Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/27072
Title: Traffic Signal Control in Congested Urban Networks: Simulation-based Optimization Approach
Authors: Chen, Xiao 
Orientador: Osorio, Carolina
Santos, Bruno
Keywords: Signal control; Reliability; Little’s law; Adaptive traffic signal control
Issue Date: 15-Dec-2014
Abstract: Congestion has become a global phenomenon, in particular in great urban areas in which daily traffic jams are in most cases a major concern. Managing signal plans efficiently is one of the most cost-effective methods. However, existing signal control strategies are less powerful in handling congested network with spillbacks and grid-type topology. Enhancing the reliability of our networks is currently recognized as a critical goal in the US and in Europe. There is extensive evidence that indicates that travel time reliability is accounted by travelers in a variety of travel decisions, such as departure time and route choice. Hence, operating our networks such as to reduce both the average and the variability of trip travel times would be highly valued by travelers. How- ever, urban traffic management strategies are typically formulated such as to improve first-order performance metrics (e.g. expected trip travel times, expected link speeds). The main challenge in addressing reliability in traditional transportation optimization problems is the need to provide an accurate analytical and tractable approximation of trip travel time distribution, or of its first- and second-order moments. The complex between-link spatial-temporal dependency patterns makes accurate analytical modeling of urban road networks a challenge. In particular when the aim is to model metrics related to the paths chosen by the drivers, in order to reflect driver experiences. Thus, this work proposes new signal control strategies for large-scale congested urban networks that can tackle these challenges. In this thesis, a simulation-based optimization (SO) is used to address traffic signal control problems. Microscopic simulators describe in detail the interactions between vehicle performance, traveler behavior and the underlying transportation infrastructure. They can ultimately contribute to the design of traffic management strategies, providing detailed system performance estimates to infer the design and operations of urban networks. To ensure the computational efficiency, an analytical approximation of objective function is needed. We develop different formulations of travel time reliability based on both link travel time and path or trip travel time distributional information, and then use those formulations in signal design strategies to fulfill the reliability requirements. We also design a simulation-based adaptive traffic signal control algorithm to adjust signals plans dynamically according to real-time traffic conditions. We apply the reliable signal control strategy to both city center and the full city of Lausanne. The proposed simulation-based adaptive traffic signal control algorithm is applied to a grid-type urban network with heavy traffic in east Manhattan area (New York City, USA). In both cases, proposed methods lead to signal plan with better performance in terms of various performance metrics.
O congestionamento tornou-se um fenómeno global, com particular relevância no caso das grandes áreas urbanas onde os engarrafamentos rodoviários são por norma uma preocupação diária. A gestão eficiente de planos sinaléticos é certamente um das formas mais rentáveis de lidar com este fenómeno. No entanto, as estratégias existentes para o controle de sinal semafóricos são por norma pouco poderosas na manipulação de redes congestionadas de tipologia reticulada e que sofrem de efeitos spillback. Melhorar a fiabilidade das nossas redes é atualmente reconhecido como um objetivo fundamental, tanto nos EUA como na Europa. Há uma ampla evidência sobre como a fiabilidade tempo de viagem é considerada por viajantes em uma variedade de decisões de viagem, tais como na escolha do horário de saída e da rota de viagem. Assim, operar as redes rodoviárias por forma a reduzir tanto a média como a variabilidade dos tempos de viagem seria muito valorizado pelos viajantes. No entanto, as atuais estratégias de gestão do tráfego urbano são normalmente formuladas de modo a apenas melhorar os indicadores de desempenho de primeira ordem (como é o casa dos tempos de viagem esperados ou as velocidades esperadas nos eixos). O principal desafio na abordagem de introduzir objetivos de fiabilidade em problemas de otimização de transporte tradicionais é a necessidade de encontrar uma aproximação analítica útil e precisa para a distribuição do tempo de viagem, ou seja, para os seus momentos de primeira e de segunda ordem. A complexidade das dependências entre os eixos da rede e as próprias relações espaço-temporais, torna a modelação analítica exata da rede rodoviária um desafio. Em particular quando se pretende modelar indicadores de performance ao nível dos percursos tomados pelos condutores, de forma a refletir as experiências de viagem dos condutores. Este trabalho propõe por isso novas estratégias de controlo semafórico, que conseguem lidar com os desafios indicados e que são particularmente úteis para redes urbanas congestionadas de grande escala. Nesta tese, um modelo de otimização baseada em simulação (SO) é usado para tratar problemas semafóricos de controle de tráfego. Os simuladores microscópicos descrevem em detalhe as interações entre o desempenho do veículo, o comportamento dos condutores e a infraestrutura de transporte subjacente. Eles podem contribuir para o desenvolvimento de estratégias de gestão de tráfego, proporcionando estimativas detalhadas do desempenho do sistema que podem ser usadas tanto no planeamento como na avaliação da performance de redes urbanas. No entanto, para assegurar a eficiência computacional, é necessária lidar com uma aproximação analítica da função objetivo. Para isso, desenvolvemos diferentes formulações de fiabilidade do tempo de viagem, com base em distribuições tanto do tempo de viagem nos eixos como do tempo de viagem no percurso ou viagem. Essas formulações foram posteriormente usadas no desenvolvimento de estratégias que preenchem os requisitos em termos da fiabilidade dos tempos de viagem. Desenvolveu-se ainda um algoritmo de controle reactivo de semáforos baseado em simulação, de modo a ajustar os planos semafóricos dinamicamente de acordo com as condições de tráfego em tempo real. A estratégia de fiabilidade para o controle semafórico proposta nesta tese é aplicada tanto à rede do centro da cidade de Lausanne como à rede completa da mesma cidade. O algoritmo de controle semafórico reactivo com base em simulação é aplicado a uma rede urbana reticulada, com elevados níveis de tráfego, na zona leste da Ilha de Manhattan (Nova York, EUA). Em ambos os casos, os métodos propostos obtêm planos semafóricos com melhor desempenho em termos das várias medidas de desempenho usadas.
URI: http://hdl.handle.net/10316/27072
Rights: openAccess
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