Freeway traffic flow modeling and control with emphasis on congested off-ramp areas

Abstract

Most metropolitan cities of developed countries have now an extensive network of urban and peri-urban freeways, which aims to provide virtually unlimited and fast mobility to road users around the metropolitan area. However, the increase of traffic demand, especially during the peak hours, and the occurrence of traffic incidents, leads to daily appearance of recurrent and non-recurrent freeway congestion which results in significant increase of travel times, increased fuel consumption, environmental pollution as well as reduced safety. The problem of freeway congestion in urban and peri-urban freeways cannot always be faced by expanding the existing infrastructure, for economic and environmental reasons; instead, efficient traffic control measures may be employed to mitigate the problem. However, the development of effective real-time traffic control measures implies the availability of suitable mathematical traffic flow models which may be used for the development and testing of the proposed control strategies.This thesis investigates the particular, but quite frequent, case of (recurrent) freeway congestion due to saturated off-ramps. This kind of congestion is difficult to deal with, and for this reason this frequent traffic flow degradation is rarely addressed in the traffic control literature. Moreover, within the traffic flow modeling literature there are, so far, no studies undertaking validation and comparison of different traffic flow models regarding the reproduction of traffic conditions in such areas. The aim of this research is to investigate traffic flow modeling and traffic control issues for congested freeway off-ramp areas.In particular, within this thesis the most popular discrete time-space macroscopic traffic flow models, namely the CTM and the METANET models, were validated and compared regarding the representation of traffic conditions at congested freeway off-ramp areas. The models were calibrated and validated using real traffic data from Attiki Odos freeway in Athens, and by employing various optimization methods. Apart from the modeling approach, various innovative real-time traffic control measures were developed for congested freeway off-ramp areas. In particular, two different cases were examined and suitable traffic control strategies were proposed for every case. In the first case, a hypothetical network was simulated, and various route diversion strategies were developed that aim to reroute the drivers through alternative routes, towards the same destination, preventing the off-ramp queue spillover and the creation of mainstream congestion. In the second case, a real traffic network was examined where recurrent freeway congestion is created due to congestion on the surface street network which propagates to the freeway mainstream through a saturated off-ramp. The network was simulated by use of microscopic simulation and a real-time merging traffic control algorithm was proposed that aims to maximize the surface street network throughput and at the same time to prevent the off-ramp queue from spilling back into the freeway mainstream. The simulation results, for both investigated cases, showed that the proposed traffic control measures can improve the prevailing traffic conditions, preventing the formation of mainstream congestion. Thus, they are both very promising for a field implementation.

