Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: İLHAN TUNÇ
Danışman: Mehmet Turan Söylemez
Özet:
Trafik yoğunluğu, günümüzde şehirlerin kalabalıklaşmasıyla önemli bir problem haline gelmektedir. Finansal ve teknolojik yeniliklerin bir sonucu olarak insanların yaşam standartları gelişmekte ancak bu durum araç sayısını ve buna bağlı olarak trafik yoğunluğunu artırmaktadır. Dolayısıyla trafik yoğunluğu özellikle metropollerde bireylerin yaşam kalitesini düşürmektedir. Kalabalık şehirlerde trafik, insanın yaşam kalitesini etkileyen önemli bir faktördür. Artan nüfus ve artan bireysel araç kullanımı, trafik yoğunluğunun artmasına neden olmaktadır. Bu da yolcular için trafikte kaybedilen zamanın ve hava kirliliğinin artmasına neden olur. Büyük şehirlerdeki trafik yoğunluğu insan yaşam kalitesini düşüren önemli bir faktördür. Büyükşehirlerin artan nüfusu ve altyapılarının bu yoğunluğu kaldıramaması ile birlikte trafik yoğunluğu da giderek artmaktadır. Sonuç olarak, yolcular daha fazla trafikte zaman kaybetmekte ve emisyon miktarı dolayısıyla hava kirliliği de artmaktadır. Trafik sorunu, dünyadaki birçok büyükşehir için önemli bir endişe kaynağıdır. Trafik akışını kontrol etmek, birçok karmaşıklık ve belirsizlik nedeniyle zordur. Bu duruma rağmen üretkenliği ve yaşam standartlarını düşürdüğü için bu sorunun çözülmesi gerekmektedir. Modern trafik kontrol yöntemleri, geleneksel yöntemlerden farklı olarak daha etkili bir çözüm sunmaktadır. Dünyada trafik sıkışıklığı hızla artmaya devam ederken, geleneksel yöntemden daha etkili trafik kontrol yöntemlerinin araştırılması ve uygulanması ihtiyacı artmaktadır. Özellikle trafiğin yoğun olduğu saatlerde büyükşehirlerde kaosa neden olan trafik sıkışıklığının çözülmesi en önemli ve karmaşık sorunlardan biridir. Halen kullanılmaya devam eden geleneksel yöntemlerin yetersiz kaldığı ortaya çıkmış ve bunun sonucunda gelişen teknoloji, trafik kontrol sorununa getirilen çözümlerin yanı sıra tüm alanları etkilemiştir. Yapay zeka ve iletişim teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte Akıllı Ulaşım Sistemleri (AUS) ortaya çıkmıştır. Gelişen teknolojinin hızı ile ulaşım teknikleri her geçen gün gelişmektedir. Bu nedenle, yüksek teknolojili trafik kontrolörleri ve farklı ulaşım yöntemleri gibi yenilikçi hizmetler sunarak sürüş konusunda düşünme veya karar verme sorumluluğunu azaltmak için AUS ortaya çıktı. Ulaşım sistemindeki akıllı çözümler sayesinde ulaşım sistemlerinde benzeri görülmemiş veri toplanmasına yol açmıştır. Artan talep ve veri toplama hızı ile AUS her geçen gün gelişmekte ve bu sistemlerinin ilerleme hızı da buna paralel olarak artmaktadır. AUS, ulaşım ağında güvenliği ve verimliliği sağlayan elektronik, bilgi işlem ve kablosuz ağlar gibi teknolojilerden oluşan sistemler olarak tanımlanabilir. AUS, her bir taşıma birimi arasında iletişim ve bilgi alışverişini sağlar. Bu birimler, yayalara, araçlara, altyapıya, ulaşıma ve trafik ışıkları gibi diğer çevre birimlerine ve diğer iletişim ve kontrol birimlerine bilgi sağlayan merkezler olabilir. AUS uygulaması, çevre sorunlarından ulusal