Impacts of Road-Trains on the Geometric

Design of Highways

Natacha E. Thomas, M.ASCE¹; and Francisco J. Martinez-Perez²

Abstract: For enhanced efficiency and sustainability, transportation must rely on new technologies. Researchers and engineers work nowadays on many valuable and green transportation ideas. One such idea creates vehicle platoons on freeways to achieve multiple benefits: reductions in gas consumption, vehicle emissions, and traffic congestion through enhanced aerodynamics and road space utilization, as well as improvements in safety and driver comfort through fail-safe mechanisms and moderation of collision damages given similar vehicle speed. The technological enhancements are built into the vehicles. The existing freeway infrastructures do not necessitate modification. Still, the interactions between the human factors, or lack thereof, and the new technologies may directly impact the traditional guidelines for freeway design. Over time, the dedicated freeways of the future, whether rehabilitated or built anew, could satisfy guidelines derived specifically for road-trains. Further, freeways built to current guidelines may accommodate travel speeds higher than those originally anticipated per design. It remains to understand (1) why existing freeway lanes can accommodate road-trains, (2) whether design guidelines for roadtrains are significantly different from current guidelines, and (3) whether road-train operation results in significant a posteriori design speed increases. This article seeks to answer these very questions. The investigation of a continuum of transitory to end state scenarios concluded that road-trains promote both shorter required and longer available sight distances, thereby promoting the adequacy of existing freeways. It is shown that road-trains reduce minimum length requirements and increase a posteriori design speeds for all curves. Changes are less drastic for horizontal than vertical curves. DOI: 10.1061/(ASCE)TE.1943-5436.0000751. copy; 2014 American Society of Civil Engineers.

Introduction

Efficiency and sustainability are design guidance principles by which todayrsquo;s engineers must abide. Efficiency maximizes the ratio of product output, such as job access, mobility, or safety, to resource input, such as roadway construction, maintenance, and operational costs. Sustainability permits endurance, making the least impact on the environment and future generations. Innovations toward efficient and sustainable infrastructures are highly beneficial when resources are scarce, but their expansions can prove controversial if not detrimental, as in transportation networks.

A newer transportation innovation is road-trains, automated or semi-automated vehicles equipped with specialized sensors and wireless communication systems that travel on freeways in small convoys or “platoons” on regular highway lanes. The communication systems afford the continuous exchange of information necessary to coordinate vehicles and harmonize flow, reducing speed fluctuations and traffic shock waves while maximizing the highway capacity and the passengersrsquo;safety, while also minimizing gas consumption and exhaust pollution (Ashley 1998). The technological enhancements are thus built into the vehicles and the existing freeways remain adequate.

Still, the human factors, or lack thereof, and the new operational mode may combine to directly impact freeway design.

The dedicated freeways of the future, whether rehabilitated or built anew, could satisfy guidelines derived specifically for roadtrains. This article specifically addresses (1) the understanding of the adequacy of existing freeways for road-train operation, (2) the direct impacts of this operation on guidelines for geometric design of freeways, and (3) the maximum speeds achievable, or a posteriori design speeds, given freeways built to AASHTOrsquo;s (2011) minimum guidelines. The article envisions separate whole freeways dedicated to road-trains; thus deriving revised guidelines for the geometric design of such freeways. Conceivably, the revisions could apply to individual dedicated travel lanes solely. Any mixed operation on freeways of human-driven and autonomous vehicles would render moot the design impacts derived.

Revisions derived mostly concern the horizontal and vertical alignments as the cross-section impacts are easily anticipated. The precise systems used for lateral guidance by autonomous road-trains may decrease lane width by 0.6 to 0.9 m below the standard design width of 3.7 m (Shladover 2008). The sections that follow present the relevant literature, the methodology, the findings, the conclusions and the future studies. The study creates varied road-train scenarios, both experimental or what-if, and analyzes them.

Literature Review

For brevity, the literature reviews only the technological aspects of experimental road-trains likely to impact the geometric design of freeways. It further points to the AASHTO (2011) guidelines likely to change under road-train operation.

