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Multi-criteria and Multi-modal Evaluation of Traffic Signal Control

Jiang, Wei (2021):
Multi-criteria and Multi-modal Evaluation of Traffic Signal Control. (Publisher's Version)
In: Schriftenreihe der Institute für Verkehr, Heft V45, Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017416,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Multi-criteria and Multi-modal Evaluation of Traffic Signal Control
Language: English
Abstract:

Traffic signal systems are an essential tool for traffic management in road networks. For the design of traffic signal control, it is not only necessary to address the diverse requirements from different road users but also to consider the various impacts on traffic flow quality, traffic safety, environment, and economic efficiency. However, current evaluation methods for road traffic signal control, such as the assessment of the level of service in guidelines and performance indices in optimisation methods, often evaluate from the one-dimensional perspective - mainly traffic-related aspects. Decisions made accordingly often lack a fair balance of different impacts on all road user groups.

Therefore, this thesis aims to address this gap by developing an evaluation method for road traffic signal control that incorporates multidimensional criteria for various road users in a unified framework, hereby termed as "Darmstadt Method of Traffic Signal Evaluation (D-MoTSE)". Its applicability is analysed through case studies. As a basis for the method development, the basics of traffic signal control and evaluation methods were reviewed and discussed. The literature review concentrates on answering three questions: how to design a traffic signal program, which criteria and road user groups are relevant and how they are considered in the existing evaluation methods.

Multiple parameters corresponding to traffic flow quality, traffic safety and environmental impacts are selected as the evaluation criteria in the developed evaluation method. The traffic-related parameters are distinguished for different traffic modes. The multidimensional evaluation criteria are first determined using appropriate simulation or calculation methods. Later on, they are converted into monetary values using established cost rates, and further aggregated to calculate the total cost. During the aggregation, particular weighting factors can be applied to reflect the political or planning preferences for specific criteria or road user groups. The cost and weighting factors can be adjusted dynamically under different situations. Superordinate effects that are of high significance at a macroscopic level can be taken into consideration as and when necessary and in the case that the relevant data are available.

The developed evaluation method was applied to four individual traffic signal systems in the City of Darmstadt, Germany, as case studies. The results show that the number of persons that are present at a traffic signal system has a significant impact on the design of traffic signal control. The distribution of the related cost components differs significantly depending on the type of intersection and the traffic signal program. Furthermore, energy consumption and environmental costs take up at least one-third of the total cost, and therefore, should not be neglected in the evaluation of traffic signal control.

The evaluation results can be used for comparing alternative traffic signal programs and selecting the optimum solution among them. Recommendations for designing traffic signal control can be derived accordingly. At signalised pedestrian crossings, integration into the coordination with neighbouring intersections can significantly reduce the delay costs for motorised private transport but may lead to higher costs for crossing pedestrians (and cyclists). A signal program with coordination is the optimum solution under the equal weighting of all evaluation criteria. Higher particular weight for pedestrians (and cyclists) is necessary to further reduce the delays for crossing pedestrians (and cyclists). However, it should be emphasised that generally particular weights should only be adjusted moderately in special cases with the support of plausible planning or political reasons. At signalised intersections, it can be observed that public transport priority can but does not necessarily cause disadvantages for the whole traffic. Instead, it leads to a shift of delays from public transport to other modes. The case studies revealed that no general recommendations can be provided for the design of traffic signal control at signalised intersections. The appropriate solution varies from case to case.

A further implementation of the developed evaluation method in practice can assist transport engineers and authorities with the development, optimisation, revision and quality management of traffic signal control, both in the planning and operation stage. The chances and the challenges for its implementation are discussed in this thesis.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Lichtsignalanlagen sind ein sehr wichtiges Instrument des Verkehrsmanagements im Straßenverkehr. Bei der Gestaltung der Lichtsignalsteuerung sollen nicht nur die Anforderungen der verschiedenen Verkehrsteilnehmer berücksichtigt werden, sondern auch die vielfältigen Einflüsse auf die Qualität des Verkehrsablaufs, die Verkehrssicherheit, die Umwelt und die Wirtschaftlichkeit in Betracht gezogen werden. Die bestehenden Bewertungsmethoden für Lichtsignalsteuerungen, wie Beurteilung der Qualitätsstufen nach Richtlinien und Zielfunktionen in Optimierungsmethoden, bewerten oft eindimensional mit Fokus auf die verkehrlichen Aspekte. Entscheidungen werden ohne angemessene Abwägung der verschiedenen Wirkungen auf alle Verkehrsteilnehmer getroffen.

