Effects of anticipatory driving in a traffic flow model

Anticipation in traffic means that drivers estimate their leaders' velocities for future timesteps. In the article a specific stochastic car--following model with non--unique flow--density relation is investigated with respect to anticipatory driving. It is realized by next--nearest--neighbour interaction which leads to large flows and short temporal headways. The underlying mechanism that causes these effects is explained by the headways of the cars which organize in an alternating structure with a short headway following a long one, thereby producing a strong anti-correlation in the gaps or in the headways of subsequent cars. For the investigated model the corresponding time headway distributions display the short headways observed in reality. Even though these effects are discussed for a specific model, the mechanism described is in general present in any traffic flow models that work with anticipation.Comment: 8 pages, 11 figure

Boundary-induced phase transitions in a space-continuous traffic model with non-unique flow-density relation

The Krauss-model is a stochastic model for traffic flow which is continuous in space. For periodic boundary conditions it is well understood and known to display a non-unique flow-density relation (fundamental diagram) for certain densities. In many applications, however, the behaviour under open boundary conditions plays a crucial role.In contrast to all models investigated so far, the high flow states of the Krauss-model are not metastable, but also stable. Nevertheless we find that the current in open systems obeys an extremal principle introduced for the case of simpler discrete models. The phase diagram of the open system will be completely determined by the fundamental diagram of the periodic system through this principle. In order to allow the investigation of the whole state space of the Krauss-model, appropriate strategies for the injection of cars into the system are needed.Two methods solving this problem are discussed and the boundary-induced phase transitions for both methods are studied.We also suggest a supplementary rule for the extremal principle to account for cases where not all the possible bulk states are generated by the chosen boundary conditions.Comment: 12 Pages, 14 figure

Vehicle-based modelling of traffic . Theory and application to environmental impact modelling

This dissertation addresses vehicle-based approaches to traffic flow modelling. Having regard to the inherent dynamic nature of traffic, the investigations are mainly focused on the question, how this is captured by different model classes. In the first part, the dynamics of a microscopic car-following model (SKM), presented in, is studied by means of computer simulations and analytical calculations. A classification of the model's behaviour is given with respect to the stability of high-flow states and the outflow from jam. The effects of anticipatory driving on the model's dynamics is explored, yielding results valid in general for this model class. In the second part, a new approach is introduced based on queueing theory. It can be regarded as a microscopic implementation of a state-dependent queueing model, using coupled queues where the service rates additionally depend on the conditions downstream. The concept is shown to reproduce the dynamics of free flow and wide-moving jams. This is demonstrated by comparison with the SKM and real world measurements. An analytical treatment is given as well. The phenomena of boundary induced phase transitions is further addressed, giving the complete phase diagrams of both models. Finally, the application of the queueing approach within simulation-based traffic assignment is demonstrated in regard to environmental impact modelling

Optimierung LED-basierter adaptiver Tageslichtsysteme unter Berücksichtigung der Beobachtermetamerie

