Sinyalize Kavşaklarda Etkileşimli ve Adaptif Trafik Yönetim Modeli

Abstract

Nüfus ile birlikte artan şehirleşme oranı ister istemez insanların ulaşımda kullandıkları araçların neden olduğu trafik yoğunluğunu da her geç gün artırmaktadır. Bu nedenle trafiğin yönetimi artık şehir yaşamında en kritik unsurlardan biri olmuştur. İnsanların ulaşımda kullandıkları taşıt yollarının üzerindeki en büyük sorun yolların birbiriyle kesiştiği ve kesintisiz trafik akışını engelleyen sinyalize kavşaklardır. Trafikte meydana gelen gecikmeleri önlemede, sinyalizasyon kontrollerinin çok büyük bir role sahip olduğu görülmektedir. Bu kavşaklarda trafiğin en verimli şekilde akışının sağlanması, hem daha az yakıt tüketimine sebep olması nedeniyle ülke ekonomisine hem de içten yanmalı taşıtların sebep olduğu karbondioksit emisyonunun azaltılması nedeniyle daha sürdürülebilir bir çevre oluşturulmasına sağlayacağı katkılar çok önemlidir. Bu doktora tez çalışması kapsamında trafik akışına olumlu katkılar sağlayacak çalışmalar yapılarak sinyalize kavşaklar üzerinde işletilebilecek bir adaptif trafik yönetim modeli geliştirilmiştir. Kavşaklarda trafik akışını verimli bir şekilde sağlamak ve kontrol etmek üzere geliştirilen adaptif model, trafik yoğunluğuna göre minimum ve maksimum süre aralığında faz işletimi ve faz atlama özelliklerine sahiptir. Geliştirilen bu modelin diğer sinyalize kavşak kontrollerinden en belirgin farklılığı ise sıralı değil, esnek faz yapısına sahip olarak kavşaklarda trafik akışını kontrol etmesidir. Geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin sonuçlarını irdelemek ve karşılaşılması muhtemel sorunların çözümü için çalışma sonucunda elde edilen adaptif model, Antalya ili sınırları içerisinde bulunan Kemer ilçesi yolu üzerindeki Heybe Kavşağı'na ait gerçek kavşak verileri kullanılarak SUMO simülasyon programında birebir simüle edilmiştir. Bu simülasyon çalışması sonucunda elde edilen adaptif trafik yönetim modeli, bu kavşakta uygulanmış ve elde edilen sonuçlar yorumlanarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, SUMO programından elde edilen iyileştirme sonuçları farklı yöntemlerle doğrulanmıştır. Webster teoremi ile Heybe Kavşağı sabit zamanlı sinyalizasyon sistemi verileri üzerinden gecikme hesaplaması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, kamera üzerinden görsel tespit metodu ile araçların gecikme değerleri saptanmış ve araç başına gecikme parametresi tespit edilmiştir. Son olarak AIMSUN simülasyon programında Heybe Kavşağı modellenmiş ve SUMO simülasyon işletimi ile aynı trafik verilerinde işletilmiştir. Böylelikle, Webster teoremi, görsel tespit metodu ve AIMSUN simülasyon programı olmak üzere üç farklı doğrulama yöntemi uygulanmıştır. Bütün doğrulama yöntemlerinden SUMO simülasyon çıktısı ile benzer sonuçlar elde edilmiştir. Böylelikle geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin kavşağa olan etki sonuçları doğrulanmıştır. Bu tez çalışmasında, son olarak performans ölçüm sensörü tasarlanmış ve Heybe Kavşağı'na yerleştirilmiştir. Bluetooth sinyalleri ile sinyalize kavşaklarda gerçek zamanlı performans ölçümü yapabilecek bir sistem tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kavşak kollarındaki araçların bluetooth sinyalleri üzerinden seyahat sürelerini ölçerek sinyalizasyon sisteminden kaynaklı gecikme değerlerini tespit edebilen performans ölçüm sistemi, geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin tüm gün kavşaktaki etkisini tespit etmede kullanılmıştır. Çalışmada geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin sonuçları bu çalışmada tasarlanan performans ölçüm sistemi ile tespit edilmiştir. Tespit edilen sonuçlara göre geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin her bir alt bileşenin performansa etkisi sabit zamanlı sinyalizasyon sistemine göre olumlu yöndedir. Minimum maksimum süre aralığı faz işletimi, faz atlama, matris yapı ve dinamik faz özellikleri sinyalize kavşak performansını daha verimli hale getirmiştir. Çalışma sonucunda, günlük ortalama 50.000 adet aracın kullandığı Heybe Kavşağı'nda geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin sabah bir saatlik yoğun trafikte uygulanması ile sabit zamanlı sinyalizasyon yönetimine göre araç başına ortalama gecikme 28,1 saniye/taşıt, bekleme süresi 28,5 saniye/taşıt azaltılmış ve ortalama hız 0,91 kilometre/saat artırılmıştır. Ayrıca, tasarlanan performans ölçüm sistemi ile tüm gün yapılan ölçümlerde, geliştirilen adaptif trafik yönetim modelinin Heybe Kavşağı'na uygulanması ile sabit zamanlı sinyalizasyon yönetimine göre araç başına ortalama gecikmede %38,42 oranında iyileşme sağladığı tespit edilmiştir.