Die vorliegende Arbeit adressiert diese Lücke mit der Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für Lichtsignalsteuerungen mit dem Namen "Darmstadt Method of Traffic Signal Evaluation (D-MoTSE)", das die verschiedenen Wirkungen für unterschiedliche Verkehrsteilnehmergruppen in einem Rahmen zusammenfasst. Die Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens wird anhand von Fallbeispielen untersucht. Dazu werden zunächst die Grundlagen der Lichtsignalsteuerung und der Bewertungsmethoden dargestellt und diskutiert, die sich auf folgende drei Fragen konzentrieren: Wie wird ein Lichtsignalprogramm entworfen, welche Kriterien und Verkehrsteilnehmergruppen sind relevant und wie werden sie in den bestehenden Bewertungsmethoden berücksichtigt.

Mehrere Kenngrößen, die sich auf die Qualität des Verkehrsablaufs, die Verkehrssicherheit und die Umweltqualität beziehen, werden als Bewertungskriterien ausgewählt. Die Verkehrskenngrößen unterscheiden sich nach Verkehrsmitteln. Die mehrdimensionalen Bewertungskriterien werden zunächst mit geeigneten Simulations- und Berechnungsmethoden ermittelt. Abschließend erfolgt die Zusammenführung der Bewertungskriterien durch eine Monetarisierung auf der Basis etablierter Kostensätze und eine Summierung zur Berechnung der Gesamtkosten. Während der Summierung können einzelne Kriterien aus planerischer und verkehrspolitischer Sicht unterschiedlich gewichtet werden. Eine situationsabhängige Anpassung der Kostensätze und ihre entsprechenden Gewichtungen ist möglich. Übergeordnete Effekte, die auf makroskopischer Ebene von großer Bedeutung sind, können bei Bedarf und bei Verfügbarkeit der relevanten Daten berücksichtigt werden.

Das entwickelte Bewertungsverfahren wurde an vier einzelnen Lichtsignalanlagen in der Stadt Darmstadt als Fallbeispielen angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die absolute Anzahl der Personen, die in verschiedenen Verkehrsmitteln auftreten, eine erhebliche Bedeutung für die Gestaltung der Lichtsignalsteuerung hat. Es wurde festgestellt, dass die Verteilung der Kostenkomponenten je nach Knotenpunkttyp und ausgewähltem Signalprogramm signifikant variiert. Der Anteil der Kraftstoff- und Umweltkosten liegt in der Regel bei mindestens einem Drittel der Gesamtkosten und ist bei der Bewertung auf keinen Fall zu vernachlässigen.

Die Bewertungsergebnisse dienen als Grundlage zum Vergleich der verschiedenen Varianten von Lichtsignalprogrammen und zur Auswahl der optimalen Lösung. Anhand der Bewertungsergebnisse können Empfehlungen zur Gestaltung von Lichtsignalsteuerungen abgeleitet werden. An signalisierten Fußgängerfurten kann die Koordinierung mit den Nachbarknotenpunkten die Wartezeitkosten für den Motorisierten Individualverkehr erheblich reduzieren, führt jedoch zu höheren Wartezeitkosten für querende Fußgänger und Radfahrer. Bei gleicher Gewichtung aller Kenngrößen ist i. d. R. ein Signal-programm optimal, bei dem für den Kraftfahrzeugverkehr die Koordinierung mit den Nachbarknotenpunkten erhalten bleibt. Zur weiteren Reduzierung der mittleren Wartezeiten für Fußgänger ist eine sehr hohe besondere Gewichtung erforderlich. Es sollte jedoch nur im Einzelfall moderat von einer Gleichgewichtung abgewichen werden, wenn dies aus planerischen oder verkehrspolitischen Gründen gerechtfertigt ist. An Knotenpunkten lässt sich feststellen, dass die Bevorrechtigung des Öffentlichen Verkehrs einen Nachteil für den Gesamtverkehr verursachen kann, aber nicht muss. Sie bewirkt jedoch eine deutliche Verschiebung von Wartezeiten zu Gunsten des Öffentlichen Verkehrs. Insgesamt kann es keine allgemeingültige Aussage zur Eignung einzelner Varianten getätigt werden. Es muss von Fall zu Fall untersucht werden, wie die Lichtsignalsteuerung zu gestalten ist.

Eine weitere Umsetzung des entwickelten Bewertungsverfahrens in die Praxis kann Verkehrsingenieure und Behörden bei der Konzeption, der Optimierung, der Überarbeitung und dem Qualitätsmanagement von Lichtsignalsteuerungen sowohl in der Planungs- als auch in der Betriebsphase unterstützen. Die Chancen und Herausforderungen für die Umsetzung werden in dieser Arbeit diskutiert.

German
Series Name: Schriftenreihe der Institute für Verkehr
Volume: Heft V45
Place of Publication: Darmstadt
Collation: IV, 174 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 17 Feb 2021 09:09
Last Modified: 17 Feb 2021 09:09
DOI: 10.26083/tuprints-00017416
Corresponding Links:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174165
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred ; Tang, Prof. Dr. Keshuang
Refereed: 7 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17416
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