ISSN 1055- 1425
April 2010
This work was performed as part of the California PATH Program of the
University of California, in cooperation with the State of California Business,
Transportation, and Housing Agency, Department of Transportation, and the
United States Department of Transportation, Federal Highway Administration.
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report does not constitute a standard, specification, or regulation.
Final Report for Task Order 6329
CALIFORNIA PATH PROGRAM
INSTITUTE OF TRANSPORTATION STUDIES
UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY
Ramp Metering Design Tools and Field
Test Implementation of Queue Control
UCB- ITS- PRR- 2010- 16
California PATH Research Report
Rene O. Sanchez, Gabriel Gomes,
Roberto Horowitz, Pravin Varaiya
CALIFORNIA PARTNERS FOR ADVANCED TRANSIT AND HIGHWAYS
T . O . 6 3 2 9 : R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l s & F i e l d T e s t
I m p l e m e n t a t i o n o f Q u e u e C o n t r o l .
F i n a l R e p o r t .
R e n e O . S a n c h e z , G a b r i e l G o m e s , R o b e r t o H o r o w i t z , a n d P r a v i n V a r a i y a
A b s t r a c t
P A T H T a s k O r d e r 6 3 2 9 h a s a s i t s t w o m a i n g o a l s 1 ) t o c r e a t e a s o f t w a r e t o o l w h i c h c a n b e u s e d
t o d e s i g n a n d t e s t r a m p m e t e r i n g s y s t e m s f o r f r e e w a y s , a n d 2 ) t o p r e p a r e n e c e s s a r y s o f t w a r e
t o c o n d u c t a  e l d t e s t o f a q u e u e c o n t r o l a l g o r i t h m d e v e l o p e d u n d e r T . O . 5 5 0 3 . B o t h o f t h e s e
o b j e c t i v e s a r e d i r e c t e d t o w a r d s i m p r o v i n g t h e e  e c t i v e n e s s o f r a m p m e t e r i n g s t r a t e g i e s f o r f r e e -
w a y s b y u s i n g a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s i n t r a  c s e n s o r s ( S e n s y s ) , d a t a s t o r a g e ( P e M S ) , a n d r a m p
m e t e r i n g a l g o r i t h m s ( A l i n e a , S W A R M ) .
T h e R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l ( R M D T ) h a s b e e n d e s i g n e d t o m e e t t h e  r s t o f t h e s e
g o a l s . T h e R M D T i s a M a t l a b b a s e d s o f t w a r e t o o l t h a t g u i d e s t h e u s e r t h r o u g h a c l e a r l y
d e  n e d s e q u e n c e o f s t e p s l e a d i n g f r o m d a t a c o l l e c t i o n ( u s i n g P e M S ) , t h r o u g h c a l i b r a t i o n , t o
s i m u l a t i o n . T h e  n a l o u t c o m e o f t h e p r o c e s s i s a c a l i b r a t e d m o d e l o f t h e f r e e w a y w h i c h c a n
b e u s e d t o t e s t d i  e r e n t o p e r a t i o n a l s t r a t e g i e s , s u c h a s r a m p m e t e r i n g . T h e R a m p M e t e r i n g
D e s i g n T o o l w a s t e s t e d b y J a n H u e p e r , a n e x c h a n g e s t u d e n t f r o m t h e I n s t i t u t e f o r T r a n s p o r t u n d
A u t o m a t i s i e r u n g s t e c h n i k a t t h e L e i b n i z U n i v e r s i t a e t i n H a n n o v e r w h o h a d n o p r i o r e x p e r i e n c e
w i t h t h e s o f t w a r e o r b a c k g r o u n d i n t r a  c t h e o r y , t o s u c c e s s f u l l y c o n s t r u c t a c a l i b r a t e d m o d e l
o f t h e I - 8 0 E a s t f r e e w a y , i n a p e r i o d o f a b o u t 4 m o n t h s . T h e s t e p b y s t e p I - 8 0 E a s t m o d e l
c o n s t r u c t i o n a n d c a l i b r a t i o n p r o c e s s i s d e s c r i b e d .
T r a  c c o n t r o l l e r s w e r e e v a l u a t e d a n d t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r w a s c h o s e n t o b e u s e d f o r t h e  e l d
t e s t . T h e H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o S / B 8 8 0 , i n D i s t r i c t 4 , w a s s e l e c t e d a s t h e t e s t
s i t e . A 2 0 7 0 c o n t r o l l e r w a s a c q u i r e d a n d t h e U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) s o u r c e
c o d e w a s o b t a i n e d , s t u d i e d , a n d d i s c u s s e d w i t h i t s d e v e l o p e r t o i d e n t i f y r e q u i r e d m o d i  c a t i o n s
f o r t h e i n c l u s i o n o f r a m p m e t e r i n g a n d q u e u e c o n t r o l a l g o r i t h m s . I n a d d i t i o n , t h e S e n s y s w i r e -
l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n s y s t e m w a s a n a l y z e d a n d m e e t i n g s w e r e h e l d w i t h S e n s y s N e t w o r k s I n c .
p e r s o n n e l t o d e t e r m i n e t h e s e n s o r n e e d s f o r t h e p r o j e c t . F i n a l l y , a n e w h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p
o n - r a m p s i m u l a t i o n t o o l w a s d e v e l o p e d t o d e b u g a n d t e s t t h e U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e .
K e y w o r d s : C o m p u t e r S i m u l a t i o n , R a m p M e t e r i n g , T r a  c C o n t r o l
1
Executive summary
T h e g o a l o f T . O . 6 3 2 9 p r o j e c t w a s t o d e v e l o p , a l o n g p a r a l l e l a n d i n d e p e n d e n t t r a c k s : 1 ) A R a m p
M e t e r i n g D e s i g n T o o l ( R M D T ) a n d 2 ) S o f t w a r e t o o l s t o c o n d u c t a R a m p M e t e r i n g w i t h Q u e u e
C o n t r o l F i e l d T e s t .
Track 1: Ramp Metering Design Tool
T h e R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l h a s b e e n c o m p l e t e d . T h e f o l l o w i n g s o f t w a r e d e s i g n t o o l s w h e r e
i n t e g r a t e d :
² A c o m p u t a t i o n a l l y e  c i e n t m a c r o s c o p i c t r a  c -  o w m o d e l i n g t o o l t h a t s e l f - c a l i b r a t e s ,
u s i n g o n - r a m p a n d m a i n l i n e t r a  c d a t a , a n d r u n s a t a s i g n i  c a n t l y f a s t e r r a t e t h a n r e a l - t i m e .
² A t o o l f o r e v a l u a t i n g t r a  c - r e s p o n s i v e o n - r a m p c o n t r o l s t r a t e g i e s , i n c l u d i n g l o -
c a l i z e d s t r a t e g i e s s u c h a s A L I N E A a n d t h e r e c e n t l y d e v e l o p e d s w i t c h i n g L Q I s t r a t e g y i n
T O 4 1 3 6 / 5 5 0 3 , a n d c o o r d i n a t e d s t r a t e g i e s s u c h a s S W A R M , o n m a c r o s c o p i c t r a  c -  o w m o d -
e l s .
T h e s e t o o l s h a v e b e e n i n t e g r a t e d i n t o a l a r g e r s e t o f T o o l s f o r O p e r a t i o n a l P l a n n i n g ( T O P L ) ,
w h i c h i s b e i n g f u r t h e r d e v e l o p e d b y o u r r e s e a r c h t e a m u n d e r C A L T R A N S p r o j e c t s T O P L - 3
a n d I - 8 0 F r e e w a y C o r r i d o r M o n i t o r i n g a n d C o n t r o l . T O P L i s a s u i t e o f s o f t w a r e t o o l s f o r
s p e c i f y i n g f r e e w a y c o r r i d o r s o p e r a t i o n a l i m p r o v e m e n t s t r a t e g i e s , s u c h a s r a m p m e t e r i n g , d e -
m a n d a n d i n c i d e n t m a n a g e m e n t , a n d f o r q u i c k l y e s t i m a t i n g t h e b e n e  t s o f s u c h i m p r o v e m e n t s .
C u r r e n t l y , T O P L c a n m o d e l b o t h f r e e w a y s a n d a r t e r i a l t r a  c  o w [ 9 ] .
Track 2: Software tools to conduct a Ramp Metering with Queue Control Field Test
T r a  c c o n t r o l l e r s w e r e e v a l u a t e d a n d t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r w a s c h o s e n t o b e u s e d f o r t h e  e l d t e s t .
T h e H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o S / B 8 8 0 , i n D i s t r i c t 4 , w a s s e l e c t e d a s t h e t e s t s i t e a n d a
s t u d y o f i t s t r a  c d y n a m i c s a n d q u e u e f o r m a t i o n w a s p e r f o r m e d . F u r t h e r m o r e , a 2 0 7 0 c o n t r o l l e r
w a s a c q u i r e d a n d i t w a s p o s s i b l e t o w r i t e , c o m p i l e a n d l o a d a p p l i c a t i o n s u s i n g i t s O S - 9 o p e r a t i n g
s y s t e m . M o r e o v e r , t h e U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) s o u r c e c o d e w a s o b t a i n e d ,
s t u d i e d , a n d d i s c u s s e d w i t h i t s d e v e l o p e r t o i d e n t i f y r e q u i r e d m o d i  c a t i o n s f o r t h e i n c l u s i o n o f
r a m p m e t e r i n g a n d q u e u e c o n t r o l a l g o r i t h m s . I n a d d i t i o n , t h e S e n s y s w i r e l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n
s y s t e m w a s a n a l y z e d a n d m e e t i n g s w e r e h e l d w i t h S e n s y s N e t w o r k s I n c . p e r s o n n e l t o d e t e r m i n e
t h e s e n s o r n e e d s f o r t h e p r o j e c t . F o r t h e s e n s o r i n s t a l l a t i o n p l a n n i n g , R e p u b l i c I T S p e r s o n n e l w a s
2
c o n s u l t e d a n d a f o r m a l q u o t e w a s r e c e i v e d f r o m t h e m . T h e r e p o r t a l s o i n c l u d e s m o d i  c a t i o n s o f
t h e m e t h o d o l o g y o f T r a c k 2 o f P A T H T . O . 6 3 2 9 R F P . F i n a l l y , a n e w h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p o n - r a m p
s i m u l a t i o n t o o l w a s d e v e l o p e d t o d e b u g a n d t e s t t h e U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e .
T h i s w o r k w i l l b e c o n t i n u e d u n d e r R T A - 2 2 A 0 4 8 6 F i e l d T e s t I m p l e m e n t a t i o n o f Q u e u e C o n t r o l
- T r a c k 2 . A n e w q u e u e c o n t r o l s c h e m e h a s b e e n d e v e l o p e d a s a n a l t e r n a t i v e t o q u e u e o v e r r i d e ,
w h i c h e l i m i n a t e s q u e u e a n d m a i n l i n e d e n s i t y o s c i l l a t i o n s , a n d c a n b e i n c o r p o r a t e d i n t o m o s t o n -
r a m p s t r a t e g i e s , t o e n h a n c e t h e i r p e r f o r m a n c e w h e n q u e u e l e n g t h c o n s t r a i n t s a r e i m p o s e d . A  e l d
t e s t w i l l b e c o n d u c t e d t o i m p l e m e n t Q u e u e C o n t r o l o n t h e H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o S / B
8 8 0 , i n D i s t r i c t 4 a n d s t u d y i t s e  e c t i n m i n i m i z i n g q u e u e a n d m a i n l i n e d e n s i t y o s c i l l a t i o n s a n d
e n h a n c i n g p e r f o r m a n c e . T h i s w i l l b e a c c o m p l i s h e d b y u s i n g a 2 0 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r r u n n i n g a
m o d i  e d U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) a n d u t i l i z i n g r e a l t i m e o n r a m p q u e u e c o u n t s
p r o v i d e d b y a S e n s y s w i r e l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n s y s t e m .
3
Contents
I n t r o d u c t i o n 5
I R a m p m e t e r i n g d e s i g n t o o l 7
I . 1 L i n k - n o d e c e l l t r a n s m i s s i o n m o d e l 9
I . 2 A u t o m a t i c m o d e l c a l i b r a t i o n 1 1
I . 3 I m p u t a t i o n o f m i s s i n g r a m p  o w s 1 5
I . 4 I - 8 0 e x a m p l e 1 8
I I R a m p m e t e r i n g w i t h q u e u e c o n t r o l  e l d t e s t 2 6
I I . 1 A c c o m p l i s h m e n t s 2 7
I I . 2 M o d i  e d M e t h o d o l o g y 3 5
I I . 3 H a r d w a r e - i n - t h e - L o o p O n - r a m p S i m u l a t i o n T o o l 3 7
C o n c l u s i o n s 5 1
R e f e r e n c e s 5 2
A R M D T U s e r M a n u a l 5 5
4
Introduction
P A T H T a s k O r d e r 6 3 2 9 h a s a s i t s t w o m a i n g o a l s 1 ) t o c r e a t e a s o f t w a r e t o o l w h i c h c a n b e u s e d
t o d e s i g n a n d t e s t r a m p m e t e r i n g s y s t e m s f o r f r e e w a y s , a n d 2 ) t o p r e p a r e n e c e s s a r y s o f t w a r e i n
o r d e r t o c o n d u c t a  e l d t e s t o f a q u e u e c o n t r o l a l g o r i t h m d e v e l o p e d u n d e r T . O . 5 5 0 3 . B o t h o f t h e s e
o b j e c t i v e s a r e d i r e c t e d t o w a r d s i m p r o v i n g t h e e  e c t i v e n e s s o f r a m p m e t e r i n g s t r a t e g i e s f o r f r e e w a y s
b y u s i n g a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s i n t r a  c s e n s o r s ( S e n s y s ) , d a t a s t o r a g e ( P e M S ) , a n d r a m p m e t e r i n g
a l g o r i t h m s ( A l i n e a , S W A R M ) .
T h e R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l ( R M D T ) h a s b e e n d e s i g n e d t o m e e t t h e  r s t o f t h e s e g o a l s .
T h e R M D T i s a M a t l a b b a s e d s o f t w a r e t o o l t h a t g u i d e s t h e u s e r t h r o u g h a c l e a r l y d e  n e d s e q u e n c e
o f s t e p s l e a d i n g f r o m d a t a c o l l e c t i o n ( u s i n g P e M S ) , t h r o u g h c a l i b r a t i o n , t o s i m u l a t i o n . T h e  n a l
o u t c o m e o f t h e p r o c e s s i s a c a l i b r a t e d m o d e l o f a f r e e w a y w h i c h c a n b e u s e d t o t e s t d i  e r e n t
o p e r a t i o n a l s t r a t e g i e s , s u c h a s r a m p m e t e r i n g . T h i s t o o l h a s b e e n i n t e g r a t e d i n t o a l a r g e r s e t o f
T o o l s f o r O p e r a t i o n a l P l a n n i n g ( T O P L ) , w h i c h i s b e i n g f u r t h e r d e v e l o p e d b y o u r r e s e a r c h t e a m
u n d e r C A L T R A N S p r o j e c t s T O P L - 3 a n d I - 8 0 F r e e w a y C o r r i d o r M o n i t o r i n g a n d C o n t r o l . T O P L i s
a s u i t e o f s o f t w a r e t o o l s f o r s p e c i f y i n g f r e e w a y c o r r i d o r s o p e r a t i o n a l i m p r o v e m e n t s t r a t e g i e s , s u c h a s
r a m p m e t e r i n g , d e m a n d a n d i n c i d e n t m a n a g e m e n t , a n d f o r q u i c k l y e s t i m a t i n g t h e b e n e  t s o f s u c h
i m p r o v e m e n t s . C u r r e n t l y , T O P L c a n m o d e l b o t h f r e e w a y s a n d a r t e r i a l t r a  c  o w [ 9 ] .
T o w a r d t h e s e c o n d g o a l w e h a v e w o r k e d o n i s s u e s s u r r o u n d i n g t h e d e p l o y m e n t o f a n i n n o v a t i v e
r a m p q u e u e m e a s u r e m e n t a n d r e g u l a t i o n s c h e m e . M o s t o f t h e r e s e a r c h o n t h e t o p i c o f f r e e w a y
r a m p m e t e r i n g h a s f o c u s e d o n t h e p r o b l e m o f h o w t o s e l e c t m e t e r i n g r a t e s s u c h t h a t t h e t h r o u g h p u t
o n t h e m a i n l i n e i s k e p t h i g h . H o w e v e r m o s t o f t h e s e s t r a t e g i e s d o n o t a c c o u n t f o r t h e f a c t t h a t
t h e i r p r e s c r i b e d r a t e s w i l l b e i g n o r e d i f t h e q u e u e o f v e h i c l e s w a i t i n g o n t h e r a m p s s p i l l s o v e r i n t o
t h e s u r f a c e s t r e e t s . W h e n t h i s h a p p e n s , t h e c o n t r o l l e r e n t e r s a s t a t e o f q u e u e o v e r r i d e , i n w h i c h
t h e g r e e n r a t e i s i n c r e a s e d u n t i l t h e o n r a m p q u e u e l e n g t h h a s b e e n r e d u c e d t o a n a c c e p t a b l e s i z e .
T h i s q u e u e - o v e r r i d e s c h e m e c a n b e v i e w e d a s a n i n t e g r a l c o n t r o l w i t h a s a t u r a t e d i n t e g r a t i n g r a t e
a n d r e s e t t i n g . I t h a s b e e n n o t e d b y s e v e r a l r e s e a r c h e r s [ 1 4 , 2 7 , 3 0 , 2 8 , 2 9 ] t h a t t h i s q u e u e - o v e r r i d e
s c h e m e l e a d s t o o s c i l l a t o r y b e h a v i o r a n d u n d e r u t i l i z a t i o n o f o n - r a m p s t o r a g e c a p a c i t i e s . W i t h o u t
a n e s t i m a t e o f t h e c u r r e n t l e n g t h o f t h e o n r a m p q u e u e , i t i s n o t p o s s i b l e t o e l i m i n a t e t h i s o s c i l l a t o r y
b e h a v i o r . I n s o m e c a s e s , t h e i n e  c i e n c i e s o f t h e q u e u e r e d u c t i o n s t r a t e g y c a n e l i m i n a t e a n y b e n e  t s
p r o d u c e d b y t h e r a m p m e t e r i n g s y s t e m .
S e v e r a l r e s e a r c h e r s h a v e a d d r e s s e d t h i s p r o b l e m . G o r d o n a t t e m p t e d t o i m p r o v e t h e q u e u e -
o v e r r i d e p e r f o r m a n c e b y  l t e r i n g t h e o c c u p a n c y s i g n a l a n d r e d u c i n g t h e s a m p l i n g t i m e i n t e r v a l .
S m a r a g d i s a n d P a p a g e o r g i o u p r o p o s e d a p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l e r t h a t r e l i e s o n t h e o n - r a m p v e h i c l e
d e m a n d s . U n f o r t u n a t e l y , r e a l - t i m e o n - r a m p v e h i c l e d e m a n d m e a s u r e m e n t s a r e c u r r e n t l y n o t a v a i l -
5
a b l e i n t h e  e l d , a n d h i s t o r i c a l d e m a n d s , w h i c h m a y g r e a t l y d e v i a t e f r o m t h e a c t u a l d e m a n d s , h a v e
t o b e u s e d t o r e a l i z e t h e c o n t r o l l e r p r o p o s e d i n [ 2 7 ] .
