İstanbulda'ki ışıklı kavşaklarda doygun akım değerini etkileyen geometrik değişkenlerin incelenmesi
Investigation of geometric factors influencing saturation flow rate at signalized intersections in İstanbul
Yazar: SÜLEYMAN DÜNDAR
Danışman: PROF. DR. KEMAL SELÇUK ÖĞÜT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Trafik = Traffic ; Ulaşım = Transportation

Özet:
Otomobil,  statünün, zenginliğin, gücün, özgürlüğün, kendine güvenin simgesi olarak görülen ve yaygın olarak kullanılan bir ulaşım türüdür. Son yıllarda ülkemizdeki kişi başına yıllık gelirin artmasına bağlı olarak, otomobil sahipliğinde artış olmuştur. Bunun sonucu olarak, kent içi trafiğinde özellikle kavşaklarda uzun taşıt kuyrukları oluşmaktadır. Bu durum, yakıt tüketimi, zaman kaybı, sera gazı salımının artması gibi değişik bir çok çevresel sorunlara neden olmaktadır.
Söz konusu olumsuz sonuçları en aza indirmek için geliştirilen trafik ışıkları, farklı yönlerden kavşağa gelen akım kolları için gerçek yeşil sürelerin belirlenmesi çok önemlidir. Çünkü, bir kavşak koluna gerek duyulan yeşil süreden daha uzun sürenin verilmesi sonucunda, diğer kavşak kollarında daha uzun kuyruklanmaların oluşması ve kavşağın etkin olarak kullanılması engellenmektedir. Yeşil sürenin hesaplanması için doygun akım değerinin bilinmesi çok önemlidir.
Doygun akım değerinin hesaplanması için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Ülkemizde, Karayolu Kapasite El Kitabı (TRB, 2010) tarafından geliştirilen yöntem yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde, doygun akım değeri için biri gözlemsel, diğeri çözümlemeli (analitik) olmak üzere iki hesaplama şekli bulunmaktadır. Çözümlemeli yöntem ile doygun akım değerini hesaplamak için 12 farklı değişken katsayısı çarpanının içinde olduğu matematiksel bir denklem kullanılmaktadır. Gözlemsel yöntemde ise arazide taşıtlar arasındaki zaman cinsinden doygun aralığın belirlendiği ve bu değerin 3.600'e bölünmesiyle doygun akım değeri hesaplanmaktadır. Taşıtlar arasındaki zaman cinsinden doygun aralık değerini, trafik, geometrik ve ışık kontrol değişkenleri olmak üzere üç farklı değişken grubundaki etkenler etkilemektedir.  
Karayolu Kapasite El Kitabı'nda (TRB, 2010), sürücü davranışları ülkeden ülkeye değiştiğinden dolayı, yerel taşıt verileri kullanılarak doygun akım değerinin hesaplanması önerilmiştir. Tez çalışmasında, doygun akım değerini etkileyen değişkenlerin fazlalığı nedeniyle, İstanbul'daki ışıklı kavşaklarda doygun akım değerini etkileyen geometrik değişkenler incelenmiştir. Temel doygun akım değerinin yanı sıra söz konusu değişken ile şerit grubundaki şerit sayısı, şerit genişliği, şeridin boyuna eğimi, sola dönüş ve sağa dönüş ilişkisi belirlenmiştir. Bu değişkenlerden sağa dönüş değişkeni için uygun kavşak bulunamadığından, söz konusu değişken incelenememiştir.
İstanbul İli genelinde toplam 2.209 ışıklı kavşak ve yaya geçidi bulunmaktadır. Bu tez çalışması için örneklem sayısı olarak, mevcut kavşakların en az %5'inde arazi çalışması hedeflenmiştir. İncelenen 100 kavşak ve yaya geçidinde 209 şeritte toplam 86.903 taşıtın zaman cinsinden aralık değerleri ölçülmüştür.
