Real-time urban traffic control under saturated traffic conditions

Abstract

In recent decades, mitigating the traffic congestion in urban road networks has been a crucial issue for both the research and the practical operations, which calls for the development and implementation of improved traffic signal control methods and techniques. In particular, the development of efficient and practicable real-time signal control strategies under saturated traffic conditions is a major challenge, as widely used strategies like SCOOT and SCATS are deemed less efficient under saturated traffic conditions. A practical tool, frequently employed against over-saturation of significant or sensitive links, arterials or urban network parts, is gating. The idea is to hold traffic back (via prolonged red phases at traffic signals) upstream of the links to be protected from over-saturation, whereby the level or duration of gating may depend on real-time measurements from the protected links. The method is usually employed in an ad hoc way (based on engineering judgment and manual fine-tuning) regarding the specific gating policy and quantitative details, which may lead to insufficient or unnecessarily strong gating actions. Recently, the reproducible relationship between flow and density occurring at the network level under certain conditions (e.g. homogeneous spatial distribution of the congestion) known as macroscopic or network fundamental diagram (MFD or NFD), has gained increased popularity. Although the NFD notion is still under investigation in various aspects, it can be exploited as a fruitful basis for derivation of urban signal control approaches.In this thesis, the notion of NFD for urban networks is exploited to improve mobility in saturated traffic conditions via application of gating measures, based on an appropriatesimple feedback control structure. Different gating control strategies (i.e. single perimeter gating control by exploiting complete and reduced NFD, multiple-concentric gating control, perimeter traffic control via remote feedback gating) have been proposed and tested on realistic simulation scenarios of two urban networks (i.e. Chania, Greece and San Francisco, USA) successfully. In the investigated examples, feedback gating is demonstrated to lead to substantial improvements of travel delays, network throughput and travel time reliability.

Στις τελευταίες δεκαετίες, η ανάγκη μετριασμού της κυκλοφοριακής συμφόρησης στα αστικά οδικά δίκτυα έχει γίνει ένα κρίσιμο θέμα τόσο για την έρευνα όσο και την πρακτική εφαρμογή, το οποίο καλεί για την ανάπτυξη και την εφαρμογή βελτιωμένων μεθόδων και τεχνικών ελέγχου φωτεινής σηματοδότησης. Ειδικότερα, η ανάπτυξη ικανοποιητικών και εφαρμόσιμων στρατηγικών ελέγχου φωτεινής σηματοδότησης σε πραγματικό χρόνο υπό κορεσμένες συνθήκες είναι μια μεγάλη πρόκληση, καθώς ευρέως διαδεδομένες στρατηγικές που χρησιμοποιούνται έως τώρα όπως το SCOOT και το SCATS θεωρούνται λιγότερο αποτελεσματικές υπό κορεσμένες συνθήκες. Ένα πρακτικό εργαλείο, συχνά εφαρμόσιμο κατά του υπερκορεσμού σημαντικών ή ευαίσθητων συνδέσμων, αρτηριών ή περιοχών του αστικού δικτύου, είναι η ελεγχόμενη είσοδος (gating). Η ιδέα είναι να κρατηθεί η κυκλοφορία (μέσω παρατεταμένων κόκκινων φάσεων στους φωτεινούς σηματοδότες) ανάντη των συνδέσμων που πρέπει να προστατευτούν από υπερκορεσμό, ενώ το επίπεδο ή η διάρκεια της ελεγχόμενης εισόδου μπορεί να εξαρτάται από τις μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο από τους προστατευόμενους συνδέσμους. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται συνήθως για εξειδικευμένα και όχι γενικά προβλήματα (με βάση την εμπειρία και πειραματισμούς) ανάλογα με τη συγκεκριμένη πολιτική ελέγχου εισόδου και τις ποσοτικές λεπτομέρειες, τα οποία όμως μπορεί να οδηγήσουν σε ανεπαρκείς ή υπερβολικές δράσεις ελεγχόμενης εισόδου.Πρόσφατα, η αναπαραγόμενη σχέση μεταξύ της ροής και της πυκνότητας ενός δικτύου υπό ορισμένες συνθήκες (π.χ. ομογενής χωρική κατανομή της συμφόρησης) γνωστό ως μακροσκοπικό θεμελιώδες διάγραμμα (MFD) ή θεμελιώδες διάγραμμα του δικτύου (NFD), έχει αποτελέσει αντικείμενο έρευνας. Παρόλο που η έννοια και ιδιότητες του NFD είναιακόμα υπό διερεύνηση ως προς διάφορες πτυχές, το NFD μπορεί να αξιοποιηθεί ως μια γόνιμη βάση για την παραγωγή προσεγγίσεων του ελέγχου φωτεινής σηματοδότησης σε αστικά δίκτυα. Στην παρούσα διατριβή, η έννοια του NFD για αστικά δίκτυα χρησιμοποιείται με σκοπό τη βελτίωση της κινητικότητας σε κορεσμένες κυκλοφοριακές συνθήκες μέσω της εφαρμογής της ελεγχόμενης εισόδου, με βάση μια κατάλληλη απλή δομή ελέγχου ανάδρασης. Διάφορες στρατηγικές ελέγχου εισόδου (όπως έλεγχος εισόδου σε μια περίμετρο αξιοποιώντας πλήρες και μειωμένο NFD, έλεγχος εισόδου πολλαπλών ομόκεντρων περιμέτρων, περιμετρικός έλεγχος εισόδου μέσω απομακρυσμένων πυλών ανάδρασης) προτείνονται και διερευνώνται σε ρεαλιστικά σενάρια προσομοίωσης δύο αστικών δικτύων (Χανιά, Ελλάδα, και Σαν Φρανσίσκο, ΗΠΑ) επιτυχώς. Στα παραδείγματα που μελετήθηκαν, η ελεγχόμενη είσοδος με ανατροφοδότηση οδηγεί σε ουσιαστικές βελτιώσεις στις καθυστερήσεις κατά την διάρκεια του ταξιδίου και αύξηση της συνολικής ροής στο δίκτυο.