Effects of cooperative vehicle dynamics on traffic flow control
İşbirlikçi taşıt dinamiklerinin trafik akım denetimine etkileri
- Tez No: 722181
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Trafik, Ulaşım, İnşaat Mühendisliği, Traffic, Transportation, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 142
Özet
Taşıtların kendi arasındaki ve altyapıyla arasındaki iletişebilirliğin, trafik akımını gerek tıkanıklık gerekse güvenlik yönünden düzenlemek adına önemli potansiyele sahip olduğu ve söz konusu potansiyelin değerlendirilmesi için günümüzde gerek taşıt teknolojisinde gerekse trafik modelleme ve yönetim kuram ve uygulamalarında önemli mesafe kat edildiği bilinmektedir. Taşıt-taşıt ve taşıt-altyapı sistemlerinin uyarlamalı seyir denetimine (sürücü tarafından belirlenmiş tercihlere göre, taşıt içi yerleşik ekipmanlar kullanarak öndeki taşıtla uyum içinde dinamik hız ve mesafe denetimi) ve taşıt gruplarının işbirlikçi uyarlamalı seyir denetimine (taşıt içi yerleşik ekipmanı ve yakındaki taşıtların verilerini kullanarak değişken hız ve mesafe denetimi) bütünleştirilmesi ile trafik tıkanıklığı kavramıyla başa çıkmak amaçlı gerçek-zamanlı ve bütünleşik trafik yönetim sistemleri geliştirilmeye başlanmıştır. Akıllı sistemlerle denetim/yönetim; trafik kazalarının azaltılmasında, yolların, sürücülerin ve yayaların güvenlik ve emniyetlerinin arttırılmasında, ek şeritler inşa ederek altyapı maliyetlerinin artması yerine kapasitenin etkin kullanılarak trafik tıkanıklığının azaltılmasında, trafiğin izlenerek gerçek zamanlı yönetilmesi ve yönlendirilmesinde, tıkanıklığın azaltılmasına bağlı olarak yolculuk sürelerinin azaltılmasında, yolu kullananların konforlarının arttırılmasında ve trafik kaynaklı emisyon salımlarının azaltılmasında fayda sağlar. Bu tez çalışmasında, işbirlikçi seyir uyarlamalı denetime sahip taşıtların olduğu bir trafik akımında katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulamalarının kullanılması ile yolların kapasitelerinin etkin kullanımı, tıkanıklığın azaltılması, yolculuk sürelerinin azaltılması ve gaz salımlarının azaltılmasına yönelik bir bütünleşik denetim yaklaşımı önerilmiştir. Geliştirilen denetim çerçevesi, H∞ denetim yaklaşımına sahip olup, kaynakçada ilk kez H∞ denetim yaklaşımın hem katılım denetimi hem de değişken hız kısıtını bütünleştiren bir yaklaşımla gerçek bir yol ağı ve gerçek trafik verisi kullanılması esasına dayandırılmıştır. Çalışma kapsamında seçilen gerçek otoyol ağ parçası, İstanbul ili Kağıthane ilçesi Seyrantepe ile Hasdal mevkileri arasında yer alan ve Seyrantepe ile Metris kavşakları arasındaki yaklaşık on kilometre uzunluğunda ve dört adet katılma ile bir adet ayrılmayı içeren kesimden oluşmaktadır. İlgili yol ağı parçası, ana akımda şerit sayısı değişikliklerinin olduğu ve ana akıma katılım kollarının, aralarındaki ardışık mesafelerin önemli biçimde farklılaşmasından dolayı seçilmiştir. Çalışma kapsamında yerel idareden ilgili yol ağı parçasına ilişkin taşıt sayısı, hız ve işgal gibi trafik akım büyüklükleri temin edilmiştir. Elde edilen trafik akım büyüklükleri, çalışma kapsamında kullanılan ince boyutlu trafik benzetim yazılımlarına girdi oluşturmuştur. Çalışma kapsamında kullanılan ve otoyol ağ parçası için katılım denetimi ve değişken hız kısıtını bütünleştiren H∞ denetim yaklaşımında, kaba boyutlu trafik akım modeli olarak Lighthill-Whitham-Richards (LWR) modeli kullanılmış olup, ilk olarak sistem matrisleri oluşturulmuştur. Oluşturulan sistem matrisleri, Doğrusal Matris Eşitsizliği Çözücüsü yardımıyla çözüldükten sonra çıktı olarak geri besleme kazancını vermektedir. Elde edilen geri besleme kazancı, denetim fonksiyonuna girdi olmakta ve akıma ilişkin düzenlemeleri trafik benzetim yazılımı ile eş