Natürliches Tageslicht besitzt eine signifikante Relevanz für das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen, jedoch ist es in vielen Innenräumen nicht ausreichend vorhanden. Stattdessen kommen dort künstliche Lichtquellen zum Einsatz, welche zunehmend mit mehrkanaligen LED-Systemen realisiert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit Farbe und Helligkeit des Lichts dynamisch zu variieren und somit das Tageslicht zu simulieren beziehungsweise zu imitieren. Hieraus leitet sich die Motivation dieser Arbeit ab, Verfahren, Metriken und Algorithmen zu entwickeln, mit deren Hilfe die Farbgenauigkeit und weitere spektrale Qualitätsmerkmale von LED-Licht optimiert werden können. Dies geschieht im Hinblick auf eine Anwendung in der adaptiven Beleuchtung, welche sich an das vorherrschende Tageslicht anpassen kann. Eine dabei implizierte Anpassung der LED-Lichtfarbe an das natürliche Tageslicht kann aufgrund der Beobachtermetamerie zu wahrnehmbaren Farbdifferenzen zwischen den beiden Lichtarten führen. Die Beobachtermetamerie – der Effekt, dass Spektren zwar für den Normalbeobachter farblich identisch sind, ein realer Beobachter jedoch einen Farbunterschied wahrnimmt, aufgrund der individuellen spektralen Empfindlichkeit seiner Sehzellen – wird hier in Bezug auf die Tageslichtreferenz untersucht. Es werden mit einem individuellen Beobachtermodell 1000 unterschiedliche Beobachter simuliert, um Farbdifferenzen zwischen Metameriepaaren zu berechnen. Hierfür werden anhand von Spektrometermessungen und verschiedener Tageslichtmodelle 1568 Referenzspektren generiert. Mittels acht verschiedener 3-Kanal-LED-Systeme werden für jeden individuellen Beobachter zu jeder Tageslichtreferenz Metameriespektren gemischt. Anhand dieser Daten wird gezeigt, welche LED-Spektren welche durchschnittliche individuelle Farbdifferenz hervorrufen. Da solche Berechnungen für echtzeitfähige Optimierungen auf den begrenzten Ressourcen des Mikrocontrollers einer adaptiven Leuchte nicht gut geeignet sind, werden drei Varianten eines Beobachtermetamerie-Index definiert. Basierend auf einer Korrelationsanalyse wird dabei die Variante mit der höchsten Korrelation zu der Referenzberechnung als Beobachtermetamerie-Index vorgeschlagen. Der hierbei definierte Abweichungsbeobachter wird zusätzlich verwendet, um einen Beobachtermetamerie-Koeffizienten zu definieren. Anhand dieses Koeffizienten lässt sich die Variabilität des individuellen Farbstimulus von einem einzelnen Spektrum berechnen. Es wird gezeigt, dass sich dieser Koeffizient eignet, um die Beobachtermetamerie eines LED-Spektrums zu optimieren, wenn aufgrund von fehlenden Spektraldaten der Tageslichtreferenz der Beobachtermetamerie-Index nicht verwendet werden kann. Das individuelle Beobachtermodell, auf dem diese Simulationen basieren, wird mit einem Probandentest verifiziert. Hierbei führen die Testpersonen einen farblichen Abgleich von LED-Licht und natürlichem Tageslicht durch. Die zur Generierung eines Metameriespektrums nötigen Farbmischberechnungen werden für ein 3- und 5-Kanal-System vorgestellt. Hierbei wird die nicht-ideale Dimmkennlinie von realen Systemen berücksichtigt und durch eine iterative Farbmischberechnung kompensiert. Dadurch wird die Farbgenauigkeit sowie die Genauigkeit der Leuchtdichte signifikant gesteigert, verglichen mit Berechnungen, welche eine lineare Dimmkennlinie implizieren. Durch die Verwendung von mehr als drei LED-Kanälen können bei konstanter Lichtfarbe unterschiedliche Lichtqualitätsmerkmale variiert werden. Die dazugehörigen spektralen Berechnungen eignen sich jedoch oft nicht für echtzeitfähige Implementierungen auf dem Mikrocontroller einer adaptiven Leuchte. Zusätzlich besteht bei der Farbmischung mit mehr als drei LED-Kanälen das Problem eines unterbestimmten Gleichungssystems. Um dieses Problem zu lösen wird ein neues Verfahren vorgestellt, bei dem die Lichtqualität zum Zeitpunkt der Farbmischung optimiert werden kann. Hierbei werden jeweils zwei physische LED-Kanäle zu einem virtuellen LED-Kanal zusammengefasst, wodurch ein eindeutig lösbares 3-Kanal-System simuliert werden kann. Die Farbvalenz eines virtuellen LED-Kanals wird aus dem Leuchtdichteverhältnis der beiden zugrunde liegenden physischen Kanäle bestimmt. Anhand solcher Leuchtdichteverhältnisse wird der unterbestimmte Lösungsraum der Farbmischung parametrisiert und gleichzeitig deren Einfluss auf verschiedene Lichtqualitätsmetriken untersucht. Dadurch können die gegenseitigen Abhängigkeiten unterschiedlicher Qualitätsmetriken analysiert werden und die Parametrisierungswerte, welche für ein Optimum sorgen, identifiziert werden. Die so bestimmten Parametrisierungswerte lösen das Problem der Unterbestimmtheit und ermöglichen es die Farbmischberechnung des hier verwendeten 5-Kanal-Systems in Echtzeit durchzuführen. Dabei können die verschiedenen Qualitätsmetriken dynamisch priorisiert und optimiert werden. Da die Farbmischberechnungen hierbei erst zum Zeitpunkt der gewünschten Farbeinstellung durchgeführt werden, eignet sich der Algorithmus für weitere Entwicklungen, bei denen beispielsweise eine alterungsbedingte Farbverschiebung der LEDs kompensiert werden soll

Effect of cooperative merging on the synchronous flow phase of traffic

Cooperation in merging is introduced by adding interactions between pairs of vehicles in opposite lanes. Simulations with an improved version of the modified optimal velocity model are done for two lanes merging into a single lane. For ~30 seconds prior to reaching the merge region, vehicles in both lanes adjust their headways to create safe distances in front of and behind the merging vehicle. Cooperation prevents the transition from free flow to synchronous flow that occurs for normal merging, provided the merge region is sufficiently large and the total incoming flow does not exceed the maximum possible single-lane flow. No long-range vehicle-to-vehicle communication is required for the type of cooperation considered.Comment: 23 pages, 9 figures, accepted by Physica

Integration von dynamischer Verkehrssimulation und Wirkungsanalyse fur die Entwicklung ressourcenschonender Verkehrsmanagement-Strategien

