Shared autonomous vehicles in urban areas

António Jorge dos Reis Pereira

Key information

Authors:

António Jorge dos Reis Pereira (António Jorge dos Reis Pereira)

Supervisors:

Miguel Leitão Bignolas Mira da Silva (Miguel Mira da Silva)

Published in

May 20, 2024

Abstract

Esta tese de doutoramento tem o título "Veículos Autónomos Partilhados em Áreas Urbanas” e visa discutir os conceitos que sustentam a sua existência, usando para tal linguagens de modelação. Ao longo do documento, são introduzidas várias possibilidades de modelação do ecossistema digital que deve existir de modo a que veículos autónomos partilhados numa área urbana sejam uma realidade, com o objetivo de alcançar uma base compreensível de conceitos. A metodologia é baseada em Design Science Research, onde 1. Um problema é identificado, depois 2. Os objetivos são apresentados, 3. O artefacto (neste caso, o modelo de referência) é proposto, 4. O artefacto é demonstrado, 5. Depois avaliado para finalmente 6. Ser comunicado. A identificação do problema é relacionada com as restrições incontestáveis ao nível da mobilidade e com as consequências negativas em termos económicos, ambientais e sociais. O objetivo é encontrar uma forma de acelerar a adoção de soluções partilhadas suportadas por veículos autónomos, o que pode ser parte da solução para os referidos problemas. Uma vez atingido o serviço atual de partilha de veículos tipo Uber ou Lift, que é no presento o último grau de atingido em termos de mobilidade partilhada, o próximo passo é evoluir para o próximo nível de mobilidade, que é um serviço de veículos autónomos partilhados, sem condutor. Ao longo deste documento, as vantagens deste tipo de solução serão amplamente expostas. O artefacto é o modelo de referência que representa o ecossistema digital que existe por detrás de um sistema de veículos autónomos partilhados. Para tal, é identificada a literatura mais relevante através de uma Revisão Sistemática de Literatura, onde é possível isolar de um grupo de artigos uma amostra final de 120 artigos que estão de acordo com os critérios de busca, os quais são definidos para identificar estudos sobre veículos autónomos partilhados em áreas urbanas. Os artigos escolhidos contribuem para responder às questões de investigação, dando origem à identificação dos principais tópicos relacionados com os veículos autónomos partilhados. A conclusão inevitável é que a introdução de veículos autónomos partilhados acontecerá e irá solucionar restrições importantes ao nível da mobilidade nas áreas urbanas, mas para que tal aconteça existe uma pré-condição que precisa de ser acautelada, que é a existência do ecossistema digital que suporta tal tipo de serviço. Para identificar esse ecossistema digital, é proposta a metodologia Topic Modelling, que é uma técnica estatística que revela a estrutura semântica existente num vasto grupo de documentos. O resultado final consiste em 29 grupos de palavras, que são depois associadas às camadas e às sub-camadas do ArchiMate com vista à obtenção de um modelo (o artefacto) que visa representar o ecossistema digital que está por detrás de um serviço de veículos autónomos partilhados numa área urbana. O artefacto (ou modelo de referência) é assim a solução proposta, uma construção com o potencial de ser aplicada em áreas urbanas, com o objetivo de representar o ecossistema digital necessário para que existam veículos autónomos partilhados. Nesta altura, o modelo proposto é ainda um modelo conceptual, embora baseado em dados científicos (artigos) e metodologias (Revisão Sistemática de Literatura, Topic Modelling) ainda tem de ser demonstrado e avaliado, o que é feito comparando o modelo com duas situações reais, o serviço da Waymo com veículos totalmente autónomos que existe em Phoenix (EUA) e o serviço providenciado pela Baidu em Pequim (China), realizando depois uma análise comparativa entre o que foi teoricamente obtido (o modelo de referência) e o que foi identificado nos dois exemplos reais. Com tal comparação, o modelo de referência é calibrado, obtendo-se então um modelo mais realista do que deve ser o ecossistema digital que suporta a existência de veículos autónomos partilhados em áreas urbanas. Os resultados alcançados são promissores, tanto os conceitos de Phoenix como os de Pequim são genericamente coincidentes com os conceitos do modelo de referência, mas as diferenças mesmo assim encontradas sugerem que mais diferenças podem existir, e assim os conceitos são avaliados por uma amostra de potenciais intervenientes de um ecossistema digital com capacidade de decisão, dando origem a um artefacto mais sólido e fiável. Em paralelo, com base numa segunda revisão sistemática de literatura, é apresentada uma ontologia de veículos autónomos partilhados, que de uma forma geral é confirmada pelo serviço de veículos autónomos partilhados oferecido pela GM