Applications of high-frequency telematics for driving behavior analysis

A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Information Management, specialization in Statistics and EconometricsProcessing driving data and investigating driving behavior has been receiving an increasing interest in the last decades, with applications ranging from car insurance pricing to policy-making. A popular way of analyzing driving behavior is to move the focus to the maneuvers as they give useful information about the driver who is performing them. Previous research on maneuver detection can be divided into two strategies, namely, 1) using fixed thresholds in inertial measurements to define the start and end of specific maneuvers or 2) using features extracted from rolling windows of sensor data in a supervised learning model to detect maneuvers. While the first strategy is not adaptable and requires fine-tuning, the second needs a dataset with labels (which is time-consuming) and cannot identify maneuvers with different lengths in time. To tackle these shortcomings, we investigate a new way of identifying maneuvers from vehicle telematics data, through motif detection in time-series. Using a publicly available naturalistic driving dataset (the UAH-DriveSet), we conclude that motif detection algorithms are not only capable of extracting simple maneuvers such as accelerations, brakes, and turns, but also more complex maneuvers, such as lane changes and overtaking maneuvers, thus validating motif discovery as a worthwhile line for future research in driving behavior. We also propose TripMD, a system that extracts the most relevant driving patterns from sensor recordings (such as acceleration) and provides a visualization that allows for an easy investigation. We test TripMD in the same UAH-DriveSet dataset and show that (1) our system can extract a rich number of driving patterns from a single driver that are meaningful to understand driving behaviors and (2) our system can be used to identify the driving behavior of an unknown driver from a set of drivers whose behavior we know.Nas últimas décadas, o processamento e análise de dados de condução tem recebido um interesse cada vez maior, com aplicações que abrangem a área de seguros de automóveis até a atea de regulação. Tipicamente, a análise de condução compreende a extração e estudo de manobras uma vez que estas contêm informação relevante sobre a performance do condutor. A investigação prévia sobre este tema pode ser dividida em dois tipos de estratégias, a saber, 1) o uso de valores fixos de aceleração para definir o início e fim de cada manobra ou 2) a utilização de modelos de aprendizagem supervisionada em janelas temporais. Enquanto o primeiro tipo de estratégias é inflexível e requer afinação dos parâmetros, o segundo precisa de dados de condução anotados (o que é moroso) e não é capaz de identificar manobras de diferentes durações. De forma a mitigar estas lacunas, neste trabalho, aplicamos métodos desenvolvidos na área de investigação de séries temporais de forma a resolver o problema de deteção de manobras. Em particular, exploramos área de deteção de motifs em séries temporais e testamos se estes métodos genéricos são bem-sucedidos na deteção de manobras. Também propomos o TripMD, um sistema que extrai os padrões de condução mais relevantes de um conjuntos de viagens e fornece uma simples visualização. TripMD é testado num conjunto de dados públicos (o UAH-DriveSet), do qual concluímos que (1) o nosso sistema é capaz de extrair padrões de condução/manobras de um único condutor que estão relacionados com o perfil de condução do condutor em questão e (2) o nosso sistema pode ser usado para identificar o perfil de condução de um condutor desconhecido de um conjunto de condutores cujo comportamento nos é conhecido

Utilização da energia de um veículo elétrico para abastecer uma residência no horário de ponta

Com uma tarifa horária diferenciada, o preço da energia elétrica é mais barato durante a madrugada, nos chamados horários de vazio, e mais caro no final da tarde, no horário de ponta. Se não for possível evitar o consumo nos horários mais caros, uma alternativa é a de se comprar a energia durante o horário de vazio, armazená-la em uma bateria e devolvê-la à rede na ponta. Um dos componentes mais importantes dos veículos elétricos é justamente sua bateria, que é o equipamento responsável por armazenar energia necessária para sua utilização. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a viabilidade econômica da utilização da energia disponível na bateria de um veículo elétrico para abastecer uma residência durante o horário de ponta. Através de simulações verificou-se que para alguns modelos/tipos de veículos, o sistema é economicamente viável. Para os proprietários de veículos híbridos, o sistema só é vantajoso se suas necessidades de condução diária forem muito pequenas. Já para os donos de veículos 100% elétricos, esse sistema pode trazer um retorno financeiro que justifica sua utilização.With a different hourly rate, the price of electricity is cheaper during the night, in so-called empty hours, and more expensive in the late afternoon, at peak hours. If you cannot avoid the consume in the most expensive periods, an alternative is to buy energy in the empty hour, store it in a battery and return it to the network at the peak hour. One of the most important components of electric vehicles is precisely its battery, which is the unit responsible for storing energy required for their use. This paper presents a study on the economic viability of the available energy stored in the battery of an electric vehicle to supply a residence during peak hours. Through simulations it was found that for some models/types of vehicles, the system is economically viable. For owners of hybrid vehicles, the system is only advantageous if their daily driving needs are very small. For the owners of 100% electric vehicles, this system can bring a financial return that justifies their use

