Geri Dön

A modeling and control framework for mixed-traffic freeway operations

Karma trafik akımlarına sahip otoyollar için modelleme ve denetim çerçevesi

PDF İndir

  1. Tez No: 989809
  2. Yazar: SADULLAH GÖNCÜ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALİ SİLGU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Ulaşım, İnşaat Mühendisliği, Transportation, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Benzetim, Otonom araçlar, Trafik denetimi, Trafik tıkanıklığı, Trafik yönetimi, Simulation, Autonomous vehicles, Traffic control, Traffic congestion, Traffic management
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Trafik sıkışıklığı ve trafik akımı kaynaklı salım, modern ulaşım sistemlerinin en kalıcı dışsallıklarından ikisini temsil etmekte olup, dünya genelindeki kentsel alanlara önemli ekonomik, sosyal ve çevresel maliyetler yüklemektedir. Seyahat talebinin sunulan arzı aşmaya devam etmesiyle birlikte, yol ağlarını genişletmeye dayalı geleneksel yaklaşım giderek sürdürülemez hale gelmiştir. Sonuç olarak, ulaştırma mühendisliğinin odağı, trafik akım denetimi yöntemleri aracılığıyla mevcut tesislerin eniyilenmesi yaklaşımını benimsemiştir. Bu bağlamda otoyollar, özellikle kent merkezlerinin yakınında bulunanlar, ulaşım ağlarının hayati bir parçasını oluşturmaktadır. Otoyollarda artan sıkışıklık ve çevre sorunlarına karşın, son on yılda bu sorunları denetim yaklaşımları ve araç teknolojisi yoluyla enküçüklemeye yönelik yöntemlerde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Otoyol ağlarının işletme yapısı, bağlantılı ve sürücüsüz araç teknolojilerinin ortaya çıkmasıyla temelden bir dönüşüm geçirmektedir. Seyir denetimli ve işbirlikçi seyir denetimli taşıtlar gibi çeşitli otomasyon seviyelerine sahip araçların trafik akımına kademeli olarak girmesi, sürüş davranışı ve trafik akım dinamiklerinde değişikliklere yol açmış ve karma trafik akımları oluşturmuştur. Tam sürücüsüz araçların geliştirilme süreci devam etmesine karşın, işbirlikçi seyir denetimli taşıtların trafik akımına katılımı günümüzde süregelen bir olgudur. Bu bağlamda işbirlikçi seyir denetimli taşıtların kullanıma sunulmasına paralel olarak, otoyol yönetimi ve denetimi için özellikle seyir uyarlamalı ve işbirlikçi seyir uyarlamalı araçlarını konu alan eniyileme yöntemleri ve uygulama örneklerine ilişkin birçok kayda değer gelişme ortaya çıkmıştır. Taşıt-Taşıt, Taşıt-Altyapı ve Taşıt-Herşey arasında iletişim kurabilme kabiliyeti, sürücüsüz sürüş kabiliyeti ile birleşmesi sonucunda işbirlikçi konvoylanma, zaman cinsinden takip aralığı denetimi ve darboğaz yönetimi yöntemlerin ortaya çıkmasına olanak sağlamıştır. Denetim yaklaşımı açısından bakıldığında, otoyolların işletim yapısı ve trafik akım özellikleri, katılım denetimi ve değişken hız kısıtlaması gibi denetim yaklaşımlarının bütünleşik biçimde çalışabilmesi nedeniyle ilgi çekici bir ortam olmaya devam etmektedir. Ancak temel zorluk, insan sürücülü araçlar ve çeşitli teknolojik seviyede sürücüsüz araçların bir arada işletildiği karma trafik