Saha verisi için, İstanbul İli genelinde havanın yağışsız, yol yüzeyinin kuru ve görüşün açık olduğu günlerde 05/05/2014 ile 27/12/2016 tarihleri arasında arazide her şerit için en az 30 devre boyunca ve kuyrukta en az 7 taşıtın olduğu devrelerde yeşil ışığın yanmasıyla birlikte kavşağa giren taşıtların arka tamponları referans alınarak, dur çizgisini geçerken taşıtlar arasındaki zaman sürelerinin verisi toplanmıştır. Ayrıca, taşıtların hangi sınıftan olduğunun verisi de kaydedilmiştir. Bu çalışmada, otobüs, kamyon gibi büyük taşıtların olduğu ağır taşıt sınıfı ile otomobil, minibüs, kamyonet gibi hafif taşıtların olduğu taşıt sınıfı olmak üzere iki taşıt sınıfı kabulü yapılmıştır. Ağır taşıtların dur çizgisini geçtiği süreyi birim otomobil (bo) cinsine dönüştürmek için kaydedilen süre 2 sayısına bölünmüştür.
İncelenen kavşak kolundaki şeritte, dur çizgisinin ilerisinde trafik tıkanıklığı olmadığı sabah ve akşam zirve saatlerinde (07:00 ile 09:00 ve 17:00 ile 19:00) taşıtların birbirini izlediği süreler incelenmiştir. Veri toplama sırasında şerit değiştiren, yaya nedeniyle ya da başka bir sebepten dolayı taşıtların hareketi engellenmişse, o devrenin verileri çözümlemede kullanılmamıştır. Ayrıca, aynı kavşak kolunun farklı şeritlerindeki taşıtların zaman cinsinden doygun aralık değeri ANOVA testine göre birbirinden farklı çıkması durumunda, bahse konu şeritlerde en az 15 devre ilave taşıt verisi toplanmıştır. 
Geometrik değişkenlerin doygun akım üzerindeki etkisini belirlemek için ilk önce temel koşullarda temel doygun akım değeri hesaplanmıştır. Karayolu Kapasite El Kitabı (TRB, 2010), şerit genişliğinin 3,60 m, şeridin eğimsiz olduğu, kavşakta parklanma ve otobüs durağının olmadığı, kavşağın merkezi iş alanı dışında olduğu, dönen taşıtların olmadığı durumları temel koşullar olarak tanımlamaktadır. İstanbul'da kent içi en çok kullanılan şerit genişliği 3,50 m olduğundan, bu genişlik temel genişlik olarak kullanılmıştır. Bu kapsamda yapılan arazi çalışması sonucunda, temel koşulları sağlayan 49 şeritte temel doygun akım değerinin 1.773-2.045 bo/sa/şrt arasında değiştiği görülmüş olup, ortalama değer 1.890 bo/sa/şrt olarak bulunmuştur.
Temel doygun akım değeri belirlendikten sonra, her bir değişken için ilgili değişkenin değiştiği fakat diğer değişkenlerin değişmediği şeritlerdeki doygun akım değerleri kullanılarak, söz konusu değişken ile doygun akım değeri arasında bir model oluşturulması hedeflenmiştir. İlk olarak, şerit grubundaki şerit sayısı ile ilgili şeritlerdeki doygun akım değeri arasında nasıl bir ilişki olduğuna yönelik regresyon çözümlemesi yapılmıştır. Çözümleme sonucunda, iki değişken arasında anlamlı bir ilişki kurulamamıştır. Bu çalışmada çıkan sonuç ile Karayolu Kapasite El Kitabı'nda (TRB, 2010) belirtilen ilişki aynı olmuştur.
Şerit genişliğinin doygun akım değerine etkisi ile ilgili yaygın kullanılan çalışmalardan biri Webster ve Cobbe (1966) tarafından geliştirilen bağıntı olmakta olup, doygun akım değeri şerit genişliğinin bir fonksiyonu olarak belirtilmiştir. Bu tez çalışmasında şerit genişliğinin doygun akım değerine etkisi ile ilgili olarak, şerit genişliği (ŞG) 2,80-3,50 m arasında değişen 128 şeritteki taşıt verileri kullanılmış ve regresyon çözümlemesi sonucunda Denklem 1'de verilen bir model geliştirilmiştir.

