Resumen de Studying the safety impact of sharing different levels of connected and automated vehicles using simulation-based surrogate safety measures
- español
Los CAV (vehículos conectados y autónomos) se están convirtiendo en una realidad y se están infiltrando en los mercados de forma gradual pero constante. Los CAV prometen mejorar la seguridad del tráfico y se prevé que eliminen los errores cometidos por los conductores humanos. En consecuencia, el número de estudios de seguridad vial que involucran CAV ha aumentado recientemente. Debido a que existe una falta de información sobre el comportamiento real de los CAV en flujos de tráfico mixto, las plataformas de simulación de tráfico se utilizan para proporcionar un enfoque razonable para probar varios escenarios y flotas. Varias plataformas de microsimulación de tráfico con distintos modelos de flujo de tráfico (por ejemplo, Aimsun, VISSIM, PARAMICS y SUMO) se han utilizado en la literatura, donde los estudios han determinado que los CAV pueden mejorar la seguridad vial, particularmente en escenarios donde su porcentaje de penetración es alto. Sin embargo, la investigación existente se ha limitado a incluir uno o dos niveles de automatización, y/o no analiza los resultados en términos del efecto de incluir cada nivel de automatización. Además, el término de severidad no ha sido claramente establecido y discutido en estas investigaciones, ni se abordó antes una comprobación de la sensibilidad que presenta la seguridad vial frente a la variación de los parámetros que normalmente se utilizan para la calibración de los CAV. Esta tesis doctoral tiene como objetivo evaluar el impacto en la seguridad vial de la introducción progresiva de los CAV en el flujo de tráfico con diferentes niveles de automatización (desde el nivel 1 hasta el nivel 4), teniendo en cuenta que los vehículos de nivel 4 no circularán por las carreteras de inmediato. Este impacto se evalúa tanto en términos de frecuencia como en términos de severidad. La tesis también tiene como objetivo evaluar el impacto en la seguridad vial si se establece una configuración operacional determinada en la carretera, es decir, operar los CAV en carriles exclusivos. Por último, la tesis trata de resaltar los factores más influyentes en la dinámica de conducción desde la perspectiva de la seguridad vial. La investigación comienza con la modelización de varios niveles de CAV utilizando la calibración del modelo de Gipps, seguida de la simulación de nueve flotas mixtas de vehículos con diferentes niveles de CAV (nueve escenarios diferentes que representan la introducción progresiva de estos vehículos) en un segmento de carretera simulado. A continuación, a partir de las trayectorias de los vehículos, se realiza un análisis de seguridad utilizando medidas subrogadas. Según los hallazgos, la penetración gradual de los niveles de CAV resultó en una reducción progresiva de los conflictos de tráfico. Esta reducción va desde el 18,9% cuando el 5% de los vehículos en el flujo de tráfico tienen niveles altos de automatización (vehículos de nivel 3 y nivel 4) hasta el 94,1% cuando todos los vehículos en el flujo de tráfico son de nivel 4. Además, los vehículos de conducción humana y los vehículos con bajos niveles de automatización (vehículos de nivel 1 y nivel 2) están más frecuentemente involucrados en conflictos (como posibles inductores de situaciones de riesgo; como vehículos seguidores) que los vehículos con altos niveles de automatización (nivel 3 y nivel 4). De hecho, dependiendo de la combinación de diferentes tipos de vehículos en el flujo de tráfico, los vehículos de conducción manual están involucrados en conflictos entre el 8% y el 122% más que su porcentaje de flota compartida, mientras que los vehículos con altos niveles de automatización están involucrados en conflictos entre el 80% y el 18% menos que su porcentaje de flota compartida. Por otro lado, en general, ante condiciones de tráfico ligero, no usar un carril dedicado para la circulación de los CAV cuando la tasa de penetración de los mismos es inferior al 55% (de vehículos nivel 3 y nivel 4) proporciona mejores resultados de seguridad que usar un carril dedicado, mientras que en condiciones de alta densidad de tráfico siempre es mejor utilizar un carril dedicado, independientemente del porcentaje de penetración de los vehículos de nivel 3 y nivel 4. Finalmente, a partir del estudio de sensibilidad, los parámetros que se identificaron como clave, por tener una mayor influencia en la seguridad vial, incluyen el tiempo de reacción, el espacio libre entre los vehículos, la aceleración máxima, la desaceleración normal y el factor de sensibilidad. Además, cuando estos parámetros se estudiaron dos a la vez, se descubrió que una aceleración máxima baja, aunque se combine con diferentes valores de otros parámetros, siempre produce el mayor número de conflictos, mientras que un tiempo de reacción corto, al combinarse con diferentes valores de otros parámetros, siempre produce los mejores resultados de seguridad vial. Esta tesis confirma la teoría y las conclusiones de la literatura previa que indican una mejora en seguridad debido a la penetración de los CAV. Por otro lado, ofrece una perspectiva más amplia y apoyo para la introducción progresiva de los CAV. Además, este estudio arroja luz sobre la cantidad de conflictos potencialmente graves que surgen durante el período de transición de un escenario de operación de vehículo totalmente manual a un escenario de operación de CAV completo. Como resultado, esta tesis amplía las perspectivas tanto de los fabricantes como de los investigadores sobre el comportamiento de los CAV para futuras implementaciones.
