Geri Dön

Cooperative vehicular systems and freeway traffic control applications: A method for cooperative merging in freeway traffic

İşbirlikçi taşıt sistemleri ve otoyol trafiği denetim uygulamaları: Otoyol trafiğinde işbirlikçi katılım için bir yöntem

PDF İndir

  1. Tez No: 677410
  2. Yazar: İSMET GÖKŞAD ERDAĞI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Ulaşım, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 119

Özet

Ulaştırma tarihi boyunca insanlar daha hızlı ve daha konforlu yolculuk yapmak amacıyla yeni yollar aradılar. Tekerleğin icadından itibaren yeni fikirler üreten insanoğlu içten yanmalı motorların keşfi ile karayolu ulaşımında büyük ilerleme kaydetti. Günümüzde ise geleceğin ulaşım araçları olarak insansız otonom taşıtlar görülmektedir. Otonom teknolojiye sahip taşıtlar bugün bile trafikte yer almaktadır. Günden güne sayılarının artıp çok uzak olmayan bir gelecekte trafik akımının tamamının otonom taşıtlardan oluşabileceğini öngörebiliriz. Birçok otomobil üreticisi şirket ise geliştirdikleri yeni modellerine boyuna hareketin tamamen otomatikleştirildiği sürücü destek sistemlerini eklemektedirler. Ancak bu tür sistemler yalnızca taşıtın boyuna hareketini belirlenen bir düzende gerçekleştirmesini sağlamaktadır. Gelişen iletişim teknolojileri ile günümüzde veri aktarımı hızı oldukça yükselmiştir. Taşıtların birbirleri ile kurdukları iletişim ve taşıtların çeşitli altyapı elemanları ile kurdukları iletişim kullanılarak çeşitli sistemler geliştirilmektedir. İşbirlikçi uyarlamalı seyir kontrol adı verilen bu sistemler ile taşıtların aralarındaki zaman cinsinden takip aralığı kısaltılabilmekte ve incelenen yollarda trafik akımında artış sağlanabilmektedir. Bu tür iletişime dayalı işbirlikçi sistemler ile trafiğin akışı herkes için eşit düzeyde fayda sağlayacak bir hale getirilebilir. Ancak, yalnızca boyuna hareketin işbirlikçi hale getirilmesi bu tür teknolojilerin getireceği potansiyel faydadan da tam olarak yararlanamamamıza neden olur. Özellikle, trafik akımının azalmasına neden olabilecek taşıt hareketlerinin yapıldığı yol kesimlerinde bu tür işbirlikçi sistemlerin kullanılması, iletişime dayalı sistemlerden elde edilebilecek faydayı artıracaktır. Tez kapsamında yapılan kaynakça araştırmasında öncelikle trafik akım kuramı ve trafik akım modelleri üzerinde durulmuştur. Trafik akım kuramı, trafiği oluşturan elemanlar arasındaki etkileşimi matematik fonksiyonları ile ifade edilmesine olanak sağlamakta olup, trafik akım modelleri ise trafiğin farklı ölçeklerde modellenmesini sağlamaktadır. Trafik akımının üç türetilmiş değişkeni olan yoğunluk, hız ve trafik akımı kullanılarak trafiğin temel ilişkisi açıklanmış, türetilmiş değişkenlerin birbirleri ile olan ilişkileri ise modelleme yöntemlerinde anlatılmıştır. Trafik akımının modellenmesinde incelenen ölçeğe bağlı olarak üç farklı yaklaşım vardır. Kaba boyutlu modeller, trafik akımının yayılımını üç türetilmiş değişkenin konum ve zamana bağlı olarak değişimleri üzerinden açıklar. Taşıtların, yol üzerinde yaptığı hareketler incelenmez, ancak yolcuların yolculuklarına başladıkları noktalar ve yolculuklarını bitirdikleri noktalar arasında kullandıkları rota ve ulaşım türünün seçimi üzerinde durulur. Bu tür modeller ulaşım planlaması alanında kullanılmaktadır, ek olarak trafik kontrol sistemlerinin oluşturulması için temel