I n [ 2 8 ] a n i n n o v a t i v e q u e u e c o n t r o l s c h e m e i s p r o p o s e d , w h i c h i s b a s e d o n e s t i m a t i n g t h e q u e u e
l e n g t h b y m e a s u r i n g t h e v e h i c l e s p e e d u s i n g d u a l q u e u e d e t e c t o r s a n d d e v i s i n g a P r o p o r t i o n a l -
I n t e g r a l ( P I ) c o n t r o l l e r t o r e g u l a t e t h e q u e u e l e n g t h . T h e a d d i t i o n a l p r o p o r t i o n a l a c t i o n i n t h e
c o n t r o l l e r d a m p s t h e u n d e s i r a b l e o s c i l l a t i o n i n t h e q u e u e l e n g t h , w h i l e t h e i n t e g r a l a c t i o n h e l p s i n
r e j e c t i n g t h e d i s t u r b a n c e c a u s e d b y t h e u n p r e d i c t e d v e h i c l e a r r i v a l r a t e . T o r e a l i z e t h e p r o p o r t i o n a l
a c t i o n o f t h e c o n t r o l l e r , a q u e u e - l e n g t h e s t i m a t o r w a s d e s i g n e d b a s e d o n a s i m p l i  e d m o d e l f o r t h e
d r i v i n g b e h a v i o r o f a v e h i c l e t h a t i s a p p r o a c h i n g t h e e n d o f t h e q u e u e : t h e v e h i c l e d e c e l e r a t e s a t a
c o n s t a n t r a t e f r o m i t s c r u i s i n g s p e e d , u n t i l i t s t o p s . T h e q u e u e c o n t r o l l e r w a s t e s t e d o n a c a l i b r a t e d
V I S S I M m i c r o - s i m u l a t i o n m o d e l o f a 1 4 - m i l e ( 2 3 k m ) s e c t i o n o f I n t e r s t a t e 2 1 0 W e s t ( p o s t m i l e s
2 5 - 4 0 ) i n s o u t h e r n C a l i f o r n i a [ 1 3 , 1 2 ] a n d t h e r e s u l t s o b t a i n e d w e r e e x t r e m e l y p r o m i s i n g . H o w e v e r ,
t o f u r t h e r v e r i f y t h e e  c a c y o f t h i s s c h e m e , i t i s n e c e s s a r y t o c o n d u c t a c t u a l  l e d t e s t s .
6
Part I
Ramp metering design tool
F i g u r e 1 : M a i n i n t e r f a c e o f t h e R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l .
T h e R a m p M e t e r i n g D e s i g n T o o l ( R M D T ) i s a c o m p u t e r p r o g r a m b a s e d i n M a t l a b w h i c h f a c i l -
i t a t e s t h e c o n s t r u c t i o n a n d c a l i b r a t i o n o f c e l l - b a s e d m o d e l s o f f r e e w a y s 1 . T h e m a i n i n t e r f a c e o f t h e
R M D T , s h o w n i n F i g u r e 1 , i s a c o n t r o l p a n e l f r o m w h i c h e a c h o f t h e m o d e l c o n s t r u c t i o n t a s k s c a n
b e l a u n c h e d . T h e s e t a s k s a r e :
1 . D e  n e t h e t e s t s i t e . T h e s t a r t i n g p o i n t f o r t h e p r o c e s s i s t o p i c k a f r e e w a y , a d i r e c t i o n , a n d
1 T h e R M D T w a s d e v e l o p e d u n d e r b o t h T . O . 6 3 2 9 a n d t h e T o o l s f o r O p e r a t i o n s a n d P l a n n i n g ( T O P L , T . O . 6 6 1 1 ) .
I n t h e c o n t e x t o f T O P L i t i s r e f e r r e d t o a s t h e T O P L F r e e w a y M o d e l l e r ( T O P L - F M ) .
7
l i m i t i n g a b s o l u t e p o s t m i l e s .
2 . A s s e s s t h e s t a t e o f t h e l o o p d e t e c t o r i n f r a s t r u c t u r e . T h i s s t e p i n v o l v e s a h i s t o r i c a l a n a l y s i s o f
P e M S ' d e t e c t o r h e a l t h i n d e x .
3 . S e l e c t a s e t o f d a y s o n w h i c h t o b a s e t h e c a l i b r a t i o n o f t h e f r e e w a y . I d e a l l y t h e c a l i b r a t i o n
s h o u l d b e b a s e d o n a s i n g l e n o r m a l d a y w i t h p e r f e c t d e t e c t i o n , h o w e v e r i t i s m o r e l i k e l y t h a t
s e v e r a l d a y s w i l l b e n e e d e d t o c o n s t r u c t a c o m p l e t e d a t a s e t . R M D T h e l p s t h e u s e r t o m a n a g e
t h e l a r g e a m o u n t s o f d a t a n e e d e d t o a s s e m b l e t h e d e m a n d p r o  l e s .
4 . P a r t i t i o n t h e f r e e w a y i n t o s e g m e n t s o r c e l l s , e a c h c o n t a i n i n g a t m o s t o n e o n r a m p a n d o n e
o  r a m p . R M D T s u g g e s t s a p a r t i t i o n b a s e d o n P e M S ' c o n  g u r a t i o n d a t a , a n d a l l o w s t h e u s e r
t o m a k e a d j u s t m e n t s .
5 . C a l i b r a t e t h e p a r a m e t e r s o f t h e t r a  c m o d e l : c a p a c i t y , f r e e  o w s p e e d , j a m d e n s i t y , a n d
c o n g e s t i o n w a v e s p e e d . R M D T i n c l u d e s a f u n d a m e n t a l d i a g r a m d a t a  t t i n g r o u t i n e w h i c h
c o m p u t e s t h e s e p a r a m e t e r s f o r e a c h c e l l .
6 . I m p u t e  o w s f o r u n m e a s u r e d o n r a m p s a n d o  r a m p s . U n m e a s u r e d r a m p s a r e r a m p s w i t h
f a u l t y d e t e c t o r s o r n o d e t e c t o r s . T h e  o w o n t h e s e r a m p s m u s t b e e s t i m a t e d i n o r d e r t o
c r e a t e a c o m p l e t e p i c t u r e o f t h e d e m a n d . T h e p r o g r a m i n c l u d e s a r a m p i m p u t a t i o n a l g o r i t h m
b a s e d o n c o n c e p t s o f a r t i  c i a l l e a r n i n g .
7 . S i m u l a t i o n a n d c o m p a r i s o n w i t h t h e m e a s u r e m e n t s . T h e q u a l i t y o f t h e c a l i b r a t e d m o d e l
i s d e t e r m i n e d b y c o m p a r i n g t h e o u t p u t o f t h e s i m u l a t i o n w i t h t h e m e a s u r e d d a t a . T h i s
c o m p a r i s o n i s m a d e b y R M D T i n t e r m s o f p e r f o r m a n c e m e a s u r e s , s u c h a s t r a v e l t i m e , d e l a y ,
a n d p r o d u c t i v i t y , t h a t a r e a l s o p r o v i d e d b y P e M S .
S e c t i o n I . 1 t h r o u g h I . 3 g i v e a n o v e r v i e w o f t h e t h e o r y u n d e r l y i n g t h e R M D T . T h e m o d e l i n g
p a r a d i g m a p p l i e d t h r o u g h o u t t h e R M D T i s a m a c r o s c o p i c t r a  c m o d e l c a l l e d t h e L i n k - N o d e C e l l
T r a n s m i s s i o n M o d e l ( L N - C T M ) . T h i s m o d e l i s i d e n t i c a l t o t h e o r i g i n a l C T M [ 1 0 ] w i t h r e s p e c t t o
t r a  c  o w w i t h i n t h e l i n k s . H o w e v e r t h e s t r a t e g y f o r m e r g i n g a n d s p l i t t i n g t r a  c a t n o d e s i s
s o m e w h a t c h a n g e d , a s e x p l a i n e d i n S e c t i o n I . 1 . T h e p r o c e d u r e s f o r c o m p u t i n g p a r a m e t e r s f o r t h e
L N - C T M b a s e d o n m e a s u r e d d a t a a n d f o r i m p u t i n g m i s s i n g r a m p  o w s a r e d e s c r i b e d i n S e c t i o n s I . 2
a n d I . 3 r e s p e c t i v e l y . M o r e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n s c a n b e f o u n d i n [ 1 1 , 2 4 ] . S e c t i o n I . 4 d o c u m e n t s a c a s e
s t u d y o f t h e u s e o f t h e R M D T . T h i s s e c t i o n w a s w r i t t e n b y J a n H u e p e r , a n e x c h a n g e s t u d e n t f r o m
t h e I n s t i t u t e f o r T r a n s p o r t u n d A u t o m a t i s i e r u n g s t e c h n i k a t t h e L e i b n i z U n i v e r s i t a e t i n H a n n o v e r ,
w h o u s e d t h e R M D T t o c o n s t r u c t a m o d e l o f I - 8 0 E a s t w i t h o u t a n y p r i o r e x p e r i e n c e w i t h t h e
s o f t w a r e o r b a c k g r o u n d i n t r a  c t h e o r y . A p p e n d i x A i s a u s e r m a n u a l f o r t h e R M D T .
8
I. 1 Link- node cell transmission model
T h e L N - C T M i s a n e x t e n s i o n o f t h e C T M w h i c h c a n b e u s e d t o s i m u l a t e t r a  c i n a n y r o a d n e t w o r k .
T h e t r a  c n e t w o r k i s r e p r e s e n t e d a s a d i r e c t e d g r a p h o f l i n k s . L i n k s r e p r e s e n t r o a d s e g m e n t s a n d
n o d e s a r e f o r m e d a t t h e j u n c t i o n s o f l i n k s . A t i m e - v a r y i n g s p l i t - r a t i o m a t r i x i s u s e d t o s p e c i f y
t h e p o r t i o n o f t r a  c m o v i n g f r o m a p a r t i c u l a r i n p u t l i n k t o a n o u t p u t l i n k . W h i l e a n o r m a l l i n k
c o n n e c t s t w o N o d e s , a  s o u r c e  l i n k i s u s e d t o i n t r o d u c e t r a  c w h e r e a s a  s i n k  i s u s e d t o a c c e p t
t r a  c m o v i n g o u t o f t h e n e t w o r k . A s o u r c e l i n k i m p l e m e n t s a q u e u e m o d e l . A f u n d a m e n t a l d i a g r a m
( w h i c h s p e c i  e s t h e  o w - s p e e d - d e n s i t y c h a r a c t e r i s t i c s ) i s s p e c i  e d f o r e a c h l i n k , w h i l e t h e s o u r c e
l i n k s a r e a l s o s p e c i  e d w i t h a n i n p u t d e m a n d p r o  l e .
F i g u r e 2 s h o w s t h e d i r e c t e d g r a p h r e p r e s e n t a t i o n o f a f r e e w a y . T h e n o d e s s p e c i f y t h e l o c a t i o n o f
a m e r g e b e t w e e n r a m p s a n d t h e m a i n l i n e ( f r e e w a y r o a d s e g m e n t ) . E a c h n o d e c o n t a i n s a m a x i m u m
o f o n e o n - a n d o n e o  - r a m p . I n C a l i f o r n i a f r e e w a y s , t h e o n r a m p s a r e p r e c e d e d b y t h e o  r a m p s ,
t h e r e f o r e t h e s p l i t r a t i o m a t r i x i s s p e c i  e d t o b l o c k a n y  o w f r o m t h e o n r a m p t o t h e o  r a m p .
F r e e  o w i s a s s u m e d t o p r e v a i l i n b o t h b o u n d a r i e s o f t h e f r e e w a y .
F i g u r e 2 : F r e e w a y w i t h N l i n k s . E a c h N o d e c o n t a i n s a m a x i m u m o f o n e o n a n d o n e o  - r a m p .
A  s o u r c e  n o d e a t t a c h e d t o t h e u p s t r e a m c e l l i s u s e d t o i n t r o d u c e t r a  c  o w i n t o t h e n e t w o r k .
T h e o n r a m p s a r e a l s o r e p r e s e n t e d a s s o u r c e l i n k s , w h i l e t h e o  r a m p s a r e r e p r e s e n t e d a s s i n k s . I t i s
a l s o a s s u m e d t h a t t h e o  - r a m p s a r e i n f r e e  o w . T a b l e 1 l i s t s t h e m o d e l v a r i a b l e s a n d p a r a m e t e r s .
T h e L N - C T M i s e x p l a i n e d i n [ 1 9 ] . T h e a l g o r i t h m c a n b e r e p r e s e n t e d a s a f o u r m o d e s w i t c h i n g
m o d e l f o r e a c h l i n k . A t e a c h t i m e i n t e r v a l , e a c h l i n k c a n b e i n o n e o f f o u r m o d e s - F F , C F , C C ,
a n d F C , w h e r e F d e n o t e s f r e e  o w a n d C d e n o t e s c o n g e s t i o n . T h e s e m o d e s a r e d e c i d e d b a s e d o n
t h e  o w c o n d i t i o n s e x i s t i n g a t t h e i n p u t a n d o u t p u t n o d e o f e a c h l i n k . T h e C F m o d e i s s a i d t o
b e a c t i v e i n L i n k i , i f t h e i n p u t  o w i n t o L i n k i i s i n c o n g e s t i o n a n d t h e o u t p u t  o w f r o m L i n k i
( i n t o L i n k i + 1 a n d t h e o  r a m p ) i s i n f r e e  o w . O t h e r m o d e s c a n b e i n t e r p r e t e d s i m i l a r l y . H e r e ,
t h e i n p u t i n t o L i n k i i s c l a s s i  e d t o b e i n c o n g e s t i o n i f t h e  o w i n t o i t i s d e t e r m i n e d ( l i m i t e d )
b y i t s a v a i l a b l e c a p a c i t y r a t h e r t h a n t o t a l i n p u t d e m a n d , i . e . c i ¡ 1 ( k ) > ¹ w i ( k ) ( n J i
¡ n i ( k ) ) , w h e r e
9
S y m b o l N a m e U n i t
F i c a p a c i t y v e h / p e r i o d
v i f r e e  o w s p e e d s e c t i o n / p e r i o d
w i c o n g e s t i o n w a v e s p e e d s e c t i o n / p e r i o d
n J i
j a m d e n s i t y v e h / s e c t i o n
¯ i s p l i t r a t i o -
k p e r i o d n u m b e r -
f i n
i ( k )  o w i n t o s e c t i o n i p e r i o d k v e h / p e r i o d
f o u t
i ( k )  o w o u t o f s e c t i o n i p e r i o d k v e h / p e r i o d
s i ( k ) , r i ( k ) o  - r a m p , o n - r a m p  o w i n n o d e i i n p e r i o d k v e h / p e r i o d
d i ( k ) o n - r a m p d e m a n d f o r L i n k i + 1 i n p e r i o d k v e h / p e r i o d
c i ( k ) T o t a l d e m a n d f o r L i n k i + 1 i n p e r i o d k v e h / p e r i o d
T a b l e 1 : M o d e l v a r i a b l e s a n d p a r a m e t e r s
c i ¡ 1 ( k ) = n i ¡ 1 ( k ) v i ¡ 1 ( k ) ( 1 ¡ ¯ i ¡ 1 ( k ) ) + d i ¡ 1 ( k ) i s t h e i n p u t d e m a n d i n t o L i n k i , w h i c h c o n s i s t s o f
 o w f r o m L i n k i ¡ 1 a n d t h e o n r a m p . ¹ w i ( k ) ( n J i
¡ n i ( k ) ) r e p r e s e n t s t h e a v a i l a b l e o u t p u t c a p a c i t y .
T h u s , i n f r e e  o w , t h e  o w i n t o t h e l i n k i s n o t l i m i t e d b y t h e a v a i l a b l e s p a c e , t h e r e b y a l l o w i n g f o r
t h e f r e e w a y t o c a t e r t o t h e a c t u a l d e m a n d . H o w e v e r , i n t h e c a s e o f c o n g e s t i o n , t h e  o w i s l i m i t e d b y
t h e c a p a c i t y i n t h e d e s t i n a t i o n l i n k , a n d t h e  o w f r o m t h e o n r a m p a n d t h e p r e v i o u s l i n k i s s c a l e d
a c c o r d i n g l y t o l i m i t t h e  o w t o t h e c a p a c i t y . T h e d e n s i t y u p d a t e e q u a t i o n s f o r t h e l i n k s o f t h e
f r e e w a y c a n b e s u m m a r i z e d a s
1 . F F M o d e
n i ( k + 1 ) = n i ( k ) + c i ¡ 1 ( k ) ¡ n i ( k ) ¹ v i ( k ) ( 1 )
2 . F C M o d e
n i ( k + 1 ) = n i ( k ) + c i ¡ 1 ( k ) ¡ ¹ w i + 1 ( n J i + 1 ¡ n i + 1 ( k ) ) n i ( k ) ¹ v i ( k ) = c i ( k ) ( 2 )
3 . C C M o d e
n i ( k + 1 ) = n i ( k ) + ¹ w i ( n J i
¡ n i ( k ) ) ¡ ¹ w i + 1 ( n J i
+ 1 ¡ n i + 1 ( k ) ) n i ( k ) ¹ v i ( k ) = c i ( k ) ( 3 )
4 . C F M o d e
n i ( k + 1 ) = n i ( k ) + ¹ w i ( n J i
¡ n i ( k ) ) ¡ n i ( k ) ¹ v i ( k ) ( 4 )
w h e r e ¹ w i ( k ) = m i n ( w i ; F i = ( n J i
¡ n i ( k ) ) ) a n d ¹ v i ( k ) = m i n ( v i ; F i = n i ( k ) ) . I n a d d i t i o n , t h e m a i n l i n e
1 0
 o w s c a n b e d e t e r m i n e d b y
f o u t
i ( k ) =
m i n ( c i ( k ) ; ¹ w i + 1 ( k ) ( n J i + 1 ¡ n i + 1 ( k ) ) )
c i ( k ) n i ( k ) ¹ v i ( k ) ( 5 )
f i n
i ( k ) = m i n ( c i ¡ 1 ( k ) ; ¹ w i ( k ) ( n J i
¡ n i ( k ) ) ) ( 6 )
w h i l e t h e r a m p  o w s a r e d e t e r m i n e d b y
s i ( k ) = ¯ i ( k ) f o u t
i ( k ) ( 7 )
r i ( k ) =
m i n ( c i ( k ) ; ¹ w i + 1 ( k ) ( n J i
+ 1 ¡ n i + 1 ( k ) ) )
c i ( k ) d i ( k ) ( 8 )
d i ( k + 1 ) = d i ( k ) + f l i n
i ( k + 1 ) ¡ r i ( k ) ( 9 )
w h e r e f l i n
i i s t h e i n p u t  o w f o r t h e o n r a m p i .
T h e a b o v e s e t o f e q u a t i o n s c o r r e c t l y r e p r e s e n t t h e L N - C T M f o r f r e e w a y s u n d e r a f e w a s s u m p -
t i o n s . I t i s a s s u m e d t h a t t h e o  r a m p  o w s a r e n o t r e s t r i c t e d b y t h e  o w c a p a c i t y / c o n g e s t i o n .
