There are a lot more roads being built periodically in most of the countries with the advancement of modern society. In order to promote the overall traffic flow quality within different cities, city traffic management has been playing a more and more essential role during the last few decades. In recent years, a significantly increasing attention has been paid to the management of traffic flow in major cities all over the world. In this thesis, we develop a stochastic dynamic model for urban traffic along with physical constraints characteristic of intersections equipped with traffic light. We assume that the incoming traffic to each stream in an intersection is amenable to the Poisson random process with variable intensity (mean). We introduce expressions for traffic throughput, congestion as well as operator's waiting time for the typical intersection in a city and hereafter define an appropriate objective functional. Afterwards, we formulate an optimization problem and propose the sequential (or recursive) algorithm based on the principle of optimality (dynamic programming) due to Bellman. The solution if implemented is expected to improve throughput, reduce congestion, and promote driver's satisfaction. Because the dynamic programming method is computationally quite intensive, we consider the scenario that one unit traffic stream stands for a specific number of vehicles which actually depends on the volume of traffic flow through the intersection. The system is simulated with inputs described by several distinct nonhomogeneous Poisson processes. For example, we apply the typical traffic arrival rate in Canada with morning peak hour at around 7:30 AM and afternoon peak hour at around 4:30 PM whilst it is also applied with morning rush hour at about 8:00 AM and afternoon rush hour at about 6:00 PM like in China. In the meanwhile, we also present a group of numerical results for the traffic arrival rates that have shorter morning peak-hour period but longer afternoon rush hour period. This may occasionally happen when there are some social activities or big events in the afternoon. In addition, another series of experiments are carried out to illustrate the feasibility of the proposed dynamic model based on the traffic arrival rates with only one peak-hour throughout the whole day. The system is simulated with a series of experiments and the optimization problem is solved by dynamic programming based on the proposed algorithm which gives us the optimal feedback control law. More specifically, the results show that both the optimal traffic light timing allocated for each stream and the congestion broadcast level (CBL) of each road segment during each time segment are found. Accordingly, the corresponding optimal cost can be found for any given initial condition. It is reasonably believed that this stochastic dynamic model would be potentially applicable for real time adaptive traffic control system.

The thesis is composed of two main parts. The first part deals with a microscopic traffic flow theory. Models describing the individual acceleration, deceleration and lane-changing behavior are formulated and the emerging collective traffic dynamics are investigated by means of numerical simulations. The models and simulation tools presented provide the methodical prerequisites for the second part of the thesis in which a novel concept of a traffic-adaptive control strategy for ACC systems is presented. The impact of such systems on the traffic dynamics can solely be investigated and assessed by traffic simulations. The focus is on future adaptive cruise control (ACC) systems and their potential applications in the context of vehicle-based intelligent transportation systems. In order to ensure that ACC systems are implemented in ways that improve rather than degrade traffic conditions, the thesis proposes an extension of ACC systems towards traffic-adaptive cruise control by means of implementing an actively jam-avoiding driving strategy. The newly developed traffic assistance system introduces a driving strategy layer which modifies the driver's individual settings of the ACC driving parameters depending on the local traffic situation. Whilst the conventional operational control layer of an ACC system calculates the response to the input sensor data in terms of accelerations and decelerations on a short time scale, the automated adaptation of the ACC driving parameters happens on a somewhat longer time scale of, typically, minutes. By changing only temporarily the comfortable parameter settings of the ACC system in specific traffic situations, the driving strategy is capable of improving the traffic flow efficiency whilst retaining the comfort for the driver. The traffic-adaptive modifications are specified relative to the driver settings in order to maintain the individual preferences. The proposed system requires an