Introduction to Active Traffic Management as a Tool for Addressing Traffic Congestion

Recurrent and  non-ecurrent congestion in urban areas  continues to be a major  concern due  to its adverse impacts on delays,  fuel consumption and  pollution, driver frustration, and  traffic  safety.  In  the  U.S.,  limited  public  funding  for  roadway  expansion  and improvement projects, coupled with continued growth in travel along congested urban freeway  corridors,  creates  a  pressing  need  for  innovative  congestion  management approaches.

Congestion management is  certainly not  a  new  concept. Strategies targeting demand management in response to recurrent congestion have been utilized for years. Examples include ramp metering, high  occupancy vehicle  (HOV)  lanes  and  value  pricing options. Other  strategies  focus  on  operational  management  such  as  incident  detection  and management in response to nonrecurring congestion. Many of these strategies rely on Intelligent Transportation Systems (ITS) for surveillance, congestion monitoring, and information  dessemination  and  aim  at  increasing  operational  efficiency  of  existing systems.

Active  Traffic  Management (ATM)  is  a  new  approach that  utilizes many   of  these  same principles  but  does  so  in  a  unified  manner  in  order  to  maximize  the  efficiency  of transportation facilities  during all periods of the  day  and  under both  recurrent and  non- recurrent congestion conditions. ATM typically relies on comprehensive automated systems to  continuously monitor and  adjust  roadway management strategies as  traffic  conditions change over time. This approach stresses automation, which in turn, allows for dynamic deployment of  strategies to  quickly optimize performance and  enhance throughput  and safety.  Through continuous system  monitoring, dynamic response, and  coordination of systems, ATM provides a holistic approach to transportation system  management (Sisiopiku et al., 2009).

Advanced traffic management options

ATM  is composed of a set  of different strategies that  can  work  synergistically (or  on  an individual  basis)   to   achieve    the   common  goal   of   congestion  alleviation.  Strategies

considered under the ATM umbrella include: speed harmonization, high occupancy vehicle lanes,  dynamic junction  control,  and  temporary shoulder use.  Details  on  the  principles of each of these options are provided below.

Speed harmonization

Speed  harmonization systems use  changeable speed limit  signs  posted over  each  lane  to regulate freeway speeds based on prevailing traffic conditions. Speed limits can be adjusted when freeway conditions are unsuitable for high speed operations, such as under adverse weather conditions or  low  visibility. Speed  limits  can  also  be  lowered when there  is  an incident or  congestion on  specific  segments in  order to  reduce the  chances  of secondary accidents and facilitate  a smoother flow of traffic.

Advanced versions of the speed harmonization strategy include dynamic implementation (based   on  real-time travel  demand, not  simply time  of  day)  along  with  dynamic speed controls to improve the overall safety and efficiency of freeway operations. Through speed harmonization, agencies  can  make  the  most  of existing  capacity by  delaying the  point  at which  flow breaks  down and stop-and-go conditions occur.

High Occupancy Vehicle (HOV) lanes

HOV lanes are lanes available to vehicles  that meet a minimum occupancy requirement. The main  purpose of  HOV  facilities  is  to  maximize the  passenger-carrying capacity of  the roadway, especially in  peak  periods. Entrance restrictions typically apply to  passenger vehicles  carrying less than  two  persons. The use  of HOV  lanes  by transit buses,  vanpools, and  carpools is  encouraged to  further increase   the  carrying capacity of  HOV  lanes  and lighten the traffic load of adjacent general use lanes.

The main objective of HOV use is to reduce congestion and encourage people to carpool or vanpool. This behavior reduces air pollution and  saves  money (NCDOT,  2008). HOV  lanes can  be open  24 hours a day,  7 days  a week,  or managed dynamically, in which  case they become  part  of ATM.

Often  HOV  lanes  are  utilized as  High  Occupancy Toll  Lanes  (HOT),  allowing single- occupant vehicles  to use HOV lanes  during peak  hours in return for a toll. Under the value priced management option, the tolls can change dynamically according to real-time traffic conditions and  manage the maximum number of cars in the HOT lanes  in order to keep  the traffic  lanes  free  of  congestion, even  during rush  hour.   Examples of  states  with  proven applications of HOT  lanes  include California, Colorado, Florida,  Minnesota, Texas,  Utah, and  Washington.

Junction control

The junction  control  strategy is a combination of ramp metering and  lane  control  at on- ramps (Berman  et al., 2006). Typically,  junction control  is applied at entrance ramps or at merge   points where the  number of  downstream lanes  is  fewer  than  that  of  upstream lanes.  In the U.S., this  strategy has  been  applied statically by dropping one lane  from  the outside lanes or merging the two inside lanes (Tignor et al., 1999). In Germany and other European countries this is done dynamically by installing lane control signals over both upstream approaches before the merge. This strategy gives priority to the facility with the higher  volume  and  results  in  a  lane  drop on  the  approach  with  the  lower  volume (Mirshahiet et al., 2007).

