Sezgisel arama algoritmaları ile trafik sinyal optimizasyonu
Traffic signal optimization via heuristic search algorithms
Yazar: ABDULLAH KARAAĞAÇ
Danışman: DOÇ. DR. BÜLENT BOSTANCI
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) uygulamaları dünya üzerindeki doğal ve yapay kaynakların verimli kullanımı için grafik ve grafik olmayan verilerin bir arada kullanılması ile sürekli olarak geliştirilmektedir. Bu uygulamaların geliştirilmesinde geomatik mühendislerinin katkısı çok önemli bir yer teşkil etmektedir. Son yıllarda CBS alanı disiplinler-arası bir hal almış ve özellikle kentsel alanlarda akıllı şehir uygulamaları adı altında anılmaya başlanmıştır. Akıllı şehir uygulamaları ise operasyonel manada çeşitli alt dallara ayrılmıştır.
Bu tez çalışmasında akıllı şehirlerin alt dallarından olan akıllı hareketlilik alanında, bir şehir trafiği ağında, sezgisel arama algoritmaları kullanılarak trafik sinyal optimizasyonu yapılmıştır. Çalışmada literatürde sıkça kullanılan Genetik Algoritma (GA) ve Standart Diferansiyel Gelişim Algoritması (sDE)'nin yanında literatüre yeni kazandırılan Bernstein Arama Diferansiyel Gelişim Algoritması (BSD) ile birkaç kavşaktan oluşan trafik ağlarındaki sinyal sürelerinin aynı anda optimize edilmesi amaçlanmaktadır.
BSD algoritması yeni ve kolay kontrol edilebilir, basit yapılandırılmış, özyinelemeli olmayan, yüksek verimli, hızlı ve pratikte parametresi olmayan bir evrensel diferansiyel gelişim algoritmasıdır. BSD çok elverişli rasgele çaprazlama ve mutasyon süreçlerine sahiptir ve standart diferansiyel gelişim (sDE) ve sDE'nin geliştirilmiş varyantlarının aksine bir kontrol parametresi ayar süreci bulunmamaktadır.
Çalışma alanı olarak; Kayseri merkezinde bulunan bir trafik ağı seçilmiştir. Çalışma alanına ait günün en yoğun saati olan sabah vaktinde ağa giriş yapan araçların sayı verileri Kayseri Büyük Şehir Belediyesi aracılığı ile elde edilmiştir. Optimizasyon süreci iteratif yaklaşımlı olduğundan bu sürecin gerçek bir trafik ağında denenmesi mümkün değildir. Dolayısıyla trafikten elde edilen statik olan; yol geometrileri, sinyal lambalarının konumları gibi verilerin yanında, dinamik olan; araç verileri gerçek zamanlı simülasyon ortamında modellenmiştir.
Halihazırda piyasada pek çok trafik simülasyon yazılımı mevcuttur. Bu yazılımların gerçek trafiğe ait statik ve dinamik verileri doğru modelleyebilmeleri simülasyonun başarısı ile yakından ilişkilidir. Bu tez çalışmasında, günümüzde piyasa lideri konumunda bulunan VISSIM yazılımının akademik sürümü kullanılmıştır. VISSIM yazılımı pek çok açıdan çeşitli avantajlar sağlamaktadır. Bu avantajlardan ilki; harita altlıkları sayesinde statik verilerin program içerisinde doğrudan modellenmesine izin vermesidir. İkincisi; sürücü davranışları yazılım kapsamında çok başarılı şekilde modellenmiştir. Üçüncüsü; COM adı verilen eklentisi sayesinde pek çok programlama dili ile VISSIM yazılımındaki verilerin çekilmesi ve verilere müdahale edilmesi mümkün olmaktadır. Ek olarak VISSIM yazılımının geliştirme birimi tarafından geliştirilen, Vissig adı verilen istatistik temelli, kavşak bazlı ve kesin zamanlı bir trafik sinyal optimizasyon algoritması bulunmaktadır. Kayseri Büyük Şehir Belediyesi halihazırda çalışma alanı olarak seçilen bölgedeki trafik sinyal değerlerini Vissig algoritması ile optimize etmiş ve kullanıma açmıştır.
