基于专用道与编队策略的货车队列最短配送距离研究

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol. 17 ©

No. 15 May. 2017

1671—1815(2017)015-0312-05

2017 Sci. Tech. Engrg.

交通运输

基于专用道与编队策略的货车队列

最短配送距离研究

方珊珊陈艳艳* 刘小明陈宁韩旺

(北京工业大学北京市交通工程重点实验室，北京100124)

摘要货车编队运输作为共同配送的一种新形式，可以有效地减少能耗，达到降低运营成本的目的。根据车辆实际运行情

况，多个配送车辆有不同的出发点和相同的目的地，需要在路段上完成编队过程。以VISSIM作为仿真工具，结合C#编程与

COM服务，构建了货车专用道与编队策略实施实验平台，提出了货车队列能耗与最小配送距离计算方法。通过不同车辆数的

编队试验发现，最小配送距离随编队车辆数的增加而增加;但当车辆数小于4时，最小配送距离基本相同。

关键词共同配送

编队策略 仿真分析

文献标志码A

能耗计算 最小配送距离

中图法分类号U292.22;

互联网时代下，居民消费理念的改变推动了物 流业的飞速发展。为了适应新形势和提高企业效 率、减少城市配送带来的环境负面效应，物流企业也 在不断探索运输组织的新形势。运输成本是各企业 间竞争的核心因素，车队编组运输作为共同配送的 一种新形式，可以减少能源消耗并降低运营成本。 现有研究表明，车辆编组运输可以减少跟驰车辆的 空气阻力，从而使整个车队的能耗最高减

少 20%[1]。目前，货车编队的研究集中于以实际或仿真数 据分析控制策略对车队运行及能耗的影响。A1:、

Hansan、Stefan、Liang、Fred、Sarvi 等是目前在该领域

况下的能耗降低效果;Browand等[6]研究了车队能 耗减少与跟驰距离间的相关关系；Sarvi等[7]研究了 匝道汇入及汇出车辆的编队控制策略与实施安全

性。Liang等[8]研究了基本路段中，同一路线中，两 辆以上行驶中的分散车辆，通过相邻两辆车配对的 形式组成车队;研究表明，这种协同优化策略可以有 效的减少能耗。现有对货车编队的研究已如火如 荼，货车编队对货物运输效率的提高及能耗的减少 显而易见;但也应考虑货车编队过程对道路交通的 影响。交通工程专家们虽已开展了对货车分离的可 行性[9]，以及货车专用道及配套交通工程设计的研 究[1°];但尚未有结合货车专用道与货车编队控制策 略方面的研究，也不清楚该策略对货运编队配送的 影响。鉴于此，本文开展在货车专用道及货车编队 方案共同实施情况下，不同车辆编队数策略对货车 编队前后能耗的影响，并由此推算货车的最小编队 距离，从而为未来智能控制策略的实施提供理论依 据和方案支持。

较为知名的专家。…:等^提出的车队控制策略可 以在保证车队稳定性和安全性的同时使得跟驰距离

小于1 m;Sungu等[3]提出的车队控制策略可以显著 提高系统稳定性;Sdyom等[4]研究了两车编队策略 下合适的追车距离;Liang等[5]研究了车辆自组情

2017年2月16日收到北京市博士后工作经费资助项目（2016ZZ~05)、

北京市自然科学基金(8131001)和

湖北省交通运输厅科技项目（2014721311)资助

第一作者简介:方珊珊（1983—），女，博士研究生。研究方向：城市 物流、智能交通。E-mail:sabrina0820@126. com。*通信作者简介:陈艳艳（1970—），教授。研究方向:城市物流、智能 交通、交能规划。E-mail:cdyan@ bjut. deu. cn。引用格式:方珊珊，陈艳艳，刘小明，等.基于专用道与编队策略的 货车队列最短配送距离研究[J].科学技术与工程，2017, 17(15): 312—316

Fang Shanshan, Chen Yanyan, Liu Xiaoming, et al. The study of mini­mum distribution distance based on the truck lane and platoon maneuver [J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(15)： 312—316

1

问题描述

在城市配送中，一个收货方通常有多个承运方，

如何能在保证商业机密的情况下实现共同配送，从 而达到能耗最低的运营组织目标，是一个配送参与 各方都亟待解决的课题。多个承运方分布在不同的 物流中心，因此配送车辆的出发点不同，而车辆编组 策略可以实现多辆配送车辆在道路上实施编组，从 而达到在保证商业机密的前提下实现共同配送。一 般，形成车队包括后车追赶前车的过程和组成车队 以后稳态行驶两个阶段。其中，第一阶段，由于车辆