The  objective  of  junction  control  through either  static  or  real-time means  is  the  better management of recurrent congestion by making traffic flow more uniform, utilizing more effectively  the existing  roadway capacity, and  improving traffic safety. The literature reports decreases in  primary collisions   by  15 to  25 percent through implementation of  junction control  strategies (Stone et al., 2007).

Temporary shoulder lane use

Temporary use  of shoulder lanes  as  travel  lanes  began  in  many  cities  in  the  late  1960s. This  strategy is  usually employed during peak  periods and  in  the  peak  direction and gives  permission to  vehicles  to  use  either  the  right  or  left  shoulder lanes  in  specific conditions. Temporary shoulder lane provides additional lane(s) within the existing pavement,  without  the  need  to  widen  the  freeway  (FHWA,  2003).  Under  the  ATM concept, the  use  of  shoulder lanes  is  done   by  using   dynamically variable signs  to  let drivers  know  that  the  shoulder  lane  is  open  in  a  certain  segment.  The  purpose  of temporary shoulder use is to improve the performance of freeway facility by providing additional capacity when  needed.

Temporary use  of shoulder lanes  on  freeways is a strategy currently employed in select U.S. cities  to  provide a temporary  capacity increase for  congested freeways during the times  when demand is  greatest. In  a  typical   application, motorists are  allowed to  use shoulders as an extra driving lane during the AM and PM peak periods while in other deployments, freeway shoulder lanes  are used  by transit buses  during certain  periods of the day.

Temporary use of shoulder lanes is also employed as an active congestion management strategy  in  Europe.  In  several  countries,  it  is  coupled  with  speed  harmonization  to enhance its effectiveness. Speed  harmonization systems allow  freeway operators to reduce freeway speeds during times  of  shoulder lane  usage  to  ensure that  improved traffic operations are  also  coupled with  reduction in  the  chance  of occurrence and  severity of crashes.

The use of the shoulder lanes  requires the  presence of traffic  control  devices  in order to inform  the  users  whether the  shoulder lane  is open  or  not.  A variety of traffic  control devices   and   other   pertinent  technologies should  be  utilized  to  ensure  driver  safety when   opening the  shoulder lane.  These  include lane  control   signals,   dynamic speed limit   signals,   dynamic  message  signs,   closed-circuit  television  cameras,  roadway sensors, and emergency roadside telephones (Mirshahiet et al., 2007). An example of a system in operation utilizing several of the above mentioned technologies is depicted in Figure  1.

Expected ATM benefits

European studies from  Denmark, England, Germany, and  the  Netherlands confirm   that ATM  strategies result in  great  benefits,  including increase  in  vehicle throughput, crash reduction, improvement in trip reliability, decrease in congestion and traffic delays, and an overall  improvement  in  the  driving  experience.   Depending  on  the  location  and  the combination of strategies deployed, specific benefits measured in Europe as a result of this congestion management approach include the following (Mirshahiet et al., 2007):

·         Increase in average throughput for congested periods of 3 to 7%

·         Increase in overall capacity of 3% to 22%.

·         Decrease in primary incidents of 3% to 30%.

·         Decrease in secondary incidents of 40% to 50%.

·         Overall harmonization of speeds during congested periods.

·         Decreased headways and more uniform driver behavior.

·         Increase in trip reliability, and

·         Ability to delay the onset of freeway breakdown.

Based  on  international experience, a summary of potential benefits  from  deployment of a variety of ATM options in the U.S. is provided in Table 1.

Advanced traffic management in the United States

Current state of practice

ATM received attention in the U.S. only in the recent years as an approach with great potential to  address  the  ever-growing  congestion  problems  in  urban  areas.  A  milestone  in  the development of ATM in the U.S. was the 2006 International Technology Scanning Program sponsored by the FHWA, the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), and the National Cooperative Highway Research Program (NCHRP). Through this effort, a team of U.S. experts studied European ATM systems and concluded that ATM is the next evolution in congestion management in the U.S. In their report to FHWA, the

experts  identified  nine  key  recommendations  related  to  congestion  management  with  a potential to ease congestion in the U.S., as follows (Mirshahiet et al., 2007):

      Promote ATM to optimize existing  infrastructure during recurrent and  non-recurrent congestion.

      Emphasize customer orientation and  focus on trip reliability.

      Integrate active management into infrastructure planning and programming processes.

      Make operations a priority in planning, programming, and  funding processes.

      Develop tools to support active management investment decisions.

      Consider public-private partnerships and  innovative financing and delivery strategies.

      Provide consistent messages to roadway users.

      Consider pricing as only one component of a total management package, and

      Include managed lanes as part  of the overall  management of congested facilities.