Modelização de tarifas de energia elétrica para veículos elétricos

A continua evolução do número de Veículos Elétricos (VEs) como meio de transporte das pessoas é uma tendência que veio para ficar e se perpetuará nos anos que se avizinham nos países mais desenvolvidos. Uma grande preocupação dos operadores dos sistemas elétricos e dos comercializadores de energia prende-se com o comportamento de carregamento dos VEs, uma vez que estes podem influenciar a operação do sistema e consequentemente o preço da energia. Na verdade, o carregamento descoordenado dos VEs, conhecido como dumb charge, pode levar a problemas de congestionamento e tensão principalmente ao nível da rede de distribuição de média e baixa tensão. Neste sentido, os operadores de sistema têm vindo a estudar medidas que levem ao carregamento inteligente dos VEs, de forma a mitigar o impacto negativo que os VEs podem causar no sistema. Em paralelo, os operadores de sistema e comercializadores de energia podem beneficiar com a flexibilidade dos VEs. O operador do sistema tem interesse em escalonar o carregamento dos VEs para períodos em que não haja perigo de problemas de congestionamento e tensão. Similarmente, os comercializadores de energia pretendem que os VEs carreguem nos períodos de menor custo de energia, evitando a compra de energia em períodos mais dispendiosos. Neste contexto, esta dissertação aborda o problema de modelação de tarifas de energia horárias com vista a incentivar a mudança do comportamento do carregamento dos VEs. Mais precisamente, diferentes tarifas elétricas são modeladas com base na relação entre a geração de energia renovável, consumo de energia e o preço do mercado de energia. O caso de estudo usa a Dinamarca como referência, tirando partido da disponibilidade de informação necessária para a correta modelação de tarifas horárias. Uma das mais importantes contribuições desta dissertação reside na modelação de diferentes perfis de condução e de uso dos VEs (nomeadamente, diária, comercial e viagem única) considerando o comportamento dos utilizadores dos VEs através de uma escala de ansiedade que modela o comportamento dos utilizadores face ao preço de energia. Mais precisamente, o comportamento dos utilizadores é representado por um termo socioeconómico capaz de definir a ansiedade dos utilizadores dos VEs face ao valor horário da tarifa elétrica. Uma importante conclusão deste trabalho é a conceção adequada de tarifas horárias de energia com vista a reduzir os custos de energia quer para o utilizador do VE e potencialmente para o comercializador de energia. Mais precisamente, os comercializadores de energia e operadores de sistema podem utilizar a ferramenta desenvolvida para modelar esquemas tarifários que sejam capazes de suavizar a produção intermitente de fontes renováveis, bem como mover a carga de períodos de pico para períodos de vazio.The introduction of Electric Vehicles (EVs) as the mean of transportation is a trend that will prevail in the next years in the developed countries. The charging behavior of EVs is a key concern to system operators and retailers as it can affect the network operation and also the energy price. In fact, the uncontrolled charging of EVs, known as dumb charge, can lead to congestion and voltage problems in the network, especially at the distribution level. In this way, system operators are looking for ways to motivate the smart charging of EVs in order to mitigate their negative impact in the system. In parallel, system operators and retailers may profit from the handling of EVs as flexible loads. The former has interest to move their charging into periods without congestion and voltage problems. Similarly, the latter wants them to only charge at periods when energy is cheaper. In this scope, this dissertation addresses the problem by modelling a real-time tariff to encourage flexible EVs charging owners to charge in convenient periods. More precisely, different electricity tariffs are proposed based on the relation between renewable power generation, load consumption and spot price of the energy market. The tool developed uses Denmark as showcase, taking advantage of the easy access of information needed to develop the proposed tariffs in real-time context. One of the main contributions of this dissertation is the modelling of different profiles of EVs usage (e.g., commute, commercial and single trip behaviors) under different scales of users’ sensibility to the electricity prices. More precisely, a socioeconomic term that defines the anxiety of EVs users’ to be responsive to the tariffs is proposed. An important conclusion of this work is that a proper real-time tariff design can reduce the energy costs for the EVs and potentially to the retailer. More precisely, retailers and system operators can use this tool to model tariffs schemes that smooth the intermittent production of renewable energy, as well as to shift the consumption from peak to off-peak hours