15期方珊珊，等:基于专用道与编队策略的货车队列最短配送距离研究313

追赶，车队能耗上升;第二阶段，在车队形成后的稳 态行驶过程中，能耗下降。因此，如何根据上升和下 降的程度确定编组数是研究的第一个阶段。同时在 第一阶段中，后车追赶前车需要一个编组形成距离 (，然而编组数越多，（值就会增大，在编组数达

到某个数值时，甚至会出现配送距离小于编组形成 距离的情况，因此需要根据配送距离确定最佳编 组数。

2

模型构建

2.1仿真平台

采用C#结合VISSM COM服务的形式进行仿真

平台的开发。该仿真平台由用户界面、车辆生成、车

辆状态更新、Vissim仿真引擎四部分组成。仿真流程 如图1所示。首先，通过用户界面进行仿真参数的设 置，包括车辆组成、联网货车比例、仿真开始/结束时 间、车队控制策略等。车辆生成部分根据仿真参数的 设置，生成两种类型的车辆:普通汽车和货车。车辆 在Vissim平台上生成后，普通汽车的行驶行为遵循

Wiedemann 99模型，由Vissim

引擎进行控制，货车的

行驶行为遵循CACC控制策略_11]，我们借助VISSIM 提供的COM 口服务，通过控制货车的位置、速度与加 速度实现车辆的协同式自适应巡航行驶。

—

车

辆组成

联网货仿真开车例结束时始车

队控、_策 制

(车辆生

成模块>基COM于VISSIM的二次开的 发

CACC控制策略

无控制

VISSIM 自

带控制策略

Fig. 1 图Work flow chart 1仿真平台的工作流程图

of simulation platform

为进行本文的研究，构建如图2所示的仿真场 景。仿真场景为一个三车道的高速公路基本路段，

最内侧车道为货车专用车道，用红色显示，限速为

60〜90 km/h，仅供货车行驶，外侧两车道为普通车 道，用灰色显示，供普通汽车行驶，中间车道限速为 90〜110 km/h，最夕卜侧车道限速为60〜90 km/hQ 仿真场景中包括两种车型的车辆:货车和普通汽车， 货车在内侧专用道上以编队行为行驶，货车的颜色 随机设置，同|车队的车辆颜色相同，普通汽车包括 两种，分别以黄色和青色表示，普通汽车均按正常行 驶行为行驶，黄色车辆尺寸稍大于青色车辆，但行驶 行为一致®

小汽车

货车

图2仿真场景图

Fig. 2 The simulation scene graph

2.2仿真设置

北京周边高速路货车比例如图3所示。由图中

可见，货车比例从21%〜%不等，文中为了突出 货运专用道对交通的影响，选取实验货车比例为 30%，场景中所有货车均在货车专用道上行驶，且遵 循CACC控制策略。

初步进行低（1 500辆/h)、中（3 000辆/h)、高 (4 500辆/h)流量下设置及不设置货车专用道情况 下的速度效率对比实验（如图4所示）_由图4可 见，流量越高，设置专用道对速度效率的提升就越明 显，货车专用道实施的可能性就越大，因此本文中设 置断面流量为4 500辆/h。

另外，仿真场景中设置编队货车头车的期望速 度为110 km/h，跟驶货车的期望车头时距为0. 1 s。

2.3指标计算

根据牛顿第二定律，在考虑空气阻力、道路阻力

以及摩擦力的情况下，能耗的计算方法如下：

dv

ck

尸gravity

=K(0 -mgCrC〇S 〇(s)

mgsin d(s) --^-pAC^d^vit)(1)

式（1)中，m表7K车辆重量I g•表7K重力加速度；表 示车辆速度;C1■表示滚动摩擦系数W表示道路坡 度;P表示空气密度；表示风阻系数，当车辆

单独行驶时，Q (〇取值0. 6，当车辆组队行驶时，

〇的计算方法为[121

C.idJ = CD[X

(2)

京石京京京津衡京张廊廊沿京石石保青邢保荣邢沧青邯廊西保邢张那京宣丹张京张张京承承承承密 石安夬夬汕德昆石沧沧痗台太黃备银临沧4汾黃兰苌琢桕暴侖琢关籴大碴石蠢承琢承ii朝秦嘉琢

