論文の概要: Coordinated Lane-Level Variable Speed Limits and Ramp Metering for Successive Weaving Segments Considering Merging/Diverging Risks: A Hybrid Model Predictive Control and Multi-Agent Reinforcement Learning Approach
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.35152v1
- Date: Mon, 28 Sep 2026 13:32:21 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-10-02 16:38:36.863824
- Title: Coordinated Lane-Level Variable Speed Limits and Ramp Metering for Successive Weaving Segments Considering Merging/Diverging Risks: A Hybrid Model Predictive Control and Multi-Agent Reinforcement Learning Approach
- Title(参考訳): 混合モデル予測制御とマルチエージェント強化学習アプローチ
- Abstract要約: 中国長春市の18kmイースタン・エクスプレスウェイにおける実環境実験により,L-METANETはレーン変動流の再分配とキャパシティ低下を正確に再現することが示された。
MPC-STMAPPOは、MPCベースのベースラインやMARLベースのベースラインよりも高速に収束し、複数のメトリクスにわたってパフォーマンスが向上する。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 11.993252837763619
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Successive weaving segments (SWSs) on urban expressways are bottlenecks prone to recurrent congestion and collisions, requiring fine-grained active traffic management (ATM). Existing approaches struggle to balance the adaptive performance of data-driven optimization with the resilience and transferability of model-based control. We propose a hybrid framework to coordinate lane-level variable speed limits (VSLs) and ramp metering across SWSs. First, we reconstruct L-METANET, a lane-level macroscopic traffic flow model that captures free and forced lane changes. Second, we combine XGBoost-SHAP with a random-parameters binary logit (RPBL) model to derive analytical equations for merging and diverging collision risks and formulate system cost and reward functions. Third, we develop MPC-STMAPPO, a hierarchical controller integrating model predictive control (MPC) and multi-agent reinforcement learning (MARL). Its upper MPC layer uses L-METANET for long-horizon rolling optimization and generates baseline commands; its lower spatiotemporal MAPPO (ST-MAPPO) layer, enhanced with Mamba cells and graph attention, produces residual actions for short-horizon adjustment. Real-world experiments on the 18-km Eastern Expressway in Changchun, China, show that L-METANET accurately reproduces lane-changing-induced flow redistribution and capacity drops, with state evolution aligned with ground truth. XGBoost-SHAP-RPBL achieves AUCs above 0.80 in most tasks, outperforming conventional logit models. MPC-STMAPPO converges faster and performs better across multiple metrics than MPC- and MARL-based baselines. Under randomly fluctuating demand, it also significantly outperforms pure MARL in generalization, demonstrating strong potential for industrial deployment.
- Abstract(参考訳): 都市高速道路における連続織布セグメント (SWS) は, 渋滞や衝突が頻発しやすいボトルネックであり, 細粒度のアクティブトラフィック管理 (ATM) が必要である。
既存のアプローチは、データ駆動最適化の適応性能とモデルベース制御のレジリエンスと転送可能性のバランスをとるのに苦労している。
本稿では,レーンレベル変動速度制限(VSL)とSWS間のランプ計測を協調するハイブリッドフレームワークを提案する。
まず、L-METANETというレーンレベルの交通流モデルを構築し、自由および強制的なレーン変化を捉える。
第2に、XGBoost-SHAPとRPBLモデルを組み合わせて、衝突リスクの合併と分散に関する解析方程式を導出し、システムコストと報酬関数を定式化する。
第3に,モデル予測制御(MPC)とマルチエージェント強化学習(MARL)を統合した階層型コントローラであるMPC-STMAPPOを開発する。
上層MPC層はL-METANETを長時間水平転がり最適化に使用し、ベースラインコマンドを生成する。
中国長春の18km東部高速道路における実世界実験により,L-METANETは,地下の真実に整合して,車線変化に伴う流れの再分配とキャパシティ低下を正確に再現することを示した。
XGBoost-SHAP-RPBLは、ほとんどのタスクにおいて0.80以上のAUCを達成し、従来のロジットモデルより優れている。
MPC-STMAPPOは、MPCベースのベースラインやMARLベースのベースラインよりも高速に収束し、複数のメトリクスにわたってパフォーマンスが向上する。
ランダムに変動する需要の下では、工業展開の可能性を強く示し、純粋なMARLをはるかに上回っている。
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