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Realistic Cellular Automaton Model for Synchronized Two-Lane Traffic - Simulation, Validation, and Applications

Pottmeier, Andreas

An objective of current traffic-research is the realistic description of vehicular traffic by means of traffic modeling. Since no present traffic model is capable to reproduce all empirical characteristics, the development of such a model is of main interest. Thus, this thesis presents a realistic cellular automaton model for multi-lane traffic and validates it by means of empirical single-vehicle data. In contrast to present approaches a limited deceleration capability is assigned to the vehicles. Moreover, the velocity of the vehicles is determined on the basis of the local neighborhood. Therefore, the drivers are divided into optimistic or pessimistic drivers. The former may underestimate their safety distance if their neighborhood admits it. The latter always keep a safe distance. This results in a convincing reproduction of the microscopic and macroscopic features of synchronized traffic. The anticipation of the leader’s velocity is hereby essential for the reproduction of synchronized traffic. This thesis is divided into three main parts. The first one validates the single-lane model by Lee et al. by means of empirical data. This approach builds the basis for the further developments of this thesis. Then, the fundamental characteristics are summarized. This is followed by new results concerning the comparison with empirical findings that confirm the good reproduction of the reality. The analyses also show the important and fundamental property of synchronized traffic: its density dependent life-time. Nevertheless, accidents appear in the stationary state. Thus, the model approach has to be modified so that it is capable to model multi-lane traffic. The adapted model is enhanced in the next part by a realistic lane change algorithm. A multi-lane model is formulated that reproduces the empirical data even better than the single-lane approach. Moreover, specific two-lane characteristics like the density dependent lane change frequency are reproduced as well as the coupling of the lanes. Moreover, if the velocity difference between the two lanes is too high, the lanes may decouple, i.e., different traffic states emerge on the two lanes. This is a direct consequence of the limited deceleration capability of the vehicles. In the last part of the thesis the two-lane model is applied to open systems with bottlenecks like an on-ramp and a speed-limit. The empirically observed complex structures of the synchronized traffic are reproduced here in great detail. Thus, the approach discussed in this thesis exceeds the present in the degree of realism. Because of the reliability of the presented model it is supposed to be implemented to simulate the whole network of North Rhine-Westphalia.

Ziel der aktuellen Verkehrsforschung ist es, den Straßenverkehr durch Verkehrsmodelle realitätsnah zu beschreiben. Da kein bisheriges Modell alle empirisch beobachteten Phänomene exakt nachbilden kann, ist dessen Entwicklung ein aktueller Forschungsschwerpunkt. Daher präsentiert die vorliegende Arbeit ein realitätsnahes Zellularautomaten-Modell für den mehrspurigen Straßenverkehr und validiert dieses anhand empirischer Einzelfahrzeug-Daten. Im Unterschied zu den bisherigen Modellansätzen wird ein begrenztes Bremsvermögen für die Fahrzeuge eingeführt. Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit auf Basis der Umgebung des Fahrers bestimmt und die Fahrer in optimistische und pessimistische eingeteilt. Die ersteren können den Sicherheitsabstand unterschreiten, wenn die Umgebung dies zulässt, die letzteren halten dagegen einen sicheren Abstand ein. Im Ergebnis bildet das Modell die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften des synchronisierten Verkehrs überzeugend nach. Die Antizipation der Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs ist dabei für die Reproduktion des synchronisierten Verkehrs wesentlich. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil verifiziert das Einspur-Modell von Lee et al anhand von empirischen Daten, welcher das Basismodell für die weiteren Entwicklungen bildet und dessen grundlegende Eigenschaften zusammengefasst werden. Es folgen neue Ergebnisse aus dem Vergleich zu den empirischen Daten, welche die gute Übereinstimmung mit der Realität bestätigen. Die Analyse des synchronisierten Verkehrs offenbart eine wesentliche Eigenschaft: die Dichteabhängigkeit der Lebensdauer. Da im ursprünglichen Modellansatz Unfälle auftreten können, muss dieses für die Modellierung von Mehrspur-Verkehr auf größere Unfallfreiheit zugeschnitten werden. Das angepasste Modell wird im nächsten Teil um einen realitätsnahen Spurwechselalgorithmus erweitert. Es wird ein wirklichkeitsnahes Modell formuliert, dass die empirischen Daten eines zweispurigen Abschnitts besser reproduziert als das bisherige Einspur-Modell. Der Modellansatz bildet die für den Zweispur-Verkehr spezifischen Charakteristiken nach, insbesondere die dichteabhängige Spurwechselrate. Darüber hinaus sind nebeneinander liegende Fahrspuren bei großen Geschwindigkeitsunterschieden nicht gekoppelt, was eine direkte Konsequenz des beschränkten Bremsvermögens ist. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Zweispur-Modell auf offene Systeme mit Engpässen wie Zufahrten und Geschwindigkeitsbegrenzungen angewendet. Die in der Realität beobachteten komplexen Strukturen des synchronisierten Verkehrs werden hier sehr detailliert nachgebildet, so dass das vorgestellte Modell die bisherigen Ansätze an Realitätsnähe übertrifft. Aufgrund der Zuverlässigkeit des Modells wird in der weitergehenden Forschung der Ansatz auf das gesamte Autobahnnetz des Landes Nordrhein-Westfalen angewendet.

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Pottmeier, Andreas: Realistic Cellular Automaton Model for Synchronized Two-Lane Traffic - Simulation, Validation, and Applications. 2008.

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