UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
Fabricio Corrieri Bizonin
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE CENTRAIS DE TRÁFEGO COM
USO DE ALGORITMOS COMPUTACIONAIS - ESTUDO DE CASO EM
BELO HORIZONTE/MG
Santa Maria, RS
2016
Fabricio Corrieri Bizonin
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE CENTRAIS DE TRÁFEGO COM USO DE ALGORITMOS COMPUTACIONAIS - ESTUDO DE CASO EM BELO
HORIZONTE/MG
Trabalho de conclusão apresentado ao Curso de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para o grau de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Carlos José Antônio Kummel Félix
Santa Maria, RS 2016
Fabricio Corrieri Bizonin
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE CENTRAIS DE TRÁFEGO COM USO DE ALGORITMOS COMPUTACIONAIS - ESTUDO DE CASO EM BELO
HORIZONTE/MG
Trabalho de conclusão apresentado ao Curso de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para o grau de Engenheiro Civil.
Aprovado em 13 de julho de 2016:
___________________________________ Carlos José Antônio Kummel Félix, Dr. (UFSM)
(Orientador)
___________________________________
Evelyn Paniz, Eng. (UFSM)
(Banca Avaliadora)
___________________________________
Talles Augusto Araújo, Mestre (UFSM)
(Banca Avaliadora)
Santa Maria, RS 2016
AGRADECIMENTOS
São muitas as pessoas que de algum modo me ajudaram e me auxiliaram neste trabalho. Agradeço de uma forma geral a todas elas que, em algum momento, me fizeram levantar a cabeça e seguir em frente. No entanto, existem algumas pessoas que, penso eu, merecem um agradecimento de uma maneira especial, portanto, agradeço:
- ao meu orientador Carlos Félix por ceder o seu tempo e conhecimento na minha orientação, além, da paciência, compreensão, incentivo e dedicação em me ajudar em todos os momentos de dúvida, porém, queria realmente agradecer, de coração, pelo amigo que se tornou para mim;
- aos meus pais Cristiane Corrieri e Carlos Leal, por todo amor verdadeiro, apoio e carinho apresentado em todos os momentos da minha vida, pois não seria possível eu estar aqui sem o incentivo deles;
- à minha vó Elenir Corrieri, que é minha maior admiradora, pela sua paciência, afeto e por sempre apostar na minha capacidade de vencer desafios;
- à minha namorada Melissa Quaresma, que é meu maior presente, pelo amor, carinho, enorme paciência e vontade de ajudar quando eu mais precisei, é graças a ela que eu consegui vencer esta etapa;
- aos meus amigos e futuros colegas de trabalho que construí na faculdade, pela disposição em me ajudar em todas as dúvidas e incertezas que tive ao longo deste trabalho;
- aos Engenheiros da Caixa Econômica Federal, pelo conhecimento repassado, amizade e pelo exemplo de profissionalismo e dedicação em tudo que fazem;
- aos professores do Curso de Engenharia Civil, por contribuírem, de alguma forma, na realização deste estudo;
- à Universidade Federal de Santa Maria, pela oportunidade de desenvolver este trabalho;
Por fim, a todos aqueles que fazem parte da minha vida e estão diretamente atrelados nesta caminhada.
É sempre assim o curso dos fatos que movem as rodas do mundo: as mãos pequenas os realizam porque precisam, enquanto os olhos dos grandes estão voltados para outros lugares.
RESUMO
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE CENTRAIS DE TRÁFEGO COM USO DE ALGORITMOS COMPUTACIONAIS - ESTUDO DE CASO EM BELO
HORIZONTE/MG
AUTOR: Fabricio Corrieri Bizonin ORIENTADOR: Carlos José Antônio Félix
Este trabalho apresenta um estudo da implantação de centrais de tráfego com o uso de algoritmos computacionais. Por meio deste, procura-se explicar as principais características da implantação de uma central de operações de tráfego, bem como os conceitos relativos ao funcionamento dos algoritmos de controle. Para sua realização, foram abordados referenciais teóricos acerca do semáforo, os elementos básicos para sua programação, além de um estudo do controle semafórico por tempo fixo e controle semafórico realizado em tempo real que são os tipos de controle usualmente empregados em centrais de tráfego brasileiras. Posteriormente, realizou-se o estudo da operação de uma central de tráfego com a identificação das ferramentas necessárias para sua operacionalização, monitoração, gerenciamento e implantação, bem como a explanação de como os algoritmos de controle semafórico inserem-se neste contexto. Em seguida, foram apresentados os tipos de detectores veiculares e os tipos de algoritmos de controle comumente utilizados em centrais de tráfego brasileiras. Por fim, analisou-se a central de tráfego da cidade de Belo Horizonte/MG e o projeto da sua ampliação, que tinha como objetivo garantir a velocidade operacional adequada para seu sistema viário, durante e após a Copa do Mundo de Futebol de 2014. Chegou-se a conclusão de que, não só a ampliação da Central de Tráfego de BH, como qualquer implantação de uma central semafórica com uso de algoritmos computacionais, são obras necessárias para maior gerenciamento do tráfego, melhoria nas condições de segurança pública, além de disponibilizar uma via mais fluida ao usuário.