The experiments

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公路列车对公路几何设计的影响

Natacha E. Thomas, M.ASCE¹; and Francisco J. Martinez-Perez²

摘要： 为了提高效率和可持续性，交通必须依靠新技术。研究人员和工程师在当今致力于许多宝贵和绿色的交通理念。这样的一个观念使车辆排在高速公路上实现多重效益：降低煤气消耗， 机动车排放，并且通过增强空气动力学和道路空间利用， 以及改善安全和驾驶舒适性，通过故障安全机制和给定的车速碰撞损失。车辆内部的技术提高。现有的高速公路基础设施不需要修改。然而，人和新技术之间有或没有的相互作用可能直接影响传统的高速公路设计准则。随着时间的推移，未来的专用高速公路，无论是修复或新建，可以满足专门的道路列车。此外，高速公路建设目前的指导方针是可以容纳旅行速度高于原先预期的每一个设计。仍然要理解的是 (1)为什么现有的高速公路车道可以容纳道路列车，(2) 道路列车设计指南与现行准则是否显著不同，(3) 道路列车运行结果后验设计速度是否显著的增加。本文探寻回答这些问题。 在一个连续的短暂状态结束的情况下的调查得出结论，道路列车促进更短的需要和更长的可用视距，从而提升现有高速公路的充足性。 结果表明，道路列车减少最小长度的要求，并增加所有曲线的后验设计速度。 相对于垂直曲线水平变化要小得多。 关键词：10.1061 /（ASCE）te.1943-5436.0000751. copy;2014美国土木工程师学会。

介绍

今天的工程师必须遵守效率和可持续性是设计指导原则。 产品产量的比例效率最大化，如工作的访问，流动性，或安全性，资源输入，如巷道建设，维护和运营成本。可持续性允许耐力，对环境和后代的影响最小。 高效和可持续发展的基础设施的创新对 资源稀缺的是非常有利的，但他们的扩张是否有害可以证明有争议的，如在运输网络。

较新的运输创新是道路列车，经过高速公路的小车队或“普通公路车道排”自动化或半自动化的车辆配备专门的传感器和无线通信系统。通信系统提供协调车辆协调流动所必需信息的连续交换，减少速度波动和冲击波的同时最大限度地提高交通通行能力和行人安全，同时也尽量减少气体消耗和排气污染（艾希礼1998）。现有的高速公路仍然满足车辆制造技术的提升。尽管如此，或多或少的人为因素和新的运作模式任然直接影响高速公路设计。

未来的专用高速公路， 是否恢复或重新建立，可以满足专门为道路列车指引。本文专门介绍(1) 了解现有公路行车的充足性，(2) 这种操作对高速公路几何设计导则的直接影响， (3) 最大速度可以达到， 或后验设计速度，鉴于高速公路建成AASHTO（2011）最小准则。 文章设想单独的高速公路专用于公路列车；从而导出这样的高速公路几何设计准则的修订可以想象，修改可以适用于个人专用车道。高速公路上的人类驾驶和自主车辆的任何混合操作的将对设计产生影响。

修订大多涉及的横截面和垂直对齐的横截面的影响很容易预期。用于横向指导自治公路列车精确的系统可能会减少车道宽0.6至0.9米，低于3.7米的标准设计宽度（Shladover 2008）。 以下是相关文献、研究方法、研究结果、结论及未来研究。这项研究创造了不同的道路列车的情况下，无论是实验或如果，并分析它们。

文献综述

为简洁起见，文献评论只有可能影响高速公路的几何设计的技术方面的实验道路列车。 它进一步指出，AASHTO（2011）指导方针可能路列车运行下的变化。

实验确定了包括先进的运输技术的加州伙伴（路径）（阿尔瓦雷斯和霍洛维茨，1999），欧洲安全道路列车环境（萨特）（鲁滨孙等人。2010；达维拉和农贝拉2010；bergenhem等人。2010），促进司机I和II（布劳恩等）。1999），和德国的KONVOI（deutschle 2010）。道路项目，由加利福尼亚大学运输研究所，伯克利，与加利福尼亚运输部合作，代表的前兆研究。 在路基上不时的埋有车辆的磁铁，从而提供一个自动的方式使它们的位置和速度在一个平台。车辆在运动中突然的改变被与司机的反应进行比较车，给定车辆的速度和加速度收到无线电通信更新50次（阿尔瓦雷斯和霍洛维茨，1999）。

