Dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology--Helsinki University of Technology, Espoo, 2002. / "ISSN 0781-5816." Includes bibliographical references (p. 65-71). Available online as a PDF file via the World Wide Web.

Traffic signal cycle lengths are traditionally optimized to minimize vehicle delay at intersections using the Webster formulation. This thesis includes two studies that develop new formulations to compute the optimum cycle length of isolated intersections, considering measures of effectiveness such as vehicle delay, fuel consumption and tailpipe emissions. Additionally, both studies validate the Webster model against simulated data. The microscopic simulation software, INTEGRATION, was used to simulate two-phase and four-phase isolated intersections over a range of cycle lengths, traffic demand levels, and signal timing lost times. Intersection delay, fuel consumption levels, and emissions of hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), oxides of nitrogen (NOx), and carbon dioxide (CO2) were derived from the simulation software. The cycle lengths that minimized the various measures of effectiveness were then used to develop the proposed formulations. The first research effort entailed recalibrating the Webster model to the simulated data to develop a new delay, fuel consumption, and emissions formulation. However, an additional intercept was incorporated to the new formulations to enhance the Webster model. The second research effort entailed updating the proposed model against four study intersections. To account for the stochastic and random nature of traffic, the simulations were then run with twenty random seeds per scenario. Both efforts noted its estimated cycle lengths to minimize fuel consumption and emissions were longer than cycle lengths optimized for vehicle delay only. Secondly, the simulation results manifested an overestimation in optimum cycle lengths derived from the Webster model for high vehicle demands. / Master of Science / Traffic signal timings are traditionally designed to reduce vehicle congestion at an intersection. This thesis is based on two studies that develop new formulations to compute the most efficient signal cycle lengths of intersections, considering vehicle fuel consumption and tailpipe emissions. Additionally, both studies validate the Webster model, a model that is traditionally used in traffic signal design. Simulations were run to determine the intersection delay, fuel consumption levels, and emissions of hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), oxides of nitrogen (NO_x), and carbon dioxide (CO₂) of the study intersections. To account for the random nature of traffic, each simulation scenario was run twenty different times. The cycle lengths that minimized the noted simulation outputs were then used to develop the proposed formulations. The new formulations demonstrated its estimated cycle lengths to minimize fuel consumption and emissions were longer than cycle lengths designed to minimize vehicle congestion. Secondly, the simulation results manifested an overestimation in optimum cycle lengths derived from the Webster model for high vehicle traffic.

Increasing congestion and environmental concerns have evoked an interest in promoting urban Public Transport (PT) the last decades. In 2012 the City of Stockholm adopted an “Urban mobility strategy” stating that public transport, cycling and walking should be prioritised over cars in central Stockholm. One of the most important factors influencing the modal choice is the travel time ratio between car and PT travel. According to earlier studies Public Transport Traffic Signal Priority (PTSP) can reduce travel times for public transport with only small negative impacts on other traffic. Conditional PTSP can also help to regulate the PT service. Thus PTSP may support drivers’ decision to change travel mode from car to PT, thus supporting adopted policy goals. Conventional control strategies for coordinated traffic signals have pre-set timings based on traffic surveys. Some traffic adaptation based on real time detector actuations can also take place within the frames of the pre-set cycle time. PTSP changes the signal timings, within pre-set limits, when a PT vehicle is detected. Self-optimising control strategies use a traffic model to predict the traffic flows from traffic counts, and determine the signal changes in real-time by minimising a cost function including delay, number of stops etc. PTSP is included directly in the optimisation by giving PT vehicles a higher weight compared to cars. In this thesis the fundamentals of signal control theory are reviewed as well as unconditional and conditional PTSP criteria and strategies. A simulation based method for evaluation of impacts of different PTSP strategies in coordinated controlled traffic signals is implemented. The simulation setup includes Software-In-the-Loop (SIL) signal controller simulators running the same control logic as used in field. Such simulation models can be useful to test and fine tune PTSP before being implemented in field. Simulations with a SIL setup also enable comparisons of signal control strategies or systems on equal terms, not practically or economically possible in field studies. The implemented SIL simulation model was used to evaluate the impacts on buses and other traffic from the different PTSP functions used in the “PRIBUSS” PTSP method. Short green time extensions showed travel time reductions for buses, with almost no travel time increase for other traffic. Long green time extensions gave somewhat larger benefits for the buses, but more delay to other traffic. Red truncation gave less travel time savings