Controle Tráfego Urbano Veicular

8/18/2019 Controle Tráfego Urbano Veicular

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AUTOMAÇÃO E SISTEMAS

JÉSSICA AQUINO CHAVES

LUCAS ZIMMERMANN

TRABALHO FINAL

CONTROLE DE TRÁFEGO URBANO VEICULAR

Professores: Rodrigo Castelan Carlson

Werner Kraus Junior

Florianópolis2015


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1. INTRODUÇÃO

Considerando a malha viária em anexo, o objetivo geral deste trabalho é obter o cicloótimo e tempos de verde efetivo de acordo com o método de Webster e, a partir da

modelagem e otimização da malha no programa TRANSYT, comparar os resultados obtidos

nos dois métodos utilizando o programa de microsimulação Aimsun. Os objetivos específicos

deste trabalho são:

1. Analisar a malha modelada em Aimsun, verificando a matriz origem destino e

garantindo um fluxo elevado na malha viária.

2. Para cada interseção, obter os fluxos de saturação, e tempos perdidos inicial e finalusando o método HCM (TRB, 2010).

3. Obter o ciclo ótimo para a interseção crítica e determinar pelo método de Webster os

planos de todas as interseções, usando defasagem zero.

4. Modelar a malha viária no TRANSYT e otimizar.

5. Implementar no microssimulador Aimsun os planos obtidos e avaliar os resultados.

Aimsun é um programa de modelagem de tráfego que permite a modelagem de

sistemas simples a complexos de tráfego. A malha no Aimsun foi modificada de acordo com a

restrição máxima de 50 nós do TRANSYT. Sendo assim, foram removidas as interseções não

semaforizadas, as que não possuíam fluxo entrando na malha e outras que não representavam

grandes modificações considerando as interseções principais. Então, a malha enviada em

anexo, já representa a malha viária em funcionamento, com as matrizes OD devidamente

modificadas e com a presença do VLT habilitada.

As demais seções apresentam a descrição detalhada de cada item dos objetivos

específicos. A seção 2 descreve o método de Webster e a obtenção dos fluxos de saturação e

tempos perdidos. A seção 3 descreve a modelagem e otimização do TRANSYT. A seção 4

apresenta os resultados da comparação do que foi obtido em 2 e 3. E por fim, A seção 5

apresenta a conclusão.


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2. MÉTODO DE WEBSTER

O método de Webster, para cálculo de temporização semafórica, permite determinar atemporização ótima de um plano a tempo fixo para uma interseção isolada, do ponto de vista

de minimização do atraso veicular. O plano obtido através do método considera um período

no qual o fluxo está variando aleatoriamente em torno de um valor médio.

O procedimento utilizado neste trabalho para a obtenção do ciclo ótimo da rede e o

tempo de verde disponível para cada fase é apresentado em Carlson (2006). A interseção

representada na Figura 1, com 6 aproximações, pertence a malha estudada e será utilizada

neste relatório para exemplificar os processos de cálculo de ciclo ótimo e tempos de verde, osquais se repetem analogamente para as demais interseções da malha. É importante ressaltar

que as fases para pedestre e VLT compartilham estágios semafóricos com aproximações mais

ocupadas do que estas, portanto foi desconsiderado o efeito das mesmas para cálculo no

método de Webster. Em alguns casos, quando as fases dos pedestres ou VLT possuíam um

estágio específico, foi definido para estas o tempo de verde mínimo e, no método de Webster,

estes tempos são considerados tempo perdido.

Figura 1: Interseção BP008 com as devidas aproximações identificadas

De acordo com Carlson (2006), o método de Webster pode ser aplicado a uma

interseção através dos seguintes passos de cálculo:


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1. Estimar fluxo (), fluxo de saturação (), tempo perdido inicial() e final () paracada aproximação da interseção.