S i m i l a r l y o n r a m p s a r e a l s o a s s u m e d t o h a v e n o  o w c a p a c i t y r e s t r i c t i o n s . T h e s e a s s u m p t i o n s a r e
n o t r e s t r i c t i v e f o r m o d e l i n g p u r p o s e s , s i n c e t h e o  r a m p s a r e u s u a l l y s p e c i  e d t o b e i n f r e e  o w , w h i l e
t h e c a p a c i t y o f t h e o n r a m p s w i l l n o t a  e c t t h e  o w c a l c u l a t i o n s i f t h e c a p a c i t y i s d e  n e d t o b e t h e
m a x i m u m  o w o b s e r v e d i n t h e r a m p s .
I. 2 Automatic model calibration
L i k e m o s t m a c r o s c o p i c m o d e l s o f v e h i c u l a r t r a  c  o w , t h e L N - C T M m a k e s u s e o f t h e f u n d a m e n t a l
d i a g r a m , a n e m p i r i c a l c u r v e r e l a t i n g o b s e r v e d d e n s i t i e s t o o b s e r v e d  o w s a t a p a r t i c u l a r p o i n t o n
t h e r o a d . A c a l i b r a t e d f u n d a m e n t a l d i a g r a m p r o v i d e s f r e e  o w s p e e d , c o n g e s t i o n w a v e s p e e d , c r i t i c a l
d e n s i t y , j a m d e n s i t y a n d c a p a c i t y ( F i g u r e 3 ) . T h e c a l i b r a t i o n p r o c e d u r e i n v o l v e s t h e f o l l o w i n g .
I. 2.1 Freeway Representation
T h e  r s t s t e p i s t o d e  n e t h e g e o m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s i t e - t h e l o c a t i o n s o f o n r a m p s a n d
o  r a m p s , n u m b e r o f l a n e s , e x i s t e n c e o f H O V l a n e s e t c . A s t h e L N - C T M d i c t a t e s , t h e f r e e w a y s h o u l d
b e r e p r e s e n t e d i n t h e f o r m o f s u c c e s s i v e c e l l s . T h e r e f o r e , t h e f r e e w a y n e t w o r k i s d i v i d e d i n t o c e l l s
e a c h w i t h a t m o s t o n e o n - a n d / o r o  - r a m p a n d o n e m a i n l i n e v e h i c l e d e t e c t o r s t a t i o n 2 . T h e c e l l s
m u s t b e l o n g e r t h a n t h e f r e e  o w t r a v e l d i s t a n c e , i . e . v i · 1 s o t h a t t h e a l g o r i t h m c o n v e r g e s . E a c h
2 T h i s i s d o n e a u t o m a t i c a l l y b y t h e R M D T
1 1
F i g u r e 3 : F u n d a m e n t a l d i a g r a m f o r a f r e e w a y s e c t i o n .
c e l l i s a s s u m e d t o b e h o m o g e n e o u s i n t e r m s o f n u m b e r o f l a n e s , g r a d e a n d g e o m e t r i c a l f e a t u r e s s o
t h a t e a c h c e l l c a n b e r e p r e s e n t e d b y a s i n g l e f u n d a m e n t a l d i a g r a m .
I. 2.2 Data Acquisition and Selection
V e h i c l e d e t e c t o r s t a t i o n s ( V D S ) c o n t a i n l o o p d e t e c t o r s t h a t p r o v i d e  o w a n d o c c u p a n c y d a t a . P e M S
[ 2 5 ] p r o c e s s e s a n d a r c h i v e s t h e s e d a t a i n f o r m o f t i m e s e r i e s o v e r d i  e r e n t d a y s o f o p e r a t i o n . P e M S
a l s o r e p o r t s d e t e c t o r p e r f o r m a n c e f o r e a c h d a y o f o p e r a t i o n . T h e R M D T h e l p s t h e u s e r t o c o l l e c t ,
p r o c e s s , a n d v i s u a l i z e t h e d a t a s o t h a t a s e t o f d a y s c a n b e c h o s e n w i t h a r e l a t i v e l y h i g h r a t e o f
o b s e r v a t i o n . O n c e t h e d a t a s e t h a s b e e n a c q u i r e d , i t i s p a s s e d a l o n g t o t h e c a l i b r a t i o n a n d r a m p
i m p u t a t i o n s u b r o u t i n e s .
I. 2.3 Calibration of the free- flow speed, v i
T h e f r e e -  o w s p e e d f o r e a c h s e c t i o n i , v i , i s e s t i m a t e d b y p e r f o r m i n g a l e a s t s q u a r e s  t o n t h e  o w
a n d d e n s i t y d a t a a t t h e t i m e i n s t a n t s w h e r e t h e s p e e d w a s r e p o r t e d t o b e a b o v e 5 5 m p h . A s a m p l e
r e g r e s s i o n l i n e f o r t h e f r e e -  o w s p e e d c a n b e s e e n i n F i g u r e 3 .
I. 2.4 Estimation of section capacity, F i
I n t h e f u n d a m e n t a l d i a g r a m , t h e a p e x o f t h e t r i a n g l e c o r r e s p o n d s t o t h e s e c t i o n c a p a c i t y a n d i t i s t h e
h i g h e s t o b s e r v e d  o w . I n f a c t , t h e d e  n i t i o n a n d c h o i c e o f c a p a c i t y i s a r a t h e r d e l i c a t e p o i n t . T h e
H i g h w a y C a p a c i t y M a n u a l [ 5 ] d e  n e s c a p a c i t y a s t h e m a x i m u m a m o u n t o f  o w t h a t c a n r e a s o n a b l y
b e e x p e c t e d t o t r a v e r s e t h e c r o s s - s e c t i o n o f a r o a d s e g m e n t . T h i s d e t e r m i n i s t i c n o t i o n o f c a p a c i t y
1 2
F i g u r e 4 : C a l i b r a t e d F l o w v s . D e n s i t y S c a t t e r P l o t o f v d s 7 1 7 6 6 9 o n I - 2 1 0 W o v e r 1 5 d a y s d a t a .
h a s b e e n c h a l l e n g e d l a t e l y b y s t o c h a s t i c a p p r o a c h e s [ 3 2 ] . A s t u d y o v e r t h e s e c t i o n s o f t h e f r e e w a y
y i e l d s t h a t t h e r e i s i n d e e d a s i g n i  c a n t v a r i a t i o n i n o b s e r v e d m a x i m u m  o w s ( F i g u r e 5 ) .
F i g u r e 5 : B o x p l o t s s h o w i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f o b s e r v e d d a i l y m a x i m u m  o w s f o r e a c h s e c t i o n o f
I - 2 1 0 W .
I n F i g u r e 5 , t h e h o r i z o n t a l a x i s i s t h e d e t e c t o r I D s p l a c e d o n t h e f r e e w a y i n u p s t r e a m t o d o w n -
1 3
s t r e a m ( l e f t t o r i g h t ) s u c c e s s i o n . T h e v e r t i c a l a x i s r e  e c t s t h e n o r m a l i z e d  o w v a l u e s a c r o s s t h e s e
s e c t i o n s o f t h e f r e e w a y . T h e h o r i z o n t a l l i n e s i n s i d e t h e b o x e s c o r r e s p o n d t o t h e m e d i a n o f t h e
o b s e r v e d d a i l y m a x i m u m s a m o n g d a y s . T h e l o w e r a n d u p p e r b o x b o u n d a r i e s r e p r e s e n t 1 s t a n d
3 r d q u a r t i l e s , o r 2 5 t h a n d 7 5 t h p e r c e n t i l e s , r e s p e c t i v e l y . T h e w h i s k e r s s p a n f r o m e i t h e r e n d o f t h e
b o x t o t h e s m a l l e s t a n d l a r g e s t d a t a p o i n t s t h a t a r e n o n - o u t l i e r s , i . e p o i n t s w i t h i n 1 . 5 i n t e r q u a r t i l e
r a n g e a w a y f r o m b o x b o u n d a r i e s . T h e  g u r e r e  e c t s s i g n i  c a n t t e m p o r a l a n d s p a t i a l v a r i a t i o n o f
s e c t i o n c a p a c i t i e s . T h e s t o c h a s t i c a p p r o a c h t o c a p a c i t y i s b a s e d o n t h e n o t i o n o f b r e a k d o w n , w h i c h
d e s c r i b e s t h e o p e r a t i o n o f a f r e e w a y n e a r a b o t t l e n e c k a t a t i m e i n s t a n c e w h e r e t h e r e i s a c h a n g e
f r o m f r e e -  o w t o c o n g e s t i o n [ 1 ] . N u m e r o u s s t u d i e s o n t h e s t o c h a s t i c n a t u r e o f c a p a c i t y [ 3 2 ] s u g g e s t
t h a t t h e b r e a k d o w n o c c u r s r a n d o m l y , a  e c t e d b y v a r i o u s e x t e r n a l f a c t o r s s u c h a s d r i v e r b e h a v i o r ,
r o a d a n d w e a t h e r c o n d i t i o n s , i n c i d e n t s , e t c . a n d c a p a c i t y c a n b e d e  n e d a s a r a n d o m v a r i a b l e w i t h
a s p e c i  c p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n d e p e n d i n g o n t h e p r o b a b i l i t y o f b r e a k d o w n .
F i g u r e 6 : S p e e d p l o t s o f s e c t i o n s 7 1 7 6 4 4 a n d 7 1 7 6 4 2 o n A p r 3 r d , 2 0 0 8
F i g u r e 6 ( a n d m a n y o t h e r s p e r t a i n i n g t o o t h e r s e c t i o n s o f t h e f r e e w a y n o t i n c l u d e d h e r e ) s u g g e s t s
t h a t a l t h o u g h r e l a t e d t o t h e c a p a c i t y o f a s e c t i o n , t h e b r e a k d o w n a n a l y s i s i s n o t s u i t a b l e t o t h e
p u r p o s e s o f t h e c a p a c i t y e s t i m a t i o n i n t h e f u n d a m e n t a l d i a g r a m f r a m e w o r k , s i n c e t h e b r e a k d o w n
 o w v a l u e s d i  e r s u b s t a n t i a l l y f r o m t h e o b s e r v e d m a x i m u m  o w s . A m o r e d e t a i l e d a n a l y s i s o n t h e
v a r i a t i o n o f c a p a c i t y a n d i t s c o m p a r i s o n t o b r e a k d o w n c a n b e f o u n d i n [ 1 1 ] .
T h e c a p a c i t y e s t i m a t e f o r m o d e l c a l i b r a t i o n i s t h u s c h o s e n d e t e r m i n i s t i c a l l y t o b e t h e h i g h e s t
o b s e r v e d  o w t h r o u g h o u t a l l i n v e s t i g a t e d d a y s . T h e c h o i c e o f t h i s l a r g e s t o b s e r v e d  o w a s t h e
e s t i m a t e o f c a p a c i t y i s b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t e x t e r n a l f a c t o r s s u c h a s d r i v e r b e h a v i o r ,
i n c i d e n t s , w e a t h e r a n d r o a d c o n d i t i o n s a l w a y s a  e c t t h e c a p a c i t y a d v e r s e l y a n d t h e a c t u a l c a p a c i t i e s
1 4
o f f r e e w a y s e c t i o n s a r e r a r e l y o b s e r v e d , i f e v e r . T h i s c a p a c i t y e s t i m a t e e n a b l e s t h e m o d e l t o r e p l i c a t e
t h e i d e a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e f r e e w a y a n d i s a l s o e s s e n t i a l t o t h e t e s t i n g o f h y p o t h e t i c a l
c o n t r o l s t r a t e g i e s , s u c h a s r a m p m e t e r i n g . T h i s m a x i m u m v a l u e o f  o w a c r o s s t h e s e c t i o n i s t h e n
p r o j e c t e d h o r i z o n t a l l y t o t h e f r e e -  o w l i n e , t o e s t a b l i s h t h e t i p o f t h e t r i a n g u l a r f u n d a m e n t a l d i a g r a m
( F i g u r e 4 ) . T h e i n t e r s e c t i o n i s d e  n e d a s t h e c r i t i c a l d e n s i t y f o r t h e s e c t i o n , a b o v e w h i c h t h e  o w
i s c o n g e s t e d .
I. 2.5 Calibration of the Congestion Speed Parameter, w i
T h e l a s t p a r a m e t e r t o b e c a l i b r a t e d i s t h e c o n g e s t i o n s p e e d p a r a m e t e r , w i , w h i c h a l s o d e  n e s t h e j a m
d e n s i t y f o r t h e s e c t i o n . S i m i l a r t o c a p a c i t y , t h i s p a r a m e t e r s h o w s s i g n i  c a n t v a r i a t i o n . T h e r e f o r e
a n a p p r o x i m a t e q u a n t i l e r e g r e s s i o n [ 1 8 ] w a s a d o p t e d t o e s t i m a t e t h i s p a r a m e t e r a t t h e h i g h e r e n d o f
i t s d i s t r i b u t i o n . A f t e r t h e c r i t i c a l d e n s i t y i s d e t e r m i n e d , t h e  o w - d e n s i t y p o i n t s w i t h d e n s i t y v a l u e s
h i g h e r t h a n t h e c r i t i c a l d e n s i t y ( t h e d a t a p o i n t s t o t h e r i g h t o f t h e t i p ) a r e p a r t i t i o n e d a l o n g t h e
h o r i z o n t a l a x i s ( d e n s i t y a x i s ) i n t o n o n - o v e r l a p p i n g b i n s o f 1 0 d a t a p o i n t s e a c h . H o r i z o n t a l l y , e a c h
b i n i s s u m m a r i z e d b y  B i n D e n s i t y  , t h e m e a n o f t h e 1 0 d e n s i t y v a l u e s i n t h e b i n . V e r t i c a l l y , e a c h
b i n i s s u m m a r i z e d b y  B i n F l o w  , t h e l a r g e s t n o n - o u t l i e r  o w v a l u e s a m o n g t h e t h e 1 0  o w v a l u e s i n
t h e b i n . F o r m a l l y , t h i s l a r g e s t n o n - o u t l i e r i s d e t e r m i n e d a s f o l l o w s :
B i n = f f 1 ; f 2 ; : : : ; f 1 0 g ( 1 0 )
B i n F l o w = m a x
f i
( f i j f i 2 B i n ; f i < Q 3 + 1 : 5 I Q R ) ( 1 1 )
w h e r e , f 1 t h r o u g h f 1 0 a r e t h e  o w v a l u e s i n s i d e o n e s u c h b i n , Q 3 i s t h e 7 5 t h p e r c e n t i l e o f t h e d a t a
p o i n t s i n t h e b i n a n d I Q R i s d e  n e d a s t h e d i  e r e n c e b e t w e e n t h e 2 5 t h p e r c e n t i l e a n d t h e 7 5 t h
p e r c e n t i l e o f t h e d a t a .
A c o n s t r a i n e d l e a s t - s q u a r e s r e g r e s s i o n i s p e r f o r m e d o n t h e s e B i n D e n s i t y - B i n F l o w p a i r s t o o b t a i n
t h e c o n g e s t e d  o w l i n e a n d c o m p l e t e t h e f u n d a m e n t a l d i a g r a m p i c t u r e ( F i g u r e 4 ) . I t i s r e q u i r e d
t h a t t h e r e g r e s s i o n l i n e p a s s e s t h r o u g h t h e t i p o f t h e f u n d a m e n t a l d i a g r a m , s o t h e r e g r e s s i o n i s
c o n s t r a i n e d a c c o r d i n g l y . T h e p o i n t w h e r e t h e r e g r e s s i o n l i n e c r o s s e s z e r o  o w i s c h o s e n a s t h e j a m
d e n s i t y o f t h e s e c t i o n .
I. 3 Imputation of missing ramp flows
T h e L N - C T M m o d e l i s u t i l i z e d t o i m p u t e t h e m i s s i n g o n r a m p i n p u t  o w s a s w e l l a s t h e o  - r a m p
s p l i t r a t i o s f o r o n e d a y ( 2 4 - h o u r ) t r a  c  o w s i m u l a t i o n o n a l a r g e f r e e w a y ( e g . 4 0 m i l e s ) s e g m e n t .
1 5
T h e i m p u t a t i o n p r o c e d u r e i n v o l v e s t w o s t a g e s . F i r s t , t h e t o t a l d e m a n d s c i a r e d e t e r m i n e d u s i n g a n
a d a p t i v e l e a r n i n g p r o c e d u r e t h a t m i n i m i z e s t h e e r r o r b e t w e e n t h e m o d e l c a l c u l a t e d d e n s i t i e s a n d
t h e o b s e r v e d P e M S d e n s i t y p r o  l e . T h e n t h e d e m a n d s a n d s p l i t - r a t i o s a r e e x t r a c t e d f r o m t h e t o t a l
d e m a n d , u s i n g a l i n e a r p r o g r a m t h a t m i n i m i z e s t h e e r r o r b e t w e e n t h e m o d e l c a l c u l a t e d  o w s a n d
t h e o b s e r v e d  o w p r o  l e [ 2 4 ] .
T h e i m p u t a t i o n p r o c e d u r e e m p l o y s t h e a d a p t i v e i t e r a t i v e l e a r n i n g p r o c e d u r e d e s c r i b e d i n [ 3 3 ] .
T h e f r e e w a y t r a  c  o w p r o c e s s i s a s s u m e d t o b e 2 4 - h o u r p e r i o d i c , w i t h r e s p e c t t o t h e  o w a n d
d e n s i t y p r o  l e s . T h i s a s s u m p t i o n i s v a l i d , s i n c e t h e f r e e w a y i s a l w a y s f o u n d t o b e i n f r e e  o w ( w i t h
l o w d e n s i t i e s ,  o w s ) a t m i d n i g h t . T h e L N - C T M a l g o r i t h m i s r u n m u l t i p l e t i m e s , a n d a t e a c h r u n ,
t h e a l g o r i t h m a d a p t s t h e u n k n o w n d e m a n d e s t i m a t e s t o m i n i m i z e t h e e r r o r b e t w e e n t h e d e n s i t y
g e n e r a t e d b y t h e m o d e l a t e a c h l i n k a n d t h e d a t a f r o m t h e c o r r e s p o n d i n g P e M S m e a s u r e m e n t . T h e
p r o c e d u r e i s r e p e a t e d u n t i l t h e d e n s i t y e r r o r r e d u c e s t o a s u  c i e n t l y s m a l l v a l u e o r s t o p s d e c r e a s i n g .
A s d e t a i l e d i n [ 3 3 ] , b e c a u s e o f t h e 2 4 h o u r p e r i o d i c i t y , t h e d e m a n d v e c t o r c a n b e r e p r e s e n t e d a s
a c o n v o l u t i o n o f a k e r n e l o n a c o n s t a n t i n  u e n c e v e c t o r , i . e c i ( k ) = K ( k ) T C i w h e r e K ( k ) r e p r e s e n t s
a 2 4 h o u r p e r i o d i c t i m e d e p e n d e n t k e r n e l v e c t o r , a n d C i i s t h e i n  u e n c e v e c t o r . S o m e t y p i c a l k e r n e l
f u n c t i o n s ( K ( k ) ) i n c l u d e a u n i t - i m p u l s e o r a G a u s s i a n w i n d o w c e n t e r e d a t t i m e k .