Efeito da inclinação no desempenho de veículos pesados de passageiros

Mestrado em Engenharia MecânicaOs problemas relacionados com o consumo energético e emissões de poluentes relativos ao setor dos transportes representam seguramente uma preocupação ao nível Europeu. O preço do petróleo é outra preocupação crescente pelas empresas de transporte de passageiros, o que gera a necessidade de poupança de combustível. Para além de causarem prejuízos económicos significativos, a escolha incorreta de rotas poderá causar ineficiência energética. Para além disso, a inclinação acentuada do terreno pode ser um fator de maximização de consumos. Torna-se, assim, premente apostar no estudo da influência do declive das vias nos consumos e desempenho geral dos veículos pesados de passageiros, de forma a minimizar o seu impacte energético-ambiental. Assim, o principal objetivo desta Dissertação consiste em avaliar o impacte da orografia (inclinação) no consumo de combustíveis e emissões de uma empresa de transportes de passageiros (Horários do Funchal), naquela que é a capital da Região Autónoma da Madeira. Para este efeito foi utilizado uma metodologia baseada no conceito de Potência Específica do Veículo (“Vehicle Specific Power” - VSP) para aplicar uma relação entre dados da dinâmica do veículos e da inclinação do terreno – velocidade, inclinação e aceleração, recolhidos experimentalmente através de um GPS – e as emissões de poluentes. Esta metodologia tem amplo mérito pela sua eficácia em estudos anteriores, sendo muito útil na avaliação e gestão de empresas com natureza similar à Horários do Funchal. Os resultados obtidos revelam consumos significativamente superiores consoante a crescente inclinação dos percursos. Deve ser dito que num declive acentuado foram obtidas emissões de 2268 g CO2/km até 2432 g CO2/km, sendo que as emissões numa mesma distância sem inclinação variam entre 1423 g CO2/km e 1647 g CO2/km, portanto uma variação percentual nos percursos selecionados que oscila entre os 34% e os 70%. Ao realizar a análise noutra carreira, a comparação feita para percursos de declive inferior (para as mesmas distâncias) são de 1395 g/km e 1677 g/km de CO2, tendo como base um percurso referência (para inclinação nula os valores obtidos são de 1354 g CO2/km e 1487 g CO2/km, ou seja, variações percentuais que não ultrapassam os 17%). Estes desvios são significativos e podem resultar em implicações concretas na gestão da empresa, pois tendo esta informação é possível justificar custos acrescidos relacionados com o consumo de combustível.The problems related to energy consumption and pollutant emissions in the transportation sector are a major concern to the European authorities. The price of oil is unstable, which creates the need of fuel savings for passenger transport companies. One of the factors that influence pollutant emissions is the slope of the roads, which is sometimes a neglected factor but it is fundamental to minimize economic and environmental impact. Thus, the main objective of this dissertation is to assess the impact of topography (slope) in fuel consumption and emissions of the fleet of a passenger transportation company (Horários do Funchal), in the capital of the Autonomous Region of Madeira. For this purpose, a methodology based on the concept of Vehicle Specific Power (VSP) was used to apply a relationship between vehicle dynamics data and slope with pollutant emissions. This methodology has been effective in previous studies, and was useful in the evaluation and management of companies’ fleets. The results show significantly higher fuel consumption and emissions depending on the growing inclination of pathways. It must be said that on a steep grade, actual CO2 emissions of 2268 g / km - 2432 g / km are obtained, and the emissions in the same distance in a flat terrain are from 1423 g CO2/ km to 1647 g CO2/ km (the percentage variation goes from 34% to 70%, depending on the selected routes). The comparison made for routes with lower slope (for the same distances) are 1395 g CO2/ km and 1 677 g CO2/ km, comparing with a base scenario (with no slope, the emissions are 1354 g CO2/ km and 1487 g CO2/ km, e.g. percentage variations that do not exceed 17%). These deviations are significant and can result in concrete implications in company management, since with this information it is possible to justify increasing costs related to fuel consumption