一个成功的方式证明了无人驾驶的8排车辆实验以105公里/小时的6.5米1997八月圣地亚哥附近的固定距离间隔旅行。在1990年代后期排操作广泛的研究估计，每车道每小时4200辆的有效吞吐量（vphpl）与2000的吞吐量范围为2500 vphpl在正常操作（阿尔瓦雷斯和霍洛维茨1999a）。 运载能力增长随车队规模和车辆间距。在任何驾驶速度，更小的车辆间距产生更大的产量，但挑战排控制系统更多。必须建立操作增强和设计控制挑战之间的平衡。路径预期减少20%的天然气消费量因为没有考虑到堵车出现的问题列车空气动（zabat等人。1995）。

成本转移到私人部门的最佳激励系统适应性在美国。道路埋在路基内的磁铁放置在公共部门的基础设施成本。最近的公路列车，包括欧洲萨特，无需修改，如路基似乎更可取。

萨特项目是由欧洲委员会资助的一个框架7项目包括李嘉图、英国的Idiada和Robotiker Tecnalia在的为期三年的计划，西班牙，亚琛研究所附耳kraftfahrwesen（IKA）德国，SP技术瑞典研究所，和沃尔沃汽车公司和沃尔沃技术的瑞典。 萨特的目的是开发安全和环保的道路列车在未经修改的公共公路给予充分的互动与其他车辆（鲁滨孙等）。2010；达维拉和农贝拉2010；bergenhem等人。2010）。

一个成功的示范展示了一五路汽车列车，在5月2012日在巴塞罗那附近，作为LED和控制由一辆卡车与专业或专家的驱动程序，加速到一个速度为85公里/小时，在分离的5 - 15米，并停止在一起作为一个整体。 表现证明了比一股更高技能的人力驱动更高。 萨特目前正在进行一个新的环境阶段，以确定燃料消耗总量的百分比达到。

其他项目包括欧洲KONVOI（deutschle 2010）和法国司机I和II（布劳恩等人。 1999），由戴姆勒-苯和依维柯支持，特别是商用卡车通过无线电台组成卡车车队，离开路基未修改。 铅卡车是由专家驱动，关于萨特。表1概述了路径和萨特项目的设计特点。其他两个项目被省略，因为他们的车队组成的卡车类似萨特。 AASHTO 3章（2011）提供了在现有的用户指南和要求推导视线距离沿曲线[停车视距（SSD）和距离（S），分别]。其他地方，视线距离是不受限制的。 一个主要的公路路线设计原则，无论是水平或垂直，确定可用的距离必须大于所需。如果没有，车辆，司机和乘客的安全可能会受到损害。

表 1. 路径与萨特实验道路列车的比较

项目

方法论

现有的实验设计和道路列车运行模式的审查有助于理解他们的概念模式，并预计操作方案。 这种模式涉及到足够的现有高速公路，以满足道路列车的运营需求。现有的总和以及假设方案能够推导出修订后的指南和后验速度。

每一个现有的道路列车设计取决于标准的五个不同的设计变量，影响垂直和水平的高速公路路线：感知反应时间（PRT），速度（A），驾驶员眼睛的高度（H1），障碍物的高度（H2），和前照灯安装高度（H3）。正在进行的实验说明，加利福尼亚的道路上，欧洲的萨特和KONVOI，和法国的司机I和II可以通过使用专家或自主车辆的司机的减少或消除PRT。 此外，萨特，司机I和II，和增加司机眼睛和KONVOI大灯安装的高度给卡车LED（t-led）排。路径通过摄像头或雷达系统的后视镜位置提升驾驶员眼睛高度。所有飞行员给定的专家驱动程序或自主车辆系统增加领先的车辆减速率。在水平视线没有变化的偏移（HSO）预计为公路列车因为该标准不涉及操作。