zamanlı olarak gerçekleştirmektedir. H∞ denetim yaklaşımı, çalışma kapsamında kullanılan iki farklı trafik benzetim yazılımına farklı yazılımlar kullanılarak bütünleştirilmiştir. Kullanılan iki trafik benzetim yazılımından PTV VISSIM'e, H∞ denetim yaklaşımının bütünleştirilmesinde MATLAB yazılımı kullanılmış, bütünleştirme işlemi Bileşen Nesne Modeli Arayüzü aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, PTV VISSIM ile H∞ denetim yaklaşımının bütünleştirildiği çalışmada, denetimin uygulanması ile uygulanmaması arasındaki fark, işgal ve sistemden çıkan toplam araç sayısı açısından ortaya konmuştur. Faydalanılan ikinci benzetim yazılımı olan SUMO ile H∞ denetim yaklaşımı, Python programlama dili kullanılarak SUMO içerisinde bütünleşik bulunan Trafik Denetim Arayüzü aracılığıyla bütünleştirilmiştir. SUMO benzetim yazılımı ile H∞ denetim yaklaşımının bütünleştirilmesi sonucu dört farklı ana senaryo kurgulanmıştır. Söz konusu ana senaryolar sırasıyla; denetimin olmadığı, katılım denetiminin ALINEA algoritmasıyla sağlandığı, katılım denetiminin H∞ denetim yaklaşımı kullanılarak sağlandığı ve hem katılım denetiminin hem de değişken hız kısıtının H∞ denetim yaklaşımı ile bütünleşik ele alınmasıdır. Burada özellikle hem katılım denetiminin hem de değişken hız kısıtının H∞ denetim yaklaşımı ile bütünleşik ele alındığı durumda; işbirlikçi seyir uyarlamalı denetime sahip taşıtların etkin penetrasyon oranlarının belirlenmesi için 42 farklı alt senaryo kurgulanmıştır. Penetrasyon oranı, işbirlikçi seyir uyarlamalı denetime sahip taşıtların trafik akımı içerisindeki oranlarını temsil etmektedir. Kurgulanan 42 farklı senaryo için, penetrasyon oranları %0 ile %20 arasında %1 arttırılmış, %20 ile %40 arasında %2 arttırılmış, %40 ile %60 arasında %4 arttırılmış, %60 ile %80 arasında %5 arttırılmış, %80 ile %100 arasında ise %10 arttırılmıştır. Her bir senaryo sonucu elde edilen çıktılar, toplam sistem yolculuk süresi, sistemden çıkan toplam taşıt sayısı, gaz salımları ve toplam kırmızı süredeki değişimler göz önüne alınarak görselleştirilmiştir. Gerek PTV VISSIM, gerekse de SUMO yazılımına girdi olan taşıt sayısı ve hız verilerinin gerçek durumu temsil etmesi için kalibrasyon yapılmıştır. Kalibrasyonda, VISSIM trafik benzetim yazılımı için Wiedemann99 araç takip modeli parametreleri dikkate alınmıştır. SUMO trafik benzetim yazılımında ise Akıllı Sürücü Modeli temel alınarak, araç takip modeli parametreleri düzenlenmiştir. Hem SUMO hem de VISSIM benzetim yazılımları kullanılarak yapılan kalibrasyon işleminin gerçek durumu ne kadar yansıttığına ilişkin GEH istatistikleri ve Theil katsayıları hesaplanmıştır. Girdi verisi ile çıktı verisi arasındaki ilişkiyi irdeleyen GEH istatistiğine göre, benzetim sonucunun en az %85'inin GEH istatistiği 5'den düşük bulunmuştur. SUMO trafik benzetim yazılımı kullanılarak oluşturulan işbirlikçi seyir uyarlamalı denetime sahip taşıtların etkin penetrasyon oranlarının belirlendiği alt senaryolarda ise işbirlikçi seyir uyarlamalı denetime sahip taşıtların araç takip modellemesinde Milanes ve Shladover tarafından geliştirilen model, şerit değiştirme modeli olarak ise SUMO içerisinde bütünleşik bulunan LC2013 modeli kullanılmıştır. Trafiğin yönetilmesi, kapasitenin etkin kullanılmasını ve tıkanıklığın azaltılmasını temel alan akıllı ulaştırma sistemlerinin gerçek otoyol ağ parçasına uygulanmasında olmazsa olmaz değerlendirme ölçütlerinden birisi de içten yanmalı motorlu araçların gaz salımları ile yakıt tüketim değerleridir. Tez çalışması kapsamında SUMO ile yapılan benzetimlerde, emisyon modeli olarak HBEFA3 kullanılmıştır. Euro Norm 4'ü esas alan model, hız ve ivme değerlerini aynı anda kullanması nedeniyle tercih edilmiştir. Euro Norm 4'ün seçiminde