ENGENHARIA DE TRÁFEGO

ESCOLA POLITÉCNICA - UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES

ENGENHARIA DE TRÁFEGO

5. CONTROLE DE TRÁFEGO EM FLUXO CONTÍNUO

Eng.Hugo Pietrantonio, Doutor

Professor, Departamento de Engenharia de Transportes Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

CONTROLE DE TRÁFEGO EM FLUXO CONTÍNUO 1

SISTEMAS DE ATENDIMENTO A INCIDENTES 2

SISTEMAS DE ORIENTAÇÃO SOBRE ROTAS 3

REGULAÇÃO DE ACESSO ÀS VIAS EXPRESSAS 4

FORMAS DE CONTROLE LO CAL 4

VER EXERCÍCIO RAMAL CONTROLADO * 4

FORMAS DE CONTROLE CO ORDENADO 7

VER EXERCÍCIO EXPRESSA CONTROLADA * 8

CONDIÇÕES DE INCORPORAÇÃO E SEPARAÇÃO DE FLUXOS 12

VER EXERCÍCIO INCORPORAÇÃO 12

REGULAÇÃO DE FLUXO EM VIAS EXPRESSAS 13

CONTROLE DE TRÁFEGO EM FLUXO CONTÍNUO

princípio básico: atendimento a incidentes e controle de acesso para impedir que as condições de fluxo cheguem ao regime saturado (perda d e capacidade,baixas velocidades e maior tempo de permanência dos veículos nas vias).

um princípio mais conservativo seria evitar a operação próxima da instabilidade de regime e garantir a segurança de tráfego (em função de condições ambientais específicas e ocorrência de incidentes que geram diferenciais de velocidade)

objetivos:

ð

minimizar o tempo total de viagens dos usuários(na via expressa, nos acessos, ... )

ð

maximizar viagens ou volumes de tráfego processados no período de análise (pico);

ð

reduzir impacto de incidentes (maior regularidade) problemas de segurança (velocidade)

custos sociais (consumo de combustível, emissão de poluentes, de acidentes, ...)

restrições:

ð

capacidade de tráfego nos segmentos (gargalos) e filas máximas admissíveis nos acessos

ð

regras de controle (aceitação e entendimento pelos usuários, características dos equipamentos, ...)

formas de controle: atendimento a incidentes, controle de demanda em acessos (metering em semáforos), sinalização de controle de velocidade (variável)

sistemas de atendimento a incidentes: equipamentos, equipes e métodos para detecção de incidentes (postos, rondas, CFTV, usuários), comunicação (rádio, telefone móvel), mobilização (postos, viaturas, acessos, retornos) e remoção (atendimento a vítimas, socorro mecânico, desobstrução e limpeza) de incidentes.

controle de acesso (ramp metering): controle dos fluxos que podem entrar na via expressa em cada ligação de acesso através de semáforos intermitentes

EUA: Go/No, com 1 a 2 veículos por verde (ciclo<20 seg.); Europa/Japão: tempo de verde de 10 a 25 seg. (ciclo<40 seg.)

controle de fluxo (mainline metering): controle de fluxo em trechos das próprias vias expressas (desde limitação de velocidade até parada do tráfego)

⇒ pouco aceito pelos usuários !

SISTEMAS DE ATENDIMENTO A INCIDENTES

Impacto reconhecido (e importante) em vias com tráfego intenso (particularmente nas vias que operam em fluxo contínuo ...)

ð

configuração do SAI : localização e equipamento das unidades

. detecção (postos fixos, viaturas em ronda, câmeras, AIDs, ...) . atendimento (bases, auxílios, UABs=básicas, UAAs=auxiliares, ...) . comunicação (rádio interno, GPS, rádio público, PMS, usuário, ...)

ð

operação do SAI: distribuição de recursos (fixos e móveis);

. pré-posicionamento das UABs, UAAs; definição de rotas de ronda . avaliação/política de atendimento e de mobilização ...

. identificação de políticas de normalização; comunicação externa...

ð

desempenho do SAI: tempo de resposta, atendimento, normalização ... redução de vítimas e danos, acidentes secundários ... perda de capacidade,filas acumuladas, atrasos ...