em São Francisco. Para terminar, considerando a importância que tem uma entidade promovendo as soluções preconizadas, é também proposto um exercício complementar que consiste em transformar uma empresa Rent-a-Car num serviço de veículos autónomos partilhados. A última fase da metodologia Design Science Research é a comunicação, a qual é feita por via de artigos científicos publicados, artigos em jornais e participação em conferências setoriais. This PhD thesis has the title "Shared Autonomous Vehicles in Urban Areas” and aims to discuss the concepts that sustain its existence, using for that modelling languages. During this document, several modelling possibilities of the digital ecosystem that should exist to allow a shared autonomous vehicle service in a designated urban area are introduced, with the objective to reach a comprehensive base set of concepts. The followed methodology is based on Design Science Research, where 1. A problem is identified, then 2. Objectives are presented, 3. An Artifact (in this case, a reference model) is proposed 4. That Artifact is demonstrated 5. Then Evaluated to finally 6. Be communicated. Problem identification is related to present undeniable mobility constraints and consequent negative economic, environmental and social consequences. The objective is to find a way out to accelerate the adoption of shared solutions supported on autonomous vehicles, which can be part of the solution for referred problems. Once reached the current ridehailing service (e.g., Uber, Lift), that is nowadays an ultimate shared mobility achievement, the next step is to move on to the next mobility level, which is to explore a ridehailing service with vehicles without a driver. During this document, the advantages of this type of solution will be fully exposed. The artifact is a reference model that represents the digital ecosystem behind a shared autonomous vehicles system. For that, it is identified the most relevant literature through a Systematic Literature Research methodology, where it is possible to isolate from a group of articles a final set of 120 articles that matches the search string, which is built to identify studies about shared autonomous vehicles in urban areas. Those chosen articles contribute to answering research questions, raising the main topics related to SAV. An inevitable conclusion is that SAV introduction will happen and will solve important mobility constraints in urban areas, but to exist there is a precondition that needs to be previously fulfilled, which is the existence of a digital ecosystem supporting that type of service. To identify such a digital ecosystem, it is proposed a Topic Modelling approach, which is a statistical technique for revealing the underlying semantic structure in a large collection of documents. The final output is 29 group words, that are then associated with ArchiMate layers and sub-layers into a model (the artifact) that aims to represent the searched digital ecosystem behind SAVs in urban areas. The artifact (or reference model) is therefore the proposed solution, a construct with the potential to be instantiated in urban areas, aiming to represent the needed digital ecosystem to have SAVs. At this phase, the proposed model is still a conceptual framework, although based on scientific data (papers) and methods (SLR, Topic Modelling) it has still to be demonstrated and evaluated, which is done by comparing the model with two real situations, the Waymo ridehailing service with fully autonomous vehicles that exists in Phoenix (AZ, US) and the service provided by Baidu in Beijing, China, performing then a gap analysis between what was theoretically achieved (the reference model) and what is observed in both real examples. By doing that, the reference model is fine-tuned into a more realistic representation of what should be a digital ecosystem supporting the existence of SAV in urban areas. Reached results are promising, both Phoenix and Beijing concepts are generically coincident with most reference model concepts, but identified gaps leave the expectation that some more gaps might exist, so concepts are surveyed using a sample of potential digital ecosystem stakeholders with decision-making capacity, leading to a more solid and trustable artifact. In parallel, based on a second systematic literature review, it is presented an ontology of shared autonomous vehicles, that is overall confirmed by the ridehailing service offered by GM in San Francisco. To end up, considering the importance of having an entity promoting preconized solutions, it is also proposed a high-level complement exercise of how a RAC business can move on to be an SAV provider. The last stage of the Design Science Research Methodology is communication, which has been done through published papers, newspaper articles and participation in industry conferences.