T h e i m p u t a t i o n p r o c e d u r e a s s u m e s i n i t i a l e s t i m a t e s f o r t h e i n  u e n c e v e c t o r s ^ C i . T y p i c a l i n i t i a l
e s t i m a t e s i n c o r p o r a t e z e r o o n r a m p a n d o  r a m p  o w s . T h e s e e s t i m a t e s a r e t h e n d y n a m i c a l l y a d a p t e d
a t e a c h t i m e s t e p , s o t h a t t h e m o d e l c a l c u l a t e d d e n s i t i e s f o r t h e w h o l e f r e e w a y m a t c h w i t h t h e
d e n s i t y p r o  l e s o b t a i n e d f r o m P e M S . A t e a c h t i m e s t e p , t h e m o d e f o r e a c h c e l l i s d e t e r m i n e d , a n d
t h e c o r r e s p o n d i n g l e a r n i n g u p d a t e e q u a t i o n s a r e u s e d t o a d a p t t h e i n  u e n c e v e c t o r s . I n t h e f o l l o w i n g
p a r a m e t e r u p d a t e e q u a t i o n s ^ n ( k ) r e p r e s e n t s d e n s i t y e s t i m a t e s , ~ n ( k ) = n ( k ) ¡ ^ n ( k ) r e p r e s e n t s t h e
d e n s i t y e r r o r , a n d ~ n o ( k ) r e p r e s e n t s t h e a - p r i o r i e r r o r e s t i m a t e .
( a ) F F M o d e
~ n o i
( k + 1 ) = ^ n i ( k + 1 ) ¡ ( ^ n i ( k ) + ^ c i ¡ 1 ( k ) ¡ ^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) ) ( 1 2 )
~ n i ( k + 1 ) =
~ n o i
( k + 1 )
1 + G K T ( k ) K ( k ) ( 1 3 )
^ C i ¡ 1 ( k + 1 ) = ^ C i ¡ 1 ( k ) + G K ( k ) ~ n i ( k + 1 ) ( 1 4 )
^ n i ( k + 1 ) = ^ n i ( k ) + ^ c i ¡ 1 ( k + 1 ) ¡ ^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) ( 1 5 )
( b ) F C M o d e
1 6
~ n o i
( k + 1 ) = ^ n i ( k + 1 ) ¡ Ã ^ n i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) + ^ c i ¡ 1 ( k ) ¡
^ w i + 1 ( n J i + 1 ¡ ^ n i + 1 ( k ) )
^ c i ( k )
^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ! ( 1 6 )
~ n i ( k + 1 ) =
~ n o i
( k + 1 )
1 + G 0 K T ( k ) K ( k ) + G K T ( k ) K ( k ) ( 1 7 )
^ C i ¡ 1 ( k + 1 ) = ^ C i ¡ 1 ( k ) + G K ( k ) ~ n i ( k + 1 ) ( 1 8 )
^ C i ( k + 1 ) = ^ C i ( k ) ¡
K ( k )
G 0 0 µ ^ c i ( k ) ¡
1
1 = ^ c i ( k ) ¡ G 0 K ( k ) ~ n i ( k + 1 ) ¶ ( 1 9 )
^ n i ( k + 1 ) = ^ n i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) + ^ c i ¡ 1 ( k + 1 ) ¡
^ w i + 1 ( n J i + 1 ¡ ^ n i + 1 ( k ) )
^ c i ( k + 1 )
^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ( 2 0 )
( c ) C F M o d e
^ n i ( k + 1 ) = ^ n i ( k ) + ¹ w i ( n J i
¡ ^ n i ( k ) ) ¡ ^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ( 2 1 )
( d ) C C M o d e
~ n o i
( k + 1 ) = ^ n i ( k + 1 ) ¡ Ã ^ n i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) + ^ w i ( n J i
¡ ^ n i ( k ) ) ¡
^ w i + 1 ( n J i + 1 ¡ ^ n i + 1 ( k ) )
^ c i ( k )
^ n i ( k ) ^ v i ( k ) !
( 2 2 )
~ n i ( k + 1 ) =
~ n o i
( k + 1 )
1 + G 0 K T ( k ) K ( k ) ( 2 3 )
^ C i ( k + 1 ) = ^ C i ( k ) ¡
K ( k )
G 0 0 µ ^ c i ( k ) ¡
1
1 = ^ c i ( k ) ¡ G 0 K ( k ) ~ n i ( k + 1 ) ¶ ( 2 4 )
^ n i ( k + 1 ) = ^ n i ( k ) ¡ a ~ n i ( k ) + ^ w i ( n J i
¡ ^ n i ( k ) ) ¡
^ w i + 1 ( n J i + 1 ¡ ^ n i + 1 ( k ) )
^ c i ( k + 1 )
^ n i ( k ) ^ v i ( k ) ( 2 5 )
w h e r e G 0 0 = K T ( k ) K ( k ) , ^ c i ( k ) = K ( k ) T ^ C i ( k ) a n d G , G 0 a r e p o s i t i v e g a i n s . T h e p a r a m e t e r a i s
c h o s e n s o t h a t t h e e r r o r e q u a t i o n i s a s y m p t o t i c a l l y s t a b l e . A s t h e a d a p t a t i o n p r o c e d u r e i s c a r r i e d
o u t , t h e ` e r r o r ' i n t h e d e n s i t y p r o  l e , g i v e n b y P j n i ( k ) ¡ ^ n i ( k ) j d e c r e a s e s . S i n c e t h e C F m o d e d o e s
n o t i n v o l v e a d a p t a t i o n e q u a t i o n s , t h e e r r o r m a y c o n v e r g e t o a n o n - z e r o v a l u e f o r w h e n t h i s m o d e i s
i n e  e c t , w h i l e o t h e r m o d e s s h o w s n e g l i g i b l e e r r o r . T h i s o c c u r s d u e t o i n c o r r e c t m o d e i d e n t i  c a t i o n
a t t h a t t i m e i n s t a n t . I n t h i s c a s e , t h e c o r r e s p o n d i n g e s t i m a t e s a r e  t r i g g e r e d  a u t o m a t i c a l l y s o t h a t
t h e c o r r e c t m o d e s a r e i d e n t i  e d . A f t e r t h e t r i g g e r , t h e a d a p t a t i o n p r o c e d u r e i s c o n t i n u e d , t i l l t h e
e r r o r b e c o m e s n e g l i g i b l e o r s t o p s d e c r e a s i n g .
1 7
T h e a b o v e p r o c e d u r e i d e n t i  e s t h e T o t a l d e m a n d v e c t o r , f r o m w i t h t h e o n - r a m p d e m a n d a n d
o  - r a m p s p l i t r a t i o s a r e d e c o u p l e d u s i n g a l i n e a r p r o g r a m . F i g u r e 7 i l l u s t r a t e s t h e p o s i t i o n o f t h e
m a i n l i n e d e t e c t o r , f r o m w h i c h  o w d a t a i s a v a i l a b l e . D e p e n d i n g o n t h e e x i s t i n g  o w c o n d i t i o n s , t h e
 o w s p r e c e d i n g t h e o  r a m p a n d f o l l o w i n g t h e o n r a m p c a n b e d e s c r i b e d b y t h e e q u a t i o n s p r e s e n t e d
i n F i g u r e 7 . A l i n e a r p r o g r a m t h a t m i n i m i z e s j f i n
i + 1 ( k ) ¡ f m e a s
i + 1 ( k ) ¡ r i + 1 ( k ) j + j f o u t
i ( k ) ¡ f m e a s
i + 1 ( k ) ¡
s i + 1 ( k ) j c a n b e u s e d t o i d e n t i f y t h e o n r a m p a n d o  r a m p  o w s t h a t b e s t m a t c h t h e o b s e r v e d m a i n l i n e
 o w .
F i g u r e 7 : D e c o u p l e o n - r a m p a n d o  - r a m p  o w s .
I. 4 I- 80 example
T h i s s e c t i o n h a s b e e n t a k e n f r o m a r e p o r t w r i t t e n b y J a n H u e p e r [ 1 6 ] , a n e x c h a n g e s t u d e n t w h o
w o r k e d w i t h o u r g r o u p f o r a p e r i o d o f 5 m o n t h s . H e w a s a s s i g n e d t h e t a s k o f u s i n g t h e R M D T w i t h -
o u t p r e v i o u s e x p e r i e n c e w i t h t h e s o f t w a r e , t h e u n d e r l y i n g t h e o r y , o r P e M S . H i s r e p o r t d e m o n s t r a t e s
t h a t t h e s o f t w a r e g r e a t l y s i m p l i  e s t h e j o b o f t r a  c m o d e l c o n s t r u c t i o n , w h i c h i n v o l v e s m a n i p u l a -
t i o n o f l a r g e a m o u n t s o f g e o m e t r i c a n d t r a  c d a t a . I t a l s o d e m o n s t r a t e s t h e e  e c t i v e n e s s o f t h e
a u t o m a t i c m o d e l c a l i b r a t i o n a n d r a m p i m p u t a t i o n t e c h n i q u e s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n s .
T h e f o l l o w i n g i s f r o m t h e r e p o r t .
T h i s r e p o r t i l l u s t r a t e s t h e m a c r o s c o p i c m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f I n t e r s t a t e 8 0 E a s t b o u n d i n
t h e B a y A r e a . T r a  c  o w a n d o c c u p a n c y d a t a f r o m l o o p d e t e c t o r s i s u s e d f o r c a l i b r a t i n g t h e
m o d e l a n d s p e c i f y i n g t h e i n p u t s t o t h e s i m u l a t i o n . T h e m o d e l i s c a l i b r a t e d b a s e d o n t h e i n t r o d u c e d
l i n k - n o d e C e l l T r a n s m i s s i o n M o d e l a n d m i s s i n g r a m p  o w d a t a a r e e s t i m a t e d u s i n g a n i t e r a t i v e
l e a r n i n g - b a s e d i m p u t a t i o n s c h e m e . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s u s i n g t h e c a l i b r a t e d m o d e l e x h i b i t g o o d
a g r e e m e n t w i t h l o o p d e t e c t o r m e a s u r e m e n t s w i t h t o t a l d e n s i t y e r r o r s o f 3 . 1 % a n d t o t a l  o w e r r o r
o f 9 . 1 % o v e r t h e 2 3 m i l e s t r e t c h o f t h e f r e e w a y u n d e r i n v e s t i g a t i o n a n d t h e p a r t i c u l a r d a y f o r w h i c h
t h e r a m p  o w s w e r e i m p u t e d .
1 8
I. 4.1 Calibration
T h e c a l i b r a t i o n o f t h e m o d e l c o m p r i s e s t w o m a i n s t e p s : 1 ) T h e c a l i b r a t i o n o f t h e f u n d a m e n t a l
d i a g r a m f o r e a c h l i n k o f t h e f r e e w a y , 2 ) E s t i m a t i o n o f r a m p  o w s , w h i c h a r e e s s e n t i a l i n p u t s t o t h e
s i m u l a t i o n b u t a r e n o t m o n i t o r e d b y P e M S a n d t h u s h a v e t o b e i m p u t e d u s i n g t h e m a i n l i n e  o w
d a t a .
T h e  r s t s t e p o f t h e f u n d a m e n t a l d i a g r a m e s t i m a t i o n i s t o p l o t t h e a v a i l a b l e P e M S d a t a i n a
 o w - d e n s i t y d i a g r a m . T h i s s c a t t e r p l o t r e a d i l y r e v e a l s t h e t y p i c a l s h a p e o f a f u n d a m e n t a l d i a g r a m
w i t h i t s r i s i n g p a r t a t l o w d e n s i t i e s a n d t h e f a l l i n g p a r t a t d e n s i t i e s o v e r a c e r t a i n c r i t i c a l d e n s i t y .
F i g u r e 3 s h o w s t h e s c a t t e r p l o t a n d t h e  t t e d f u n d a m e n t a l d i a g r a m f o r V D S 4 0 0 4 4 3 o n t h e s t u d i e d
f r e e w a y .
T h e e s t i m a t i o n o f t h e f r e e  o w p a r a m e t e r f o l l o w s a s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n w h e r e a s t h e c o n -
g e s t i o n w a v e s p e e d i s e s t i m a t e d u s i n g a n a p p r o x i m a t e q u a n t i l e r e g r e s s i o n [ 1 1 ] . T h e c a p a c i t y o f t h e
s e c t i o n i s a s s i g n e d a s t h e m a x i m u m o b s e r v e d  o w o v e r t h e f r e e w a y s e g m e n t . T h i s V D S r e p r e s e n t s a
t y p i c a l c e l l f o r I - 8 0 E a s t w i t h m a x i m u m  o w s a r o u n d 2 0 0 0 v e h i c l e s p e r h o u r p e r l a n e a n d a c r i t i c a l
d e n s i t y a r o u n d 3 5 v e h i c l e s p e r m i l e p e r l a n e . T h e e s t i m a t e d p a r a m e t e r s f o r t h i s p a r t i c u l a r s e c t i o n
c a n b e r e a d o  F i g u r e 8 .
F i g u r e 8 : S c a t t e r P l o t a n d  t t e d F u n d a m e n t a l D i a g r a m .
T h e s e c o n d p a r t o f t h e m o d e l c a l i b r a t i o n i s t h e e s t i m a t i o n o f t h e m i s s i n g r a m p  o w s . G e n e r a l l y ,
d a t a - b a s e d m a c r o s c o p i c f r e e w a y m o d e l i n g i s c o n s t r a i n e d b y m i s s i n g d a t a . D e s p i t e t h e w i d e s p r e a d
c o l l e c t i o n o f i n d u c t i o n l o o p d a t a i n C a l i f o r n i a , t h e s i m u l a t i o n o f I - 8 0 s u  e r s f r o m t h e f a c t t h a t n o
o n - o r o  - r a m p d a t a i s p r o v i d e d b e c a u s e t h e r e a r e n o d e t e c t o r s t a t i o n s i n s t a l l e d . T h e r e f o r e , a n
1 9
a u t o m a t e d i m p u t a t i o n p r o c e d u r e i s i m p l e m e n t e d t o e s t i m a t e t h e s e v a l u e s [ 2 4 ] . T h e i m p u t a t i o n
o f u n k n o w n d a t a u s e s a d a p t i v e i d e n t i  c a t i o n t e c h n i q u e s w h i c h a r e a d o p t e d f r o m i t e r a t i v e l e a r n i n g
c o n t r o l . T o d e t e r m i n e t h e o n - r a m p  o w s a n d t h e o  - r a m p s p l i t r a t i o s , t h e i m p u t a t i o n e x e c u t e s t w o
s t e p s . F i r s t l y , t o t a l i n p u t d e m a n d s c i ( k ) f o r e v e r y l i n k i a r e d e t e r m i n e d a n d , s e c o n d l y , o n - r a m p
d e m a n d s a n d s p l i t - r a t i o s a r e e x t r a c t e d f r o m t h e t o t a l d e m a n d s . T h e t o t a l d e m a n d s c i ( k ) c a n b e
p e r c e i v e d a s t h e v e h i c l e s i n t e n d i n g t o e n t e r t h e l i n k i + 1 f r o m t h e l i n k i , i . e . t h e d e m a n d f r o m
t h e p r e v i o u s l i n k m i n u s t h e d i  e r e n c e b e t w e e n o  - r a m p  o w a n d o n - r a m p d e m a n d e x i s t i n g b e t w e e n
t h e t w o l i n k s . T h e L N - C T M s i m u l a t i o n i s p e r f o r m e d s e v e r a l t i m e s a n d t h e t o t a l d e m a n d s c i ( k ) a r e
a d j u s t e d i t e r a t i v e l y t o m i n i m i z e t h e d e n s i t y e r r o r o f t h e s i m u l a t i o n a t e a c h l i n k i n c o m p a r i s o n w i t h
t h e r e a l d a t a .
T h i s p r o c e d u r e i s p e r f o r m e d n o t o n l y f o r t h e d u r a t i o n o f o n e s i m u l a t e d d a y . T h e i t e r a t i o n f o r
t h e d e n s i t y p r o  l e i s d o n e m u l t i p l e t i m e s , a l w a y s u s i n g t h e p a r a m e t e r s f r o m t h e p r e v i o u s r u n , s o
t h a t t h e o v e r a l l d e n s i t y e r r o r i s m i n i m i z e d . T h e d e n s i t y e r r o r i s t h e s u m o f t h e d i  e r e n c e s b e t w e e n
t h e i m p u t e d a n d t h e m e a s u r e d d e n s i t i e s P n i ( k ) ¡ ^ n i ( k ) , w h e r e ^ n i ( k ) i s t h e i m p u t e d v a l u e . T h i s
e r r o r d o e s n o t c o n v e r g e t o z e r o b e c a u s e o n e o f t h e  o w m o d e s , t h e C F m o d e , h a s n o a d a p t a t i o n
e q u a t i o n s . T h u s , a n e n d p o i n t c r i t e r i a o f t h e i t e r a t i o n m u s t b e d e  n e d i f t h e e r r o r d o e s n o t d e c r e a s e
t o a n e g l i g i b l e v a l u e , a n d t h i s r e a s o n a b l y i s w h e n t h e e r r o r d o e s n o t b e c o m e s m a l l e r a n y m o r e .
I n a n e x t s t e p , t h e o n - r a m p d e m a n d s a n d t h e o  - r a m p s p l i t r a t i o s a r e d e t e r m i n e d b y a l i n e a r
p r o g r a m . T h e l i n e a r p r o g r a m m a k e s u s e o f t h e f a c t t h a t m e a s u r e m e n t s o n t h e f r e e w a y a r e t a k e n
r i g h t i n b e t w e e n o  - r a m p s a n d o n - r a m p s ( a s s h o w n i n F i g u r e 9 ) . T h u s , i t i s p o s s i b l e t o c a l c u l a t e t h e
r a m p  o w s b y m i n i m i z i n g t h e e r r o r b e t w e e n t h e m o d e l c a l c u l a t e d  o w s a n d t h e  o w m e a s u r e m e n t
b e t w e e n t h e r a m p s .
F i g u r e 9 : A c t u a l p o s i t i o n o f r a m p s a n d d e t e c t o r a t a j u n c t i o n
O n e p o i n t o f c o n c e r n i n t h e i m p u t a t i o n p r o c e s s i s t h e l o w q u a l i t y o f m e a s u r e m e n t a t c e r t a i n
m a i n l i n e v e h i c l e d e t e c t o r s t a t i o n s a n d t h e d e t e c t i o n t h e r e o f . A s e t o f a d - h o c d e t e c t i o n a n d c o r r e c t i o n
m e a s u r e s w e r e t a k e n t o d i s c a r d i r r e g u l a r d a t a f r o m t h e i m p u t a t i o n p r o c e d u r e . T h e m a i n a p p r o a c h
t o i d e n t i f y i r r e g u l a r i t i e s w a s a s y s t e m a t i c a l a n a l y s i s o f t h e i m p u t a t i o n r e s u l t s . O n c e t h e v e h i c l e
d e t e c t o r s t a t i o n s t h a t r e p o r t s u s p i c i o u s d a t a a r e  a g g e d , t h e i m p u t a t i o n i s r u n a g a i n , t h i s t i m e
o m i t t i n g t h e d a t a f r o m  a g g e d d e t e c t o r s , a n d t h e r e s u l t s i m p r o v e i n t e r m s o f t o t a l e r r o r i n d e n s i t y
a n d  o w s . O v e r r i d i n g a  a g g e d V D S r e s u l t s i n t h e r e d u c t i o n o f t h e f r e e w a y m o d e l s i n c e t h e c e l l
i t b e l o n g s t o i s n o w a t t a c h e d t o t h e p r e c e d i n g c e l l u p s t r e a m a s s h o w n i n  g u r e 5 a n d t h e f r e e w a y
2 0
m o d e l n o w c o n s i s t s o f o n e l e s s c e l l w h e r e a s t h e r a m p s o f t h e a d j o i n e d c e l l s a r e b u n d l e d t o g e t h e r t o
r e p r e s e n t a s i n g l e o n - o r o  - r a m p e a c h .
