A multi-objective optimization framework for trade-off among pedestrian delays and vehicular emissions at signal controlled intersections

Abstract

Traffic congestion has numerous negative effects on urban life. Increased travel time and vehicular emissions are some of these negative effects. On one hand, the transportation sector is the leading factor in contributing to climate change air pollution based on the greenhouse gas emission of 29%. On the other hand, pedestrian traffic management requires extreme caution, especially in Central Business Districts. In classic traffic signal control applications, allocation of pedestrian green time is held at the minimum value mostly. However, in crowded intersections located in city centers, the number of pedestrians that need to be served can be excessive due to a number of reasons (gatherings, touristic, sport event, etc.). In this study, an integrated methodology for optimizing traffic signal control considering pedestrian delay and vehicular emissions is developed. VISSIM is used as the microscopic traffic simulator, the Non-dominated sorting genetic algorithm-II is adopted to solve the multi-objective optimization problem at hand, and MOVES3 is used to calculate vehicular emissions on a microscopic scale. To interfere with the traffic signal control settings, COM feature of VISSIM is used in conjunction with MATLAB. By using COM interface, one can change the signal control settings, vehicle and pedestrian inputs, routes of vehicles, and many other features that can be read and changed during simulations. To illustrate the trade-off between pedestrian delay and vehicular emissions, two objective functions are formulated. The input for these functions are obtained from VISSIM via COM interface. Since the objective functions are conflicting with each other, one tries to maximize the pedestrian green time while the other tries to maximize vehicle green time, a trade-off is observed between the objectives. In addition, a case study is conducted at Kadıköy, Istanbul to evaluate the proposed approach. Data is retrieved using camera recordings. Collected data involves the vehicle and pedestrian counts, and average crossing times of pedestrians. Calibration of the simulation model is done considering GEH statistics. After the calibration, two main scenarios are designed. The first main scenario involves a gradual change in vehicles loaded to the network. The second main scenario is produced to test the different prioritization approaches with changing vehicle demand. Three different sub-scenarios are generated in this manner. First, the sub-scenario is the situation where pedestrian movement is prioritized by giving more pedestrian time compared to vehicles. The second sub-scenario is created to achieve a balance between pedestrian and vehicle green times. The third sub-scenario is produced to prioritize vehicles over pedestrians. In the second scenario, all the signal timings are chosen from the Pareto front set acquired from the multi-objective optimization solved with MATLAB. Results acquired from simulations suggest a trade-off between pedestrian delay and vehicular emissions. In conclusion, a novel method is proposed in this study to assess through trade-off the signal control settings considering pedestrian delay and vehicular emissions. Despite the fact that an optimization problem is solved in the thesis, a unique global solution is not acquired. Because more than one objective is overlooked, multiple solutions are obtained after the optimization process. The multi-objective optimization problem is handled with a posteriori approach which enabled us to sense some intuition over the problem and its Pareto optimal solutions. By using this unique feature, scenarios are designed to test the solutions. In future research, the proposed framework can be applied to a variety of networks and traffic conditions. Safety measures can be added to the multi-objective optimization framework. 3-D Pareto fronts can be acquired for pedestrian delay, emissions, and safety in an optimization framework.

