Design and implementation strategies of Intelligent Transportation Systems on expressways: tactical and strategic approaches to influence driver behavior

Abstract

The development of a rapid road transport network where travelers and goods are transferred across the high-speed expressways is essential for the international economy. However, the human driver is characterized by limitations in information processing capabilities and the human body fragility in case of a crash. Particularly, if traffic changes from free flow to congested conditions, expressway drivers face an increased risk of road crashes. Furthermore, congestion itself presents an economic burden to many developed countries around the world, and driver errors are more likely to occur due to late and inappropriate adjustments in driving behavior. In the era of Intelligent Transportation Systems (ITS), the technologies supporting communications, sensing, and traffic control can influence driver performance when implemented as on-road infrastructure and in modern vehicles. The Variable Message Signs (VMS) and their display formats represent an important component of ITS, which is responsible for transferring regulatory, warning, and travel information to drivers. Therefore, the human-machine interface (HMI) constitutes an important research area in the context of smart expressways and ITS technologies. Road authorities who invest in ITS infrastructure often lack enough insights into the effectiveness of different display design and implementation strategies on driving behavior and miss valuable opportunities to improve the expressway system and its safety. This dissertation's goal is to evaluate the best practice VMS design and implementation strategies on driving behavior in the context of environmental demands inherent to specific traffic situations and the expressway design characteristics. More specifically, it is aimed to: 1. To identify design strategies that optimally influence the drivers' understanding and subsequent behavior for the three message categories: regulatory, warning, and travel information. 2. To identify the impact of strategic and tactical approaches of VMS implementation on driving behavior. Chapter one presents an introduction to smart expressways and the concepts of ITS. The stages of human information processing are explained in detail, followed by an overview of the critical stages a driver must go through to successfully detect, read, and understand traffic information signs to take appropriate actions. Several factors that increase the effectiveness of traffic signs have been identified from the literature. A multi-method approach was applied to identify message designs and implementation strategies from international guidelines and the scientific literature to investigate their effect on driving behavior for specific traffic management purposes on expressways. The designs were tested in a driving simulator to investigate their strategic and tactical impact on driver behavior in the State of Qatar and Belgium. Both developed countries have invested in the installation of ITS infrastructure and require specific insights into how to operate ITS displays on expressways to improve drivers' understanding and compliance with regulatory, warning, and travel information. Qatar is characterized by a highly international and heterogeneous driving population, which contributes to a diverse mix of driver behaviors, leaving road authorities with several questions on how to operate the ITS infrastructure to transfer 1.) meaningful and clear messages to the drivers, and 2.) influence the driving behavior effectively. Chapter two presents the first computer experiment conducted to investigate the comprehension and response times of Belgian drivers to Graphical Route Information Panels (GRIP). The participants had to verify as fast as possible whether GRIPs are transferring the correct meaning of previously read traveler information statements. The GRIP had either an abstract or naturalistic road map shape and a one or two congestion color scheme. The results of this study indicated that the correct meaning of the information displayed on a GRIP is quickly comprehended if two congestions state colors are shown on an abstract map shape of the expressway network. Also, different font sizes for major and minor destinations improve the readability