A 2009 exploratory study by Sisiopiku et al. surveyed system managers from several state transportation agencies   to  identify current and  planned ATM  initiatives in  the  U.S. The study focused on four state agencies that had either implemented or were in the process of implementing ATM projects in their highways systems, namely Washington State DOT (WSDOT),   Minnesota  DOT   (MnDOT),   Virginia   DOT   (VDOT),   and   California  DOT (CalTrans). A summary of ATM initiatives in each of these  states  as reported in Sisiopiku et al. (2009b) and updated to reflect recent  developments follows.

Washington State DOT (WSDOT)

The Washington State DOT has two ATM projects  recently completed: the SR 520/I-90 ATM Project  and  the I-5 Variable  Speed  Safety Project.  The SR 520/I-90 project  installed variable speed signs and  lane control  signals  on the SR 520 and  I-90 bridges over Lake Washington in Seattle. The goal was to improve speed control and better cope with incidents during the reconstruction of the  SR 520 floating  bridge. The  I-5 project  installed variable speed limit and lane control signs on the northbound lanes of I-5 approaching Seattle. This is a speed harmonization system that automatically adjusts speed limits based on prevailing traffic conditions to optimize throughput and safety and  is operational since 2010.

The WSDOT is treating these two projects as the beginning of a broader ATM program and the outcomes are closely  monitored. At present, funding is seen  as one of the major  obstacles to the expansion of this program. It should be noted that these ATM projects  had unique funding sources: the I-5 project was funded as part of a mitigation plan for the reconstruction of the downtown Seattle viaduct. As yet there is no specific funding for additional ATM efforts.

The costs for each program are averaging about  $4.0 million  per mile, with  lane control  sign structures  located  approximately  every  ½  mile.  WSDOT  staff  did  not  identify  any substantial implementation issues  with  either  project,  although because both  are the first of their kind  in the state they are being monitored very closely.

Minnesota DOT (MnDOT)

The Minnesota DOT has more  than  one major ATM projects  in operation. The I-35W project took  place  in 2009 in an effort  to convert/construct HOT  lanes  on a 14-mile  segment of I-

35W near Minneapolis. Part of this effort required the implementation of a shoulder lane use

program on the last two  mile segment into  Minneapolis. The shoulder lanes  are used  only during peak  hours and  require a  toll,  which  can  be  varied based  on  prevailing traffic conditions. Overhead lane  control  signings are  placed approximately every  half  mile  and speed advisories are conveyed via standard CMS message signs.

The MnDOT obtained legislative approval to implement a shoulder use program for I-35W. This was  the  first  shoulder lane  use  program in the  state  for passenger vehicles,  although MnDOT  has already implemented extensive shoulder use programs for transit vehicles.  The experience with  transit shoulder use  has  been  excellent  and  helped with  public  education about   the  project,  since  motorists were  already familiar with  shoulder use  during peak periods. The program was funded under an FHWA urban partnership agreement and is monitored extensively in an effort to assess the feasibility of future similar  projects.

Moreover, variable speed limits are available since 2010 on I-35W between Bloomington and Burnsville. They  are  part  of a real-time system  called  Smart  Lanes,  which  is expected to expand on I-94 between St. Paul and  Minneapolis by fall 2011.

Virginia DOT (VDOT)

The  Virginia  DOT  has  several  ATM projects  either  in operation or in the  planning stages located in the Northern Virginia/Washington, D.C. area.  They  include the  use  of shoulder lanes, variable speed limits, and the construction of HOT lanes in the I-459 corridor.

VDOT has a shoulder lane use program in operation in the I-66 corridor. Historically the shoulder lanes  have  been  used   only  during strictly  defined AM  and  PM  peak  periods, regardless of traffic  conditions, and  only  in the  peak  direction. Recently,  however, VDOT has extended the use of shoulder lanes to 5:30 – 11:00 in the morning and 2:00 – 8:00 in the afternoon to handle growing traffic congestion. More importantly, VDOT has also begun to allow  shoulder lane  use  during major  incidents or  when construction causes  lanes  to  be closed. This has effectively  made  the shoulder use program an ATM strategy.

Furthermore, VDOT uses variable speed limits (VSL) as part  of the Woodrow Wilson  Bridge project  on  I95/495.  The  variable speed  limit  signs  have  been  used   primarily to  reduce vehicle speeds, improve traffic flow, and  improve safety during periods of construction. The system  is active  in a 7 mile  long  segment of the  I-95/495 corridor just  west  of the  Wilson Bridge. The system  has been successful enough that in May of 2009 VDOT decided to extend the use of the VSL system to the AM and PM peak periods, when it functions as a speed harmonization system.  VDOT is currently collecting  data  on its effectiveness.

Another ATM initiative is the construction of HOT lanes on I-459 and  I-95. While traditional HOV-3  vehicles  and  motorcycles will  be able  to use  the  lanes  for free,  non-HOV vehicles will be allowed to pay to use the lanes. Lane usage  fees will vary depending on demand and road  conditions. Project construction has begun but operation is not anticipated until  2013.

