Macroscopic traffic flow modelling in the presence of vehicle automation and communication systems

Abstract

Over the past few years most of the countries are facing the consequences of the ever-increasing number of vehicles, which lead to a continuous increase of congestion phenomena, resulting in significant increases in travel times, fuel consumption, and emissions, as well as reduced traffic safety. Conventional approaches for solving the problem of traffic congestion by expanding the existing infrastructure and operational improvements - such as auxiliary lanes, additional alternate routes and interchange modifications - remain practically infeasible, mainly due to economic and environmental reasons. Instead, comprehensive traffic control strategies can be defined to mitigate the problem of persisting traffic jams. However, the employment of efficient real-time traffic control measures entails the availability of reliable and robust traffic flow models that may be used to develop and validate the proposed control strategies. In this context, an effective calibration and validation process appears to be mandatory to ensure the credibility of traffic flow models in performing real-world simulations and optimization scenarios.Concurrently, engineers are seeking for solutions to improve the road network efficiency and capacity by means of Intelligent Transportation Systems (ITS). Specifically, during the last decade, an enormous continuing interdisciplinary effort is performed by the automobile industry, as well as by various research institutions around the world, to plan, develop, test, and start deploying a variety of Vehicle Automation and Communication Systems (VACS) that are expected to bring radical changes in the way the traffic flow will be controlled and optimized within the next decades. VACS, such as Adaptive Cruise Control (ACC) and Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) systems, have been initially developed based on new commuting alternatives for drivers and passengers, with particular emphasis given on improving comfort, convenience, and safety, as well as reducing traffic congestion.This thesis, which is composed of two parts, is an early attempt towards this direction. More specifically, the first part deals with the advancement of traffic flow models, with emphasis on macroscopic ones. In particular, within this thesis the well-known continuous second-order macroscopic gas-kinetic-based traffic model (GKT model) was validated, regarding the representation of traffic conditions at congested freeway areas. The model was calibrated and validated by employing an optimization methodology based on a parallel, metamodel-assisted Differential Evolution (DE) algorithm (synchronous and asynchronous) and using real traffic data from two different motorway networks; a motorway stretch in the U.K., where severe traffic congestion is created due to high on-ramp flows during the morning peak periods, and a freeway stretch in Greece, where recurrent congestion is triggered by a saturated off-ramp during the morning peak hours. Moreover, a multi-lane approach of the GKT model is evaluated using real traffic data from the aforementioned network in the U.K. Subsequently, by implementing the same optimization scheme, the GKT model was compared with the most popular discrete time-space macroscopic traffic flow model, namely the METANET model, in terms of the representation of traffic flow conditions at the motorway stretch in the U.K.The GKT second-order traffic flow model, presented in the first part of this dissertation, provides the methodical prerequisites for the second part of the dissertation, where a novel concept of two alternative models for the macroscopic simulation of ACC and CACC traffic is discussed. This approach is based on the introduction of a relaxation term in the momentum equation of the GKT model that satisfies the time/space-gap principle of ACC and CACC systems. In this thesis both linear and nonlinear stability analyses are performed, to derive the stability threshold of the aforementioned models, and additionally study the influence of the equipped vehicles on the traffic flow stabilization, with respect to both small and large perturbations around the equilibrium state.

