Dynamic Network-Wide Traffic Signal Optimization

Lu, Ting

Der motorisierte Individualverkehr führt in fast allen großen Städten der Welt zu Staus, Umweltverschmutzung und Unfällen. Eine gute Anpassung der Steuerprogramme von Lichtsignalanlagen (LSA) an die jeweilige Verkehrssituation kann dazu beitragen, den Verkehrsablauf flüssiger, weniger umweltbelastend und sicherer zu gestalten. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, welches diese Anpassung auch für gro?e Städte mit einer Vielzahl von LSAs ermöglicht. Diese Arbeit folgt dabei zwei Zielvorgaben. Das zu entwickelnde System soll realzeitfähig sein und auch große Städte mit einigen tausend LSA versorgen können. Die Realzeitkomponente ist von Bedeutung, weil die verkehrliche Nachfrage sehr starken und teilweise nicht vorhersehbaren Schwankungen unterliegt. Von einem solchen adaptiven Verfahren kann erwartet werden, dass es effizienter ist als die Festzeitsteuerungen, die noch immer in vielen Teilen der Welt benutzt werden. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck ein serielles Optimierungsverfahren entwickelt, das in ein hierarchisches Steuerungsrahmenwerk eingebunden ist. Die übergeordnete Ebene enthält ein Verfahren, mit dessen Hilfe ein Netzwerk in Teilnetze zerlegt werden kann. Dieses Verfahren basiert auf dem topologischen Graphen des Netzwerkes und der Prioritätenfolge der Kreuzungen des Netzwerks. Die Prioritätenfolge wird durch das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren Sorting Model of Priority Order (SMoPO) berechnet, mit dessen Hilfe festgelegt wird, wann im Laufe des Optimierungsprozesses welche Kreuzung optimiert wird - Kreuzungen mit einer höheren Priorität zuerst, die weniger wichtigen später. Darüber hinaus wurde für diese Ebene ein Koordinierungsverfahren entwickelt, mit dem bestimmt werden kann, welche Paare von Kreuzungen jeweils zu koordinieren sind. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität dieses Optimierungsproblems dramatisch, weil es eine Unterteilung eines großen Problems in viele kleinere ermöglicht. Die untere Ebene dieses Rahmenwerkes ist die Berechnung der Mikroparameter der einzelnen Kreuzung. Die optimalen Offsets werden mit Hilfe einer Methode berechnet, die auf zyklischen Flussprofilen basiert. Alle in der Arbeit entwickelten Verfahren wurden in Computerprogrammen umgesetzt und mit einer Schnittstelle zu dem mikroskopischen Verkehrssimulationstool "SUMO" versehen. Um die Realzeitfähigkeit der Strategien zu überprüfen, wurden Geschwindigkeitstests für Drei-mal-Drei bis Sechzig-mal-Sechzig Quadratgitternetze durchgeführt. Anschließend wurden mehrere Fallstudien mit SUMO durchgeführt, um die Qualität des neuen Verfahrens zu evaluieren. Die erste Fallstudie war ein künstliches Acht-mal-Acht Quadratgitternetz mit variierender Verkehrsnachfrage und Kantenlängen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Strategie effektiv ist, wenn die Kreuzungen nicht übersättigt sind. Die anderen Fallbeispiele waren zwei echte Netze aus dem Braunschweiger Stadtgebiet mit Inputdaten aus dem Projekt AIM (Anwendungsplattform Intelligente Mobilität). Auch hier konnte die neue Strategie die Verlustzeiten in beiden Fällen im Vergleich zum Webster-Modell verringern.

Nowadays, many cities in the world are suffering from problems like congestion, pollution, and traffic accidents which are caused by vehicular traffic. The correct scheduling of traffic lights can help to alleviate these problems by improving the flow of vehicles through the cities. The main aim of this dissertation is to build an approach to find the good traffic signal plans for a large area. The two major features of the approach developed in this thesis are real-time and system-wide. Since traffic flow changes with the time of day, the real-time computation of the traffic signal plans can improve the operation efficiency of traffic lights compared with fixed signal plans which is an old but still often used technology in the world. The proposed approach is the serial optimization with a hierarchical control framework. The upper level is the level for macro control strategies including a network partition strategy and a network signal coordination strategy. The network partition strategy means that the urban network is partitioned into smaller sub networks based on the network's topological graph and intersections' priority order. The priority order is computed by the sorting model of priority order (SMoPO), which offers the opportunity for the higher priority intersection to be coordinated earlier and to obtain more benefit. The network signal coordination strategy is developed to determine which intersections form a coordination pair and which traffic streams need to be coordinated. This strategy converts the optimization problem into a much simpler one. The number of operations and the computation time to solve this optimization problem drops largely. The lower level is the level for micro parameters calculation, in which a method for the computation of the optimal relative offsets is proposed which is based on cyclic flow profiles. All of the developed strategies were programed and interfaced with the microscopic simulation tool "SUMO". To verify the success and the dynamic feasibility of strategies, the computation speed tests were done in three-by-three to sixty-by-sixty grid nets to demonstrate the real-time feasibility of the approach. After that, microsimulation studies have been performed to evaluate the performance of the strategies. The first case study was a hypothetic eight-by-eight grid net with varied traffic demands and link lengths, and the results revealed that the strategy was effective when the intersections were not oversaturated. The others were two real networks in Braunschweig City, whose input data was from the Project AIM (Application platform Intelligent Mobility). The simulation results showed the delay time was decreased on average in both cases compared to Webster's model.

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Lu, Ting: Dynamic Network-Wide Traffic Signal Optimization. 2015.

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