Discussions with  VDOT  staff  indicated a commitment to implement ATM  strategies. The major  obstacle  to  implementation is  seen as  funding. ATM  measures require extensive infrastructure for  surveillance and  traffic  control;  implementation of  ATM  strategies can prove  quite  costly  and  funding  is  not  available  for  a  larger  program  at  this  point. Nonetheless, reactions to initial projects  have been positive.

Implementation issues  to this  point  have  been  seen  as manageable. VDOT has  monitored traffic  operations in  the  I-66  corridor to  ensure that  the  use  of  shoulder lanes  has  not reduced safety. To date their experience has been similar to that of other agencies that have implemented shoulder lane programs, which  have  found minimal impacts to safety.  VDOT staff  indicated that  new  ATM programs will  be monitored extensively to ensure that  they are producing cost effective results.

California DOT (CalTrans)

In 2009, CalTrans was contacted to assess  the status of ATM in the state.  CalTrans staff said that  there   were  no  ATM  projects   active  within the  state,  although the  first  was  in  the planning stages  for  Alameda  County  and  the  Bay  Area.  The  I-80  Integrated Corridor Mobility  (ICM) Project aims at incorporating several  ATM strategies, namely adaptive ramp metering, variable speed limits (speed harmonization), and adaptive lane controls. These strategies would be combined to regulate the flow of traffic in the I-80 corridor in order to maximize throughput, minimize incidents, and better  handle incidents when they occur.

CalTrans staff said  there  were  no long term  ATM plans  beyond the current I-80 project  and that  the  state’s  current  financial problems are  a  limiting factor  in  that  regard. Staff  did indicate, however, that  they  felt ATM would become  more  important in state  planning in the future. One of the primary areas of focus for managing congestion in the future will be HOV/HOT lanes  and  those  will  likely  require extensive shoulder use  programs to  be feasible.  CalTrans staff  indicated that  ATM  would have  to  be  an  integral part  of  such programs. Staff also indicated that  the  State  has  interest in testing speed harmonization in the future, although there  are no firm plans  in the works.

Overall,  the  interviews with  state  agencies  indicated that  there  is interest in implementing ATM strategies in the  US in the  future but  the  initial  deployments would be limited. The primary implementation issues identified were a. funding, b. legal, and c. public education (Sisiopiku et al., 2009).

All  state  representatives interviewed said  that  available funding was  a limiting factor  in their  decisions to develop ATM programs. Only a few projects  have  been initiated and  most of the ones that are have unique funding sources (e.g., they are mitigation measures tied to a larger highway project). The infrastructure required for ATM strategies can be extensive so funding is an ongoing concern.

Although all agencies  interviewed were  able  to obtain  the  legal  and  legislative clearances needed, some ATM strategies, such as shoulder lane use, raise questions about  public  safety and  need  to be addressed at a local level.

Efforts  to educate the  public  about  the  proper use  of ATM  options are  required, because many of the strategies are new to this country. VDOT, for example, has developed a public education campaign for the  variable speed limit  system  at the  I-459 Wilson  Bridge  Project. The campaign includes advertisements and  a website explaining the purpose and  function of the system.  Because  so few ATM projects  have  been  implemented, an assessment of the best public  education strategies would prove  useful.

In general, the states interviewed did not see major technical hurdles to implementing ATM strategies. The technology, for the  most  part,  was  viewed as having been  proven either  in isolated  ITS  applications  or  in  European  ATM  applications.  The  most  likely  initial applications of ATM technologies include shoulder lane use, speed harmonization, dynamic HOT lanes, and  adaptive lane controls.

The future of ATM in the U.S.

Planning for ATM is an important ingredient for success.  Whether or not to implement ATM and  its  operational strategies is  a  policy  decision that  must  be  made  at  the  appropriate governing level. To that  end,  policymakers should develop both  short-  and  long-range plans that  incorporate  ATM  into  the  framework  of  transportation  alternatives.  Furthermore, agencies  should approach ATM proactively by including it in current and  future plans  for target  corridors. They should assess what  ATM capabilities already exist in those corridors and what  components need  to be added to facilitate  active management, even if conditions do not currently warrant such operational strategies. This forward-thinking approach will ensure that the  infrastructure is put  into  place  during future projects  so that  ATM can be implemented when  warranted by congestion levels and  mobility needs.  In some regions, legislative support may be necessary to make this operational approach possible (Mirshahiet et al., 2007).

The  technologies  required  for  implementation  are  currently  available  in  the  market; however, research and development may be required to refine existing systems, and careful selection of available technologies should take place to improve cost/effectiveness while accounting for local needs  and special conditions.

Implementation,  operation,  maintenance,  enforcement,  and  marketing  are  some  of  the policy  decisions  that  govern  a  successful  ATM  system.  For  example,  potential  policy decisions that would need to be made in tandem with the planning and implementation of temporary shoulder lane use are being  reviewed and  documented. Special emphasis should be placed on the development of a set of procedures that  will clearly  describe how  to open and close the shoulder to traffic operation, and assign roles and responsibilities. Moreover, considerations  related  to  maintenance,  compliance,  and  enforcement,  and  institutional issues  (such  as regulatory and  legal  issues,  finance,  organization and  management issues, and  human resources) must  be studied carefully (FHWA, 1994).

