Effects of bus priority methods on adjacent mixed traffic

Abstract

Günümüzde, araç doluluk oranının düşük olduğu otomobile bağımlı şehirler, gecikmelere yol açan yoğun trafik sıkışıklığı ile karşı karşıya kalmaktadır. Ulaşım kapasitesini arttırmak ve aynı zamanda trafik sıkışıklığını azaltmak amacıyla sürdürülebilir çözüm, örneğin otobüs gibi etkili toplu taşıma araçlarının uygulamasıdır. Ayrıca, otobüslerin kullanım kapasitesini artırmak için dunya çapinda toplu taşıma önceliği yöntemleri, örnekle otobüs şeridi uygulaması popüler hale gelmiştir. Bu çalışma, otobüs önceliği yöntemleri, uygulama zorlukları ve ihtiyaçları ile ilgili çalışmalara kapsamlı bir genel bakış sunmaktadır. Çalışmada; elde edilen sonuçlar önceki çalışmaların bulgularıyla birleştirilerek, etkili bir otobüs şeridi uygulaması için kapsamlı bir kılavuz formüle edilebilmiştir. Bu calismada önerilen kılavuz; karar vericilerin, planlamacıların, mühendislerin ve operatörlerin yerel bağlamda başarılı bir BL elde etmelerini sağlayacaktır. Öte yandan, bazı durumlarda şehir içi ulaşım görevlileri, tam otobüs önceliği yöntemlerinin sağlanmasındaki yol ağı sınırlamalarına dayanarak karma trafikte otobüs işletmek zorundadır. Örneğin, İstanbul Metrobüsü Boğaziçi Köprüsününden geçmek için, E5 karayolundaki karma trafiğe katilmak zorundadir (YILDIZ rampasi veya birleşme alanı olarak bilinir). Bu birleşme alanı, karma trafikte bu denli yüksek oranlı otobüs hacimlerinin operasyon etkilerdi de göz önüne alındığında, seçilebilecek en iyi çalışma yeri olabilir. Bu nedenle, YILDIZ birleşme alanı, bu olayın etkilerini analiz etmek amacıyla, mikroskobik trafik simülasyon yazılımı VISSIM'de modellenmiştir. Hız, hacim ve doluluk dahil olmak üzere trafik verileri, bölgede bulunan dedektörler aracılığıyla toplanmıştır. Günümüzde kullanılan mikroskobik trafik simülasyon programlarının çoğu, belirli bir alandaki sürüş davranışını simüle etmek için araç takip ve şerit değiştirme modellerini içermektedir. Bu nedenle, tezin birinci amacı; İstanbul için iyi ayarlanmış sürüş davranışı parametrelerini belirlemek icin, metaheuristik algoritmalar kullanarak trafik simülasyonu modellerinin otomatik kalibrasyon prosedürünü geliştirmektir. Genetik Algoritma'nın (GA) yerel arama kabiliyeti ve Parçacık Sürü Optimizasyonunun (PSO) bilgi alışverişi kabiliyeti kullanılarak, bu algoritmaların sınırlamalarını aşmak için yeni bir GA ve PSO kombinasyonu (yani, hibrit GAPSO ve hibrit PSOGA) geliştirilmıştır. Kalibrasyon prosedürü MATLAB programin kullanılarak kodlanmış ve VISSIM-MATLAB COM arayüzü ile YILDIZ modeli uzerinde uygulanmıştır. Kalibre edilmiş modelin sonuçları, hibrit GAPSO ve hibrit PSOGA tekniklerinin yalnızca GA ve PSO tekniklerinde daha iyi performans gösterdiğini ve her iki amaç fonksyonu icin (yani hem MANE hem de RMSE) en düşük değerinin hibrit GAPSO algoritması ile elde edildiğini göstermiştir. Bu nedenle, her ikisinin de, yalnızca GA ve yalnızca PSO teknikleri yerine, mikrosimülasyon trafik modellerinin kalibrasyonunda kullanılması önerilmektedir. Ama, trafik simülasyon modelleri için kalibrasyon prosedürü, büyük ölçekli ve karmaşık bir ağ söz konusu olduğunda çok zaman alan bir işlem olabilir. Bu çalışmanın bir başka katkısı, EA ve