Έλεγχος της κυκλοφορίας υπό συνθήκες δυναμικής φόρτισης με μεθόδους ελαχιστοποίησης του ρίσκου

Abstract

This thesis examines the complex problem of dynamic traffic management with mesoscopic approach methods. The users of a transport system experience different congestion levels during their everyday activities. The losses in travel time due to congestion is a consequence of the dynamic interdependence of travel demand served by the system and are influenced by the parameters that define its operating characteristics. The main objective is to investigate and formulate appropriate reasoning, methods and tools for efficient traffic management and tackling the congestion problem in urban networks, offering a different approach to the problem through the analysis and management of travel time risk. The approach is based on the concepts of risk and the loss of productive travel time. The travel time risk is defined as the combination of loss of productive time due to congestion and the likelihood of this loss to occur over the analysis horizon taking into account the dynamic traffic phenomena. The Conditional Value-at-Risk was used to quantify and predict the risk of high levels of congestion for both the transport system performance and the optimization of traffic control. The need for formulating a system that can handle the information, the complexity of the parameters of multiple problems and the breadth of the alternative solutions involved in traffic management led to the development of a Decision Support System. The proposed architecture of the System incorporates risk analysis and dynamic mesoscopic approaches for the representation of traffic conditions in its subsystems. Here, the Decision Support System is focused on the activities involved with the traffic control strategy formulation, incorporating the risk minimization methodology for finding the best traffic control plans as its main component. At first, the problem for the isolated intersection is defined and analyzed, formulating and describing the methodological framework, the risk model for minimizing delays and the optimization algorithms. Next, the extended problem of finding the best traffic control for a network by minimizing the risk of delays is formulated as a predictive off-line and on-line subsystem. The proposed approach is defined and described in detail with regard to the risk model for the analysis of the network performance through the dynamic mesoscopic simulation, the risk minimization model for finding the best signaling settings, the search algorithm and the objective functions of the optimization problem. The proposed approaches of traffic signal optimization by minimizing the risk of delay were applied to reference intersection and network from the literature. The benefits for integrating risk analysis into the design of traffic signals and the system’s performance are identified by comparing the proposed methodologies with standard methods and software widely used by researchers and practitioners. Furthermore, the basic hypothesis of the proposed approach is investigated, namely that traffic signals designed and optimized by minimizing the Conditional Value-at-Risk will offer users a lower risk of experiencing higher levels of congestion. The thesis examines an issue that has both research and practical interest. The results of the application show that its contribution can be maximized if the methodologies and procedures formulated here are implemented in real-world analysis and management conditions, improving the quality of life of users of the system and contributing positively to the economy and the environment.