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

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

Vehicle emissions and performance参考文献 18被引用 10

一句话总结

本研究利用定制化的3DCoAutoSim/SUMO仿真平台及奥地利上部地区的真实配送行程数据，评估了联网车辆编队行驶对行车时间、排放量和燃油消耗的影响。结果显示，与非联网运行相比，配送货车采用编队行驶模式时，燃油消耗减少28.25%，总排放量降低18.1%，行车时间缩短22.4%。

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.

研究动机与目标

• 评估车辆编队行驶在真实城市配送场景中对行车时间、燃油消耗和排放的影响。
• 评估车辆联网与协同驾驶如何提升货运物流效率并减少环境影响。
• 验证结合3DCoAutoSim、SUMO和TraCI的仿真框架在真实道路网络中建模编队行驶有效性的能力。
• 量化在编队行驶与传统驾驶模式下，CO2、NOx、CO和HC排放量及燃油使用量的减少情况。
• 通过展示编队行驶作为低排放、高能效的城市配送车队解决方案的可行性，支持可持续交通物流。

提出的方法

• 通过Veins/OMNeT++的PLEXE扩展，将V2V通信和编队行驶功能扩展至3DCoAutoSim仿真平台。
• 通过TraCI将SUMO微观交通仿真器与车辆动力学模型集成，实现实时数据交换。
• 使用奥地利上部地区生物产品物流的真实每日配送行程数据，定义起讫点矩阵和路线配置。
• 模拟两种场景：(1) 非联网车辆采用独立驾驶行为；(2) 联网车辆采用协同自适应巡航控制（CACC）运行于编队中。
• 基于速度、加速度和燃油消耗量曲线，应用HBEFA3排放模型计算CO2、NOx、CO和HC的排放量。
• 采用基于TCP的客户端/服务器架构，通过TraCI实现在3DCoAutoSim与SUMO之间同步车辆运动与交通状况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合交通与可变限速的城市配送路线中，编队行驶如何影响行车时间？
• RQ2 与传统驾驶模式相比，编队行驶在配送货车中能将燃油消耗降低多少？
• RQ3 在真实配送运营中，编队行驶对CO2、NOx、CO和HC累积排放量有何影响？
• RQ4 速度与加速度的波动性如何影响联网与非联网驾驶模式下的排放与燃油使用？
• RQ5 结合3DCoAutoSim、SUMO和TraCI的仿真框架能否准确建模编队行驶的环境与运行效益？

主要发现

• 在编队行驶模式下，行车时间减少了22.4%，联网货车完成路线用时1075秒，而非联网场景下为1385秒。
• 在编队行驶模式下，燃油消耗减少了28.25%，所有货车的累计燃油消耗从2.301 ml/s降至1.651 ml/s。
• 在编队行驶模式下，总排放量减少了18.1%，所有污染物的累计排放量从5685.99 mg/s降至4647.57 mg/s。
• 编队行驶模式下每秒CO2排放量为1547.34 mg/s，显著低于非联网模式下的1891.07 mg/s，主要由于速度稳定和加速度减少。
• 最显著的排放减少出现在CO（减少56.3%）和NOx（减少50.4%），CO2和HC也表现出明显下降。
• 编队行驶将速度稳定在19.8 m/s（71.28 km/h），加速度变化极小（2.2–2.4 m/s²），从而形成更平稳、更高效的驾驶模式。