Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Américo Henrique Pires da Costa

O objetivo deste trabalho é analisar a influência dos veículos pesados na capacidade de rodovias de pista simples e mão dupla de direção através da determinação de fatores de equivalência veicular para diversos comprimentos e magnitudes de aclives. A presença de veículos de grande porte em rodovias de pista simples contribui para a redução dos níveis de serviço devido ao seu tamanho e desempenho. Um caminhão ocupa mais espaço na via que um automóvel, em função de seu maior comprimento, reduzindo a capacidade da via. Numa rodovia de pista simples, os automóveis devem ultrapassar os veículos pesado; caso a ultrapassagem não seja possível, ocorre a formação de pelotões, que ocasionam uma degradação no nível de serviço. O método proposto determina os fatores de equivalência a partir das velocidades médias dos veículos ao longo dos aclives e das oportunidades de ultrapassagem. Para o cálculo dos headways na corrente oposta necessários para uma ultrapassagem, este trabalho propõe um novo modelo cinemático de ultrapassagem. Os fatores de equivalência são calculados para diversas categorias veiculares; um conjunto de tabelas determinadas a partir da composição de tráfego observada é também apresentado. O efeito da sobrecarga na capacidade é estudado para a categoria de caminhões mais comum, os caminhões semi-pesados. / This study assesses the impacts of heavy vehicles on the capacity of two-lane highways through equivalency factors determined for various grade lengths and magnitudes. Heavy vehicles impact negatively the capacity of two-lane highways due to their size and performance. As a truck is longer than a car, it reduces the capacity of the road due to its length. Given that trucks have poorer performances than cars, in a two-lane road, cars generally pass trucks, and platoons are formed when passing opportunities are scarce. The formation of platoons cause a noticeable reduction on the level of service. The proposed method calculates equivalency factors from the averaqe speeds on grades and from the passing opportunities. A new cinematic model for the passing maneuver that is able to determine the required headways in the opposite flow for a safe passing maneuver is proposed. The equivalency factors are determined for a set of pre-defined vehicular classes; a set of truck equivalents is also calculated for the observed traffic mix. The effect of overloading on capacity is analized for the most common truck type.

O objetivo deste trabalho é analisar a influência dos veículos pesados na capacidade de rodovias de pista simples e mão dupla de direção através da determinação de fatores de equivalência veicular para diversos comprimentos e magnitudes de aclives. A presença de veículos de grande porte em rodovias de pista simples contribui para a redução dos níveis de serviço devido ao seu tamanho e desempenho. Um caminhão ocupa mais espaço na via que um automóvel, em função de seu maior comprimento, reduzindo a capacidade da via. Numa rodovia de pista simples, os automóveis devem ultrapassar os veículos pesado; caso a ultrapassagem não seja possível, ocorre a formação de pelotões, que ocasionam uma degradação no nível de serviço. O método proposto determina os fatores de equivalência a partir das velocidades médias dos veículos ao longo dos aclives e das oportunidades de ultrapassagem. Para o cálculo dos headways na corrente oposta necessários para uma ultrapassagem, este trabalho propõe um novo modelo cinemático de ultrapassagem. Os fatores de equivalência são calculados para diversas categorias veiculares; um conjunto de tabelas determinadas a partir da composição de tráfego observada é também apresentado. O efeito da sobrecarga na capacidade é estudado para a categoria de caminhões mais comum, os caminhões semi-pesados. / This study assesses the impacts of heavy vehicles on the capacity of two-lane highways through equivalency factors determined for various grade lengths and magnitudes. Heavy vehicles impact negatively the capacity of two-lane highways due to their size and performance. As a truck is longer than a car, it reduces the capacity of the road due to its length. Given that trucks have poorer performances than cars, in a two-lane road, cars generally pass trucks, and platoons are formed when passing opportunities are scarce. The formation of platoons cause a noticeable reduction on the level of service. The proposed method calculates equivalency factors from the averaqe speeds on grades and from the passing opportunities. A new cinematic model for the passing maneuver that is able to determine the required headways in the opposite flow for a safe passing maneuver is proposed. The equivalency factors are determined for a set of pre-defined vehicular classes; a set of truck equivalents is also calculated for the observed traffic mix. The effect of overloading on capacity is analized for the most common truck type.