降低PRT随着减速率的增加会减少所需的视距曲线。另一方面，在H1，H2，或H3的增加产生的可用的视线距离上的垂直曲线的增加。操作模式，促进改变，减少所需的视距或增加可用视距，提高现有高速公路的充足性。 所有的飞行员提高充足，从而限制了高速公路基础设施改造投资。 如果情况必须作为现有高速公路的容纳。

公路列车方案

本文假设了一些操作方案，以获得道路列车的影响在几何设计的高速公路上。 飞行员构成两个场景的基础上，萨特和路径方案.然而，其他两种情况下得出的实验项目的在发展模式的基础上。

公路列车的性质不同，他们的铅车，无论是客运车辆（P）或卡车（吨），以及他们的视觉和驾驶系统，是人类（H）操作或机器（M）操作。公路设计特性对高速公路设计控制变量的直接影响。(人类驾驶的道路列车都被认为是专家驱动程序。)

路径的m-vision系统适应后视镜背面。 想象这一趋势继续为所有公路列车给机器视觉系统，p-led或t-led公路列车会产生不同的驾驶员眼睛的高度，H1。因此，视觉系统和铅车辆类型的影响H1。 m-vision可以在危险的条件下，在距离前方和时限超出人类能力的司机提供警示的过渡和h-driven萨特类似情况协助。 一排排的司机将提供比其他短差。因此，驱动系统和铅的车辆类型不唯一确定视觉系统的高度；由于萨特和萨特类似的场景会导致完全不同的H1值。可变H3铅车辆不同，H2与铅和以下车辆，而驾驶和视觉系统的影响共同在PRT。减速，a，主要与领先的车辆类型和可能的驱动系统。

领头车，视觉，和驱动系统包括列车设计特点影响几何设计标准，因此有了其设施指南。其余的讨论将提到一个特定的道路列车使用一三个字母缩写，XYZ，其中X描述了铅车辆类型，P或T；Y描述了铅的车辆视觉系统，H或M；Z描述了铅的车辆驱动系统，H或M。

从两种引导车辆和两种驱动和视觉系统的选择来分析结果的道路列车设计。因此，需要考虑8个有序组合，PHH，PHM，PMH，PMM，THH，THM，TMH，和TMM，给出组合特征分别代表X，Y，Z，如上所述。在一定的利润内决定于每个组合决定PRT，设计标准，H1，H2，H3。

然而，一个全球性的优化设计延伸的限制这些标准； 例如，通过定位驱动器的眼睛的高度在无穷远处，从而消除所有视线距离限制的高速公路几何设计白天。这样的火车能够在现实生活中演绎为视觉引导车辆排在提供卫星辅助和/或GPS功能的。加上夜间辅助视力，视距限制可以完全删除。

PHH是萨特一样，h-driven与h-vision系统，除了停车点。乘用车作为主要车辆提供没有真正的优势超过卡车（也许在加速斜坡）。安全性被认为是道路列车部署的主要驱动力，而卡车作为铅大大提高了安全性。同样，安全地阻止PHM，这无异于PHH与m-vision增强。PMH的路径除了与人的视觉，没有路径，真正的优势，是极不可能的给予简单的侦察或守夜人，灌输过度的延迟m-driven系统从而否定其效率。 路径，预设的分析，例如PMM。

萨特，也分析了美国的预选。THM是萨特类似除了自动视觉，提出了萨特的某些优点可能减少PRT，因而分析。该院提出了类似的缺点PMH。TMM是一个路径的情况，然而，t-led。这种情况提出了一些优势高于和超越给定的更高的视觉系统和大灯安装路径。然而，它提出了一个无限的驱动程序的眼睛的位置和完全去除视距限制，并没有被选定为分析全局最优。

总之，这8 precited组合，研究选取了2个假设情景，THM和全局最优，通过部署概率的解释和设计达到有利的收益。早期的场景构成萨特

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