autonomous real-time detection of the five traffic states by each ACC-equipped vehicle. The formulated algorithm is based on the evaluation of the locally available data such as the vehicle's velocity time series and its geo-referenced position (GPS) in conjunction with a digital map. It is assumed that the digital map is complemented by information about stationary bottlenecks as most of the observed traffic flow breakdowns occur at these fixed locations. By means of a heuristic, the algorithm determines which of the five traffic states mentioned above applies best to the actual traffic situation. Optionally, inter-vehicle and infrastructure-to-car communication technologies can be used to further improve the accuracy of determining the respective traffic state by providing non-local information. By means of simulation, we found that the automatic traffic-adaptive driving strategy improves traffic stability and increases the effective road capacity. Depending on the fraction of ACC vehicles, the driving strategy "passing a bottleneck" effects a reduction of the bottleneck strength and therefore delays (or even prevents) the breakdown of traffic flow. Changing to the driving mode "leaving the traffic jam" increases the outflow from congestion resulting in reduced queue lengths in congested traffic and, consequently, a faster recovery to free flow conditions. The current travel time (as most important criterion for road users) and the cumulated travel time (as an indicator of the system performance) are used to evaluate the impact on the quality of service. While traffic congestion in the reference scenario was completely eliminated when simulating a proportion of 25% ACC vehicles, travel times were significantly reduced even with much lower penetration rates. Moreover, the cumulated travel times decreased consistently with the increase in the proportion of ACC vehicles. / In der Arbeit wird ein neues verkehrstelematisches Konzept für ein verkehrseffizientes Fahrverhalten entwickelt und als dezentrale Strategie zur Vermeidung und Auflösung von Verkehrsstaus auf Richtungsfahrbahnen vorgestellt. Die operative Umsetzung erfolgt durch ein ACC-System, das um eine, auf Informationen über die lokale Verkehrssituation basierende, automatisierte Fahrstrategie erweitert wird. Die Herausforderung bei einem Eingriff in das individuelle Fahrverhalten besteht - unter Berücksichtigung von Sicherheits-, Akzeptanz- und rechtlichen Aspekten - im Ausgleich der Gegensätze Fahrkomfort und Verkehrseffizienz. Während sich ein komfortables Fahren durch große Abstände bei geringen Fahrzeugbeschleunigungen auszeichnet, erfordert ein verkehrsoptimierendes Verhalten kleinere Abstände und eine schnellere Anpassung an Geschwindigkeitsänderungen der umgebenden Fahrzeuge. Als allgemeiner Lösungsansatz wird eine verkehrsadaptive Fahrstrategie vorgeschlagen, die ein ACC-System mittels Anpassung der das Fahrverhalten charakterisierenden Parameter umsetzt. Die Wahl der Parameter erfolgt in Abhängigkeit von der lokalen Verkehrssituation, die auf der Basis der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Informationen automatisch detektiert wird. Durch die Unterscheidung verschiedener Verkehrssituationen wird ein temporärer Wechsel in ein verkehrseffizientes Fahrregime (zum Beispiel beim Herausfahren aus einem Stau) ermöglicht. Machbarkeit und Wirkungspotenzial der verkehrsadaptiven Fahrstrategie werden im Rahmen eines mikroskopischen Modellierungsansatzes simuliert und hinsichtlich der kollektiven Verkehrsdynamik, insbesondere der Stauentstehung und Stauauflösung, auf mehrspurigen Richtungsfahrbahnen bewertet. Die durchgeführte Modellbildung, insbesondere die Formulierung eines komplexen Modells des menschlichen Fahrverhaltens, ermöglicht eine detaillierte Analyse der im Verkehr relevanten kollektiven Stabilität und einer von der Stabilität abhängigen stochastischen Streckenkapazität. Ein tieferes Verständnis der Stauentstehung und -ausbildung wird durch das allgemeine Konzept der Engstelle erreicht. Dieses findet auch bei der Entwicklung der Strategie für ein stauvermeidendes Fahrverhalten Anwendung. In der Arbeit wird die stauvermeidende und stauauflösende Wirkung eines individuellen, verkehrsadaptiven Fahrverhaltens bereits für geringe Ausstattungsgrade nachgewiesen. Vor dem Hintergrund einer zu erwartenden Verbreitung von ACC-Systemen ergibt sich damit eine vielversprechende Option für die Steigerung der Verkehrsleistung durch ein teilautomatisiertes Fahren. Der entwickelte Ansatz einer verkehrsadaptiven Fahrstrategie ist unabhängig vom ACC-System. Er erweitert dessen Funktionalität im Hinblick auf zukünftige, informationsbasierte Fahrerassistenzsysteme um eine neue fahrstrategische Dimension. Die lokale Interpretation der Verkehrssituation kann neben einer verkehrsadaptiven ACC-Regelung auch der Entwicklung zukünftiger Fahrerinformationssysteme dienen.

