Kent içi trafik sinyal sisteminin optimal kontrolü (Trafik optimizasyonu)

Abstract

Bir kavşağın kontrol sürecinde, gecikme ve duruşlar gibi kaçınılmaz olarak oluşan performans azaltıcı sonuçların en aza indirilmesi ve böylece bütün sürücü-taşıt birimlerine sağlanan faydaların en yüksek düzeye çıkarılması amaçlanır. Sinyalize kavşaklarda bu amaçla kullanılan temel kontrol mekanizması, sinyal zamanlamasıdır. Bu nedenle sinyalize kavşaklarda trafiğin kontrolü, gerçekte bir sinyal optimizasyonu problemi olarak ele alınır. Diğer taraftan, kent içi karayolu ağlarındaki bir kısım yol ve kavşakların, gün içerisinde doygunluğu değişen ve genelde aşırı talep alan yapıları nedeniyle, daha etkili bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Günümüzde bilinen trafik kontrol stratejilerine göre kritik kavşak olarak adlandırılan bu türlü kavşaklarda, kontrol sürecindeki etkinliğin arttırılması ile, tüm kent içi karayolu ulaşımı açısından çok önemli performans gelişmeleri sağlanabilir. Bu tez çalışması ile kritik kavşakların kontrolü için kullanılabilecek tam trafik uyarımlı bir kontrol modeli geliştirilmiştir: dinamik kontrol modeli. Bu modele göre, kavşak akımlarının kontrolü, sinyal parametrelerinin çevrim bazında optimize edilmesi suretiyle gerçekleştirilir. Dinamik kontrol modelinin geliştirilmesi sürecinde, önce performans parametreleri ile sinyal parametreleri arasındaki etkileşim incelenmiştir. Buna bağlı olarak, sinyal parametrelerinin optimizasyonu için performans indeksi olarak akımların doygunluk dereceleri; kontrol modelinin esas alacağı temel durum değişkeni olarak da, etkin yeşil süre oranları seçilmiştir. Dinamik kontrol modeline göre, optimal çevrim süresi ve optimal yeşil ışık süreleri her sinyal çevriminin bitiminde yeniden hesaplanır. Bu amaçla, trafik dedektörleri üzerinden alınan mikroskopik akım bilgilerinden yararlanarak, bütün akımlar için gerçekleşen doygunluk dereceleri belirlenir. Sona eren sinyal çevrimi içerisinde gerçekleşen etkin yeşil süre oranları, bütün akımlar için belirlenen doygunluk derecelerine bağlı olarak hesaplanır. Bir sonraki sinyal çevriminde beklenen etkin yeşil süre oranları da, bu amaçla geliştirilen algoritma çerçevesinde belirlenir. Sistemde çıkış değişkenleri olarak tanımlanan yeşil ışık süreleri, etkin yeşil süre oranlarının hesaplanan yeni değerlerine bağlı olarak belirlenir. Dinamik kontrol modelinin sağladığı performans gelişmelerini tespit edebilmek için yapılan test çalışmaları, simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla VISSIM simülasyon kullanılmıştır. Simülatörde sinyal durumlarının önerilen kontrol mantığına göre belirlenmesi için, harici bir sinyal durum üreteç modülü olan VAP'in komutları kullanılarak yazılan program kullanılmıştır. Kontrol sürecinde elde edilen performans gelişmelerini tespit edebilmek için; ulaşım süreleri, gecikmeler, duruşlar ve kuyruk uzunlukları için 10 dakikalık aralıklarla alınan ortalama değerler, grafiklere aktarılarak dikkate sunulmuştur. Yapılan bütün testler, dinamik kontrol modelinin yanı sıra yarı-dinamik ve sabit zamanlı kontrol modellerine göre de tekrarlanarak karşılaştırmalar yapılmıştır. Çeşitli trafik senaryolarına bağlı olarak gerçekleştirilen testlerin sonuçları, dinamik kontrol modeli ile sağlanan performans iyileşmelerinin, seçilen trafik senaryolarına ve performans parametresine bağlı olarak % 40 oranlarına kadar ulaştığını göstermiştir.

At the control process of an intersection the main objective is to reduce the delays and stops and to satisfy all the vehicle-driver units at maximum level. At the signalized intersections the basic control mechanism which can be used for this objective is the signal timings. Therefore, the traffic control process at signalized intersections can be introduced as an optimal control process of the signal timing parameters. On the other hand in the urban traffic networks, the control process has a special importance for some of the signalized intersections which have big differences at degrees of saturations of traffic flows in a day. These intersections are named as critical intersection by many of traffic control strategies all over the world. This thesis proposes a fully actuated traffic control model named as dynamic control model. The proposed dynamic control model is actually a dynamic signal optimization model which can be used at critical intersection control. The objective of the dynamic signal optimization is to find a mutual consistent between dynamic signal optimal settings and dynamic optimal traffic flows in cycle basis. To reach this result, first the relation between the performance parameters and signal timing parameters has been studied. Depending on the results of these studies, the performance index for the optimal control process has been chosen as the average degrees of saturations of intersection flows. Also, the basic state variable has been chosen as the effective green splits of intersection flows. Due to dynamic control model, optimal cycle time and green times are calculated in cycle basis. At the end of each signal cycle the realized average degrees of saturations for all the intersection flows are determined, by evaluating the microscopic flow parameter measurements taken from traffic detectors, in the degree of saturation calculation algorithm. Depending on this, realized effective green splits are determined and expected effective green splits for next signal cycle are estimated. Optimal green times for next cycle are calculated by using these new state variable values. In this study simulation based tests have been realized to evaluate the dynamic control model. By using VAP programming language commands, developed optimization algorithms have been transferred to VISSIM simulation environment to optimize critical intersection models. Simulation process has been repeated under the various traffic compositions. Through the simulation which have been realized under the same constraints both for VAP control mode and fixed time control mode; average travel times, average delays, average number of stops and average queue lenghts which are accepted in 10 minute basis, have been arranged in different graphics to show the realized control performance. The comparison of these graphics have shown that the dynamic control model increase the intersection performance up to % 40 depends on the chosen traffic scenario and performance parameter.