f_ŞG=ŞG×((7-ŞG)/5,28)-1,32		 (1)

Doygun akım değerinin etkilendiği geometrik değişkenlerden biri de şeridin eğimidir. Eğimin artı yönde artması ya da eksi yönde azalması, doygun akım değerine etkisi farklı olmaktadır. Eğim pozitif olarak artıyorsa doygun akım değeri azalır, negatif yönde azalıyorsa doygun akım değeri artmaktadır. Bu çalışma kapsamında toplam 91 şeridin eğimleri ile bu şeritlerdeki doygun akım değerleri arasında regresyon çözümlemesi yapılmıştır. Çözümleme sonucunda üç ayrı eğim bölgesi için eğim düzeltme çarpanı hesaplanmıştır. -%9 ile -%2 arasındaki eğimler için eğim düzeltme çarpanı 1,054, -%2 ile +%2 arasındaki eğimler için 1,000 ve  +%2 ile +%9 arasındaki eğimler için ise 0,973 olarak bulunmuştur. 
Tez kapsamında, sola dönüşlerin doygun akım değerine etkisine yönelik arazi çalışması da yapılmıştır. Bu amaçla sola dönüş akımı için arazide şerit genişliği 2,60-3,50 m ve dönüş yarıçapları ise 5-36 m arasında değişen 25 sola dönüş şeridinde gözlem yapılmıştır. Burada iki farklı bağımsız değişken olduğundan iki farklı aşamada çözümleme yapılmıştır. Daha önce şerit genişliği için bulunan model kullanılarak, doygun akım değeri güncellenmiş ve güncellenen doygun akım değeri ile sola dönüş yarıçapı (R) arasında regresyon çözümlemesi yapılmıştır. İki değişken arasındaki ilişki Denklem 2'de verilmiştir.
f_Sol=0,80+R/257		 (2)
Doygun akım değerini etkileyen değişkenlerden sonuncusu sağa dönüş etkisi ile ilgilidir. Ancak İstanbul'da, sağa dönüş yardımcı şeridinin olduğu ve bu şeritte beşten fazla taşıtın kuyruklandığı bir kavşak bulunamamıştır. Kavşaklarda sağa dönüş yardımcı şeridinin olması durumunda ise uygulamada genellikle sürekli yeşil ışık yanan sağa dönüş lambası bulunmaktadır. Ayrıca yardımcı sağa dönüş şerit boylarının uzun olması durumunda İstanbul'da doğru giden taşıtların da bu şeritleri kullanması söz konusu olduğundan, bu şeritlerin boyları kısa tutulmaktadır. Sonuç olarak, sağa dönüş çarpanı bu tez çalışması kapsamında incelenememiştir.

Abstract:
Travelling with car is a commonly used transportation type and it is sign of status, wealth, power, freedom, property, self-confidence, etc. In recent years, there has been an increase in number of automobile owners due to the increase in annual income per capita in our country. Thus, long queues of vehicles are formed especially at junctions in urban traffic. This situation triggers various environmental problems such as fuel consumption, time loss, and greenhouse gas emissions. 
To minimize consequences of the mentioned problems, signalized systems have been developed and also determining  actual green time duration for the current arms from different directions to the junction is very important in the signalized systems.When green period time for a junction arm is more than others, this causes longer queus in other junction arms that interfere with effective use of the junction.  Therefore, It is very important to know accurate saturation flow rate in order to properly calculate  green time.
Several methods have been developed for calculating the saturationflow rate. In our country, the methodology developed by the Highway Capacity Manual (TRB, 2010) is widely used. In this method, there are two methods of calculation, one is observational and the other is analytical. The analytical method make use of a mathematical model that consists of 12 different variable coefficients to calculate the saturation flow rate for the analytical method.  The observational method use the time between the consecutive vehicles in saturated headway and the value is determined by dividing obtained time by 3.600. The time interval between the consecutive vehicles is affected by three different variables: traffic, geometric and light control.
According to Highway Capacity Manual (TRB, 2010),  it is proposed to calculate the saturated current value by using local vehicle data because driver behavior varies from country to country. In this thesis study, due to the high number of variables affecting the saturation flow rate, the geometric variables that affect the saturation flow rate at signalized intersections of Istanbul  are studied. In addition to basic saturatin flow rate, number of lanes in lane group, lane width, lane grade, left turn and right turn adjustment factors are identified. The right turn adjustmen factor is not studied since there is no suitable signalized intersections for right turn.