paralel hesaplama tekniklerini (PHT'ler) kullanarak hızlı bir kalibrasyon prosedürü geliştirmektir. Bu amaçla, PHT olan/olmayan iki kalibrasyon senaryosu analiz edildi. PHT'nin önerilen hibrit modellerde uygulanmasının, optimizasyon sürecinin toplam hesaplama süresini önemli ölçüde (deneylerimizde %45-65 kadar) azaltabildiği bulundu. VISSIM'in vaka çalışması alanı için en iyi eşlenen sürüş davranış parametreleri, önerilen kalibrasyon prosedürü ile elde edildikten sonra, yüksek otobüs hacminin varlığında yeni katılım kontrol yöntemleri geliştirilebilir. Katılım kontrolü (KK) örn. ALINEA ve değişken hız sınırı (DHS), özellikle otoyollardaki birleşim tıkanıklıkları için yaygın olarak kullanılan ve etkili sıkışıklık yönetimi stratejileridir. Yapılan literatür taramasına göre, KK ve DHS stratejilerinin ayrı ve kombine bir şekilde uygulanması üzerine bir çok çalışma yapılmıştır. Ancak, yüksek otobüs hacmi sorunu göz önüne alındığında bu sistemlerin kombinasyonuyla ilgili ayrıntılı bir çalışma yoktur. Yüksek otobüs hacmi, özellikle şehir içi otoyolların birleşme noktalarındaki sürüş davranışını (örneğin şerit değiştirme) doğrudan etkiliyor olup, bu da otoyol alanlarında kapasite düşüşüne neden olmaktadır. YILDIZ rampasına Transit Sinyali Önceliğinin (TSÖ) kurulması, otobüslerin rampa üstü araçlarla etkileşimini azaltmak ve aynı zamanda otobüs gecikmelerini ortadan kaldırmak için basit bir çözüm olabilir. Ama, bir yandan, otobüslere hareket önceliği vermek zorunda olan rampa üzerindeki araç gecikmelerini doğrudan etkileyecek olup, diğer yandan otobüslerin karayolunun karma trafiği ile etkileşimlerini kontrol edemeyecektir. Ana yol (otoyol), rampa ve otobüsler gibi üç tür akış arasında çeşitli çakışmaların olduğu bu kadar karmaşık bir durumda, tüm etkileşimleri kontrol edebilen entegre bir modele sahip olmak gerekir. Bu sebeple, son olarak bu çalışmanın nihai amaçı, yüksek otobüs hacminin varlığında (örnegin E5 otoyoluna giren Metrobüs aracları), birleştirilmiş DHS ve KK stratejileri geliştirerek ve önererek literatürdeki boşluğu ele almaktır. Yüksek otobüs hacmini dikkate alan entegre DHS ve ALINEA modeli (DHS+ALINEA/O olarak adlandırılmış) VisVAP ile kodlanmış ve kalibre edilmiş modele uygulanmıştır. Kalibre edilmiş YILDIZ birleşim simülasyon modelinde i) kontrolsüz, ii) kontrollü (TSÖ, ALINEA, DHS, DHS+ALINEA, DHS+ALINEA/O) çeşitli senaryolar test edilmiştir. Önerilen DHS+ALINEA/O modeli kombine DHS+ALINEA gibi mevcut modelle karşılaştırdığında, toplam yolculuk süresini % 6.6 oranında, ortalama hızı % 7.4 oranında, darboğazdan geçiş kapasitesini ortalama % 2.5 oranında, yakıt tüketimini, CO, NOx, ve VOC emisyonlarını ortalama %8.4 oranında iyileştirebilir ve hatta diğer mevcut senariolara gore örn. kontrolsüz, TSÖ, DHS, KK daha iyi performans göstermektedir. Son olarak, önerilen DHS+ALINEA/O model performansı, farklı olası koşullarda etkinliğini analiz etmek için farklı otobüs hacimleriyle test edilmiştir. Senaryo analizinin sonuçları göstermiştir ki, önerilen DHS+ALINEA/O modeli, yalnızca otobüs gecikmesini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda yüksek otobüs hacimlerinin karayollarının ana hatlarındaki karma trafik hareketleri üzerindeki olumsuz etkilerini de iyileştirir.

