Traffic jams are the cause of approximately 25 billion euro of annual expenses of the state of Germany [14, 26]. In addition to these monetary damages they also have a negative effect on the quality of life for man and nature. They are, for example, the source of a non-negligible part of the 2.4 billion traffic accidents with damage of property or persons registered annually [13]. Circa 14 % of crashes result from previous mishaps [8, 26]. Almost all of them cause further jam formation and therefore a vicious circle which is in danger of closing around. Especially jams being created from spontaneous, non-periodic incidents involve a high risk of ending in a gridlock and thereby disrupt a whole traffic system. Because these disturbances are unpredictable and unpreventable, their duration and impact can merely be reduced by an effective incident management through the systematic, planned and coordinated use of institutional, technical and natural resources. The self-healing-network-strategy by Lämmer [19] and Rausch [27] is one example of such a countermeasure against jam formation in urban road networks. It prevents gridlocks at intersections by means of traffic lights and the combination of two effective mechanisms. Extended off-times prevent the inflow into oversaturated sections and so the expansion of tailbacks onto upstream intersections. Extended green periods of alternative directions of travel motivate drivers to avoid disturbed sectors and thus additionally allow a better exploitation of available free capacities. The development and successful establishment of this method could make the use of ramp metering in urban networks - which is regulating the inflow of oversaturated areas by reducing or skipping green times as well - invalid. To answer this question the presented master’s thesis aims at comparing both inflow-regulating control concepts. However, it is not the ambition to proof that one method is worse than the other, but to contribute to an ideal combination of both instead - with the intention to eliminate deficits on either side. Therefore both concepts will be reviewed in a first step and subsequently the contribution of additional effects against gridlock creation through the symbiosis of the two traffic light controls is analysed. Furthermore, several suggestions for the development of an efficient ramp metering logic are introduced to configure this combination to be more beneficial.:1 Einleitung 1.1 Sinngebung und Relevanz dieser Untersuchung 1.1.1 Entstehung von Verkehrsstörfällen und Staubildung 1.1.2 Extremfall Gridlock 1.2 Vorgehensweise und erwartete Ergebnisse 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Allgemeine Verkehrskenngrößen 2.2 Lichtsignalanlagen 3 Lichtsignalanlagen und andere Steuerungskonzepte der Verkehrstelematik 3.1 Grundkonzepte der Verkehrstelematik zur Verkehrsbeeinflussung 3.1.1 Informationssysteme 3.1.2 Streckenbeeinflussungsanlagen 3.1.3 Netzbeeinflussungsanlagen 3.1.4 Knotenpunktbeeinflussungsanlagen 3.2 Lichtsignalanlagen 3.2.1 Steuerungsebenen 3.2.2 Urban Traffic Control 3.3 Rückstauregulierung durch ein selbstorganisiertes Störfallmanagement 3.3.1 Staufrontkontrolle durch Zuflussdosierung 3.3.2 Kapazitätsausschöpfung durch Umverteilung der Verkehrsströme 3.3.3 Vorzüge und Defizite 3.4 Pförtnerung 3.4.1 Ziele einer erfolgreichen Zuflussdosierung mithilfe einer PA 3.4.2 Anforderungen an Pförtneranlagen 3.4.3 Steuerung der Pförtneranlage 4 Modellierung und Simulation 4.1 Netzwerkmodellierung 4.1.1 Struktur des Straßennetzes 4.1.2 Knotenpunkte 4.1.3 Dimensionierung der LSA 4.2 Implementierung der Rückstauregulierung 4.2.1 Bemessung der Rückstaulänge 4.2.2 Schätzung der Staukapazität 4.2.3 Bemessung der Freigabezeit 4.2.4 Umsetzung in einem Straßennetzwerk 4.3 Implementierung der PA-Steuerung 4.3.1 Festzeitsteuerung 4.3.2 Verkehrsabhängige Bestandteile zur Zuflussdosierung 4.3.3 Unzulässigkeit der Verkehrsstärke als Auslösekriterium 4.3.4 Variation des Bemessungshorizonts der Auslösekriterien 4.4 Dynamisches Routenwahlverhalten der Fahrer 4.5 Szenariomodellierung und Simulationsergebnisse 4.5.1 Bewertung der Effizienz der Steuerungskonzepte zur Gridlock- Prävention 4.5.2 Simulationsszenarien für Störfälle 5 Fazit und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Effizienz des ereignisorientierten Routenwahlmodells und selbstorganisierten Störfallmanagements 5.2.2 Effizienz der Pförtnersteuerung zur Isolation des sensiblen gestörten Areals 5.2.3 Ausblick und Bewertung der Simulationen 