etkin rol oynayan parametre ise, sistemdeki taşıtların 2006 sonrası üretildiği varsayımına dayanmaktadır. Gaz salımlarında karşılaştırma amacıyla CO, CO2, HC, PMX ve NOx verisi benzetim sonucu elde edilmiştir. Çıktılarında ayrıntılı veri sağlaması, SUMO benzetim yazılımının seçiminde önemli etkenlerden biri olmuştur. Elde edilen sonuçlara göre etkin penetrasyon oranının belirlenebilmesi, tanımlanan dört faklı denetim senaryosu için, üç tane kritik penetrasyon oranı elde edilmiştir. Söz konusu oranlar sırasıyla %25, %60 ve %80 penetrasyon oranlarıdır. %0 ile %25 arasındaki penetrasyon oranları için, ALINEA katılım denetim algoritması senaryosu, H∞ denetim yaklaşımı kullanılarak önerilen katılım denetim algoritması ve H∞ denetim yaklaşımı kullanılarak önerilen bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı denetimi uygulaması için, benzetim başlangıcındaki sistemden çıkan taşıt sayısında azalma görülmüştür. İlk etkin penetrasyon oranı olan %25'den sonra, %60 penetrasyon oranına erişene kadar sistemden çıkan taşıt sayısı artış göstermiştir. %60 etkin penetrasyon oranından %80 penetrasyon oranına ulaşana kadar, bir önceki penetrasyon oranı aralığına kıyasla, sistemden çıkan taşıt sayısındaki artış devam etmiştir. %80 etkin penetrasyon oranından, %100 etkin penetrasyon oranına doğru artış miktarı azalarak, denetim sonucu elde edilen sistemden çıkan en fazla taşıt sayıları elde edilmiştir. Tez kapsamında önerilen H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması, denetimin olmadığı senaryo, ALINEA katılım denetiminin olduğu senaryo ve H∞ katılım denetiminin tek başına uygulandığı senaryoya göre, sistemden çıkan daha çok taşıt sayısı vermiştir. Önerilen H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması, %0 ile %50 arasındaki etkin penetrasyon oranı için, denetimin olmadığı senaryoya kıyasla toplam yolculuk süresinde ciddi bir iyileşme göstermemektedir. Fakat, etkin penetrasyon oranının %50'yi geçtiği durum için, denetimin olmadığı duruma kıyasla toplam yolculuk süresinde azalamlar göstermiştir. Fakat H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması, %50'den küçük etkin penetrasyon oranlarında, ALINEA katılım denetimi olan senaryoya kıyasla toplam yolculuk süresindeki iyileşme olarak daha zayıf bir performans göstermiştir. %80 etkin penetrasyon oranından sonra ise, H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması, ALINEA katılım denetimi senaryosuna kıyasla toplam seyahat süresinde daha fazla iyileşmeler göstermiştir. %80 etkin penetrasyon oranı ile %100 etkin penetrasyon oranları arasında ise, toplam yolculuk süresindeki iyileşme olarak H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması, H∞ katılım denetimi senaryosu ile toplam yolculuk süresi iyileşmesi olarak aynı değerlere yakınsamıştır. Yine %80 etkin penetrasyon oranı ile %100 etkin penetrasyon oranları arasında, ALINEA katılım denetimi senaryosu, H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulaması ile H∞ katılım denetimi senaryosunun daha altında bir toplam seyahat süresinde iyileşme değeri vermiştir. Tez kapsamında kullanılan diğer bir ölçüt olan emisyon değerlerinin değerlendirilmesi için katılım rampalarındaki emisyon değerleri ve ana akım trafiğindeki emisyon değerleri ayrı ayrı hesaplanmıştır. Sistem bazındaki toplam salımlar ayrı ayrı hesaplanan bu değerlerin toplanması ile elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, sistemin toplam CO, CO2, PMx,NOx, HC salımları, etkin penetrasyon oranı %0 ile %45 arasında, denetimin olmadığı durumda en yüksek olacak şekilde elde edilmiştir. %0 ile %45 etkin penetrasyon değerli arasında ikinci CO, CO2, PMx,NOx, HC salım değerleri ise ALINEA katılım denetimi uygulanan senaryoda elde edilmiştir. Üçüncü