Trafik tıkanıklığının şehir yaşamında sayısız olumsuz etkisi vardır. Artan yolculuk süreleri, yakıt tüketimi ve buna bağlı olarak artan araç gaz salımları bu olumsuz etkiler arasındadır. Ulaştırma sektörü, hava kirliliği ve iklim değişikliğine neden olan etkenlerin %29'unu oluşturmaktadır. Öte yandan, özellikle şehir merkezlerinde yaya trafiğinin çok dikkatli bir şekilde ele alınması gerekmektedir. Klasik trafik sinyal denetim uygulamalarında çoğunlukla yayalar için yeşil süre en küçük değer olarak atanır. Ancak, şehir merkezlerinde bulunan kalabalık kavşaklarda, çeşitli nedenlerle (toplantılar, turistik, spor etkinlikleri vb.) kavşağı kullanması gereken yaya sayısı araç sayısından fazla olabilir. Bu çalışmada, yaya gecikmesi ve araç gaz salımlarını dikkate alarak trafik sinyal denetimini eniyilemek için entegre bir yöntem geliştirilmiştir. Trafik benzetimi için ince boyutlu trafik benzetim yazılımı VISSIM seçilmiştir, çok amaçlı eniyileme problemini çözmek için NSGA-II kullanılmıştır ve ince boyutlu araç gaz salımlarını hesaplamak için MOVES3 seçilmiştir. Literatürde araç ve yaya gecikmelerini enküçüklemeye çalışan yayınların bulunmasına rağmen yaya gecikmelerini ve araç gaz salımlarını birlikte alan bir çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmada literatürde bulunan açık kapatılmaya çalışılmıştır. Trafik sinyal denetim ayarlarına müdahale etmek için VISSIM, COM arayüzü vasıtasıyla MATLAB ile bütünleştirilmiştir. COM arayüzü kullanılarak sinyal denetim ayarları, araç ve yaya girişleri, araçların rotaları ve daha birçok özellik benzetim sırasında okunabilir ve değiştirilebilir. COM arayüzü sayesinde eniyileme problemini çözmek için ihtiyaç olan girdileri (araç ve yaya sayıları ve trafik sinyal süreleri) VISSIM benzetimi esnasında MATLAB'a aktarılarak eniyileme problemi çözülmüştür. Elde edilen çözümler COM arayüzü aracılığıyla tekrar VISSIM benzetim ortamına aktarılıp sinyal süreleri dinamik bir şekilde değiştirilmiştir. Yaya gecikmesi ve araç gaz salımları arasındaki ilişkiyi göstermek için iki amaç fonksiyonu oluşturulmuştur. Bu işlevlerin girişi, COM arayüzü aracılığıyla VISSIM programından alınır. Bu iki amaç fonksiyonunun eniyilenmesi için baskın olmayan sıralama genetik algoritması-II kullanılmıştır. Bu iki amaç fonksiyonu birbiriyle çeliştiğinden, biri yaya yeşil süresini enbüyüklemeye çalışırken diğeri araç yeşil süresini enbüyüklemeye çalışmakta, hedefler arasında bir ödünleşim gözlemlenmektedir. Ayrıca önerilen yaklaşımı değerlendirmek için İstanbul Kadıköy'de bir alan çalışması yapılmıştır. Gerekli verileri toplamak video kayıtlarından faydalanılmıştır. Araç ve yaya sayımları 12:00-14:00 ve 17:30-19:30 zaman aralığında gerçekleştirilmiştir. Toplanan veriler, araç ve yaya sayılarını ve yayaların ortalama karşıdan karşıya geçiş sürelerini içermektedir. Alan çalışması sonrasında araç ve yaya verileri iki dakikalık zaman aralıkları ile işlenmişlerdir. Benzetim modelinin kalibrasyonu GEH istatistiği ile yapılmıştır. Kalibrasyondan sonra iki ana senaryo tasarlanmıştır. İlk ana senaryo, ağa yüklenen araçların kademeli olarak değişmesini içermektedir. Değişen araç talebi ile farklı önceliklendirme yaklaşımlarını sınamak için ikinci ana senaryo tasarlanmıştır. Bu şekilde ikinci ana senaryo için üç farklı alt senaryo oluşturulmuştur. Birinci alt senaryo, araçlara göre yayalara daha fazla zaman verilerek yaya hareketlerinin ön planda tutulduğu durumdur. İkinci alt senaryo, yaya ve araç yeşil süreleri arasında bir denge sağlamak