F i g u r e 1 0 : L i n k s t r u c t u r e b e f o r e a n d a f t e r o v e r r i d i n g l i n k i + 1 .
T h e a p p r o a c h f o r I - 8 0 E a s t t o  n d o u t w h i c h V D S s s h o u l d b e o v e r r i d d e n w a s t h r o u g h g r a p h i c a l
c o m p a r i s o n . F o r e a c h V D S , t h e m e a s u r e d d a t a o f d e n s i t y a n d  o w a r e c o m p a r e d t o t h e s i m u l a t e d
d a t a , w h i c h i s b a s e d o n t h e i m p u t a t i o n . I n a d d i t i o n t o t h a t , i t i s u s e f u l t o r e v i e w t h e e s t i m a t e d
o n - a n d o  - r a m p  o w s a s w e l l a s t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f o n - o r o  - r a m p s . T h u s , a g r a p h i c a l
o v e r v i e w o f t h e c r u c i a l f a c t o r s i s e s t a b l i s h e d a s s e e n i n F i g u r e 1 1 .
T h e p l o t s s h o w a n e x a m p l e o f t w o V D S s w h i c h s h o w a l m o s t p e r f e c t c o n v e r g e n c e b e t w e e n t h e
i m p u t e d a n d t h e P e M S d a t a f o r b o t h , t h e d e n s i t y ( l e f t ) a n d  o w ( m i d d l e ) , p l o t s . I t a l s o g i v e s t h e
i n f o r m a t i o n t h a t t h e c e l l o f V D S 4 0 0 9 7 6 ( t o p ) p o s s e s s e s j u s t a n o n - r a m p (  O n r a m p P r e s e n t - 1  ;
 O  r a m p P r e s e n t - 0  ) a n d t h e c e l l o f V D S 4 0 0 8 3 8 ( b o t t o m ) j u s t a n o  - r a m p . T h e o n - r a m p  o w
i s p l o t t e d i n b l u e a n d t h e o  - r a m p  o w i s p l o t t e d i n r e d ( r i g h t p l o t s ) . B y c o n n e c t i n g t h i s k i n d
o f p l o t s c o n s e c u t i v e l y , i t i s p o s s i b l e t o e x a m i n e t h e l o n g i t u d i n a l d e v e l o p m e n t o f t h e d a i l y  o w a n d
d e n s i t y c h a r a c t e r i s t i c s . T h i s m a k e s i t p o s s i b l e t o s e e a n y d i s a g r e e m e n t b e t w e e n t h e s i m u l a t e d a n d
m e a s u r e d d e n s i t i e s a n d  o w s . A d i s t i n c t i o n o f c a s e s c a n b e m a d e i n t h i s a n a l y s i s . T h e p r o c e d u r e
b e g i n s w i t h a n a n a l y s i s o f o b s e r v e d d e n s i t y e r r o r s , t h e n a n a n a l y s i s o f  o w e r r o r s i s p e r f o r m e d a n d ,
 n a l l y , i n c o r r e c t d a t a i s i d e n t i  e d i n s p i t e o f a n y d e n s i t y o r  o w m i s m a t c h .
A d e v i a t i o n i n t h e s i m u l a t e d d e n s i t y i s a s i g n o f a s e r i o u s i r r e g u l a r i t y . D e n s i t y e r r o r s i n a l i n k c a n
b e e v o k e d b y t h e s u r r o u n d i n g l i n k s , u p s t r e a m a s w e l l a s d o w n s t r e a m , a n d d e p e n d o n t h e p r e v a l e n t
m o d e o f t h e L N - C T M ( F i g u r e 1 2 ) .
F o r i n s t a n c e i n t h e F F m o d e , t h e s i m u l a t e d d e n s i t y o f l i n k i c a n o n l y b e i n  u e n c e d f r o m u p -
s t r e a m , i . e . i n c r e a s e d o v e r o n - r a m p i a n d d e c r e a s e d o v e r o  - r a m p i . V e h i c l e s d o w n s t r e a m c a n n o t
b e q u e u e d b e c a u s e t h e t r a  c i s i n f r e e  o w a n d t h e r e f o r e t h e r a m p  o w s o v e r o n - r a m p i + 1 a n d
o  - r a m p i + 1 c a n n o t i n  u e n c e t h e d e n s i t y o f l i n k i . S o a d i s c r e p a n c y i n t h e m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d
2 1
F i g u r e 1 1 : D e n s i t y ,  o w a n d r a m p -  o w p l o t s f o r V D S 4 0 0 9 7 6 ( t o p ) a n d 4 0 0 8 3 8 ( b o t t o m )
F i g u r e 1 2 : M o d e - d e p e n d e n t I n  u e n c e o n s i m u l a t e d d e n s i t y
d e n s i t i e s o f l i n k i c a n o n l y b e a t t r i b u t e d t o t h e r a m p -  o w e s t i m a t i o n o f r a m p s i t h a t p r e c e d e l i n k
i . R e g a r d i n g t h e C C - m o d e , t h e s i t u a t i o n i s t h e o p p o s i t e . H e r e , a d i s c r e p a n c y b e t w e e n m e a s u r e d
a n d s i m u l a t e d d e n s i t i e s o f l i n k i m u s t b e a t t r i b u t e d t o t h e r a m p  o w e s t i m a t i o n o f r a m p s i + 1 t h a t
f o l l o w l i n k i . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t u p s t r e a m t r a  c a n d d o w n s t r e a m t r a  c a r e c o n g e s t e d
a n d s o , t h e v e h i c l e s d o w n s t r e a m c a n b e q u e u e d , s o t h a t t h e y i n  u e n c e t h e s i m u l a t e d d e n s i t y i n l i n k
i . T h e a n a l y s i s f o r t h e r e m a i n i n g m o d e s f o l l o w s t h e s a m e r e a s o n i n g a n d c o n c l u s i o n s a b o u t f a u l t y
d e t e c t o r s c a n b e m a d e f o r a l l f o u r m o d e s .
T h e a n a l y s i s o f n o t c o n v e r g i n g  o w p l o t s i s c o m p a r a t i v e l y s i m p l e . I f t h e r e i s n o r a m p b e t w e e n
2 2
t w o c o n s e c u t i v e c e l l s a n d t h e  o w p l o t s d i  e r , i t i s v e r y l i k e l y t h a t o n e V D S i s r e p o r t i n g w r o n g
v a l u e s . I n t h i s c a s e , d u e t o t h e v e h i c l e c o n s e r v a t i o n l a w , t h e a m o u n t o f p a s s i n g v e h i c l e s p e r t i m e
m u s t b e t h e s a m e a n d o n l y m i n o r v a r i a t i o n s a r e t o l e r a b l e .
I t i s a l s o p o s s i b l e t h a t s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d v a l u e s c o n v e r g e s m o o t h l y i n s p i t e o f t h e f a c t t h a t
t h e d a t a i s c o r r u p t . I n t h i s c a s e , o n e s h o u l d n o t w i l l f u l l y s t i c k t o t h e g o a l o f t r y i n g t o m a t c h t h e
s i m u l a t i o n t o m e a s u r e d d a t a , b u t s h o u l d f o c u s o n t h e p o s s i b i l i t y o f f a l s e d a t a i n s p i t e o f c o n v e r g i n g
p l o t s . F o r e x a m p l e , i n t h e c a s e o f p r e s e n t o n - a n d o  r a m p s b e t w e e n c e l l s , t h e o c c u r r e n c e o f h i g h
i m p u t e d o n r a m p  o w s u p s t r e a m o f t h e c e l l a n d h i g h i m p u t e d o  - r a m p  o w s d o w n s t r e a m i s a g o o d
i n d i c a t o r o f t h i s p h e n o m e n o n . I f , i n a d d i t i o n , t h o s e r a m p -  o w s s h o w a r e l a t e d s h a p e , i t i s v e r y l i k e l y
t h a t t h e V D S o f t h e r e v i e w e d c e l l m e a s u r e s f a l s e l y a n d t h e l a r g e a m o u n t s o f i m p u t e d r a m p -  o w s
o n l y i m i t a t e t h e i n c o r r e c t n e s s .
T h e d e s c r i b e d m e t h o d s t o  n d o u t i n c o r r e c t m e a s u r e m e n t s o f t e n n a r r o w t h e c h o i c e o f t h e b a d
d e t e c t o r t o a f e w r a t h e r t h a n p i n - p o i n t i n g t h e e x a c t m a l f u n c t i o n i n g d e t e c t o r . T o d i s t i n g u i s h b e t w e e n
t h e g o o d a n d t h e b a d d e t e c t o r s , i t i s u s e f u l t o r e g a r d t h e p l a u s i b i l i t y o f t h e p l o t s o f t h e c a n d i d a t e s .
T h e r e a r e t h r e e i n d i c a t o r s w h i c h h e l p t o i d e n t i f y t h e b a d V D S .
M i d n i g h t v a l u e s : F o r b o t h t h e d e n s i t y a s w e l l a s t h e  o w p l o t s , t h e b o u n d a r i e s , i . e . t h e h o u r s a r o u n d
m i d n i g h t , p r o v i d e g o o d e v i d e n c e w h e t h e r t h e m e a s u r e m e n t s a r e c o r r e c t . I f t h e d e n s i t i e s a n d  o w s
r e p o r t e d a t n i g h t a r e u n r e a s o n a b l y h i g h o r l o w , t h i s V D S i s l i k e l y t o b e t h e b a d o n e .
M a x i m u m v a l u e s : A n o t h e r a s p e c t t h a t i n d i c a t e s t h e b a d d e t e c t o r c a n b e f o u n d i n t h e m a x i m u m
v a l u e s o f t h e p l o t s . I f t h e y s e e m t o o h i g h o r t o o l o w c o m p a r e d t o t h e s u r r o u n d i n g c e l l s a n d t h e
w h o l e f r e e w a y , t h e V D S m i g h t b e f a u l t y .
E x c e p t i o n a l a s p e c t s : I n a d d i t i o n t o t h e t w o i n d i c a t o r s a b o v e , t h e o v e r a l l i m p r e s s i o n o f t h e p l o t s
s h o u l d b e e x a m i n e d f o r e x c e p t i o n a l a s p e c t s , s u c h a s t h e o v e r a l l s h a p e , t h a t m i g h t d e n o t e w h i c h
V D S r e p o r t s f a l s e d a t a .
I f n o n e o f t h e i n d i c a t o r s p r o v i d e s a g o o d p r o o f o n w h i c h d e t e c t o r i s b a d , g i v i n g t h e d i  e r e n t
c o m b i n a t i o n s o f o v e r r i d d e n V D S s a t r i a l i s n e c e s s a r y a n d t h e c o m b i n a t i o n w i t h t h e b e s t i m p u t a t i o n
r e s u l t i s c h o s e n f o r t h e m o d e l c a l i b r a t i o n .
I. 4.2 Simulation results
F o r t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n , t h e w h o l e f r e e w a y s e g m e n t i s d i v i d e d i n t o a c e r t a i n n u m b e r o f l i n k s .
T h i s i s p e r f o r m e d b y a s s u m i n g o n e l i n k f o r e v e r y V D S e x c e p t f o r t h e c a s e w h e n t h e r e i s a c h a n g e
i n t h e n u m b e r o f l a n e s w i t h i n t h e l i n k , w h i c h r e s u l t s i n a p a r t i t i o n o f t h e l i n k i n t o s e v e r a l l i n k s
2 3
a c c o r d i n g t o t h e s e g m e n t s w i t h c o n s t a n t n u m b e r s o f l a n e s . A l l l i n k s w h i c h b e l o n g t o o n e V D S f o r m
o n e c e l l . T o c l a r i f y t h e d e n o t a t i o n : E a c h V D S r e p r e s e n t s o n e c e l l , b u t o n e c e l l c a n b e p a r t i t i o n e d
i n t o s e v e r a l l i n k s . T h e n e x t s t e p i s t o d e t e r m i n e t h e l o c a t i o n s o f t h e r a m p s a n d a s s i g n t h e m t o t h e i r
c o r r e s p o n d i n g n o d e s i n t h e f r e e w a y g e o m e t r y . O n c e t h e g e o m e t r i c m o d e l i n g i s d o n e , t h e c a l i b r a t i o n
a n d r a m p -  o w i m p u t a t i o n s a r e c a r r i e d t h r o u g h a s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n a n d t h e f r e e w a y
i s r e a d y t o b e s i m u l a t e d f o r t h e g i v e n d e m a n d a n d p a r a m e t e r s . T h e f o l l o w i n g  g u r e s s u m m a r i z e t h e
r e s u l t s o f t h e s i m u l a t i o n a n d c o m p a r e t h e m t o t h e c o r r e s p o n d i n g o b s e r v a t i o n s . F i g u r e s 1 3 , 1 4 , a n d
1 5 r e  e c t t h e d e n s i t i e s , s p e e d s a n d  o w s a c r o s s t h e f r e e w a y , r e s p e c t i v e l y . O n t h e h o r i z o n t a l a x i s a r e
t h e s u c c e s s i v e l i n k s o f t h e f r e e w a y i n t h e o r d e r t h e y a p p e a r i n t h e d i r e c t i o n o f t r a  c  o w a n d o n t h e
v e r t i c a l a x i s i s t h e t i m e o f t h e d a y f o r w h i c h t h e f r e e w a y w a s c a l i b r a t e d a n d s i m u l a t e d . I n a d d i t i o n
t o t h e v i s u a l l y c l e a r a g r e e m e n t o f t h e  g u r e s , t h e n u m e r i c a l v a l u e s o f t h e t o t a l e r r o r s f o r t h e s e t h r e e
m e a s u r e s a r e q u i t e s a t i s f a c t o r y . T h e t o t a l d e n s i t y e r r o r w a s c a l c u l a t e d t o b e 3 . 1 % , w h e r e a s t h e t o t a l
 o w e r r o r a m o u n t e d t o 9 . 1 % , w h i c h w e r e d e c r e a s e d f r o m 9 . 0 % a n d 1 5 . 4 % , r e s p e c t i v e l y , a f t e r t h e
f a u l t d e t e c t i o n w a s c a r r i e d o u t .
F i g u r e 1 3 : S i m u l a t e d v s M e a s u r e d D e n s i t y c o n t o u r s o f I - 8 0 E
I. 4.3 Conclusion
T h e m o d e l i n g a n d c a l i b r a t i o n o f I - 8 0 E b a s e d o n t h e L N - C T M m o d e l h a s b e e n e l a b o r a t e d i n t h i s
p a p e r . O v e r a l l , t h e m a c r o s c o p i c m o d e l i n g o f I - 8 0 E h a s p r o v e n t h e b i g s e r v i c e c a p a b i l i t y o f m a c r o -
s c o p i c t r a  c m o d e l s . T w o m a i n d i  c u l t i e s h a d t o b e o v e r c o m e i n t h e p r o c e d u r e : 1 ) M i s s i n g r a m p
d a t a h a d t o b e e s t i m a t e d f o r t h e w h o l e m o d e l e d f r e e w a y s e c t i o n , w h i c h h a s b e e n a c h i e v e d u s i n g a n
a u t o m a t e d i m p u t a t i o n p r o c e d u r e , 2 ) H u g e e x t e n t s o f f a l s e m e a s u r e m e n t s h a d t o b e t r e a t e d , w h i c h
2 4
F i g u r e 1 4 : S i m u l a t e d v s M e a s u r e d S p e e d C o n t o u r s o f I - 8 0 E
h a s b e e n a c c o m p l i s h e d w i t h a d h o c d a t a m a n i p u l a t i o n b a s e d o n i n - d e p t h d a t a a n a l y s i s a n d t h e
d e v e l o p m e n t o f a g r a p h i c a l c o m p a r a t i v e m e t h o d t o d e t e c t b a d d e t e c t o r s . T h e r e s u l t s r e p r e s e n t a
f u n c t i o n a l c a l i b r a t e d m o d e l o f I - 8 0 E a s t a n d c a n b e u s e d f o r f u r t h e r t r e a t m e n t , s u c h a s t h e i m p l e -
m e n t a t i o n o f c o n t r o l s y s t e m s . T h e s i m u l a t i o n s , u s i n g t h e c a l i b r a t e d f u n d a m e n t a l d i a g r a m d a t a a s
w e l l a s t h e i m p u t e d o n - r a m p  o w s a n d o  - r a m p s p l i t r a t i o s , a g r e e c l o s e l y w i t h t h e m e a s u r e m e n t s ,
a s s h o w n b y t h e c o n t o u r p l o t s o f t h e p r e v i o u s s e c t i o n .
F i g u r e 1 5 : S i m u l a t e d v s M e a s u r e d F l o w C o n t o u r s o f I - 8 0 E
2 5
Part II
Ramp metering with queue control field test
T h i s p a r t o f t h e r e p o r t d e s c r i b e s w o r k t h a t h a s b e e n d i r e c t e d t o w a r d s t h e d e s i g n a n d e x e c u t i o n o f a
 e l d t e s t o f q u e u e c o n t r o l a l g o r i t h m s . T h e a c c o m p l i s h m e n t s d u r i n g t h e p a s t y e a r a r e d e s c r i b e d a n d
a m o d i  e d m e t h o d o l o g y f o r t h e u p c o m i n g y e a r i s l a i d o u t . T h e m a i n o b j e c t i v e s o f t h e p r o p o s e d
r e s e a r c h a r e t o t e s t a n i n n o v a t i v e q u e u e c o n t r o l s c h e m e , d e v e l o p e d a s p a r t o f P A T H T . O . 5 5 0 3
[ 3 0 , 2 8 , 2 9 ] , w h i c h c a n b e i n c o r p o r a t e d i n t o m o s t r a m p m e t e r i n g s t r a t e g i e s a s a r e p l a c e m e n t o r
e n h a n c e m e n t o f t h e q u e u e - o v e r r i d e , a n d h a s b e e n s h o w n t o m a i n t a i n t h e o n - r a m p q u e u e t o w i t h i n
i t s p r e s c r i b e d l i m i t s , w i t h o u t i n d u c i n g a n y o f t h e o s c i l l a t i o n s t h a t a r e o b s e r v e d w h e n t h e q u e u e -
o v e r r i d e i s u s e d , a n d s i g n i  c a n t l y i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f t h e r a m p m e t e r i n g s c h e m e . I f t h e
q u e u e c o n t r o l  e l d t e s t p r o v e s s u c c e s s f u l a n d i t s p e r f o r m a n c e i s c o n s i s t e n t w i t h t h e a n a l y t i c a l a n d
s i m u l a t i o n r e s u l t s s o f a r c o n d u c t e d , i t s d e p l o y m e n t o n a l a r g e s c a l e c o u l d b e c o m e a m o n g t h e m o s t
c o s t - e  e c t i v e C a l t r a n s m e a s u r e s f o r a t t a i n i n g s i g n i  c a n t f r e e w a y o p e r a t i o n a l i m p r o v e m e n t s i n t h e
n e a r f u t u r e .
A  e l d t e s t w a s p r o p o s e d i n o r d e r t o i n c o r p o r a t e Q u e u e C o n t r o l o n o n e D i s t r i c t 4 o n - r a m p , a n d
s t u d y i t s e  e c t i n m i n i m i z i n g q u e u e a n d m a i n l i n e d e n s i t y o s c i l l a t i o n s a n d e n h a n c i n g p e r f o r m a n c e .