5.3 Vorschlag zur Aufrechterhaltung eines minimalen Verkehrsflusses während der Dosierung durch PA / Verkehrsstaus verursachen dem deutschen Staat jährlich rund 25 Milliarden Euro Unkosten [14, 26]. Neben diesen monetären Schäden wirken sie sich jedoch auch negativ auf die Lebensqualität von Mensch und Umwelt aus. Sie sind beispielsweise die Ursache für einen nicht unerheblichen Anteil der circa 2,4 Milliarden jährlich registrierten Unfälle mit Sach- oder Personenschaden [13]. Rund 14 % der Unglücksfälle gehen dabei als Folgeerscheinung eines vorherigen Unfalls hervor [8, 26]. Nahezu alle führen eine weitere Staubildung herbei und somit einen Teufelskreis, der sich zu schließen droht. Besonders aus spontanen, nicht wiederkehrenden Störfällen entstandene Staubildung birgt eine hohes Risiko, in einem Gridlock zu enden und damit ein gesamtes innerstädtisches Verkehrssystem zum Erliegen zu bringen. Da diese Störfälle unvorhersehbar und unvermeidbar sind, kann ihrer Dauer und ihrem Einfluss lediglich ein effizientes Störfallmanagement durch systematischen, gezielten und koordinierten Gebrauch institutioneller, technischer und natürlicher Ressourcen entgegenwirken. Beispiel für eine solche Gegenmaßnahme zur Staubildung in urbanen Netzen ist das selbstorganisierte Störfallmanagement nach Lämmer [19] und Rausch [27]. Mithilfe von LSA und der Kombination zweier effektiver Wirkungsmechanismen werden Gridlocks an Knotenpunkten unterbunden. Verlängerte Sperrzeiten verhindern den Zufluss in übersättigte Streckenabschnitte und damit die Ausbreitung von Rückstaus auf vorgelagerte Kreuzungen. Erweiterte Freigabezeiten der alternativen Fahrtrichtungen regen wiederum eine Umgehung des gestörten Abschnitts an und ermöglichen somit zusätzlich die bessere Ausschöpfung vorhandener freier Kapazitäten. Durch die Entwicklung und den erfolgreichen Einsatz der genannten Maßnahme könnte der Gebrauch von Pförtnerampeln (PA), welche den Zufluss in übersättigte Bereiche ebenfalls regulieren, indem sie Grünzeiten verkürzen oder aussetzen, hinfällig werden. Um diese Frage zu klären, widmet sich die vorliegende Masterarbeit dem Vergleich der beiden zuflussregulierenden Steuerungskonzepte. Ziel ist jedoch nicht, zu beweisen, dass eine Maßnahme schlechter ist als die andere, sondern vielmehr einen Beitrag zu einer optimalen Kombination der Vorzüge beider Herangehensweisen zu leisten und somit die auf beiden Seiten vorhandenen Defizite zu beseitigen. Dafür werden zunächst beide Konzepte auf ihre Effizienz hin überprüft und im Anschluss analysiert, inwiefern die Symbiose beider LSA-Steuerungen in einem Netzwerk zusätzliche Effekte gegen die Gridlockentstehung bewirkt. Außerdem werden verschiedene Vorschläge zur Entwicklung einer effizienteren Steuerlogik für Pförtneranlagen eingebracht, um diese Kombination noch vorteilhafter zu gestalten.:1 Einleitung 1.1 Sinngebung und Relevanz dieser Untersuchung 1.1.1 Entstehung von Verkehrsstörfällen und Staubildung 1.1.2 Extremfall Gridlock 1.2 Vorgehensweise und erwartete Ergebnisse 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Allgemeine Verkehrskenngrößen 2.2 Lichtsignalanlagen 3 Lichtsignalanlagen und andere Steuerungskonzepte der Verkehrstelematik 3.1 Grundkonzepte der Verkehrstelematik zur Verkehrsbeeinflussung 3.1.1 Informationssysteme 3.1.2 Streckenbeeinflussungsanlagen 3.1.3 Netzbeeinflussungsanlagen 3.1.4 Knotenpunktbeeinflussungsanlagen 3.2 Lichtsignalanlagen 3.2.1 Steuerungsebenen 3.2.2 Urban Traffic Control 3.3 Rückstauregulierung durch ein selbstorganisiertes Störfallmanagement 3.3.1 Staufrontkontrolle durch Zuflussdosierung 3.3.2 Kapazitätsausschöpfung durch Umverteilung der Verkehrsströme 3.3.3 Vorzüge und Defizite 3.4 Pförtnerung 3.4.1 Ziele einer erfolgreichen Zuflussdosierung mithilfe einer PA 3.4.2 Anforderungen an Pförtneranlagen 3.4.3 Steuerung der Pförtneranlage 4 Modellierung und Simulation 4.1 Netzwerkmodellierung 4.1.1 Struktur des Straßennetzes 4.1.2 Knotenpunkte 4.1.3 Dimensionierung der LSA 4.2 Implementierung der Rückstauregulierung 4.2.1 Bemessung der Rückstaulänge 4.2.2 Schätzung der Staukapazität 4.2.3 Bemessung der Freigabezeit 4.2.4 Umsetzung in einem Straßennetzwerk 4.3 Implementierung der PA-Steuerung 4.3.1 Festzeitsteuerung 4.3.2 Verkehrsabhängige Bestandteile zur Zuflussdosierung 4.3.3 Unzulässigkeit der Verkehrsstärke als Auslösekriterium 4.3.4 Variation des Bemessungshorizonts der Auslösekriterien 4.4 Dynamisches Routenwahlverhalten der Fahrer 4.5 Szenariomodellierung und Simulationsergebnisse 4.5.1 Bewertung der Effizienz der Steuerungskonzepte zur Gridlock- Prävention 4.5.2 Simulationsszenarien für Störfälle 5 Fazit und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Effizienz des ereignisorientierten Routenwahlmodells und selbstorganisierten Störfallmanagements 5.2.2 Effizienz der Pförtnersteuerung zur Isolation des sensiblen gestörten Areals 5.2.3 Ausblick und Bewertung der Simulationen 5.3 Vorschlag zur Aufrechterhaltung eines minimalen Verkehrsflusses während der Dosierung durch PA