Another key consideration is the availability of funding. Therefore, funding resources at the federal, state, or local level that can potentially support design, implementation, operation, maintenance, and marketing of the project should be identified and committed.

In  addition, various institutional issues  are  essential to  the  successful implementation  of ATM   and   include   customer   orientation;   the   priority   of   operations   in   planning, programming, and funding processes; cost-effective investment decisions; public-private partnerships; and  a desire  for consistency across borders. These issues need  to be considered carefully prior  to implementation in order to maximize the potential for success.

Promising ATM options for deployment in the U.S.

The FHWA International Scan Tour Report (Mirshahiet et al., 2007) offered specific recommendations  for  ATM  implementation  in  the  U.S.  in  response  to  congestion.  A summary of these recommendations follows.

Speed harmonization

The  United States  should implement speed harmonization on  freeways as  a  strategy to actively manage the network and delay the onset of congestion under normal operating conditions. The system  should include the following elements (Mirshahiet et al., 2007):

      Sufficient  sensor  deployment for traffic and weather monitoring to support the strategy.

      Adequate installation of sign  gantries to ensure that  at least  one  speed limit  sign  is in sight at all times.

      Placement of speed limit signs over each travel  lane.

      An  expert  system  that  deploys the  strategy based  on  prevailing roadway conditions without requiring operator intervention. It is critical  that  this  expert  system  be reliable and  accurate to gain the trust  and  acceptance of the public.

      Connection to a traffic management center  that serves  as the focal point  for the system.

      Passage of enabling legislation and  related laws to allow for dynamic speed limits.

      Uniform signing related to speed harmonization and  its components.

      Modeling  tools  to  assess   the  impacts  of  speed  harmonization  on  overall   network operations.

      Closed-circuit television (CCTV) cameras to support the monitoring of the system.

      Dynamic  message  signs   to  provide  traveler  information  and   regulatory  signs   as appropriate, and

      Automated speed enforcement to deter  violations.

Temporary shoulder lane use

Temporary shoulder lane use should be implemented, where appropriate, to temporarily increase  capacity during peak  travel  periods. Specific  elements of the  operational strategy should include the following (Mirshahiet et al., 2007):

      Deployment in conjunction with speed harmonization.

      Passage of enabling legislation and  related laws  to allow  the  shoulder to be used  as a travel  lane.

      A policy for uniform application of the strategy through entrance and  exit ramps and  at interchanges.

      Adequate installation of sign gantries to provide operational information and  to ensure that they are in sight at all times.

      Placement of lane control  signals  over each travel  lane.

      Uniform signing and  markings related to temporary shoulder use.

      CCTV cameras with  sufficient coverage to verify  the  clearance of the  shoulder before deployment.

      Provision of pullouts at regular intervals with  automatic vehicle  detection to provide refuge  areas  for minor incidents.

      Provision of roadside emergency call boxes at emergency pullouts.

      Special lighting to enhance visibility of the shoulder.

      Advanced incident detection capabilities.

      Comprehensive incident management program.

      Connection to a traffic management center  that serves  as the focal point,  and

      Dynamic message signs  to  provide guide sign  information and  regulatory signs  to adapt to the addition of the shoulder as a travel  lane.

Queue warning

Queue warning message displays should be implemented at regular intervals to warn  of the presence of upstream queues based on dynamic traffic detection. Specific elements of the operational strategy should include the following (Mirshahiet et al., 2007):

      Deployment in conjunction with speed harmonization.

      Sufficient  sensor  deployment for traffic monitoring to support the strategy.

      Adequate installation of sign gantries to ensure that  at least one queue warning sign is in sight at all times.

      An  expert  system  that  deploys the  strategy based  on  prevailing roadway conditions

without requiring operator intervention. It is critical  that  this  expert  system  be reliable and  accurate to gain the trust  and  acceptance of the public.

      Uniform signing to indicate congestion ahead, and

      Connection to a traffic management center  that serves  as the focal point  for the system.

Dynamic merge control

At  merging  points  from  major  interchange  ramps,  consideration  should  be  given  to dynamically metering or closing specific upstream lanes, depending on traffic demand. This could  incorporate existing  ramp metering systems and  offer  the  potential of delaying the onset of main  lane congestion and  balancing demands between upstream roadways. Specific elements of the operational strategy should include the following (Mirshahiet et al., 2007):

      An  expert  system  that  deploys the  strategy based  on  prevailing roadway conditions without requiring operator intervention. It is critical  that  this  expert  system  be reliable and  accurate to gain the trust  and  acceptance of the public.

      CCTV cameras to support the monitoring of the system.

      Installation of lane control  signals  over the main  lanes and  the ramp lanes with  a signal over each travel  lane.