Os fluxos são conhecidos, enquanto que os fluxos de saturação e tempo perdido inicialforam obtidos com medições de headway dos veículos, feitas diretamente no simulador

microscópico. O cálculo de fluxo de saturação e tempo perdido inicial foi realizado com base

no método proposto em TRB (2010), sendo que os headways dos dois primeiros veículos

foram considerados para o cálculo de tempo perdido inicial e os headways dos demais

veículos em fila foram considerados para cálculo do fluxo de saturação. Este processo foi

repetido para todas as vias que possuíam permissões distintas de conversão. Foi considerado o

mesmo valor de fluxo de saturação e tempo perdido inicial para vias que possuíam a mesmaquantidade de faixas e mesma permissão de conversão.

O valor constatado de tempo perdido final é equivalente à metade do tempo de

amarelo da respectiva fase. Os tempos de amarelo são dados da malha e foram definidos

como 3 ou 4 segundos, dependendo da interseção.

2. Calcular taxa de ocupação () de cada aproximação, através da razão = /.Selecionar o maior valor de para cada estágio da interseção.

A partir dos fluxos e fluxos de saturação, e , obtidos no item anterior, foramobtidos os valores para a taxa de ocupação da tabela 1. As demais fases não foram colocadasna tabela, pois representavam tempos de pedestres e do VLT, e em nenhum caso apresentaram

um valor máximo para ocupação, devido ao baixo fluxo . As fases 1 e 9 compõem o estágio1 e as fases 2 e 8 o estágio 3, como pode ser visto na Figura 2. De acordo com a Tabela 1, as

fases 1 e 2 representam a maior taxa de ocupação para cada estágio representado.

Tabela 1: Taxa de Saturação das principais fases da interseção BP008

3. Somar os valores obtidos para de cada fase, obtendo = , sendo o númerode fases da interseção.

= 0,3247 + 0,2120 + 0,1709 + 0,3526 = 0,5646

Fase (aproximação) Fluxo

(veic/h)Fluxo de Saturação

(veic/h) Taxa de Ocupação

1 (300) 1119 3446 0,3252 (547) 624 2943 0,212

8 (1889) 503 2834 0,1719 (554) 1239 3514 0,353


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Figura 2: Estágios 1 e 3 da interseção BP008

3. De acordo com os tempos estabelecidos de fases para pedestre, VLT e tempos de

vermelho total, estimar o tempo perdido R.

= 2 + 7 + 4 + 5 + 7 = 25

4. Calcular o tempo de ciclo pela equação:

0 =1,5 + 5

1 =

1,5 29 + 5

1 0,5646 = 111

Em que é o tempo perdido total, dado pela equação:

= 2 (1 + 1) + 25 = 29

Em que é o tempo perdido por fase devido a atrasos nas partidas e não aproveitamento do

tempo de amarelo. O tempo perdido inicial de cada estágio foi definido como 1 segundo, e o

tempo de não aproveitamento do amarelo foi definido como 1.5 segundos, mas alterado para 1

segundos, tendo em vista que o TRANSYT aceita apenas números inteiros.

Feito isso para todas as interseções, aquela que apresentou o maior ciclo ótimo foi a

interseção BP001, apresentada na Figura 3, com valor de 137 segundos. Para sincronização

dos semáforos de todas as interseções da malha estudada uma boa prática é utilizar o valor de

maior ciclo ótimo como o valor de ciclo de todas as interseções, porém com a utilização do

programa TRANSYT foi possível testar diversos tempos de ciclo e identificar o ciclo que

melhor se adequa a malha estudada. Detalhes destes testes são apresentados na próxima seção.


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O tempo de ciclo de 120s foi considerado para todas as interseções da malha, e os

tempos de verde de cada estágio serão calculados através dos passos 6 e 7 como apresentado a

seguir.

Figura 3: Interseção BP001 que atingiu o maior valor de ciclo ótimo

5. Subtrair do tempo de ciclo o tempo total L. Desta forma, obtém-se o ciclo de verde

disponível. Deve-se dividi-lo na razão dos valores de :

=

( )

=

( ) = 0,6245(120 29) = 57

=

( ) = 0,3755(120 29) = 34

Em que é o tempo de ciclo da malha.

