Platooning of autonomous trucks and the durability of bridges, or the unexpected consequences of innovation
dr hab. inż. Andrzej Katunin, prof. PŚ
Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska, członek Akademii Młodych Uczonych PAN
Streszczenie
Czy rozwiązanie opracowane z myślą o zwiększeniu efektywności transportu może jednocześnie przyspieszać zużycie infrastruktury drogowej? Rozwój autonomicznych systemów transportowych sprawia, że koncepcja truck platooning, polegająca na poruszaniu się kolumn ciężarówek w niewielkich odstępach, staje się coraz bliższa praktycznym wdrożeniom. O ile korzyści w postaci zmniejszenia zużycia paliwa, redukcji emisji oraz zwiększenia przepustowości dróg są dobrze udokumentowane, o tyle znacznie mniej uwagi poświęca się wpływowi tego rozwiązania na konstrukcje mostowe. W artykule omówiono zasadę działania platooningu oraz przedstawiono wyniki najnowszych badań dotyczących jego oddziaływania na mosty. Szczególną uwagę zwrócono na zjawiska dynamiczne, zmęczenie materiałów oraz wpływ niewielkich odstępów między pojazdami na trwałość konstrukcji. Przedstawiono również rolę systemów monitorowania stanu konstrukcji (SHM) oraz cyfrowych bliźniaków w ocenie bezpieczeństwa mostów eksploatowanych w warunkach ruchu autonomicznego. Pokazano, że rozwój inteligentnego transportu może wymagać nowego podejścia do projektowania, monitorowania i utrzymania infrastruktury mostowej.
Słowa kluczowe: platooning, ciężarówki autonomiczne, mosty, trwałość zmęczeniowa, monitorowanie stanu konstrukcji, inteligentny transport
Abstract
Can a solution developed to improve transport efficiency simultaneously accelerate the deterioration of road infrastructure? The rapid development of autonomous transport systems is bringing the concept of truck platooning, in which groups of trucks travel in close succession with short inter-vehicle distances, closer to practical implementation. While the benefits of reduced fuel consumption, lower emissions, and increased road capacity are well documented, considerably less attention has been paid to the impact of this solution on bridge structures. This paper explains the operating principles of truck platooning and presents the findings of recent studies on its effects on bridges. Particular attention is given to dynamic phenomena, material fatigue, and the influence of short inter-vehicle spacing on the service life of bridge structures. The role of structural health monitoring (SHM) systems and digital twins in assessing the safety of bridges operating under autonomous traffic conditions is also discussed. The paper demonstrates that the development of intelligent transportation systems may require a new approach to the design, monitoring, and maintenance of bridge infrastructure.
Keywords: platooning, autonomous trucks, bridges, fatigue life, structural health monitoring, intelligent transportation.
Autonomia i istota platooningu
Autonomizacja transportu drogowego jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się kierunków współczesnej inżynierii. Rozwój systemów wspomagania kierowcy, komunikacji typu pojazd-pojazd (Vehicle-to-Vehicle, V2V) oraz pojazd-infrastruktura (Vehicle-to-Infrastructure, V2I), a także sieci 5G i zaawansowanych algorytmów sterowania sprawiają, że coraz bardziej realna staje się eksploatacja ciężarówek poruszających się w zautomatyzowanych kolumnach, określanych jako truck platoons. Jeszcze kilka lat temu rozwiązanie to było domeną projektów badawczych [1], dziś jest intensywnie rozwijane przez producentów pojazdów ciężarowych, operatorów logistycznych i zarządców infrastruktury transportowej.
Koncepcja truck platooningu polega na poruszaniu się dwóch lub większej liczby ciężarówek w niewielkich, precyzyjnie utrzymywanych odstępach, zwykle od kilku do kilkunastu metrów. Synchronizacja ruchu odbywa się dzięki komunikacji bezprzewodowej oraz systemom automatycznego sterowania, które umożliwiają niemal jednoczesne hamowanie, przyspieszanie i utrzymywanie zadanej odległości między pojazdami. W praktyce tylko pojazd prowadzący podejmuje decyzje dotyczące trajektorii ruchu, natomiast kolejne pojazdy automatycznie odtwarzają jego manewry z opóźnieniem liczonym w milisekundach. Takie rozwiązanie pozwala znacząco ograniczyć wpływ czasu reakcji kierowcy, będącego głównym czynnikiem ograniczającym minimalny odstęp między pojazdami w tradycyjnym ruchu drogowym [1].