and response times. In chapter three, a second computer study and stated preference survey were conducted among participants in Qatar to test drivers' intuitive route choices as well as drivers' recall ability and understanding of best practice designs of GRIPs and VMSs to warn about different incidents on the road (e.g., crash, work zone, congestion) and suggesting an alternative route. The participants were looking for a limited duration of 6 seconds to the information designs (replicating similar viewing times as when traveling at expressway speeds) and had to make a subsequent route choice. Afterward, the participants were exposed to the sign for a second duration of 6 seconds to test the recall and comprehension of the displayed information units. Additional information regarding drivers' sensitivity for travel time and delay time increases were investigated, and drivers had to state their preferred design and time display methods for GRIP and VMS. Interestingly, the incident warnings for work zones benefited from the display of delay times and red and green colors on the GRIP. In chapter four, a driving simulator study was initiated to test total travel times and delay time displays for work zone congestion warning on GRIP and VMS to investigate their effect on route diversions and driving behavior. The mediumfidelity fixed-base driving simulator at Qatar University was used to investigate drivers' speed and lane change behavior and the final route choice when driving in a visual virtual expressway environment. Moreover, the drivers' eye glances to the traveler information signs were recorded with an eye tracker. The VMS and GRIP were repeated before the expressway junction to confirm the message content. The results of the eye tracker and route choice study showed that the delay time method either displayed on VMS and GRIP was most effective in influencing >70% of drivers to take the alternative route. Moreover, similar eye fixation durations were measured for both the VMS and GRIP, displaying zero delay times. It was concluded that the contrast between information units for both routes is the most important aspect of dynamic travel information to reduce uncertainty and influence strategic diversion behavior effectively. In chapter five, the impact of strategic and tactical congestion warnings for an inevitable hard congestion queue on the expressway was investigated. This study was conducted with the driving simulator at Hasselt University in Belgium to investigate whether the VMS type (gantry vs. cantilever), the distance from the VMS location to congestion tail (1 km vs. 2 km vs. 4 km vs. 10 km), and the message design have different impacts on driving behavior. As for the message design, the layout aspects (congestion pictogram with or without text), number of information units (ranging from 2 to 4 units), and distance indication (present vs. absent) were also included. The drivers' eye glances towards the signs were recorded with an eye tracker. The full car fixed-based driving simulator with a large 180° field of view seamless curved screen was used to investigate the effect of the warning conditions on driving behavior. The results showed that a gantrymounted congestion warning displaying a pictogram in combination with the word 'congestion' at 1 km before the congestion tail had the best impact on speed, resulting in smooth deceleration and safe stopping distances. Overall, the effectiveness of congestion warning via VMS is dependent upon visibility conditions and the message-incident distance. In chapter six, the issue of the message-incident distance was further investigated in a driving simulator study in Qatar, where sudden occurrences of adverse weather conditions such as sandstorms can cause low visibility on rural desert expressways. To improve drivers' understanding of the hazard, a sandstorm animation visualizing turbulent sand and its consequences was designed and compared with a general warning pictogram, applied if no specific weather pictogram is available. Moreover, the VMS's minimum warning distances to the low visibility zone were tested (e.g., 300 m or 500 m). Sixty-three participants from the State of Qatar drove in a driving simulator through clear, transition, and low visibility conditions. The results showed that the sandstorm animation with the word 'Sandstorm' was similarly effective as