alınmaktadırlar. İnce boyutlu modeller ise taşıtların her birinin boyuna ve yanal hareketinin benzetim ortamında modellenmesini sağlayacak hareket fonksiyonlarını içerirler. Boyuna hareket modelleri, araç takip modeli, yanal hareket modelleri ise şerit değiştirme modeli olarak isimlendirilir. Bu modellerin kullanılması ile taşıtların yol ağı üzerinde yapacağı hareketler benzetim programları ile sağlanabilmektedir. Orta boyutlu modeller ise hem ince boyutlu modeller hem de kaba boyutlu modeller ile ortak özelliklere sahiptir. Basitleştirilmiş araç takip modelleri ile oluşturulan orta boyutlu modeller istenen zaman aralıklarına ait hız ve ivme gibi değerler sunabilmekte olup ince boyutlu modeller ile ortak özellikler sunabilmektedir. Ancak, bu değerleri taşıt özelinde değil, trafik akımını oluşturan taşıtlara ait ortak bir değer olarak sunmakta olup, kaba boyutlu modeller ile benzerlik taşırlar. Trafik akımı farklı ölçeklerde modellense de asıl amaç trafiğin gerçekçi bir şekilde benzetim ortamına aktarılmasıdır. Bu sayede, yapılması planlanan projelerin getirebileceği olası faydalar kıyaslanarak, en uygun projenin seçilmesi sağlanır. Otoyol kontrol sistemleri üzerinde yapılan birçok çalışmada bu tür modelleme yaklaşımlarından faydalanılmıştır. Akıllı ulaştırma sistemleri uygulamaları olarak isimlendirilen katılım denetimi, değişken hız sınırı ve rota rehberliği uygulamalarının olası getirilerinin değerlendirilmesinde modelleme yaklaşımlarından yararlanılmaktadır. Ek olarak, akıllı taşıt teknolojilerinin geliştirilmesinde de bu modelleme yaklaşımlarından faydalanılmaktadır. Akıllı taşıt teknolojileri üzerine hazırlanan kaynakça araştırması bölümünde, bu tür sistemlerin tarihsel gelişimi ve iletişim teknolojilerinin araç teknolojilerine eklenmesi ile geliştirilen sistemler anlatılmıştır. Tarihsel gelişim incelendiğinde, akıllı taşıtların ölçüm cihazları ile donatılarak önlerinde yer alan taşıtlara belirli zaman veya uzunluk cinsinden takip aralığı bırakmasını sağlayan sistemler görülmüştür. Akıllı otoyol sistemi olarak adlandırılan bir diğer sistemde ise taşıtların bir kontrol merkezinden yönetildiği bir otoyol önerilmiştir. Akıllı otoyol sistemleri ile taşıtların bir kontrol merkezi arasında iletişim kurabileceği öngörülmüştür. O nedenle, bu iki farklı sistemin işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolüne sahip taşıtların temeli olarak alınabileceği görülmektedir. İşbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü yalnızca boyuna hareketi kontrol etmesi nedeniyle destekleyici sistemlerin gerektiği açıktır. O nedenle, otoyolların kritik kesimleri belirlenerek, o kesimlere uygun destekleyici sistemler geliştirilmiştir. İşbirlikçi katılım denetimi ile taşıtların otoyol katılımları hızlı ve verimli bir şekilde sağlanarak, otoyol üzerinde ortalama hızın düşmemesi amaçlanmaktadır. Bu sayede, katılım kesimlerinde olması beklenen tıkanıklıkların önüne geçilmesi hedeflenmektedir. Bu tür sistemlerin geliştirilmesinde iki yöntem kullanılmaktadır. Kural tabanlı yöntemlerde taşıtların tanımlanan kurallar içerisinde birleşme manevrasını tamamlaması amaçlanmaktadır. Bir diğer yöntem ise yörünge optimizasyonu olarak adlandırılmaktadır. Bu yöntem ile taşıtların birleşme manevrası boyunca sahip olacağı hız ve ivme değerleri eniyilenmektedir. Tez içerisinde, bir otoyol katılımı üzerinden işbirlikçi katılım