Introduction to Investigation of Measurement for Travel Time Variability

Introduction to Investigation of Measurement for Travel Time Variability

Congestion has grown over  the past  two  decades making the travel  time  highly  unreliable. The Federal Highway Administration (FHWA), US Department of Transportation (USDOT) indicated travel time as an important index to measure congestion. Frequent but stochastic, irregular delays  increase  the challenge for people to plan  their  journey – e.g. when to depart from  the origin,  which  mode(s) and  route(s) to use so the on-time arrival at the destination can  be ensured. In addition to average travel  time,  the  reliability of travel  time  has  been deemed as an index  for quantifying the  effects  of congestion, which  can be applied to the areas of transportation system planning, management and operations as well as network modeling. Travel  time  reliability has  been  classified  into  two  categories: probability  of a non-failure over time and variability of travel  time (Elefteriadou and  Cui, 2005).

The  variability of  travel  time  plays  an  important role  in  the  Intelligent Transportation Systems   (ITS)   applications.   According   to   the   Safe,   Accountable   Flexible,   Efficient Transportation Equity Act: A Legacy for Users (SAFETEA-LU) Reporting and Evaluation Guidelines, travel time variability indicates the variability of travel time from an origin to a destination in the transportation network, including any modal transfers or en-route stops. This  measure can  readily be  applied to  intermodal freight  (goods)  movement as  well  as personal travel. Reducing the variability of travel time increases predictability for which important planning and  scheduling decisions can  be  made  by  travelers or  transportation service  suppliers. In the advent of ITS, the incident impact, such  as delay,  may  be reduced via  disseminating real-time traffic  information, such  as the  travel  time  and  its variability. Travel time variability has been extensively applied in transportation network models and algorithms for finding optimal paths (Zhou  2008). The recent  ITS applications highlighted the needs  for better  models in handling behavioral processes involved in travel  decisions. It was  indicated that  travel  time  variability has  affected  the  travelers’  route  choice  (Avineri and Prashker, 2002). The relationship between the estimated travel time reliability and the frequency of probe  vehicles  was  investigated by Yamamoto et al (2006). It was  found that the  accuracy of travel  time  estimates using  low-frequency floating  car data  (FCD) appears little different from high-frequency data.

Recker et al. (2005) indicated that travel  time variability is increasingly being recognized as a major factor influencing travel decisions and, consequently, is an important performance measure in transportation management. An analysis of segment travel time variability was conducted, in which  a GIS traffic database was applied. Standard deviation and  normalized standard deviation were  used  as measures of variability. Brownstone et al. (2005) indicated that  the  most  important facor  is the  “value of time”  (VOT), i.e. the  marginal rate  of travel time  substitution for  money in  a travelers’  indirect utility  function. Another factor  is the value  of reliability (VOR), which  measures travelers’ willingness to pay for reductions in the day-to-day  variability of  travel  times  facing  a  particular type  of  trip.  Bartin  and  Ozbay (2006)  identified  the  optimal  routes  for  real-time  traveler  information  on  New  Jersey Turnpike, which  maximizes the  benefit  of motorists. The variance of travel  times  within a time  period over  consecutive days  was  employed as an indicator of uncertainty. With  the concept  of multi-objective approach, Sen and  Pillai (2001) developed a mean-variance model for optimizing route  guidance problems. The tradeoff between the mean  and  variability of travel time was discussed. For improving decision reliability, Lu et al. (2005) developed a statistic  method to analyze the  moments and  central  moments of historic  travel  time  data, which  provided quantitative information on the  variability and  asymmetry of travel  time. Palma  et al. (2005) conducted a study in Paris  to determine the route  choice behavior when travel  time is uncertain. Both the mean  and  variability of travel  time were considered.