The thesis is composed of two main parts. The first part deals with a microscopic traffic flow theory. Models describing the individual acceleration, deceleration and lane-changing behavior are formulated and the emerging collective traffic dynamics are investigated by means of numerical simulations. The models and simulation tools presented provide the methodical prerequisites for the second part of the thesis in which a novel concept of a traffic-adaptive control strategy for ACC systems is presented. The impact of such systems on the traffic dynamics can solely be investigated and assessed by traffic simulations. The focus is on future adaptive cruise control (ACC) systems and their potential applications in the context of vehicle-based intelligent transportation systems. In order to ensure that ACC systems are implemented in ways that improve rather than degrade traffic conditions, the thesis proposes an extension of ACC systems towards traffic-adaptive cruise control by means of implementing an actively jam-avoiding driving strategy. The newly developed traffic assistance system introduces a driving strategy layer which modifies the driver's individual settings of the ACC driving parameters depending on the local traffic situation. Whilst the conventional operational control layer of an ACC system calculates the response to the input sensor data in terms of accelerations and decelerations on a short time scale, the automated adaptation of the ACC driving parameters happens on a somewhat longer time scale of, typically, minutes. By changing only temporarily the comfortable parameter settings of the ACC system in specific traffic situations, the driving strategy is capable of improving the traffic flow efficiency whilst retaining the comfort for the driver. The traffic-adaptive modifications are specified relative to the driver settings in order to maintain the individual preferences. The proposed system requires an autonomous real-time detection of the five traffic states by each ACC-equipped vehicle. The formulated algorithm is based on the evaluation of the locally available data such as the vehicle's velocity time series and its geo-referenced position (GPS) in conjunction with a digital map. It is assumed that the digital map is complemented by information about stationary bottlenecks as most of the observed traffic flow breakdowns occur at these fixed locations. By means of a heuristic, the algorithm determines which of the five traffic states mentioned above applies best to the actual traffic situation. Optionally, inter-vehicle and infrastructure-to-car communication technologies can be used to further improve the accuracy of determining the respective traffic state by providing non-local information. By means of simulation, we found that the automatic traffic-adaptive driving strategy improves traffic stability and increases the effective road capacity. Depending on the fraction of ACC vehicles, the driving strategy "passing a bottleneck" effects a reduction of the bottleneck strength and therefore delays (or even prevents) the breakdown of traffic flow. Changing to the driving mode "leaving the traffic jam" increases the outflow from congestion resulting in reduced queue lengths in congested traffic and, consequently, a faster recovery to free flow conditions. The current travel time (as most important criterion for road users) and the cumulated travel time (as an indicator of the system performance) are used to evaluate the impact on the quality of service. While traffic congestion in the reference scenario was completely eliminated when simulating a proportion of 25% ACC vehicles, travel times were significantly reduced even with much lower penetration rates. Moreover, the cumulated travel times decreased consistently with the increase in the proportion of ACC vehicles. / In der Arbeit wird ein neues verkehrstelematisches Konzept für ein verkehrseffizientes Fahrverhalten entwickelt und als dezentrale Strategie zur Vermeidung und Auflösung von Verkehrsstaus auf Richtungsfahrbahnen vorgestellt. Die operative Umsetzung erfolgt durch ein ACC-System, das um eine, auf Informationen über die lokale Verkehrssituation basierende, automatisierte Fahrstrategie erweitert wird. Die Herausforderung bei einem Eingriff in das individuelle Fahrverhalten besteht - unter Berücksichtigung von Sicherheits-, Akzeptanz- und rechtlichen Aspekten - im Ausgleich der Gegensätze Fahrkomfort und Verkehrseffizienz. Während sich ein komfortables Fahren durch große Abstände bei geringen Fahrzeugbeschleunigungen auszeichnet, erfordert ein verkehrsoptimierendes Verhalten kleinere Abstände und eine schnellere Anpassung an Geschwindigkeitsänderungen der umgebenden Fahrzeuge. Als allgemeiner Lösungsansatz wird eine verkehrsadaptive Fahrstrategie vorgeschlagen, die ein ACC-System mittels Anpassung der das Fahrverhalten charakterisierenden Parameter umsetzt. Die Wahl der Parameter erfolgt in Abhängigkeit von der lokalen Verkehrssituation, die auf der Basis der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Informationen automatisch detektiert wird. Durch die Unterscheidung verschiedener Verkehrssituationen wird ein temporärer Wechsel in ein verkehrseffizientes Fahrregime (zum Beispiel beim Herausfahren aus einem Stau) ermöglicht. Machbarkeit und Wirkungspotenzial der verkehrsadaptiven Fahrstrategie werden im Rahmen eines mikroskopischen Modellierungsansatzes simuliert und hinsichtlich der kollektiven Verkehrsdynamik, insbesondere der Stauentstehung und Stauauflösung, auf mehrspurigen Richtungsfahrbahnen bewertet. Die durchgeführte Modellbildung, insbesondere die Formulierung eines komplexen Modells des menschlichen Fahrverhaltens, ermöglicht eine detaillierte Analyse der im Verkehr relevanten kollektiven Stabilität und einer von der Stabilität abhängigen stochastischen Streckenkapazität. Ein tieferes Verständnis der Stauentstehung und -ausbildung wird durch das allgemeine Konzept der Engstelle erreicht. Dieses findet auch bei der Entwicklung der Strategie für ein stauvermeidendes Fahrverhalten Anwendung. In der Arbeit wird die stauvermeidende und stauauflösende Wirkung eines individuellen, verkehrsadaptiven Fahrverhaltens bereits für geringe Ausstattungsgrade nachgewiesen. Vor dem Hintergrund einer zu erwartenden Verbreitung von ACC-Systemen ergibt sich damit eine vielversprechende Option für die Steigerung der Verkehrsleistung durch ein teilautomatisiertes Fahren. Der entwickelte Ansatz einer verkehrsadaptiven Fahrstrategie ist unabhängig vom ACC-System. Er erweitert dessen Funktionalität im Hinblick auf zukünftige, informationsbasierte Fahrerassistenzsysteme um eine neue fahrstrategische Dimension. Die lokale Interpretation der Verkehrssituation kann neben einer verkehrsadaptiven ACC-Regelung auch der Entwicklung zukünftiger Fahrerinformationssysteme dienen.