Doctor of Philosophy / Civil Engineering / Sunanda Dissanayake / Rural roads account for 90.3% of the 140,476 total centerline miles of roadways in Kansas. In recent years, rural fatal crashes have accounted for about 66% of all fatal crashes. The Highway Safety Manual (HSM) provides models and methodologies for analyzing the safety of various types of highways. Predictive methods in the HSM were developed based on national trends and data from few states throughout the United States. However, these methodologies are of limited use if they are not calibrated for individual jurisdictions or local conditions. The objective of this study was to analyze the HSM calibration procedures for rural multilane segments and intersections in Kansas. The HSM categorizes rural multilane segments as four-lane divided (4D) and four-lane undivided (4U) segments and rural multilane intersections as three-legged intersections with minor-road stop control (3ST), four-legged intersections with minor-road stop control (4ST), and four-leg signalized intersections (4SG). The number of predicted crashes at each segment was obtained according to the HSM calibration process. Results from calibration of rural segments indicated that the HSM overpredicts fatal and injury crashes by 50% and 65% and underpredicts total crashes by 48% and 64% on rural 4D and 4U segments, respectively. The HSM-given safety performance function (SPF) regression coefficients were then modified to capture variation in crash prediction. The adjusted models for 4D and 4U multilane segments indicated significant improvement in crash prediction for rural Kansas. Furthermore, Kansas-specific safety performance functions (SPF)s were developed following the HSM recommendations. In order to develop Kansas-specific SPF, Negative Binomial regression was applied to obtain the most suitable model. Several additional variables were considered and tested in the new SPFs, followed by model validation on various sets of locations. The Kansas-specific SPFs are capable of more accurately predicting total and fatal and injury crashes on multilane segments compared to the HSM and the modified HSM models. In addition to multilane segments, rural intersections on multilane highways were also calibrated according to the HSM methodology. Using crash modification factors for corresponding variables, SPFs were adjusted to obtain final predicted crash frequency at intersections. Obtained calibration factors indicated that the HSM is capable of predicting crashes at intersections at satisfactory level. Findings of this study can be used for improving safety of rural multilane highways.

O objetivo desta tese de doutorado é avaliar o impacto de caminhões na capacidade e nível de serviço de rodovias de pista dupla, a partir de fatores de equivalência veicular. São determinados equivalentes para diversas combinações de comprimentos e magnitudes de greides, volumes de tráfego e porcentagens de caminhões. Os equivalentes são calculados supondo que um fluxo formado só por automóveis é equivalente a um fluxo composto por automóveis e caminhões quando ambos possuem a mesma densidade. A partir de observações de campo, supõe-se que o fluxo de caminhões seja formado por proporções fixas de quatro tipos de caminhões. A relação entre fluxo e densidade para os cenários analisados é obtida através de simulação, utilizando o INTEGRATION. A calibração deste simulador foi feita em duas etapas. Na primeira, um modelo de desempenho, até então inexistente no simulador, foi implementado e, em seguida, calibrado com as características dos caminhões observados em uma balança da rodovia SP 330 (Via Anhanguera). Na segunda etapa, a relação fluxo-velocidade foi calibrada a partir de dados coletados com sensores portáteis instalados também na rodovia SP 330. Os equivalentes são utilizados para a análise de capacidade e nível de serviço dos cenários escolhidos e, em seguida, os resultados desta análise são comparados com os resultados similares obtidos através do método do Highway Capacity Manual - HCM. A comparação mostra que o uso dos fatores de equivalência do HCM superestima o nível de serviço para volumes de tráfego leves e subestima o nível de serviço para volumes de tráfego pesados. / This research evaluates the impact of trucks on capacity and level of service of divided multilane highways by means of truck equivalent factors. The equivalent factors are determined for diferent combinations of grade length and magnitude, traffic flow and truck percentage. Equivalent factors are computed based on the assumption that a basic flow, formed only by passenger cars, is equivalent to a mixed flow, formed by passenger cars and trucks, when both flows have the same density. Density-flow relationships for each scenario are obtained through simulation. The simulator used, INTEGRATION, was calibrated in two steps. First, a truck performance model was implemented in the simulator and then calibrated with parameters of trucks observed on a weigh station located on SP 330 (Via Anhanguera). Further on, a speed-flow relationship was calibrated to data collected by portable traffic detectors installed on SP 330. A comparative analysis of capacity and level of service, using the equivalent factors determined in this research and the Highway Capacity Manual factors, indicates that the use of HCM truck equivalents overestimates the level of service for light flows and underestimates the level of service for heavy flows.