algoritması geliştirilmiş olup, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolüne sahip taşıtlardan oluşan bir trafik akımı için etkisi incelenmiştir. Geliştirilen işbirlikçi katılım algoritması, öncelikle taşıtlar arası iletişim ile toplanan bilgileri kullanarak birleşmek isteyen taşıta en yakın taşıtları bulmaktadır. Ön ve arkasında yer alan en yakın taşıtların belirlenmesinden sonra, bu taşıtlara ait hız ve konum bilgileri birleşmek isteyen taşıta aktarılmaktadır. Geliştirilen algoritmada, şerit değiştirme manevrasının beş saniyede tamamlanacağı kabul edilmiş olup, birleşme tamamlandıktan sonra birleşen taşıt ile arkasında yer alan en yakın taşıt arasındaki mesafenin on beş metre olması amaçlanmıştır. Bu nedenle, taşıtlardan toplanan bilgi bir optimizasyon probleminde girdi olarak kullanılarak taşıtın beş saniye boyunca sahip olacağı hız ve ivme değerleri belirlenmektedir. Bu işbirlikçi katılım algoritmasının başarısı, katılmanın hedeflendiği şeritteki taşıtların hızlarını değişen düzene göre ayarlamasına ve katılmanın hedeflendiği şeritteki taşıtlar arasında yeterli mesafenin bulunmasına bağlıdır. İlk şartın sağlanmasını, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü sağlamakta olup, ikinci şart için ise destekleyici otoyol kontrol sistemleri önerilmiştir. Önerilen katılım denetimi algoritması, taşıt ve altyapı elemanları arasındaki iletişimi kullanıp, taşıttan gelen bilgileri işlemektedir. Taşıtın konumu ile katılım denetimi yapılan noktanın konumu arasındaki mesafe elli metreye ulaştığında yeni bir taşıtın otoyola katılabilmesine izin verilmektedir. Önerilen değişken hız sınırı uygulamasında ise, katılım kesiminde ortalama hızın düşeceği öngörüsünden faydalanılmıştır. Yeni taşıtlar katıldıkça ana koldan ilerleyen taşıtlar hızlarını düşürecektir. Bu nedenle, katılım kesiminden akım yukarı yönde kuyruk oluşması beklenmektedir. Bu durumun önlenmesi amacıyla, katılım kesiminden akım yukarı yönde bulunan bir kesimde değişken hız sınırı uygulaması yapılmıştır. Değişken hız sınırı ise, katılım kesimindeki ortalama hız olarak belirlenmiştir. Taşıtlar hız sınırı uygulanan kesimde kuyruklanma oluşturup, devamında hızlanmaları için sağlanan kesime girmektedir. Hızlanan taşıtlar arasındaki mesafe cinsinden takip aralığı da artış göstermektedir. Kontrollü şekilde oluşturulan kuyruk boyuna ve belirlenen bir alt hız sınırı değerine bağlı olarak bu sistem devre dışı kalmaktadır. Oluşturulan sistemlerin sınanması amacıyla bin yüz metre uzunluğunda tek şeritli bir otoyol modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan otoyolun, herhangi bir otoyola ait en sağ şeridi temsil ettiği kabul edilmiştir. Katılım kesiminde ise hızlanma şeridi nedeniyle iki şerit uygulanmıştır. Tasarlanan yol ağı, ince boyutlu bir trafik benzetim yazılımında modellenmiştir. Trafiği oluşturan taşıtlara ait bilgiler, trafik benzetim yazılımı kullanılarak tasarlanmıştır. Önerilen işbirlikçi katılım algoritması ve otoyol kontrol sistemleri ise kullanılan yazılıma uygun bir kodlama dilinde yazılarak, yazılıma eklenmiştir. Önerilen tüm sistemlerin farklı akım koşullarında etkinliğinin sınanması amacıyla dört talep düzeyi belirlenmiştir. Toplam altı senaryo oluşturulmuştur. Birinci senaryoda yalnızca işbirlikçi katılım algoritması, ikinci senaryoda işbirlikçi katılım algoritması ve katılım denetimi uygulaması ve