Bu tezde optimizasyon algoritmaları MATLAB programlama dili ile derlenmiştir. Optimizasyon algoritmaları ile üretilen sinyal sürelerinin doğrudan VISSIM yazılıma aktarılması için hazır bir VISSIM eklentisi bulunmamaktadır. Bu problemin çözümü için, yine MATLAB programlama dilinde bir sinyal çizelgeleme algoritması geliştirilmiştir. BSD, sDE, GA ve Vissig algoritması ile elde edilen sonuçlar birbirleri ile karşılaştırılmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Trafik Sinyal Optimizasyonu, Trafik Simülasyonu, Sezgisel Arama Algoritmaları, Bernstein Arama Diferansiyel Gelişim Algoritması

Abstract:
Geographic Information Systems (GIS) applications are continuously developed by using graphic and non-graphic data together for efficient use of natural and artificial resources in the world. The contribution of geomatics engineers plays an important role in the development of these applications. In recent years, the field of GIS has become interdisciplinary and has become known as smart city applications especially in urban areas. Smart city applications are divided into several sub-branches in operational sense.
In this dissertation, traffic signal optimization has been performed in the smart mobility field, which is one of the sub-branches of smart cities, in a city traffic network by using evolutionary algorithms. In the study, besides Genetic Algorithm (GA) and Standard Differential Evolution Algorithm (sDE), which are frequently used in the literature, the Bernstein Search Differential Evolution Algorithm (BSD), which is newly introduced to the literature, aims to simultaneously optimize the signal times in traffic networks consisting of several intersections.
The BSD algorithm is a new and handy, simple structured, non-recursive, high efficiency, fast and practically universal parameter-free differential evolution algorithm. BSD has literally favorable random crossover and mutation processes and, unlike the standard differential evolution (sDE) and sDE's improved variants, there is no control parameter setting process.
As the study area; a traffic network in the center of Kayseri has been selected. The number data of the vehicles entering the network in the morning, which is the rush hour of the day, was obtained through Kayseri Metropolitan Municipality. Since the optimization process is iterative, it is not possible to try this process in a real traffic network. Therefore, alongside of the static traffic data; as well as such as path geometries, locations of signal heads, dynamic data, as vehicle data has been obtained and modeled in a real-time simulation environment. 
Currently, there are many pieces of traffic simulation software available on the market. The ability of these software to accurately model static and dynamic data of real traffic is closely related to the success of the simulation. In this thesis, the academic version of VISSIM software, which is the market leader today, has been used. VISSIM software offers several advantages in many aspects. The first of these advantages; It allows the modeling of static data directly in the program by means of map bases. Latter; driver behaviors are modeled very successfully within the software. Third; Thanks to its plugin called COM, it is possible to capture and interfere the data in the VISSIM software with many programming languages. In addition, there is a statistics-based, intersection-based and definite-time traffic signal optimization algorithm called Vissig developed by the development unit of the VISSIM software. Kayseri Metropolitan Municipality has optimized the traffic signal values in the region, which is currently selected as the study area, with the Vissig algorithm and put it into use.
In this thesis, optimization algorithms are compiled with MATLAB programming language. There is no ready-made VISSIM plug-in for transferring signal times generated by optimization algorithms directly to VISSIM software. To solve this problem, a signal scheduling algorithm has been developed in the MATLAB programming language. The results obtained with BSD, sDE, GA and Vissig algorithm were compared with each other.
Keywords: Traffic Signal Timing Optimization, Traffic Simulation, Heuristic Optimization Techniques, Bernstein Search Differantial Evolution Algorithm