Nowadays, car-dependent cities with low car occupancy are facing heavy traffic congestion, resulting in delays. A sustainable solution with the aim to simultaneously increase transport capacity and decrease traffic jams is the implementation of effective public transport, e.g. buses. Globally, bus priority methods, e.g. bus lane (BL), have become popular strategies to increase the utilization of bus transport's capacity. This thesis gives a comprehensive overview of prior studies related to bus priority methods and their implementation challenges and needs together with clustering the most influencing factors in the implementation and operation of BLs. Under some circumstances, urban transport officials have to operate buses in the mixed traffic based on their road network limitations in providing full bus priority methods. For instance, Istanbul's Metrobus (a segregated BL) has to merge to O-1 highway mixed traffic (known as YILDIZ merging area) to cross the Bosphorus bridge. This is selected as the best-case study for examining the operational effects of a high rate bus volume in mixed traffic. In order to analyses the effects of this phenomena, YILDIZ merging area is modelled in microscopic traffic simulation software, VISSIM, Traffic data such as speed, volume, and occupancy are gathered through detectors installed in the area. As most of the microscopic traffic simulation programs used today incorporate car-following and lane-change models to simulate driving behavior across a given area, the first objective of the thesis is to develop an automatic calibration procedure of traffic simulations models using metaheuristic algorithms, in order to find well-tuned driving behavior parameters in the presence of high rate bus volume for the real conditions of Istanbul. Local search capability of Genetic Algorithm (GA) and swarm's information exchange ability of Particle Swarm Optimization (PSO) are used in order to develop a new combination of the GA and PSO (i.e. hybrid GAPSO and hybrid PSOGA) to overcome the limitations of those algorithms. The calibration procedure is coded using MATLAB and implemented via the VISSIM-MATLAB COM interface on YILDIZ model. The result of the calibrated model shows that hybrid GAPSO and hybrid PSOGA techniques outperformed the GA-only and PSO-only techniques, and that the lowest value of objective functions (i.e. MANE and RMSE) are achieved with the hybrid GAPSO algorithm. Thus, both are recommended for use in the calibration of microsimulation traffic models, rather than GA-only and PSO-only techniques. However, the calibration procedure for traffic simulation models can be a time-consuming process in the case of large-scale and complex networks. Another contribution of this study is to develop a quick calibration procedure using EA and parallel computing techniques (PCTs). To this end, two calibration scenarios with/without PCT have been analyzed. It is found that the implementation of PCT on proposed hybrid models can significantly reduce the total computational time of the optimization process - in these experiments by 45-65%. Once the best-matched sets of VISSIM's driving behavior parameters for the case study area is obtained through the proposed calibration procedure, it is necessary to develop new ramp control methods in the presence of a high volume of buses. Ramp metering (RM) e.g. ALINEA and variable speed limit (VSL) are two widely used and effective congestion management strategies, especially for "merging congestion" on highways. According to the literature review conducted, the implementation of RM and VSL strategies in a separate and combined manner have been thoroughly studied. However, there is no detailed study regarding the combination of these systems in relation to issues with high bus volume. High bus volume directly affects driving behavior (e.g. lane changing) especially in merging points of urban highways, causing a decrease in the capacity of these areas of highways. Installation of Transit Signal Priority (TSP) on the YILDIZ ramp can be a simple solution to decrease the interaction of buses with on-ramp vehicles as well as buses delays reduction. It will directly affect on-ramp vehicle delays, which have to give movement priority to buses, however, it cannot control the interaction of buses with highway mixed traffic. Such a complex condition necessitates an integrated model which is able to control all interactions and avoid conflicts among three types of traffic flow - namely mainline (highway), on-ramp, and buses. Therefore, the ultimate goal of this study is to address the gap in the literature by developing and proposing a combined VSL and RM strategies in presence of high bus volume (e.g. Metrobus vehicles in YILDIZ merging segment). Integrated VSL and ALINEA model considering high bus volume (called VSL+ALINEA/B) have been coded and applied to the calibrated model through the VisVAP. Various scenarios with i) no control, and ii) with control (TSP, ALINEA, VSL, VSL+ALINEA/B) have been tested on the calibrated YILDIZ merging simulation model. For current traffic conditions, proposed VSL+ALINEA/B is able to improve total travel time by 6.6%, average delays of mixed traffic and buses by 28.1% and 48.5% respectively, average speed by 7.4%, bottleneck throughout (capacity) by 2.5%, and fuel consumption, CO, NOx, VOC emissions by 8.4% on average when compared to an existing "VSL+ALINEA" model. The simulation performs even better when compared to other models such as No Control, VSL, ALINEA, and TSP. Lastly, the proposed VSL+ALINEA/B model performance has been tested with different bus volumes, in order to analyze its effectiveness in different traffic conditions. Results of the scenario analysis confirmed that the proposed VSL+ALINEA/B model is not only able to decrease the delays of buses, but can also improve the adverse effects of high bus volume on mixed traffic flow in highways.