      Adequate installation of sign  gantries upstream of the deployment to ensure sufficient advance warning is provided to roadway users  through the  use  of dynamic message signs.

      Adequate installation of  sign  gantries with  dynamic message signs  upstream of  the deployment to  provide guide sign  information and  regulatory signs  to  adapt to  the changes in lane use.

      Uniform signing to indicate merge  control  is in use.

      Automated enforcement to deter  violations.

      A bypass lane for emergency vehicles,  transit, or other  identified exempt users,  and

      Connection to a traffic management center  that serves  as the system’s focal point.

Birmingham case study

Methodology

Drawing from  the European experience and  with  input from  the few available U.S. studies, a study procedure was developed and implemented in order to assess the feasibility of temporary shoulder lane  use  as a strategy to reduce congestion in the Birmingham region. This included:

      Identification of  candidate corridors and  preliminary  assessment of  implementation potential.

      Quantitative evaluation of operational impacts from implementation, and Estimation of benefits  and  costs.

Preliminary  assessment  of  temporary  shoulder  lane  implementation  along  candidate corridors considered traffic demand, level of service (LOS), physical characteristics and geometric restrictions. The  assessment led  to the  selection  of a segment of I-65 traversing through the  city  of Birmingham as  a high-priority corridor for  further analysis. I-65 is a major North-South interstate freeway that extends from Gary, IN on the north to Mobile, AL on the south.

Simulation modeling was  undertaken to analyze the impacts of a temporary shoulder lane use  system  on  a subsection of the  I-65 corridor extending from  I-459 to  University Blvd, which  corresponds to the  portion of the  study corridor near  Birmingham that  experiences the worst Level-of-Service (LOS). The microscopic simulation model CORSIM was used to perform the analysis.

CORSIM is one of the tools available within TSIS, a suite of simulation models developed by FHWA  and  used  extensively by transportation agencies  and  practitioners in the  U.S. and abroad  for  over  three  decades.  The  CORSIM  simulator  in  TSIS  can  simulate  traffic operations on  integrated networks containing freeway and  surface  streets.  The model  has the ability  to simulate fairly complex geometric conditions and  realistic  driver behavior after it is appropriately calibrated and  validated. Moreover, the  model  offers  the  capability to analyze a variety of lane management strategies, a feature of importance for this case study (Sisiopiku & Cavusoglu, 2008).

The Birmingham case study considered the potential use  of a shoulder lane  in response to both recurring and non-recurring congestion. Key measures of effectiveness (MOEs) and resulting improvements in  operational efficiency  were  obtained for  several  scenarios and used to assess operational impacts and determine the feasibility of implementation of the proposed strategy.

Quantification of expected benefits and costs from deployment of temporary shoulder lanes along  the  I-65 corridor in Birmingham was  also  performed to estimate economic impacts from  possible  deployment  and  determine  the  most  economically  efficient  investment alternative.

The cost-benefit analysis considered life-cycle costs and life-cycle benefits of the project alternatives under study. The life-cycle costs include engineering, construction, and maintenance. Life-cycle benefits  include savings in vehicle operation and  travel  time, safety, and  emission reduction. Following the  analysis, the  costs  and  benefits  were  discounted on year-to-year basis  and  projected for the  analysis period 2010 to 2020. A description of the study site characteristics and the scenarios tested follows.

Study site characteristics

The  site  chosen  to examine the  implementation of temporary shoulder lane  usage  in this research is the northbound I-65 from the junction with  I-459 to the University Blvd junction. The geometric characteristics of the selected segment are summarized in Table 2.

According to  the  Mobility  Matters Project  in  Birmingham, the  2005 average daily  traffic volumes along  the study segment ranged from  111,000 and  146,000 vehicles  per  day  (vpd). This number is expected to reach 179,000 and  221,000 vpd  by 2030 (PBS&J, 2009).

Alternatives analysis

Study  scenarios were  developed and  tested with  the  TSIS simulation model  for a period of four hours (5:30 AM to 9:30 AM), including the morning peak hour  (6:30 AM to 8:30 AM). The scenarios aimed at examining traffic operations along  the study corridor with  and  without the use  of  temporary  shoulder  lanes  under  normal  and  incident  traffic  conditions.  More specifically, four scenarios were  developed assuming non-incident (normal) traffic conditions to examine the efficiency of using  temporary shoulder lanes to ease recurrent traffic congestion on the northbound I-65 corridor. In all four scenarios, the free flow speed was set to 60 mph.

Scenario  1 served as  a baseline for  comparisons and  assumed that  the  network operates under normal conditions without the use of the shoulder lanes.

Scenario  2 simulated the  network with  the  utilization of the  left shoulder as an additional lane from U.S. 31 to the end of the network. The shoulder lane was open during the entire simulation period and represented the case of an added lane.

Scenario  3 was  similar  to the second study scenario, however, the temporary shoulder lane was available for use only in the morning peak hour (between 6:30 AM and 8:30 AM). This scenario serves  as a typical  example of an ATM application where the temporary shoulder lane is used  in response to congestion.

