Strategic Decision-Making in Platoon Coordination

The need for sustainable transportation solutions is urgent as the demand for mobility of goods and people is expected to multiply in the upcoming decades. One promising solution is truck platooning, which shows great potential in reducing the fuel consumption and operational costs of trucks. In order to utilize the benefits of truck platooning to the fullest, trucks with different routes in a transportation network need coordination to efficiently meet and form platoons. This thesis addresses platoon coordination when trucks form platoons at hubs, where some trucks need to wait for others in order to meet, and there is a reward for platooning and a cost for waiting. Three contributions on the topic platoon coordination are presented in this thesis. In the first contribution, we consider platoon coordination among trucks that have pre-defined routes in a network of hubs, and the travel times are either deterministic or stochastic. The trucks are owned by competing transportation companies, and each truck decides on its waiting times at hubs in order to optimize its own operational cost. We consider a group of trucks to form a platoon if it departs from a hub and enters the road at the same time. The strategic interaction among trucks when they coordinate for platooning is modeled by non-cooperative game theory, and the Nash equilibrium is considered as the solution concept when the trucks make their decisions at the beginning of their journeys. In case of stochastic travel times, we also develop feedback-based solutions wherein trucks repeatedly update their decisions. We show in a simulation study of the Swedish transportation network that the feedback-based solutions achieve platooning rates up to 60 %. In the second contribution, we propose models for sharing the platooning profit among platoon members. The platooning benefit is not equal for all trucks in a platoon; typically, the lead truck benefits less than its followers. The incentive for transportation companies to cooperate in platooning may be low unless the profit is shared. We formulate platoon coordination games based on profit-sharing models, and in a simulation of a single hub, the outcomes of the platoon coordination games are evaluated. The evaluation shows that the total profit achieved when the trucks aim to maximize their own profits, but the platooning benefit is evened out among platoon members, is nearly as high as when each truck aims to maximize the total profit in the platooning system. In the last contribution, we study a problem where trucks arrive to a hub according to a stochastic arrival process. The trucks do not share a priori information about their arrivals; this may be sensitive information to share with others. A coordinator decides, based on the statistical distribution of arrivals, when to release the trucks at the hub in the form of a platoon. Under the assumption that the arrivals are independent and identically distributed, we show that it is optimal to release the trucks at the hub when the number of trucks exceeds a certain threshold. This contribution shows that simple and dynamic coordination approaches can obtain a high profit from platooning, even under high uncertainty and limited a priori information. Under de kommande decennierna förväntas efterfrågan på transport av varor och passagerare mångfaldigas, vilket innebär att behovet av hållbara transportlösningar är brådskande. En lovande lösning är konvojkörning, som visar stor potential att minska bränsleförbrukningen och driftskostnaderna för lastbilar. För att utnyttja fördelarna med konvojkörning till fullo behöver lastbilar koordineras för att effektivt mötas och bilda konvojer. Den här avhandlingen behandlar koordinering av lastbilar som kan bilda konvojer på transporthubbar, där vissa lastbilar måste vänta på andra lastbilar för att bilda konvojer, och det finns en belöning för konvojkörning och en kostnad för att vänta. Tre bidrag som behandlar konvojkoordinering presenteras i den här avhandlingen. Det första bidraget behandlar koordinering av lastbilar med förutbestämda rutter i ett transportnätverk med deterministiska eller stokastiska restider. Lastbilarna ägs av konkurrerande transportföretag, och varje lastbil beslutar om sina väntetider på hubbarna längs med sin rutt för att optimera sin driftskostnad. Vi antar att lastbilar bildar en konvoj om de avgår från en hubb och kör in på vägen samtidigt. Den strategiska interaktionen mellan lastbilar när de koordinerar för konvojbildning modelleras med icke-kooperativ spelteori, och vi betraktar Nashjämvikt som lösningskoncept när lastbilarna beslutar om sina väntetider i början av sina resor. I fallet med stokastiska restider utvecklar vi även lösningar där lastbilarna tillåts uppdatera sina väntetider längs med sina resor. I en simuleringsstudie över det svenska transportnätverket visas att när lastbilarna tillåts uppdatera sina väntetider uppnås en konjovkörningsgrad på 60%. I det andra bidraget utreds modeller för att dela på vinsten från konvojkörning. Fördelarna med konvojkörning är inte lika för alla lastbilar i en konvoj; vanligtvis är fördelen större för följarlastbilarna än för ledarlastbilen. Således kan incitamenten för transportföretag att samarbeta i form av konvojkörning vara låga om inte vinsterna från konvojkörning delas. Baserat på vinstdelningsmodeller formulerar vi konvojkoordineringsspel. I en simulering av en transporthubb utvärderar vi utfallet från konvojkoordinationsspelen. Det visar sig att den totala vinsten som uppnås när lastbilarna försöker maximera sina egna vinster, men vinsten från konvojkörning jämnas ut helt bland konvojmedlemmar, är nästan lika hög som när varje lastbil försöker att maximera den totala vinsten i systemet. I det sista bidraget studeras ett koordineringsproblem där lastbilar anländer till en transporthubb enligt en stokastisk ankomstprocess. Lastbilarna delar inte förhandsinformation om sina ankomster; detta kan vara känslig information att dela. En koordinator bestämmer, baserat på den statistiska sannolikhetsfördelningen av ankomster, när lastbilarna på transporthubben ska släppas iväg i form av en konvoj. Under antagandet att ankomsterna är statistiskt oberoende och likafördelade, visar vi att det är optimalt att släppa iväg lastbilarna från transporthubben i form av en konvoj när antalet lastbilar överskrider en viss tröskel. Detta bidrag visar att enkla och dynamiska koordineringsmetoder kan erhålla en hög vinst från konvojkörning, även under hög osäkerhet och begränsad förhandsinformation.Länk till den offentliga granskningen tillkännages via: https://www.kth.se/profile/alexjohaQC 20200609