a generic warning pictogram with the word 'Sandstorm' in reducing drivers' speeds before entering the transition and low visibility zone, irrespective of being displayed 500 m or 300 m away from the sandstorm. The sandstorm animation resulted in consistent similar speed reductions within the low visibility zone. In contrast, the generic warning pictogram performed better and worse in terms of speed reduction within the low visibility zone, which might be attributed to drivers' unclear expectations of the hazard. Chapter seven discusses emerging conflicts at expressway merging sections for drivers on the outer expressway lane who are forced to respond to the merging platoon vehicles from the on-ramps. It was investigated which driving behaviors determine whether a particular merge control approach is best for a rural or urban expressway. In this study, several dynamic merge control strategies, such as lane vi control signs, eventually combined with variable speed limits (VSL), were tested on a simulated 4-lane urban and rural expressway in Qatar to measure the sign effectiveness on cooperative lane changes. Subsequently, a comparison was made with the driving behaviors in response to static merge control (e.g., merge warning signs or road marking treatment). The results from the driving simulator suggest that dynamic merge control is more effective for rural expressways considering the higher traffic speeds. The earlier lane changes contributed to smooth maneuvers and gradual speed reductions on the rural expressway and improved safe driving behavior as compared to static merge control. In contrast, the dynamic merge control did not deliver additional safety benefits on urban expressways and can be substituted by a low-cost static merge control approach. Chapter eight continues the discussion of potential conflicts at expressway merging sections for drivers on the outer expressway lane if a lane redistribution is neither desirable nor necessary. A new Active Gap Metering (AGM) signalization was designed to help outer lane drivers adjust their headway to the lead vehicle when approaching tapered expressway ramps with incoming vehicles. This AGM signalization represents a combination of pavement markings and an innovative overhead VMS. The AGM system was tested alone and in combination with additional VSL on two sections of the Doha Expressway in the State of Qatar using a driving simulator. The results showed that the AGM effectively influenced the drivers' behavior on the right lane of the traffic stream. Drivers did gradually increase the distance to the lead vehicle, which resulted in optimal headways to merging on-ramp vehicles. Most importantly, the minimum time-to-collision (TTCmin) to the merging vehicle was increased by an additional 1 - 1.5 seconds compared to no treatment, which can improve traffic safety at these merging sections. Chapter nine discusses the insights gained from the seven experiments that have been conducted. It is examined whether the results and recommendations derived from the studies can be generalized to other countries in the world. Furthermore, future directions regarding cooperative ITS technologies are described. Future research should focus on improving message comprehension and compliance for distinct traffic sign categories by combining the benefits of innovative design elements with well-known human response mechanisms to optimize display designs and trigger the desired behavioral responses. It is suggested to include the insights from the behavioral interface studies in design manuals, handbooks, and guidelines to support road authorities, engineers, scientists, and policymakers in making informed decisions for ITS implementation and display designs on expressways. A Clearinghouse platform is recommended to provide structured research guidance into the effect of ITS display configurations tested in local and international traffic contexts on driving behavior. Overall, the effectiveness of display designs on driver behavior must also be evaluated in the light of the desired traffic management objectives that should be achieved.