京衡 保沧廊高 一坡邢保高 张衡大 定州坊速 期 台定速 家段段 段段段 段段公 口

路 段

髙速公路名称

图3

Fig. 3

北京周边高速公路货车比例分布图

Highway freight proportion distribution around Beijing

否有效的重要指标，是实施编队行驶的前提。因此， 在分析队列能耗与最小配送距离前首先分析所实施 策略的编队队列稳定性。

如图5所示，以编队数为4的策略为例，可以着 出，车辆1是车队的头车，进入系统后，速度由70 km/h提升至期望速度，即90 km/h。理想状态下

图4

Fig. 4

设置货车专用道的系统效率对比图

System efficiency comparison chart of setting up the truck lanes

(红色虚线部分所示），跟驰车辆进入专用道，应逐 步提升至110 km/h，接近前车后，开始逐步下降至 前车期望速度并保持稳定。由本文仿真结果可以着 出，后车接近前车后，速度振荡逐渐缩小，收敛明显，

Q

式(2)中，< 表示车队内部间距；Q。、Q表队列呈稳定状态，可以认为本文所实施的控制策略 是基本有效的。

示三个固定参数。

对式（1)积分，结合式(2)最终得到能耗计算公 式如下：

/ = S[麵 +

最小配送距离计算方法如下：

Fxd + F2(s -d)^ FS

(4)

(3)

化简得

Fig. 5

图5编组数为4的车辆的跟车速度

Vehicle speed when marshalling number for 4

式中，&表示编组前车辆能耗;。表示编组后车辆 能耗;F表示无控制时车辆能耗^表示车辆形成编 队的距离3表示最小配送距离。

利用上式，计算出不同车辆数量编队策略下 的最小配送距离。以编队数为2的策略为例，头 车为A，后车为B。以车头时距0.2 s作为判断车 队是否形成的依据，当后车B距离前车A的车头 时距小于0. 2 s时，认为已形成编队，后车B从开 始追赶到形成编队的距离即为车队形成距离。去 所有后车形成编队距离的85%位数，即为平均编 队距离。

3.2队列能耗与最小配送距离

基于VISSIM导出的原始车辆轨迹，通过式(2)、 式(3)计算能耗与最小配送距离(如表1所示）Q

编队过程可以分为两个阶段：第一个阶段为 追赶阶段，即后车加速追赶前车，直至与前车车头 时距小于阈值，队列振荡缩减，逐步稳定。在该阶

段，追赶车辆因不断加速能耗提升，较无专用道情 况而言，能耗增加明显；第二个阶段为稳定阶段， 即后车车速稳定，与前车保持小于阈值的稳定车 头时距，该阶段下，后车由于空气阻力减小，能耗 显著下降。

由表1可见，货车形成编队队列的距离随着编 队车辆数的增加而逐步增加，2车编队时为不到500 m，当制定为7车编队策略时，已接近4 000 m。也 就是说，制定控制策略时规定车辆数越多，则越不容

3仿真分析

编队车辆的队列稳定性是评判编队控制策略是

3.1队列稳定性

15期 方珊珊，等:基于专用道与编队策略的货车队列最短配送距离研究 315

编队数

编队距离/m

1仿真结果分析表

Table 1 The results of simulation analysis table编队前平均能耗/ 编队后平均能耗编队前能耗

节约率/%[J_(m•车

表

编队后能耗

节约率

/%

最小配送距离/m

234567486. 105913.432 51 412.238 82 358. 3753 368. 4053 934. 84214 453. 093 9211 365. 311 749 865. 550 138 790.512 8258 624. 329 48 961.451 79-104. 09-60.48-39.31-24. 13-21.78-26.6 482. 266 8036 348.383 3686 281.441 6516 241.276 6216 214. 499 9346 195. 373 729参考。

8.4710.3611.3011. 8712.2512.526 462.218 76 247. 870 9696 323. 767 4367 152. 184 3969 358.679 19112 277. 869 23

易形成车队，后车追赶的时间也越长;但编队过程中 由于车辆追赶所造成的平均能耗增加率却逐步降 低。这是因为货车队列是一个逐步形成的过程，多 车编队时，即使队列最末尾车尚未形成队列，队列中