ABSTRACT
THE IMPLEMENTATION OF TRAFFIC CENTRALS STUDY WITH USE OF COMPUTER ALGORITHMS - CASE STUDY IN BELO HORIZONTE /MG
AUTHOR: Fabricio Corrieri Bizonin ADVISOR: Carlos José Antônio Félix
This project presents a study of the implementation of traffic centrals with the use of computer algorithms. Through this, tryed to explain the main features of the implementation of a central traffic operations and the concepts related to the functioning of the control algorithms. For your elaboration, were approached theoretical references about the semaphore, the basic elements for its programming, besides a study of the traffic signal control for fixed time and traffic signal control performed in real time that are the types of control usually employed in the Brazilians centrals traffic. After this, it was made a study of the operation of a central traffic, with the identification of the tools needed for its operation, monitoration, management and implementation, as well as the explanation of how the traffic signal control algorithms are part of this context. Subsequent to this, it was presented types of vehicle sensors and the types of control algorithms commonly used in the Brazilians centrals traffic. Ultimatelly, it was analyzed the central traffic of the city of Belo Horizonte/MG and the project of its expansion, which aimed to ensure proper operating speed for its road system, during and after the 2014 Football World Cup. It was conclused that not only the expansion of BH traffic Center, like any implementation of a central traffic signal with the use of computer algorithms are necessary works to a larger traffic management, an improvement in the security public condiotion, besides that provides more fluid channels to user.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - O primeiro semáforo de 1968 ... 17
Figura 2 - Diagrama de estágios ... 24
Figura 3 - Volume de tráfego de acordo com o horário do dia ... 25
Figura 4 - Histograma de acordo com os dias da semana ... 25
Figura 5 - Volume de tráfego de acordo com os meses do ano ... 26
Figura 6 - Distâncias percorridas pelo veículo ... 29
Figura 7 - Fluxo de saturação e tempo perdido total ... 32
Figura 8 - Diagrama de intervalos luminosos ... 35
Figura 9 - Defasagem em uma via de mão única ... 38
Figura 10 - Planos distintos em relação à taxa de ocupação da via ... 41
Figura 11 - Possível distribuição semafórica diária ... 42
Figura 12 - Controlador semafórico ... 43
Figura 13 - Estrutura básica do sistema TRANSYT ... 44
Figura 14 - Representação de um PFC ... 45
Figura 15 - PFC padrão IN ... 46
Figura 16 - PFC padrão GO ... 46
Figura 17 - PFC padrão OUT ... 46
Figura 18 - Imagem do display do simulador SIRI ... 48
Figura 19 - Processos necessários para o controle em tempo real... 51
Figura 20 - Sistema SCATS ... 54
Figura 21 - Estrutura das entidades do sistema SCOOT ... 56
Figura 22 - Bloqueio de interseção devido há uma má escolha de estratégia ... 58
Figura 23 - Tipos de redes de sincronização ... 59
Figura 24 - Diagrama espaço-tempo em vias de mão dupla... 61
Figura 25 - Central de tráfego de São Paulo com CFTV em funcionamento ... 64
Figura 26 - PMV dando uma mensagem de orientação ... 67
Figura 27 - PMV informando a distância para chegar ao pedágio ... 67
Figura 28 - Esquema operacional de uma central de controle ... 68
Figura 29 - Câmeras de monitoramento ... 69
Figura 30 - Video wall da CET-SP ... 69
Figura 31 - Funcionamento dos laços detectores ... 71
Figura 32 - Seção de um laço indutivo embutido na via ... 72
Figura 33 - Imagem de vídeo com zonas de detecção configuradas na tela ... 73
Figura 34 - Representação do feixe de ondas ... 73
Figura 35 - Representação dos locais de instalação do RTMS ... 74
Figura 36 - Representação da perturbação no campo magnético ... 75