Eficiência energética no sector dos transportes rodoviários: metodologia para quantificação do excesso de energia consumida devido ao factor comportamental na condução de veículos automóveis ligeiros

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Energia e BioenergiaO presente trabalho apresenta uma proposta de metodologia e um caso de estudo para quantificar o efeito do factor comportamental na melhoria da eficiência energética no sector dos transportes rodoviários em meio urbano e extra-urbano. Utilizaram-se dataloggers EOBD (European On Board Diagnosis) para monitorizar 49 condutores de modo a obter o perfil de condução de condução de cada um na forma de uma distribuição de VSP (Vehicle Specific Power) de cada um deles. Todos os dados obtidos foram registados na estrada, em ambiente real de utilização das viaturas. Para comparar o factor comportamental, independentemente do veículo conduzido e do percurso efectuado desenvolveu-se uma metodologia baseada nos modos VSP. A análise efectuada permite comparar os consumos de combustível para condições semelhantes de todos os condutores,quantificando a variação de consumo de todos estes em relação ao mais eficiente. Adicionalmente quantifica-se o efeito de uma alteração legislativa semelhante ao Decreto-Lei nº 157/2007 da Comunidade da Catalunha, que limita a velocidade máxima de circulação nas principais vias de acesso à cidade de Barcelona a 80 km/h. A aplicação da metodologia desenvolvida mostra que o factor comportamental sem alteração de legislação representa um potencial de poupança de energia final de 174 tep. A alteração do limite de velocidade em auto-estrada de 120 km/h para 80 km/h pode reduzir o consumo de energia final em 300 tep

