The transportation sector is responsible for the majority of airborne particles and global energy consumption in urban areas. Its role in generating air pollution in urban areas is even more critical, as many visitors, commuters and citizens travel there daily for various reasons. Emissions released by transport fleets have an exhaust (tailpipe) and a non-exhaust (brake wears ) origin. Both exhaust and non-exhaust airborne particles can have destructive effects on the human cardiovascular and respiratory systems and even lead to premature deaths. This dissertation aims to estimate the amount of exhaust and brake emissions in a real case study by proposing an innovative methodology. For this purpose, different levels of study have been introduced, including the subsystem level, the system level, the environmental level and the suprasystem level. To address these levels, two approaches were proposed along with a data collection process. First, a comprehensive field survey was conducted in the area of Buonconsiglio Castle and data was collected on traffic and non-traffic during peak hours. Then, in the first approach, a state-of-the-art simulation-based method was presented to estimate the amount of exhaust emissions generated and the rate of fuel consumption in the case study using the VISSIM traffic microsimulation software and Enviver emission modeler at the suprasystem level. In order to calculate the results under different mobility conditions, a total of 18 scenarios were defined based on changes in vehicle speeds and the share of heavy vehicles (HV%) in the modal split. Subsequently, the scenarios were accurately modelled in the simulation software VISSIM and repeated 30 times with a simulation runtime of three hours. The results of the first approach confirmed the simultaneous effects of considering vehicle speed and HV % on fuel consumption and the amount of exhaust emissions generated. Furthermore, the sensitivity of exhaust emissions and fuel consumption to variations in vehicle speed was found to be much higher than HV %. In other words, the production of NOx and VOC emissions can be increased by up to 20 % by increasing the maximum speed of vehicles by 10 km/h. Conversely, increasing the HV percentage at the same speed does not seem to produce a significant change. Furthermore, increasing the speed from 30 km/h to 50 km/h increased CO emissions and fuel consumption by up to 33%. Similarly, a reduction in speed of 20 or 10 km/h with a 100% increase in HV resulted in a 40% and 27% decrease in exhaust emissions per seat, respectively. In the second approach, a novel methodology was proposed to estimate the number of brake particles in the case study. To achieve this goal, a downstream approach was proposed starting from the suprasystem level (microscopic traffic simulation models in VISSIM) and using a developed mathematical vehicle dynamics model at the system level to calculate the braking torques and angular velocities of the front and rear wheels, and proposes an artificial neural network (ANN) as a brake emission model, which has been appropriately trained and validated using emission data collected through more than 1000 experimental tribological tests on a reduced-scale dynamometer at the subsystem level (braking system). Consideration of this multi-level approach, from tribological to traffic-related aspects, is necessary for a realistic estimation of brake emissions. The proposed method was implemented on a targeted vehicle, a dominant SUV family car in the case study, considering real driving conditions. The relevant dynamic quantities of the targeted vehicle (braking torques and angular velocities of the wheels) were calculated based on the vehicle trajectory data such as speed and deceleration obtained from the traffic microsimulation models and converted into braking emissions via the artificial neural network. The total number of brake emissions emitted by the targeted vehicles was predicted for 10 iterations route by route and for the entire traffic network. The results showed that a large number of brake particles (in the order of billions of particles) are released by the targeted vehicles, which significantly affect the air quality in the case study. The results of this dissertation provide important information for policy makers to gain better insight into the rate of exhaust and brake emissions and fuel consumption in metropolitan areas and to understand their acute negative impacts on the health of citizens and commuters.