Figura 37 - Central de operações BHTRANS antes da ampliação ... 77
Figura 38 - Planta baixa da central de tráfego de BH ... 78
Figura 39 - Locais de atuação do algoritmo de controle ITACA ... 79
Figura 40 - Esquema de comunicação entre os controladores e a central ... 79
Figura 41 - Área de cobertura da rádio comunicação ... 80
Figura 42 - Sistema de mapa operacional digital gráfico ... 82
Figura 43 - Lançamento da equipe ... 83
Figura 44 - Infotráfego ... 84
Figura 45 - Imagens das câmeras disponíveis no site da BHTRANS ... 85
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Semáforo de advertência ... 19
Tabela 2 - Indicações luminosas ... 20
Tabela 3 - Movimentos em uma interseção ... 23
Tabela 4 - Fator de equivalência para os veículos ... 27
Tabela 5 - Duração mínima do amarelo no tempo de entreverdes ... 30
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials BHTRANS Empresa de Transportes e Trânsito de Belo Horizonte
CET Companhia de Engenharia de Tráfego
CET-SP Companhia de Engenharia de Tráfego de São Paulo CFTV Circuito Fechado de Televisão
CFP Cyclic Flow Profiles
CTA Centrais de Tráfego em Área
CTAFOR Central de Tráfego em Área de Fortaleza
COP Centro de Operações da Prefeitura de Belo Horizonte CTB Código Brasileiro de Trânsito
DENATRAN Departamento Nacional de Trânsito GPS Global Positioning System
HCM Highway Capacity Manual
LED Light Emitting Diode
IC Intervalo de Corte
ID Índice de Desempenho
MV Movimento de Pedestres
MP Movimento Veiculares
PBH Prefeitura de Belo Horizonte PCT Padrões Cíclicos de Tráfego PDA Personal Digital Assistant PMV Painéis de Mensagens Variáveis SAP Seleção Automática de Planos
SIGOP Sistema de Informação e Gestão de Operações de Transporte e Trânsito
UE Unidade de Extensão
UFSM Universidade Federal de Santa Maria
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 JUSTIFICATIVA ... 15 1.2 OBJETIVO GERAL ... 15 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 1.4 METODOLOGIA ... 16
2 CONCEITOS DA SINALIZAÇÃO SEMAFÓRICA ... 17
2.1 HISTÓRIA DO SEMÁFORO ... 17
2.2 DEFINIÇÃO DE SEMÁFORO ... 18
2.3 MOVIMENTOS ... 22
2.4 ELEMENTOS BÁSICOS DA PROGRAMAÇÃO SEMAFÓRICA ... 23
2.4.1 Estágios e fases ... 23
2.4.2 Volume de Tráfego e volume de tráfego equivalente ... 24
2.4.3 Taxa de fluxo e taxa de ocupação ... 27
2.4.4 Entreverdes e vermelho geral ... 28
2.4.5 Fluxo de saturação e tempo perdido ... 31
2.4.6 Tempo de ciclo ... 34
2.4.7 Verde real e verde efetivo ... 37
2.4.8 Capacidade ... 38
2.4.9 Defasagem ... 38
3 CONTROLE SEMAFÓRICO... 40
3.1 TIPOS DE CONTROLE ... 40
3.1.1 Controle por tempo fixo ... 41
3.1.1.1 Sistema TRANSYT ... 43
3.1.1.2 Simulador de tráfego SIRI ... 47
3.1.2 Controle em tempo real ... 50
3.1.2.1 Sistema SCATS ... 53
3.1.2.2 Sistema SCOOT ... 55
3.2 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE ... 57
3.2.1 Semáforo controlado isoladamente ... 57
3.2.2 Semáforo controlado em rede ... 58
4 OPERAÇÃO SEMAFÓRICA ATRAVÉS DE UMA CENTRAL ... 64
4.1 CENTRAL DE RÁDIO E TELEFONE ... 65
4.3 CIRCUITO FECHADO DE TELEVISÃO ... 67
4.3 SISTEMA DE DETECÇÃO DE VEÍCULOS ... 70
4.3.1 Laços detectores indutivos ... 71
4.3.2 Detecção por laços virtuais ... 72
4.3.3 Detecção através de micro-ondas ... 73
4.1.4 Detecção magnética ... 74
5 ANÁLISE DA AMPLIAÇÃO DA CENTRAL DE TRÁFEGO EM BELO ______.HORIZONTE...76
5.1 SITUAÇÃO DA CENTRAL DE TRÁFEGO ANTES DA AMPLIAÇÃO... 76
5.2 PROJETO DE AMPLIAÇÃO DA CENTRAL DE TRÁFEGO ... 80
5.3 CONSIDERAÇÕES ... 88
6 CONCLUSÃO ... 91
1 INTRODUÇÃO
Desde a urbanização das cidades é perceptível que a frota de veículos aumenta cada vez mais. Atualmente com a ineficiência e a má administração dos transportes públicos, uma grande parte da população está adquirindo um transporte particular. Tal atitude desencadeia maior volume de tráfego e gera uma grande demanda na via.