6. Adicionar segundos para cada tempo de verde e subtrair o tempo de amarelo para

obter os tempos de verde do plano. Assim, o para cada fase principal é:

= 57+ 1 + 1 3 = 56 s

= 34+ 1 + 1 3 = 33 s

As demais fases, mesmo que com menores fluxos, vão permanecer em verde ao longo

do mesmo período que as fases críticas, 9 e 2. Por fim, os verdes dos estágios terão a mesma

duração dos verdes de foco calculados para as fases críticas de cada estágio. A configuração

final dos estágios de acordo com o método de Webster pode ser vista na Figura 4.

Figura 4: Configuração da interseção BP008 de acordo com Webster


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3. MÉTODO DE OTIMIZAÇÃO TRANSYT

O TRANSYT (Traffic Network Study Tool) é um programa que realiza o cálculooffline dos tempos semafóricos em uma rede de tráfego. Utilizado também para desenvolver,

modelar e otimizar desde interseções isoladas a redes complexas.

Figura 5: Interseção BP008 modelada no programa TRANSYT

A modelagem dos nós e links no TRANSYT foi feita utilizando o TranEd. Na Figura 5

os nós 81 e 82 e os links conectados a eles representam a interseção BP008 no programa

TRANSYT. Os links 3, 9 e 22 representam os estágios onde só os links de pedestres estão

acionados. Da mesma forma, os links 11109 e 11110 representam as vias do VLT. Quando o

TRANSYT for otimizar os tempos semafóricos, estes estágios receberão verde mínimo, já que

o fluxo é muito baixo comparado aos demais.

A configuração dos parâmetros necessários para a otimização no TRANSYT foi feita

sem a utilização de interface gráfica, através da modificação dos dados dos cartões,

diretamente em arquivo de texto. Alguns exemplos de como os cartões foram modificados de

acordo com Crabtree et al.(1996) serão apresentados a seguir. Os dados de fluxo são dados em

pcu/h (Kraus, 2015).


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CARD TYPE 1

Abaixo são apresentados os principais parâmetros deste cartão:

ID doCartão TempoCiclo Número desteps TempoSimulação D1 D2 EQUISAT(1=yes) Valor Atraso Valor 100 paradas

1 120 60 60 1 2 1 930 170

CARD TYPE 2

Exibe a lista de nós da malha. Para otimização os nós são analisados na ordem que

estiverem apresentados no cartão.

CARD TYPE 11-17, 21-23

Cartões que fazem referência às características iniciais do nó. O primeiro algarismo do

ID do cartão indica se o nó tem ciclo duplo ou não. O segundo algarismo representa o número

de estágios no nó. Na tabela abaixo, os nós 81 e 82 são de um único ciclo e possuem 5 e 3

estágios, respectivamente. Já o nó 94 tem ciclo duplo e 2 estágios.

NomeCartão

Núm. Nó

Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5Tempoinício

MínimoVerde

T.Ini.

Mín.Verde

T.Ini.

Mín.Verde

T.Ini.

Mín.Verde

T.Ini.

Mín.Verde

15 81 0 12 12 12 24 12 76 12 108 1213 82 0 12 12 12 108 1222 94 0 12 12 12

CARD TYPE 31

Este cartão considera as alterações no link. Ele indica em qual estágio inicia o verde

do link e em qual termina o verde, bem como o start lag e o end lag do período de verde no

estágio. O start lag corresponde ao tempo de entreverdes, que é a soma do tempo de amarelo

e de vermelho integral. Neste parâmetro também é somada a diferença entre o tempo perdidoinicial e o deslocamento efetivo inicial, D1, o que não foi considerado neste trabalho, pois os

dois parâmetros possuem o mesmo valor. O end lag é definido pela diferença entre o tempo

perdido final e o deslocamento efetivo final, D2, que também é inexistente neste trabalho.