Los tréboles son infraestructuras diseñadas para mejorar la circulación y seguridad vehicular en las intersecciones. El trébol analizado se define como una intersección vial a desnivel parcial de tres lazos y cuatro ramales directos; el cual, está comprendido por la vía expresa metropolitana Javier Prado y la vía expresa nacional Panamericana. Esta investigación se realizó mediante un análisis de riesgo donde se obtuvo un nivel de riesgo intolerable identificado en los conductores que invaden las vías adyacentes; los cuales, interrumpen el flujo vehicular y pueden ocasionar colisiones. Además, se identificó problemas en su comportamiento operacional, especialmente en los lazos que confluyen con las vías principales. Esto debido al ingreso desordenado de vehículos, inadecuada dosificación vehicular y maniobras peligrosas realizadas por los conductores que tratan de ingresar a la via principal. La presente investigación propone un sistema de semaforización inteligente con la metodología Ramp metering en base al algoritmo ALINEA. El cual, ordena, mediante una dosificación vehicular en tiempo real, el ingreso de los vehículos hacía las vías principales. Además, disminuye la probabilidad de colisiones ya que aplica un control de ingreso adaptativo. La propuesta logra que la velocidad promedio se incremente en 15,8% y que los tiempos de viaje se reduzcan en un máximo de 19.1%. Adicionalmente, existe un leve incremento de 30 Veh/h en el aforo vehicular del trébol. A partir de lo observado, se demuestra que la optimización de parámetros individuales genera una sinergia que influye positivamente en el comportamiento operacional del trébol. / Clovers are infrastructures designed to improve traffic and vehicular safety at intersections. The analyzed cloverleaf is a partially uneven road intersection with three loops and four direct branches located in the Javier Prado highway and the Panamericana highway in the city of Lima. The research will base on a risk analysis with an intolerable level of risk identified in drivers who invaded adjacent roads. Interrupt the flow of vehicles and can cause chain collisions. Also, it was possible to identify problems in their operational behavior, especially in the loops that converge with the main roads. Due to the disorderly entry of vehicles, inadequate vehicle dosing, the formation of lines in cloverleaf loops, increased probability of collisions and dangerous maneuvers carried out by drivers trying to enter the main road. The present research proposes an intelligent traffic light system with the Ramp metering methodology based on the ALINEA algorithm. Which, through real-time vehicle dosing, orders the entry of vehicles onto the main roads. Besides, it reduces the probability of collisions since it applies adaptive entry control. The research achieves an increased by 15.8% in the average speed, and a maximum of 19.1% reduces that travel times. Additionally, there is a slight increase of 30 Veh / h in clover's vehicle capacity. Furthermore, it shows that the optimization of individual parameters generates a synergy that positively influences the operational behavior of the clover. / Tesis

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des Systèmes de TransportIntelligents (STI). Bien que les premières études sur ces systèmes ont commencé dans les années 60, leurdéveloppement reposant sur les techniques de l’information et de la communication, a atteint sa maturitédans le début des années 80. Les STI, sont composés de différents systèmes et intègrent différents concepts(systèmes embarqués, capteurs intelligents, autoroutes intelligentes, . . .) afin d’optimiser le rendementdes infrastructures routières et répondre aux problèmes quotidiens des congestions. Ce mémoire présentequatre contributions dans le cadre du trafic routier et aborde les problèmes de l’estimation et de lacommande afin d’éliminer les problèmes de congestions « récurrentes ». Le premier point traite unproblème crucial dans le domaine des STI qui