Het autosnelwegennetwerk is essentieel voor de internationale economie omdat reizigers en goederen efficiënt naar verschillende bestemmingen worden vervoert. De menselijke bestuurder van voertuigen wordt echter gekenmerkt door selectieve aandacht en beperkingen in informatieverwerking. Met name de hoge snelheden op snelwegen verhogen het risico en de ernst van dodelijke verkeersongevallen voornamelijk als de verkeersomstandigheden veranderen van vrije doorstroming naar file rijden. Verkeersopstoppingen op de snelwegen vormen voor veel landen een economische last. Ook ongevallen komen vaker voor als gevolg van ongepast rijgedrag. In het tijdperk van Intelligent Transportation Systems (ITS) worden de technologieën rondom detectie-, controle en informatievoorziening verspreid via de wegeninfrastructuur en in-vehicle displays. Variabele verkeersborden (VMS) en hun weergave-formaat vormen een belangrijk onderdeel van ITS dat verantwoordelijk is voor het overdragen van rijinstructies, waarschuwings- en reisinformatie aan chauffeurs. Daarom vormt de mensmachine interface een belangrijk onderzoeksgebied in de context van slimme snelwegen en ITS-infrastructuur. Wegbeheerders die in ITS-infrastructuur investeren, hebben vaak onvoldoende inzicht in de effectiviteit van verschillende displayontwerp- en implementatiestrategieën en missen waardevolle kansen om het snelwegensysteem en de veiligheid ervan te verbeteren. Het doel van dit proefschrift is om de 'best practices' voor VMS-ontwerp en implementatiestrategieën op het gedrag van bestuurders in specifieke verkeerssituaties op de snelweg te evalueren. Dit houdt in: 1. Ontwerpstrategieën te identificeren die het begrip van de bestuurder en het daaropvolgende gedrag optimaal beïnvloeden voor de drie berichtcategorieën: controle, waarschuwings- en reisinformatie. 2. De impact van aanbevolen afstanden voor strategische en tactische VMS boodschappen op het rijgedrag te evalueren. Hoofdstuk één geeft een inleiding tot slimme snelwegen en de concepten van ITS. De processen van de menselijke informatieverwerking worden in detail uitgelegd, gevolgd door een overzicht van de belangrijke processen die een bestuurder moet doorlopen om een verkeersbord met succes te detecteren, te lezen en te begrijpen om de juiste actie te ondernemen. Uit de literatuur werden verschillende factoren geïdentificeerd die de effectiviteit van verkeersborden kunnen verhogen. Er werd een multi-methoden aanpak toegepast om berichtontwerpen en implementatiestrategieën uit internationale richtlijnen te identificeren en de effectiviteit ervan op informatieverwerking en rijgedrag te onderzoeken. De ontwerpen werden geïmplementeerd in een rijsimulator om hun strategische en tactische impact op het rijgedrag te onderzoeken. De onderzoeken zijn uitgevoerd in België en voornamelijk in Qatar. Beide landen hebben geïnvesteerd in de installatie van ITS-infrastructuur op snelwegen en streven naar beter verkeersbeheer, verlichting van verkeersopstoppingen, informatievoorziening en verbeterde verkeersveiligheid. Qatar wordt gekenmerkt door een zeer internationale en heterogene bestuurderspopulatie die bijdraagt aan divers rijgedrag, waardoor wegbeheerders veel vragen hebben over hoe de ITSinfrastructuur moet worden beheerd en hoe dynamische informatie moet worden getoond om 1.) een efficiënte en duidelijke informatieoverdracht te garanderen, en 2.) het rijgedrag effectief te beïnvloeden. In totaal werden zeven studies uitgevoerd naar de processen van perceptie, begrip en reacties van bestuurders op Variable Message Signs (VMS) en Graphical Route Information Panels (GRIP). Hoofdstuk twee presenteert een computertaak experiment dat werd uitgevoerd om het begrip van grafische route informatie en de reactietijden van Belgische chauffeurs hierop te onderzoeken. Verschillende vormen en kleuren van wegennetwerken werden vertoond op grafische route-informatiepanelen (i.e., GRIP). De bestuurders moesten binnen een beperkte tijdslot de correcte reizigersen verkeersinformatie verifiëren. De resultaten van dit onderzoek gaven aan dat de juiste betekenis van de informatie die op een GRIP werd weergegeven snel word begrepen als twee kleuren getoond worden op een abstracte kaartvorm van het snelwegennetwerk. Bovendien verbeterden verschillende lettergroottes voor bestemmingen langs de weg de leesbaarheid en responstijden. In hoofdstuk drie werd een tweede computerstudie en een stated preference enquête uitgevoerd onder chauffeurs in Qatar om hun intuïtieve routekeuzes te testen. De deelnemers moesten het ontwerp begrijpen om een route keuze te maken en zich vervolgens aan de details kunnen herinneren die