The increasing urbanization rate along with the population inevitably increases the traffic density caused by the vehicles people use for transportation day by day. For this reason, traffic management has become one of the most critical elements in city life. The biggest problem on the roads people use for transportation is the signalized intersections where the roads intersect and prevent uninterrupted traffic flow. It is seen that signalization controls play a very big role in preventing delays in traffic. Ensuring the most efficient flow of traffic at these intersections is very important both for the country's economy by causing less fuel consumption and for the creation of a more sustainable environment by reducing carbon dioxide emissions caused by internal combustion vehicles. Within the scope of this thesis, studies that will make positive contributions to traffic flow were carried out and an adaptive traffic management model that can be operated on signalized intersections was developed. The adaptive model developed to efficiently provide and control traffic flow at intersections has phase operation in the minimum and maximum time range and phase skipping features according to traffic density. The most significant difference of this developed model from other signalized intersection controls is that it controls traffic flow at intersections not sequentially but with a flexible phase structure. In order to examine the results of the developed adaptive traffic management model and to solve possible problems, the adaptive model obtained as a result of the study was simulated one-to-one in the SUMO simulation program using real intersection data belonging to Heybe Intersection on the Kemer district road within the borders of Antalya province. The adaptive traffic management model obtained as a result of this simulation study was applied to this intersection and the obtained results were interpreted and evaluated. In this study, the improvement results obtained from the SUMO program were verified with different methods. Delay calculation was performed on the Heybe Intersection fixed-time signaling system data with Webster's theorem. In addition, the delay values of the vehicles were determined with the visual detection method via the camera and the delay parameter per vehicle was calculated. Finally, the Heybe Intersection was modeled in the AIMSUN simulation program and operated on the same traffic data with the SUMO simulation operation. Thus, three different verification methods were applied, namely Webster's theorem, the visual detection method and the AIMSUN simulation program. Similar results were obtained with the SUMO simulation output from all verification methods. Thus, the effect results of the designed adaptive intersection control model on the intersection were verified. Finally, a performance measurement sensor was designed in the study and placed at the Heybe Intersection. A system design that can perform real-time performance measurement at signalized intersections with Bluetooth signals was implemented. The performance measurement system, which can detect the delay values originating from the signaling system by measuring the travel times of the vehicles at the intersection arms via Bluetooth signals, was used to determine the effect of the developed adaptive intersection control model on the intersection all day long. The outcomes of the adaptive intersection control model developed in this study were assessed using a performance measurement system specifically designed for this purpose. According to the results, each subcomponent of the adaptive intersection control model positively impacts performance compared to the fixed-time signaling system. Key features, including minimum and maximum time interval phase time, phase skipping, the variable matrix structure, and adaptive phase configuration, were enhanced the efficiency of the signalized intersection. As a result of the study, the application of the developed adaptive traffic management model in the morning one-hour peak traffic at Heybe Intersection, where serves an average of 50,000 vehicles daily, reduced the average delay per vehicle by 28.1 seconds/vehicle, reduced the waiting time by 28.5 seconds/vehicle and increased the average speed by 0.91 kilometers/hour compared to the fixed-time signaling management. In addition, in the measurements made throughout the day with the designed performance measurement system, it was determined that the application of the developed adaptive traffic management model to Heybe Intersection provided an improvement of 38.42% in the average delay per vehicle compared to the fixed-time signaling management.