Τα τελευταία χρόνια, πολλές βιομηχανικές χώρες αντιμετωπίζουν τις συνέπειες του συνεχώς αυξανόμενου αριθμού των οχημάτων, γεγονός που οδηγεί σε συνεχή αύξηση των φαινομένων συμφόρησης. Αυτά έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση των χρόνων ταξιδιού, την κατανάλωση καυσίμων, τις εκπομπές καυσαερίων, καθώς και τη μείωση της κυκλοφοριακής ασφάλειας. Οι συμβατικές μέθοδοι για την επίλυση του προβλήματος της κυκλοφοριακής συμφόρησης, με επέκταση των υπαρχουσών υποδομών και λειτουργικές βελτιώσεις, όπως οι βοηθητικές λωρίδες, οι πρόσθετες εναλλακτικές διαδρομές και οι τροποποιήσεις των μεταφορών, παραμένουν πρακτικά ανέφικτες, κυρίως λόγω οικονομικών και περιβαλλοντικών λόγων. Αντίθετα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί εναλλακτικά μια ολοκληρωμένη στρατηγική ελέγχου της κυκλοφορίας, προκειμένου να μετριαστεί το πρόβλημα των συνεχών κυκλοφοριακών συμφορήσεων. Ωστόσο, η εφαρμογή αποδοτικών μέτρων ελέγχου της κυκλοφορίας σε πραγματικό χρόνο συνεπάγεται την ύπαρξη αξιόπιστων και εύρωστων μοντέλων κυκλοφοριακής ροής, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και την επικύρωση των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου. Στο πλαίσιο αυτό, μια αποτελεσματική διαδικασία βαθμονόμησης και επικύρωσης φαίνεται να είναι αναγκαία για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των μοντέλων κυκλοφοριακής ροής κατά την εκτέλεση πραγματικών προσομοιώσεων και σεναρίων βελτιστοποίησης. Ταυτόχρονα, επιστήμονες και μηχανικοί στις μέρες μας αναζητούν λύσεις για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της χωρητικότητας των οδικών δικτύων, μέσω των Συστημάτων Ευφυών Μεταφορών. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, πραγματοποιήθηκαν τεράστιες συνεχιζόμενες διεπιστημονικές προσπάθειες από τον κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας, καθώς και από πολυάριθμα ερευνητικά ιδρύματα σε όλον τον κόσμο για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, τη δοκιμή και τη χρησιμοποίηση ποικίλων συστημάτων αυτοματισμού και επικοινωνίας οχημάτων, τα οποία αναμένεται να φέρουν ριζικές αλλαγές στον τρόπο ελέγχου και βελτιστοποίησης της κυκλοφοριακής ροής στις επόμενες δεκαετίες. Τα συστήματα αυτά, όπως τα συστήματα Adaptive Cruise Control (ACC) και Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), αναπτύχθηκαν αρχικά βάση νέων εναλλακτικών μετακίνησης για τους οδηγούς και τους επιβάτες, με ιδιαίτερη έμφαση στη βελτίωση της άνεσης, της ευκολίας και της ασφάλειας, καθώς και στη μείωση της κυκλοφοριακής συμφόρησης. Η εργασία αυτή, η οποία αποτελείται από δύο κύρια μέρη, είναι μία πρώτη προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος ασχολείται με την εξέλιξη των μοντέλων κυκλοφοριακής ροής, με έμφαση στα μακροσκοπικά μοντέλα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, το γνωστό συνεχές 2ης τάξης μοντέλο κυκλοφοριακής ροής gas-kinetic-based traffic model (GKT) αξιολογήθηκε σχετικά με την ικανότητά του να αναπαριστά τις κυκλοφοριακές συνθήκες σε περιοχές αυτοκινητόδρομων υπό κυκλοφοριακή συμφόρηση. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε με τη χρήση μιας μεθόδου βελτιστοποίησης βασισμένη σε παράλληλο Διαφορικό Εξελικτικό αλγόριθμο (Differential Evolution (DE) algorithm), χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα κίνησης από δύο διαφορετικά δίκτυα αυτοκινητοδρόμων: από ένα τμήμα αυτοκινητοδρόμου στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου εμφανίζεται σοβαρή κυκλοφοριακή συμφόρηση εξαιτίας των υψηλών ροών στη ράμπα εισόδου κατά τις πρωινές ώρες αιχμής, καθώς και από ένα τμήμα αυτοκινητοδρόμου στην Ελλάδα, όπου επαναλαμβανόμενη συμφόρηση προκαλείται από μία ράμπα εξόδου, επίσης κατά τις πρωινές ώρες αιχμής. Επιπλέον, η προσέγγιση πολλαπλών λωρίδων του μοντέλου GKT αξιολογήθηκε με τη χρήση πραγματικών δεδομένων κίνησης από το προαναφερθέν δίκτυο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας τον ίδιο αλγόριθμο βελτιστοποίησης, το GKT μοντέλο συγκρίθηκε με το πιο δημοφιλές διακριτό μακροσκοπικό μοντέλο, το METANET, σχετικά με την ικανότητά τους να αναπαραστήσουν τις συνθήκες κυκλοφοριακής ροής στο τμήμα του αυτοκινητόδρομου στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το 2ης τάξης GKT μοντέλο κυκλοφορικής ροής, όπως θα παρουσιαστεί στο πρώτο μέρος, παρέχει τα μεθοδολογικά προαπαιτούμενα για το δεύτερο μέρος της διατριβής, όπου παρατίθενται δύο νέα μοντέλα μακροσκοπικής προσομοίωσης για ACC και CACC οχήματα. Συγκεκριμένα, η νέα προσέγγιση βασίζεται στην εισαγωγή ενός όρου χαλάρωσης στην εξίσωση της ορμής του GKT μοντέλου, ο οποίος ικανοποιεί την αρχή του χρονικού/χωρικού κενού (time/space-gap) των ACC και CACC οχημάτων. Επιπρόσθετα, στη διατριβή αυτή εξετάζεται τόσο η γραμμική όσο και η μη γραμμική ανάλυση ευαισθησίας, προκειμένου να προκύψει το όριο ευστάθειας των νέων μοντέλων, τα οποία είναι ικανά να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά των ACC και CACC οχημάτων στη κυκλοφοριακή ροή, καθώς επίσης και να μελετηθεί η επιρροή αυτών των εξοπλισμένων οχημάτων στη σταθεροποίηση της κυκλοφοριακής ροής, όσον αφορά τόσο μικρές όσο και μεγάλες διαταραχές γύρω από την κατάσταση ισορροπίας.