O objetivo desta tese de doutorado é avaliar o impacto de caminhões na capacidade e nível de serviço de rodovias de pista dupla, a partir de fatores de equivalência veicular. São determinados equivalentes para diversas combinações de comprimentos e magnitudes de greides, volumes de tráfego e porcentagens de caminhões. Os equivalentes são calculados supondo que um fluxo formado só por automóveis é equivalente a um fluxo composto por automóveis e caminhões quando ambos possuem a mesma densidade. A partir de observações de campo, supõe-se que o fluxo de caminhões seja formado por proporções fixas de quatro tipos de caminhões. A relação entre fluxo e densidade para os cenários analisados é obtida através de simulação, utilizando o INTEGRATION. A calibração deste simulador foi feita em duas etapas. Na primeira, um modelo de desempenho, até então inexistente no simulador, foi implementado e, em seguida, calibrado com as características dos caminhões observados em uma balança da rodovia SP 330 (Via Anhanguera). Na segunda etapa, a relação fluxo-velocidade foi calibrada a partir de dados coletados com sensores portáteis instalados também na rodovia SP 330. Os equivalentes são utilizados para a análise de capacidade e nível de serviço dos cenários escolhidos e, em seguida, os resultados desta análise são comparados com os resultados similares obtidos através do método do Highway Capacity Manual - HCM. A comparação mostra que o uso dos fatores de equivalência do HCM superestima o nível de serviço para volumes de tráfego leves e subestima o nível de serviço para volumes de tráfego pesados. / This research evaluates the impact of trucks on capacity and level of service of divided multilane highways by means of truck equivalent factors. The equivalent factors are determined for diferent combinations of grade length and magnitude, traffic flow and truck percentage. Equivalent factors are computed based on the assumption that a basic flow, formed only by passenger cars, is equivalent to a mixed flow, formed by passenger cars and trucks, when both flows have the same density. Density-flow relationships for each scenario are obtained through simulation. The simulator used, INTEGRATION, was calibrated in two steps. First, a truck performance model was implemented in the simulator and then calibrated with parameters of trucks observed on a weigh station located on SP 330 (Via Anhanguera). Further on, a speed-flow relationship was calibrated to data collected by portable traffic detectors installed on SP 330. A comparative analysis of capacity and level of service, using the equivalent factors determined in this research and the Highway Capacity Manual factors, indicates that the use of HCM truck equivalents overestimates the level of service for light flows and underestimates the level of service for heavy flows.

Neste trabalho, calibra-se um modelo que descreva a relação fluxo-velocidade em autoestradas e rodovias de pista dupla, considerando as recomendações tecidas pelos autores envolvidos na elaboração do modelo do Highway Capacity Manual - HCM 2010. Para tanto, foi utilizada uma amostra de 788.122 observações, coletadas por 25 estações em quatro rodovias paulistas: SP-348, SP-021, SP-280 e SP 270. A análise dos dados mostrou que, conforme preconizado pelo HCM 2010, existe um intervalo de fluxos no qual a velocidade se mantém constante, o que corresponde à velocidade de fluxo livre. Em seguida, verificou-se que a classificação do HCM 2010, entre autoestradas e rodovias de pista dupla, não se mostra adequada para a amostra estudada, tendo sido indicada a divisão entre rodovias urbanas e rurais. Para esses grupos, foram propostos valores representativos para a capacidade e calibrada a relação fluxo-velocidade. A comparação entre os dois conjuntos de curvas produzidos mostrou que a velocidade média da corrente de tráfego nas rodovias urbanas apresenta uma queda mais precoce e acentuada do que a observada em rodovias rurais. Além disso, os valores estimados para a capacidade C e para a velocidade na capacidade CS para rodovias urbanas são inferiores aos estimados para rodovias rurais. Em contraste com o modelo do HCM 2010, a principal diferença reside em valores significativamente inferiores para BP, o fluxo a partir do qual se nota um declínio da velocidade em função do aumento da densidade da corrente de tráfego. Outro ponto de destaque é que, embora os valores da capacidade sejam parecidos entre o modelo do HCM 2010 e o calibrado, a velocidade na capacidade CS é superior nas rodovias paulistas. / This work presents the calibration of a model describing the speed-flow relationship on freeways and multilane highways in the state of São Paulo, Brazil. The calibrated model follows the recommendations made by the authors involved in the development of the model used by the Highway Capacity Manual HCM 2010. The calibration used a sample of 788,122 observations, collected by 25 