için oluşturulmuştur. Araçları yayalara göre önceliklendirmek için üçüncü alt senaryo üretilmiştir. İkinci ana senaryoda, tüm sinyal zamanlamaları, MATLAB ile çözülen çok amaçlı eniyileme probleminin çözümünden elde edilen Pareto çözüm kümesinden seçilmiştir. Önerilen yöntemi sınamak için üç farklı araç girdisi seçilmiştir: i) yüksek (saatte 3000 araç), ii) orta (saatte 2000 araç), iii) düşük (saatte 1000 araç). Ağdaki yaya sayısı her bir senaryoda sabit tutulmuş olup yöntem değişen araç sayısına göre sınanmıştır. VISSIM ortamında araç izleme modeli olarak Wiedemann 1974 modeli, yaya hareket modeli olarak ise Helbing ve Molnar'ın öne sürdüğü sosyal kuvvetler modeli kullanılmıştır. Kadıköy ağı VISSIM ortamına aktarılırken 70 adet araç ağı, 16 adet yaya alanı ve 13 adet trafik lambası kullanılmıştır. Rastgeleliğin sağlanması açısından benzetimler rastgele tohum sayıları kullanılarak 10 adet benzetim yapılmıştır. Her bir benzetim gerçek zamanlı olarak düşünülmüş olup bir benzetim saniyesi gerçek hayatta 1 saniyeye tekabül etmektedir. Araç gaz salımlarını hesaplamak için EPA'nın geliştirmiş olduğu MOVES3 programı kullanılmıştır. MOVES3 üç farklı ölçekte araç gaz salımlarını hesaplayabilmektir: i) ulusal, ii) bölge, iii) proje. Tez kapsamında proje ölçeğinde araç gaz salımları hesaplanmıştır ve proje ölçeği MOVES3 programının en ayrıntılı araç gaz salımı hesaplayan ölçeğidir. Proje ölçeğinde program her bir aracın her bir saniyede hız ve ivme değerlerinden faydalanıp araç özelinde güç isimli bir değişken hesaplamaktadır. Her bir araç için her saniye araç özelinde güç ve hız değerleri program içerisinde sınırları önceden belirlenmiş işletme türü sınıflarına ayrılır. Her bir işletme türünün benzetim boyunca ne kadar süre etkin olduğuna bağlı olarak araçların ürettiği gaz salımı hesaplanır. MOVES3 araç hareketi sonucunda oluşan gaz salımları için 23 çeşit operasyon türü barındırmaktadır. Benzetimden elde edilen sonuçlar, yaya gecikmesi ve araç gaz salımları arasında bir ödünleşim olduğunu göstermektedir. Bu ödünleşim elde edilirken amaç fonksiyonlarına ağırlık atanmamıştır. Formüle edilen iki adet amaç fonksiyonu ulaştırma sektöründe iki önemli alanı yansıtmaktadır. Bunlardan birincisi yayaların ve genel olarak motorsuz taşıtların hareketliliği ve ikincisi motorlu taşıtların hareketi sonucu ortaya çıkan gaz salımlarının oluşturduğu hava kirliliği. Yapılan eniyileme sonucunda tek bir çözüm bulunmamış, aksine, birden fazla çözüm bir çerçeve sunularak elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada yaya gecikmesi ve araç gaz salımları dikkate alınarak sinyal denetim sürelerinin değerlendirilmesi için yeni bir yöntem önerilmiştir. Tezde bir eniyileme problemi çözülmüş olmasına rağmen, küresel tek bir çözüm elde edilememiştir. Uğraşılan problem birden fazla amacı eniyileme çalıştığı için eniyileme sonrasında birden fazla birbirinden daha iyi olmayan çözüm bulunmuştur. Çalışma kapsamında çok amaçlı eniyileme, ele alınan problemin ve probleme ait Pareto çözümleri üzerinde bir miktar sezginin algılanmasını sağlayan aposteriori bir yaklaşımla ele alınmıştır. Bu özellik kullanılarak, çözümleri test etmek için senaryolar oluşturulmuştur. Gelecekteki araştırmalar olarak, önerilen method farklı ağlarda test edilerek doğrulanabilir. Güvenlik bu tezde ele alınmamış olmasına rağmen önerilen iki boyutlu eniyileme problemine üçüncü boyut olarak dahil edilebilir. Böylelikle yaya gecikmelerini, çevresel etkileri ve güvenliği ele alan bir çalışma yapılabilir.