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει το σύνθετο πρόβλημα της διαχείρισης των δυναμικών φαινομένων της κυκλοφορίας με μεθόδους μεσοσκοπικής προσέγγισης. Καθημερινά, οι χρήστες ενός μεταφορικού συστήματος βιώνουν διαφορετικά επίπεδα συμφόρησης κατά τη μετακίνησή τους. Οι απώλειες στο χρόνο μετακίνησης λόγω συμφόρησης είναι συνέπεια της δυναμικής αλληλοεξάρτησης της ζήτησης μετακινήσεων που εξυπηρετείται από το σύστημα και επηρεάζονται από τις παραμέτρους που ορίζουν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του. Ο κύριος στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση και η διατύπωση κατάλληλης συλλογιστικής, μεθόδων και εργαλείων για την αποτελεσματική διαχείριση της κυκλοφορίας και των προβλημάτων συμφόρησης που παρατηρούνται σε αστικά δίκτυα, προσφέροντας μία διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα μέσω της ανάλυσης και της διαχείρισης του ρίσκου του χρόνου μετακίνησης. Η προσέγγιση της παρούσας διατριβής διέπεται από τις έννοιες του ρίσκου και της απώλειας του παραγωγικού χρόνου μετακίνησης. Το ρίσκο στο χρόνο μετακίνησης λαμβάνεται ως ο συνδυασμός της απώλειας του παραγωγικού χρόνου λόγω συμφόρησης και της πιθανότητας εμφάνισης αυτής της απώλειας εντός του χρονικού ορίζοντα ανάλυσης των δυναμικών φαινομένων της κυκλοφορίας. Για την μελέτη της απόδοσης του μεταφορικού συστήματος και τη βελτιστοποίηση της σηματοδότησης χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της Υπό Συνθήκη Αξία σε Κίνδυνο (Conditional Value-at-Risk), για την ποσοτικοποίηση και πρόβλεψη του κινδύνου εμφάνισης υψηλών επιπέδων συμφόρησης. Η ανάγκη για διατύπωση ενός συστήματος που να μπορεί να διαχειρίζεται την πληροφορία, την πολυπλοκότητα των παραμέτρων των πολλαπλών προβλημάτων και την ευρύτητα των εναλλακτικών λύσεων που εμπεριέχονται στη διαχείριση της κυκλοφορίας οδήγησε στην ανάπτυξη ενός Συστήματος Υποστήριξης Αποφάσεων. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική δομή του Συστήματος ενσωματώνει την ανάλυση ρίσκου και τη δυναμική μεσοσκοπική ανάλυση των κυκλοφοριακών συνθηκών στα υποσυστήματα που το αποτελούν. Στην παρούσα διατριβή, το Σύστημα Υποστήριξης Αποφάσεων εξειδικεύεται και η μεθοδολογία εύρεσης βέλτιστης σηματοδότησης ελαχιστοποίησης ρίσκου διατυπώνεται ως βασικό δομικό μέρος του. Σε πρώτο επίπεδο αναλύεται και περιγράφεται το πρόβλημα για τον μεμονωμένο κόμβο διατυπώνοντας και περιγράφοντας την αλγοριθμική διαδικασία επίλυσης του προβλήματος, το μοντέλο ελαχιστοποίησης του ρίσκου των καθυστερήσεων και τον προτεινόμενο αλγόριθμο αναζήτησης λύσεων του προβλήματος. Στη συνέχεια διατυπώνεται το ευρύτερο πρόβλημα εύρεσης σηματοδότησης δικτύου με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του ρίσκου ως προγνωστικό υποσύστημα εκτός σύνδεσης αλλά και ως υποσύστημα απευθείας σύνδεσης. Στην προτεινόμενη προσέγγιση διατυπώνεται και περιγράφεται με λεπτομέρεια το μοντέλο ρίσκου για την ανάλυση της απόδοσης του δικτύου μέσω της δυναμικής μεσοσκοπικής προσομοίωσης, το μοντέλο ελαχιστοποίησης του ρίσκου για την εύρεση των βέλτιστων ρυθμίσεων σηματοδότησης, ο αλγόριθμος αναζήτησης λύσεων και οι αντικειμενικές συναρτήσεις του προβλήματος βελτιστοποίησης. Η εφαρμογή των προτεινόμενων μεθοδολογιών εύρεσης πραγματοποιείται σε περιπτώσεις υποδειγμάτων της βιβλιογραφίας. Τα οφέλη από την ενσωμάτωση της ανάλυσης ρίσκου στο σχεδιασμό της σηματοδότησης και της ανάλυσης της απόδοσης του μεταφορικού συστήματος διαπιστώνονται μέσω σύγκρισης των προτεινόμενων μεθοδολογιών με τυπικές μεθοδολογίες και λογισμικά που χρησιμοποιούνται ευρέως. Επιπλέον διερευνάται η βασική υπόθεση της μεθοδολογίας ελαχιστοποίησης ρίσκου που προτείνεται, ότι δηλαδή η διαχείριση της κυκλοφορίας, μέσω φωτεινής σηματοδότησης, που είναι σχεδιασμένη και βελτιστοποιημένη με την ελαχιστοποίηση της Υπό Συνθήκη Αξίας σε Κίνδυνο, θα προσφέρει στους χρήστες μικρότερο κίνδυνο να βιώσουν υψηλότερες τιμές καθυστερήσεων. Η διατριβή εξετάζει ένα θέμα που έχει τόσο ερευνητικό όσο και πρακτικό ενδιαφέρον. Από τα αποτελέσματα των εφαρμογών, προκύπτει ότι η συμβολή της διατριβής δύναται να μεγιστοποιηθεί, εάν οι μεθοδολογίες και οι διαδικασίες που διατυπώνονται εφαρμοστούν σε πραγματικές συνθήκες ανάλυσης και διαχείρισης δικτύων, βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής των χρηστών του συστήματος και συμβάλλοντας θετικά στην οικονομία και στο περιβάλλον.