Mathematical models for dynamic eco-driving in signalized intersections in the context of cooperative intelligent transportation systems

Abstract

This PhD dissertation enhances the human-centered design of existing dynamic eco-driving systems, and models driver adaptation to energy-efficient speed advice upstream of signalized intersections with the use of decision trees and empirical evidence generated via the pilot operation of an advisory dynamic eco-driving system along an urban arterial corridor, quantifies the relevant impacts on emissions, and compares them with the case of automated execution of dynamic eco-driving advice. Moreover, it proposes a simulation framework that is comprised of a microscopic traffic simulator, an external test-bed for emulating dynamic eco-driving, multiple tools for the analysis of simulation output, and a comprehensive set of simulation scenarios for evaluating the performance of different variants of dynamic eco-driving technology.Results indicate that despite rendering advised deceleration strategies more conservative for enhancing user acceptance and safety, traffic and energy efficiency of dynamic eco-driving are not undermined. Moreover, advisory dynamic eco-driving can yield significant emissions reduction compared to unequipped manually driven vehicles for increased market penetration rate of the relevant technology. However, for multi-vehicle and multi-lane traffic simulation experiments environmental, traffic and safety benefits are maximized when dynamic eco-driving is automated and market penetration rate is maximum. Finally, the implications of this PhD dissertation’s results with respect to system design, operational, technological and policy aspects of dynamic eco-driving are discussed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσει μεθόδους που βελτιώνουν τον ανθρωποκεντρικό σχεδιασμό των συστημάτων περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης, προτυποποιούν την προσαρμογή των οδηγών σε ενεργειακά αποδοτικές στρατηγικές οδήγησης ανάντη σηματοδοτημένων διασταυρώσεων με τη χρήση δένδρων αποφάσεων και εμπειρικών δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την πιλοτική εφαρμογή ενός συστήματος περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης κατά μήκος μιας αστικής οδικής αρτηρίας, ποσοτικοποιούν τις συναφείς περιβαλλοντικές και κυκλοφοριακές επιπτώσεις, καθώς και καθιστούν εφικτή τη σύγκριση επιδόσεων με αυτοματοποιημένα συστήματα περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης, όπου το όχημα είναι ταυτοχρόνως εξοπλισμένο με συστήματα αυτοματοποιημένης οδήγησης που επιτρέπουν την ακριβή προσαρμογή σε ενεργειακά αποδοτικά προφίλ ταχυτήτων. Επιπλέον, η αξιολόγηση επιπτώσεων των συστημάτων περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης γίνεται μέσω της ανάπτυξης λογισμικού που προσομοιώνει τη λειτουργία τους στα πλαίσια μοντέλου μικροσκοπικής προσομοίωσης της κυκλοφορίας για διαφορετικές συνθήκες ζήτησης μετακινήσεων αλλά και διείσδυσης της συγκεκριμένης τεχνολογίας στο συνολικό στόλο των οχημάτων.Τα αποτελέσματα των αναλύσεων της μικροσκοπικής προσομοίωσης της κυκλοφορίας κατέδειξαν ότι οι προσαρμογές στη δομή των υφιστάμενων μοντέλων περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης που αποσκοπούν στην βελτίωση της αποδοχής τους από τους χρήστες αλλά και στην βελτίωση της οδικής ασφάλειας δεν επηρεάζουν αρνητικά την απόδοσή τους αναφορικά με τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης και των εκπομπών αέριων ρύπων. Επίσης, το περιβαλλοντικό αποτύπωμα διασυνδεδεμένων οχημάτων που είναι εξοπλισμένα με συμβουλευτικού τύπου συστήματα περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης είναι σημαντικά μικρότερο σε σχέση με συμβατικά οχήματα όταν το ποσοστό διείσδυσης στο στόλο των παραπάνω συστημάτων είναι υψηλό. Είναι όμως αξιοσημείωτο, ότι σε οδικές αρτηρίες πολλαπλών λωρίδων η μεγιστοποίηση των περιβαλλοντικών και κυκλοφοριακών πλεονεκτημάτων των συστημάτων περιβαλλοντικά φιλικής οδήγησης συμβαίνει όταν αυτά είναι αυτοματοποιημένου τύπου και η διείσδυσή τους στο στόλο είναι μέγιστη. Τελικώς, αναλύονται οι επιπτώσεις των ευρημάτων της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής αναφορικά με τον ανθρωποκεντρικό σχεδιασμό των συστημάτων περιβαλλοντικής οδήγησης συμβουλευτικού τύπου και τη ορθή εφαρμογή τους σε πραγματικές κυκλοφοριακές συνθήκες.