A maior parte das vias brasileiras não foi projetada para atender a alta demanda. Deste modo, a via começa a ficar saturada, gerando conflitos nos deslocamentos e congestionamentos. Os impactos dos congestionamentos, considerando os aspectos funcionais da via, resultam em tempo perdido, atrasos e paradas desnecessárias. Além dos impactos funcionais, estão os problemas relacionados com o usuário. O usuário é o que mais perde com esta situação, pois além de perder horas no trânsito e consumir mais combustível, ele acaba por ficar estressado. O stress faz com que o usuário viole leis de trânsito e crie situações perigosas para conseguir chegar ao seu destino da forma mais rápida possível. Ou seja, nessas circunstâncias, há maiores chances de acontecer acidentes de trânsito.
Para ter maior controle na via foi criado o semáforo. O semáforo é um subsistema da sinalização viária, onde indicações luminosas transmitem para o usuário mensagens que regulamentam o direito de passagem. Com a criação deste sistema foi indispensável criar diferentes técnicas para programar o semáforo, escolhendo o melhor tempo de ciclo, tempo de verde e estágios na melhor combinação possível. Além disso, foi fundamental à criação de formas de controle e operação desses planos semafóricos.
De acordo com Cervantes (2005), o controle semafórico é hoje a tecnologia mais aplicada em redes urbanas, ou seja, para que se tenha uma operação semafórica mais eficiente possível, é necessário garantir um bom ajuste dos semáforos.
De acordo com a literatura, existem três tipos de controle. Dentre os tipos de controle convencionais está o controle por tempo fixo e o controle em tempo real. Atualmente, devido à necessidade de controles mais eficientes, foram criados softwares de controle semafórico. Existem os softwares que simulam planos semafóricos de tempo fixo a partir de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelos operadores e os sistemas inteligentes que funcionam em tempo real e atuam de diversas formas para otimizar o desempenho da via. Eles conseguem calcular melhores tempos semafóricos e criar uma boa coordenação entre as interseções a partir de ajustes e cálculos, se obtém uma diminuição nos atrasos veiculares e paradas. Além disso, há maior descarga de veículos. Todas estas melhorias têm como objetivo reduzir os impactos causados pela alta demanda de tráfego, criando um trânsito mais fluído.
Tais algoritmos de controle são normalmente executados através de um computador. Deste modo, estes estão sendo incorporados às Centrais de Tráfego em Área (CTAs), que reúnem diversas ferramentas para criar uma operação mais eficiente do trânsito. Estas centrais de operação de tráfego são basicamente compostas por computadores munidos de um algoritmo de controle, que são parametrizados pelos técnicos para realizar o controle semafórico. Há ainda a utilização de Circuitos Fechados de Televisão (CFTV), Painéis de Mensagens Variáveis (PMV), rádio comunicação entre as equipes, uso de softwares de gestão e gerenciamento, entre outros. Todas estas ferramentas trabalham conjuntamente com os operadores e técnicos de campo para realizar uma operação de tráfego mais completa e segura.
1.1 JUSTIFICATIVA
A mudança de sistema de operação isolada para centrais de tráfego, que operam com sistemas computacionais para o controle semafórico, é uma mudança necessária, visto que os sistemas controlados por operador em campo não estão conseguindo atender a demanda crescente do número de veículos nas vias brasileiras. Portanto, o conhecimento dos pontos determinantes para chegar a essa decisão, além das ferramentas usuais para sua implantação, são conhecimentos importantes para que os centros urbanos possam ter a confiança em realizar essa migração.
1.2 OBJETIVO GERAL
Analisar as características das Centrais de Tráfego em Área que operam com algoritmos de controle. A partir disso, apresentar o funcionamento dos algoritmos de controle que são comumente utilizados em cidades brasileiras.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Apresentar os princípios da sinalização semafórica, como os critérios para sua implantação e os parâmetros básicos para dimensionar uma programação semafórica;
Comparar e analisar os tipos de controle semafórico e analisar as particularidades da operação semafórica em centrais de tráfego;
Analisar os tipos de algoritmos de controle comumente utilizados no Brasil, bem como a sua incorporação em centrais de tráfego;
Analisar o projeto da ampliação da Central de Tráfego de Belo Horizonte e sua posterior implantação.