Path following and lateral stability are crucial issues for autonomous vehicles. Moreover, these problems increase in complexity when handling heavy-duty vehicles due to their poor manoeuvrability, large sizes and mass variation. In addition, uncertainties on mass may have the potential to significantly decrease the performance of the system, even to the point of destabilising it. These parametric variations must be taken into account during the design of the controller. However, robust control techniques usually require offline adjustment of auxiliary tuning parameters, which is not practical and leads to sub-optimal operation. Hence, this work presents an approach to path-following and lateral control for autonomous heavy-duty vehicles subject to parametric uncertainties by using a robust recursive regulator. The main advantage of the proposed controller is that it does not depend on the offline adjustment of tuning parameters. Parametric uncertainties were assumed to be on the payload, and an H∞ controller was used for performance comparison in simulations. The performance of both controllers is evaluated in a double lane-change manoeuvre. Simulation results showed that the proposed method had better performance in terms of robustness, lateral stability, driving smoothness and safety, which demonstrates that it is a very promising control technique for practical applications. Ultimately, experiment tests in a rigid heavy-duty truck validate what was found in simulation results. / O seguimento de caminho e a estabilidade lateral são questões cruciais para veículos autônomos. Além disso, devido à baixa capacidade de manobra, tamanho e grande variação de massa, estes problemas se tornam mais complexos quando se trata de veículos pesados. Adicionalmente, as incertezas na massa têm o potencial de diminuir significativamente o desempenho do sistema, chegando ao ponto de desestabilizá-lo, assim, essas variações paramétricas devem ser consideradas durante o projeto do controlador. No entanto, as técnicas de controle robusto geralmente exigem o ajuste off-line de parâmetros auxiliares do controlador, o que não é prático e lava a uma operação sub-ótima. Assim, este trabalho apresenta uma abordagem de controle de seguimento de caminho e controle lateral para veículos pesados autônomos sujeitos a incertezas paramétricas usando um regulador robusto recursivo. A principal vantagem deste controlador é que ele não depende do ajuste off-line de parâmetros. Assumiu-se que as incertezas paramétricas estavam na carga do veículo, e um controlador H∞ foi usado para comparar o desempenho em simulação. O desempenho de ambos os controladores é avaliado em uma manobra de mudança de faixa. Os resultados de simulação mostraram que o método proposto apresentou melhor desempenho em termos de robustez, estabilidade lateral, suavidade na condução e segurança, o que o demonstra como uma técnica de controle bastante promissora para aplicações práticas. Por fim, testes experimentais em um caminhão rígido reforçam os resultados obtidos em simulação.

Path following and lateral stability are crucial issues for autonomous vehicles. Moreover, these problems increase in complexity when handling heavy-duty vehicles due to their poor manoeuvrability, large sizes and mass variation. In addition, uncertainties on mass may have the potential to significantly decrease the performance of the system, even to the point of destabilising it. These parametric variations must be taken into account during the design of the controller. However, robust control techniques usually require offline adjustment of auxiliary tuning parameters, which is not practical and leads to sub-optimal operation. Hence, this work presents an approach to path-following and lateral control for autonomous heavy-duty vehicles subject to parametric uncertainties by using a robust recursive regulator. The main advantage of the proposed controller is that it does not depend on the offline adjustment of tuning parameters. Parametric uncertainties were assumed to be on the payload, and an H∞ controller was used for performance comparison in simulations. The performance of both controllers is evaluated in a double lane-change manoeuvre. Simulation results showed that the proposed method had better performance in terms of robustness, lateral stability, driving smoothness and safety, which demonstrates that it is a very promising control technique for practical applications. Ultimately, experiment tests in a rigid heavy-duty truck validate what was found in simulation results. / O seguimento de caminho e a estabilidade lateral são questões cruciais para veículos autônomos. Além disso, devido à baixa capacidade de manobra, tamanho e grande variação de massa, estes problemas se tornam mais complexos quando se trata de veículos pesados. Adicionalmente, as incertezas na massa têm o potencial de diminuir significativamente o desempenho do sistema, chegando ao ponto de desestabilizá-lo, assim, essas variações paramétricas devem ser consideradas durante o projeto do controlador. No entanto, as técnicas de controle robusto geralmente exigem o ajuste off-line de parâmetros auxiliares do controlador, o que não é prático e lava a uma operação sub-ótima. Assim, este trabalho apresenta uma abordagem de controle de seguimento de caminho e controle lateral para veículos pesados autônomos sujeitos a incertezas paramétricas usando um regulador robusto recursivo. A principal vantagem deste controlador é que ele não depende do ajuste off-line de parâmetros. Assumiu-se que as incertezas paramétricas estavam na carga do veículo, e um controlador H∞ foi usado para comparar o desempenho em simulação. O desempenho de ambos os controladores é avaliado em uma manobra de mudança de faixa. Os resultados de simulação mostraram que o método proposto apresentou melhor desempenho em termos de robustez, estabilidade lateral, suavidade na condução e segurança, o que o demonstra como uma técnica de controle bastante promissora para aplicações práticas. Por fim, testes experimentais em um caminhão rígido reforçam os resultados obtidos em simulação.

