[논문 리뷰] Simulation-Based Impact of Connected Vehicles in Platooning Mode on Travel Time, Emissions and Fuel Consumption

Aso Validi, Cristina Olaverri-Monreal|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 23.

Vehicle emissions and performance참고 문헌 18인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 오스트리아 상부 지역의 실제 배송 운행 데이터를 활용한 맞춤형 3DCoAutoSim/SUMO 시뮬레이션 플랫폼을 통해 연결 차량 플로팅이 주행 시간, 배출가스 및 연료 소비에 미치는 영향을 평가한다. 결과적으로, 배송 밴이 플로팅 모드로 운행할 경우 비연결 운행 대비 연료 소비가 28.25% 감소하고, 총 배출가스는 18.1% 감소하며, 주행 시간은 22.4% 단축된다.

ABSTRACT

Several approaches have been presented during the last decades to reduce carbon pollution from transportation. One example is the use of platooning mode. This paper considers data obtained from daily trips to investigate the impact of platooning on travel time, emissions of CO2, CO, NO2 and HC and fuel consumption on a road network in Upper Austria. For this purpose, we studied fuel combustion-based engines relying on the extension of the 3DCoAutoSim simulation platform. The obtained results showed that the platooning mode not only increased driving efficiency but also decreased the total emissions by reducing fuel consumption.

연구 동기 및 목표

• 실제 도시 내 배송 환경에서 차량 플로팅이 주행 시간, 연료 소비 및 배출가스에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 차량 간 연결성과 협동 주행이 화물 물류의 효율성 향상과 환경 영향 감소에 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.
• 3DCoAutoSim, SUMO, 및 TraCI를 융합한 시뮬레이션 프레임워크가 실도로 네트워크에서 플로팅을 모델링하는 데 효과적인지 검증하기 위해.
• 플로팅 모드와 전통적 주행 방식 간의 CO2, NOx, CO, HC 배출가스 및 연료 사용량의 감소를 정량화하기 위해.
• 도시 내 배송 플랫폼에 대해 플로팅이 저배출가스·저연료 소비 솔루션으로서의 실현 가능성을 입증함으로써 지속 가능한 운송 물류를 지원하기 위해.

제안 방법

• Ve인스/OMNeT++용 PLEXE 확장 기능을 활용해 3DCoAutoSim 시뮬레이션 플랫폼에 V2V 통신 및 플로팅 기능을 통합하였다.
• TraCI를 통한 SUMO 미세단위 교통 시뮬레이터 통합을 통해 교통 모델과 차량 동역학 모델 간 실시간 데이터 교환을 가능하게 하였다.
• 오스트리아 상부 지역의 생물학적 제품 물류에서 수집한 실제 일일 배송 운행 데이터를 활용해 출발지-도착지 행렬 및 노선 프로파일을 정의하였다.
• 두 가지 시나리오를 시뮬레이션하였다: (1) 개별 주행 행동을 보이는 비연결 차량, (2) 협동 적응형 크루이즈 컨트롤(CACC)을 사용한 플로팅 모드로 운행하는 연결 차량.
• 속도, 가속도 및 연료 소비 프로파일을 기반으로 CO2, NOx, CO, HC 배출가스를 계산하기 위해 HBEFA3 배출 모델을 적용하였다.
• TraCI를 통한 TCP 기반 클라이언트/서버 아키텍처를 활용해 3DCoAutoSim과 SUMO 간 차량 이동 및 교통 조건을 동기화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼잡한 교통과 변동 속도 제한이 있는 도시 내 배송 노선에서 플로팅은 주행 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 배송 밴에서 전통적 주행 방식 대비 플로팅이 연료 소비에 얼마나 기여하여 감소시키는가?
• RQ3 실제 배송 운영에서 플로팅은 CO2, NOx, CO, HC의 누적 배출가스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 속도 및 가속도의 변동성이 연결된 주행 대비 비연결 주행 방식에서 배출가스 및 연료 소비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 3DCoAutoSim, SUMO, 및 TraCI를 융합한 시뮬레이션 프레임워크는 플로팅의 환경적 및 운영적 이점들을 정확하게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 플로팅 모드에서는 주행 시간이 22.4% 감소하여, 연결 차량이 1075초에 노선를 완료한 데 반해 비연결 시나리오에서는 1385초가 소요되었다.
• 플로팅 모드에서는 연료 소비가 28.25% 감소하여, 모든 밴의 누적 연료 소비량이 2.301 ml/s에서 1.651 ml/s로 감소하였다.
• 플로팅 모드에서는 총 배출가스가 18.1% 감소하여, 모든 오염물질 기준 누적 배출량이 5685.99 mg/s에서 4647.57 mg/s로 감소하였다.
• 플로팅 모드에서는 1초당 CO2 배출량이 1547.34 mg/s로, 비연결 모드의 1891.07 mg/s보다 유의미하게 낮아졌는데, 이는 안정된 속도 유지와 가속도 감소 때문이었다.
• 가장 뚜렷한 배출가스 감소는 CO(56.3% 감소)와 NOx(50.4% 감소)에서 관찰되었으며, CO2 및 HC 역시 유의미한 감소를 보였다.
• 플로팅는 속도를 19.8 m/s(71.28 km/h)로 안정화시키며 가속도 변동을 최소화(2.2–2.4 m/s²)하여 더 부드럽고 효율적인 주행 패턴을 이끌었다.