SAI: decisões devem ponderar a regularidade e a aleatoriedade dos incidentes

decisões são tomadas com alto grau de incerteza e informação imperfeita decisões devem ser tomadas em tempo curto e podem ter impacto crítico! exige muitos recursos para atuação em campo (alto custo ...)

SISTEMAS DE ORIENTAÇÃO SOBRE ROTAS

Importante em casos de incidentes ou situações não usuais (condições não conhecidas para os usuários regulares da via)

ð

dados: redes de vias (capacidade e desempenho normal ...) perfil de operação (histórico e/ou em tempo real ...)

. fluxos por trecho, porcentagens de conversões, ... . matriz de deslocamento e rotas utilizadas ...

. capacidades, velocidades, filas nos trechos de via ... . estado do tráfego: normal, bloqueio parcial/total ... (informação pode não estar disponível/ser aplicável ...) dispositivos existentes: nas vias (detectores, PMVs, SCTs, ...)

nos veículos (condutor, rádio, VII, IVC,...)

ð

ações: determinação global do estado do tráfego redes

(avaliação estrutural e incidental com medições correntes ...) definição do horizonte de análise e previsão do estado do tráfego

. previsão da duração dos incidentes e do impacto futuro ... . previsão das condições de tráfego futuras (sem ações) ... . definição de ações e previsão da reação dos usuários . monitoração do efeito das decisões e revisão das ações ...

(contexto essencialmente dinâmico e incerto, em tempo real ...) informação imediata é imperfeita; informação relevante é a futura !

. melhor rota em condições normais (diferente da atual) . melhor rota nas condições atuais (diferente da futura) . melhor rota nas condições futuras (previsão incerta ...)!

ð

controle: local X global (depende dos recursos do sistema de controle) lógica aberta (feed-forward): baseada em previsão ...

. utiliza as medições para selecionar ação de melhor impacto . depende de informação de grande qualidade e detalhe ... . tem de executar análise complexas (alocação dinâmica, ...) . tem de considerar condiç ões incertas sobre o tráfego ... . tem de implementar um estratégia robusta contra erros ... lógica fechada (feed-back ): baseada em monitoração ...

. monitora variáveis de operação e define ações adaptativas . estratégia pode não ser adequada a todos os contextos ... . estratégia pode ser difícil de conceber sem melhor análise (recai nos problemas da estratégia baseada em previsão ...)

REGULAÇÃO DE ACESSO ÀS VIAS EXPRESSAS

forma de controle principal (aceitação pelos usuários)

ð

modos de regulação: local X global (coordenada)

fixa (pré -programada) X atuada (pelo tráfego)

Formas de controle local

C_out é a capacidade do gargalo adiante !

ð

lógica local, de tempo fixo: q_R≤C_out−q_in (com volumes médios normais) programação pré -determinada por hora do dia, dia da semana

g q S t R R R c

= . +l , onde S_R é o fluxo de saturação no acesso g_R é o tempo de verde para o ramal t_c é o tempo de ciclo do semáforo

(l é o tempo morto devido à perda de eficiência no início/término do movimento durante o tempo de verde, sem amarelo, em cada ciclo)

pode-se selecionar o menor tempo de ciclo viável ou o valor

consistente com o esquema de operação Go/No com 1 ou 2 veículos por verde.

o tempo de ciclo máximo corresponde a garantir a aceitação dos usuários (que podem impacientar-se ou supor defeito no equipamento) e determina o fluxo mínimo no acesso.

ð

lógicas locais, atuadas pelo tráfego:

utiliza informações, coletadas em tempo real através de detetores

q: fluxo de tráfego (ou volume de tráfego)

w: ocupância (% do tempo com veículo nos detetores

tem-se K=f w

[ ]

, portanto q=f K

[ ]

⇒ =q f w

[ ]

(saturado ou não)

(equivalente ao diagrama fundamental q x K) .

estratégias de controle atuado:

usuais (EUA) são de controle antecipado (feed-forward )

q_R = −C q_in, q_in medido por detetores (ou q_in=f w

[ ]

_in ) como qin pode ocorrer em regime saturado ou não, tem -s e

q C q w q w R in in C min C = − ≤ >    , w , w_in se se

onde w_C em geral é a ocupância correspondente à operação com capacidade w*

(limite da operação não saturada)

pode-se melhorar o controle verificando w_out ≤w_C (2 detetores) de controle com realimentação (feed-back ) são mais recentes

ALINEA: q_R

[ ]

t =q_R

[ ]

t− +1 γ_R.