üçüncü senaryoda önerilen tüm sistemler birlikte uygulanmıştır. Karşılaştırma amacıyla ise, sürücülerin şerit değiştirmelerini kendi yaptığı durum kullanılmıştır. Bu şerit değiştirme davranışının modellenmesinde ise kullanılan trafik benzetim yazılımının sahip olduğu şerit değiştirme modeli kullanılmıştır. Bu şerit değiştirme modeli ve önerilen otoyol kontrol sistemleri kullanılarak üç farklı karşılaştırma senaryosu oluşturulmuştur. Dördüncü senaryoda, yalnızca insan sürücü şerit değiştirme modeli, beşinci senaryo için katılım denetimi uygulaması eklenmiş olup, altıncı senaryoda önerilen otoyol kontrol sistemlerinin tümü şerit değiştirmelerin sürücü tarafından yapıldığı trafik akımında uygulanmıştır. Tüm senaryolar için taşıtların boyuna hareketleri, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü ile sağlanmıştır. Her bir senaryo, oluşturulan dört farklı talep düzeyinde test edilmiştir. Benzetim süresi ise bir saat olarak belirlenmiş olup, bir saatlik sonuçlar grafikler ile sunulmuştur. Öncelikle her bir senaryoya ait hız-yoğunluk ve yoğunluk-trafik akımı grafikleri üzerinden kapasite analizi yapılmıştır. Ek olarak her senaryoya ait kritik hız ve kritik yoğunluk değerleri belirlenmiştir. Taşıtlar arası zaman cinsinden takip aralığı kullanılarak hesaplanan kuramsal kapasite değeri ile senaryoların kapasite kullanım oranları belirlenmiştir. Devamında her bir talep düzeyinde, senaryolara ait hız ve yoğunluk değerlerinin zamana ve konuma bağlı değişimi sunulmuştur. Bu sayede, önerilen sistemler ile tıkanıklığın önlenebileceği gösterilmiştir. Üçüncü karşılaştırma için ise yolculuk süreleri kullanılmıştır. Her bir yolculuk kaydedilmiş olup, başlangıç noktalarına göre ayrılmıştır. Bu sayede her bir talep düzeyinde elde edilen ortalama yolculuk süreleri üzerinde karşılaştırma yapılmıştır. Son karşılaştırma için ise çevresel ölçütler dikkate alınmıştır. Her bir talep düzeyinde, senaryolara ait toplam salım değerleri kullanılan trafik benzetim yazılımına hesaplatılmıştır. Yapılan karşılaştırma ile trafik akım koşullarının iyileştirilmesinin çevre üzerine etkileri incelenmiştir. Tez sonucunda elde edilen çıkarımlar ise ikiye ayrılarak açıklanmıştır. İlkinde, işbirlikçi katılım algoritmasına ait çıkarımlar sunulmuştur. Öncelikle, her bir talep düzeyinde istenen etkinin sağlanamadığı görülmüştür. Ancak bu talep düzeylerinde, insan sürücülerin şerit değiştirme davranışları da olumlu etki yaratmamıştır. Dolayısıyla, trafik talebinin bu seviyelere çıkmasının engellenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Kapasite kullanım oranlarının ise önerilen sistemler ile artırılabileceği gösterilmiştir. Ancak, olumlu sonuçların elde edilebilmesi için trafik talebinin yönetilmesi gereklidir. Ek olarak, toplam talebin aynı olduğu iki farklı talep düzeyinde, katılımdaki trafik talebinin düşürülmesi ile daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu sayede, işbirlikçi katılım algoritmasının etkinliğinin artırılması amacıyla uygulanması gereken otoyol kontrol sistemleri tartışılmıştır. İkincide ise, önerilen otoyol kontrol sistemlerine ait çıkarımlar sunulmuştur. Öncelikle, önerilen işbirlikçi katılım algoritmasının etkinliğinin artırılması için yapılması gereken değişikler anlatılmıştır. Ek olarak, trafik talebinin düşük olduğu durumlar değişken hız sınırı uygulamasının durdurabileceği söylenmiştir.