Objective

The objective of this chapter is to investigate the measurement of travel time variability and reliability with FCD. Considering the Variability of Travel Time (VTT) as a component of mobility performance metrics,  this chapter discusses technologies and  methodology applied to collect, process  and  analyze the travel  time data.  To analyze the impact of travel  time due to non-recurring congestion, three case studies on selected highways were conducted. As defined  in  a  report  titled  “Traffic  Congestion  and  Reliability:  Trends  and  Advanced Strategies for Congestion Mitigation” (FHWA,  2005), the travel  time  reliability was deemed as how  much  travel  time  varies  over  the course  of time.  The variation in travel  times  from one  day  to  the  next  is  due  to  the  fact  that  underlying  conditions  (such  as  vehicle composition, weather conditions) vary widely. Seven sources of congestion are identified, including  physical bottlenecks (“capacity”), traffic  incidents, work  zones,  weather, traffic control    devices,    special   events,    and   fluctuations  in   normal  traffic   condition,  which contribute to total congestion and  conspire to produce biased  travel  time estimates.

Statistical indices

To estimate travel time variability with FCD, statistical formulas for generating suitable reliability indicators, such  as mean,  standard deviation, the 95th percentile travel  time,  and buffer index,  etc are utilized.

Mean Travel Time (Tl)

The mean  travel  time,  denoted as Tl, is equal  to the  sum  of the  travel  time  collected  by a number of floating  cars, denoted as n, traveling on Link l. Thus,

The planning time  index  is useful  since it can be directly compared to the travel  time  index (a measure of average congestion) on  similar  numeric scales.  Note  that  the  buffer  index represents the additional percent of travel  time that is necessary above  the mean  travel  time, whereas the planning time index  represents the total travel  time that  is necessary. Thus, the buffer index  was used  to be applied to estimate non-recurring delays.

Various travel  time reliability measures have  been discussed in previous studies, but only few of them  are  effective  in terms  of communication with  road  users  and  general public.  Buffer index  (BI) and  planning time  index  (PI) are ones  of the most  effective  methods in measuring travel time reliability (FHWA). Other statistical measures, such as standard deviation and coefficient  of variation, have been used  to quantify travel  time reliability, but they are not easy for a non-technical audience to understand and would be less-effective communication tools.

Case studies

With FCD, three case studies are conducted for investigating the variability of travel time, including (1) analysis of temporal and  spatial travel  times, (2) evaluation of adverse weather impact to travel  time  variability and  reliability, and  (3) investigating travel  time  variability in a freeway network.

Case study I  Analysis of temporal and spatial travel times

The first  set of the  travel  time  FCD were  collected  to assess  the  impacts of special  events, traffic  control  devices  and  bottleneck on travel  time  variability. The travel  time  data  were collected  by floating  cars with  GPS-based sensors traveling on the segments of I-295 and  the New  Jersey Turnpike (NJTP) from 10:00 to 19:00 on three  different Sundays: May 24, June 7, and July 19 in 2009. On an hourly basis starting at 10:00, two floating cars were dispatched simultaneously, one  heading for  the  I-295 segment and  the  other  heading for  the  NJTP segment. To investigate the travel  time  variability and  congestion of the studied segments, the collected  data  were analyzed on a link (e.g., links 1, 2, and  3) and  a path  (e.g., from Node1 to Node  4) basis,  as shown in Figure  1. The geographic information of each  route  

Since tolls are collected  at the entrances and  exits of NJTP, the travel  times  of two segments [e.g.,  NJTP  (A)  and  NJTP  (B)] were  prepared and  estimated. NJTP  (A)  includes the  toll payment process  and  starts  from  interchange Rt. 140/NJTP and  ends  at NJTP Exit 7-A. To estimate the  travel  time  excluding delays  at toll plazas, NJTP (B) starts  right  after  the  first toll facility on the NJTP and  ends  at the beginning of the off ramp to Exit 7-A. The impact of tolls on the travel  time was estimated by comparing the travel  time difference between these segments as shown in Table 2. It can be easily observed that  the first toll facility contributes

1.6 minutes average delay  and  the  second toll  facility  provides a slightly  longer  average delay  as 1.8 minutes. The standard deviation to the travel  time is 0.3 minute for the first toll and  0.5 minute for the second toll based  on a 9-hour  observation period from 10:00 to 19:00.

