Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: İSMET GÖKŞAD ERDAĞI
Danışman: Hilmi Berk Çelikoğlu
Özet:
Ulaştırma tarihi boyunca insanlar daha hızlı ve daha konforlu yolculuk yapmak amacıyla yeni yollar aradılar. Tekerleğin icadından itibaren yeni fikirler üreten insanoğlu içten yanmalı motorların keşfi ile karayolu ulaşımında büyük ilerleme kaydetti. Günümüzde ise geleceğin ulaşım araçları olarak insansız otonom taşıtlar görülmektedir. Otonom teknolojiye sahip taşıtlar bugün bile trafikte yer almaktadır. Günden güne sayılarının artıp çok uzak olmayan bir gelecekte trafik akımının tamamının otonom taşıtlardan oluşabileceğini öngörebiliriz. Birçok otomobil üreticisi şirket ise geliştirdikleri yeni modellerine boyuna hareketin tamamen otomatikleştirildiği sürücü destek sistemlerini eklemektedirler. Ancak bu tür sistemler yalnızca taşıtın boyuna hareketini belirlenen bir düzende gerçekleştirmesini sağlamaktadır. Gelişen iletişim teknolojileri ile günümüzde veri aktarımı hızı oldukça yükselmiştir. Taşıtların birbirleri ile kurdukları iletişim ve taşıtların çeşitli altyapı elemanları ile kurdukları iletişim kullanılarak çeşitli sistemler geliştirilmektedir. İşbirlikçi uyarlamalı seyir kontrol adı verilen bu sistemler ile taşıtların aralarındaki zaman cinsinden takip aralığı kısaltılabilmekte ve incelenen yollarda trafik akımında artış sağlanabilmektedir. Bu tür iletişime dayalı işbirlikçi sistemler ile trafiğin akışı herkes için eşit düzeyde fayda sağlayacak bir hale getirilebilir. Ancak, yalnızca boyuna hareketin işbirlikçi hale getirilmesi bu tür teknolojilerin getireceği potansiyel faydadan da tam olarak yararlanamamamıza neden olur. Özellikle, trafik akımının azalmasına neden olabilecek taşıt hareketlerinin yapıldığı yol kesimlerinde bu tür işbirlikçi sistemlerin kullanılması, iletişime dayalı sistemlerden elde edilebilecek faydayı artıracaktır. Tez kapsamında yapılan kaynakça araştırmasında öncelikle trafik akım kuramı ve trafik akım modelleri üzerinde durulmuştur. Trafik akım kuramı, trafiği oluşturan elemanlar arasındaki etkileşimi matematik fonksiyonları ile ifade edilmesine olanak sağlamakta olup, trafik akım modelleri ise trafiğin farklı ölçeklerde modellenmesini sağlamaktadır. Trafik akımının üç türetilmiş değişkeni olan yoğunluk, hız ve trafik akımı kullanılarak trafiğin temel ilişkisi açıklanmış, türetilmiş değişkenlerin birbirleri ile olan ilişkileri ise modelleme yöntemlerinde anlatılmıştır. Trafik akımının modellenmesinde incelenen ölçeğe bağlı olarak üç farklı yaklaşım vardır. Kaba boyutlu modeller, trafik akımının yayılımını üç türetilmiş değişkenin konum ve zamana bağlı olarak değişimleri üzerinden açıklar. Taşıtların, yol üzerinde yaptığı hareketler incelenmez, ancak yolcuların yolculuklarına başladıkları noktalar ve yolculuklarını bitirdikleri noktalar arasında kullandıkları rota ve ulaşım türünün seçimi üzerinde durulur. Bu tür modeller ulaşım planlaması alanında kullanılmaktadır, ek olarak trafik kontrol sistemlerinin oluşturulması için temel alınmaktadırlar. İnce boyutlu modeller ise taşıtların her birinin boyuna ve yanal hareketinin benzetim ortamında modellenmesini sağlayacak hareket fonksiyonlarını içerirler. Boyuna hareket modelleri, araç takip modeli, yanal hareket modelleri ise şerit