Οι περισσότερες μεγαλουπόλεις των ανεπτυγμένων χωρών διαθέτουν ένα εκτεταμένο δίκτυο αστικών και περι-αστικών αυτοκινητοδρόμων, το οποίο στοχεύει στην ουσιαστικά ανεμπόδιστη και γρήγορη κίνηση των οχημάτων γύρω από τα αστικά κέντρα. Εντούτοις, η αύξηση της κυκλοφοριακής ζήτησης, ιδιαίτερα κατά τις ώρες αιχμής, σε συνδυασμό με την εμφάνιση διαφόρων περιστατικών, οδηγεί στην καθημερινή δημιουργία κυκλοφοριακής συμφόρησης η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση των χρόνων διαδρομής των οχημάτων, την αύξηση της κατανάλωσης καυσίμων, την περιβαλλοντική ρύπανση και τη μειωμένη οδική ασφάλεια.Το πρόβλημα της συμφόρησης στους αστικούς και περι-αστικούς αυτοκινητοδρόμους δεν μπορεί πάντοτε να αντιμετωπιστεί με την επέκταση των ήδη υπάρχοντων υποδομών, για οικονομικούς αλλά και περιβαλλοντικούς λόγους. Αντιθέτως, κατάλληλα μέτρα ελέγχου κυκλοφορίας μπορούν να εφαρμοστούν για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα. Η ανάπτυξη αποτελεσματικών μέτρων ελέγχου κυκλοφορίας προϋποθέτει την ύπαρξη κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων κυκλοφοριακής ροής τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και δοκιμή των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου. Η εργασία αυτή διερευνά την ιδιαίτερη, αλλά συχνά εμφανιζόμενη, περίπτωση της κυκλοφοριακής συμφόρησης σε αυτοκινητοδρόμους η οποία οφείλεται σε κορεσμένες ράμπες εξόδου. Αυτό το είδος συμφόρησης είναι δύσκολο να αντιμετωπιστεί και για το λόγο αυτό δεν υπάρχουν πολλές αναφορές στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά με κατάλληλα μέτρα ελέγχου κυκλοφορίας για αυτές τις περιοχές. Επιπλέον, στην αντίστοιχη βιβλιογραφία που αφορά τη μοντελοποίηση της κυκλοφοριακής ροής σε οδικά δίκτυα, δεν υπάρχουν μελέτες που να πραγματοποιούν σύγκριση και αξιολόγηση διαφορετικών μοντέλων κυκλοφοριακής ροής σχετικά με την ικανότητά τους να αναπαριστούν τις κυκλοφοριακές συνθήκες σε αυτές τις περιοχές. Ο στόχος της παρούσας έρευνας είναι να διερευνήσει θέματα μοντελοποίησης και ελέγχου της κυκλοφοριακής ροής σε περιοχές ραμπών εξόδου αυτοκινητοδρόμων υπό συμφόρηση.Ιδιαίτερα, στην παρούσα διατριβή τα δύο πιο δημοφιλή, μακροσκοπικά μοντέλα κυκλοφοριακής ροής, συγκεκριμένα το CTM και το ΜΕΤΑΝΕΤ, αξιολογούνται και συγκρίνονται σχετικά με την ικανότητά τους να αναπαριστούν τις κυκλοφοριακές συνθήκες σε περιοχές ραμπών εξόδου αυτοκινητοδρόμων υπό συμφόρηση. Τα μοντέλα βαθμονομούνται και αξιολογούνται κάνοντας χρήση πραγματικών δεδομένων κυκλοφορίας από ένα τμήμα του αυτοκινητοδρόμου της Αττικής Οδού, στην Αθήνα. Εκτός από τα θέματα μοντελοποίησης, διαφορετικά μέτρα ελέγχου κυκλοφορίας προτείνονται για την περίπτωση περιοχών ραμπών εξόδου αυτοκινητοδρόμων υπό συμφόρηση. Συγκεκριμένα, δύο διαφορετικές περιπτώσεις εξετάζονται και κατάλληλες στρατηγικές ελέγχου κυκλοφορίας προτείνονται για κάθε περίπτωση. Στην πρώτη περίπτωση που εξετάζεται, ένα υποθετικό δίκτυο χρησιμοποιείται και διαφορετικές στρατηγικές καθοδήγησης πορείας αναπτύσσονται, οι οποίες στοχεύουν να καθοδηγήσουν τους οδηγούς μέσω εναλλακτικών διαδρομών. Σκοπός των στρατηγικών ελέγχου είναι να προστατεύσουν την κορεσμένη ράμπα εξόδου και να αποτρέψουν την υπερχείλιση της ουράς οχημάτων της ράμπας στον αυτοκινητόδρομο και τη δημιουργία συμφόρησης στο κυρίως ρεύμα του αυτοκινητοδρόμου. Στη δεύτερη περίπτωση, ένα πραγματικό δίκτυο εξετάζεται όπου η συμφόρηση στον αυτοκινητόδρομο οφείλεται στην συμφόρηση που έχει δημιουργηθεί στο παράπλευρο αστικό δίκτυο, η οποία εισέρχεται στον αυτοκινητόδρομο μέσω μίας κορεσμένης ράμπας εξόδου. Το δίκτυο προσομοιώνεται μέσω του μικροσκοπικού προσομοιωτή οδικών δικτύων AIMSUN και μία στρατηγική ελέγχου πραγματικού χρόνου προτείνεται η οποία έχει στόχο να μεγιστοποιήσει τη ροή οχημάτων στο παράπλευρο δίκτυο και παράλληλα να εμποδίσει την είσοδο της ουράς οχημάτων της ράμπας εξόδου στο κυρίως ρεύμα του αυτοκινητοδρόμου. Τα αποτελέσματα των διερευνήσεων, και για τις δύο περιπτώσεις που εξετάστηκαν, έδειξε ότι τα προτεινόμενα μέτρα ελέγχου κυκλοφορίας μπορούν να βελτιώσουν τις κυκλοφοριακές συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο, εμποδίζοντας τη δημιουργία της συμφόρησης στο κυρίως ρεύμα του αυτοκινητοδρόμου. Το γεγονός αυτό καθιστά τις προτεινόμενες στρατηγικές ελέγχου πολλά υποσχόμενες σε περίπτωση ενδεχόμενης εφαρμογής τους στο πεδίο.