Özet (Çeviri)

Since the beginning of transportation, people have found new ideas to make traveling faster and more comfortable. From starting the invention of the wheel, humanity has accomplished a lot. Now, automated vehicles have become a part of the traffic. Soon, maybe there will be no non-automated vehicles in traffic. Therefore, we need to be ready to design a fully automated traffic environment. Furthermore, with the developments of communication technologies, information exchange between vehicles has become possible. These technologies are mostly exploited to provide connected and automated driving systems, which provide longitudinal movement of the vehicles. However, there is a huge opportunity to create a fully cooperative and automated traffic environment utilizing Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) communications. In this thesis, these technologies are utilized to develop a cooperative merging system for freeway networks. The proposed cooperative merging system provides merging maneuver for a vehicle by using speed and position information of surrounding vehicles. The problem is formulated as an optimization problem, which aims to find the optimum acceleration values to complete the merging maneuver. Furthermore, since the proposed cooperative merging algorithm relies on finding spaces on the target lanes, a ramp metering (RM) algorithm and a variable speed limit (VSL) algorithm are developed to increase the spacing between vehicles. The proposed freeway control systems rely on V2I communication. The provided information by the vehicles is utilized to determine the signal phase and the speed limit. The RM algorithm decides whether a vehicle should pass or wait by using the position data of the last vehicle, that has passed the ramp meter. If the distance between the ramp meter and the last vehicle passing that ramp meter reaches 50 meters, the green time starts. The VSL algorithm is designed to prevent merging at lower speeds. Therefore, the average speed of the merging segment is set as a speed limit on a segment, which lies 100 meters upstream from the merging segment. Each proposed system has been successfully integrated into a microscopic traffic simulation software. To test the proposed systems, six scenarios are determined. For all of the scenarios, the longitudinal vehicle movement is provided by cooperative adaptive cruise control (CACC). The scenarios vary from each other in terms of including the cooperative merging algorithm, including the RM algorithm, and including RM and VSL algorithm together. To include human driver lane changes, the default lane change model of the utilized simulation software is used. Each scenario is tested for four demand levels. During simulations, speed, density, and flow measurements are collected from the specified locations on the network. Each completed trips are recorded and separated in terms of their origin points. Finally, the emissions are calculated by the default emission model of the utilized traffic simulation software. First of all, the macroscopic fundamental diagrams of each scenario are drawn. Critical speed and critical density values are determined. The capacity and the effective use of theoretical capacity are stated for each scenario. Then, the speed and density variations over the network are presented. The effects of traffic demand on the success of the proposed systems are discussed with the speed and density variations over the network. The recorded travel data for each scenario at different demand levels are presented. The harmonizing effect of the proposed systems is explained utilizing the travel times. Total emissions are also presented. Increasing the speed and the capacity may cause increase in total emissions. Therefore, the potential adverse effect of the proposed systems is explained using travel times and total emissions collected from each scenario for different demand levels. Finally, the possible improvements provided by the proposed systems and potential developments for the proposed system are discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    722181

    Effects of cooperative vehicle dynamics on traffic flow control

    İşbirlikçi taşıt dinamiklerinin trafik akım denetimine etkileri

    MEHMET ALİ SİLGU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Trafikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU

  2. Tez No

    656727

    Cooperative vehicular communication systems with physical layer security and noma techniques

    Fiziksel katman güvenliği ve noma teknikleri ile işbirliklikli araçlar arası iletişim sistemleri

    SEMİHA KOŞU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA

    DR. SERDAR ÖZGÜR ATA

  3. Tez No

    900898

    Cooperative control of multi-agent system under time delay

    Çok ajanlı sistemlerin zaman gecikmesi altında eş zamanlı kontrolü

    ŞİRİN AKKAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

  4. Tez No

    520301

    Visible light positioning systems: Fundamental limits, algorithms and resource allocation approaches

    Görünür ışık konumlandırma sistemleri: Temel sınırlar, algoritmalar ve kaynak tahsisi yaklaşımları

    MUSA FURKAN KESKİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNAN GEZİCİ

  5. Tez No

    451153

    Design of vehicular communication systems employing physical layer network coding over cascaded fading channels

    Kaskad sönümlemeli kanallarda fiziksel katman ağ kodlama yapan araçlar arası haberleşme sistemlerinin tasarımı

    SERDAR ÖZGÜR ATA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

Geri Dön