NomeCartão

Núm.Link

Núm. NóSaída

Primeiro período de verde Segundo período de

verde

ComprimentoLink

PesoParada

FluxoSaturação

EstágioInicial

StartLag

EstágioFinal

EndLag

31 300 82 1 7 2 0 0 0 0 0 461 0 294031 22 82 2 4 1 0 0 0 0 0 5 0 500031 1889 82 2 4 3 0 0 0 0 0 3 0 2940


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CARD TYPE 32

Nome Cartão Número Link Fluxo no link

Fluxo

uniforme

Primeiro fluxo de entrada no link

Primeiro link a montante Fluxo do link a montante

Velocidade

de percursolivre

32 300 1233 0 297 1249 50

A velocidade de percurso livre é medida desde a faixa de retenção do link a montante

até a faixa de retenção do link em questão (Kraus, 2015).

O CARD TYPE 100 e o CARD TYPE 101 são ignorados pelo TRANSYT e servem

apenas de diretriz para representação gráfica dos nós (CARD 100) e links (CARD 101) no

TranEd.

Após a introdução dos dados no programa, inicia-se a otimização do sistema. A

heurística hill climbing realiza pequenas modificações na decisão das variáveis defasagem e

splits até obter um ótimo local. O ciclo não é otimizado. O objetivo na otimização é

minimizar o índice de desempenho (PI):

= ( + 100

)

em que N: número de links: custo por média de atraso de pcu/h: custo por 100 pcu-stops: peso do atraso no link i: atraso no link i: peso da parada no link i: número de paradas no link i

Uma desvantagem da otimização utilizando a heurística hill climbing é que ele podeencontrar um mínimo local para PI, e não global. Para diminuir as chances de encontrar um

mínimo local, o TRANSYT usa diferentes tempos na otimização (Crabtree et al., 1996). Os

valores utilizados para o ajuste do hill climbing foram: 18 48 -1 18 48 1 -1 1. Onde os

números 18 e 48 representam uma alteração da defasagem em 18% e 48% do ciclo,

respectivamente. O -1 faz a busca por novos splits e o 1 não representa percentual, mas sim

uma alteração de 1 segundo no valor atual da defasagem (Kraus, 2015).. São consideradas

adequadas, as configurações para a temporização semafórica que não violem o tempo de

verde mínimo, configurado como 12 segundos neste trabalho, e são capazes de suportar o

tráfego (Crabtree et al., 1996).


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Como dito anteriormente, a otimização acontece por tempos, onde a primeira

modificação é a alteração da defasagem em 18% do ciclo em um dos semáforos. O PI é

recalculado para a rede e, se reduzido, a defasagem é alterada sucessivamente, na mesmadireção, a fim de encontrar o menor PI. Se aumenta o PI, a defasagem é alterada na direção

oposta. Cada sinal é ajustado de acordo com a posição em que se encontra na lista de nós do

CARD TYPE 2. Feito os ajustes semafóricos e da defasagem, começa então a otimização

alterando a nova defasagem em 48% do ciclo e assim segue a otimização até obter o menor

PI.

Inicialmente, em TRANSYT foram testados diferentes tempos de ciclo a fim de

determinar aquele que melhor se adequava a malha. A Tabela 3.1 apresenta a comparação domenor valor PI encontrado pelo programa para cada ciclo semafórico testado: 110 s, 120 s,

130 s e 140 s. De acordo com a tabela, o melhor desempenho final foi o ciclo de 120 s.

Tabela 2: Análise do índice de desempenho (PI) obtido em TRANSYT para diferentes tempos de ciclo

Ciclo semafórico (s) Valor final PI ($/h)110 1775,6120 1733,5130 1788,3

140 1858,6

Tendo escolhido um tempo de ciclo de 120s, os tempos de verde e defasagens foram

definidos pelo TRANSYT de tal forma que o resultado otimizado impôs sincronismo entre as

fases da avenida principal da malha, no sentido da interseção BP016 à interseção BP001. O

diagrama espaço-tempo obtido como resultado do cálculo semafórico do TRANSYT para o

trecho com maior sincronismo é apresentado na Figura 6. Na imagem nota-se que foi possível

manter o sincronismo com apenas uma grande quebra deste, presente no link 554. Sendo

assim, o primeiro trecho de sincronismo, do link 1549 ao link 554, possui comprimento de

1,9km e o segundo trecho, do link 554 ao link 2590, possui comprimento de 2,4km. Em

outras palavras, a maior parcela do fluxo veicular que trafega neste sentido, é capaz de

transitar por 4,3km parando em apenas uma das 10 interseções ao longo do trecho.


