Vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure technologies in an urban environment : evaluation of societal benefits based on microscopic traffic simulations

Connected Automated vehicles (CAV) have the potential to revolutionize the transportation ecosystem bringing high benefits not only in terms of safety but also in terms of traffic conditions. This thesis focused on the benefits that can be achieved through the introduction of automated vehicles equipped with either vehicle-to-vehicle (V2V) or vehicle-to-infrastructure (V2I) technologies at a signalized intersection. To achieve this objective, two distinct microscopic traffic simulations, replicating an existing signalized intersection in Milan, were built by using the software PTV VISSIM. The simulations were performed at different vehicles’ volumes and CAV penetration rate. The results demonstrated that V2V technology performs better in terms of travel time and speed, increasing its benefits as the volume and penetration rate increase, while V2I technology presented a worsening in performances at low CAV penetration rate (10%-20%). Anyhow, they are able to perform better than V2V technology in terms of delay measurements and fuel consumption, and therefore CO2 emissions. In addition, it was built an analytical model that, starting from the average and standard deviation of travel time and the CO2 equivalent produced, is able to estimate the congestion costs of each scenario. Then, the societal benefits are evaluated as the difference between the scenario were no CAVs are present and the scenario under analysis. The final economic results demonstrated that the societal benefits that can be achieved vary depending on the percentage of CAV. In the case of V2V, results vary from 0,5 mln €/year to 6,3 mln €/year. Moving to V2I technology, they present a loss of 52.302 €/year for a 20% penetration rate but can achieve a benefit of 6,8 mln €/year for a 100% penetration rate. To conclude, in a short-term perspective, V2V would be more effective than V2I technology, while, in the long-term, V2I technology have higher potential. Finally, in the medium-term perspective, it is more difficult to assess which one between the two applications is better, considering that the societal benefits obtained are almost equivalent.

I veicoli autonomi e connessi (CAV) hanno la possibilità di rivoluzionare il mondo dei trasporti, generando benefici in termini di traffico e sicurezza stradale. Questa tesi si è focalizzata sui benefici raggiunti attraverso l’introduzione, a un’intersezione semaforizzata, di CAV dotati di sistemi di comunicazione “vehicle-to-vehicle” (V2V) o “vehicle-to-infrastructure” (V2I). Pertanto, usando il software PTV VISSIM, sono state create due simulazioni che replicavano un’intersezione semaforizzata della città di Milano. Le simulazioni sono state eseguite facendo variare il volume della flotta di veicoli e il tasso di penetrazione dei CAV. I risultati hanno dimostrato che la tecnologia V2V ha migliori prestazioni in termini di tempo di viaggio e velocità, specialmente all’aumentare del volume e del tasso di penetrazione. La tecnologia V2I ha invece riportato un peggioramento rispetto alle prestazioni iniziali in corrispondenza dei più bassi tassi di penetrazione (10-20%). Essa ha tuttavia raggiunto migliori prestazioni rispetto alla tecnologia V2V in termini di ritardi ed emissioni di CO2. È stato inoltre costruito un modello analitico che, ricevuti in input la media e la deviazione standard del tempo di viaggio e le tonnellate di CO2 equivalente prodotte, è in grado di restituire i costi di congestione di ciascuno scenario. I benefici per la società sono stati misurati come differenza tra i costi ottenuti nel caso in cui non sono presenti CAV e quelli ottenuti in ciascuno degli altri scenari. I risultati finali hanno dimostrato che i benefici complessivi variano a seconda del tasso di penetrazione. Nel caso di tecnologia V2V i benefici variano tra 0,5 e 6,3 mln €/anno, invece, per la tecnologia V2I, si presenta una perdita di 52.302 €/anno ad un tasso di penetrazione del 20%, mentre ad un tasso di penetrazione del 100% è stato raggiunto un risparmio pari a 6,8 mln €/anno. Per concludere, mentre nel breve termine la tecnologia V2V consente migliori prestazioni, nel lungo termine la tecnologia V2I mostra più potenziale. Tuttavia, è difficile stabilire su quale tecnologia convenga investire nel medio termine considerando che i benefici per la società si equivalgono.