Date of Award

11-2017

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Yaser E. Hawas

Second Advisor

Dr. Younes Hamdouch

Third Advisor

Bruce Hellinga

Abstract

Setting the traffic controller parameters to perform effectively in real-time is a challenging task, and it entails setting several parameters to best suit some predicted traffic conditions. This study presents the framework and method that entail the application of the Response Surface Methodology (RSM) to calibrate the parameters of any control system incorporating advanced traffic management strategies (e.g., the complex integrated traffic control system developed by Ahmed and Hawas). The integrated system is a rule-based heuristic controller that reacts to specific triggering conditions, such as identification of priority transit vehicle, downstream signal congestion, and incidents by penalizing the predefined objective function with a set of parameters corresponding to these conditions. The integrated system provides real time control of actuated signalized intersections with different phase arrangements (split, protected and dual).

The premise of the RSM is its ability to handle either single or multiple objective functions; some of which may be contradicting to each other. For instance, maximizing transit trips in a typical transit priority system may affect the overall network travel time. The challenging task is to satisfy the requirements of transit and non-transit vehicles simultaneously.

The RSM calibrates the parameters of the integrated system by selecting the values that can produce optimal measures of effectiveness. The control system was calibrated using extensive simulation-based analyses under high and very high traffic demand scenario for the split, protected, and dual control types.

A simulation-based approach that entailed the use of the popular TSIS software with code scripts representing the logic of the integrated control system was used. The simulation environment was utilized to generate the data needed to carry on the RSM analysis and calibrate the models.

The RSM was used to identify the optimal parameter settings for each control type and traffic demand level. It was also used to determine the most influential parameters on the objective function(s) and to develop models of the significant parameters as well as their interactions on the overall network performance measures.

RSM uses the so-called composite desirability value as well as the simultaneous multi-objective desirabilities (e.g., the desirability of maximizing the transit vehicles throughput and minimizing the average vehicular travel time) estimates of the responses to identify the best parameters. This study also demonstrated how to develop “mathematical” models for rough estimation of the performance measures vis-à-vis the various parameter values, including how to validate the optimal settings. The calibrated models are proven to be significant.

The optimal parameters of each control type and demand level were also checked for robustness, and whether a universal set of relative parameter values can be used for each control type. For the high traffic demand level, the optimal set of parameters is more robust than those of the very high traffic demand. Besides, the dual actuated controller optimal setting under the very high traffic demand scenario is more robust (than other control types settings) and shows the best performance.

Comments

إن مهمة إعداد معايير وحدة التحكم في حركة المرور للعمل على نحو فعال آنياً (في الوقت الفعلي) هي في الواقع مهمة صعبة، وتتطلب وضع معايير مختلفة لتقدم أفضل تطابق مع بعض ظروف حركة المرور المتوقعة. وتعرض هذه الدراسة الإطار (الشكل العام) والمنهجية المتبعة في تطبيق نموذج استجابة السطح (RSM)، وذلك لمعايرة أي نظام تحكم يتضمن الاستراتيجيات المتقدمة في إدارة حركة المرور (مثل نظام التحكم المتكامل في حركة المرور الذي طوره أحمد وحواس). إن النظام المتكامل هو نظام تحكم ارشادي يستجيب لظروف فعالة محددة، مثل الازدحام عند المصب، والكشف عن الحوادث، وإعطاء أولوية لمركبات النقل العام، وذلك بتغيير قيمة المنظومة المحسوبة مسبقا بمجموعة من المعايير المقابلة لهذه الشروط. إن النظام المتكامل يوفر تحكم آني للإشارات الفعالة في التقاطعات مع ترتيبات الطور المختلفة (المنفصلة والمحمية/الآمنة والمزدوجة).

إن مبدأ منهجية استجابة السطح (RSM) قائم على قدرة العمل لإنجاز وظيفة واحدة أو عدة وظائف محددة؛ وقد يكون بعضها متناقضاً مع بعضها البعض. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي زيادة عدد رحلات النقل العام في النظام المتبع لأولوية النقل العام إلى التأثير على الوقت الإجمالي للرحلات لشبكة المواصلات ككل. وتتمثل المهمة الصعبة في تحقيق/توفير متطلبات مركبات النقل العام مقابل المركبات الأخرى في آن واحد.

كما يعمل نظام منهجية استجابة السطح (RSM)على معايرة معايير النظام المتكامل عن طريق اختيار القيم التي يمكن من خلالها تحقيق التدابير القصوى والأمثل للفعالية. وقد تمت معايرة نظام التحكم باستخدام تحليلات موسعة تستند إلی المحاكاة في ظل ظروف الحركة المرورية المرتفعة والمرتفعة جداً لمختلف أنواع التحكم في الإشارات المرورية: المنفصلة، والمحمية/الآمنة، والمزدوجة.

وقد تم استخدام نهج قائم على المحاكاة والذي بدوره يتضمن استخدام البرنامج المتعارف عليه (TSIS) مع نصوص برمجية تمثل منطق/أساس نظام التحكم المتكامل. حيث تم استخدام/تطبيق بيئة المحاكاة لتوليد البيانات اللازمة لمتابعة واستكمال تحليل (RSM) ومعايرة النماذج.

كما وقد تم استخدام(RSM) لتحديد إعدادات المعايير الأمثل لكل نوع من أنواع التحكم ومستوى الحركة المرورية. وقد تم استخدامها أيضاً لتحديد المعايير الأكثر تأثيراً على الهدف (الأهداف) المحدد وتطوير نماذج للمعايير الفعالة الى جانب تفاعلها مع مقاييس أداء الشبكة بشكل عام.

كما يستخدم النظام المطور (RSM) ما يسمى بالقيمة المُرَكَبة لتحقيق غاية معينة الى جانب تزامنها مع الغايات ذات الأهداف المتعددة وتقديرات المخرجات لتحديد أفضل المعايير (مثل السعي لغاية رفع كفاءة مركبات النقل العام بالتزامن مع خفض متوسط زمن الرحلة للمركبة). وقد أظهرت هذه الدراسة أيضاً كيفية تطوير نماذج "رياضية/حسابية" للتقدير التقريبي لمقاييس الأداء مقابل قيم المعايير المختلفة، بما في ذلك كيفية اثبات والتحقق من صحة الإعدادات الأمثل. وقد تم اثبات فعالية النماذج المعايرة.

وبالإضافة الى ذلك، فقد تم اختبار المعايير الأمثل لكل نوع من أنواع التحكم ومستوى الحركة المرورية للتأكد من فعالية استخدام النموذج، وما إذا كان بالإمكان استخدام مجموعة قيم موحَدة/شاملة من المعايير النسبية لكل نوع من أنواع أنماط التحكم. وبما يتعلق بمستوى الحركة المرورية، فإن المجموعة الأمثل من المعايير لمستوى مرتفع من الحركة المرورية هي أكثر قوة من تلك التي بمستوى حركة مرورية مرتفع جداً. إلى جانب ذلك، فإن الإعدادات الأمثل لنمط التحكم الفعال المزدوج ولمستوى حركة مرورية مرتفع جداً هو أكثر قوة (من إعدادات أنواع التحكم الأخرى) ويظهر أفضل أداء بينهم.

Download

Share

COinS