Scenario  4 simulated the  network under normal conditions while  opening a small  portion

(i.e., 600 feet) of the right  shoulder upstream of three  study exits, namely Alford  Ave (Exit

254), Lakeshore Pkwy  (Exit 255), and  Oxmoor Rd (Exit 256) for the  total  simulation time. This scenario tested the possibility of using  the right  shoulder as an additional exit lane  in order to minimize the  potential impact that  long  queues of exiting  vehicles  may  have  on traffic operations along the mainline.

Moreover, three  scenarios were  developed to  examine the  efficiency  of using  temporary shoulder lanes  under incident conditions. For  practical purposes these  were  numbered consequently as  Scenarios   5 through 7. All  incident scenarios assumed  that  an  incident occurred blocking the  right  lane  of link  (564,565) for 1 hr  (i.e., from  6:30 AM to 7:30 AM). The incident site was located roughly in the middle section of the study network.

Scenario  5 considered the presence of the incident and  assumed that  no actions  were  taken. This scenario serves as the incident case base line for comparison purposes (i.e., do-nothing approach).

Scenario  6 simulated the  network with  the  incident presence but  assumed that  vehicles were allowed to ride on the left shoulder lane downstream of the incident for one hour  (6:30

AM to 7:30 AM) to minimize the impact of the incident on traffic operations.

The last scenario considered (Scenario 7) is similar  to Scenario 6, except for the fact that the left shoulder lane downstream of the incident is open  for use for 2 hours i.e., from 6:30 AM to 8:30

AM, to further expedite the clearance of the incident and  return to normal operations. Table 3 provides a summary of scenarios considered in the Birmingham case study.

Results

Operational analysis results

The  results presented in  Table  4  are  for  the  entire  study corridor (i.e.,  network wide statistics) for the seven scenarios considered in the study. MOEs considered include the total travel  time  (hours), the  total  delay  time  (hours), the  average travel  speed (mile/hour), the delay  time  (hours), and  the  total  time  (hours). Analysis and  interpretation of the  results under normal – and  incident conditions follows.

Scenarios  with normal traffic conditions

According to the  findings in Table 4, the  use  of the left shoulder lane  in Scenarios  2 and  3 results in  considerable savings in  travel  time  and  delays,  as  compared to  the  baseline (Scenario  1). As expected, the continuous availability of an extra  lane (Scenario  2) results in the largest  improvements, slashing total  time  by 42% (from  6,790 hrs in Scenario  1 to 3,963 hrs in Scenario 2).

The temporary use of the NB shoulder lane  for 2 hrs during the morning peak  (Scenario  3) still shows  a significant improvement over current conditions resulting in a reduction in the total network travel  time by 34% and  delay  by 71% when compared to the baseline (Scenario

1). Similar gains are observed in average speed where the 29.9 mph average network speed observed under regular conditions (Scenario  1) increases by 56% (to 46.6 mph)  under the ATM operations, i.e., when the  left shoulder lane  is open  during the  peak  hour  from  6:30

AM to 8:30 AM.

The  results clearly  indicate the  excellent  potential of temporary shoulder lane  use  as  an ATM tool for addressing recurrent congestion along  I-65. On the other  hand, the use of the right  northbound shoulder lane  upstream of three  exit locations (Scenario  4) shows  only  a small  positive impact and  results in a small  reduction in the total  network travel  (4%) time and  delay  (9%) over  Scenario  1. A slight  increase (5%) in average speed was  also  noticed (from 29.9 mph  to 31.3 mph)  in this case.

When  comparing  the  two  temporary  shoulder  lane  options,  i.e.,  continuous  left  lane shoulder versus right  shoulder near  exits, the former is clearly  a winner, as the anticipated

benefits  clearly  overshadow those  expected from its short  length,  temporary, right  shoulder use counterpart.

Scenarios  with incident conditions

As anticipated, an  incident blocking  one  general purpose traffic  lane  for 1 hr  (Scenario  5) further degraded the overall performance of the study network. Compared to non-incident conditions (Scenario 1), the do-nothing approach under incident conditions resulted in a decrease in  average speed of 16% (from  29.9 mph  to  25.1 mph)  and  average delay  time increase  of 41% (from 1.01 min/mile to 1.42 min/mile).

In Scenario  6 the left shoulder lane downstream of the incident site was opened just for one hour  following the onset  of the incident. For this scenario, the simulation results show  that the average network speed increased by 21% (from  25.1 mph  to 30.3 mph),  and  the average delay time decreased by 31%, as compared to Scenario 5. These gains resulted in network performance comparable to non-incident conditions. As expected, the savings in travel  time and  delay  further increased when the temporary shoulder lane remained in operation for an extra hour  following the incident removal (Scenario 7).

Overall,  the  network-wide results from  the  incident  case  study demonstrate the  great potential operational benefits of the temporary shoulder lane use as a traffic management strategy in case of an incident.

