Coordination of cross-carrier truck platooning

• The need for sustainable transportation solutions is urgent as the demand for mobility of goods and people is expected to multiply in the upcoming decades. One promising solution is truck platooning, which shows great potential in reducing the energy consumption and operational costs of trucks. To utilize the benefits of truck platooning to the fullest, trucks with different schedules and routes in a road network need coordination to form platoons. This thesis addresses platoon coordination when trucks can wait at hubs to form platoons. We assume there is a reward for driving in a platoon and a cost for waiting at a hub, and the objective is to maximize the overall profit. We focus on coordinating trucks from different carriers, which is important considering that many platoon opportunities are lost if only trucks from the same carrier form platoons.In the first contributions of the thesis, we propose coordination solutions where carriers aim to maximize their own profits through cross-carrier platoon cooperation. We propose an architecture of a platoon-hailing service that stores reported platooning plans of carriers and, based on these, informs carriers about the platoons their trucks can join when they make platooning decisions. A realistic simulation study shows that the cross-carrier platooning system can achieve energy savings of 3.0% and 5.4% when 20% and 100% of the trucks are coordinated, respectively. A non-cooperative game is then formulated to model the strategic interaction among trucks with individual objectives when they coordinate for platooning and make decisions at the beginning of their journeys. The existence of at least one Nash equilibrium is shown. In the case of stochastic travel times,  feedback-based solutions are developed wherein trucks repeatedly update their equilibrium decisions. A simulation study with stochastic travel times shows that the feedback-based solutions achieve platooning rates only $5\%$ lower than a solution where the travel times are known. We also explore Pareto-improving coordination guaranteeing each carrier is better off coopering with others, and models for distributing the profit within platoons.In the last contributions of the thesis, we study the problem of optimally releasing trucks at hubs when arriving according to a stochastic process, and a priori information about truck arrivals is inaccessible; this may be sensitive information to share with others. First, we study the release problem at hubs in a hub-corridor where the objective is to maximize the profit over time. The optimality of threshold-based release policies is shown under the assumption that arrivals are independent or that arrivals are dependent due to the releasing behavior at the preceding hub in the corridor. Then, we study the release problem at a single hub where the aim is to maximize the profit of trucks currently at the hub. This is realistic if trucks are only willing to wait at the hub if they can increase their own profits. Stopping time theory is used to show the optimality of a  threshold-based release policy when arrivals are independent and identically distributed. These contributions show that simple coordination approaches can achieve high profits from platooning, even under limited information. 

• Under de kommande decennierna förväntas efterfrågan på transport av varor och passagerare mångfaldigas, vilket innebär att behovet av hållbara transportlösningar är brådskande. En lovande lösning är konvojkörning, som visar stor potential att minska bränsleförbrukningen och driftskostnaderna för lastbilar. För att utnyttja fördelarna med konvojkörning till fullo behöver lastbilar med olika scheman och rutter koordineras. Den här avhandlingen behandlar koordinering av lastbilar som kan bilda konvojer på transporthubbar, där lastbilar kan vänta på andra lastbilar för att bilda konvojer. Vi antar att det finns en vinst av konvojkörning och en kostnad för att vänta. Vi fokuserar på koordinering av lastbilar från olika åkerier, vilket är viktigt med tanke på att många konvojkörningsmöjligheter går förlorade om bara lastbilar från samma åkeri bildar konvojer.I avhandlingens första bidrag föreslår vi koordineringslösningar där åkerier strävar efter att maximera sina egen vinster från konvojkörning genom samarbete med andra. Vi föreslår en arkitektur för en tjänst som lagrar åkeriers rapporterade konvojkörningsplaner och, utifrån dessa, informerar åkerier om vilka konvojer deras lastbilar kan ansluta sig till när de fattar konvojkörningsbeslut. En realistisk simuleringsstudie visar att konvojkörningsystemet kan uppnå energibesparingar på 3.0% och 5.4% när 20% respektive 100% av lastbilarna koordineras. Ett icke-kooperativt spel formuleras sedan för att modellera den strategiska interaktionen mellan lastbilar med individuella mål när de koordinerar för konvojkörning och fattar beslut i början av sina resor. Existensen av minst en Nashjämviktslösning visas. När restiderna är stokastiska utvecklas även lösningar där lastbilarna tillåts uppdatera sina beslut längs med sina resor. I en simuleringsstudie visas att när lastbilarna tillåts uppdatera sina väntetider uppnås en konjovkörningsgrad på endast 5% lägre än i en lösning där restiderna är kända. Vi utforskar också Pareto-förbättrande koordinering som garanterar att varje åkeri tjänar på att sammarbeta med andra, och modeller för att fördela vinsten inom konvojer.I avhandlingens sista bidrag studerar vi problemet med att optimalt släppa iväg lastbilar vid hubbar där lastbilar ankommer enligt en stokastisk process, och förhandsinformation om ankomsterna är otillgänglig; detta kan vara känslig information att dela med andra. Först studerar vi ivägsläppningsproblemet vid hubbar som ligger i en kedja och målet är att maximera vinsten över tid. Optimaliteten hos tröskelregler för att släppa iväg lastbilar visas under antagandet att ankomsterna är oberoende eller att ankomster är beroende pågrund av ivägsläppningsbeteendet vid den föregående hubben i kedjan. Sedan studerar vi ivägsläppningsproblemet vid en hubb där målet är att maximera vinsten för lastbilar som för närvarande befinner sig vid hubben. Detta är realistiskt om lastbilar bara är villiga att vänta vid hubben om de kan öka sin egen vinst. Stopptidsteori används för att visa optimaliteten hos en tröskelregel när ankomster är oberoende och identiskt fördelade. Dessa bidrag visar att enkla koordineringslösningar kan uppnå höga vinster, även under begränsad information.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Reglerteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Control Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Transportteknik och logistik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Transport Systems and Logistics (hsv//eng)

Nyckelord

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)