T h e w o r k r e l a t e d t o t h e  e l d t e s t h a s b e e n d o n e t o g e t h e r w i t h A l a n S . C h o w a n d o t h e r m e m b e r s o f
t h e D i s t r i c t 4 O  c e o f T r a  c S y s t e m s R a m p M e t e r i n g G r o u p a s w e l l a s w i t h C a l t r a n s H e a d q u a r t e r s
P e r s o n n e l , s o t h a t q u e u e c o n t r o l c a n b e i n c o r p o r a t e d i n t h e f u n c t i o n a l i t y o f t h e U n i v e r s a l R a m p
M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) [ 3 4 ] . T h i s m o d i  c a t i o n w i l l p e r m i t t h e u s e o f q u e u e c o n t r o l o n a n y 2 0 7 0
c o n t r o l l e r r u n n i n g t h e U R M S , a n d p e r m i t a n a c t u a l  e l d t e s t o f t h i s c o n t r o l s c h e m e o n a D i s t r i c t 4
o n - r a m p .
2 6
II. 1 Accomplishments
D u r i n g t h e  r s t y e a r o f t h e p r o j e c t , t h e f o c u s e d h a s b e e n o n t h e p l a n n i n g o f t h e  e l d t e s t . T h e
s p e c i  c a c c o m p l i s h m e n t s t o d a t e a r e :
² T r a  c c o n t r o l l e r s e l e c t i o n
² O n - r a m p t e s t s i t e s e l e c t i o n
² H e g e n b e r g e r o n - r a m p s t u d y
² 2 0 7 0 c o n t r o l l e r a n d O S - 9 o p e r a t i n g s y s t e m f a m i l i a r i z a t i o n
² U R M S s o u r c e c o d e a c q u i s i t i o n , f a m i l i a r i z a t i o n , a n d a n a l y s i s w i t h D a v i d J . W e l l s , U R M S
s o f t w a r e d e v e l o p e r
² S e n s y s w i r e l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n s y s t e m a n a l y s i s
² S e n s i n g e q u i p m e n t d i s c u s s i o n a n d c o l l a b o r a t i o n a g r e e m e n t w i t h S e n s y s N e t w o r k s I n c .
² S e n s o r e q u i p m e n t i n s t a l l a t i o n p l a n n i n g w i t h R e p u b l i c I T S
² F i e l d t e s t m e t h o d o l o g y m o d i  c a t i o n
² H a r d w a r e - i n - t h e - l o o p o n - r a m p s i m u l a t i o n t o o l d e v e l o p m e n t
II. 1.1 Traffic controller selection
I n o r d e r t o m a k e a  e l d t e s t i m p l e m e n t a t i o n o f q u e u e c o n t r o l o n a n o n - r a m p i n C a l i f o r n i a , i t i s
n e c e s s a r y t o i n t e r f a c e w i t h t h e t r a  c i n f r a s t r u c t u r e m a n a g e d b y C a l t r a n s . C u r r e n t l y t h e r e a r e t w o
t r a  c c o n t r o l l e r s c o m m o n l y u s e d f o r t r a  c c o n t r o l i n C a l i f o r n i a , t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r a n d t h e 2 0 7 0
c o n t r o l l e r . E v a l u a t i n g t h e f e a t u r e s a n d c a p a b i l i t i e s o f b o t h c o n t r o l l e r s w a s n e c e s s a r y i n o r d e r t o c h o s e
o n e f o r t h e  e l d t e s t . T h e i n f o r m a t i o n r e l a t e d t o t h e t r a  c c o n t r o l l e r s a n d t h e i r o p e r a t i n g s y s t e m
a n d r a m p m e t e r i n g s o f t w a r e w a s o b t a i n e d f r o m S e a n C o u g h l i n , H e r a s m o I n i g u e z a n d [ 8 , 3 5 , 6 , 7 ] .
T h e 1 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r i s c u r r e n t l y u s e d f o r r a m p m e t e r i n g i n C a l i f o r n i a . T h i s c o n t r o l l e r i s
c o n s i d e r e d t o b e o u t d a t e d b y c u r r e n t s t a n d a r d s d u e m a i n l y t o i t s l i m i t e d p r o c e s s i n g s p e e d a n d
m e m o r y . A d d i t i o n a l l y , s i n c e i t o n l y s u p p o r t s a s s e m b l y l a n g u a g e p r o g r a m s , i t i s c o m p l i c a t e d t o
d e v e l o p o r m o d i f y s o f t w a r e . M o r e o v e r , d u e t o t h e d i s c o n t i n u a t i o n o f p r o d u c t i o n o f t h e M o t o r o l a
M C 6 8 0 0 m i c r o p r o c e s s o r , u s e d i n t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r , i t i s d i  c u l t t o  n d t o o l s t o r e p r o g r a m t h e
c o n t r o l l e r . F i n a l l y , a m a j o r d i s a d v a n t a g e o f u s i n g t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r f o r t h e  e l d t e s t i s t h e n e e d t o
2 7
m o d i f y o n e o f t h e 3 d i  e r e n t p r o g r a m s u s e d f o r r a m p m e t e r i n g b y t h e d i  e r e n t C a l t r a n s d i s t r i c t s ,
w h e r e m o d i  c a t i o n s d o n e o n o n e p r o g r a m a r e u s e l e s s f o r t h e o t h e r t w o .
T h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r , w h i c h i s b a s e d o n t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r , w a s b u i l t a s a  e l d p r o c e s s o r a n d
c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t h t h e i n t e n t i o n t o s a t i s f y t h e h i g h - e n d n e e d s o f t h e a d v a n c e d f r e e w a y a n d
u r b a n t r a  c c o n t r o l s y s t e m . T h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r i s e a s i e r t o w o r k w i t h t h a n t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r . B y
u s i n g t h i s c o n t r o l l e r f o r t h e  e l d t e s t , i t i s p o s s i b l e t o h a v e t h e r e s o u r c e s t o i m p l e m e n t s o p h i s t i c a t e d
a l g o r i t h m s t h a t r e q u i r e g r e a t e r p e r f o r m a n c e a n d  e x i b i l i t y t h a n t h a t a v a i l a b l e i n t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r .
E v e n t h o u g h C a l t r a n s d o e s n o t c o m m o n l y h a v e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r d e p l o y e d i n f r e e w a y s f o r r a m p
m e t e r i n g , i t i s p o s s i b l e a n d v e r y s i m p l e t o s w i t c h a 1 7 0 c o n t r o l l e r b y a 2 0 7 0 c o n t r o l l e r . A l l 2 0 7 0
c o n t r o l l e r s a r e c o m p a t i b l e w i t h t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r c a b i n e t . A t t h i s p o i n t , C a l t r a n s d o e s n o t h a v e a
c o m p l e t e d r a m p m e t e r i n g s o f t w a r e f o r t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r . H o w e v e r , t h e y h a v e b e e n d e v e l o p i n g t h e
U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) , w h i c h i s i n i t s t e s t i n g s t a g e .
T h e r e w e r e d i  e r e n t o p t i o n s c o n s i d e r e d f o r t h e p u r p o s e o f p e r f o r m i n g t h e  e l d t e s t u s i n g e i t h e r
t h e 1 7 0 o r t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r , f r o m w h i c h t w o s t a n d o u t :
1 . M o d i f y t h e c u r r e n t r a m p m e t e r i n g s o f t w a r e f o r t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r u s e d i n D i s t r i c t 4 f o r r a m p
m e t e r i n g
2 . C o l l a b o r a t e w i t h C a l t r a n s i n t h e c o m p l e t i o n o f a r a m p m e t e r i n g s o f t w a r e f o r t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r
a n d u s e t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r i n s t e a d o f t h e 1 7 0 c o n t r o l l e r
A f t e r c o n s i d e r i n g t h e t w o p o s s i b i l i t i e s a n d d i s c u s s i n g t h e m w i t h S e a n C o u g h l i n , C a l t r a n s D i s t r i c t
4 e n g i n e e r , a n d H e r a s m o I n i g u e z , C a l t r a n s H e a d q u a r t e r s e n g i n e e r , i t w a s d e c i d e d t o u s e t h e s e c o n d
a p p r o a c h . B o t h e n g i n e e r s a g r e e d t h a t u s i n g t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r i s b e t t e r i n t h e l o n g r u n .
I n t h e T . O . 6 3 2 9 R F P , i t w a s m e n t i o n e d t h a t H e r a s m o I n i g u e z w a s g o i n g t o b e i n v o l v e d i n
t h e i m p l e m e n t a t i o n o f A L I N E A a n d q u e u e c o n t r o l i n t h e U R M S . H o w e v e r , H e r a s m o I n i g u e z i s n o t
i n v o l v e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e U R M S a n y m o r e . D a v i d J . W e l l s , t r a  c o p e r a t i o n s / I T S p r o j e c t s
& s t a n d a r d s e n g i n e e r i s t h e c u r r e n t d e v e l o p e r o f t h e s o f t w a r e . F o r t h i s r e a s o n , i s s u e s r e l a t e d t o t h e
U R M S s o f t w a r e w i l l b e s o l v e d w i t h h i s c o l l a b o r a t i o n .
II. 1.2 On- ramp test site selection
A n o n - r a m p t e s t s i t e i n t h e B a y A r e a D i s t r i c t h a s b e e n c h o s e n i n o r d e r t o p e r f o r m t h e  e l d t e s t .
A l a n S . C h o w a n d M e h r a n L a j e v a r d i h e l p e d i n t h e p r o c e s s o f  n d i n g a s i n g l e l a n e o n - r a m p w i t h
h i g h s t o r a g e c a p a c i t y a n d h i g h d e m a n d i n o r d e r t o h a v e f a v o r a b l e c o n d i t i o n s f o r d a t a c o l l e c t i o n a n d
2 8
a n a l y s i s . T h e c h o s e n t e s t s i t e i s t h e H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o S / B 8 8 0 ( s e e F i g u r e 1 6 ) .
M e h r a n L a j e v a r d i h a s p r o v i d e d t h e " a s b u i l t " p d f  l e o f t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p . T h i s d o c u m e n t
w a s u s e d t o d i s c u s s w i t h S e n s y s N e t w o r k s I n c . a n d R e p u b l i c I T S p e r s o n n e l t h e e q u i p m e n t a n d
i n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s a n d c o s t s a s s o c i a t e d w i t h t h e  e l d t e s t .
F i g u r e 1 6 : H e g e n b e r g e r R d . L o o p o n - r a m p t o S / B 8 8 0
I f f o r u n f o r e s e e n r e a s o n s i t b e c o m e s i n f e a s i b l e t o p e r f o r m t h e  e l d t e s t i n t h e s e l e c t e d o n - r a m p
o r a n y o t h e r o n - r a m p i n D i s t r i c t 4 , t h e  e l d t e s t c o u l d b e p e r f o r m e d i n t h e N o r t h C e n t r a l D i s t r i c t .
II. 1.3 Hegenberger on- ramp study
A s t u d y o f t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p w a s p e r f o r m e d . O n e o f t h e o b j e c t i v e w a s t o u n d e r s t a n d t h e
s p e c i  c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o S / B 8 8 0 t o d e t e r m i n e t h e s e n s o r
a n d i n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s f o r t h e  e l d t e s t . F u r t h e r m o r e , t h i s s t u d y h e l p e d t o i d e n t i f y t h e t y p e
o f v e h i c l e s ( c a r s v s t r u c k s ) u s i n g t h e o n - r a m p a n d t h e i r i n  u e n c e o n q u e u e f o r m a t i o n .
O n O c t o b e r 3 , 2 0 0 8 , a m a n u a l c o u n t a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f v e h i c l e g e t t i n g i n t o t h e o n - r a m p
w a s c o n d u c t e d . I t w a s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e c a p a c i t y o f t h e r a m p b a s e d o n t h e q u e u e o b s e r v e d
( s e e F i g u r e 1 7 ) . I n a d d i t i o n , i t w a s c o n c l u d e d t h a t t r a  c l i g h t s f r o m t h e a r t e r i a l s t r e e t d i r e c t l y
a  e c t t h e i n  o w o f c a r s i n t o t h e o n - r a m p . C a r s u s u a l l y g e t i n t o t h e o n - r a m p i n p l a t o o n s . M o r e o v e r ,
i t w a s p o s s i b l e t o w i t n e s s t h e e  e c t t h a t t h e q u e u e e x c e e d i n g t h e o n - r a m p c a p a c i t y h a s o n t h e
a d j a c e n t s t r e e t s . F i n a l l y , t h e m a i n l i n e l o o p d e t e c t o r s t a t i o n l o c a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e o n - r a m p
2 9
w a s i d e n t i  e d . T h i s i n f o r m a t i o n i s i m p o r t a n t f o r t h e  e l d t e s t b e c a u s e s o m e a l g o r i t h m s l i k e A L I N E A
n e e d t o b e m o d i  e d d e p e n d i n g o n s e n s o r l o c a t i o n ( u p s t r e a m v s d o w n s t r e a m ) .
F i g u r e 1 7 : H e g e n b e r g e r O n r a m p w i t h Q u e u e
II. 1.4 2070 controller and OS- 9 operating system familiarization
I n o r d e r t o l e a r n h o w t o u s e a n d w r i t e a p p l i c a t i o n s f o r t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r , a u n i t w a s a c q u i r e d .
T o b e a b l e t o u s e t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r f o r t h e  e l d t e s t , i t w a s n e c e s s a r y t o u n d e r s t a n d h o w t o
i n t e r a c t w i t h t h e c o n t r o l l e r u s i n g i t s o p e r a t i n g s y s t e m . M o s t u s e r s o f t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r o n l y n e e d
t o l e a r n h o w t o u s e t r a  c a p p l i c a t i o n s o f t w a r e l i k e t h e T r a  c S i g n a l C o n t r o l P r o g r a m ( T S C P ) .
D o c u m e n t a t i o n a n d t r a i n i n g i s a v a i l a b l e f o r t h i s t y p e o f u s e . H o w e v e r , t h i s p r o j e c t r e q u i r e s w r i t i n g ,
c o m p i l i n g a n d l o a d i n g a p p l i c a t i o n s f o r t h e c o n t r o l l e r u s i n g a n O S - 9 c r o s s - c o m p i l e r e n v i r o n m e n t .
T h i s i s a c h a l l e n g i n g t a s k d u e t o t h e l i m i t e d d o c u m e n t a t i o n o n t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r d e v i c e d r i v e r s
a n d t h e n e e d t o l e a r n h o w t o u s e a n d i n t e r a c t w i t h t h e O S - 9 o p e r a t i n g s y s t e m . D o c u m e n t a t i o n ,
m a n u a l s , a n d b a s i c c o d e w a s s t u d i e d i n o r d e r t o l e a r n h o w t o w r i t e , c o m p i l e a n d l o a d a p p l i c a t i o n s
i n t o t h e c o n t r o l l e r . I t h a s b e e n p o s s i b l e t o c o m p i l e a n d l o a d i n t o t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r m o d u l e s t h a t
p e r f o r m b a s i c f u n c t i o n s l i k e c o n t r o l l i n g t h e f r o n t p a n e l l e d o r r e a d i n g / w r i t i n g t o t h e  e l d I / O p o r t .
B e c o m i n g s k i l l e d a t w r i t i n g , c o m p i l i n g a n d l o a d i n g c o d e f o r t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r w a s n e e d e d i n
o r d e r t o b e a b l e t o u n d e r s t a n d , m o d i f y , a n d c o m p i l e t h e U R M S s o u r c e c o d e .
3 0
II. 1.5 URMS source code acquisition, familiarization, and analysis with David J. Wells, URMS soft-ware
developer
G e t t i n g a s o u r c e c o d e c o p y r e l a s e o f t h e U R M S w a s a c h a l l e n g i n g t a s k . D u e t o t h e f a c t t h a t
t h i s s o f t w a r e i s c o p y r i g h t e d b y o r g a n i z a t i o n s o u t s i d e o f C a l t r a n s , i t t o o k t i m e t o g e t a c c e s s t o
t h e c o m p l e t e s o u r c e c o d e . T h e U R M S w a s o b t a i n e d u n d e r a c o n  d e n t i a l i t y a n d n o n - d i s c l o s u r e
a g r e e m e n t w i t h t h e h e l p o f D a v i d J . W e l l s .
O n c e t h e U R M S s o u r c e c o d e w a s a v a i l a b l e , i t w a s n e c e s s a r y t o s t u d y a n d u n d e r s t a n d t h e c o d e
i n o r d e r t o i d e n t i f y w h i c h p a r t s n e e d t o b e m o d i  e d . D u e t o t h e m o d u l a r s t r u c t u r e o f t h i s s o f t w a r e ,
i t s e e m s t h a t o n l y o n e o f t h e t e n m o d u l e s o f t h e U R M S n e e d s t o b e c h a n g e d . M o d i  c a t i o n s w i l l
b e r e q u i r e d o n t h e t i m i n g m o d u l e , w h i c h h a n d l e s t r a  c c a l c u l a t i o n s a n d m e t e r t i m i n g . T h e t i m i n g
m o d u l e w a s s t u d i e d i n d e t a i l e d i n o r d e r t o u n d e r s t a n d i t s s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n s , a n d i d e n t i f y
t h e l o c a t i o n s w h e r e m o d i  c a t i o n s a r e r e q u i r e d f o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f q u e u e c o n t r o l a n d r a m p
m e t e r i n g a l g o r i t h m s .
O n J u l y 1 6 2 0 0 8 , a m e e t i n g b e t w e e n D a v i d J . W e l l s , N a t h a n L o e b s , R o b e r t o H o r o w i t z , a n d
R e n e O . S a n c h e z t o o k p l a c e i n S a c r a m e n t o . I n t h i s m e e t i n g , t h e U R M S a n d i t s t i m i n g m o d u l e w e r e
d i s c u s s e d i n o r d e r t o a g r e e o n t h e m o d i  c a t i o n s n e e d e d t o c o m p l e t e t h e  e l d t e s t .
II. 1.6 Sensys wireless vehicle detection system analysis
D o c u m e n t a t i o n o f t h e S e n s y s w i r e l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n s y s t e m h a s b e e n r e v i e w e d t o d e t e r m i n e i f
t h i s d e t e c t i o n s y s t e m i s t h e m o s t a p p r o p r i a t e f o r t h e  e l d t e s t .
B a s e d o n [ 1 7 , 2 6 ] , a S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r c a n b e i n s t a l l e d a n d c o n n e c t e d t o a t r a  c c a b i n e t i n
s u c h a w a y t h a t t h e i n f o r m a t i o n i t p r o v i d e s t o t h e t r a  c c o n t r o l l e r i s i d e n t i c a l t o t h a t p r o v i d e d b y
a n i n d u c t i v e l o o p d e t e c t o r c u r r e n t l y u s e d i n C a l i f o r n i a . T h i s f e a t u r e o f t h e S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r s
a l l o w s f o r t h e u s e o f t h e U R M S w i t h o u t m o d i f y i n g t h e w a y s e n s o r d a t a i s o b t a i n e d a n d p r o c e s s e d
b y t h e c o n t r o l l e r . T h e U R M S s o f t w a r e w i l l a c c e s s a n d p r o c e s s t h e S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r d a t a i n
t h e s a m e w a y a s i t w i l l a c c e s s l o o p d e t e c t o r d a t a .