The  link-  based  travel  times  are  collected  by  probe  vehicles  dispatched at  each  hour  on survey  days.  Table  3  summarizes  the  mean  travel  times  and  the  associated  standard deviations. The speeds are  also  estimated based  on the  travel  time  and  the  corresponding link  distance, and  the  statistical results are  summarized in Table  4. It can  be observed in Table  3 that  less  travel  time  was  consumed on  Link  1 of  I-295 than  that  of  NJTP  with standard deviation to the mean.  For Link 2, the  mean  travel  times  of I-295 and  NJTP were the  same,  but  the  standard deviations to the means of NJTP for all travel  time  data  on the three  survey days  were  consistently less than  that  of I-295, which  indicates that  Link  2 of NJTP is more  reliable  than  that  of I-295. For Link 3, the mean  travel  time  of NJTP was  20.8 minutes, slightly  shorter than  that  of I-295 (e.g.  21.6 minutes). The  standard deviation of travel  time  of NJTP was  significantly higher than  that  of I-295, was  incurred by congestion on NJTP (See Figures 2 and  3).

The mean  travel  time of NJTP (A) was 56.3 minutes, which  was shorter than  that of the I-295

segment (59.0 minutes). The standard deviation of the mean  travel  time of NJTP (A) was 1.2 minutes, which  was  less than  that  of I-295 (1.8 minutes). Thus,  the travel  time  of NJTP (A) segment was shorter and  more  reliable  than  that  of the I-295 segment on 5/24/09. Travelers would be recommended to use  NJTP instead of I-295 because of shorter and  more  reliable travel  time.

June 7, 2009

The mean  travel  time on NJTP (A) was 57.9 minutes and  the standard deviation of the mean was  5.5 minutes. On the other  hand, the mean  travel  time on I-295 was  58.7 minutes, which was  longer  than  that  of NJTP  (A); however, the  standard deviation to  the  mean  was  2.4 minutes, which  was  significantly less than  that  of NJTP (A). Thus,  using  NJTP (A) was  not always quicker than  I-295, and  the reliability of travel  time of the NJTP was less than  that  of I-295 on  6/7/09.  Travelers would have  been  better  using  I-295 if they  departed between

14:00 and  15:00, as they would have avoided congestion between Exits 7 and 7-A. July 19, 2009

The mean  travel  time on NJTP (A) was 64.2 minutes and  the standard deviation to the mean was 5.3 minutes. The mean  travel  time on I-295 was 58.1 minutes, shorter than  that  of NJTP (A), and  the standard deviation to the mean  was  4.1 minutes. It was  found that  using  I-295 was quicker than  NJTP (A) at the departure time of 13:00 through 19:00, and  the reliability of travel  time of I-295 was more than  that of NJTP (A). Travelers would have been better  using  I-

295 if they departed between 15:00 and 19:00, as they avoided congestion beginning at Exit 6.

Based  on  the  mean  speed and  standard  deviation, the  travel  time  of  these  two  parallel freeways were compared to identify the bottlenecks, evaluate their reliabilities and propose strategies to address congestion problems. For example, the  observed congestion on NJTP (A) was  found between Exits 6 and  7-A. Thus,  it is recommended to use Dynamic Message Sign  (DMS)  at  interchange 4 and  Highway Advisory Radio  (HAR)  to  inform   drivers of congestion ahead.

Case study II  Analysis of adverse weather impact to travel time variability and reliability

The  second set  of travel  time  data  intended for  assessing weather impact were  obtained through TRANSMIT  system (TRANSCOM’s System  for  Managing Incidents &  Traffic). TRANSMIT uses vehicles  equipped with  electronic toll-collection tags (EZ-Pass) detected by roadside  readers  to  approximate  real-time  travel   time.   The  travel   time   data   between

1/29/2008 and  2/29/2008 were  collected  on  a  40-mile  segment of  the  Interstate I-287 consisting of six links divided by seven TRANSMIT readers. The weather information was collected from a website (http://www.wunderground.com/US/NJ) managed by a weather data  provider. Adverse weather conditions, such  as rain,  fog and  snow,  occasionally cause delay  on  roadways.  The  variation  of  travel  times  due  to  adverse  weather  should  be concerned by agencies  managing traffic  operations and  evaluating network-wide mobility. The  measured variability and  reliability indices  discussed earlier  will  also  help  in  trip planning under different weather conditions. The travel time data were collected by the TRANSMIT  readers under three  weather conditions, normal (dry),  rain,  and  snow,  during the AM peak  period (6:00 AM ~ 9:00 AM) on weekdays. The mean  and  standard deviation of travel  time, the 95th percentile travel  time and  buffer  index  were analyzed to quantify the impact of adverse weather to traffic conditions.