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Figura 6: Diagrama espaço-tempo para avenida principal da malha viária no sentido BP016 – BP001

4. RESULTADOS EM MICROSIMULAÇÃO

Os tempos semafóricos calculados tanto pelo método de Webster quanto pelo

programa TRANSYT foram implementados no microssimulador Aimsun para avaliação de

desempenho da malha viária. Nesta seção estes resultados serão comparados.

Como parâmetro de comparação de desempenho será usado o atraso médio dos

veículos. A Tabela 3 apresenta o atraso para cada interseção da malha estudada, para os dois

casos simulados.

Tabela 3: Atraso veicular por interseção resultante da aplicação dos métodos de Webster e TRANSYT

InterseçãoAtraso (s/veíc)

Webster TRANSYT

BP001 159 138BP002 96 54BP003 74 50BP006 130 1691BP007 240 644BP008 44 56BP009 66 91BP010 68 54BP011 1 1BP013 91 84

BP014 0 0BP015 138 104BP016 152 211


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De modo geral os tempos semafóricos calculados pelo programa TRANSYT

garantiram uma diminuição do atraso dos veículos devido a sua capacidade de sincronização.

Porém, nas interseções BP006 e BP007 a piora foi substancial, com atrasos altos ocasionados por bloqueios semafóricos aos fluxos de entrada na malha.

Com os tempos calculados pelo TRANSYT, os veículos que trafegavam internamente

à malha viária tiveram uma diminuição no seu tempo de atraso da ordem de 33%. Entretanto,

nos casos das interseções BP006 e BP007 houve uma falta de sincronização da própria

interseção que gerou filas substanciais nas vias de entrada da malha viária.

5. CONCLUSÃO

Dada a malha viária apresentada, este trabalho tratou de testar dois métodos distintos

para cálculo de tempo semafórico em interseções, analisando o desempenho destes métodos

através do tempo de atraso dos veículos nas interseções. Foram testados o método de Webster

e o método de otimização TRANSYT, sendo que o primeiro calcula os tempos semafóricos

analisando as interseções isoladamente, enquanto o segundo otimiza os tempos semafóricos

da malha de forma integrada, sendo capaz de defasar o início de cada ciclo semafórico paraobter sincronismo entre estes. Os resultados mostram que o método TRANSYT comparado ao

método de Webster minimizou o atraso dos veículos que trafegavam na avenida principal da

malha em questão, mas em duas interseções causou atrasos exagerados aos veículos que

intencionavam atravessar a malha nestes pontos.

Os tempos semafóricos, tanto aqueles obtidos pelo método de Webster quanto pelo

método TRANSYT devem ser analisados cautelosamente antes de sua implementação. Em

especial, no caso do método Webster, por limitação deste, nenhuma defasagem é calculada,mas empiricamente defasagens simples podem ser definidas de forma a ter uma operação não

otimizada porém melhorada. Enquanto que para o método TRANSYT é importante a análise

das fases que se encontram em estágios não prioritários, no intuito de impedir que os veículos

destas fases sejam prejudicados demasiadamente. Estas adaptações manuais complementam a

capacidade computacional destes métodos em manter o controle do tráfego urbano.


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REFERÊNCIAS

CARLSON, R. C. Aplicação de maximização de largura de banda no controle de tráfegourbano em tempo-real. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina,Florianópolis, 2006.

CRABTREE, M. R.; VINCENT, R. A.; HARRISON, S. TRANSYT/10: user guide.Crowthorne: Transport Research Laboratory, 1996.

KRAUS, W. Introdução ao Programa TRANSYT. Disponível em:. Acesso em: 8 dez. 2015

TRB. Highway capacity manual. Transportation Research Board, National Research Council,Washington, D.C. 2010.

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