(

w_o*−w_out

[ ]

t

)

idéia: preservar w_out ≤w_o* (adiante, onde w_o*=w_C em geral) γ_R: parâmetro de controle (≈70v h/ ) ⇒ rapidez de ajuste (estas estratégias em geral são consideradas mais robustas)

estratégias de controle local, em geral, tratam os ramais isoladamente (embora existam experiências em que as informações de detetores de ramais adjacentes são também consideradas e comunicações requisitando diminuição de fluxo para ramais anteriores podem ser enviadas).

Formas de controle coordenado

q_{A i,}: fluxo na ligação de acesso i (variável de controle)

interdependência: q_{A ,i} contribui para qi, que limita qA i,+1, ...

em geral, não há controle ou restrições sobre os volumes de saída (pode não haver ligação alguma de egresso entre duas ligações de acesso consecutivas ou então uma ou mais, que geram restrições para os volumes q q′ ′′_i, _i,... nos gargalos intermediários). a aplicação em redes de vias expressas segue os mesmos princípios e

os resultados obtidos podem ser também utilizados para definir parâmetros de esquemas de controle local atuado (como w_C).

ð

lógica global, de tempo fixo: com volumes médios normais programação pré -determinada por hora do dia, dia da semana

considerando períodos independentes ou não (dinâmica)

utiliza alguma lógica de otimização de desempenho do sistema !

exemplo: maximização do volume processado (Hanshim/Japão) em veículos ou veículo.quilômetros

{ }

max _{X i} X_i i

i

∑

α . com αi =1 (veículo) ou αi= l (vkm) i

onde X_i =q_{A i,}. é o volume correspondente ao fluxo T determinado na ligação de acesso i no período T

sujeito às restrições dos gargalos de tráfego β0k 0 βik i

i

k

X X Z

. +

∑

. ≤ para cada segmento k

em que X₀ =q₀.T é o volume correspondente ao fluxo que entra no início da via expressa, β_ik é a proporção do fluxo de i (inclusive i=0) que prossegue até o segmento k e Z_k =C T_k. é o volume que pode ser processado no segmento k (dada sua capacidade).

e restrições relacionadas com as demandas e filas nos acessos

0≤X_i≤ +n_i Y_i e n′ = + −i ni Yi Xi ≤nmax i,

em que n_i, n′_i são a fila na ligação de acesso i no início e final do período (igual à fila restante ao final do período anterior), n_{max i,} é a fila máxima que pode ser armazenada no acesso i e Y_i =Q T_i. é o volume correspondente à demanda no acesso i (suposta dada).

VER EXERCÍCIO EXPRESSA CONTROLADA *

a estratégia pode ser também aplicada em tempo real (em

Hanshim/Japão, o período é de 5 minutos e existem critérios específicos para tratar a situação em que não é possível respeitar os limites de fila no acessos).

em geral, o controle baseado na minimização do tempo total de viagem é considerado mais adequado (por estar relacionado com o desempenho do sistema expresso e considerar o atraso nos acessos), mas é também mais complexo.

estas formulações mais recentes são também generalizadas para considerar o impacto sobre as vias arteriais ou coletoras que servem o mesmo corredor, de forma a avaliar o tráfego destas vias complementares, visto que eventualmente o fluxo pode ser desviado, por decisão de controle ou por opção dos próprios usuários, para estas vias.

a deficiência básica dos métodos pré -programados decorre da utilização de dados de demanda e capacidade normais (previstas por hora e tipo de dia, eventualmente por condição climática ou para alguns planos contingenciais pré-definidos, quando existe possibilidade de intervenção centralizada).

os métodos de preparação de planos pré-programados podem também ser usados para obter informações relevantes para procedimentos de controle em tempo real (atuados pelo tráfego), estabelecendo valores desejados para variáveis de controle (externamente ou executados reiteradamente ao longo do período de controle).

