title: Highway traffic state estimation and control in presence of connected automated vehicles
title: Εκτίμηση κατάστασης και έλεγχος κυκλοφορίας σε αυτοκινητόδρομους παρουσία συνδεδεμένων αυτόματων οχημάτων
Creators: name: Βαλτατζης Αλεξανδρος-Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: It is expected that the widespread adoption of Vehicle Automation and Communication Systems in the upcoming years will have a strong impact on freeway traffic performance. In addition to ensuring comfort and safety, other key objectives are to estimate and reduce traffic congestion, which constitute two related, substantial and demanding issues of the modern world. The aim of this diploma thesis is twofold. Its first objective is to demonstrate the efficiency of a macroscopic model-based approach, based on a Kalman filter, in estimating the total density and flow of vehicles in a real road network in Antwerp, Belgium, using real data and assuming that all vehicles are Connected Automated Vehicles (CAVs). The proposed filter utilizes only real speeds and a limited amount of real flow measurements from spot-sensors, on a 48Km motorway stretch that starts from A13 2100 in Boterlaar-Silsburg neighborhood and ends at A13 3945 in Ham municipality, Antwerp, Belgium. The accuracy and reliability of the estimated traffic states are assessed through comparison with ground truth measurements. The second goal of this diploma thesis is to show the effectiveness of utilizing an Adaptive Cruise Control (ACC) traffic control strategy in boosting the motorway traffic flow at active bottleneck locations by adjusting the time-gap of ACC-equipped vehicles in selected motorway sections in real-time, based on current and estimated traffic conditions. The proposed deployment and application scenario is implemented successfully in a toy road network in the Aimsun Next microsimulator, using the Gipps car-following model, which is known for its limitations in relation to the capacity drop phenomenon. The simulation results are displayed over different ACC penetration rates (the percentage of the CAVs present in the traffic) and prove that there is a significant improvement in the total time spent in the road network and in the average vehicle delay, as the penetration rate increases.
description: Τα επόμενα χρόνια αναμένεται ότι η ευρεία υιοθέτηση των Συστημάτων Αυτοματισμού και Επικοινωνίας Οχημάτων θα έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση της κυκλοφορίας στους αυτοκινητόδρομους. Εκτός από τη διασφάλιση της άνεσης και της ασφάλειας, άλλοι βασικοί στόχοι είναι η εκτίμηση και η μείωση της κυκλοφοριακής συμφόρησης, που αποτελούν δύο σχετικά μεταξύ τους, ουσιαστικά και απαιτητικά ζητήματα του σύγχρονου κόσμου. Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι διπλός. Ο πρώτος στόχος είναι να παρουσιάσει την αποτελεσματικότητα μιας μακροσκοπικής μοντελο-κεντρικής προσέγγισης, βασισμένης στη χρήση ενός φίλτρου Kalman, στην εκτίμηση της συνολικής πυκνότητας και ροής των οχημάτων σε ένα πραγματικό οδικό δίκτυο στην Αμβέρσα του Βελγίου, χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα και υποθέτοντας ότι όλα τα οχήματα είναι συνδεδεμένα αυτοματοποιημένα οχήματα (Connected Automated Vehicles - CAVs). Το προτεινόμενο φίλτρο χρησιμοποιεί μόνο μετρήσεις πραγματικής ταχύτητας και έναν περιορισμένο αριθμό μετρήσεων πραγματικής ροής οχημάτων από σημειακούς αισθητήρες, σε ένα τμήμα αυτοκινητόδρομου μήκους 48 χιλιομέτρων που ξεκινά από το Α13 2100 στην περιοχή Boterlaar-Silsburg και τελειώνει στο Α13 3945 στον Δήμο Ham, στην Αμβέρσα του Βελγίου. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία των εκτιμώμενων καταστάσεων κυκλοφορίας αξιολογούνται μέσω σύγκρισης με πραγματικές μετρήσεις. Ο δεύτερος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να αναδείξει την αποτελεσματικότητα της χρήσης μιας στρατηγικής ελέγχου κυκλοφορίας, βασισμένης σε Adaptive Cruise Control (ACC), για την ενίσχυση της κυκλοφοριακής ροής σε ενεργές θέσεις συμφόρησης (bottlenecks) αυτοκινητόδρομων, προσαρμόζοντας το χρονικό διάστημα (time-gap) των οχημάτων εξοπλισμένων με ACC σε επιλεγμένα τμήματα αυτοκινητόδρομων σε πραγματικό χρόνο, με βάση τις τρέχουσες και τις εκτιμώμενες συνθήκες κυκλοφορίας. Το προτεινόμενο σενάριο ανάπτυξης και εφαρμογής υλοποιείται με επιτυχία σε ένα τεχνητό οδικό δίκτυο στον μικροπροσομοιωτή Aimsun Next, χρησιμοποιώντας με επιτυχία το μοντέλο Gipps car-following, το οποίο είναι γνωστό για τους περιορισμούς του όσον αφορά στο φαινόμενο μείωσης χωρητικότητας (capacity drop). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται για διαφορετικά ποσοστά διείσδυσης ACC (δηλαδή, το ποσοστό των οχημάτων CAVs που υπάρχουν στην κυκλοφορία, γνωστό ως penetration rate) και αποδεικνύουν ότι υπάρχει σημαντική βελτίωση στον συνολικό χρόνο που δαπανάται από όλα τα οχήματα στο οδικό δίκτυο και στη μέση καθυστέρηση καθενός οχήματος, καθώς αυξάνεται το ποσοστό διείσδυσης των ACC οχημάτων.