T h e e a s e o f i n s t a l l a t i o n o n t h e  e l d i s a n o t h e r a d v a n t a g e o f t h e S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r i n c o m -
p a r i s o n t o o t h e r s e n s o r s . A S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r c a n b e i n s t a l l e d i n l e s s t h a n 1 0 m i n u t e s . T h i s e a s e
o f i n s t a l l a t i o n g i v e s t h i s d e t e c t o r a n a d v a n t a g e w h e n c o m p a r e t o i n d u c t i v e l o o p d e t e c t o r s , w h i c h
t a k e m o r e t i m e t o i n s t a l l a n d r e q u i r e m o r e w i r i n g .
I n c o n c l u s i o n , t h e S e n s y s w i r e l e s s v e h i c l e d e t e c t i o n s y s t e m i s t h e b e s t o p t i o n t o i n t r o d u c e e x t r a
d e t e c t i o n o n t h e  e l d b e c a u s e i t d o e s n o t r e q u i r e U R M S m o d i  c a t i o n s a n d b e c a u s e i s e a s y t o i n s t a l l .
3 1
II. 1.7 Sensing equipment discussion and collaboration agreement with Sensys Networks Inc.
O n J u l y 2 3 , 2 0 0 8 , a m e e t i n g w i t h S e n s y s N e t w o r k s p e r s o n n e l w a s h e l d t o d i s c u s s t h e  e l d t e s t
p r o j e c t . T h i s m e e t i n g w a s u s e f u l t o i d e n t i f y t h e w a y s i n w h i c h S e n s y s N e t w o r k s c o u l d c o n t r i b u t e
t o w a r d s t h e c o m p l e t i o n o f t h e  e l d t e s t . D u r i n g t h e m e e t i n g , t h e H e g e n b e r g e r R d . L o o p o n - r a m p t o
S / B 8 8 0 w a s e v a l u a t e d t o d e t e r m i n e t h e S e n s y s e q u i p m e n t n e e d e d f o r t h e  e l d t e s t a n d t h e p r o p e r
l o c a t i o n f o r i t s i n s t a l l a t i o n . F i n a l l y , t h e f e a s i b i l i t y o f v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n a s a m e t h o d t o m e a s u r e
o n - r a m p q u e u e w a s a n a l y z e d . A f t e r t h e e v a l u a t i o n i t w a s d e t e r m i n e d t h a t v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n
w o u l d b e u s e d o n t h e  e l d t e s t . F i n a l l y , i t w a s a c c o r d e d t h a t S e n s y s N e t w o r k s w i l l h e l p w i t h t h e
d e v e l o p m e n t o f a n a p p l i c a t i o n t o e s t i m a t e q u e u e - l e n g t h b a s e d o n v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n a l g o r i t h m s
u s i n g a r r a y s o f S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r s [ 2 2 , 2 1 ] .
O n S e p t e m b e r 2 4 , 2 0 0 8 , a n o t h e r m e e t i n g t o o k p l a c e w i t h S e n s y s N e t w o r k s p e r s o n n e l i n o r d e r
t o d i s c u s s s p e c i  c i s s u e s o f t h e  e l d t e s t . O f p a r t i c u l a r i n t e r e s t w a s t o d i s c u s s h o w t o i n t e r f a c e t h e
S e n s y s e q u i p m e n t a n d t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r i n o r d e r t o c o m m u n i c a t e q u e u e l e n g t h e s t i m a t e s b e t w e e n
a c c e s s p o i n t a n d t r a  c c o n t r o l l e r . P r e v i o u s t o t h i s m e e t i n g , t h i s w a s d i s c u s s e d w i t h D a v i d J . W e l l s ,
d e v e l o p e r o f t h e U R M S , i n o r d e r t o g e t h i s a d v i c e o n t h e m a t t e r . F i n a l l y , S N A P S , w h i c h i s t h e
S e n s y s a p p l i c a t i o n t h a t w i l l a l l o w f o r t h e c o l l e c t i o n o f S e n s y s s e n s o r s d a t a d i r e c t l y f r o m t h e o n - r a m p
i n t o a s e r v e r , w a s d i s c u s s e d .
II. 1.8 Sensor Equipment Installation planning with Republic ITS
R e p u b l i c I n t e l l i g e n t T r a n s p o r t a t i o n S y s t e m s ( R e p u b l i c I T S ) i s t h e c o n t r a c t o r t h a t w i l l b e i n c h a r g e o f
t h e i n s t a l l a t i o n o f t h e S e n s y s e q u i p m e n t o n t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p . I n o r d e r t o g e t a f o r m a l q u o t e
o f t h e i n s t a l l a t i o n c o s t , a c o n f e r e n c e s c a l l w i t h R o b e r t A s u n c i o n , o p e r a t i o n s m a n a g e r f o r R e p u b l i c
I T S , w a s a r r a n g e d o n N o v e m b e r 1 1 , 2 0 0 8 . D u r i n g t h e c o n v e r s a t i o n , t h e  e l d t e s t i m p l e m e n t a t i o n
o f q u e u e c o n t r o l p r o j e c t w a s e x p l a i n e d a n d d i s c u s s e d . T h e f o l l o w i n g a r e i m p o r t a n t t h i n g s t o s t a n d
o u t :
T h e i n s t a l l a t i o n c a n b e c o m p l e t e d b y R e p u b l i c I T S i n o n e d a y . T h e m a i n c h a l l e n g e i s c o o r d i -
n a t i n g w i t h C a l t r a n s o n t h e d a t e a n d o n t h e c o l l a b o r a t i o n f o r l a n e c l o s u r e . M o s t l i k e l y , C a l t r a n s
w i l l r e q u i r e R e p u b l i c I T S t o m a k e t h e i n s t a l l a t i o n a t n i g h t . T h i s m e a n s t h a t t h e i n s t a l l a t i o n c o s t
w i l l b e h i g h e r , s i n c e R e p u b l i c I T S w i l l b e r e q u i r e d t o p a y o v e r t i m e t o t h e i r w o r k e r s .
U s u a l l y , a n e n c r o a c h m e n t p e r m i t f o r t h i s t y p e o f i n s t a l l a t i o n w i l l c o s t a r o u n d 5 0 0 t o 1 0 0 0
d o l l a r s . R e p u b l i c I T S n e e d s t o a p p l y f o r a p e r m i t , s i n c e R e p u b l i c I T S w o r k e r s w o u l d b e p e r f o r m i n g
t h e i n s t a l l a t i o n . T h e r e i s t h e p o s s i b i l i t y t o h a v e t h e e n c r o a c h m e n t f e e w a i v e d , s i n c e t h e  e l d t e s t
p r o j e c t i s f u n d e d b y C a l t r a n s . D u r i n g t h e c o n v e r s a t i o n i t w a s m e n t i o n e d t h a t A l a n S C h o w a n d
3 2
M e h r a n L a j e v a r d i h e l p e d i n t h e s e l e c t i o n o f t h e o n - r a m p a n d a r e w i l l i n g t o h e l p i n t h e  e l d t e s t
p r o j e c t . R o b e r t A s u n c i o n m e n t i o n e d t h a t t h i s i n f o r m a t i o n w i l l b e i n c l u d e d i n h i s p e r m i t a p p l i c a t i o n
t o s e e i f i t i s p o s s i b l e t o g e t e x t r a c o l l a b o r a t i o n f r o m D i s t r i c t 4 , e s p e c i a l l y f o r r o a d c l o s u r e a n d t r a  c
r e r o u t i n g .
T h e C a l t r a n s E n c r o a c h m e n t P e r m i t M a n u a l e s t i m a t e s t h a t i t s h o u l d t a k e l e s s t h a n 6 0 d a y s t o
g e t a p e r m i t , b u t s i n c e R e p u b l i c I T S i s f a m i l i a r w i t h t h e p e r m i t p r o c e s s a n d C a l t r a n s e n g i n e e r s , i t
u s u a l l y t a k e s R e p u b l i c I T S a r o u n d 1 0 d a y s . A g o o d t i m e t o p l a c e t h e S e n s y s e q u i p m e n t o r d e r w i l l
b e w h e n R e p u b l i c I T S s t a r t s t h e e n c r o a c h m e n t p e r m i t p r o c e s s .
A f t e r t h e c o n f e r e n c e c a l l , a n a n a l y s i s o f t h e i n s t a l l a t i o n s e r v i c e n e e d e d f o r t h e  e l d t e s t w a s
c o n d u c t e d b y R o b e r t A s u n c i o n i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e i n s t a l l a t i o n c o s t .
II. 1.9 Field test methodology modification
A f t e r d e c i d i n g t h a t a S e n s y s v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n a p p l i c a t i o n w a s g o i n g t o b e u s e d f o r t h e  e l d
t e s t , t h e o r i g i n a l p l a n p r o p o s e d i n t h e T . O . 6 3 2 9 R F P w a s n o l o n g e r a p p l i c a b l e . T h e r e i s a f u n -
d a m e n t a l d i  e r e n c e b e t w e e n t h e n e w m e t h o d o l o g y i n c o m p a r i s o n w i t h t h e p r e v i o u s o n e . T h e n e w
a p p r o a c h i n c l u d e s a s o n e o f t h e q u e u e e s t i m a t i o n m e t h o d s , a v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n a p p l i c a t i o n
u s i n g a r r a y s o f S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r s i n s t e a d o f p l a c i n g S e n s y s d e t e c t o r s a l o n g t h e o n - r a m p . F o r
t h i s r e a s o n , i t w a s n e c e s s a r y t o m a k e c h a n g e s t o t h e o r i g i n a l  e l d t e s t p l a n . T h e c o m p l e t e m o d i  e d
m e t h o d o l o g y i s d e s c r i b e d i n S e c t i o n I I . 2 .
II. 1.10 Hardware- in- the- Loop On- ramp Simulation Tool to Debug and Test the Universal Ramp Me-tering
Software
A h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o n ( H I L S ) s y s t e m w a s d e v e l o p e d a s a t o o l t o a s s i s t i n t h e c o m p l e t i o n
o f t h e r a m p m e t e r i n g w i t h q u e u e c o n t r o l  e l d t e s t .
B e f o r e d e p l o y i n g a 2 0 7 0 c o n t r o l l e r w i t h a m o d i  e d U R M S i n t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p , i t m u s t
b e t h o r o u g h l y d e b u g g e d . I n a d d i t i o n , t h e m o d i  e d s o f t w a r e m u s t b e t e s t e d a n d a p p r o v e d b y D 4
e n g i n e e r s b e f o r e i t c a n b e u s e d o n t h e  e l d . T h e u n m o d i  e d U R M S s o f t w a r e h a s a l r e a d y b e e n
d e b u g g e d a n d t e s t e d b y C a l t r a n s e n g i n e e r s b e f o r e i t s r e l e a s e f o r p r e l i m i n a r y t e s t i n g i n t h e  e l d
u s i n g a t r a d i t i o n a l t r a  c c o n t r o l l e r s u i t c a s e t e s t e r d e v i c e ( s e e F i g u r e 1 8 ) . H o w e v e r , o n e o f t h e
m a i n d r a w b a c k s o f t h i s t e s t e r i s t h e n e e d t o m a n u a l l y o p e r a t e m e c h a n i c a l s w i t c h e s t o s i m u l a t e l o o p
d e t e c t o r s i g n a l s . T h i s d e b u g g i n g a n d t e s t i n g a p p r o a c h b e c o m e s d i  c u l t a n d s o m e t i m e s i n a p p r o -
p r i a t e w h e n c o o r d i n a t i o n o f s i g n a l a c t u a t i o n i s r e q u i r e d , a s w i l l b e t h e c a s e f o r t h e  e l d t e s t . T o
3 3
d e b u g a n d t e s t t h e m o d i  e d U R M S , i t w i l l b e n e c e s s a r y t o r e c r e a t e t h e d u a l d e t e c t o r s i g n a l s u s e d
t o m e a s u r e v e h i c l e s p e e d u p s t r e a m o f t h e o n - r a m p , w i t h g o o d a c c u r a c y . F o r t h i s r e a s o n , i t w a s
d e c i d e d t o d e s i g n a n d b u i l d a h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o n s y s t e m t o r e p l i c a t e i n r e a l - t i m e t h e
H e g e n b e r g e r o n - r a m p d e t e c t o r s i g n a l s . S e e S e c t i o n I I . 3 f o r a d e t a i l e d e x p l a n a t i o n o f t h i s t o o l .
F i g u r e 1 8 : T r a  c c o n t r o l l e r s u i t c a s e t e s t e r u s e d t o e v a l u a t e t h e U R M S
3 4
II. 2 Modified Methodology
T o p r e v e n t t h e o n - r a m p q u e u e f r o m s p i l l i n g o v e r i n t o s u r f a c e s t r e e t s a n d i n t e r f e r i n g w i t h t h e s t r e e t
t r a  c , t h e q u e u e l e n g t h m u s t b e r e g u l a t e d . T h e c u r r e n t l y u s e d " q u e u e - o v e r r i d e " s c h e m e s t e a d i l y
i n c r e a s e s t h e m e t e r i n g r a t e w h e n e v e r t h e e n d o f t h e q u e u e r e a c h e s t h e q u e u e d e t e c t o r , u n t i l t h e
m e t e r i n g r a t e s a t u r a t e s t o t h e m a x i m u m v a l u e . A f t e r t h e q u e u e d i s s i p a t e s , t h e m e t e r i n g r a t e i s
r e s e t t o t h e v a l u e d e t e r m i n e d b y t h e r a m p - m e t e r i n g c o n t r o l l e r . T h i s s c h e m e i s e q u i v a l e n t t o a n
i n t e g r a l c o n t r o l w i t h s a t u r a t e d i n t e g r a t i n g r a t e a n d r e s e t t i n g , w h i c h c a n b e e a s i l y s h o w n n o t t o b e
a s y m p t o t i c a l l y s t a b l e , g i v e n t h a t t h e q u e u e - l e n g t h d y n a m i c s i s a s i m p l e i n t e g r a t o r .
I f t h e q u e u e l e n g t h c o u l d b e m e a s u r e d , a n a s y m p t o t i c a l l y s t a b l e P I r e g u l a t o r c o u l d b e d e s i g n e d
t o s t a b i l i z e t h e c l o s e l o o p q u e u e d y n a m i c s [ 2 8 ] . H o w e v e r , t h e P I r e g u l a t o r n e e d s t h e c u r r e n t q u e u e
l e n g t h a s i t s f e e d b a c k , w h i c h u n f o r t u n a t e l y i s n o t a v a i l a b l e i n t h e  e l d . T h e r e f o r e , a s u i t a b l e q u e u e
l e n g t h e s t i m a t o r h a s t o b e d e s i g n e d , a s d e s c r i b e d i n [ 2 8 ] , u s i n g a v a i l a b l e i n f o r m a t i o n , s u c h a s t h e
v e h i c l e s p e e d m e a s u r e d b y t h e q u e u e d e t e c t o r .
A  e l d t e s t h a s b e e n p r o p o s e d i n o r d e r t o i m p l e m e n t Q u e u e C o n t r o l o n a B a y A r e a D i s t r i c t
( D 4 ) o n - r a m p a n d s t u d y i t s e  e c t i n m i n i m i z i n g q u e u e a n d m a i n l i n e d e n s i t y o s c i l l a t i o n s a n d e n h a n c -
i n g p e r f o r m a n c e . T h i s w i l l b e a c c o m p l i s h e d b y u s i n g a 2 0 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r r u n n i n g a m o d i  e d
U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g S o f t w a r e ( U R M S ) .
T h e  e l d t e s t h a s b e e n d e s i g n e d t o a n s w e r t h e f o l l o w i n g q u e s t i o n s :
1 . W h a t i s t h e b e s t t e c h n i q u e f o r e s t i m a t i n g q u e u e - l e n g t h i n a n o n - r a m p ?
2 . D o e s t h e s i m p l e q u e u e o v e r r i d e p r o d u c e o s c i l l a t i o n s i n t h e l e n g t h o f t h e q u e u e ?
3 . A r e t h e s e o s c i l l a t i o n s a t t e n u a t e d b y t h e Q u e u e C o n t r o l l e r ?
4 . D o e s t h e Q u e u e C o n t r o l l e r d e c r e a s e t h e i n c i d e n c e o f o v e r s p i l l i n g o n - r a m p q u e u e s ?
5 . D o e s t h e Q u e u e C o n t r o l l e r d e c r e a s e t h e f r e q u e n c y o f t h e o v e r r i d e , a n d t h u s e n h a n c e c o o r d i -
n a t i o n ?
6 . W h a t d a t a a n d h a r d w a r e r e q u i r e m e n t s a r e n e c e s s a r y t o i m p l e m e n t t h e q u e u e r e g u l a t o r ?
T h e c r i t e r i a u s e d f o r t h e t e s t s i t e s e l e c t i o n i n c l u d e :
1 . t h e r a m p i s u n d e r l o c a l c o n t r o l ,
2 . i t h a s f u n c t i o n i n g q u e u e d e t e c t o r s ,
3 5
3 . i t i s s u b j e c t t o h e a v y d e m a n d a n d l o n g o n - r a m p q u e u e s , l e a d i n g t o f r e q u e n t q u e u e o v e r r i d e s .
T w o d i  e r e n t q u e u e - l e n g t h e s t i m a t i o n m e t h o d s w i l l b e e v a l u a t e d a n d o n e w i l l b e c h o s e n t o b e p a r t o f
t h e q u e u e - l e n g t h e s t i m a t i o n a n d r e g u l a t i o n a l g o r i t h m . T h e  r s t m e t h o d i s a q u e u e - l e n g t h e s t i m a t o r
b a s e d o n a s i m p l i  e d m o d e l f o r t h e d r i v i n g b e h a v i o r o f a v e h i c l e t h a t i s a p p r o a c h i n g t h e e n d o f
t h e q u e u e : t h e v e h i c l e d e c e l e r a t e s a t a c o n s t a n t r a t e f r o m i t s c r u i s i n g s p e e d , u n t i l i t s t o p s . B y
m e a s u r i n g s p e e d u p s t r e a m o f t h e o n - r a m p i t w i l l b e p o s s i b l e t o c a l c u l a t e t h e q u e u e - l e n g t h . T h e
s e c o n d m e t h o d e s t i m a t e s t h e l e n g t h o f t h e q u e u e u s i n g a v e h i c l e r e - i d e n t i  c a t i o n a l g o r i t h m [ 2 2 , 2 1 ] .
T h i s s c h e m e i s b a s e d o n m a t c h i n g i n d i v i d u a l v e h i c l e s i g n a t u r e s o b t a i n e d f r o m S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r
a r r a y s p l a c e d a t t h e t w o e n d s o f t h e o n - r a m p .
