Διερεύνηση των κριτηρίων και των παραμέτρων για τη βελτίωση του γεωμετρικού σχεδιασμού των κυκλικών κόμβων με εφαρμογή μεθόδων στατιστικής και μηχανικής μάθησης και αξιοποίησης δεδομένων από ΣμηΕΑ

Abstract

The objective of this Doctoral Dissertation is to examine the criteria of the geometric roundabout design using high-precision driving behavior data. In particular, the research focuses on the analysis of the conditions for improving the design of roundabouts, considering the achievement of high traffic capacity and a high level of road safety, to ensure safe and comfortable vehicle movements. The purpose of this research is to apply a holistic approach, evaluate the validity, reliability, and applicability of existing practices and methods followed during the geometric design of a roundabout, and investigate the factors that contribute to the improvement of the geometric design. In this context, having as a starting point the extensive literature review and the application of bibliometric analysis, an integrated methodological framework for the use of UAVs for the collection, extraction, and analysis of road geometry data, and especially high-precision naturalistic data, was developed and is proposed for wide application concerning vehicle movement patterns. The guidelines were developed with the aim of developing an innovative approach that can be applied to the wider field of the transport sector. To achieve the objectives of the Doctoral Dissertation, a total of 20 single-lane and multilane roundabouts, located in eight municipalities in Greece, were examined. The implementation of the traffic surveys was carried out using a UAV, geodetic equipment, and a fixed camera. For each of the four main research fields (traffic capacity, road safety, operating speed, and pollutant emissions), the descriptive statistics of the variables selected for analysis were analyzed. Parametric and non-parametric statistical tests were performed to examine correlations and differences between variables. Relationships of the road geometry, driving behavior, and traffic condition, with the traffic capacity, the operating speed of the vehicles, the conflict indicators, and the pollutants emissions of vehicles were identified. According to the roundabout critical gap analysis, Greek drivers tend to accept longer gaps and enter the roundabout more hesitantly compared to the drivers of other countries. Through the development of mathematical models (multiple linear regression and artificial neural networks), the variables that influence traffic capacity and their contribution were identified. Reliable prediction models for roundabout capacity were built based on driving behavior and road geometry. Results showed that the existing models significantly overestimate the capacity of roundabouts in Greece. Therefore, their use can result in errors and the potential for the wrong geometrical design of the roundabout. Additionally, the adaptability of the developed mathematical models was evaluated based on the future gradual integration of connected and autonomous vehicles (CAVs) into traffic. Subsequently, the traffic conflict technique was applied as a surrogate safety measure to analyze potential accidents at multi-lane roundabouts. According to the spatial analysis carried out, possible collisions between vehicles were identified, and their relationships with the geometric elements of the road were examined. With respect to the comparison of observed vehicle operating speeds against the estimated theoretical speeds, the results showed significant discrepancies. Through the spatial analysis, it was observed that the actual trajectories of the vehicles in free-flow conditions do not correspond to the fastest path by design and result in significant deviations. Based on the vehicle trajectories of the through movements, a graphical methodological approach was developed to predict the speed of the vehicles inside the roundabouts with high accuracy. Finally, to examine the geometrical parameters related to the increase of pollutant emissions at roundabouts, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen oxides, and hydrocarbons were calculated using the microscopic model of specific power per unit mass of vehicle VSP, utilizing kinematic data from vehicle trajectories. Based on the results of the analyses, driving behavior at roundabouts can contribute to high pollutant emissions. At the same time, it was realized that potential interventions in the geometric parameters could contribute to the reduction of the environmental footprint. This research recognizes the essential advantages of roundabouts as well as their contribution to the improvement of traffic capacity and road safety. Therefore, the approach followed in this thesis aims to improve the geometric design of roundabouts in order to increase traffic capacity, improve road safety, and reduce the environmental footprint. The innovation of the Dissertation and its contribution to the expansion of existing knowledge consist of the proposed methodological framework for the application of UAVs for the collection and analysis of traffic data, as well as the application of a coherent and multiparametric approach through the simultaneous use of methodologies and multivariate analyses. Based on the results and application of the proposed methodological approach for data collection, engineers can proceed with the improvement of roundabout design in terms of road safety, traffic capacity and environmental footprint. At the same time, the results of the analysis can be used as microscopic traffic parameters for input, calibration, and validation of microscopic traffic simulation models dealing with roundabouts in Greece. The evaluation of the impact on traffic capacity due to the integration of autonomous and connected vehicles in traffic, is challenging, and at the same time, a first step to prepare for the imminent reconfiguration of the geometric design of road infrastructure. Τhe successful dissemination of the most important results can be applied in practice.

Αντικειμενικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των βασικών κριτηρίων του γεωμετρικού σχεδιασμού των κυκλικών κόμβων αξιοποιώντας δεδομένα οδηγικών συμπεριφορών υψηλής ακρίβειας. Ειδικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στη διερεύνηση των συνθηκών βελτίωσης του σχεδιασμού των κυκλικών κόμβων, λαμβάνοντας υπόψη την επίτευξη υψηλής κυκλοφοριακής ικανότητας και υψηλού επιπέδου οδικής ασφάλειας ώστε να εξασφαλίζεται ασφαλής, άνετη και περιβαλλοντικά ωφέλιμη κίνηση των οχημάτων. Σκοπός, αποτελεί η εφαρμογή μιας ολιστικής προσέγγισης, τόσο για την αξιολόγηση της εγκυρότητας, της αξιοπιστίας και της εφαρμοσιμότητας υφιστάμενων πρακτικών και μεθόδων που ακολουθούνται κατά τον γεωμετρικό σχεδιασμό ενός κυκλικού κόμβου, όσο και για τη διερεύνηση των παραγόντων που συμβάλλουν στη βελτίωση του γεωμετρικού σχεδιασμού. Σε αυτό το πλαίσιο, έχοντας ως αφετηρία την εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση και την εφαρμογή βιβλιομετρικής ανάλυσης, αναπτύχθηκε και προτείνεται προς ευρεία εφαρμογή ένα ολοκληρωμένο μεθοδολογικό πλαίσιο χρήσης ΣμηΕΑ για τη συλλογή, εξαγωγή και ανάλυση δεδομένων της γεωμετρίας της οδού και κυρίως νατουραλιστικών δεδομένων υψηλής ακρίβειας, που αφορούν μοτίβα κίνησης των οχημάτων. Οι κατευθυντήριες οδηγίες αναπτύχθηκαν επιδιώκοντας την ανάπτυξη μίας καινοτόμου προσέγγισης, που μπορεί να εφαρμοστεί στο ευρύτερο πεδίο του τομέα των μεταφορών. Προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι της Διδακτορικής Διατριβής, διερευνήθηκαν συνολικά 20 κυκλικοί κόμβοι μιας και δύο λωρίδων που εντοπίζονται σε οκτώ δήμους της Ελλάδας. Η υλοποίηση των κυκλοφοριακών ερευνών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ΣμηΕΑ, γεωδαιτικού εξοπλισμού και σταθερής κάμερας. Για κάθε έναν από τους τέσσερις βασικούς άξονες διερεύνησης (κυκλοφοριακή χωρητικότητα, οδική ασφάλεια, λειτουργική ταχύτητα και εκπεμπόμενοι ρύποι), αναλύθηκαν τα περιγραφικά στατιστικά των μεταβλητών που επιλέχθηκαν προς ανάλυση. Στη συνέχεια, μέσω της επαγωγικής στατιστικής αναπτύχθηκαν διαδικασίες πραγματοποίησης παραμετρικών και μη παραμετρικών στατιστικών ελέγχων, με στόχο τη διερεύνηση συσχετίσεων και διαφορών μεταξύ των μεταβλητών. Εντοπίστηκαν κατ’ αυτόν τον τρόπο οι σχέσεις της γεωμετρία της οδού, της οδηγικής συμπεριφοράς και των κυκλοφοριακών συνθηκών, με την κυκλοφοριακή χωρητικότητα, τη λειτουργική ταχύτητα των οχημάτων, την επικινδυνότητα των κυκλοφοριακών εμπλοκών, καθώς και τους εκπεμπόμενους ρύπους. Σύμφωνα με την ανάλυση των παρατηρούμενων χρονικών διαχωρισμών, οι Έλληνες οδηγοί εμφανίζουν συντηρητικό τρόπο οδήγησης κατά την είσοδό τους σε έναν κυκλικό κόμβο, καθώς τα χρονικά διάκενα που αποδέχονται είναι κατά βάση μεγάλα. Μέσω της ανάπτυξης μαθηματικών μοντέλων (πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης και τεχνητών νευρωνικών δικτύων) διερευνήθηκαν οι μεταβλητές επιρροής της κυκλοφοριακής χωρητικότητας και δόθηκε η δυνατότητα κατασκευής αξιόπιστων μοντέλων για την πρόβλεψη και εκτίμησή της, βάσει της οδηγικής συμπεριφοράς και της γεωμετρίας της οδού. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης της προβλεπτικής ικανότητας ως προς τα υφιστάμενα μοντέλα, έδειξαν ότι τα τελευταία υπερεκτιμούν σε σημαντικό βαθμό τη χωρητικότητα των κυκλικών κόμβων στην Ελλάδα. Συνεπώς, η χρήση τους μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα και ενδεχομένως λάθος γεωμετρικό σχεδιασμό του κυκλικού κόμβου. Επιπρόσθετα, αξιολογήθηκε η δυνατότητα προσαρμογής των ανεπτυγμένων μαθηματικών υποδειγμάτων βάσει της μελλοντικής σταδιακής ενσωμάτωσης των αυτόνομων και συνδεδεμένων οχημάτων (CAVs) στην κυκλοφορία. Στη συνέχεια, η τεχνική των κυκλοφοριακών εμπλοκών εφαρμόστηκε ως υποκατάστατο μέτρο ασφάλειας προκειμένου να διερευνηθούν τα παρ’ ολίγον ατυχήματα σε κυκλικούς κόμβους πολλαπλών λωρίδων. Σύμφωνα με τη χωρική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε, εντοπίστηκαν τα σημεία πιθανής πρόσκρουσης οχημάτων και διερευνήθηκαν οι σχέσεις τους με τα γεωμετρικά στοιχεία της οδού. Όσον αφορά τη σύγκριση των παρατηρούμενων λειτουργικών ταχυτήτων των οχημάτων με τις εκτιμώμενες θεωρητικές ταχύτητες, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές αποκλίσεις. Μέσω της χωρικής ανάλυσης παρατηρήθηκε ότι οι πραγματικές πορείες κίνησης των οχημάτων σε συνθήκες ελεύθερης ροής δεν αντιστοιχίζονται σχεδιαστικά με τη συντομότερη διαδρομή και εμφανίζουν σημαντικές αποκλίσεις. Βάσει των πραγματικών τροχιών κίνησης των οχημάτων σε ευθεία πορεία και την προτυποποίησης της μέσης πορείας, αναπτύχθηκε μεθοδολογική προσέγγιση για την πρόβλεψη της ταχύτητας κίνησης των οχημάτων εντός των κυκλικών κόμβων με μεγάλη ακρίβεια. Τέλος, προκειμένου να διερευνηθούν οι γεωμετρικοί παράμετροι που σχετίζονται με την αύξηση των εκπεμπόμενων ρύπων στους κυκλικούς κόμβους, υπολογίστηκαν το διοξείδιο του άνθρακα, το μονοξείδιο του άνθρακα, τα οξείδια του αζώτου και οι υδρογονάνθρακες με τη χρήση του μικροσκοπικού μοντέλου ειδικής ισχύος ανά μονάδα μάζας του οχήματος VSP, αξιοποιώντας κινηματικά δεδομένα από τις τροχιές κίνησης των οχημάτων. Βάσει των αποτελεσμάτων των αναλύσεων, η συμπεριφορά των οδηγών κατά τη διέλευση τους σε ευθεία πορεία δύναται να συμβάλλει σε υψηλούς μέσους εκπεμπόμενους ρύπους. H πολυεπίπεδη ερευνητική προσέγγιση που ακολουθήθηκε στοχεύει στη βελτίωση του γεωμετρικού σχεδιασμού των κυκλικών κόμβων με στόχο την επίτευξη υψηλής κυκλοφοριακής ικανότητας, υψηλού επιπέδου οδικής ασφάλειας και μικρού περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Η καινοτομία της Διατριβής και η συνεισφορά στην επέκταση της υφιστάμενης γνώσης συνίσταται από το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο εφαρμογής ΣμηΕΑ για τη συλλογή και ανάλυση κυκλοφοριακών δεδομένων, καθώς και από την εφαρμογή μιας συνεκτικής και πολυπαραμετρικής προσέγγισης, μέσα από την ταυτόχρονη αξιοποίηση μεθοδολογιών και πολυμεταβλητών αναλύσεων. Βάσει των αποτελεσμάτων και της εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογικής προσέγγισης για τη συλλογή δεδομένων, ο μηχανικός μελετητής μπορεί να προχωρήσει στον έλεγχο και τη βελτίωση του σχεδιασμού ενός κυκλικού κόμβου με γνώμονα την οδική ασφάλεια, την κυκλοφοριακή ικανότητα και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Ταυτόχρονα, τα αποτελέσματα της ανάλυσης μπορούν να αποτελέσουν μικροσκοπικές κυκλοφοριακές παραμέτρους εισαγωγής, βαθμονόμησης και επαλήθευσης των μικροσκοπικών μοντέλων προσομοίωσης της κυκλοφορίας για τους κυκλικούς κόμβους στην Ελλάδα. Η αξιολόγηση της επίδρασης στην κυκλοφοριακή χωρητικότητας λόγω της ενσωμάτωσης των αυτόνομων και συνδεδεμένων οχημάτων στην κυκλοφορία, αποτελεί πρόκληση και ταυτόχρονα μία πρώτη προσέγγιση για την προετοιμασία της επικείμενης αναδιαμόρφωσης του γεωμετρικού σχεδιασμού των οδικών υποδομών. Η επιτυχημένη διάχυση των σημαντικότερων αποτελεσμάτων, μπορεί να αποτελέσει τον συνδετικό κρίκο ανάμεσα στην καθαυτή έρευνα και την εφαρμοσμένη υλοποίηση στην πράξη.