The total number of signalized intersections and pedestrian ways in Istanbul is 2,209. In this thesis, the target sample size is at least 5% of existing intersections. 86.903 headways of the vehicle are calculated for 209 lanes at 100 signalized intersections. The number of intersections examined was greater than the number of intersections targeted.
The field data were collected on between 05/05/2014 and 27/12/2016, when the weather wasn't rainy, the ground was dry and sight distence was clear.  There is a minimum of 30 phase for each lane in the field when at least 7 vehicles in the queue. With reference to the rear bumpers of vehicles entering the intersection, data of the time periods between the consecutive vehicles were collected as they crossed the stop line. Also, class of vehicles were recorded. In this study, buses and trucks are considered in heavy vehicles class and automobiles, minibuses and vans are classied as light vehicles. Also, passenger car unit (PCU) value for heavy vehicles was used 2,00. 
The time between consecutive vehicles were examined at signalized intersection lanes when there were no trafic jam on the downstream flow direction during weekday peak periods (07:00 to 09:00 and 17:00 to 19:00). During data collection phase following cases were exluded and not used in analysis : if the movement of the vehicles was blocked due to the pedestrian effect or for some other reason. Furthermore, if the average saturated headway of the vehicles in the different lanes of the same junction arm differs from each other according to the ANOVA test, at least 15 more cycles of vehicle data are collected in these lanes.
To determine the impact of geometric factors on the saturation flow rate, the basic saturation flow rate was calculated first in basic conditions. In the Highway Capacity Manual (TRB, 2010), the basic saturation flow rate conditions respected as traffic lane that is 3,60 m wide, a flat grade, no parking, no buses that stop at the intersection, no central business area and no turning vehicles exists. The default value for a lane width is determined 3.5 m instead of 3.6 m due to its common usage in Istanbul. The basic saturation flow rate was observed between 1,800 pcuphpl and 2,045 pcuphpl, and the the average rate is 1,890 pcuphpl at the 49 lanes.
After determining the basic saturation flow rate, it is aimed to develop a model between the factor and the saturation flow rate by using the saturation flow rate where the others factors are same. First, a regression analysis was performed to determine influence of the number of through lane groups on saturation flow rate. The results of this work indicates that there was no significant relationship between the two variables. The result of this study indicates exactly same relationship stated in the Highway Capacity Manual (TRB, 2010). 
One of the commonly used model about impact of lane width on the saturation flow rate is the model developed by Webster and Cobbe (1966), and in this model, the saturation flow rate is defined as a function of lane width. In this thesis work, with the impact of lane width on saturation flow rate, field data on 128 lanes that contains various lane width between 2.80-3.50 m were used and as a result of regression analysis a model given in Equation 1 is developed.
f_ŞG=ŞG×((7-ŞG)/5,28)-1,32		 (1)
One of the geometric factors that affect the saturation flow rate is the lane grade. The increase or decrease in lane grade causes different impacts on the saturation flow rate. If the lane grade increases positively, the saturation flow rate decreases and if it decreases in negative direction, the saturation flow rate increases. In this study, the regression analysis is performed between the grades of  91 lanes and the saturation flow rate in these lanes. As a result of regression analysis, adjustment factor for lane grade is calculated for three different grade zones. The adjustment factor for lane grade is respectively obtained as 1,054; 1,000 and 0,973 for lane grade between -%9 and -%2,  -%2 and +%2 and +%2 ile +%9. 
Moreover, a field study is conducted to determine the effect of left turns in tha lane groups on the saturation flow rate. To accomplish this purpose, an observation was conducted in 25 left turn lanes that have between 2,60-3,50 m width and 5-36 m turning radius. Due to two independent variables, two different stages are analyzed. The saturation flow rate is updated according to the model previously found model of lane width and the regression analysis is performed between the updated saturation flow rate and the left turning radius (R). The relationship between the two variables is given in Equation 2.
f_Sol=0,80+R/257		 (2)
One of the last factors that affect saturation flow rate is effect of right turn. However, there is not an example of intersection that has a right turn lane to queue more than 5 vehicles in Istanbul. In the case of a right turn lane at the intersections, which is not very common. In general, there exists a right-hand turn lamp, and in these lanes the lamp is always green. Also, lengths of short lanes are kept short to prevent use of these lanes by drivers on straight lanes in Istanbul . As a result, adjustment factor for right-turns is not studied in this thesis study.