en yüksek değer ise yine aynı etkin penetrasyon oranları için H∞ katılım denetimi senaryosu için elde edilmiştir. CO salımları açısından en düşük değer, aynı penetrasyon oranları için, H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulanan senaryo için elde edilmiştir. Kurgulanan tüm denetim senaryolarının, sistemin tamamındaki CO, CO2, PMx,NOx, HC salımlarını azaltıcı etkileri etkin penetrasyon oranlarının %50 ile %100 arasındaki değerleri için gerçekleşmiştir. Fakat, CO, CO2, PMx, NOx, HC salım performansları açısından denetim yöntemlerinin sıralaması genelde %0 ile %50 arasındaki davranışlarına yakın olmuştur. Kurgulanan denetim senaryoları için en yüksekten en düşüğe olacak şekilde CO, CO2, PMx,NOx, HC salımları şu şekildedir: denetimin olmadığı durum, ALINEA katılım denetiminin olduğu durum, H∞ katılım denetiminin olduğu durum ve H∞ bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı uygulanan durum şeklindedir. Çalışma kapsamında geliştirilen denetim yaklaşımı gerçek ağ parçası, gerçek veri ve üç farklı taşıt takip modeli esas alınarak benzetilmiştir. Gelecekteki çalışmalarda araç takip modellerinin farklılaştırılması, farklı araç takip modellerinin aynı anda, aynı benzetim senaryosu içerisinde çalıştırılması, farklı katılım denetim algoritmaları ile karşılaştırılması ve farklı ana akım denetim yaklaşımları ile karşılaştırılması düşünülmektedir. Kullanılan benzetim yazılımlarının kısmen çıktısı olan güvenlik parametrelerinin değerlendirilmesi de ayrı bir çalışma alanı olarak ön plana çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
In the era of advances in vehicular and communication technologies, the need to improve both the efficiency in the use of road capacities and the safety as a consequence of the increasing demand for transport has emerged the realization of traffic management strategies through by Intelligent Transportation Systems (ITS). Having been fed with the methodological advances, the implementation of several intelligent systems, including the Ramp Meters, Variable Speed Limits, and Route Guidance Tools, has therefore become well-known. Furthermore, new advancements in communications, as well as their integration with what recent vehicular technology recommends, increase the usefulness of ITS tools via Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) communication channels. In this context, the main purpose in a wide range of studies involving traffic flow modeling and control under various configurations has been to determine an ideal rate of penetration for Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) managed vehicles in mixed traffic. According to the related literature, the efficiency in road traffic management can be improved by combining the strategies and hence the tools for ITS in an integrated manner and by improving the control mechanisms used. The emerging research direction in the presence of autonomous road traffic systems contributes significantly to long-term infrastructure planning strategies necessitated by the introduction of connected vehicles into actual traffic. In other words, having projections on market penetration rates of connected vehicles and the effectiveness of varying penetration rates aid in minimizing costly infrastructure investments in the short term by spreading them out over time. Therefore, the main objective in this study has been to improve the performance of the control we employ to mixed traffic flow, which consists of Human Driven Vehicles (HDVs) and CACC equipped vehicles, through strategies for managing freeway traffic. To that end, we theoretically propose a complete control system for freeway networks by combining the RM and VSL tools. Using real data for model calibration, we