ortamlarında etkili olabilecek denetleyicilerin tasarlanmasıdır. Karma trafik akımlarındaki araçların zaman cinsinden takip aralığını koruma yaklaşımları ve sürüş profilleri arasındaki farklar, trafik akımı içerisindeki sürücüsüz araç yüzdesine göre değişkenlik göstermektedir. Bu bağlamda, karma trafik akımları içerisinde oluşan belirsizlik, trafik akım dinamikleri açısından da belirsizlikler doğurmakta olup, kapasitede değişiklikleri beraberinde getirmektedir. Mevcut literatür, bu zorlukları çeşitli yaklaşımlar aracılığıyla ele almayı amaçlamakta, ancak hesaplama yükleri ve yaklaşımların karmaşıklık düzeyi nedeniyle saha uygulamaları oldukça kısıtlı seviyede kalmaktadır. Bu tez kapsamında sunulan çalışma, karma trafik akımlarında karşılaşılan temel araştırma soruları ile ilgili olup, temelde trafik akım başarımı, güvenliği ile ilgili bir modelleme ve denetim çerçevesi önermektedir. Bu kapsamda çeşitli araştırma soruları etrafında belirlenen araştırma hedefleri ile karma trafik akımına sahip otoyollarda modelleme ve denetim yaklaşımlarına yönelik kapsamlı bir metodoloji önerilmiş, özgün bir denetleyici tasarlanmış, modelleme yaklaşımlarının trafik akım güvenliğine ilişkin çıktılarına olan etkileri incelenmiş, modelleme yaklaşımlarının trafik akım başarımına olan etkileri ortaya koyulmuştur. Tez kapsamında geliştirilen araştırma hedefleri temelde, karma trafik akımına sahip otoyollar için trafik akımı içerisinde değişen işbirlikçi seyir uyarlamalı taşıt yüzdesinin zaman içerisindeki değişen yüzdesine uyum sağlayan, trafik akım stabilitesini koruyan ve aynı zamanda hesaplama karmaşıklığı olarak uygun, saha uygulaması kolay bir denetim yaklaşımı; modelleme bileşeni olarak ise araç takip modellerinin değişmesi durumunda trafik akım güvenliği irdelemeleri ve trafik akım başarımındaki değişimleri üzerinden şekillenmektedir. Bu bağlamda tez çalışması kapsamında geliştirilen çeşitli vaka analizleri söz konusudur. İlk sunulan vaka analizi, aynı otoyol trafik parçası üzerinde, farklı sürücü profiline göre kalibrasyonu gerçekleştirilmiş araç takip modelleri ile trafik akım başarımındaki değişimi incelemiş, belirgin bir sürücü profili üzerinde kullanılan araç takip modelinin uygunluğu irdelenmiştir. İkinci vaka analizi ise geliştirilen denetleyicinin sınamasını gerçekleştirmek üzere kurgulanmıştır. Geliştirilen otoyol trafik akım denetleyicisi, temelde optimal kontrol teorisine dayalı bir Doğrusal İkinci Mertebe Denetleyici olup, literatürdeki en güncel eniyileme tabanlı geri beslemeli trafik akım denetleyicilerine karşı sınanmış, bulgular tez kapsamında paylaşılmıştır. Geliştirilen denetleyici, ince boyutlu benzetim ortamı ile bütünleşik biçimde çalışan, Hücre Geçiş Modeli tabanlı bir kaba boyut akım modeli üzerinden trafik akım dinamiklerindeki değişimleri dinamik biçimde takip etmekte, katılım denetimi ve değişken hız kısıtları üzerinden trafik akımını düzenlemektedir. Sunulan üçüncü vaka analizi ise işbirlikçi seyir uyarlamalı araç tipinin trafik akım başarımına olan etkisini incelemektedir. Bu