Najczęściej podkreślaną zaletą platooningu jest poprawa efektywności transportu. Niewielkie odległości między ciężarówkami zmniejszają opór aerodynamiczny działający na pojazdy, co wpływa na redukcję zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla. Dodatkowo zsynchronizowany ruch pozwala zwiększyć przepustowość autostrad, ograniczyć liczbę gwałtownych manewrów oraz poprawić płynność ruchu. Z punktu widzenia operatorów transportowych oznacza to niższe koszty eksploatacji, natomiast dla społeczeństwa – mniejsze zużycie energii oraz ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Z tego względu platooning jest postrzegany jako jeden z istotnych elementów rozwoju inteligentnych systemów transportowych i przyszłej mobilności autonomicznej.
Korzyści te spowodowały, że badania nad platooningiem koncentrowały się początkowo przede wszystkim na zagadnieniach logistyki, bezpieczeństwa ruchu i sterowania pojazdami. Dopiero w ostatnich latach coraz większą uwagę zaczęto poświęcać wpływowi autonomicznych kolumn ciężarówek na infrastrukturę drogową, a zwłaszcza na mosty [2, 3]. Problem ten jest szczególnie istotny, ponieważ obowiązujące przepisy projektowe oraz modele obciążeń ruchomych powstawały w czasach, gdy ruch ciężarówek miał charakter losowy, a minimalne odstępy między pojazdami wynikały z możliwości percepcyjnych kierowców. Tymczasem autonomiczne kolumny pojazdów generują nowy rodzaj obciążenia, który jest bardziej uporządkowany, powtarzalny i skoncentrowany w czasie.
Platooning jako nowe wyzwanie dla konstrukcji mostowych
W ujęciu inżynierii mostowej zasadnicza różnica pomiędzy ruchem konwencjonalnym a platooningiem nie wynika z masy pojazdów, lecz ze sposobu przekazywania obciążeń na konstrukcję. Dotychczasowe modele obciążeń ruchomych, przyjęte m.in. w Eurokodach i normach AASHTO, opracowano przy założeniu losowego charakteru ruchu drogowego. Wprowadzenie autonomicznych kolumn ciężarówek oznacza pojawienie się nowego schematu obciążenia, charakteryzującego się dużą regularnością oraz powtarzalnością oddziaływań dynamicznych.
Wbrew intuicji problem nie wynika ze wzrostu masy pojazdów. Masa pojedynczej ciężarówki pozostaje taka sama jak obecnie, jednak kilka pojazdów jadących w niewielkich odstępach może wywoływać odpowiedź dynamiczną konstrukcji istotnie różniącą się od obserwowanej podczas klasycznego ruchu drogowego. Coraz liczniejsze analizy numeryczne (patrz np. [4]) wskazują, że w określonych konfiguracjach prędkości i odstępów może dochodzić do zwiększenia współczynnika dynamicznego obciążenia, a nawet do lokalnych zjawisk rezonansowych, które nie były uwzględniane podczas projektowania wielu istniejących obiektów mostowych [3].
Badania opublikowane w ostatnich latach [3, 5] pokazują również, że zwiększenie odstępu między pojazdami nie zawsze prowadzi do zmniejszenia oddziaływań dynamicznych. Odpowiedź konstrukcji zależy jednocześnie od prędkości przejazdu, liczby pojazdów w kolumnie, rozpiętości mostu, jego częstotliwości własnych oraz stanu nawierzchni. Oznacza to, że nawet niewielkie zmiany konfiguracji platoonu mogą powodować znaczące różnice w odpowiedzi dynamicznej mostu oraz w intensywności oddziaływań zmęczeniowych.
W rezultacie platooning przestaje być wyłącznie zagadnieniem transportowym, a staje się nowym wyzwaniem dla inżynierii mostowej. Coraz częściej podkreśla się, że wdrażanie autonomicznego transportu ciężkiego powinno być analizowane równolegle z oceną nośności i trwałości istniejącej infrastruktury oraz rozwojem systemów monitorowania stanu konstrukcji [6-8]. Oznacza to konieczność ścisłej współpracy specjalistów z zakresu transportu, mechaniki konstrukcji, dynamiki mostów i monitorowania infrastruktury, aby korzyści wynikające z rozwoju inteligentnego transportu nie odbywały się kosztem bezpieczeństwa i trwałości obiektów inżynierskich.