güvenlik sorunlarına, acil durum yönetiminden ulaşıma kadar pek çok alanda olumlu sonuçlar üretebilir. Bilgi teknolojisinde yeni bir gelişme olarak Çok Etmenli Sistem (ÇES) teknikleri, trafiğe olan ilginin artması ve verimli ulaşımın daha fazla enerji tasarrufu sağlaması için yardımcı olabilir. AUS tabanlı çok etmenli teknolojisi, karmaşık trafik problemlerinin çözümünde önemli bir yaklaşımdır. Trafiğin öğelerinin karmaşıklığı, onları çok etmenli sistemler için uygun hale getirir. AUS tabanlı çok etmenli teknolojisi, bize daha güvenli kontrolörler sağlar ve günlük hayatımızda daha rahat hissetmemizi sağlayabilir. Trafikte geçirilen süreyi azaltarak ve araçlarımızın saldığı emisyon gazlarının miktarını düşürerek yaşam kalitemizi yükseltebilir. Heterojen ortamlardaki bileşenlerin yapısal olarak dağınık yapısı, altyapı olarak birleşik bir yazılım platformu talebi oluşturan aracılar arasındaki birlikte çalışabilirlik gibi uygulama zorluklarına neden olur. Bu nedenle, nispeten basit problemler için merkezi çözümlerin kullanılması da tercih edilebilir. Hem ulaşım karar vericileri hem de sürücüler için AUS, verimli ve akıllı trafik yönetimi, tehdit belirleme, sürüş konforu ve güvenliği için büyük bir potansiyele sahiptir. AUS ayrıca, trafik yönetimi karar vericilerinin sinyal değişikliklerini kontrol etmesine, rota akışlarını düzenlemesine ve gerçek zamanlı trafik bilgilerini yayınlamasına izin vererek, karmaşık ağ bağlantılı ulaşım sistemlerinin etkili yönetimi için esnek bir yaklaşım sağlayabilir. Sürücüler için rota planlama, hava durumu tahmini, acil durum hizmetleri vb. kadar, AUS de sürüş yüklerini azaltmayı kolaylaştırabilir ve güvenliği artırabilir. AUS uygulamaları, çevre sorunlarından ulusal güvenlik sorunlarına, acil durum yönetiminden ulaşıma kadar pek çok alanda olumlu sonuçlar verebilir. AUS uygulamaları yolda geçirilen süreyi azaltabilir. Kısa seyahat süreleri hem bireysel hem de ticari araçlar için ekonomik tasarruf sağlamakta ve genellikle daha az çevre kirliliği anlamına gelmektedir. Akıllı Kavşak Yönetimi (IIM) teknolojisi, Trafik Işık Kontrol (TLC) sistemleri kapsamında trafik kavşaklarında da yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Karayollarında trafik sıkışıklığının en fazla olduğu kısımlardan birisi trafik kavşaklarıdır. Dolayısıyla trafik ışıklarının kontrolü yoğunluğun azaltılmasında önemli rol oynamaktadır. Bu tezde, büyükşehirlerde yaşam kalitesini azaltan trafik yoğunluğunu azaltacak çözümler bulmak için kavşakların kontrolüne özel önem verilmektedir. Yeni yöntemlerin geliştirilmesiyle kullanımı artan akıllı trafik kontrol yöntemleri, özellikle trafik yoğunluğunun yüksek olduğu trafik kavşaklarında etkili çözümler sunmak amacıyla kullanılmaktadır. Tezde ilk olarak trafik ışığına sahip tek bir kavşağın kontrolü ele alınmıştır. Trafik akışını artırmak ve genel bekleme süresini ve araçlar tarafından salınan emisyon gazlarını azaltmak için daha iyi bir trafik ışığı denetleyici mimarisi olarak bulanık mantık kontrol (FLC), Oransal İntegral (PI) Kontrolü ve durum uzay model kontrolü teknikleri dahil olmak