O objetivo desta pesquisa foi desenvolver um método para estabelecer o efeito das características e da operação dos veículos pesados sobre a infra-estrutura rodoviária através do uso de resultados de simulação microscópica de tráfego. Para tanto, foram definidos dois objetivos secundários. O primeiro deles envolveu a obtenção de um banco de dados detalhado sobre as características de 6.253 veículos pesados. Esses dados foram coletados em sete balanças localizadas em rodovias de pista dupla do estado de São Paulo. O segundo objetivo secundário consistiu na calibração e validação do simulador de tráfego CORSIM com o auxílio de um algoritmo genético, que adaptou simultaneamente 19 parâmetros do simulador para que ele reproduzisse adequadamente as características e o comportamento do tráfego observado em um trecho de rodovia de pista dupla paulista. A metodologia desenvolvida é demonstrada através da realização de um estudo de caso em que foram simulados dois cenários de tráfego e em que foi considerada uma ponte hipotética com 100 m de extensão. Nele, foram determinadas as probabilidades de ocorrências simultâneas dos veículos pesados sobre a ponte. As conclusões da pesquisa indicam que o método de calibração de simuladores de tráfego com uso de um algoritmo genético mostrou-se eficaz, reduzindo o erro médio de 9,11% para 6,32%. Além disso, as conclusões revelam que a obtenção de um carregamento móvel a partir de dados extraídos de um simulador de tráfego é possível e que a associação dos dados simulados a um banco de dados detalhado permite o cálculo do efeito do tráfego dos veículos pesados sobre a infra-estrutura rodoviária. Do estudo de caso, pode-se concluir que: (1) a probabilidade de ocorrência simultânea de veículos pesados sobre a ponte é muito freqüente e está diretamente relacionada às características do fluxo de tráfego e; (2) a distribuição das cargas e seus respectivos valores são fatores determinantes para o cálculo dos esforços. Os resultados do estudo de caso demonstram a viabilidade do procedimento proposto. / The objective of this research was to develop a method for establishing the effect of heavy vehicles characteristics and operation on highway infra-structure by using the results of a microscopic traffic simulation model. Therefore, two secondary objectives were defined. The first of them involved the attainment of a detailed database containing the characteristics of 6,253 heavy vehicles. This data was collected at seven weight stations located on the state of São Paulo multilane highways. The other secondary objective was to calibrate and validate CORSIM by using a genetic algorithm, which simultaneously adapted 19 model parameters in order to appropriately reproduce the characteristics and the behavior of the observed traffic flow. The developed methodology is demonstrated through a case study in which two traffic scenarios were simulated and in which a hypothetic 100 m bridge was considered. In the case study, the probabilities of simultaneous presence of heavy vehicles on the bridge were determined. The conclusions of this research indicate that the method of calibrating a traffic simulation model utilizing a genetic algorithm was efficient, reducing the mean error from 9.11% to 6.32%. Additionally, the conclusions reveal that the attainment of a live load from extracted data through a traffic simulation model is possible and that the association of simulated data with a detailed database allows the estimation of heavy vehicle traffic effect on highway infra-structure. From the case study, it can be concluded that: (1) the probability of simultaneous presence of heavy vehicles on the bridge is very frequent and; (2) the loads distribution and its respective values are determinant in calculating efforts. The case study results demonstrate the proposed procedure viability.