vaka analizinde ele alınan problem, karma trafik akımlarında, farklı tip, boyut ve özellikteki işbirlikçi seyir uyarlamalı araçların etkileştiği bir trafik akımı gerektirmektedir. Bu bağlamda, İstanbul'da bulunan Metrobüs sisteminin, D-100 karayoluna katıldığı 15 Temmuz Şehitler Köprüsünü geçtiği otoyol kesimi baz alınmış, sahadan elde edilen veriler aracılığıyla, trafik akım özellikleri belirlenmiş ve akabinde kalibrasyonu tamamlanan ince boyutlu bir benzetim modeli kurgulanmıştır. İnce boyutlu model üzerinden, Metrobüs araçlarını ve otomobillerin araç takip modelleri değiştirilerek, işbirlikçi seyir uyarlamalı araçların sürüş davranışlarına uymaları sağlanmış ve karma trafik akımları araç tipi açısından incelenebilmiştir. Tez kapsamında sunulan dördüncü ve son vaka analizi ise karayolu trafik akım güvenliğine yönelik literatürde sıkça kullanılan dolaylı güvenlik göstergeleri olarak bilinen ölçütlerin, araç takip modellerine olan duyarlılığının ölçüldüğü çalışmadır. Ele alınan problem, trafik mühendisliğinde ince boyutlu benzetimlerle bütünleşik kullanılan dolaylı güvenlik göstergelerinin, literatürdeki kullanımında sürücü davranışı kaynaklı değişiminin ihmalinden ortaya çıkmaktadır. İnce boyutlu benzetimlerde, sürücü davranışları araç takip modelleri üzerinden benzetildiğinden, oluşan yörüngelerin temelde araç takip modelinin yapısı, kabulleri ve matematiksel formülasyonundan doğrudan etkilenmesi ve dolaylı göstergelerin sonuçlarında farklar doğuracağı hipotezinden yola çıkılarak kurgulanmıştır. Bu bağlamda, literatürde sıkça kullanılan altı farklı araç takip modeli kullanılarak E-80 otoyolu özelinde kurgulanmış ve kalibre edilmiş ince boyutlu benzetim modelleri üzerinde, farklı işbirlikçi seyir uyarlamalı araç yüzdelerininde değiştiği, otoyol trafik akım denetim yaklaşımlarının bulunduğu bir dizi benzetim senaryoları altında elde edilen yörünge verileri üzerinden dolaylı güvenlik göstergeleri kullanılarak olası kaza-çatışma sayıları belirlenmiştir. İstatistiksel olarak karşılaştırmalar yapılarak, araç takip modellerinin, kaza-çatışma sayılarına olan etkileri karşılaştırmalı incelenmiş ve araç takip modellerinin karayolu trafik akım güvenliğine olan etkileri ortaya konmuştur. Literatür incelemeleri sonucunda kurgulanan araştırma soruları ve akabinde belirlenen araştırma amaçları üzerinden geliştirip sunulan modelleme ve denetim çerçevesi, kapsamlı vaka analizleri üzerinden cevaplanmaya çalışılmıştır. Sunulan çerçevenin, temelde ulaşım planlaması açısından, geleceğin otoyol trafik akımlarına yönelik altyapı yatırımlarının gerekliliği, kapasite analizi ve ince boyutlu benzetim tabanlı irdelemelere ışık tutacağı düşünülmektedir. Sunulan tez çalışması, karma trafik akımlarına sahip otoyollar açısından, kontrol teorisi, benzetim tabanlı modelleme, otoyol trafik denetimi ve otoyol trafik akım güvenliği açısından geniş bir yelpaze de bilimsel bulgular sunmakta olup, metodolojik anlamda da tüm bu unsurları birleştiren, gerçek vaka analizleri sunan yapıda olduğu bu bağlamda vurgulanmıştır.