The   day-to-day  and   within-day  travel   time   were   collected   between  1/29/2008  and

2/29/2008. The  start   and   end   mile-posts (MP)  and   geo-coordinates of  the  TRANSMIT

readers are summarized in Table 6. Link 6 has very long stretch,  which  is 20 miles from Exit

21 to Exit 41 on I-287. In Table 7, the link specific data  are summarized, which  includes link ID number and  length.  The mean,  the 95th percentile, and  the standard deviation of travel time  as well as buffer  index  of each link are estimated by the equations discussed earlier  in this paper.

Day-to-day Travel Time Variation

Figure  4 indicates the mean  and  standard deviation of travel  time on each link over different

days.  Results,  in  general, show  that  the  mean  travel  times  on  Tuesdays and  Fridays are relatively higher than other days. The greatest travel time happened on Link 6 which is not surprising because the  link distance is  much longer  than  others.  The greatest standard deviation of travel  time was observed on Link 3 on Fridays. It is worth noting that the length of Link 3 is 5.79 mile, and  the mean  travel  time was 6 minutes, but the standard deviation of travel  time  was  5 minutes. The ratio  of the  standard deviation of travel  time  to the  mean travel  time of Link 3 on Fridays was extremely high.

The  spatial and  temporal distributions of  the  95th   percentile travel  time  of  Link  6  are analyzed and  shown in  Figure  5, where the  day-to-day travel  time  on  each  link  seemed following a  trend of  mean  travel  time  distributions shown in  Figure  4.  The  motorists traveling on Tuesdays and  Fridays generally suffered more  congestion as well as the travel time uncertainty.

Link 6 occurred in the AM and  PM peaks.  As indicated in the above  sections,  the planning time index  compares the worst  case travel  time to the travel  time consumed under free-flow traffic condition.

Considering the whole  studied I-287 segment, the travel  time increased 10% and  60% under rain  and  snow,  respectively. Moreover, it was  found that  the impact of adverse weather to traffic  operation was  much  more  significant during the  peak  periods than  that  during the off-peak  periods.

The  buffer  Index  of each  link  was  calculated using  Eq.  3 based  on  data  collected  under normal weather condition (18 days  with  dry  pavement). To well  plan  for  a journey,  it is critical to know  the buffer index,  especially during the peak periods. In this study, the buffer indices  of the  AM and  PM peaks  were  illustrated in Figure  9. In the  AM peak,  the  worst buffer  index  was  found on Link 1 with  75% while  the best one was  on Link 4 with  11%. In the PM peak, the worst  buffer index  was on Link 3 with 86%, while the best one was on Link

4 with  12%.

Based  on the  buffer  index  shown in Figure  10, the  variation (standard deviation) of travel time  increased due  to the  weather condition varied from  dry  to rain  and  rain  to snow.  In addition, the buffer index  also increased from 29%, 45%, to 94%. If a motorist needs  to travel on  Link  6 under rain,  16% (45%-29%) of  extra  time  of  the  mean  travel  time  under dry condition should be expected. However, under a snow  day,  the addition of 65% (94%-29%) of the mean  travel  time should be expected.

It was  found that  adverse weather, such  as rain  and  snow,  had  significant impact on delay and  associated travel  time  variability when compared with  traffic  operation under dry condition. Considering the whole  studied I-287 segment, the travel  time  increased 10% and

60% under rain and snow, respectively. Moreover, it was found that the impact of adverse weather to traffic  operation was  much  more  significant during the  peak  periods than  that during the off-peak  periods.