değiştirme modeli olarak isimlendirilir. Bu modellerin kullanılması ile taşıtların yol ağı üzerinde yapacağı hareketler benzetim programları ile sağlanabilmektedir. Orta boyutlu modeller ise hem ince boyutlu modeller hem de kaba boyutlu modeller ile ortak özelliklere sahiptir. Basitleştirilmiş araç takip modelleri ile oluşturulan orta boyutlu modeller istenen zaman aralıklarına ait hız ve ivme gibi değerler sunabilmekte olup ince boyutlu modeller ile ortak özellikler sunabilmektedir. Ancak, bu değerleri taşıt özelinde değil, trafik akımını oluşturan taşıtlara ait ortak bir değer olarak sunmakta olup, kaba boyutlu modeller ile benzerlik taşırlar. Trafik akımı farklı ölçeklerde modellense de asıl amaç trafiğin gerçekçi bir şekilde benzetim ortamına aktarılmasıdır. Bu sayede, yapılması planlanan projelerin getirebileceği olası faydalar kıyaslanarak, en uygun projenin seçilmesi sağlanır. Otoyol kontrol sistemleri üzerinde yapılan birçok çalışmada bu tür modelleme yaklaşımlarından faydalanılmıştır. Akıllı ulaştırma sistemleri uygulamaları olarak isimlendirilen katılım denetimi, değişken hız sınırı ve rota rehberliği uygulamalarının olası getirilerinin değerlendirilmesinde modelleme yaklaşımlarından yararlanılmaktadır. Ek olarak, akıllı taşıt teknolojilerinin geliştirilmesinde de bu modelleme yaklaşımlarından faydalanılmaktadır. Akıllı taşıt teknolojileri üzerine hazırlanan kaynakça araştırması bölümünde, bu tür sistemlerin tarihsel gelişimi ve iletişim teknolojilerinin araç teknolojilerine eklenmesi ile geliştirilen sistemler anlatılmıştır. Tarihsel gelişim incelendiğinde, akıllı taşıtların ölçüm cihazları ile donatılarak önlerinde yer alan taşıtlara belirli zaman veya uzunluk cinsinden takip aralığı bırakmasını sağlayan sistemler görülmüştür. Akıllı otoyol sistemi olarak adlandırılan bir diğer sistemde ise taşıtların bir kontrol merkezinden yönetildiği bir otoyol önerilmiştir. Akıllı otoyol sistemleri ile taşıtların bir kontrol merkezi arasında iletişim kurabileceği öngörülmüştür. O nedenle, bu iki farklı sistemin işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolüne sahip taşıtların temeli olarak alınabileceği görülmektedir. İşbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü yalnızca boyuna hareketi kontrol etmesi nedeniyle destekleyici sistemlerin gerektiği açıktır. O nedenle, otoyolların kritik kesimleri belirlenerek, o kesimlere uygun destekleyici sistemler geliştirilmiştir. İşbirlikçi katılım denetimi ile taşıtların otoyol katılımları hızlı ve verimli bir şekilde sağlanarak, otoyol üzerinde ortalama hızın düşmemesi amaçlanmaktadır. Bu sayede, katılım kesimlerinde olması beklenen tıkanıklıkların önüne geçilmesi hedeflenmektedir. Bu tür sistemlerin geliştirilmesinde iki yöntem kullanılmaktadır. Kural tabanlı yöntemlerde taşıtların tanımlanan kurallar içerisinde birleşme manevrasını tamamlaması amaçlanmaktadır. Bir diğer yöntem ise yörünge optimizasyonu olarak adlandırılmaktadır. Bu yöntem ile taşıtların birleşme manevrası boyunca sahip olacağı hız ve ivme değerleri eniyilenmektedir. Tez içerisinde, bir otoyol katılımı üzerinden işbirlikçi katılım algoritması geliştirilmiş olup, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolüne sahip taşıtlardan oluşan bir trafik akımı için etkisi incelenmiştir. Geliştirilen