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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-31032021-155230
Document
Author
Full name
Andre de Souza Mendes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Fleury, Agenor de Toledo (President)
Leonardi, Fabrizio
Pinto, Fernando Augusto de Noronha Castro
Steffen Junior, Valder
Tannuri, Eduardo Aoun
Title in Portuguese
Estratégia ótima de coordenação de caminhões para formação de comboios em rodovias.
Keywords in Portuguese
Comboio de caminhões (Monitoramento)
Combustíveis veiculares (Economia)
Controle ótimo
Estática (Otimização)
Gases (Emissão; Redução)
Abstract in Portuguese
A presente pesquisa apresenta uma estratégia ótima de coordenação para a formação de comboios de caminhões em rodovias com o objetivo de reduzir o consumo de combustível e aumentar a densidade de tráfego. Na literatura, este tipo de comboio é tipicamente caracterizado pelo conjunto de veículos em fila trafegando com pequenas distâncias de separação. A proximidade dos veículos nesta configuração permite um fluxo de ar mais eficiente em torno do conjunto reduzindo o custo energético total da movimentação. Além disso, a formação de comboios é capaz de aumentar a segurança nas vias, a capacidade de transporte, o conforto do motorista, reduzir as emissões de gases causadores do efeito estufa e a mão de obra devido à ausência de intervenção humana nos veículos seguidores. A estratégia de coordenação proposta tem como base um problema de otimização estática que leva em consideração a disposição inicial dos caminhões dispersos numa rodovia e fornece perfis ótimos de velocidade que os veículos devem seguir para que o comboio seja formado. Esta estratégia de coordenação é estendida utilizando um problema de controle ótimo que usa os perfis de velocidade provenientes do problema de otimização estática como ponto de partida viável do algoritmo. As soluções de ambos os problemas, otimização estática e controle ótimo, são usadas como referência dos controladores da dinâmica longitudinal de cada caminhão. Uma central de processamento é responsável por monitorar os caminhões no trecho de rodovia considerado, executar o algoritmo da estratégia de coordenação e transmitir os perfis ótimos de velocidade que cada integrante deve seguir. Os perfis de velocidade e o consumo de combustível provenientes dos problemas de otimização estática e controle ótimo são apresentados para diferentes cenários de coordenação. Uma análise de sensibilidade complementa a investigação do método verificando os perfis de velocidade e o custo total da movimentação em função dos principais parâmetros da coordenação. Por fim, modelos da dinâmica longitudinal e consumo de combustível de caminhões pesados, validados experimentalmente e disponíveis na literatura, são usados na avaliação da estratégia de coordenação em diferentes cenários de tráfego num trecho de rodovia entre as cidades de Rio de Janeiro e São Paulo. A principal contribuição desta tese consiste na formulação da estratégia ótima de coordenação que leva em consideração dois ou mais caminhões simultaneamente, inclui a fase de desmanche do comboio e permite a formação de comboios parciais.
Title in English
Optimal coordination strategy to form truck platoons on highways.
Keywords in English
Fuel savings
Optimal control
Static optimization
Truck platoon
Abstract in English
This work presents an optimal coordination strategy to form truck platoons on highways in order to reduce fuel consumption and increase traffic density. In the literature, this type of platoon is typically characterized by a set of vehicles in a row traveling with small inter-vehicle distances. The proximity of the vehicles in this configuration allows a more efficient air flow, reducing the total energy cost of the maneuver. Moreover, platoon formation increase road safety, transport capacity, driver comfort, reduce greenhouse gas emissions and workload due to the absence of human intervention in the following vehicles. The proposed coordination strategy is based on a static optimization problem that takes into account the initial positions of scattered trucks on a highway and provides optimal speed profiles the vehicles should follow to form the platoon. This coordination strategy is extended using an optimal control problem that uses the speed profiles from the static optimization problem as a viable starting point for the algorithm. The solutions of both problems, static optimization and optimal control, are used as reference signal by the longitudinal controllers of each truck. A central processing station is responsible for monitoring the trucks on the considered highway stretch, executing the coordination strategy and providing the optimal speed profiles to each participant. The speed profiles and fuel consumption provided by the static optimization and optimal control problems are presented for different coordination scenarios. A sensitivity analysis supplement the investigation of the method by verifying the speed profiles and the total cost of the maneuver according to the main coordination parameters. Finally, longitudinal dynamics and fuel consumption models of heavy trucks, experimentally validated and available in the literature, are used in the evaluation of the coordination strategy under different coordination scenarios on a highway stretch between the cities of Rio de Janeiro and São Paulo. The main contribution of this work lies in the formulation of the optimal coordination strategy that takes into account two or more trucks simultaneously, includes the splitting phase and allows the formation of partial platoons.
 
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Publishing Date
2021-04-01
 
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