Özet (Çeviri)

Traffic congestion and vehicular emissions represent two of the most persistent externalities of modern transportation systems, imposing significant economic, social, and environmental costs on urban areas around the world. As travel demand continues to outpace infrastructure capacity, the traditional paradigm of expanding physical road networks has become increasingly unsustainable. Consequently, the focus of transportation engineering has shifted toward optimizing existing facilities through active traffic management strategies. However, the operational landscape of freeway networks is under fundamental transformation driven by the emergence of connected and automated vehicles (CAV) technologies. The gradual integration of vehicles with varying levels of automation—ranging from adaptive cruise control (ACC) to cooperative adaptive cruise control (CACC)—into the traffic flow introduces a period of mixed-autonomy traffic characterized by significant heterogeneity in driving behavior and vehicle dynamics. This transition challenges established traffic flow theories and control methodologies, which have historically relied on the assumption of homogeneous human driving behavior. In mixed-traffic environments where human-driven vehicles (HDVs) and CACC vehicles coexist, macroscopic flow characteristics such as capacity and critical density are no longer static parameters but dynamic functions of the market penetration rate and the specific control architecture applied. Theoretical analyses suggest that different control strategies can result in different capacity alterations, indicating that there is no single definitive capacity value for a mixed-traffic freeway network in isolation. Therefore, the effective management of next-generation freeways necessitates a comprehensive framework that integrates modeling, control, and evaluation within a unified structure capable of addressing the stochasticity and behavioral diversity inherent in mixed-autonomy flows. In this thesis, such a behavior-aware framework is proposed. Within this broader methodological structure, an integrated control strategy is developed to coordinate ramp metering (RM) and variable speed limits (VSL). A continuous-time gain-scheduled linear quadratic regulator (GS-CT-LQR) is synthesized on the basis of a multi-class cell transmission model. To account for the evolving composition of the traffic flow, a driver-type-aware fundamental diagram is constructed, in which capacity and critical density are treated as dynamic functions of the CACC market penetration rate. This formulation enables the control logic to continuously adapt to the shifting fundamental diagram, thereby stabilizing the dynamic system across a wide range of demand profiles and penetration levels without the computational latency associated with online optimization. The validity and efficacy of the proposed framework are demonstrated through a rigorous experimental design comprising multiple case studies on calibrated freeway corridors in Istanbul. By evaluating diverse control scenarios—ranging from no control and local feedback mechanisms to robust and predictive strategies—it is shown that the integrated LPV (Linear Parameter-Varying) controller consistently enhances throughput and reduces total travel time. Furthermore, the framework is used to investigate the sensitivity of traffic flow performance and safety results to microscopic modeling choices. It is revealed that surrogate safety measures and flow efficiency are strongly influenced by the specific car-following models employed and the heterogeneity of vehicle types, particularly the presence of cooperative heavy vehicles. These findings emphasize the need for a robust assessment of mixed-traffic systems to explicitly account for behavioral diversity and control-dependent variations in capacity. The methodology developed in this thesis thus provides a rigorous foundation for the adaptive management of next-generation freeways, linking control theory with behavioral realism to ensure safety, efficiency, and environmental sustainability.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    915381

    A game-theoretical approach for analyzing effects of combined control on freeway traffic: Case of integrated ramp metering and variable speed limiting

    Oyun teorisi yaklaşımı ile bütünleşik kontrolün otoyol trafiği üzerindeki etkisinin incelenmesi: Bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı örneği

    MUHAMMED ADEMOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU

  2. Tez No

    722181

    Effects of cooperative vehicle dynamics on traffic flow control

    İşbirlikçi taşıt dinamiklerinin trafik akım denetimine etkileri

    MEHMET ALİ SİLGU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU

  3. Tez No

    1

    Ovulasyon indüksiyonu tedavisinde folliküler gelişimin ultrasonografik takibi

    Başlık çevirisi yok

    MERİH BAYRAM

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    1987

    Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi Üniversitesi

    Kadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM

  4. Tez No

    201

    Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi

    Başlık çevirisi yok

    NACİYE TÜRKEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1986

    Kimya MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA CEBE

  5. Tez No

    202

    Bazı esterlerin kinetik incelenmesi ve termodinamik parametrelerin belirlenmesi

    Kinetic study and detesmination of thermodnamic parameters of some esters

    İBRAHİM TAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1986

    Kimya MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA CEBE

Geri Dön