Ottimizzazione del consumo nella percorrenza di tratti stradali semaforizzati

In this work the problem has been investigated of optimising the energy consumption of a vehicle when it drives along a road section with traffic lights, like urban avenues. Literature covers widely the issue of vehicles driving along roads with traffic lights, but from the point of view of the traffic and it produced solutions like the green wave. These solutions operate with constant velocity or using the durations of the phases of the traffic light as control variables. The innovative approach of this work is to employ an energetic cost function whereas average waiting times or queue lengths are used in literature. After defining the problem a road with no traffic lights has been considered in order to obtain the trajectories suggested by optimal control theory. Then the case of one traffic light has been exactly solved: as a by-product, leads have been found in how the solution could be generalised. With n traffic lights the problem is too complex to be solved exactly so a suboptimal solution has been proposed and derived by means of an heuristic. However, when this suboptimal solution is compared to the behaviour of a standard driver, it leads to a 50% to 60% energy economy with the travelling time being increased only by a 40%. The implementation of this solution differs from other approaches because the trajectory which has been found by the heuristic can be suggested directly to drivers after an appropriate infrastructure is built on the edge of the road. This suggestion operates basically in open loop, which is more reliable and effective than a closed loop solution where the driver is taken into account.

In questo lavoro si è affrontato il problema di ottimizzare il consumo energetico di un veicolo, quando esso attraversi dei tratti di strada semaforizzati, come i lunghi viali urbani. Il problema di analizzare la percorrenza di veicoli in presenza di semafori è stato finora ampiamente trattato in letteratura, ma dal punto di vista del traffico, portando a soluzioni come l'onda verde. Operativamente, tali soluzioni consigliano una velocità costante o usano come variabili di controllo le durate delle varie fasi del semaforo. L'aspetto innovativo della presente trattazione è approcciare il problema con una cifra di merito energetica, anziché altre come i tempi di attesa medi o la lunghezza delle code ai semafori. Definito il problema, si considera dapprima un tratto stradale con semafori assenti per trarre delle indicazioni sui tipi di profilo che portano a una traiettoria ottima. Si tratta poi il caso di un semaforo risolvendolo in maniera esatta e ottenendo degli spunti per generalizzare il problema a n semafori. Nel caso di n semafori, data la complessità del problema si riesce a trovare solo una soluzione subottima servendosi di un'euristica. Tuttavia, questa soluzione consente, rispetto all'autista standard, un miglioramento del consumo dal 50% al 65%, pur di aumentare il tempo di percorrenza al massimo del 40%. Questa soluzione - e in questo tipo di attuazione sta la seconda differenza rispetto alla letteratura - si presta a essere suggerita all'autista tramite un'opportuna infrastruttura ai bordi della strada, con un approccio sostanzialmente in anello aperto, più versatile e praticamente efficace di una soluzione ad anello chiuso che coinvolga ciascun autista che percorre il tratto stradale.