Monitorização experimental de dinâmica de veículos

Mestrado em Engenharia MecânicaA dependência energética, ao nível global, é um tema complexo da atualidade, pois a esta situação estão associados os inerentes problemas ambientais. Portanto, há a necessidade de ir ao fundo da questão a fim de reduzir essa dependência e com isso também o impacto ambiental. Uma vez que o setor dos transportes é preponderante no que diz respeito ao consumo de energia final, várias são as imposições e metas impostas pela Comissão Europeia, com o objetivo principal de diminuir os seus consumos e emissões de gases poluentes. Para fazer face às imposições, os fabricantes têm desenvolvido esforços no sentido de melhorar o desempenho energético-ambiental dos veículos. Entre outras melhorias destacam-se a tecnologia híbrida, veículos 100% elétricos ou através do aperfeiçoamento da eficiência energética dos motores de combus-tão interna. O principal objetivo da presente Dissertação consistiu em avaliar experimen-talmente o desempenho e a dinâmica de veículos detentores de diferentes tecnologias de motorização: gasolina, diesel e híbrida. Os três veículos foram sujeitos às mesmas condições de condução, de forma a tornar viáveis as futu-ras comparações, e a três percursos distintos com situações reais de tráfego: urbano, estrada nacional e autoestrada. Nesta monitorização experimental utilizou-se o equipamento CarChip™ e os parâmetros monitorizados foram: perfil de velocidade, massa de ar injetada no motor, sensor de oxigénio, carga no motor e posição do acelerador. Após a realização da atividade experimental compararam-se e discutiram-se os resultados obtidos a fim de concluir qual a configuração de automóvel mais indicada para percursos rodoviários específicos. O veículo híbrido revelou o melhor desempenho, tanto a nível energético (consumo de combustível) como ambiental (emissões de dióxido de carbono), inferiores em 37 a 115% e 54 a 115% respetivamente, quando comparado com os resultados dos outros veícu-los monitorizados. Em relação às mencionadas restrições ambientais e tendo em consideração de forma global as monitorizações efetuadas, apenas o veí-culo híbrido obteve resposta positiva para o imposto para 2020, no que diz respeito a emissões de CO2. Assim sendo, fica demonstrado o desempenho positivo do veículo híbrido face às motorizações convencionais.The energy dependence, at a global level, is a complex issue of the present, because this situation is associated with some environmental problems. There-fore, there is the need to go to reduce this energy dependence and the emis-sion impacts. Once the transportation sector is predominant in relation to final energy consumption, there are several constraints and goals set by the Euro-pean Commission, with the main objective to reduce pollutant emissions. To face these constraints, the automakers have made efforts to improve the ener-gy and environmental performance of the vehicles. Hybrid technology, 100% electric vehicles or the improvement of the energy efficiency of internal com-bustion engines stand out. The main goal of this Dissertation was to measure the performance and dy-namics of different vehicles powertrain technologies: gasoline, diesel and hy-brid. The three vehicles were subjected to the same driving conditions in order to make viable comparisons, and to three different routes with real traffic situa-tions: urban, national road and freeway. In this experimental CarChip™ equip-ment monitoring was used and the parameters monitored were: the speed pro-file, mass of air injected into the engine, oxygen sensor, engine load and throt-tle position. After the experimental activity the results obtained were compared and dis-cussed in order to conclude which vehicle configuration is best suited for spe-cific journeys. The hybrid vehicle showed the best performance in terms of energy level (fuel consumption) and carbon dioxide emissions, less than 37% to 115% and 54% to 115% respectively, when compared with the results of the other vehicles examined. Regarding the environmental constraints and consid-ering the monitoring carried out, only the hybrid vehicle got positive response to the imposition for 2020, in regards to CO2 emissions.Thus, the positive perfor-mance of the hybrid vehicle compared with conventional powertrains is demon-strated

Modelagem Matemática e Simulação de um Veículo Elétrico Movido a Células de Combustível

TCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Araranguá. Engenharia de Energia.Os sistemas de tração veicular alternativos (híbrido, hidrogênio, elétrico) são uma resposta direta ao problema das emissões em áreas urbanas muito congestionadas. No Brasil, não existe opção no mercado de veículos elétricos a célula de combustível e poucos trabalhos são identificados na literatura. Portanto, o projeto e a otimização deste tipo de veículo através de modelos matemáticos podem trazer muitos benefícios. O uso de uma plataforma virtual ajuda a limitar gastos com atividades experimentais caras e demoradas. O presente trabalho teve o objetivo geral de modelar matematicamente e simular um veículo elétrico movido a células de combustível. Para tanto, foram utilizados perfis de condução e dados do veículo Toyota Mirai a fim de determinar a autonomia, consumo de hidrogênio e variações de potência nas células de combustível. Os resultados obtidos mostram que a modelagem matemática e simulação são ferramentas que podem auxiliar na tomada de decisões sobre o projeto de um veículo elétrico. Além disso, verificou-se que a autonomia e consumo de hidrogênio podem ser determinados através de diversos ciclos de condução.Alternative vehicle technology (hybrid, hydrogen, electric) is of considerable importance for today’s issues regarding to polutant emissions and traffic in urban areas. Unfortunately, technologies such as electric or fuel cell vehicles are not a choice in Brazil yet. Besides that, only few studies relating to the topic have been found. Therefore, the design and optimization through mathematical modeling can be very valuable rather than performing long and expensive experiments, once a virtual platform would help cut costs. Thus, the present work aims to model and simulate a fuel cell electric vehicle by using the drive schedule and data from Toyota Mirai in order to determine its performance, hidrogen consumprion, and the fuel cell power range. The resuts obtained suggest that mathemtical modeling and simulation are helpful tools for electric vehicle project decision making. Futhermore, vehicle performance and hidrogen consumption are found to be determined through different drive schedule