ð

sistemas dinâmicos de controle de acesso em tempo real:

a flutuação das condições de oferta e demanda é um aspecto

importantíssimo da operação dos sistemas expressos porque a ocorrência de incidentes tem uma influência bastante

significativa sobre a sua operação (visto que usualmente operam muito próximos da capacidade).

estratégias de controle de acesso em tempo real buscam adaptar continuamente as decisões de controle às variáveis

operacionais medidas em sub-períodos anteriores (em geral, recebidos com defasagem menor que 1 minuto) e tem de incluir modelos de simulação de tráfego para poder prever a evolução da operação nos sub -períodos adiante para cada cenário de intervenção (isto é, decisões de controle), com rapidez.

os sistemas dinâmicos de controle de tráfego em vias expressas mais promissores (capazes de evitar congestionamentos e reduzir de os tempos de viagem em até 10%) ainda são experimentais.

em geral, são formuladas estratégias de otimização seqüencial:

[ ]

{ }

[

[

] [

]

]

min_{q k} T k S k S k

Ai

$ _{/ −1, −2,... , onde T k}$

[

_/...

]

_{é o tempo total} de viagem para o período k previsto pelo modelo de simulação de tráfego a partir das variáveis operacionais (medições e previsões) obtidas nos sub-períodos anteriores S k

[

−1 ,....

]

novamente, além da estratégia básica de controle antecipado

(feed-forward ou open-loop), existem estratégias d e controle com realimentação (feed-back ou closed-loop) que determinam uma função de reação q_Ai

[

S k

[ ] [ ]

/ $S k

]

que pode incorporar a informação mais recente (o estado S k

[ ]

no período corrente) mas que em geral pode ser determinada apenas de forma aproximada.

métodos híbridos ou hierarquizados procuram reunir características vantajosas de ambos os procedimentos de controle (em geral, combinando um nível superior, centralizado, em que é

analisada a otimização do desempenho do sistema, com um nível inferior, distribuído, em que a informação coletada é imediatamente utilizada para realimentação das decisões de controle locais.

CONDIÇÕES DE INCORPORAÇÃO E SEPARAÇÃO DE FLUXOS

Tempos requeridos de manobra: são os tempos seguros de manobras

(espera em movimento)

são valores normativos que dependem das características dos veículos e da manobra

tR: tempo de reação (de 1,0 a 2,0 segundos, e m condições normais)

a: aceleração para autos de 6 a 10 km/h.s

para caminhões: 2,5 a 4 km/h.s (leve ou sem carga) 1 a 3 km/h.s (carregado)

ð

pode-se admitir algum grau de conflito (redução de V na via principal)

ð

manobras podem ser decompostas em etapas (se é possível acomodar

o veículo nas aberturas do canteiro intermediário)

REGULAÇÃO DE FLUXO EM VIAS EXPRESSAS

Preliminares (sem eficácia comprovada ou aceitação pelos usuários)

ð

estratégias de regulação: retenção de demanda na via controle de velocidade variável

ð

retenção de demanda na via: usualmente em postos de pedágios saída comandada por semáforos: verde/vermelho

tempo de ciclo entre saídas determina fluxo de saída (1/verde)

se a demanda liberada atinge a capacidade do gargalo de tráfego, não há redução do fluxo escoado (pode ser até maior)

nem aumento do tempo de viagem (fluxo alcança filas adiante)

pode também melhorar a condição de incorporação dos fluxos (defasagem entre verdes de posições adjacentes)

problema fundamental: aceitação pelos usuários!

ð

controle variável de velocidade: em geral não é eficaz para regular fluxo, exceto se impuser operação em fluxo forçado (<V* da capacidade na via)

pode melhorar segurança (velocidade limite menor para fluxo

próximo capacidade) ou na aproximação de filas em tráfego lento

pode aumentar a capacidade pelo efeito de homogenização (efeito não comprovado e de magnitude indefinida)

essencial para controlar demanda de grandes vias contribuintes (opção: estreitamento da via, gerando gargalos artificiais)

SISTEMAS INTEGRADOS EM VIAS EXPRESSAS/ARTERIAIS

Preliminares (ainda em desenvolvimento, validação, ...)

ð

em vias expressas: regulação de acesso,

controle variável de velocidade, atendimento a incidentes, orientação sobre rotas ...

existem diversos sistemas em avaliação, com lógicas limitadas ...

ð

em vias expressas e vias arteriais: todos e também

controle da rede de semáforos ...