Physical Infrastructure Needs for Autonomous & Connected Trucks

Abstract

The rapid development of autonomous vehicles has spawned autonomous trucks and concepts such as truck platoons. These technologies can potentially contribute to lower several key issues regarding road transportation, like number of fatalities, energy consumption and traffic flow. Between 2016 and 2050, transportation of goods on roads in Norway are expected to increase by nearly 100 %, and with the country’s spread population, coastline and mountains, very few roads are high-quality 4-lane highways, where these concepts have had a few limited real-life tests. Together with scarce literature on infrastructure impacts, it is difficult to state how autonomous trucks and truck platoons will function in Norway and what potentially must be done to make roads supportive. With the overall goal of examining how road design will be affected by the use of autonomous trucks in 2050, this thesis explores the future of truck automation through the following research questions: 1. What is the differences in vehicle characteristics for conventional trucks vs autonomous trucks? 2. What elements of road design are impacted by autonomous trucks and/or truck platoons? 3. How can these elements be improved to be supportive of autonomous trucks and truck platoons? This exploratory study takes use of existing literature, experts and Norwegian road design handbooks through the qualitative methods of literature review, interview and document analysis. As the necessary technologies and concepts are relative new, the amount of literature is low, with quantitative data even more scarce. The procedure took use of the existing literature to gain knowledge and understanding to create a basis for analysis and discussions regarding the future physical infrastructure, with the findings pointing towards what areas that are likely to be impacted and in need of further research. The results found first-generation autonomous trucks to only remove the risk-taker (the driver), creating a different driving behavior. Later generations will improve on other vehicles characteristics, including the reaction time. These changes decrease the minimum requirements of most design parameters, with stopping sight distance and vertical curvature seeing the biggest improvements (75 and 51 %). It is however, the driving behavior that creates the biggest possibilities for road design, as it creates a flexibility that has not been seen in road design before. Guidelines to lead human drivers or to keep them alert, are no longer needed, and therefore can factors such as travel time, environmental or economics be decisive. Several road elements are likely to be impacted of truck platoons, due to their long length, different load dynamics and higher weight. Bridges might require reinforcements, the same VI goes for railings. Other structural elements, including pavements, are likely to see changes as well, but there has not been enough research conducted for any of these elements. Overtaking lanes are also influenced by truck platoons, as the overtaking distances of a two-truck platoon increases by 160 % compared to a 22-meter long reference truck, in a worst-case scenario. Tunnels and junctions are likely to see benefits of the digital infrastructure and its corresponding connective technologies, with only minimal adjustments to the physical infrastructure. Precision driving will allow lanes to be narrower than ever before, either reducing the crosssectional space needed for a road, or in the case of a 4-lane highway, creates enough space for a fifth lane. Included in this master thesis is a scientific paper, accepted by the 2018 European Transport Conference.

Den raske utviklingen av selvkjørende kjøretøy har lagt grunnlaget for selvkjørende lastebiler og konsepter som platooning med lastebiler. Disse teknologiene kan potensielt bidra til å minimere de store problemene med transport på veg, som antall drepte, energibruk, og trafikkflyt. Det er forventet at mellom 2016 og 2050 vil transport av gods på norske veger øke med nesten 100 %, og med landets spredte populasjon, kystlinje og fjell, er det veldig få høykvalitets 4-felts motorveger, hvor disse konseptene tidligere har blitt testet. Sammen med lite litteratur om deres fremtidige betydning på infrastrukturen, er det vanskelig å si hvordan selvkjørende lastebiler og platooning vil fungere i Norge, og hva som eventuelt må til for å gjøre vegene brukbare for dette formålet. Med det overliggende målet om å undersøke hvordan vegens design kan bli berørt av bruken av selvkjørende lastebiler i 2050, utforsker denne oppgaven fremtiden til automatiske lastebiler gjennom de følgende forskningsspørsmålene: 1. Hva er forskjellen i kjøretøyegenskaper mellom konvensjonelle og selvkjørende lastebiler? 2. Hvilke elementer av vegens design blir påvirket av selvkjørende lastebiler og/eller lastebil platooning? 3. Hvordan kan disse elementene blir forbedret slik at de støtter selvkjørende lastebiler og lastebil platooning? Denne utforskende studien bruker eksiterende litteratur, eksperter og norske vegstandarder gjennom kvalitative forskningsmetoder som litteratursøk, intervju, og dokumentanalyse. Siden de nødvendige teknologiene og konseptene er relativt nye, er det svært lite litteratur, og enda mindre kvantitative data. Prosedyren tok i bruk eksisterende litteratur for å skaffe nok kunnskap og forståelse for temaet til å lage en basis for analyse og videre diskusjoner om fremtidig fysisk infrastruktur, med det følgende resultatet som en pekepinn mot hvilke områder som sannsynligvis blir berørt og vil trenge videre forskning. Resultatene viser at førstegenerasjons selvkjørende lastebiler bare vil ta vekk risikotakeren (sjåfører), noe som vil bidra til en annen oppførsel i trafikken. Senere generasjoner vil forbedre andre kjøretøyegenskaper, inkludert reaksjonstid. Disse forandringene vil minimere minimumskravene til de fleste værparameterne, med stoppsikt og vertikal kurvatur som de mest forbedrede (75 og 51 %). Men, det er den nye oppførselen til kjøretøyene som åpner de største mulighetene, siden det gir en større fleksibilitet enn hva som har funnet sted i vegdesign før. Retningslinjer for å lede sjåfører eller for å holde dem våkne trengs ikke lenger, og andre faktorer som tid, miljø eller økonomi kan derfor bli bestemmende for designet. Flere av vegens elementer vil sannsynligvis bli påvirket av lastebil platooning, på grunn av deres lengde, annen lastmekanikk og høyere vekt. Bruer vil muligens trenge forsterkninger, det IV samme gjelder rekkverk. Andre strukturelle elementer, inkludert asfalt, vil sannsynlig også trenge forandringer, men felles for alle er at det ikke har vært nok forskning på disse elementene. Forbikjøringsfiler blir også påvirket av platooning, siden forbikjøringsdistansen av en platoon med to lastebiler er 160 % lengre enn dagens dimensjonerende lastebil. Tunneler og kryss vil sannsynligvis se forbedringer ved bruk av digital infrastruktur, som tilkoblede kjøretøy, med bare minimale endringer av den fysiske infrastrukturen. Presisjonskjøring vil kunne gjøre kjørefelt smalere, som enten vil redusere det totale tverrsnittet eller, i tilfellet en 4- felts veg, lage nok ekstra plass til et femte felt. Denne oppgaven inkluderer en vitenskapelig artikkel, som ble akseptert av 2018 European Transport Conference.