- English
CAV (connected and autonomous vehicles) are becoming a reality and are gradually but steadily infiltrating the markets. CAV have promised improving traffic safety and are anticipated to do away with mistakes made by human drivers. Accordingly, the number of traffic safety studies involving connected and autonomous vehicles (CAV) has recently increased. Because there is a lack of information about the real behaviour of CAV in mixed traffic flows, traffic simulation platforms are used to provide a reasonable approach for testing various scenarios and fleets. Various traffic microsimulation platforms with distinct traffic flow models (e.g. Aimsun, VISSIM, PARAMICS, and SUMO) have been used in the literature, where studies have reported that CAV may improve traffic safety, particularly in high sharing percentage scenarios. Nevertheless, the exist research was either limited for including a calibration of one or two levels of automation, or do not analyse and present the results in term of the effect of including each level of CAV. Moreover, the severity term was not clearly stated and discussed in these investigations. Further, a check of the sensitivity of the usual parameters used for CAV calibration on traffic safety has not been addressed before. This doctoral thesis aims to assess the impact of near-real-time introduction of CAV into the traffic flow with varying levels of automation (from Level 1 to Level 4) on traffic safety in terms of quantity and severity, taking into account the fact that Level 4 vehicles won't be introduced into the traffic right away. The thesis also aims to evaluate the safety impact of a proposed scenario for CAV introduction; operating the CAV on dedicated lanes. Lastly, the thesis endeavors to highlight the most influential factors of driving dynamics from a traffic safety perspective. The investigation began with the modelling of various CAV levels using Gipps' model calibration, followed by the simulation of nine mixed fleets of CAV levels on a simulated highway segment. Following that, the Surrogate Safety Assessment Model has been used for vehicle trajectory safety analysis. According to the findings, gradual penetration of CAV levels resulted in a progressive reduction in traffic conflicts. This reduction ranges from 18.9% when 5% of the vehicles on the traffic flow have high levels of automation (Level 3 and Level 4 vehicles) to 94.1% when all vehicles on the traffic flow are Level 4. Furthermore, human-driven vehicles and vehicles with low levels of automation (Level 1 and Level 2 vehicles) are more frequently involved in conflicts (as potential inductors of risky situations; as follower vehicles) than vehicles with high levels of automation (Level 3 and Level 4 vehicles). In fact, depending on the combination of different types of vehicles in the traffic flow, human-driven vehicles are involved in conflicts from 8% to 122% more than their fleet sharing percentage, whereas vehicles with high automation levels are involved in conflicts from 80% to 18% less than their fleet sharing percentage. Increasing interaction with CAV on roads reduces the severity of conflicts, especially for vehicles with high levels of automation (Level 3 and Level 4 vehicles). Level 4 vehicles operation result in conflicts with the lowest severity. Afterwards, in general, in relation to investigating the effect of using a dedication lane during the CAV introduction period, it is found that not using a dedicated lane for a penetration rate up to 55% (Level 3 and Level 4 vehicles) provides better safety outcomes than using a dedicated lane for light traffic condition, whereas, using a dedicated lane is better always in congestion conditions. Finally, by exploring the influence of driving parameters in calibration on traffic safety, the main key parameters that show significant influence on traffic conflicts are reaction time, clearance, maximum acceleration, normal deceleration, and sensitivity factor. Further, by exploring the influence of the interaction between each two of these key parameters, the results show that, a low maximum acceleration when combined with other parameters’ values, always generate the highest number of conflicts, whereas short reaction time combinations always produce the best traffic safety results. On one hand, this thesis confirms the theory and previous literature conclusions that indicate a safety gain due to CAV penetration. On the other hand, it offers a broader perspective and support for the implementation of CAV levels. Furthermore, this study sheds light on how many potential conflicts could arise as serious conflicts during the transition period from a fully manual vehicle operation scenario to a fully CAV operation scenario. As a result, this thesis broadens both manufacturers' and researchers' perspectives on CAV behaviour for future implementation.