işbirlikçi katılım algoritması, öncelikle taşıtlar arası iletişim ile toplanan bilgileri kullanarak birleşmek isteyen taşıta en yakın taşıtları bulmaktadır. Ön ve arkasında yer alan en yakın taşıtların belirlenmesinden sonra, bu taşıtlara ait hız ve konum bilgileri birleşmek isteyen taşıta aktarılmaktadır. Geliştirilen algoritmada, şerit değiştirme manevrasının beş saniyede tamamlanacağı kabul edilmiş olup, birleşme tamamlandıktan sonra birleşen taşıt ile arkasında yer alan en yakın taşıt arasındaki mesafenin on beş metre olması amaçlanmıştır. Bu nedenle, taşıtlardan toplanan bilgi bir optimizasyon probleminde girdi olarak kullanılarak taşıtın beş saniye boyunca sahip olacağı hız ve ivme değerleri belirlenmektedir. Bu işbirlikçi katılım algoritmasının başarısı, katılmanın hedeflendiği şeritteki taşıtların hızlarını değişen düzene göre ayarlamasına ve katılmanın hedeflendiği şeritteki taşıtlar arasında yeterli mesafenin bulunmasına bağlıdır. İlk şartın sağlanmasını, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü sağlamakta olup, ikinci şart için ise destekleyici otoyol kontrol sistemleri önerilmiştir. Önerilen katılım denetimi algoritması, taşıt ve altyapı elemanları arasındaki iletişimi kullanıp, taşıttan gelen bilgileri işlemektedir. Taşıtın konumu ile katılım denetimi yapılan noktanın konumu arasındaki mesafe elli metreye ulaştığında yeni bir taşıtın otoyola katılabilmesine izin verilmektedir. Önerilen değişken hız sınırı uygulamasında ise, katılım kesiminde ortalama hızın düşeceği öngörüsünden faydalanılmıştır. Yeni taşıtlar katıldıkça ana koldan ilerleyen taşıtlar hızlarını düşürecektir. Bu nedenle, katılım kesiminden akım yukarı yönde kuyruk oluşması beklenmektedir. Bu durumun önlenmesi amacıyla, katılım kesiminden akım yukarı yönde bulunan bir kesimde değişken hız sınırı uygulaması yapılmıştır. Değişken hız sınırı ise, katılım kesimindeki ortalama hız olarak belirlenmiştir. Taşıtlar hız sınırı uygulanan kesimde kuyruklanma oluşturup, devamında hızlanmaları için sağlanan kesime girmektedir. Hızlanan taşıtlar arasındaki mesafe cinsinden takip aralığı da artış göstermektedir. Kontrollü şekilde oluşturulan kuyruk boyuna ve belirlenen bir alt hız sınırı değerine bağlı olarak bu sistem devre dışı kalmaktadır. Oluşturulan sistemlerin sınanması amacıyla bin yüz metre uzunluğunda tek şeritli bir otoyol modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan otoyolun, herhangi bir otoyola ait en sağ şeridi temsil ettiği kabul edilmiştir. Katılım kesiminde ise hızlanma şeridi nedeniyle iki şerit uygulanmıştır. Tasarlanan yol ağı, ince boyutlu bir trafik benzetim yazılımında modellenmiştir. Trafiği oluşturan taşıtlara ait bilgiler, trafik benzetim yazılımı kullanılarak tasarlanmıştır. Önerilen işbirlikçi katılım algoritması ve otoyol kontrol sistemleri ise kullanılan yazılıma uygun bir kodlama dilinde yazılarak, yazılıma eklenmiştir. Önerilen tüm sistemlerin farklı akım koşullarında etkinliğinin sınanması amacıyla dört talep düzeyi belirlenmiştir. Toplam altı senaryo oluşturulmuştur. Birinci senaryoda yalnızca işbirlikçi katılım algoritması, ikinci senaryoda işbirlikçi katılım algoritması ve katılım denetimi uygulaması ve üçüncü senaryoda önerilen tüm sistemler birlikte uygulanmıştır. Karşılaştırma amacıyla