est celui de l’estimation. En effet, la mise en oeuvre delois de commande pour réguler le trafic impose de disposer de l’ensemble des informations concernantl’évolution de l’état du trafic. Dans ce contexte, deux algorithmes d’estimation sont proposés. Le premierrepose sur l’emploi du modèle METANET et les techniques de modes de glissement d’ordre supérieur. Lesecond est basé sur les CTM (Cell Transmission Models). Plusieurs études comparatives avec les filtresde Kalman sont proposées. La seconde contribution concerne la régulation du trafic. L’accent est mis surle contrôle d’accès isolé en utilisant les algorithmes issus du mode de glissement d’ordre supérieur. Cettecommande est enrichie en introduisant une commande intégrée combinant le contrôle d’accès et le routagedynamique. L’ensemble des résultats, validé par simulation, est ensuite comparé aux stratégies classiquesnotamment le contrôle d’accès avec l’algorithme ALINEA. La troisième contribution traite des problèmesde coordination. En effet, l’objectif est d’appliquer le principe de la commande prédictive pour contrôlerplusieurs rampes d’accès simultanément. L’ensemble des contributions ont été validées en utilisant desdonnées réelles issues en grande partie de mesures effectuées sur des autoroutes françaises. Les résultatsobtenus ont montré un gain substantiel en termes de performances tels que la diminution du trajet, dutemps d’attente, de la consommation énergétique, ainsi que l’augmentation de la vitesse moyenne. Cesrésultats permettent d’envisager plusieurs perspectives nouvelles de développement des recherches dansce domaine susceptibles d’apporter des solutions intéressantes. / The works presented in this PhD dissertation fit into the framework of Intelligent TransportationSystems. Although the beginnings of these systems have started since the 60s, their development, basedon information and communication technologies, has reached maturity during the early 80s. The ITS usesthe intelligence of different systems (embedded systems, intelligents sensors, intelligents highways, etc.)in order to optimize road infrastructures performances and respond to the daily problems of congestions.The dissertation presents four contributions into the framework of road traffic flow and tackles theestimation and control problems in order to eliminate or at least reduce the “recurrent" congestionsphenomena. The first point treats the problem of traffic state estimation which is of most importance inthe field of ITS. Indeed, the implementation and performance of any control strategy is closely relatedto the ability to have all needed information about the traffic state describing the dynamic behavior ofthe studied system. Two estimation algorithms are then proposed. The first one uses the “metanet"model and high order sliding mode techniques. The second is based on the so-called Cell TransmissionModels. Several comparative studies with the Kalman filters, which are the most used in road traffic flowengineering, are established in order to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches. Thethree other contributions concern the problem of traffic flow control. At first, the focus is on the isolatedramp metering using an algorithm based on the high order sliding mode control. The second contributiondeals with the dynamic traffic routing problem based on the high order sliding mode control. Such controlstrategy is enriched by introducing the concept of integration, in the third contribution. Indeed, integratedcontrol consists of a combination of several traffic control algorithms. In this thesis the proposed approachcombines an algorithm of on-ramp control with a dynamic traffic routing control. The obtained results arevalidated via numerical simulations. The validated results of the proposed isolated ramp metering controlare compared with the most used ramp metering strategy : ALINEA. Finally, the last contributiontreats the coordination problems. The objective is to coordinate several ramps which cooperate andchange information in order to optimize the highway traffic flow and reduce the total travel time in theapplied area. All these contributions were validated using real data mostly from French freeways. Theobtained results show substantial gains in term of performances such as travel time, energetic consumptiondecreasing, as well as the increasing in the mean speed. These results allow to consider several furtherworks in order to provide more interesting and efficient solutions in the ITS field.