Cost-benefit analysis results

A detailed cost-benefit analysis was performed to estimate economic impacts from possible deployment of temporary shoulder lane use strategies along the study segment of the I-65 freeway in Birmingham. The cost-benefit analysis compared anticipated costs  and  benefits from  each  of the  study scenarios to the  base  case scenario (Scenario  1) in order to find  the most cost-effective method.

From  the  CORSIM  outputs  for  the  different  scenarios  presented  earlier,  the  fuel consumption, vehicle  miles  of travel,  travel  time,  and  emissions outputs were  obtained and  used  to calculate Vehicle Operating Costs (VOC), value  of time (VOT), accident costs, and  emission costs.  These  costs  were  utilized to  calculate and  compare the  benefit-cost ratios  for different scenarios on  an  annual basis.  Details  are  available in Sisiopiku et al,

2009b.

The benefit components for different scenarios are summarized in Table 5 and the resulting benefit-cost ratios  for  different scenarios are  calculated and  presented in Table  6. Table  5 shows  clearly  that  VOC, VOT, accident costs  and  emission costs  are  lower  when shoulder lane  use  is  permitted. Furthermore, Table  6 indicates that  the  temporary use  of  the  left shoulder lane  along  the  I-65 study section  during the  2 hour  morning peak  (Scenario  3) is expected to  result  in  $12.6M in  savings. Further savings can  be  realized by  utilizing the shoulder lane  for more  extended periods of time  (such  as in Scenario  2). For alleviation of traffic congestion due to incidents, the most cost-effective option studied is provided by Scenario  7. The  findings of benefit-cost analysis are  in  close  agreement with  those  of the traffic impact analysis presented earlier.

Case study summary findings

Simulation analysis was performed to quantify the potential benefits of a temporary left shoulder lane use system  on a segment of I-65 in Birmingham in response to recurrent and non-recurrent congestion. The results from  the  simulation analysis, coupled with  findings from  a  cost-benefit analysis, were  used  to  demonstrate the  potential of  the  strategy to improve traffic  operations and  justify  the need  for deployment of the proposed strategy at the study location.

It was found that  the use of temporary shoulder lanes  can have  a very  positive impact on traffic  operations along  I-65 when implemented in  response to  both  recurrent- and/or non-recurrent  congestion.  In  this  study,  the  temporary  use  of  the  left  northbound shoulder lane for 2 hours during the morning peak  (Scenario  3) resulted in a reduction in the  total  network travel  time  by 34% and  delay  by 71% compared to current operations (Scenario  1).

The use  of right  shoulder lanes  upstream of exit ramps tested in this  study provide some relief  but  had  far  less  impact on  network performance, compared to  the  continuous left shoulder lane usage. These results clearly indicate the tremendous potential of temporary shoulder lane  use as an active  traffic  management tool for addressing recurrent congestion along I-65.

It was also found that considerable improvements in traffic operations can be achieved by utilizing the temporary shoulder lane downstream of an incident as an ATM measure. In the Birmingham study and under incident conditions, the utilization of the temporary shoulder lane  resulted in an  increase  in average network speed by 21% and  a decrease in average delay  time by 31%, as compared to the do-nothing approach. These gains  are significant and provide further proof  of  the  potential of  temporary shoulder lane  use  within the  ATM context  as a tool for incident management.

The  results  from  the  benefit-cost  analysis  provide  further  justification  for  the  use  on temporary shoulder lanes. It can be seen that the total benefits from implementation of this strategy outweigh the total  costs, which  further confirms that  the temporary shoulder lane use treatment is an economically viable solution both in the short  and  long terms.

Conclusions and recommendations

Overall, ATM seeks to introduce new congestion management strategies to the U.S. while enhancing the effectiveness of existing  strategies. It should be viewed as the next logical step in the evolution of congestion management in this country rather than  a radical change from previous  practice. The  European  experience with  ATM  clearly  demonstrates its  positive impacts on traffic operations and  safety and  thereby, its tremendous potential for alleviating traffic congestion in the US.

However, the implementation of ATM is a significant investment so the potential benefits would have  to be clearly defined and  sufficient to justify the costs. To better  assess potential costs and gains, careful screening of candidate test sites should take place first, followed by detailed assessment of operational and  cost impacts from implementation. This practice will help   identify  opportunities  and   impediments  from   implementation,  and   document technology, policy, and  other  needs.

The success  of implementation of ATM greatly depends on  public  support for the  project and positive public  perception. Thus, the role of public  education in the early planning stage is  critical  and  should not  be  overlooked. Focus  groups, open  public  discussion forums, public  information  sessions,  and  media  coverage  are  useful  tools  that  can  assist  local agencies  to obtain  input from  the public  and  other  local stakeholders and  educate the road users  about  their rights  and responsibilities as they use the new ATM systems.

Related Posts

© 2025 Automobile Engineering - Theme by WPEnjoy · Powered by WordPress