Driverless Multipurpose Vehicles for Sustainable Urban Road Transportation

QC 260529

Abstract

Ett självkörande multifunktionsfordon (eng. Driverless Multipurpose Vehicle, DMV) är ett autonomt vägfordon utformat för att utföra flera transportfunktioner, såsom gods- och persontransporter, under daglig drift. Dessa fordon kan potentiellt minska fordonsflottans storlek, energiförbrukning och driftskostnader i stadstransporter, men förståelsen av deras systemövergripande konsekvenser är fortfarande begränsad. Befintliga modeller för optimering av fordonsflottor integrerar sällan realistisk energiuppskattning baserad på centrala fordonsspecifika och transportsystemrelaterade faktorer på verkliga urbana vägnät, vilket begränsar evidensbasen för att utvärdera införandet av DMV-flottor.

Denna avhandling bedömer energi- och driftsmässiga konsekvenser av DMV-införande i stadstransporter ur ett systemnivå- och operativt perspektiv. Avhandlingen behandlar tre forskningsfrågor. För det första, hur energiförbrukningen hos DMV-flottor kan uppskattas och jämföras med manuellt styrda batterielektriska fordonsflottor (eng. Battery-Electric Vehicle, BEV) och förbränningsmotorfordonsflottor (eng. Combustion Vehicle, CV) under realistiska urbana driftsförhållanden. För det andra, hur centrala fordonsspecifika och transportsystemrelaterade faktorer kan integreras i optimeringen av fordonsflottor på realistiska urbana vägnät. För det tredje, vilka energi- och driftsmässiga konsekvenser som uppstår vid jämförelse av DMV-flottor med interiört rekonfigurerbar arkitektur (eng. Interior-Reconfigurable Architecture, IRA) med manuellt styrda BEV- och CV-flottor i flera städer och operativa scenarier. Avhandlingen presenterar även en praxisbaserad taxonomi av åtta arkitekturstrategier av DMV koncept grundade i förändringsteori inom design.

Det metodologiska bidraget är ett tvåstegsoptimeringsramverk som kopplar samman fordonsflottans storlek, -komposition och ruttplanering med en deterministisk mikroskopisk energiförbrukningsmodell på verkliga urbana vägnät. Det första steget löser energiminimerande kortaste-väg-problem som inkluderar nätverkslänkspecifika körprofiler, fordonstypsspecifika och transportsystemrelaterade faktorer, och resulterar i en reducerad graf. Det andra steget löser fordonsruttsproblemet Fleet Size and Mix Electric Vehicle Routing Problem with Simultaneous Pickup and Delivery på den reducerade grafen från första steget. Energiförbrukningsmodellen utvärderades mot uppmätt energidata från 18 resor med en batterielektrisk lastbil på en specifik urban rutt i Östersund, Sverige: modellen överskattar den absoluta energiförbrukningen men reproducerar energirankningen mellan delsträckor, vilket stödjer dess användning för jämförande utvärdering av fordonsflottor.

Tvåstegsoptimeringsramverket tillämpas på Stockholm, Paris och Lissabon med 50 transportoperationer per stad och per fordonstyp, med fyra olika målfunktioner. CV-flottor har konsekvent den högsta energiförbrukningen, medan BEV och DMV-flottor uppvisar jämförbar energianvändning i alla städer och för alla målfunktioner. Vid kostnadsminimering uppnår DMV-flottor den lägsta totalkostnaden (median cirka 430 euro per dag) jämfört med CV-flottor (450 euro) och BEV-flottor (730 euro), detta var främst drivet av eliminering av förarkostnader. Separata analyser visar att konventionella transporter med separata gods- och avfallstransporter förbrukar cirka 50–80% mer energi än motsvarande transporter med samlastning, vilket indikerar betydande fördelar med multifunktionskapacitet. Eftersom samtliga fordonstyper utför samma kombinerade tjänst i den huvudsakliga jämförande studien i avhandlingen speglar resultaten dock främst effekten av automation snarare än DMV fulla multifunktionskapacitet.

Modelleringsramverket stödjer energiinformerade beslut på strategisk nivå (anskaffning av fordonsflottor och teknikval), taktisk nivå (storlek av fordonsflottan och dess sammansättning) och operativ nivå (ruttplanering). Det utgör en grund för framtida forskning om större problemstorlekar som kräver approximativa lösningsmetoder, kombinerad gods- och persontransporter, alternativa arkitekturstrategier för DMV-flottor, samt formuleringar som tar hänsyn till resiliens och tillgänglighet.

Link to DiVA