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
Authors: Αναγνωστόπουλος Απόστολος 
Published: October 2023

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.