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microscopic modeling and empirical observations
Dissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik, 2002-06-24
BetreuerIn: Prof. Dr. rer. nat. Michael Schreckenberg , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik
GutachterIn: Prof. Dr. rer. nat. Michael Schreckenberg , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik
GutachterIn: Priv. Doz. Dr. rer. nat. Uli Nowak , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Physik
Schlüsselwörter in Englisch: cellular automata, complex systems, nonequilibrium systems, traffic, transportation, time-series analysis, granular systems, stochastic process, traffic jam
Schlüsselwörter in Deutsch: Zellularautomaten, komplexe Systeme, Nichtgleichgewichtssystem, Strassenverkehr, Verkehr, Stau, Zeitreihenanalyse, granulare Systeme, stochastische Prozesse
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Abstrakt in Englisch
A detailed analysis of single-vehicle data is presented that sheds
some light on the microscopic interaction of the vehicles in the
various traffic states.
Based on these results an improved cellular automaton model for
traffic flow incorporating anticipation effects, reduced acceleration capabilities and an enhanced interaction horizon for braking is proposed. The model is able to reproduce the three phases (free flow, synchronized traffic, and wide jams) observed in real traffic. Furthermore a good agreement with detailed empirical single-vehicle data in all phases can be found.
It turns out, that the incorporation of the human desire for smooth
and comfortable driving into the driving strategy of vehicles leads to a model that exhibits synchronized traffic.
Anticipation effects are responsible for a stabilization of the traffic phases and the empirically observed coexistence of wide moving jams with both free flow and synchronized traffic can be reproduced.
It is shown that the single-lane dynamics can be extended to
the two-lane case without changing the basic (realistic) properties of
the model. Therefore it is possible to
reproduce special two-lane phenomena, like the synchronization of the
lanes, the lane usage inversion and the density-dependence of the
number of lane changes, without adapting the parameters of the model.
Finally, a statistical analysis of traffic data that is provided by
an area-wide coverage of the highway network of North
Rhine-Westfalia with inductive loops is given.
The identification and characterization of the bottlenecks of the
network reveal that the bottlenecks are not of topological nature but are
constituted by onramps. This underscores the applicability of ramp
metering systems.
Abstrakt in Deutsch
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Analyse von
Einzelfahrzeugdaten vorgenommen, die Aufschlüsse über die mikroskopischen Wechselwirkungen der Fahrzeuge in den verschiedenen
Verkehrszuständen ermöglicht.
Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Zellularautomatenmodell füur Verkehrsfluß entwickelt, das Antizipationseffekte, verringerte Beschleunigungsfähigkeiten und einen erweiterten Interaktionshorizont berüucksichtigt.
Das Modell ist in der Lage, die drei im realen Verkehr beobachtbaren
Phasen (Freifluß, synchronisierter Verkehr und Stau) zu reproduzieren. Weiterhin ist eine gute Übereinstimmung mit
detaillierten empirischen Einzelfahrzeugdaten in allen Phasen festzustellen.
Es zeigt sich, daß die Implementierung einer Fahrstrategie, die
durch den Wunsch nach komfortablem Fahren gekennzeichnet ist, die
Entwicklung eines Modells ermüoglicht, das in der Lage ist,
synchronisierten Verkehr abzubilden.
Antizipation füuhrt zur Stabilisierung der Verkehrsphasen und erlaubt die Darstellung der empirisch beobachtbaren Koexistenz sowohl von Staus als auch von synchronisiertem Verkehr und Freifluß.
Weiterhin wird gezeigt, daß die Einspurdynamik auf zwei Spuren erweitert werden kann, ohne die grundlegenden (realistischen) Eigenschaften des Modells zu ändern.
Daher ist es möglich, spezielle Zweispureigenschaften wie die Synchronisation der Spuren, die Dichteinversion und die Dichteabhängigkeit der Spurwechselzahl ohne die Adaption von Modellparametern zu reproduzieren.
Schließlich wird eine statistische Analyse von Verkehrsdaten prüasentiert, die durch flächendeckende Messungen mit Induktionsschleifen aus dem Autobahnnetz von Nordrhein-Westfalen gewonnen wurden.
Die Identifizierung und Charakterisierung der Engstellen des
Netzwerkes zeigt, daß Engstellen nicht auf bauliche Defizite der
zugrundeliegenden Infrastruktur zurückzuführen sind, sondern
vielmehr von Auffahrten gebildet werden.
Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Zuflußbegrenzungssysteme
auf Autobahnen anzuwenden.
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