Monitorowanie mostów w dobie transportu autonomicznego
Jednym z najważniejszych skutków upowszechnienia platooningu może okazać się nie wzrost maksymalnych obciążeń mostów, lecz zmiana sposobu ich oddziaływania na konstrukcję. Regularne przejazdy kolumn ciężarówek oznaczają większą liczbę powtarzalnych cykli obciążenia, a to właśnie one w największym stopniu decydują o trwałości zmęczeniowej obiektów mostowych. W efekcie nawet konstrukcje spełniające wymagania nośności mogą z upływem czasu wykazywać szybszy rozwój uszkodzeń zmęczeniowych, zwłaszcza jeśli zostały zaprojektowane kilkadziesiąt lat temu według odmiennych założeń dotyczących organizacji ruchu.
W tej sytuacji coraz większego znaczenia nabiera nie tylko projektowanie nowych mostów, ale również bieżąca ocena stanu istniejącej infrastruktury. Coraz częściej odchodzi się od okresowych przeglądów wykonywanych co kilka lat na rzecz ciągłego monitorowania konstrukcji z wykorzystaniem systemów SHM. Pozwalają one śledzić zmiany odkształceń, drgań i innych parametrów pracy mostu, a tym samym wykrywać pierwsze symptomy degradacji jeszcze przed pojawieniem się widocznych uszkodzeń.
Rozwój technologii pomiarowych sprawia, że współczesne systemy SHM coraz częściej wykorzystują bezkontaktowe metody diagnostyczne. Szczególnie obiecujące są techniki oparte na skanującej wibrometrii laserowej, umożliwiającej precyzyjny pomiar drgań całej konstrukcji bez konieczności instalowania czujników na obiekcie. Coraz większe znaczenie zyskuje również szybka trójwymiarowa cyfrowa korelacja obrazu, pozwalająca na pełnopolowy pomiar przemieszczeń i odkształceń mostów podczas przejazdu pojazdów. Uzupełnieniem tych metod jest operacyjna analiza modalna, stanowiąca klasykę w takich inspekcjach, dzięki której możliwa jest identyfikacja parametrów dynamicznych konstrukcji na podstawie jej odpowiedzi podczas normalnej eksploatacji, bez konieczności stosowania wymuszeń kontrolowanych. Połączenie tych technik z klasycznymi systemami czujnikowymi pozwala nie tylko monitorować bieżący stan mostu, ale również weryfikować modele numeryczne wykorzystywane do oceny wpływu platooningu na odpowiedź dynamiczną konstrukcji. Jest to szczególnie istotne, ponieważ zdecydowana większość dotychczasowych badań opiera się na analizach numerycznych, podczas gdy eksperymentalna walidacja zachowania mostów w warunkach przejazdu autonomicznych kolumn pojazdów pozostaje nadal ograniczona.
Kolejnym krokiem jest integracja danych pomiarowych z modelami numerycznymi w postaci cyfrowych bliźniaków (Digital Twin). Takie rozwiązanie umożliwia nie tylko ocenę aktualnego stanu technicznego, lecz także prognozowanie trwałości konstrukcji oraz planowanie działań utrzymaniowych z uwzględnieniem rzeczywistej historii obciążeń. To właśnie w tym kierunku zmierza współczesna inżynieria mostowa. W erze autonomicznego transportu bezpieczeństwo infrastruktury będzie zależało nie tylko od jej nośności, ale również od zdolności do ciągłej obserwacji, analizy i prognozowania zachowania konstrukcji. Można oczekiwać, że systemy SHM, wspierane przez bezkontaktowe techniki pomiarowe i cyfrowe bliźniaki, staną się standardowym elementem mostów przyszłości, umożliwiając bezpieczne wdrażanie platooningu oraz innych rozwiązań inteligentnego transportu.
Wyzwania przyszłości i podsumowanie
Naturalnym rozwinięciem tych technologii jest koncepcja cyfrowego bliźniaka, stanowiąca podstawę dynamicznie rozwijających się platform monitorowania i zarządzania cyklem życia konstrukcji. Dzięki integracji danych pomiarowych z modelami numerycznymi możliwe będzie nie tylko bieżące odwzorowanie stanu konstrukcji, ale również prognozowanie jej zachowania przy zmieniającym się natężeniu ruchu i różnych konfiguracjach platoonów. W przyszłości takie modele mogą być aktualizowane automatycznie na podstawie danych zbieranych podczas codziennej eksploatacji, tworząc podstawę predykcyjnego utrzymania infrastruktury.