op GRIPs en VMS werden getoond (bijv., ongeval, wegenwerken, files) en een alternatieve route voorstel. De onderzoeksdeelnemers konden gedurende 6 seconden naar de informatieontwerpen kijken (waarbij ze dezelfde kijktijden repliceerden als bij het rijden op de snelweg) en moesten een routekeuze maken. Daarna werden de deelnemers gedurende 6 seconden opnieuw blootgesteld aan het bord om aan te geven wat ze kunnen herinneren en hoe ze de informatie hebben begrepen. Aanvullende informatie over de gevoeligheid van chauffeurs voor reistijd en toename van de vertragingstijd werd verzameld en chauffeurs moesten hun voorkeuren voor tijdweergavemethoden op GRIP en VMS aangeven. Een belangrijke bevinding was dat de incidentwaarschuwingen voor werkzones het meest profiteerden door een weergave van vertragingstijden en een groene kleur voor de alternatieve route op de GRIP. In hoofdstuk vier werd een rijsimulatorstudie uitgevoerd om de totale reistijden en vertragingsweergaven voor wegenwerken-waarschuwingen op GRIP en VMS te testen en hun effect op de route keuzes en het rijgedrag te onderzoeken. De medium-fidelity rijsimulator van de Universiteit Qatar werd gebruikt om de snelheid en het rijstrookveranderingsgedrag van bestuurders te onderzoeken, als ook het kijkgedrag op de reizigersinformatieborden en de route keuzes in kaart te brengen. De VMS en GRIP werden herhaaldelijk weergegeven vóór de virtuele afrit van de snelweg om de verkeersinformatie te bevestigen. De resultaten van de eye tracker- en routekeuze-studie toonden aan dat de vertragingstijdmethode die ofwel op VMS en GRIP werd weergegeven, het meest effectief was om >70% van de bestuurders te beïnvloeden om de alternatieve route te nemen. Bovendien werd er voor beide paneelformaten een vergelijkbare oogfixatieduur gemeten toen de alternatieve route nul vertragingstijd had. Het kan geconcludeerd worden dat het contrast tussen twee informatieaspecten het meest belangrijk is om onzekerheid te verminderen en het volgen van strategische omleidingen effectief te bevorderen. In hoofdstuk vijf werd de impact van strategische en tactische waarschuwingen voor onvermijdelijke opstoppingen op doorgaande snelwegen onderzocht. Deze studie werd uitgevoerd met de rijsimulator van de Universiteit Hasselt in België om te onderzoeken of het VMS-type (portaal vs. cantilever), de afstand van de VMS-locatie tot de filestaart (1 km vs. 2 km vs. 4 km vs. 10 km) en het berichtontwerp verschillende effecten op het rijgedrag hebben. Wat het berichtontwerp betreft werden zowel lay-out (congestiepictogram met of zonder tekst), aantal informatie-eenheden (variërend van 2 tot 4 eenheden) en afstandsindicatie (aanwezig versus afwezig) onderzocht. Het kijkgedrag van de bestuurders op de borden werd vastgesteld met een eye-tracker. De rijsimulator garandeert een groot 180° gezichtsveld door een naadloos gebogen scherm en werd gebruikt om het effect van de waarschuwingscondities op het rijgedrag te onderzoeken. De resultaten toonden aan dat een portaalinstallatie met een waarschuwingspictogram in combinatie met het woord 'file' op 1 km vóór de filestaart de beste invloed op de gemiddelde rijsnelheid had, wat resulteerde in een soepele vertraging en veilige remafstanden. Over het algemeen is de effectiviteit van de filewaarschuwing via VMS ervan afhankelijk of de bestuurders de waarschuwingsboodschap duidelijk kunnen zien en een optimale afstand tot de filestaart. In hoofdstuk zes werd het probleem van de afstand tussen waarschuwing en incident nader onderzocht in een rijsimulatoronderzoek in Qatar, waar plotselinge ongunstige weersomstandigheden, zoals zandstormen, een slecht zicht kunnen veroorzaken op snelwegen in de woestijn. Om het begrip van de oorzaak en implicaties van het gevaar te verbeteren, werd een zandstormanimatie ontworpen die turbulent zand en de gevolgen ervan op een VMS visualiseert. De animatie werd vergeleken met een algemeen waarschuwingspictogram, dat wordt toegepast als er geen specifiek weerpictogram beschikbaar is. Bovendien werden de minimale waarschuwingsafstanden van de VMS tot de slechte zichtbarheid getest (bijv. 300 m of 500 m). Drieënzestig deelnemers uit Qatar reden in een rijsimulator door heldere, overgangs- en slechtzichtomstandigheden. De resultaten toonden aan dat de zandstormanimatie met de tekst 'zandstorm' erbij even effectief was als een algemeen waarschuwingspictogram