ise, sürücülerin şerit değiştirmelerini kendi yaptığı durum kullanılmıştır. Bu şerit değiştirme davranışının modellenmesinde ise kullanılan trafik benzetim yazılımının sahip olduğu şerit değiştirme modeli kullanılmıştır. Bu şerit değiştirme modeli ve önerilen otoyol kontrol sistemleri kullanılarak üç farklı karşılaştırma senaryosu oluşturulmuştur. Dördüncü senaryoda, yalnızca insan sürücü şerit değiştirme modeli, beşinci senaryo için katılım denetimi uygulaması eklenmiş olup, altıncı senaryoda önerilen otoyol kontrol sistemlerinin tümü şerit değiştirmelerin sürücü tarafından yapıldığı trafik akımında uygulanmıştır. Tüm senaryolar için taşıtların boyuna hareketleri, işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrolü ile sağlanmıştır. Her bir senaryo, oluşturulan dört farklı talep düzeyinde test edilmiştir. Benzetim süresi ise bir saat olarak belirlenmiş olup, bir saatlik sonuçlar grafikler ile sunulmuştur. Öncelikle her bir senaryoya ait hız-yoğunluk ve yoğunluk-trafik akımı grafikleri üzerinden kapasite analizi yapılmıştır. Ek olarak her senaryoya ait kritik hız ve kritik yoğunluk değerleri belirlenmiştir. Taşıtlar arası zaman cinsinden takip aralığı kullanılarak hesaplanan kuramsal kapasite değeri ile senaryoların kapasite kullanım oranları belirlenmiştir. Devamında her bir talep düzeyinde, senaryolara ait hız ve yoğunluk değerlerinin zamana ve konuma bağlı değişimi sunulmuştur. Bu sayede, önerilen sistemler ile tıkanıklığın önlenebileceği gösterilmiştir. Üçüncü karşılaştırma için ise yolculuk süreleri kullanılmıştır. Her bir yolculuk kaydedilmiş olup, başlangıç noktalarına göre ayrılmıştır. Bu sayede her bir talep düzeyinde elde edilen ortalama yolculuk süreleri üzerinde karşılaştırma yapılmıştır. Son karşılaştırma için ise çevresel ölçütler dikkate alınmıştır. Her bir talep düzeyinde, senaryolara ait toplam salım değerleri kullanılan trafik benzetim yazılımına hesaplatılmıştır. Yapılan karşılaştırma ile trafik akım koşullarının iyileştirilmesinin çevre üzerine etkileri incelenmiştir. Tez sonucunda elde edilen çıkarımlar ise ikiye ayrılarak açıklanmıştır. İlkinde, işbirlikçi katılım algoritmasına ait çıkarımlar sunulmuştur. Öncelikle, her bir talep düzeyinde istenen etkinin sağlanamadığı görülmüştür. Ancak bu talep düzeylerinde, insan sürücülerin şerit değiştirme davranışları da olumlu etki yaratmamıştır. Dolayısıyla, trafik talebinin bu seviyelere çıkmasının engellenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Kapasite kullanım oranlarının ise önerilen sistemler ile artırılabileceği gösterilmiştir. Ancak, olumlu sonuçların elde edilebilmesi için trafik talebinin yönetilmesi gereklidir. Ek olarak, toplam talebin aynı olduğu iki farklı talep düzeyinde, katılımdaki trafik talebinin düşürülmesi ile daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu sayede, işbirlikçi katılım algoritmasının etkinliğinin artırılması amacıyla uygulanması gereken otoyol kontrol sistemleri tartışılmıştır. İkincide ise, önerilen otoyol kontrol sistemlerine ait çıkarımlar sunulmuştur. Öncelikle, önerilen işbirlikçi katılım algoritmasının etkinliğinin artırılması için yapılması gereken değişikler anlatılmıştır. Ek olarak, trafik talebinin düşük olduğu durumlar değişken hız sınırı uygulamasının durdurabileceği söylenmiştir.