参考文献

1 Robinson T, Chan E, Coelingh E. Operating platoons on public mo­

torways ：an introduction to the sartre platooning programme. 17th

的部分车辆已与前车组队完成，从而导致整体能耗

World Congress on Intelligent Transport Systems. 2010 ；1 ：12

的下降，因此编队形成过程中越是规定车辆数越多， 2 Ali A, Garcia G, Martinet P. The flatbed platoon towing model for 车队的平均能耗增加率反而越低;车队形成后，车队 safe and dense platooning on highways. Intelligent Transportation Sys­

tems Magazine, IEEE, 2015； 7(1) ： 58 —68车辆数越多，则跟驶车辆越多，由于空气阻力减小的

3 Sungu H E , Inoue M, Imura J. Nonlinear spacing policy based vehi­原因，队列的能耗减小也越多，因此编队后的平均能

cle platoon control for local string stability and global traffic flow sta­

耗增加率也越高。编队的最小配送距离是本文研究

bility. IEEE, 2015

的重要指标之一，也是是否实施编队配送的关键。 4 Solyom S, Coelingh E. Performance limitations in vehicle platoon 由表1可见，在规定编队车辆数小于4时，最小配送 control. Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, 2013 ； 5距离的变化不大，编队车辆数大于4时，随着车辆数 (4) ： 112—120

5 Liang K, Martensson J, Johansson K H. Fuel-saving potentials of 的增加而显著增加，当7车编队时，车辆数已超过

platooning evaluated through sparse heavy-duty vehicle position data.12 km。因此，我们认为，无论配送距离的远近，2、3

IEEE, 2014

车编队的能耗节约效果要劣于4车编队，无特殊情

6 Browand F, Michaelian M. Platoon travel saves fuel-how much?. In-

况下，不建议实施2、3车编队的方案。另外，由于能 tellimotion, 2000 ；9(2) ：1 —5,11

7 Sarvi M, Kuwahara M, Ceder A. Freeway ramp merging phenomena 耗节约率随着车辆数的增加而增大，配送距离越远，

in congested traffic using simulation combined with a driving simula­则越是应该增大编队方案中的车辆数。

tor. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2004 ； 19(5) ： 351—3634结论

8 Liang K Y. Martenssowv J, Johansson K H. Heavy-duty vehicle pla­

本文以仿真分析的方法，研究了货车专用道与 toon formation for fuel efficiency. Transactions on Intelligent Trans­

portation Systems, 2016；17(4) ：1051 —1061货车编队控制策略下，队列能耗的变化与最小配送

9 Batelle I. Investigation of potential safety and other benefits of exclu­距离值，主要得出了以下结论。

(1) 以VISSIM COM 口服务结合C#二次开发 sive facilities for trucks. Prepared for the U. S. DOT ed. Columbus ：

Battelle Memorial Institute, 2002

的方法，通过对货车实时状态的控制，构建了货车

10代漉川，蒋阳升，黄欢.货车专用道及其配套交通工程设计应

专用道与货车编队控制策略共同实施下的仿真 用研究.城市道桥与防洪，2009;(9) : 36—38

Dai Luchuan, Jiang Yangsheng, Huang Huan. Application research 平台。

(2) 根据牛顿第二定律及风阻系数的计算推 on truck lanes and traffic engineering design. Urban Roads Bridge &

Flood Control,2009; (9) : 36—38

导，设计了编队能耗计算方法，并由此推导了最小配

11王灿，马钧.汽车CACC系统的车头时距策略研究.农业装

送距离计算模型。备与车辆工程，2015; (2): 60 —67

(3) 初步验证了本文提出的控制策略的队列 Wang Can, Ma Jun. Study on automotive CACC system headways

policy. Agricultural Equipmwnt & Vehicle Engineering, 2015 ； (2)： 稳定性，为交通研究专家进行相关智能控制策略

60—67的实施提出了基础框架平台。进行了不同编队数

12 Schuetz T. Aerodynamics of road vehicles. Fifth Edition ed. War-

策略下货车队列能耗的计算，推导出不同策略的

rendale： SAE International, 2016

最小配送距离值，为未来策略的实施提供数据

316科学技术与工程17卷

The Study of Minimum Distribution Distance Based on the

Truck Lane and Platoon Maneuver

(Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124 , P. R. China)

FANG Shan-shan, CHEN Yan-yan* , LIU Xiao-ming, CHEN Ning, HAN Wang

[Abstract ] Logistics distribution vehicle platoon formation as a new form of joint distribution, could effectively reduce energy consumption and achieve the purpose of reducing operating costs. On the actual operation situation, multiple delivery vehicles had different starting point and the same destination, needed to completing the process of formation on the road. Based on VISSIM simulation tools with C # programming and the COM service, the experi­mental platform was built for the implementation of truck lanes and formation strategy and the calculation method was put forward which could get the energy consumption of vehicle platoon and minimum distribution distance. Based on the different number of vehicle fleet test, it was found that the minimum distance distribution increased with the increase of the number of fleet vehicles, but when the number of vehicles is less than 4, the minimum dis­tribution distance are basically the same.

[Key words ] joint distribution platoon maneuver simulated analysis energy consumption calculation minimum distribution distance