Case study III  Investigating travel time variability in a freeway network

The  third set  of  travel  time  data  were  used  to  analyze the  travel  time  reliability under recurring and non-recurring traffic congestion. Travel time collection was conducted on the segments of fifteen  New  Jersey highways including: Routes  US 1, NJ 4, US 9, NJ 17, US 22, NJ 24, NJ 29, NJ 42, US 46, NJ 70, NJ 73, I-76, I-78, I-80, I-280, and  I-287 during the AM peak hours on  weekdays between October  8, 2007 and  April  21, 2008 through the  use  of Co- Pilot™ GPS navigation devices. In order to identify the link- and path-based travel time distributions of NJ 17, the following analysis was conducted:

The frequency of the route  travel  time for the entire  departure time period from  6:15 to 8:15

AM is shown in Figure  11. The path  travel  time  data  were  classified  into  four-minute time intervals, and  the distribution is a shifted log-normal distribution. The Y- axis is intercepted at the free flow travel  time  then  it is followed by a bell shape  and  then  it has  a long  tail of path travel time observations that reflect the delays experienced due to various traffic flow conditions such as increases in demand and incidents.

In order to determine whether a travel  time distribution is normal or log-normal, hypothesis test  was  applied. The  smaller  the  p-value,  the  more  strongly  the  test  rejects  the  null hypothesis. A p-value of 0.05 or less rejects the null hypothesis. The statistical statement for the normality test is

      Null  Hypothesis( H0): The route  travel  time  distribution for NJ 17 follows  the  Normal distribution

      Alternative Hypothesis (Ha): The route  travel  time distribution for NJ 17 has a different distribution than  the Normal.

Figure  12 indicates that  the null hypothesis – the route  travel  time distribution is normal – is rejected  as quite  a few observations fall away  from the line. The p-value (<0.005) of less than

0.05 confirms the visual  observation of the normality test.

A  Log-Normality test  for  the  path  travel  time  was  also  conducted. The  collected   path travel time was converted log-value and the shortest travel time was subtracted from each observation  since   the   travel   time   distribution  seems   to   fit   a   shifted  log-normal distribution.  Figure  13  indicates  that  the  null  hypothesis  (e.g.  the  route  travel  time distribution is log-normal) is not  rejected  as only  a few  observations fall away  from  the line. The corresponding p-value (0.36) of greater than  0.05 confirms the visual  observation of the log-normality test.

Conclusions

The  chapter discussed methods to  estimate the  variability and  reliability of travel  times. Floating  cars with  GPS devices  were  proven as an applicable tool to collect travel  time. The travel  time  variability and  reliability were  successfully assessed based  on  the  mean  travel time, the 95th  percentile travel  time, travel  time index,  buffer index,  and planning time index, etc. The impact of stochastic factors on the corridor travel time was identified for the traffic management by public  agencies.  The GPS-based link/path travel  time  data  could  be used for  producing the  Measures Of  Effectiveness (MOEs)  thereby assisting real-time traffic control  (e.g.  signal  timing)  and  traveler  information  (e.g.  traffic  diversion  and  travel planning),  and   transportation  planning  (e.g.   infrastructure  and   traffic   management strategies).

Many  public  transportation  agencies have  been  focusing on  enhancing the  capability of data  collection,  processing, analysis and  management to  generate reliable  estimates. In most  cases,  however, travel  time  data  are  available for relatively few  corridors in a state and sometimes suffered by limited sample sizes. It is desirable to collect vast data in good quality  and  develop  a  cost-effective  method  to  measure  travel  time  variability  and reliability that will be of interests of practitioners in measuring and predicting the transportation network performance. This study investigates the variability of travel time measurements  based  on  broad  traffic  environments  and  their  impacts  on  the  ITS applications. It is recommended that  the developed methodology can be used  to produce link-  and  path-based  travel  time  distributions  associated  with  the  Buffer  Indices  as performance measures to aid planners and engineers in making decisions of highway improvements  and   transportation  management  to   reduce  delays   while   improving reliability.