stations on four highways at São Paulo state: SP-348, SP-021, SP-280 and 270 SP. The analysis of the data showed that, as advocated by the HCM 2010, there is range of flows in which the average speed of the passenger cars remains constant and equal to the free flow speed. It was also found that the classification scheme used by HCM 2010, comprising freeways and multilane highways, is not adequate for highways in the state of São Paulo. A new classification scheme, which divides highways into urban or rural sections, is proposed. For these classes, representative values for the capacity were found, and the speed-flow relation was calibrated. The comparison between the two sets of curves produced showed that the average speed of the traffic stream on urban highways has an earlier and steeper drop than the observed on rural highways. In addition, the estimated values for the capacity C and for the speed at capacity CS for urban highways are lower compared to the estimated for rural highways. Compared to the model used by the HCM 2010, the main difference lies in the significantly lower values for BP, the traffic flow from which the average speed declines as the density of the traffic stream increases. Another important indication is that, although the capacity values are similar between the model used by the HCM 2010 and the calibrated model, the speed at capacity CS is higher at São Paulo state highways.

Neste trabalho, calibra-se um modelo que descreva a relação fluxo-velocidade em autoestradas e rodovias de pista dupla, considerando as recomendações tecidas pelos autores envolvidos na elaboração do modelo do Highway Capacity Manual - HCM 2010. Para tanto, foi utilizada uma amostra de 788.122 observações, coletadas por 25 estações em quatro rodovias paulistas: SP-348, SP-021, SP-280 e SP 270. A análise dos dados mostrou que, conforme preconizado pelo HCM 2010, existe um intervalo de fluxos no qual a velocidade se mantém constante, o que corresponde à velocidade de fluxo livre. Em seguida, verificou-se que a classificação do HCM 2010, entre autoestradas e rodovias de pista dupla, não se mostra adequada para a amostra estudada, tendo sido indicada a divisão entre rodovias urbanas e rurais. Para esses grupos, foram propostos valores representativos para a capacidade e calibrada a relação fluxo-velocidade. A comparação entre os dois conjuntos de curvas produzidos mostrou que a velocidade média da corrente de tráfego nas rodovias urbanas apresenta uma queda mais precoce e acentuada do que a observada em rodovias rurais. Além disso, os valores estimados para a capacidade C e para a velocidade na capacidade CS para rodovias urbanas são inferiores aos estimados para rodovias rurais. Em contraste com o modelo do HCM 2010, a principal diferença reside em valores significativamente inferiores para BP, o fluxo a partir do qual se nota um declínio da velocidade em função do aumento da densidade da corrente de tráfego. Outro ponto de destaque é que, embora os valores da capacidade sejam parecidos entre o modelo do HCM 2010 e o calibrado, a velocidade na capacidade CS é superior nas rodovias paulistas. / This work presents the calibration of a model describing the speed-flow relationship on freeways and multilane highways in the state of São Paulo, Brazil. The calibrated model follows the recommendations made by the authors involved in the development of the model used by the Highway Capacity Manual HCM 2010. The calibration used a sample of 788,122 observations, collected by 25 stations on four highways at São Paulo state: SP-348, SP-021, SP-280 and 270 SP. The analysis of the data showed that, as advocated by the HCM 2010, there is range of flows in which the average speed of the passenger cars remains constant and equal to the free flow speed. It was also found that the classification scheme used by HCM 2010, comprising freeways and multilane highways, is not adequate for highways in the state of São Paulo. A new classification scheme, which divides highways into urban or rural sections, is proposed. For these classes, representative values for the capacity were found, and the speed-flow relation was calibrated. The comparison between the two sets of curves produced showed that the average speed of the traffic stream on urban highways has an earlier and steeper drop than the observed on rural highways. In addition, the estimated values for the capacity C and for the speed at capacity CS for urban highways are lower compared to the estimated for rural highways. Compared to the model used by the HCM 2010, the main difference lies in the significantly lower values for BP, the traffic flow from which the average speed declines as the density of the traffic stream increases. Another important indication is that, although the capacity values are similar between the model used by the HCM 2010 and the calibrated model, the speed at capacity CS is higher at São Paulo state highways.