met de tekst 'zandstorm' om de gemiddelde rijsnelheden vóór de overgang en slechtzichtzone te verlagen, ongeacht of de waarschuwingsafstand 500 m of 300 m was. De zandstormanimatie resulteerde echter in consistente vergelijkbare snelheidsverminderingen binnen de slechte zichtbarheidszones, terwijl het algemene waarschuwingspictogram beter en slechter presteerde na een herhaaldelijke ontmoeting met een zandstorm. Het weergeven van een zandstormanimatie is gunstig voor snelwegen met een terugkomend slecht zicht en een weinig verkeer zoals in woestijngebieden, terwijl een waarschuwingspictogram tot een effectieve snelheidsvermindering kan bijdragen als bestuurders extra verkeersrisico's kunnen verwachten. Hoofdstuk zeven bespreekt opkomende conflicten bij het samenvoegen van snelwegen en opritten voor naderende bestuurders op de buitenste rijstrook die moeten reageren op invoegende voertuigen. Deze studie heeft onderzocht of een bepaalde merge control-aanpak het beste is voor een landelijke of stedelijke autosnelweg. In deze studie werden verschillende dynamische merge controlstrategieën, zoals lane control signalisatie (gecombineerd met variabele snelheidslimieten (VSL)), getest op een gesimuleerde stedelijke en landelijke snelweg met vier rijstroken in Qatar om het effect op coöperatieve rijstrookwisselingen vóór invoegstroken te onderzoeken. Vervolgens werd een vergelijking gemaakt met het rijgedrag indien gewone waarschuwingsborden of wegmarkeringen aanwezig zijn. De resultaten van de rijsimulator toonden aan dat dynamische rijstrook controle effectiever is voor landelijke snelwegen gezien de hogere verkeerssnelheden. De eerdere rijstrookwisselingen droegen bij tot soepele manoeuvres en geleidelijke snelheidsverlagingen op de landelijke snelweg en een verbeterd rijgedrag dan in vergelijking met gewone waarschuwingsborden of wegmarkeringen. De dynamische rijstrook controle leverde daarentegen geen extra veiligheidsvoordelen voor stedelijke snelwegen op en kan worden vervangen door een goedkope aanpak met waarschuwingsborden. Hoofdstuk acht zet de bespreking van potentiële conflicten bij het samenvoegen van rijstroken en opritten op autosnelwegen voort. Een nieuwe Active Gap Metering (AGM) -signalisatie werd ontworpen om bestuurders op de buitenste rijstrook te helpen hun volg afstand aan te passen voordat inkomende voertuigen abrupt gaan invoegen. Deze aanpak is wenselijk als vroege rijstrookwisselingen niet nodig ofwel mogelijk zijn. De AGM-signalisatie is gebaseerd op een combinatie van wegmarkeringen en een innovatief Variable Message Sign (VMS). Het AGMsysteem werd alleen getest en in combinatie met aanvullende variabele snelheidslimieten (VSL) op twee delen van de Doha Expressway in Qatar met behulp van een rijsimulator. De resultaten toonden aan dat de AGM het gedrag van de chauffeurs op de rechterrijstrook van de verkeersstroom effectief beïnvloedde. De bestuurders hebben de afstand tot de voorligger geleidelijk kunnen vergroten, wat resulteerde in een optimale afstand tot invoegende voertuigen. Het belangrijkste is dat de minimale tijd tot aanrijding (TTCmin) op het invoegende voertuig door 1 tot 1.5 seconden verhoogd kan worden, wat de verkeersveiligheid ten opzicht van geen behandeling zal verbeteren. Hoofdstuk negen bespreekt de inzichten die werden verkregen uit de zeven uitgevoerde experimenten. Er wordt nagegaan in hoeverre de resultaten en aanbevelingen naar andere landen met een heterogeen rijpopulatie kunnen worden gegeneraliseerd. Toekomstig onderzoek zou zich moeten richten op bestuurders begrip van verkeersinformatie en in hoeverre dit kan worden verbeterd door een combinatie van innovatieve en aandacht trekkende ontwerpelementen met bekende stimuli-responsmechanismen om displayontwerpen verder te optimaliseren en het gewenste gedrag op te wekken. De inzichten en resultaten van effectieve ITS-displayconfiguraties die lokaal en internationaal zijn getest kunne worden opgenomen in ontwerphandleidingen, handboeken en richtlijnen. Bovendien, wordt het voorgesteld om een clearinghouse platform op te bouwen om kennis met betrekking tot de mensmachine interface voor wegbeheerders, ingenieurs, wetenschappers en beleidsmakers bereid te stellen. Algemeen moet de effectiviteit van displayontwerpen op het rijgedrag van de bestuurder ook worden beoordeeld in het licht van de beoogde verkeersbeheerdoelstellingen.