demonstrate the performance of the controller that we have introduced for the integrated management of freeway traffic flow for the first time in the literature. The modeling and the control feature of this study involves proposing a control framework for freeway traffic, applying this framework to real network traffic simulated using real data, and evaluating the effects of changes in market penetration rate on performance measures such as total system travel time, total throughput, and emission pollutants. We have made use of an H∞ based control strategy to maintain robustness in the presence of disturbances, which could result in poor performance of the system behavior in the presence of exogeneous inputs. One of the primary benefits of such a control strategy is that it can be guaranteed that the dynamical system evolves properly in the absence of disturbances, and that such nominal behavior is preserved up to a steady-state error proportional to the applied disturbance and an H∞ gain in the presence of perturbations. Incorporated H∞ State Feedback Controller aims to sustain the mainstream traffic at a critical density through an integrated management system of freeway traffic. This is achieved by taking into account the queue lengths on on-ramps and the downstream and upstream occupancies on the mainstream in the presence of disturbances caused by inflows to the mainstream and from the on-ramps. In contrast to other robust control systems, H∞ based control is commonly used when working with linear models. We have made use of the Lighthill-Whitham-Richards (LWR) ordinary differential equations (ODE) model to describe traffic flow. The integrated control performance evaluations are carried out on the micro-simulation environments SUMO and PTV VISSIM using the features of a real network and model parameters calibrated based on field data. In order to simulate human drivers, Intelligent Driver Model (IDM) and Wiedemann 99 car-following models are used. For CACC vehicles, Milanes and Shladover's car-following model is utilized. The contribution of the work presented in this thesis is unique in two ways: using an H∞ State Feedback Controller for the integrated control involving RM and VSL; using real data to perform the integrated control for freeway traffic through RM and VSL and, discussing the effects of the combined control with the H∞ State Feedback Controller on the penetration rates of CACC equipped vehicles in mixed traffic.
Benzer Tezler
- A human driver model for autonomous lane changing in highways: Predictive fuzzy Markov game driving strategy
Başlık çevirisi yok
SERDAR COŞKUN
- Özel alanlarda kullanıcı müdahalesinin kamusal alanlar üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi Etiler, Nispetiye Caddesi örneği
Evaluation of effects of private spaces changed by the users on public spaces Etiler, Nispetiye Street sample
ERMAN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAN ZEREN GÜLERSOY
- Uyarlamalı araç takip sistemlerinde model öngörülü kontrol yöntemleri: Karşılaştırmalı bir çalışma
Model predictive control approaches for adaptive cruise control systems: A comparative study
UMUT KARAPINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
- Design and evaluation of energy management systems for connected hybrid and electric vehicles
Bağlantılı hibrit ve elektrikli araçlar için enerji yönetim sistemleri geliştirilmesi ve değerlendirilmesi
ABDULEHAD ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
- Decision support modeling for sustainable food logistics management
Başlık çevirisi yok
MEHMET SOYSAL
Doktora
İngilizce
2015
Gıda MühendisliğiWageningen UniversiteitPROF. DR. J. G. A. J. VAN DER VORST
PROF. DR. J. M. BLOEMHOF-RUWAARD