Esta pesquisa apresenta um método de calibração da relação fluxo-velocidade do Highway Capacity Manual, HCM, para autoestradas e rodovias de pista dupla, a partir de recomendações tecidas pelos autores envolvidos na elaboração do manual. Para tanto, foi utilizado uma amostra com mais de 1.700.000 observações, coletadas por 34 sensores de tráfego, localizados em quatros rodovias do Estado de São Paulo: SP-280, SP-348, SP-270 e SP-021. O tratamento do banco de dados foi realizado por meio da filtragem dos dados originais através da aplicação de três critérios, que têm como finalidade remover observações consideradas inadequadas para a calibração do modelo. Os critérios baseiam-se em obter uma corrente de tráfego formada somente por veículos leves, com condições de operação normal e com observações referentes apenas ao regime de fluxo livre. A separação entre os regimes de fluxo livre e congestionado foi realizada por meio da densidade na capacidade. Para tanto, foi proposto um método de estimação da capacidade por meio da análise da variação da velocidade média da corrente em função do fluxo de tráfego. O pressuposto do método parte do conceito de que o colapso da corrente de tráfego é um fenômeno estocástico, caracterizado pela queda abrupta da velocidade média em função do aumento do fluxo de tráfego. O momento em que ocorre mudança abrupta de velocidade é associado ao colapso da corrente de tráfego e consequentemente à capacidade da via. Após a estimação da capacidade, a velocidade na capacidade foi determinada como a média das velocidades associadas ao fluxo na capacidade, enquanto que a densidade na capacidade foi obtida por meio da relação fundamental de tráfego. O método foi aplicado em um conjunto de 18 trechos de rodovias que atingem a capacidade e os resultados foram considerados satisfatórios após a comparação com valores encontrados na literatura. A calibração da relação fluxo-velocidade foi realizada individualmente para cada trecho de rodovia utilizado no estudo. A análise dos resultados mostra que as rodovias rurais apresentam em média valores maiores para velocidade de fluxo livre, capacidade, coeficiente de calibração, velocidade na capacidade e ponto de transição em relação as rodovias urbanas. Alem disso, o ponto de transição, que consiste em um patamar de velocidade de fluxo livre constante, apresenta valores significativamente menores em relação a literatura. / The following research aims to outline a calibration method of the speed-flow relationship presented in the Highway Capacity Manual (HCM). The method is applied on freeways and multilane highways, leveraging the guidelines made by the authors that developed the manual. In order to support the calibration, a sample with more than 1.700.000 observations was used, collected by 34 traffic sensors on four highways at São Paulo state (SP-280, SP-348, SP270, and SP-021). Furthermore, the data treatment and cleaning process aimed to remove observations considered inappropriate from a model calibration perspective by filtering the original data through three main criteria: traffic flow only composed by passenger car, traffic under normal operations condition, and only containing observations which free flow regime applies. The third filtering criteria was applied by splitting free flow and congested regime through the threshold of density at capacity. To this extent, a capacity estimation method was proposed, aiming to analyse the average speed variation in function of the traffic flow. The assumption of the method relies in the concept that the traffic flow breakdown is a stochastic process, characterized by the abrupt drop in the average speed as function of the traffic flow increase. The moment that abrupt drop occurs is related to traffic breakdown and, consequently, to the capacity freeway capacity. Once the capacity was estimated, the speed at capacity was defined as the average of the speed associated with the flow at capacity while the density at capacity was estimated through the fundamental relationship of the traffic flow. The method was applied in 18 delimited highway traffic perimeter that reached their corresponding capacity and the results were considered satisfactory after comparing against values found in the literature. Furthermore, the speed-flow relationships calibration was performed for each of them individually. The results show that rural highways have in average higher free flow speed, capacity, calibration coefficient, speed at capacity and breakpoint than urban highways. Moreover, the breakpoint, which consists a constant free flow speed level, presented significant lower values in comparison to the literature.

