Turbulence in traffic at motorway ramps and its impact on traffic operations and safety

Proefschrift Technische Universiteit Delft TUD, Delft
Auteur(s)
Beinum, A. van
Jaar

In de directe omgeving van toe- en afritten van autosnelwegen worden verschillende manoeuvres uitgevoerd door automobilisten die de autosnelweg op willen rijden of willen verlaten. Maar ook door automobilisten die anticiperen op, of ruimte bieden aan, de in- en uitvoegende voertuigen. Deze manoeuvres omvatten rijstrookwisselingen, snelheidsaanpassingen en veranderingen in de afstand tot de voorligger. Dit resulteert in wijzigingen in de verdeling van het verkeer over de verschillende rijstroken, verschillen in snelheid en verschillen in de volgtijdverdeling op de ver¬schillende rijstroken, met waarschijnlijk een groter aandeel grote hiaten op de linker rijstrook. In de literatuur en in de ontwerprichtlijnen wordt dit fenomeen aangeduid met turbulentie. Turbulentie is op dit moment echter nog niet expliciet gedefinieerd. Daarom is in deze dissertatie een expliciete definitie voor turbulentie gedefinieerd: “individuele veranderingen in snelheid, volgtijden en rijstroken (rijstrookwisselingen) binnen een specifiek wegsegment, onafhankelijk van de oorzaak van de veranderingen”. Verwacht wordt dat turbulentie altijd aanwezig is in de verkeersstroom en niet alleen bij toe- en afritten. Daarom is ook een tweede definitie geïntroduceerd: de mate van turbulentie. Deze is gedefinieerd als: “de frequentie en intensiteit van individuele veranderingen in snelheid, volgtijden en rijstrookwisselingen binnen een specifiek wegsegment, binnen een specifiek tijdsinterval”.

Rond in- en uitvoegstroken wordt een verhoogde mate van turbulentie verwacht. Deze verhoogde turbulente heeft een negatieve invloed op de verkeersveiligheid en de doorstroming. In verkeerssituaties met vrije doorstroming (geen filevorming) wordt verwacht dat de mate van turbulen-tie een paar honderd meter stroomopwaarts van de toe- of afrit begint toe te nemen en dat deze een paar honderd meter stroomafwaarts van de toe- of afrit weer is afgenomen. Volgens de huidige ontwerprichtlijnen voor autosnelwegen moet er, onder andere, bij het vaststellen van de onderlinge afstand tussen toe- en afritten, en bij het vaststellen weefvaklengtes, rekening worden gehouden met turbulentie.

In verschillende landen worden verschillende benaderingen voor het omgaan met turbulentie beschreven in ontwerprichtlijnen (AASHTO 2011; RAA 2008; HCM 2010; Rijkswaterstaat 2017; DMRB 1994). Voor zover bekend is er slechts één literatuurbron beschikbaar, die beschrijft waar een verhoogde mate van turbulentie bij toe- of afritten begint en eindigt: Kondyli and Elefteriadou (2012). Daarnaast geven de huidige richtlijnen geen inzicht in de gevolgen voor doorstroming en verkeers¬veiligheid, wanneer er wordt afgeweken van de richtlijn.

Op basis van deze constateringen worden er op hoofdlijnen twee problemen gezien bij het toepassen van de huidige richtlijn met betrekking tot turbulentie:

  • Een solide theoretische en empirische onderbouwing van de benodigde lengte in het wegontwerp voor een verhoogde mate van turbulentie ontbreekt.
  • Een goede doorgronding van de (kwalitatieve) gevolgen voor doorstroming en verkeersveiligheid, wanneer wordt afgeweken van de richtlijn voor turbulentielengtes, ontbreekt.

Het eerste en belangrijkste doel van deze dissertatie is het verkrijgen van empirische kennis over de karakteristieken van turbulentie. Vanuit het oogpunt van wegontwerp is het gewenst om kennis te verkrijgen van de afstand, ten opzichte van de discontinuïteit, waarbinnen sprake is van een verhoogde mate van turbulentie en van de manier waarop het rijgedrag bij invoegstroken, uitvoegstroken en in weefvakken wordt beïnvloed door het wegontwerp en de verkeersintensiteit. Het secundaire doel van deze dissertatie is het verkrijgen van een tool voor het beschouwen van de mate van turbulentie, dat het gevolg is van een bepaald wegontwerp, en de invloed daarvan op doorstroming en verkeersveiligheid.

In the vicinity of motorway ramps, multiple manoeuvres are performed by drivers that are entering or exiting the motorway, and by drivers that anticipate on, or cooperate with, the other entering and exiting vehicles. These manoeuvres involve lane-changes, changes in speed, and changes in headways. This results in changes in lane flow distribution, greater speed variability and changes in headway distribution on the different lanes, with presumably a greater share of small gaps on the outside lane. In literature and motorway design guidelines, this phenomenon is referred to as turbulence. Currently, an explicit definition for turbulence is unavailable. In this thesis, therefore, an explicit definition for turbulence is introduced: “individual changes in speed, headways, and lanes (i.e. lane-changes) in a certain road segment, regardless of the cause of change”. Turbulence is expected to be present in the traffic stream at any given time, and therefore a second definition is introduced: the level of turbulence, which is defined as: “the frequency and intensity of individual changes in speed, headways and lane-changes in a certain road segment, over a certain period of time”.

A raised level of turbulence is expected around motorway ramps, and is expected to have a negative impact on traffic operations and traffic safety. In free flow conditions, the level of turbulence is expected to increase a few hundred meters upstream of a ramp, and expected to dissolve a few hundred meters downstream of the ramp. According to current motorway design guidelines, turbulence has to be taken into account for the length of weaving segments and the distance between succeeding ramps (i.e. ramp spacing).

In different countries, different approaches for dealing with turbulence are used in motorway design guidelines (AASHTO 2011; RAA 2008; HCM 2010; Rijkswaterstaat 2017; DMRB 1994). To the best of our knowledge, there is only one example available in literature, that describes the start and the end of a raised level of turbulence (Kondyli and Elefteriadou 2012). Furthermore, the current guidelines do not indicate the implications on traffic operations and traffic safety when deviating from the guidelines.

Therefore, there currently are two major problems when applying current motorway design guidelines with respect to turbulence:

  • a solid theoretical and empirical underpinning regarding the required length for a raised level of turbulence is lacking;
  • a thorough understanding of (quantitative) implications in terms of the impacts on traffic operations and traffic safety, when deviating from the motorway design guidelines, is missing.

The first and primary goal of this thesis is to gain empirical knowledge about the characteristics of turbulence. From a motorway design perspective, knowledge is desired especially of the distance from a discontinuity, where turbulence starts and dissolves, and knowledge of the manner in which driving behaviour near ramps and weaving segments is affected by the road design and the amount of traffic. The secondary goal of this thesis is to provide a tool to assess the level of turbulence, resulting from a specific motorway design, and its impact on traffic operations and traffic safety.

Pagina's
190
Serie
SWOV-Dissertatiereeks
ISBN
978-90-73946-19-4
Gepubliceerd door
SWOV, Den Haag

SWOV-publicatie

Dit is een publicatie van SWOV, of waar SWOV een bijdrage aan heeft geleverd.

- Zoek naar meer SWOV-publicaties?
- Verder zoeken in onze overige publicaties