[ES] La presencia de ciclistas deportivos en carreteras convencionales es un fenómeno habitual en la actualidad. Los ciclistas circulan individualmente y en grupo, compartiendo la vía con los vehículos motorizados e interaccionando con ellos. Debido a las diferencias en términos de velocidad, volumen y nivel de protección entre bicicletas y vehículos motorizados, la maniobra de adelantamiento es la interacción más frecuente y de mayor riesgo. Por tanto, la presencia de ciclistas en carreteras convencionales puede afectar tanto desde el punto de vista de la seguridad vial, como desde el punto de vista de la funcionalidad del tráfico. El principal objetivo de esta investigación es la caracterización del tráfico ciclista y su interacción con los vehículos a motor, en especial en maniobras de seguimiento y adelantamiento, a partir de observaciones naturalísticas del fenómeno, mediante el uso de bicicletas instrumentadas y de observaciones puntuales en tramos de estudio previamente seleccionados. El estudio se ha realizado considerando ciclistas circulando individualmente y en grupo por tramos de carreteras convencionales con diferentes características, tanto geométricas como de tráfico. Se han analizado un total de 2,135 maniobras de adelantamiento a ciclistas. La duración del adelantamiento se ha considerado un factor clave en cuanto a su efecto en la seguridad y en la funcionalidad del tráfico. En consecuencia, esta variable se ha analizado con especial interés, desarrollando un modelo predictivo de la duración del adelantamiento considerando factores relativos a la configuración de los grupos de ciclistas, a la carretera y a la propia maniobra de adelantamiento. A partir de las observaciones realizadas, se ha adaptado, calibrado y validado un modelo de microsimulación del tráfico que incorpora el tráfico ciclista en carreteras convencionales y su interacción con los vehículos motorizados. Mediante las observaciones y el uso del modelo de microsimulación se han obtenido medidas de desempeño que permiten caracterizar la influencia de la presencia de ciclistas en la funcionalidad del tráfico, mostrando una reducción de la funcionalidad del tráfico al aumentar el tráfico ciclista. Las medidas de desempeño relacionadas con el número de adelantamientos y la demora son las más sensibles a la presencia de ciclistas, seguidas de las medidas relacionadas con el seguimiento entre usuarios. Las carreteras con secciones más estrechas son más sensibles a la presencia de ciclistas, y en ellas la configuración de los grupos en paralelo mejora ligeramente la funcionalidad del tráfico al facilitar los adelantamientos. Los resultados de esta investigación permiten una mejor comprensión del fenómeno, a la vez que se traducen en recomendaciones para la mejora del diseño y/o explotación de carreteras convencionales con presencia ciclista. Asimismo, se han desarrollado herramientas específicas como son el modelo predictivo y el modelo de microsimulación que pueden ser usadas por los gestores de la infraestructura para analizar otras carreteras y proporcionar una integración más segura y operativa de los diferentes usuarios de la misma. / [CA] La presència de ciclistes esportius en carreteres convencionals és un fenomen habitual a l'actualitat. Els ciclistes circulen individualment i en grup, compartint la via amb els vehicles motoritzats i interaccionant amb ells. A causa de les diferències en termes de velocitat, volum i nivell de protecció entre bicicletes i vehicles motoritzats, la maniobra d'avançament és la interacció més freqüent i perillosa que es produeix entre ells. Per tant, la presència de ciclistes en carreteres convencionals pot afectar tant des del punt de vista de la seguretat viària com de la funcionalitat del trànsit. El principal objectiu d'aquesta investigació és la caracterització del trànsit ciclista i la seva interacció amb els vehicles a motor, especialment en maniobres de seguiment i avançament, a partir d'observacions naturalístiques del fenomen, mitjançant l'ús de bicicletes instrumentades i d'observacions puntuals en trams d'estudi prèviament seleccionats. L'estudi s'ha realitzat considerant ciclistes circulant individualment i en grup per trams de carreteres convencionals amb diferents característiques, tant geomètriques com de trànsit. S'han analitzat en detall 2,135 maniobres d'avançament a ciclistes. La durada de l'avançament s'ha considerat un factor clau pel que fa al seu efecte en la seguretat i en la funcionalitat del trànsit. En conseqüència, aquesta variable s'ha analitzat amb especial interès, desenvolupant un model predictiu de la durada de l'avançament considerant factors relatius a la configuració dels grups de ciclistes, a la carretera i a la pròpia maniobra d'avançament. A partir de les observacions s'ha adaptat, calibrat i validat un model de microsimulació del trànsit que incorpora el trànsit ciclista en carreteres convencionals i la seva interacció amb els vehicles motoritzats. Mitjançant les observacions i l'ús de el model de microsimulació s'han obtingut mesures d'acompliment que permeten caracteritzar la influència de la presència de ciclistes en la funcionalitat del trànsit, mostrant una reducció de la funcionalitat del trànsit a l'augmentar el trànsit ciclista. Les mesures d'acompliment relacionades amb el nombre d'avançaments i la demora són les més sensibles a la presència de ciclistes, seguides de les mesures relacionades amb el seguiment entre usuaris. Les carreteres amb seccions més estretes són més sensibles a la presència de ciclistes, i en elles la configuració dels grups en paral·lel millora lleugerament la funcionalitat del trànsit al facilitar els avançaments. Els resultats d'aquesta investigació permeten una millor comprensió del fenomen alhora que es tradueixen en recomanacions per a la millora del disseny i/o l'explotació de carreteres convencionals amb presència ciclista. Així mateix, s'han desenvolupat eines específiques com el model predictiu i el model de microsimulació que poden ser utilitzats pels gestors d'infraestructures per analitzar altres carreteres i proporcionar una integració més segura i operativa dels diferents usuaris de les mateixes. / [EN] Nowadays, the presence of sport cyclists on two-lane rural roads is a common phenomenon. Cyclists ride individually and in groups, sharing the road with motorized vehicles and interacting with them. Due to the differences in speed, volume and level of protection between bicycles and motorized vehicles, the overtaking manoeuvre is the most frequent and dangerous interaction that occurs between