Esta pesquisa apresenta um método de calibração da relação fluxo-velocidade do Highway Capacity Manual, HCM, para autoestradas e rodovias de pista dupla, a partir de recomendações tecidas pelos autores envolvidos na elaboração do manual. Para tanto, foi utilizado uma amostra com mais de 1.700.000 observações, coletadas por 34 sensores de tráfego, localizados em quatros rodovias do Estado de São Paulo: SP-280, SP-348, SP-270 e SP-021. O tratamento do banco de dados foi realizado por meio da filtragem dos dados originais através da aplicação de três critérios, que têm como finalidade remover observações consideradas inadequadas para a calibração do modelo. Os critérios baseiam-se em obter uma corrente de tráfego formada somente por veículos leves, com condições de operação normal e com observações referentes apenas ao regime de fluxo livre. A separação entre os regimes de fluxo livre e congestionado foi realizada por meio da densidade na capacidade. Para tanto, foi proposto um método de estimação da capacidade por meio da análise da variação da velocidade média da corrente em função do fluxo de tráfego. O pressuposto do método parte do conceito de que o colapso da corrente de tráfego é um fenômeno estocástico, caracterizado pela queda abrupta da velocidade média em função do aumento do fluxo de tráfego. O momento em que ocorre mudança abrupta de velocidade é associado ao colapso da corrente de tráfego e consequentemente à capacidade da via. Após a estimação da capacidade, a velocidade na capacidade foi determinada como a média das velocidades associadas ao fluxo na capacidade, enquanto que a densidade na capacidade foi obtida por meio da relação fundamental de tráfego. O método foi aplicado em um conjunto de 18 trechos de rodovias que atingem a capacidade e os resultados foram considerados satisfatórios após a comparação com valores encontrados na literatura. A calibração da relação fluxo-velocidade foi realizada individualmente para cada trecho de rodovia utilizado no estudo. A análise dos resultados mostra que as rodovias rurais apresentam em média valores maiores para velocidade de fluxo livre, capacidade, coeficiente de calibração, velocidade na capacidade e ponto de transição em relação as rodovias urbanas. Alem disso, o ponto de transição, que consiste em um patamar de velocidade de fluxo livre constante, apresenta valores significativamente menores em relação a literatura. / The following research aims to outline a calibration method of the speed-flow relationship presented in the Highway Capacity Manual (HCM). The method is applied on freeways and multilane highways, leveraging the guidelines made by the authors that developed the manual. In order to support the calibration, a sample with more than 1.700.000 observations was used, collected by 34 traffic sensors on four highways at São Paulo state (SP-280, SP-348, SP270, and SP-021). Furthermore, the data treatment and cleaning process aimed to remove observations considered inappropriate from a model calibration perspective by filtering the original data through three main criteria: traffic flow only composed by passenger car, traffic under normal operations condition, and only containing observations which free flow regime applies. The third filtering criteria was applied by splitting free flow and congested regime through the threshold of density at capacity. To this extent, a capacity estimation method was proposed, aiming to analyse the average speed variation in function of the traffic flow. The assumption of the method relies in the concept that the traffic flow breakdown is a stochastic process, characterized by the abrupt drop in the average speed as function of the traffic flow increase. The moment that abrupt drop occurs is related to traffic breakdown and, consequently, to the capacity freeway capacity. Once the capacity was estimated, the speed at capacity was defined as the average of the speed associated with the flow at capacity while the density at capacity was estimated through the fundamental relationship of the traffic flow. The method was applied in 18 delimited highway traffic perimeter that reached their corresponding capacity and the results were considered satisfactory after comparing against values found in the literature. Furthermore, the speed-flow relationships calibration was performed for each of them individually. The results show that rural highways have in average higher free flow speed, capacity, calibration coefficient, speed at capacity and breakpoint than urban highways. Moreover, the breakpoint, which consists a constant free flow speed level, presented significant lower values in comparison to the literature.