O objetivo desta pesquisa foi desenvolver um método para estabelecer o efeito das características e da operação dos veículos pesados sobre a infra-estrutura rodoviária através do uso de resultados de simulação microscópica de tráfego. Para tanto, foram definidos dois objetivos secundários. O primeiro deles envolveu a obtenção de um banco de dados detalhado sobre as características de 6.253 veículos pesados. Esses dados foram coletados em sete balanças localizadas em rodovias de pista dupla do estado de São Paulo. O segundo objetivo secundário consistiu na calibração e validação do simulador de tráfego CORSIM com o auxílio de um algoritmo genético, que adaptou simultaneamente 19 parâmetros do simulador para que ele reproduzisse adequadamente as características e o comportamento do tráfego observado em um trecho de rodovia de pista dupla paulista. A metodologia desenvolvida é demonstrada através da realização de um estudo de caso em que foram simulados dois cenários de tráfego e em que foi considerada uma ponte hipotética com 100 m de extensão. Nele, foram determinadas as probabilidades de ocorrências simultâneas dos veículos pesados sobre a ponte. As conclusões da pesquisa indicam que o método de calibração de simuladores de tráfego com uso de um algoritmo genético mostrou-se eficaz, reduzindo o erro médio de 9,11% para 6,32%. Além disso, as conclusões revelam que a obtenção de um carregamento móvel a partir de dados extraídos de um simulador de tráfego é possível e que a associação dos dados simulados a um banco de dados detalhado permite o cálculo do efeito do tráfego dos veículos pesados sobre a infra-estrutura rodoviária. Do estudo de caso, pode-se concluir que: (1) a probabilidade de ocorrência simultânea de veículos pesados sobre a ponte é muito freqüente e está diretamente relacionada às características do fluxo de tráfego e; (2) a distribuição das cargas e seus respectivos valores são fatores determinantes para o cálculo dos esforços. Os resultados do estudo de caso demonstram a viabilidade do procedimento proposto. / The objective of this research was to develop a method for establishing the effect of heavy vehicles characteristics and operation on highway infra-structure by using the results of a microscopic traffic simulation model. Therefore, two secondary objectives were defined. The first of them involved the attainment of a detailed database containing the characteristics of 6,253 heavy vehicles. This data was collected at seven weight stations located on the state of São Paulo multilane highways. The other secondary objective was to calibrate and validate CORSIM by using a genetic algorithm, which simultaneously adapted 19 model parameters in order to appropriately reproduce the characteristics and the behavior of the observed traffic flow. The developed methodology is demonstrated through a case study in which two traffic scenarios were simulated and in which a hypothetic 100 m bridge was considered. In the case study, the probabilities of simultaneous presence of heavy vehicles on the bridge were determined. The conclusions of this research indicate that the method of calibrating a traffic simulation model utilizing a genetic algorithm was efficient, reducing the mean error from 9.11% to 6.32%. Additionally, the conclusions reveal that the attainment of a live load from extracted data through a traffic simulation model is possible and that the association of simulated data with a detailed database allows the estimation of heavy vehicle traffic effect on highway infra-structure. From the case study, it can be concluded that: (1) the probability of simultaneous presence of heavy vehicles on the bridge is very frequent and; (2) the loads distribution and its respective values are determinant in calculating efforts. The case study results demonstrate the proposed procedure viability.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-05-03T18:38:37Z No. of bitstreams: 1 WILLY CARVALHO TIENGO – TESE (PPGCC) 2018.pdf: 4153575 bytes, checksum: 929b905dca8b61fcb0f831264752540f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-03T18:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 WILLY CARVALHO TIENGO – TESE (PPGCC) 2018.pdf: 4153575 bytes, checksum: 929b905dca8b61fcb0f831264752540f (MD5) Previous issue date: 2018 / No Brasil, o transporte rodoviário é responsável por 58% do transporte de carga, que tem os acidentes como um grande problema, pois, em geral, esses ocasionam muitas vítimas, prejuízos econômicos relevantes e em alguns casos danos ambientais decorrentes de derramamento