them. Therefore, the presence of cyclists on two-lane rural roads can affect both road safety and traffic operation. The main objective of this research is the characterization of cycle traffic and its interaction with motorized vehicles, especially in follow-up and overtaking manoeuvres, based on naturalistic observations of the phenomenon, using instrumented bicycles and observations at the extremes of the study sections. The study has been carried out considering cyclists who circulate individually and in groups on sections of two-lane rural roads with different characteristics, both geometric and traffic. A total of 2,135 overtaking manoeuvres to cyclists have been analysed in detail. The duration of overtaking has been considered a key factor in terms of its effect on safety and traffic operation. Consequently, this variable has been analysed with special interest, developing a predictive model of the overtaking duration, considering factors related to the configuration of groups of cyclists, the road and the overtaking manoeuvre itself. Based on the observations, a traffic microsimulation model that incorporates cycle traffic on two-lane rural roads and its interaction with motorized vehicles has been adapted, calibrated and validated. Through observations and the use of the microsimulation model, performance measures have been obtained that allow characterizing the influence of the presence of cyclists on traffic operation, showing a reduction in traffic operation as cycle traffic increases. Performance measures related to the number of overtaking manoeuvres and delay are the most sensitive to the presence of cyclists, followed by measures related to users platooning. Roads with narrow cross-sections are more sensitive to the presence of cyclists, and on them the two-abreast configuration of groups of cyclists slightly improves traffic operation by facilitating overtaking. The results of this research allow a better understanding of the phenomenon as well as being translated into recommendations for improving the design and/or operation of two-lane rural roads with a cyclist presence. In addition, specific tools have been developed such as the predictive model and the microsimulation model which can be used by infrastructure managers to analyse other rural roads and provide a safer and more operational integration of the different road users. / Esta Tesis Doctoral forma parte del proyecto de investigación Bike2lane “Mejora de la seguridad y operación de carreteras convencionales con ciclistas”, con referencia TRA 2016-8089-R, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. En el desarrollo de esta tesis también se han utilizado datos de parte del proyecto de investigación Safe4Bikes “Medidas para la Mejora de la Seguridad Vial en Carreteras Convencionales con Bicicletas Circulando en Grupo”, con referencia SPIP2017-022880, subvencionado por la Dirección General de Tráfico. Esta investigación ha sido realizada gracias a la Agencia Estatal de Investigación “Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores 2017”, con referencia BES-2017-080474, de la que la doctoranda es beneficiaria. / Moll Montaner, S. (2021). Análisis de la funcionalidad del tráfico en carreteras convencionales con presencia de ciclistas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179701

Le but de cette thèse est de développer des outils statistiques permettant d'initialiser et de calibrer les modèles de microsimulation dynamique stochastique, en partant de l’exemple du modèle SimVillages (développé dans le cadre du projet Européen PRIMA). Ce modèle couple des dynamiques démographiques et économiques appliquées à une population de municipalités rurales. Chaque individu de la population, représenté explicitement dans un ménage au sein d’une commune, travaille éventuellement dans une autre, et possède sa propre trajectoire de vie. Ainsi, le modèle inclut-il des dynamiques de choix de vie, d’étude, de carrière, d’union, de naissance, de divorce, de migration et de décès. Nous avons développé, implémenté et testé les modèles et méthodes suivants : 1 / un modèle permettant de générer une population synthétique à partir de données agrégées, où chaque individu est membre d’un ménage, vit dans une commune et possède un statut au regard de l’emploi. Cette population synthétique est l’état initial du modèle. 2 / un modèle permettant de simuler une table d’origine-destination des déplacements domicile-travail à partir de données agrégées. 3 / un modèle permettant d’estimer le nombre d’emplois dans les services de proximité dans une commune donnée en fonction de son nombre d’habitants et de son voisinage en termes de service. 4 / une méthode de calibration des paramètres inconnus du modèle SimVillages de manière à satisfaire un ensemble de critères d'erreurs définis sur des sources de données hétérogènes. Cette méthode est fondée sur un nouvel algorithme d’échantillonnage séquentiel de type Approximate Bayesian Computation. / The purpose of this thesis is to develop statistical tools to initialize and to calibrate dynamic stochastic microsimulation models, starting from their application to the SimVillages model (developed within the European PRIMA project). This model includes demographic and economic dynamics applied to the population of a set of rural municipalities. Each individual, represented explicitly in a household living in a municipality, possibly working in another, has its own life trajectory. Thus, model includes rules for the choice of study, career, marriage, birth children, divorce, migration, and death. We developed, implemented and tested the following models : • a model to generate a synthetic population from aggregate data, where each individual lives in a household in a municipality and has a status with regard to employment. The synthetic population is the initial state of the model. • a model to simulate a table of origin-destination commuting from aggregate data in order to assign a place of work for each individual working outside his municipality of residence. • a sub-model to estimate the number of jobs in local services in a given municipality in terms of its number of inhabitants and its neighbors in terms of service. • a method to calibrate the unknown SimVillages model parameters in order to satisfy a set of criteria. This method is based on a new Approximate Bayesian Computation algorithm using importance sampling. When applied to a toy example and to the SimVillages model, our algorithm is 2 to 8 times faster than the three main sequential ABC algorithms currently available.

