Operation and safety evaluation of roadway geometrics and posted speed limit in the PR-22 dynamic toll lane using a driving simulator

Abstract

This research presents the initial in-depth study of the PR-22 Dynamic Toll Lane (DTL) using the University of Puerto Rico at Mayagüez (UPRM) driving simulator, the first of its kind in Puerto Rico. The PR-22 DTL is a managed lane facility implemented in Puerto Rico in 2011 and operated by Autopistas Metropolitanas de Puerto Rico, LLC (METROPISTAS - an ABERTIS Company). This system is used to improve the level of service and mitigate the effect of traffic congestion in the Metropolitan area. The managed lane system combines reversible lane operations shared by private vehicles, as well as a Bus Rapid Transit (BRT). Driving behavior and potential safety hazards associated with this type of facility were evaluated using fifty-four (54) subject drivers across three independent variables that represented each treatment, namely, Lane Width (i.e. 12, 11 and 10 feet), Posted Speed Limit (i.e. 65, 55 and 45 mph), and Time of Day Condition (i.e. morning, evening, and night). These treatment combinations were measured through three dependent variables as part of the study, namely, Operational Speed, Acceleration Noise and Lateral Position. Furthermore, simulation data of these variables were collected in seven zones of interest that represented safety hazard points inside the PR-22 DTL, specifically the DTL entrance, pocket lanes at the left side, before, during and after the bridge separation, pocket lanes at the right side and at the DTL Exit. The integrated statistical data analysis consisted of two methods, General Linear Model (linear model) and Random Forest Model (non-linear model). Research findings showed that subject drivers have a higher operational speed in narrow lanes (less than 12 feet) and used the incorrect DTL exit in 22% of all the scenarios. In addition, an increase in the variable acceleration noise was detected at the DTL exit for the Time of Day Condition variable, where nighttime condition resulted with the highest acceleration noise. The most important variable in the Random Forrest Model for the Operational Speed variable is the Posted Speed Limit variable that records the highest Increase in Mean Square Error Percentage (IncMSE%) in six of the seven zones evaluated. The Lane Width variable was the most important variable in the Random Forest Model for the Acceleration Noise variable. Lastly, as it was expected the Time of Day Condition is the most important variable that affects the Lateral Position variable. The findings demonstrated that the non-linear model validates the results of the linear model evaluated. Based on the findings of this research, a new configuration of geometric elements, as well as a new posted speed limit in the PR-22 DTL is proposed. This recommendation can be adapted in the future by the administrators of the PR-22 DTL, METROPISTAS, to contribute to improve the safety and operation of the facility.

Esta investigación presenta el primer estudio a profundidad del Carril de Peaje Dinámico (DTL, por sus siglas en inglés) utilizando el simulador de conducción de la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez (UPRM), el primero de su tipo en Puerto Rico. El DTL de la PR-22 es una instalación de carriles administrados implementada en Puerto Rico en 2011 y operada por Autopistas Metropolitanas de Puerto Rico, LLC (METROPISTAS – una Compañía de ABERTIS). Este sistema se utiliza para mejorar el nivel de servicio y mitigar el efecto de la congestión del tráfico en el área metropolitana. El sistema de carriles administrados combina operaciones de carriles reversibles compartidos por vehículos privados, así como un Autobuses de Tránsito Rápido (BRT, por sus siglas en inglés). El comportamiento del conductor y los posibles riesgos de seguridad asociados con este tipo de instalación se evaluaron utilizando cincuenta y cuatro (54) conductores y tres variables independientes que representaban cada tratamiento, Ancho de Carril (p.e. 12, 11 y 10 pies), Límite de Velocidad Rotulado (p.e. 65, 55 y 45 mph) y la Condición del Día (mañana, tarde y noche). Se recopilaron tres variables dependientes como parte del estudio, Velocidad Operacional, Ruido de la Aceleración y la Posición Lateral. Además, los datos de simulación de estas variables se recolectaron en siete zonas de interés que representaban puntos peligrosos de seguridad dentro del DTL de la PR-22, específicamente la entrada del DTL, carriles de bolsillo en el lado izquierdo, antes, durante y después de la separación del puente, carriles de bolsillo en el lado derecho y en la salida del DTL. El análisis integrado de los datos estadísticos consistió en dos métodos, a saber, el Modelo Lineal General (modelo lineal) y el Modelo Random Forest (modelo no-lineal). Los resultados de la investigación mostraron que los sujetos tienen una Velocidad Operacional más alta en carriles con ancho menor al de 12 pies y usaron la salida DTL incorrecta en el 22% de todos los escenarios. Además, se detectó un aumento en la variable Ruido de la Aceleración en la salida de DTL para la variable de Condición del Día, donde la condición nocturna resultó con el ruido de la aceleración más alto. El modelo de Random Forest mostró que la variable de Velocidad Limite Rotulada resultó con el mayor incremento porcentual del Error Cuadrado Medio (MSE, por sus siglas en inglés) en la variable Velocidad Operacional en seis de las siete zonas evaluadas. La variable Ancho de Carril resultó ser la variable más influyente en el Modelo de Random Forest para la variable Ruido de la Aceleración. Por último, como fue esperado la variable de Condición del Día resultó ser la que más afecta la variable de Posición Lateral. Los hallazgos encontrados demostraron que el modelo no-lineal valida los resultados obtenido en el modelo lineal evaluado. Con base en los hallazgos de esta investigación, se propone una nueva configuración de elementos geométricos, así como un nuevo límite de velocidad en el DTL de la PR-22. Esta recomendación puede ser adaptada en el futuro por los administradores del DTL, METROPISTAS, para contribuir a la seguridad y la operación dentro de la facilidad.