to the prioritised buses and more extra delay for cross street traffic, compared to green extensions. Double red truncation and Extra phase showed some additional travel time savings to the buses, but had the largest negative impact on other traffic. A combination of PRIBUSS functions showed the best results. Depending on the structure of the signal coordination and the location of the bus stops different PTSP functions may be needed. Based on the conclusions from the evaluation of the different PRIBUSS functions a conditional “differential on-time-status” based PTSP strategy was proposed and tested in the SIL simulation environment. The proposed method is focusing on direct travel time savings as well as on reduced bus bunching. The two self-optimising signal control systems Utopia/Spot and ImFlow were tested, and their impacts were compared to conventional control including PTSP with the PRIBUSS method in a SIL simulation environment. The aim was to test if commercially available self-optimising control systems can reduce the overall delay per person by applying more sophisticated PTSP. Both systems reduced the delay for buses, cyclists and pedestrians at a cost of increased delay and increased number of stops compared to the existing conventional control used in field. The total delay for all road users was reduced substantially. / Intresset för att påverka resvanorna i våra städer så att kollektivtrafikandelen ökar har växt de senaste decennierna på grund av en ökad trängsel i gatunätet samt ökad miljömedvetenhet. Stockholms stad har antagit ”Framkomlighetsstrategin” som innebär att kollektivtrafik, gång och cykel ska prioriteras framför biltrafik i centrala Stockholm. En av de faktorer som påverkar färdmedelsvalet mest är restidskvoten mellan bil och kollektivtrafik. Tidigare studier har visat att kollektivtrafikprioritering i trafiksignaler kan minska körtiden för kollektivtrafiken väsentligt, med små eller inga negativa konsekvenser för övrig trafik. Villkorlig prioritering kan dessutom förbättra kollektivtrafikens regularitet. Kollektivtrafikprioritering i trafiksignaler kan på så sätt hjälpa till att förbättra kollektivtrafikens attraktivitet och därigenom öka kollektivtrafikandelen. Samordnade trafiksignaler styrda med konventionell teknik har en fast tidsättning framtagen med insamlade historiska trafikdata som grund. Viss trafikstyrning kan åstadkommas inom ramen för den fasta omloppstiden. Om bussprioritering finns ändras signalväxlingen av prioriteringsfunktionerna när en buss detekteras, inom vissa begränsningar för att hålla ihop det samordnade systemet. Självoptimerande signalstyrning bygger på att fordonsrörelserna genom systemet predikteras med en trafikmodell utifrån trafikräkningar med detektorer. Signaltidsättningen bestäms sedan i realtid genom att minimera en kostnadsfunktion som innehåller fördröjning, antal stopp mm. för de modellerade fordonsrörelserna. Kollektivtrafiken prioriteras genom att dess fordon detekteras separat från övrig trafik, och ges en högre vikt i optimeringen av signaltidssättningen. I denna avhandling beskrivs de teoretiska grunderna för trafiksignalstyrning, liksom metoder och kriterier för villkorlig och ovillkorlig signalprioritering av kollektivtrafik. En simuleringsbaserad metod för att utvärdera effekterna av olika signalprioritering har implementerats. Denna använder styrapparatsimulatorer med samma programmering som styrapparaterna på gatan, inklusive prioriteringsfunktioner. Sådana simuleringar kan vara ett användbart verktyg för att justera in prioriteringsfunktionerna innan dessa implementeras i signalstyrningen på gatan. Simuleringar med styrapparatsimulatorer möjliggör också jämförelser av olika styrstrategier under kontrollerade förhållanden som inte vore praktiskt, eller ekonomiskt möjliga att genomföra i fält. I den framtagna simuleringsmiljön har effekterna av de olika prioriteringsfunktionerna i PRIBUSS utvärderats. Korta (maxtids-)förlängningar gav körtidsvinster för bussar och knappast några restidsförsämringar för övrig trafik. Långa förlängningar (fråntidsförlängning och återtagen start) gav ytterligare restidsvinster för busstrafiken, men ökad fördröjning för övrig trafik. Avkortning gav, jämfört med förlängningar, mindre restidsvinster för busstrafiken och mer störning för övrig trafik. De mer komplicerade funktionerna Dubbel avkortning och extrafas gav viss ytterligare restidsvinst för bussarna, men hade den största inverkan på övrig trafik. Bäst resultat uppkom dock med en kombination av PRIBUSS funktioner. Beroende på samordningens struktur och busshållplatsernas placering i förhållande till trafiksignalerna kan olika prioriteringsfunktioner ge större eller mindre nytta. Baserat på utvärderingen av de olika PRIBUSS funktionernas effekter på bussar och övrig trafik har en tidhållningsbaserad differentierad prioriteringsstrategi föreslagits, som förutom att skapa direkta restidvinster också försöker motverka ihopklumpning av bussar. Denna strategi har implementerats och testats i den framtagna simuleringsmiljön. Med hjälp av simuleringar har de självoptimerande signalstyrsystemen Utopia/Spot och ImFlow testats och jämförts med konventionell styrning, inklusive bussprioritering med PRIBUSS. Syftet med denna studie var att undersöka om fördröjningen per person i trafiknätet kan minskas genom bättre kollektivtrafikprioritering med hjälp av ett kommersiellt tillgängligt självoptimerande signalstyrsystem. De båda testade systemen gav minskad fördröjning för kollektivtrafik, gående och cyklister, men ökad fördröjning och antal stopp för biltrafik. Den totala fördröjningen minskades betydligt med de båda testade självoptimerande signalstyrsystemen. / <p>QC 20140513</p>