Macroscopic traffic flow modelling in the presence of vehicle automation and communication systems
Authors: Πορφύρη Καλλιρρόη 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια, πολλές βιομηχανικές χώρες αντιμετωπίζουν τις συνέπειες του συνεχώς αυξανόμενου αριθμού των οχημάτων, γεγονός που οδηγεί σε συνεχή αύξηση των φαινομένων συμφόρησης. Αυτά έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση των χρόνων ταξιδιού, την κατανάλωση καυσίμων, τις εκπομπές καυσαερίων, καθώς και τη μείωση της κυκλοφοριακής ασφάλειας. Οι συμβατικές μέθοδοι για την επίλυση του προβλήματος της κυκλοφοριακής συμφόρησης, με επέκταση των υπαρχουσών υποδομών και λειτουργικές βελτιώσεις, όπως οι βοηθητικές λωρίδες, οι πρόσθετες εναλλακτικές διαδρομές και οι τροποποιήσεις των μεταφορών, παραμένουν πρακτικά ανέφικτες, κυρίως λόγω οικονομικών και περιβαλλοντικών λόγων. Αντίθετα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί εναλλακτικά μια ολοκληρωμένη στρατηγική ελέγχου της κυκλοφορίας, προκειμένου να μετριαστεί το πρόβλημα των συνεχών κυκλοφοριακών συμφορήσεων. Ωστόσο, η εφαρμογή αποδοτικών μέτρων ελέγχου της κυκλοφορίας σε πραγματικό χρόνο συνεπάγεται την ύπαρξη αξιόπιστων και εύρωστων μοντέλων κυκλοφοριακής ροής, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και την επικύρωση των προτεινόμενων στρατηγικών ελέγχου. Στο πλαίσιο αυτό, μια αποτελεσματική διαδικασία βαθμονόμησης και επικύρωσης φαίνεται να είναι αναγκαία για να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των μοντέλων κυκλοφοριακής ροής κατά την εκτέλεση πραγματικών προσομοιώσεων και σεναρίων βελτιστοποίησης. Ταυτόχρονα, επιστήμονες και μηχανικοί στις μέρες μας αναζητούν λύσεις για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της χωρητικότητας των οδικών δικτύων, μέσω των Συστημάτων Ευφυών Μεταφορών. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, πραγματοποιήθηκαν τεράστιες συνεχιζόμενες διεπιστημονικές προσπάθειες από τον κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας, καθώς και από πολυάριθμα ερευνητικά ιδρύματα σε όλον τον κόσμο για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, τη δοκιμή και τη χρησιμοποίηση ποικίλων συστημάτων αυτοματισμού και επικοινωνίας οχημάτων, τα οποία αναμένεται να φέρουν ριζικές αλλαγές στον τρόπο ελέγχου και βελτιστοποίησης της κυκλοφοριακής ροής στις επόμενες δεκαετίες. Τα συστήματα αυτά, όπως τα συστήματα Adaptive Cruise Control (ACC) και Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), αναπτύχθηκαν αρχικά βάση νέων εναλλακτικών μετακίνησης για τους οδηγούς και τους επιβάτες, με ιδιαίτερη έμφαση στη βελτίωση της άνεσης, της ευκολίας και της ασφάλειας, καθώς και στη μείωση της κυκλοφοριακής συμφόρησης. Η εργασία αυτή, η οποία αποτελείται από δύο κύρια μέρη, είναι μία πρώτη προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος ασχολείται με την εξέλιξη των μοντέλων κυκλοφοριακής ροής, με έμφαση στα μακροσκοπικά μοντέλα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, το γνωστό συνεχές 2ης τάξης μοντέλο κυκλοφοριακής ροής gas-kinetic-based traffic model (GKT) αξιολογήθηκε σχετικά με την ικανότητά του να αναπαριστά τις κυκλοφοριακές συνθήκες σε περιοχές αυτοκινητόδρομων υπό κυκλοφοριακή συμφόρηση. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε με τη χρήση μιας μεθόδου βελτιστοποίησης βασισμένη σε παράλληλο Διαφορικό Εξελικτικό αλγόριθμο (Differential Evolution (DE) algorithm), χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα κίνησης από δύο διαφορετικά δίκτυα αυτοκινητοδρόμων: από ένα τμήμα αυτοκινητοδρόμου στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου εμφανίζεται σοβαρή κυκλοφοριακή συμφόρηση εξαιτίας των υψηλών ροών στη ράμπα εισόδου κατά τις πρωινές ώρες αιχμής, καθώς και από ένα τμήμα αυτοκινητοδρόμου στην Ελλάδα, όπου επαναλαμβανόμενη συμφόρηση προκαλείται από μία ράμπα εξόδου, επίσης κατά τις πρωινές ώρες αιχμής. Επιπλέον, η προσέγγιση πολλαπλών λωρίδων του μοντέλου GKT αξιολογήθηκε με τη χρήση πραγματικών δεδομένων κίνησης από το προαναφερθέν δίκτυο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας τον ίδιο αλγόριθμο βελτιστοποίησης, το GKT μοντέλο συγκρίθηκε με το πιο δημοφιλές διακριτό μακροσκοπικό μοντέλο, το METANET, σχετικά με την ικανότητά τους να αναπαραστήσουν τις συνθήκες κυκλοφοριακής ροής στο τμήμα του αυτοκινητόδρομου στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το 2ης τάξης GKT μοντέλο κυκλοφορικής ροής, όπως θα παρουσιαστεί στο πρώτο μέρος, παρέχει τα μεθοδολογικά προαπαιτούμενα για το δεύτερο μέρος της διατριβής, όπου παρατίθενται δύο νέα μοντέλα μακροσκοπικής προσομοίωσης για ACC και CACC οχήματα. Συγκεκριμένα, η νέα προσέγγιση βασίζεται στην εισαγωγή ενός όρου χαλάρωσης στην εξίσωση της ορμής του GKT μοντέλου, ο οποίος ικανοποιεί την αρχή του χρονικού/χωρικού κενού (time/space-gap) των ACC και CACC οχημάτων. Επιπρόσθετα, στη διατριβή αυτή εξετάζεται τόσο η γραμμική όσο και η μη γραμμική ανάλυση ευαισθησίας, προκειμένου να προκύψει το όριο ευστάθειας των νέων μοντέλων, τα οποία είναι ικανά να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά των ACC και CACC οχημάτων στη κυκλοφοριακή ροή, καθώς επίσης και να μελετηθεί η επιρροή αυτών των εξοπλισμένων οχημάτων στη σταθεροποίηση της κυκλοφοριακής ροής, όσον αφορά τόσο μικρές όσο και μεγάλες διαταραχές γύρω από την κατάσταση ισορροπίας.