eco-Driving of Connected and Automated Vehicle With Preceding Driver Behavior Prediction, J. Dyn. Sys., Meas., Control, 143(1) (2021) 011002.
[23] F. Zhang, J. Xi, R. Langari, Real-Time Energy Management Strategy Based on Velocity Forecasts Using V2V and V2I Communications, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 18(2) (2017) 416430.
[24] E. Hyeon, Speed Forecasting Strategies for the Energy-Optimal Car-Following of Connected and Automated Vehicles, Thesis, 2022.
[25] R. Krajewski, J. Bock, L. Kloeker, L. Eckstein, The highD Dataset: A Drone Dataset of Naturalistic Vehicle Trajectories on German Highways for Validation of Highly Automated Driving Systems, in:  2018 21st International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2018, pp. 21182125.
[26] A. Zhang, Z.C. Lipton, M. Li, A.J. Smola, Dive into deep learning, Cambridge University Press, 2023.
[27] M. Vajedi, N.L. Azad, Ecological Adaptive Cruise Controller for Plug-In Hybrid Electric Vehicles Using Nonlinear Model Predictive Control, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,  (2016).