Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5626
Main Title: Topics in feedback control for ITS applications in Smart Cities
Translated Title: Regelungssysteme für ITS Anwendungen in Smart Cities
Author(s): Häusler, Florian
Advisor(s): Raisch, Jörg
Referee(s): Shorten, Robert
Taiber, Joachim
Raisch, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis introduces new applications from the domain of Intelligent Transportation Systems to address some of the central challenges of urban road traffic. All applications exploit the potential of recent developments in the automotive field, in particular vehicular networks, new kinds of vehicles such as electric and full hybrid vehicles and results from networked control theory. By setting up a feedback loop around a large number of vehicles applications are able to address general road traffic problems in a very direct way - in a way which is not possible by per-vehicle measures. Domain-specific requirements (e.g. preserve drivers' privacy) are considered in the design of each application and its underlying control and optimization algorithm. It is shown that multiple problems can be approached with a simple system architecture: On the one hand, there is a central infrastructure, which has access to general, system-wide information such as air pollution levels, traffic flow information, etc. On the other hand, there are vehicles - in particular full hybrids - which are equipped with advanced communication technology. Communication technology integrates both parts into a feedback control loop. It is shown that in many cases it is sufficient that the infrastructure broadcasts minimal information such that vehicles act in a collaborative way. The introduced applications address the problem of air pollution in urban environments, optimize emission in a fleet, target the problem of supply variations in electric grids with hybrid vehicles, provide balancing solutions for electric vehicle charging stations and aim at utilizing given parking spaces in a more efficient way. The performance is discussed with help of extensive simulations. (Limited) mathematical analyses for algorithmic approaches are included or cited. It is considered that proposed applications might recommend behaviour which does not optimize individual utilities - while they do optimize other aspects such as the total utility of all users. Thus, the question of user acceptance is crucial. In this sense, selected user acceptance tests and surveys have been performed. Furthermore a technical platform is introduced which provides the possibility to test collaborative applications in the field (including user acceptance) without requiring a large number of vehicles.
Die Dissertation beschreibt neue Anwendungen im Bereich Intelligent Transportation Systems, um zentralen Problemen des urbanen Straßenverkehrs zu begegnen. Die hier betrachteten Probleme können nur gelöst werden, wenn Fahrzeuge miteinander kooperieren und ihr Verhalten aufeinander abstimmen. Die entwickelten Lösungsansätze verbindet, dass sie die Möglichkeiten ausnutzen, die mit der Entwicklung neuer Fahrzeugtypen - insbesondere Elektrohybridfahrzeugen - und ihrer zunehmenden Vernetzung einhergehen. Dabei entsteht ein dem Internet verwandtes Systemumfeld auf das Ansätze aus dem Bereich Netzwerksteuerung mit wenigen Anpassungen übertragen werden können. Indem eine große Zahl von Fahrzeugen in einen übergeordneten Regelkreis integriert werden, können grundsätzliche Verkehrsprobleme in Smart Cities auf eine sehr direkte Art adressiert werden - viel direkter als es mit fahrzeugindividuellen, nicht-kooperativen Ansätzen möglich ist. Es wird gezeigt, dass dabei relevante, domänenspezifische Anforderungen (z.B. Sicherung der Privatsphäre) berücksichtigt werden können. Dabei kann eine einfache Systemarchitektur genutzt werden: Auf der einen Seite steht eine zentrale Infrastruktur (z.B. Verkehrsmanagementzentrale), die auf entsprechende Informationen Zugriff hat (z.B. Luftbelastung, Verkehrsflussinformationen). Auf der anderen Seite stehen mit Kommunikationstechnologie ausgestatteten Fahrzeuge. Die entwickelten Anwendungen belegen, dass es in vielen Fällen ausreicht, einfache Informationen via Broadcasts durch die zentrale Infrastruktur zu verbreiten, so dass sich ein abgestimmtes, kollaboratives Verhalten der Fahrzeuge einstellt. Auf diese Weise können mehrere Probleme im urbanen Verkehr adressiert werden. Dazu zählen die lokale Luftbelastung in städtischen Räumen, die Optimierung der Emission einer Fahrzeugflotte, Schwankungen im Stromangebot in Elektrizitätsnetzen und die ineffiziente Nutzung von Parkplätzen und Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Alle Anwendungen werden mit Hilfe von umfangreichen Simulation validiert. Auf erweiternde mathematische Diskussionen und Herleitungen wird an entsprechender Stelle auf jeweilige Publikationen verwiesen. Da die vorgestellten Lösungsansätze den systemweiten und nicht notwendigerweise den individuellen Nutzen von Teilnehmern optimiert, ist die Nutzerakzeptanz kritisch. Zu ausgewählten Anwendungen werden daher die Ergebnisse von Akzeptanzstudien vorgestellt. In diesem Zusammenhang wurde zudem eine technische Plattform entwickelt, die es ermöglicht kooperative Anwendungen im Feld zu testen, ohne auf eine große Anzahl von Fahrzeugen zurückgreifen zu müssen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6042
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5626
Exam Date: 13-Oct-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 14-Dec-2016
DDC Class: DDC::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::005 Computerprogrammierung, Programme, Daten
DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): control systems
distributed systems
cyberphysical systems
intelligent transportation systems
parking
emission control
routing
balanced charging
balanced routing
collaborative control
Regelungssysteme
verteilte Systeme
cyber-physische Systeme
intelligente Transportsysteme
Parken
Emissionsregelung
abgestimmtes Aufladen
abgestimmtes Routing
kollaborative Regelung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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