üzere çeşitli yöntemler önerilmiş ve karşılaştırılmıştır. Önerilen mimarilerin geleneksel sabit zamanlı trafik ışığı kontrol yöntemine göre daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Çalışmada farklı tipteki trafik kavşakları ele alınmıştır. Başlangıçta, sola veya sağa dönüşü olmayan basit bir tek şeritli trafik kavşağı dikkate alınır. Daha sonra üç şeritli (veya dört şeritli) yolların sağa ve sola dönen araçlara izin veren kavşaklar ele alınmıştır. Son olarak, önerilen yöntemlerin bazılarının etkinliğini göstermek için İstanbul'un Altunizade bölgesindeki trafik ışıklarının incelendiği bir çalışma yapıldı. Benzetim sonuçları gösterdi ki, giriş değeri araçların konum bilgilerinin kullanıldığı FLC yöntemi diğer klasik yöntemlere göre daha üstün sonuçlar verdi. FLC'nin verimliliğini daha da artırmak için FLC'ye ek olarak yerleşik bir öğrenme algoritmasının kullanılması önerilmiştir. Bu amaçla, etmen tabanlı trafik ışığı kontrolörünün bir parçası olarak bir derin Q-öğrenme yöntemi kullanıldı. Bu nedenle, ortaya çıkan akıllı trafik ışığı kontrolörü DQ-FLSI olarak adlandırılır. Bu yöntemde trafik kavşağının kollarını hücrelere ayıran bir durum matrisi kullanılmaktadır. Bulanık Mantık ile trafik ışığı süreleri, derin Q-öğrenme vasıtası ile trafik ışığı yönleri belirlenir. Bu yeni önerilen yöntem için bir kararlılık analizi de yapılmıştır. Bir diğer çalışılan önemli trafik problemi ise rota planlamasıdır. Bu, özellikle karmaşık trafik ağlarına sahip büyük şehirlerde önemlidir. Bu sorunu çözmek için, araçların en hızlı rotayı seçme motivasyonu ile bu tez kapsamında etmen tabanlı bir trafik rota planlama yöntemi de önerilmiştir. Bu yöntemde trafik kavşak noktalarında karar verilerek rota planlaması yapılır. Araç etmenleri, trafik kavşaklarına ulaştıklarında karar verirler. Bu sayede araçlar için dinamik rota planlaması mümkün hale gelmektedir. Trafik kavşağı problemine bir diğer çözüm önerisi ise çok etmenli rezervasyon tabanlı trafik kavşak kontrolü yöntemidir. Bu yöntemle tüm araçlar (etmen adı verilen) bir trafik kavşağı etmeni sayesinde trafik ışığına ihtiyaç duymadan kavşaktan geçebilmektedir. Çalışmanın bu bölümünde bir iyileştirme olarak, rezervasyona dayalı trafik kavşak yönetimi ile uyumlu çalışabilecek bir platoon yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntem, trafik kavşağına yaklaşan araçları düzgün bir şekilde sıralayarak trafik kavşağı yaklaşırken oluşan yavaşlamaları azaltmayı amaçlamaktadır. Önerilen platoon yönteminin özellikle trafik yoğunluğu arttıkça araçların ortalama hızlarını artırırken enerji tüketimini ve gaz emisyonlarını azalttığı benzetim sonuçları ile gösterilmiştir. Çalışılan tüm trafik problemleri için çalışma ortamları SUMO programı kullanılarak tasarlanmış ve benzetimleri de yine bu program ile gerçekleştirilmiştir. Simulation of Urban MObility (SUMO), haritalardan içe aktarılan ağlar üzerinde çalışan, mikro düzeyde çeşitli çalışma alanları sağlayan, yaya simülasyonuna da izin veren ve daha erişilebilir hale getiren yeterli araç setine sahip açık kaynaklı bir benzetim yazılım paketidir.