Jeszcze dalej sięga wizja inteligentnych mostów, zdolnych do współpracy z pojazdami autonomicznymi. Rozwijane obecnie systemy komunikacji V2I umożliwiają wymianę informacji pomiędzy infrastrukturą a pojazdami. W praktyce oznacza to, że most będzie mógł przekazywać dane o swoim stanie technicznym, dopuszczalnym obciążeniu czy aktualnych warunkach eksploatacji, natomiast autonomiczne ciężarówki będą mogły automatycznie dostosowywać prędkość, liczbę pojazdów w platoonie lub wzajemne odstępy podczas przejazdu przez obiekt. Takie rozwiązania pozwolą ograniczyć niekorzystne oddziaływania dynamiczne bez pogorszenia efektywności transportu.
W kolejnych latach coraz większego znaczenia nabierze również wykorzystanie sztucznej inteligencji do analizy ogromnych zbiorów danych pochodzących z systemów monitorowania. Algorytmy uczenia maszynowego będą mogły wykrywać pierwsze symptomy degradacji, przewidywać tempo rozwoju uszkodzeń oraz wspierać zarządców infrastruktury w podejmowaniu decyzji dotyczących remontów czy organizacji ruchu. W efekcie utrzymanie mostów będzie opierało się nie na harmonogramach przeglądów, lecz na rzeczywistym stanie technicznym konstrukcji.
Platooning ciężarówek autonomicznych pokazuje, że nawet rozwiązania projektowane z myślą o poprawie efektywności transportu mogą wywoływać nieoczywiste konsekwencje dla infrastruktury. Jednocześnie stwarzają one impuls do rozwoju nowoczesnych metod monitorowania, diagnostyki i zarządzania stanem konstrukcji. Można oczekiwać, że mosty przyszłości przestaną być jedynie biernymi elementami sieci drogowej, a staną się inteligentnymi obiektami zdolnymi do komunikacji, samodiagnostyki i wspierania bezpiecznego funkcjonowania autonomicznego transportu. To właśnie połączenie mechaniki konstrukcji, systemów monitorowania i cyfrowych technologii będzie wyznaczało kierunek rozwoju inżynierii mostowej w nadchodzących dekadach.
Nie oznacza to jednak, że wizja inteligentnych mostów stanie się rzeczywistością w najbliższych latach. Jej realizacja będzie wymagała rozwiązania wielu problemów technicznych i organizacyjnych, począwszy od standaryzacji systemów komunikacji pomiędzy pojazdami i infrastrukturą, przez zapewnienie niezawodności oraz cyberbezpieczeństwa systemów monitorowania, aż po opracowanie nowych procedur projektowych i zasad certyfikacji. Istotnym wyzwaniem pozostają również koszty wdrożenia i utrzymania takich rozwiązań, szczególnie w odniesieniu do istniejących mostów, które w większości projektowano bez uwzględnienia współpracy z inteligentnymi systemami transportowymi. Niewykluczone więc, że przez wiele lat najbardziej efektywnym rozwiązaniem będzie stopniowe wdrażanie technologii monitorowania i zarządzania jedynie na wybranych, strategicznych obiektach infrastruktury.
Literatura
[1] A.K. Bhoopalam, N. Agatz, R. Zuidwijk, Planning of truck platoons: A literature review and directions for future research, Transportation Research Part B: Methodological 107, 2018, 212-228.
[2] M.T. Yarnold, J.S. Weidner, Truck platoon impacts on steel girder bridges, Journal of Bridge Engineering 24, 2019, 04019004.
[3] T. Ling, R. Cao, L. Deng, W. He, X. Wu, W. Zhong, Dynamic impact of automated truck platooning on highway bridges, Engineering Structures 262, 2022, 114326.
[4] S.H. Sajid, A. Ahmad, L. Chouinard, Dynamic load allowance of bridges subject to autonomous truck platooning, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 2680, 2025, 779-799.
[5] T. Ling, L. Deng, W. He, H. Wu, J. Deng, Load effect of automated truck platooning on highway bridges and loading strategy, Sensors 22, 2022, 7704.
[6] S. Sajid, L. Chouinard, F. Legeron, T. Ude, E. He, J. Ajrab, Reliability analysis of bridges for autonomous truck platoons, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 2677, 2022, 1071-1081.
[7] M.T. Elshazli, A. Ibrahim, A. Abdel-Rahim, Truck platooning impact on existing Bridges’ load ratings, Structures 51, 2023, 1706-1721.
[8] M. Xu, C. Yang, Structural adequacy and network criticality: An integrated approach for prioritizing bridge adaptation to automated truck platooning, Journal of Bridge Engineering 30, 2025, 04025009.