T h e  e l d t e s t w i l l b e c o n d u c t e d i n t h r e e s t a g e s . I n t h e  r s t s t a g e , t h e t w o q u e u e - l e n g t h e s t i m a t i o n
m e t h o d s w i l l b e e v a l u a t e d . F o r t h i s s t a g e i t w i l l n o t b e n e c e s s a r y t o d i s r u p t t h e c u r r e n t m e t e r i n g
s t r a t e g y a t t h e c h o s e n o n - r a m p . T h e s e n s o r d a t a c a n b e c o l l e c t e d a n d t h e q u e u e - l e n g t h e s t i m a t i o n
a l g o r i t h m s c a n b e v a l i d a t e d w i t h o u t t h e n e e d t o m o d i f y t h e U R M S o r a n y o t h e r r a m p m e t e r i n g
s o f t w a r e c u r r e n t l y r u n n i n g o n t h e o n - r a m p . T h e d a t a f r o m t h e S e n s y s w i r e l e s s s e n s o r s c a n b e
c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s u s i n g a s t a n d a r d S e n s y s d a t a c o l l e c t i o n a p p l i c a t i o n . F o r t h e s e c o n d s t a g e , t h e
q u e u e - l e n g t h e s t i m a t o r a n d r e g u l a t o r w i l l b e t e s t e d o n t h e o n - r a m p . T h e a l g o r i t h m w i l l b e c o d e d
i n t o t h e U R M S a n d w i l l b e u s e d t o g e t h e r w i t h t h e c u r r e n t U R M S t r a  c r e s p o n s i v e r a m p m e t e r i n g
c o n t r o l l e r . F i n a l l y , t h e l a s t s t a g e a n d g o a l o f t h i s e x p e r i m e n t w i l l b e t o i m p l e m e n t t h e q u e u e - l e n g t h
e s t i m a t o r a n d r e g u l a t o r t o g e t h e r w i t h A L I N E A , a c l o s e l o o p l o c a l r a m p m e t e r i n g s t r a t e g y . T h e
a l g o r i t h m s w i l l b e c o d e d i n t o t h e U R M S , w h i c h w i l l b e l o a d e d i n t o a 2 0 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r a n d
t e s t e d o n t h e o n - r a m p .
3 6
II. 3 Hardware- in- the- Loop On- ramp Simulation Tool
II. 3.1 Summary
A n o n - r a m p s i m u l a t i o n s y s t e m t h a t c a n b e u s e d t o d e b u g a n d t e s t t h e U n i v e r s a l R a m p M e t e r i n g
S o f t w a r e ( U R M S ) i s p r e s e n t e d . T h e t o o l i n c l u d e s a s i m p l e c a r f o l l o w i n g m i c r o s c o p i c t r a  c m o d e l f o r
t h e o n - r a m p a n d a C o n t r o l l e r I n t e r f a c e D e v i c e ( C I D ) , w h i c h i n t e r f a c e s a s t a n d a r d p e r s o n a l c o m p u t e r
w i t h a 2 0 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r . T h e C I D c o n s i s t s o f t h e l o w c o s t a n d c o m m o n l y a v a i l a b l e N a t i o n a l
I n s t r u m e n t s ( N I ) U S B - 6 5 0 1 2 4 - C h a n n e l D i g i t a l I / O d e v i c e a n d a b a s i c c i r c u i t t h a t i n t e r f a c e s t h e
5 - V o l t T T L l o g i c f r o m t h e D i g i t a l I / O b o a r d t o t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r . T h e r e s u l t i n g h a r d w a r e - i n - t h e -
l o o p s i m u l a t i o n t o o l s y s t e m a t i c a l l y r e a d s t h e p h a s e s t a t e s f r o m t h e c o n t r o l l e r a n d c h a n g e s d e t e c t o r
s t a t e s b a s e d o n t h e c a r s t r a j e c t o r i e s a s d i s p l a y e d o n t h e o n - r a m p s i m u l a t o r . W i t h t h i s t o o l i t i s
p o s s i b l e t o c h e c k t h e p e r f o r m a n c e o f t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r r u n n i n g t h e U R M S a s i f t h e t r a  c c o n t r o l l e r
w a s o p e r a t i n g o n a s t a n d a r d o n - r a m p m a n a g e d b y C a l t r a n s . F i n a l l y , t h e r e a l - t i m e n a t u r e o f t h i s t o o l
i s d i s c u s s e d b a s e d o n a q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e s i m u l a t o r p e r f o r m a n c e r u n n i n g o n t h e W i n d o w s
X P o p e r a t i n g s y s t e m .
II. 3.2 Hardware- in- the- Loop Simulation
T h e h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o n ( H I L S ) c o n c e p t h a s b e e n u s e d t o c r e a t e a s i m u l a t i o n t o o l t o
t e s t t h e U R M S r u n n i n g o n a 2 0 7 0 c o n t r o l l e r . A p a r t i c u l a r f e a t u r e o f t h i s t y p e o f a r c h i t e c t u r e i s
t h a t t h e t r a  c s i m u l a t i o n m o d e l d o e s n o t i m p l e m e n t a n y c o n t r o l l o g i c , i n s t e a d i t c o n t r o l s t r a  c
 o w i n t h e s i m u l a t i o n b a s e d o n t h e p h a s e s t a t e s p r o d u c e d b y t h e t r a  c s i g n a l c o n t r o l e q u i p m e n t .
S i m u l t a n e o u s l y , t h e t r a  c s i g n a l c o n t r o l e q u i p m e n t u s e s t h e d e t e c t o r s i g n a l s g e n e r a t e d b y t h e
s i m u l a t i o n t o u p d a t e i t s c o n t r o l l o g i c ( s e e F i g u r e 1 9 ( a ) ) [ 4 ] . H I L S h a s b e e n u s e d i n t h e p a s t
t o i n t e r f a c e w i t h t r a  c s i g n a l c o n t r o l e q u i p m e n t f o r t e s t i n g p u r p o s e s ; h o w e v e r , p r e v i o u s s y s t e m s
f o c u s e d o n t e s t i n g i n t e r s e c t i o n c o n t r o l s o f t w a r e . T h e s i m u l a t i o n t i m e s t e p u s e d i n t h e s e s y s t e m s
i s o n t h e o r d e r o f s e c o n d s , a n d e q u i p m e n t i s u s e d p r i m a r i l y t o s i m u l a t e l o o p d e t e c t o r s i g n a l s u s e d
b y t r a  c c o n t r o l l e r s t o d e t e r m i n e c a r p r e s e n c e a n d a r o u g h e s t i m a t e o f o c c u p a n c y [ 2 3 , 2 0 ] . T h e
t o o l p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r i s p r i m a r i l y d e s i g n e d t o g e n e r a t e , t h r o u g h s i m u l a t i o n , t r a  c d e t e c t o r
s i g n a l s f o r a n o n - r a m p / f r e e w a y s y s t e m ( s e e F i g u r e 2 0 ( b ) ) w i t h s u  c i e n t r e s o l u t i o n t o a l l o w t h e 2 0 7 0
c o n t r o l l e r t o a c c u r a t e l y c a l c u l a t e v o l u m e , o c c u p a n c y , a n d s p e e d .
T h e H I L S s y s t e m p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r h a s t h r e e b a s i c c o m p o n e n t s : 1 ) a c o n t r o l l e r i n t e r f a c e
d e v i c e ( C I D ) , 2 ) a s o f t w a r e i n t e r f a c e m o d u l e , a n d 3 ) a m i c r o s c o p i c s i m u l a t i o n e n g i n e . A d e s c r i p t i o n
o f e a c h c o m p o n e n t i s p r e s e n t e d b e l o w .
3 7
CID
Computer running Simulation Tool
2070 Controller
running the URMS
a)
b)
Computer Controller Interface Device ( CID) 2070 Controller
Phase
States
Phase
States
Detector
States
Detector
States
F i g u r e 1 9 : ( a ) O n - r a m p s i m u l a t i o n t o o l a r c h i t e c t u r e ( b ) O n - r a m p s i m u l a t i o n t o o l s e t u p
II. 3.2.1 Computer Interface Device ( CID)
T h i s d e v i c e p r o v i d e s t h e i n t e r f a c e f r o m t h e 2 0 7 0 t r a  c c o n t r o l l e r t o t h e p e r s o n a l c o m p u t e r r u n n i n g
t h e t r a  c s i m u l a t i o n . T h e C I D h a s t w o m a i n e l e m e n t s : 1 ) t h e N I U S B - 6 5 0 1 d e v i c e a n d 2 ) a c u s t o m
e l e c t r o n i c c i r c u i t .
T h e N I U S B - 6 5 0 1 i s a p o r t a b l e d i g i t a l I n p u t / O u t p u t d e v i c e , w h i c h p r o v i d e s d a t a a c q u i s i t i o n a n d
c o n t r o l c a p a b i l i t i e s . W i t h p l u g - a n d - p l a y U S B c o n n e c t i v i t y , t h e N I U S B - 6 5 0 1 i s v e r y v e r s a t i l e a n d
c a n b e u s e d i n m o s t p e r s o n a l c o m p u t e r s . T h e N I U S B - 6 5 0 1 h a s 2 4 s i n g l e - e n d e d d i g i t a l l i n e s , w h i c h
c o m p r i s e t h r e e D I O p o r t s . I n t h i s t o o l , t w o p o r t s a r e c o n  g u r e d t o g e n e r a t e d e t e c t o r s i g n a l s a n d
o n e p o r t i s u s e d t o r e a d t h e p h a s e s t a t e s o u t p u t f r o m t h e c o n t r o l l e r . T h i s d e v i c e w a s c h o s e n b e c a u s e
o f i t s l o w p r i c e , p o r t a b i l i t y , a n d b e c a u s e w h e n u s e d w i t h L a b V I E W , i t p r o v i d e s a s t r a i g h t f o r w a r d
p r o c e d u r e t o i n t e r f a c e w i t h t h e s i m u l a t i o n e n g i n e . S i g n a l s c a n b e s e n t a n d r e c e i v e d u s i n g L a b V I E W
s t a n d a r d f u n c t i o n s t h a t c a n e a s i l y b e a c c e s s e d f r o m t h e s i m u l a t i o n .
3 8
T h e c u s t o m m a d e c i r c u i t w a s d e s i g n e d t o i n t e r f a c e t h e 5 - V o l t T T L l o g i c f r o m t h e d i g i t a l I / O
b o a r d t o t h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r . T h i s c i r c u i t w a s b u i l t u s i n g a m o d u l a r I C b r e a d b o a r d s o c k e t , S N 7 0 6
T T L h e x i n v e r t e r b u  e r s / d r i v e r s w i t h o p e n - c o l l e c t o r h i g h - v o l t a g e o u t p u t s , o n e 7 8 0 5 A v o l t a g e r e g -
u l a t o r , a n d a 1 2 - V o l t p o w e r s u p p l y .
T w o m a i n g o a l s o f t h e C I D d e s i g n s t a g e w e r e p o r t a b i l i t y a n d l o w c o s t . T h e p o r t a b i l i t y w a s
e n s u r e d w i t h t h e u s e o f a s m a l l U S B D I O b o a r d t h a t c a n b e u s e d i n m o s t p e r s o n a l c o m p u t e r s . T h e
l o w c o s t w a s a c h i e v e d b y u s i n g o n e o f t h e c h e a p e s t d a t a a c q u i s i t i o n b o a r d s o n t h e m a r k e t . T h e
c o m p o n e n t s t o b u i l d t h e C I D p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r c o s t l e s s t h a n 2 0 0 U . S . d o l l a r s .
II. 3.2.2 Software Interface Module
T h e s o f t w a r e i n t e r f a c e m o d e l p r o v i d e s t h e l i n k a g e b e t w e e n t h e C I D a n d t h e t r a  c s i m u l a t i o n p r o -
g r a m . T h e N I U S B - 6 5 0 1 b o a r d u s e d t o b u i l d t h e C I D c o m e s w i t h d r i v e r s t h a t c a n b e u s e d t o
d e v e l o p c u s t o m i z e d a p p l i c a t i o n s u s i n g N I L a b V I E W . T h e s e d r i v e r s s e r v e a s t h e s o f t w a r e i n t e r f a c e
m o d u l e , a n d d o n o t r e q u i r e a n y m o d i  c a t i o n w h e n u s e d i n t h e H I L S t o o l .
II. 3.2.3 Microscopic Simulation Engine
T h e s i m u l a t i o n e n g i n e w a s d e v e l o p e d u s i n g t h e N I L a b V I E W d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t . B e f o r e
d e c i d i n g t o c r e a t e a c u s t o m t r a  c m i c r o s c o p i c s i m u l a t o r , c o m m e r c i a l s i m u l a t o r p a c k a g e s w e r e c o n -
s i d e r e d . H o w e v e r , t h e t i m e s t e p s u s e d i n t h e s e s i m u l a t o r s w e r e n o t l o w e n o u g h f o r t h e r e s o l u t i o n
d e s i r e d f o r t h i s a p p l i c a t i o n , e . g . C O R S I M u s e s a 1 s e c o n d t i m e s t e p w h i l e V I S S I M c a n n o t g o
l o w e r t h a n 1 0 0 m i l l i s e c o n d s . T h i s l i m i t a t i o n w a s o n e r e a s o n f o r d e v e l o p i n g a m i c r o s c o p i c s i m u l a t i o n
s p e c i  c a l l y f o r a n o n - r a m p / f r e e w a y s y s t e m w i t h a t i m e s t e p b e t w e e n 1 a n d 1 0 m i l l i s e c o n d s . A n o t h e r
r e a s o n w a s t o h a v e t h e  e x i b i l i t y t o c u s t o m i z e t h e s i m u l a t i o n e n g i n e t o c o m p l e m e n t s o m e f e a t u r e s
o f t h e U R M S , e . g . c o n  g u r a t i o n a n d t e s t i n g m e n u s .
II. 3.3 The Model
I n o r d e r t o s i m u l a t e t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p / f r e e w a y s y s t e m ( s e e F i g u r e 2 0 ( a ) ) , i t w a s n e c e s s a r y t o
u s e a s i m p l i  e d l a y o u t t h a t w o u l d c a p t u r e t h e d e t e c t o r l o c a t i o n a n d t h e r a m p c h a r a c t e r i s t i c s . F i g u r e
2 0 ( b ) s h o w s a s i m p l i  e d c o n  g u r a t i o n o f t h e H e g e n b e r g e r o n r a m p / f r e e w a y s y s t e m t h a t f o l l o w s t h e
N T C I P t y p i c a l o n - r a m p l a y o u t a s c l o s e a s p o s s i b l e [ 2 ] , w h i c h i s a l s o t h e s t a n d a r d c o n  g u r a t i o n
u s e d i n t h e U R M S . T h e r a m p l a y o u t h a d t o b e s l i g h t l y m o d i  e d t o i n c o r p o r a t e d u a l d e t e c t i o n f o r
q u e u e - l e n g t h e s t i m a t i o n .
3 9
Detection Station
( data available from PeMS)
On- ramp Demand
( data Traffic Light State available from D4)
( available from 2070 Controller)
Q
T2
T3
T4
L1
L2
L3
L4
Legend:
L = Leading Detector
T = Trailing Detector
P = Passage Detector
D = Demand Detector
LO = On- ramp Leading Detector
TO = On- ramp Trailing Detector
Q = Queue Detector
TO LO
T1
D P
b)
a)
F i g u r e 2 0 : ( a ) H e g e n b e r g e r R d . l o o p o n - r a m p t o 8 8 0 s o u t h b o u n d ( b ) H e g e n b e r g e r o n - r a m p / m a i n l i n e
l a y o u t u s e d f o r t h e s i m u l a t i o n t o o l
A t r a  c c o n t r o l l e r o p e r a t i n g o n a n o n - r a m p i n C a l i f o r n i a i s u s u a l l y p r o g r a m m e d t o c o l l e c t d a t a
f r o m t h e o n - r a m p d e t e c t o r s , s e t t h e t r a  c l i g h t p h a s e s t a t e s , a n d c o l l e c t m a i n l i n e d e t e c t i o n s t a t i o n s
d a t a ( s o m e t i m e s m u l t i p l e m a i n l i n e d e t e c t i o n s t a t i o n s ) . I n o r d e r f o r t h e s i m u l a t i o n t o o l t o g e n e r a t e
t h e s i g n a l s t h a t a t r a  c c o n t r o l l e r w o u l d e n c o u n t e r i n t h e  e l d , i t w a s d e c i d e d t o s i m u l a t e t r a  c
c o n d i t i o n s o n t h e H e g e n b e r g e r o n - r a m p / m a i n l i n e s y s t e m w i t h t w o c o m p l e t e l y d i  e r e n t m o d e l s : 1 )
a c o n s t a n t v e l o c i t y m i c r o s c o p i c m a i n l i n e t r a  c m o d e l a n d 2 ) a s i m p l i  e d c a r f o l l o w i n g o n - r a m p
t r a  c m o d e l . T h e 2 0 7 0 c o n t r o l l e r i s a b l e t o r e a d t h e d e t e c t o r s t a t e s s e t b y b o t h m o d e l s a n d c a n
u p d a t e t h e o n - r a m p s i m u l a t i o n m e t e r i n g r a t e ( p h a s e s t a t e s ) . W i t h t h i s a p p r o a c h , o n - r a m p t r a  c
c o n d i t i o n s d o n o t h a v e a n y e  e c t o n t h e m a i n l i n e f r e e w a y s i m u l a t i o n . H o w e v e r , s i m u l a t e d m a i n l i n e
t r a  c c o n d i t i o n s m a y h a v e a n e  e c t o n t h e o n - r a m p s i m u l a t i o n d e p e n d i n g o n t h e r a m p m e t e r i n g
a l g o r i t h m s i m p l e m e n t e d i n t h e U R M S . T h e s i m u l a t i o n t o o l w a s d e s i g n e d i n t h i s w a y i n o r d e r t o
t e s t t r a  c r e s p o n s i v e r a m p m e t e r i n g a l g o r i t h m s l i k e A L I N E A [ 1 5 ] , w h e r e m a i n l i n e t r a  c c o n d i t i o n s
r e a d b y t h e c o n t r o l l e r a r e u s e d t o s e t t h e m e t e r i n g r a t e a t t h e o n - r a m p .
4 0
II. 3.3.1 Freeway Mainline Model
A c o n s t a n t v e l o c i t y m i c r o s c o p i c m a i n l i n e t r a  c m o d e l w a s u s e d t o m o d e l v e h i c l e t r a j e c t o r i e s o n t h e
m a i n l i n e . I n t h i s m o d e l , t h e c a r s o f a g i v e n f r e e w a y l a n e t r a v e l a t t h e s a m e s p e e d , a n d t h e i r p o s i t i o n
i s u p d a t e d e v e r y s i m u l a t i o n p e r i o d . T h e c a r t r a j e c t o r i e s s t a r t a t t h e b e g i n n i n g o f t h e f r e e w a y
s e g m e n t , a n d e n d w h e n t h e c a r r e a c h e s t h e e n d o f t h e f r e e w a y s e g m e n t , g i v e n b y t h e u s e r - s p e c i  e d
f r e e w a y l e n g t h ( s e e F i g u r e 2 1 ( l e f t ) ) . T h e c a r s a r e g e n e r a t e d b a s e d o n t h e  o w s p e c i  e d f o r e v e r y
c a l c u l a t i o n i n t e r v a l . T h e U R M S s o f t w a r e c a l c u l a t e s a g g r e g a t e s o f m a i n l i n e d a t a e v e r y 3 0 s e c o n d s .
F o r t h i s r e a s o n , p a r a m e t e r s f o r a g i v e n l a n e c a n b e u p d a t e d e v e r y 3 0 s e c o n d c a l c u l a t i o n i n t e r v a l
i n t h e s i m u l a t i o n . H o w e v e r , t h e c a l c u l a t i o n i n t e r v a l s h o u l d b e s e t t a k i n g t h e d a t a u s e d t o f e e d t h e
s i m u l a t o r i n t o a c c o u n t . F o r e x a m p l e , i f P e M S [ 2 5 ] d a t a a r e u s e d , t h e c a l c u l a t i o n i n t e r v a l s h o u l d b e
s e t e q u a l t o t h e t i m e g r a n u l a r i t y u s e d i n t h e d a t a s e t .
T h e m o d e l f o r t h e f r e e w a y c a n b e v e r y s i m p l e b e c a u s e t h e m a i n o b j e c t i v e o f t h i s p a r t o f t h e
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