de carga. Estudos apontam que os prejuízos com os acidentes no transporte de carga em 2012 foram de mais de 9 bilhões de reais. Estudo realizado em 2007 pela PAMCARY, corretora de seguros e gestora de riscos, revelou que os eventos que combinam maior frequência e gravidade são tombamento e capotagem. Nesse sentido, esta pesquisa consiste na elaboração de um assistente avançado para motorista que objetiva alertar previamente sobre a velocidade limite da curva, a fim de diminuir os riscos de tombamento. Em outras palavras, consiste em buscar mitigar o problema auxiliando o motorista para que ele mantenha o veículo em uma velocidade segura, por meio de alertas e em prazo adequado, que permitam ao motorista tomar medidas corretivas em caso de estado inseguro. A solução foi desenvolvida a partir de uma arquitetura modular, que funciona da seguinte forma: por meio de sensores (velocidade, GPS e posição do acelerador), associado a mapas digitais, o risco de acidente é controlado constantemente. Com isso, um dispositivo poderia ser embarcado na cabine do veículo para emitir alertas visual e auditivo de risco de tombamento. A solução utiliza o indicador de estabilidade chamado Limiar Estático de Tombamento que, associado à informação a priori de mapas digitais, permite o cálculo do risco de tombamento com diferentes abordagens. No contexto da pesquisa, foram desenvolvidas 04 versões de assistentes. Além disso, foi proposto um arcabouço de simulação microscópica de trânsito baseado no modelo de raciocínio prático denominado de belief-desire-intention (BDI) para permitir o desenvolvimento e a validação de agentes inteligentes para Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista de maneira rápida, flexível e fácil. Para avaliar o potencial dos assistentes, foi escolhida a BR-101, estrada federal de Alagoas com mais ocorrências de tombamento. Nessa rodovia, foram simulados 400 veículos para avaliar o desempenho dos assistentes propostos. Em particular, foram investigadas a efetividade, intrusividade, omissão e a segurança para avaliar o desempenho dos assistentes. / In Brazil, highway transportation is responsible for 58% of cargo transport. A relevant problem associated to cargo transport are the accidents, that generally cause an elevated number of victims, relevant economic losses and, in some cases, damages to the environment due to cargo spills, since there are also dangerous products being transported. Researches point out that the cost of accidents in cargo transportation in 2012 was more than BRL 9 billion. A study performed in 2007 by PAMCARY revealed the accidents profile: the events that combine higher frequency and gravity are rollover and tipping (considered here as the same nature). In this study, incompatible speed and fatigue, factors that are related to human actions, were pointed out as main causes of accidents; for another hand, sharp curve and poorly maintained roads are contributing factors to accidents. Therefore, the research proposal consists of the adoption of an assistant for warning in advance of over speed for a specific curve. This may reduce rollover risks. In other words, it would be mitigated the problem by helping the driver to maintain the vehicle in a safe speed, through customized alerts just in time to allow the driver to take corrective maneuvers in case of unsafe state. The solution is a modular architecture, which works as follows: through sensors (speed, GPS and throttle position) associated with digital maps, it is controlled the risk of accident constantly. With that, an embedded device at the vehicle’s cab could to emit visual and sound alerts warning the risk of rollover. In this work, it is proposed the adoption of the stability indicator known as Static Rollover Threshold, which is combined with a priori information from digital maps to allow the calculation of the rollover risk by different approaches. In the context of this research, 04 versions of assistants were developed. In addition, a microscopic traffic simulation framework was proposed based on the practical reasoning model named belief-desire-intention (BDI) to support the development and validation of intelligent agents for Advanced Driver Assistance Systems in a fast, flexible and easy way. To evaluate the assistants’ potential, the BR-101, Federal Highway of Alagoas with more occurrence of rollover, was chosen. On this highway, 400 vehicles were simulated to evaluate the performance of the proposed assistants. The effectiveness, intrusiveness, omission and safety of the assistants were investigated.