Um zu verhindern, dass die Nutzung von Telematik zu unerwün-schten negativen Effekten führt, müssen Verkehrsmanagement-Strategien jenseits der üblichen nutzeroptimalen Lösungen entwickelt werden. Mit diesem Ziel werden in dieser Arbeit dynamische Verkehrssimulationsmodelle und verfeinerte Prognose- und Auswertungsmodelle gekoppelt, mit denen Strategien hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen und wirtschaftlichen Effizienz bewertet werden können. Hierfür stehen dynamische, mikroskopische Verkehrsmodelle zur Verfügung, die im Rahmen des stadtinfoköln -Projektes zu Prognoseinstrumenten weiter entwickelt werden. Als Ergebnis der Integration dieser Modelle mit Modellen zur strategischen Prognose und Bewertung von Verkehrswirkungen lassen sich erste Bandbreiten für die Wirksamkeit und Effizienz einzelner Verkehrsmanagement-Maßnahmen abschätzen. Gleichzeitig wird die Notwendigkeit zur Verfeinerung der Umweltmodelle deutlich, um den dynamischen Aspekten des Verkehrsablaufes Rechnung zu tragen. Daher werden Modelle zur Emissionsprognose im Straßenverkehr weiterentwickelt und mit vorhande-nen Simulationsmodellen (PELOPS) abgestimmt, welche die Fahrdynamik der Fahrzeuge berücksichtigen. Auf Basis der Ergebnisse werden erste Szenarien für Management-Strategien gezielt so entwickelt, dass vorgegebene Umwelt- und Sicherheitsziele erreicht und Wirtschaftlichkeitskriterien maximiert werden. Mittelfristig ist das Ziel, intelligente Entscheidungsunterstützungssysteme aufzubauen, die Verkehrsmanagern bei aus gemessenen Verkehrsdaten rekonstruierten realen Verkehrssituationen effiziente, ressourcensparende Lösungen von Verkehrsproblemen offerieren

Mechanical restriction versus human overreaction triggering congested traffic states

A new cellular automaton (CA) traffic model is presented. The focus is on mechanical restrictions of vehicles realized by limited acceleration and deceleration capabilities. These features are incorporated into the model in order to construct the condition of collision-free movement. The strict collision-free criterion imposed by the mechanical restrictions is softened in certain traffic situations, reflecting human overreaction. It is shown that the present model reliably reproduces most empirical findings including synchronized flow, the so-called {\it pinch effect}, and the time-headway distribution of free flow. The findings suggest that many free flow phenomena can be attributed to the platoon formation of vehicles ({\it platoon effect})Comment: 5 pages, 3 figures, to appear in PR

Delays, Inaccuracies and Anticipation in Microscopic Traffic Models

We generalize a wide class of time-continuous microscopic traffic models to include essential aspects of driver behaviour not captured by these models. Specifically, we consider (i) finite reaction times, (ii) estimation errors, (iii) looking several vehicles ahead (spatial anticipation), and (iv) temporal anticipation. The estimation errors are modelled as stochastic Wiener processes and lead to time-correlated fluctuations of the acceleration. We show that the destabilizing effects of reaction times and estimation errors can essentially be compensated for by spatial and temporal anticipation, that is, the combination of stabilizing and destabilizing effects results in the same qualitative macroscopic dynamics as that of the respectively underlying simple car-following model. In many cases, this justifies the use of simplified, physics-oriented models with a few parameters only. Although the qualitative dynamics is unchanged, multi-anticipation increase both spatial and temporal scales of stop-and-go waves and other complex patterns of congested traffic in agreement with real traffic data. Remarkably, the anticipation allows accident-free smooth driving in complex traffic situations even if reaction times exceed typical time headways.Comment: Major revision of the model and the simulations. Particularly, the number of model parameters has been reduce

A stochastic cellular automaton model for traffic flow with multiple metastable states

A new stochastic cellular automaton (CA) model of traffic flow, which includes slow-to-start effects and a driver's perspective, is proposed by extending the Burgers CA and the Nagel-Schreckenberg CA model. The flow-density relation of this model shows multiple metastable branches near the transition density from free to congested traffic, which form a wide scattering area in the fundamental diagram. The stability of these branches and their velocity distributions are explicitly studied by numerical simulations.Comment: 11 pages, 20 figures, submitted for publicatio

Cellular Automata Models of Road Traffic

In this paper, we give an elaborate and understandable review of traffic cellular automata (TCA) models, which are a class of computationally efficient microscopic traffic flow models. TCA models arise from the physics discipline of statistical mechanics, having the goal of reproducing the correct macroscopic behaviour based on a minimal description of microscopic interactions. After giving an overview of cellular automata (CA) models, their background and physical setup, we introduce the mathematical notations, show how to perform measurements on a TCA model's lattice of cells, as well as how to convert these quantities into real-world units and vice versa. The majority of this paper then relays an extensive account of the behavioural aspects of several TCA models encountered in literature. Already, several reviews of TCA models exist, but none of them consider all the models exclusively from the behavioural point of view. In this respect, our overview fills this void, as it focusses on the behaviour of the TCA models, by means of time-space and phase-space diagrams, and histograms showing the distributions of vehicles' speeds, space, and time gaps. In the report, we subsequently give a concise overview of TCA models that are employed in a multi-lane setting, and some of the TCA models used to describe city traffic as a two-dimensional grid of cells, or as a road network with explicitly modelled intersections. The final part of the paper illustrates some of the more common analytical approximations to single-cell TCA models.Comment: Accepted for publication in "Physics Reports". A version of this paper with high-quality images can be found at: http://phdsven.dyns.cx (go to "Papers written"