Le but de cette thèse est de développer des outils statistiques permettant d'initialiser et de calibrer les modèles de microsimulation dynamique stochastique, en partant de l'exemple du modèle SimVillages (développé dans le cadre du projet Européen PRIMA). Ce modèle couple des dynamiques démographiques et économiques appliquées à une population de municipalités rurales. Chaque individu de la population, représenté explicitement dans un ménage au sein d'une commune, travaille éventuellement dans une autre, et possède sa propre trajectoire de vie. Ainsi, le modèle inclut-il des dynamiques de choix de vie, d'étude, de carrière, d'union, de naissance, de divorce, de migration et de décès. Nous avons développé, implémenté et testé les modèles et méthodes suivants : 1 / un modèle permettant de générer une population synthétique à partir de données agrégées, où chaque individu est membre d'un ménage, vit dans une commune et possède un statut au regard de l'emploi. Cette population synthétique est l'état initial du modèle. 2 / un modèle permettant de simuler une table d'origine-destination des déplacements domicile-travail à partir de données agrégées. 3 / un modèle permettant d'estimer le nombre d'emplois dans les services de proximité dans une commune donnée en fonction de son nombre d'habitants et de son voisinage en termes de service. 4 / une méthode de calibration des paramètres inconnus du modèle SimVillages de manière à satisfaire un ensemble de critères d'erreurs définis sur des sources de données hétérogènes. Cette méthode est fondée sur un nouvel algorithme d'échantillonnage séquentiel de type Approximate Bayesian Computation.

Le but de cette thèse est de développer des outils statistiques permettant d'initialiser et de calibrer les modèles de microsimulation dynamique stochastique, en partant de l'exemple du modèle SimVillages (développé dans le cadre du projet Européen PRIMA). Ce modèle couple des dynamiques démographiques et économiques appliquées à une population de municipalités rurales. Chaque individu de la population, représenté explicitement dans un ménage au sein d'une commune, travaille éventuellement dans une autre, et possède sa propre trajectoire de vie. Ainsi, le modèle inclut-il des dynamiques de choix de vie, d'étude, de carrière, d'union, de naissance, de divorce, de migration et de décès. Nous avons développé, implémenté et testé les modèles et méthodes suivants: * un modèle permettant de générer une population synthétique à partir de données agrégées, où chaque individu est membre d'un ménage, vit dans une commune et possède un statut au regard de l'emploi. Cette population synthétique est l'état initial du modèle. * un modèle permettant de simuler une table d'origine-destination des déplacements domicile-travail à partir de données agrégées. * un modèle permettant d'estimer le nombre d'emplois dans les services de proximité dans une commune donnée en fonction de son nombre d'habitants et de son voisinage en termes de service. * une méthode de calibration des paramètres inconnus du modèle SimVillages de manière à satisfaire un ensemble de critères d'erreurs définis sur des sources de données hétérogènes. Cette méthode est fondée sur un nouvel algorithme d'échantillonnage séquentiel de type Approximate Bayesian Computation.

This thesis builds on previous work on an Institute of Roads FAST VUT dealing with modifications of road I/43 Brno – Svitavy. A conversion of the existing temporary three leg single lane roundabout to egg turbo roundabout with four legs, is proposed there, in accordance with local plan of Lipůvka. The intersection of road I/43 and II/379 can be characterized by large congestions in the morning peak hours during weekdays and afternoon peak hours on Saturday and Sunday. That is the reason for implementation of capacity assessment of designed turbo roundabout and comparison with current situation. Construction of fourth leg is motivated by the planned expansion of residential area and the development of industrial zone on the south-western outskirts of the village and rerouting of the county road II/379 out of built-up area as well. Road I/43 is an important thoroughfare north of Brno, so it is obvious effort to eliminate the bottlenecks on the route. The thesis also includes a theoretical introduction dealing with the design of turbo roundabouts abroad.