1.4 METODOLOGIA
A metodologia consiste em realizar uma revisão bibliográfica acerca da sinalização semafórica. Assim, serão abordados os aspectos gerais sobre os semáforos, os critérios para sua implantação, e os elementos básicos de uma programação. Posteriormente, através de estudos descritivos, será feita uma análise dos tipos de controle semafórico, bem como os algoritmos de controle (sistemas computacionais) comumente utilizados no Brasil. Em seguida, adotando a mesma metodologia, serão ponderados os princípios e peculiaridades da operação semafórica realizada através de centrais de tráfego. Por fim, será feita uma pesquisa descritiva, do tipo estudo de caso, para analisar os aspectos variados da implantação de uma central de operações de tráfego, a partir de uma análise do projeto de ampliação da central de tráfego em Belo Horizonte/MG.
2 CONCEITOS DA SINALIZAÇÃO SEMAFÓRICA
Nesta seção será apresentada uma revisão bibliográfica acerca da sinalização semafórica. Primeiramente, o trabalho conterá algumas explicações acerca do surgimento do semáforo e como ele foi evoluindo tecnicamente ao longo dos anos. Na segunda parte, será apresentada a definição do funcionamento do semáforo, ou seja, qual sua função e como se dá sua incorporação dentro do sistema de tráfego. Na seção seguinte, serão apresentados os movimentos veiculares e de pedestres, e como eles são importantes para se entender o funcionamento de uma interseção. Por fim, serão abordados os conceitos mais importantes acerca da programação semafórica de um semáforo.
2.1 HISTÓRIA DO SEMÁFORO
De acordo com Homburger et al. (1992 apud BONETTI; PIETRANTONIO, 2006) o primeiro semáforo que se tem notícia foi implantado em 10 de dezembro de 1868 em Londres. O semáforo foi uma criação de J.P. Knight, um engenheiro eletricista que era especialista em ferrovias. Seu semáforo era composto de dois braços móveis que eram acionados por cabos a partir de uma torre de controle. O sistema tinha sua concepção inspirada a partir dos sinais que regulavam os trens na época e tinha duas lâmpadas de gás, uma na cor verde e outra na cor vermelha. Este semáforo acabou explodindo no ano de 1969. Na Figura 1 podemos ver uma ilustração de como era sua concepção.
Figura 1 - O primeiro semáforo de 1968
Em 1913, James Hoge conseguiu criar o primeiro semáforo que funcionava de modo elétrico o qual, no ano seguinte, foi aplicado em Clevelend nos Estados Unidos. Esta data foi um marco histórico, pois a partir dela começou-se a propagação dos semáforos elétricos por todo os Estados Unidos (Homburger et al. 1992 apud BONETTI; PIETRANTONIO, 2006).
Em meados de 1930, o pensamento da eficiência dos controles semafóricos foi colocado em evidência, pois com a grande variação do fluxo de veículos surgiu a necessidade de encontrar novos métodos de funcionamento para os semáforos. O primeiro método implantado tratava-se do acionamento do controle semafórico a partir de microfones, em que eram instalados na via e captavam as buzinas dos automóveis. Tal método não foi aprovado pelos usuários da via, e logo um novo método que utilizava contatos elétricos colocados no pavimento foi testado. Este sistema funcionava com tubos pneumáticos que, de acordo com a passagem de veículos, deslocavam o ar no tubo e acionavam um contato elétrico situado ao lado da via (SALTER, 1989).
Webster e Cobbe (1966) citam que o primeiro semáforo atuado foi implantado na interseção das ruas Gracechurch e Cornhill na Grã-Bretanha em 1932. No entanto, em 1969, o sistema semafórico explodiu devido a uma infiltração de gás no gabinete do controlador. Porém, três anos após o incidente, um sistema totalmente atuado, acionado pela passagem de veículos em laços detectores foi instalado em Londres.
No Brasil, não se tem dados históricos sobre as primeiras aplicações de semáforos, visto que a sua implantação foi pautada nas experiências de outros países, principalmente na década de 70. A CET-SP (Companhia de Engenharia de Tráfego do Município de São Paulo) foi uma das pioneiras ao introduzir os controladores multiplanos de tempo fixo. Posteriormente, houve a instalação de sistemas de controle centralizados e em tempo real. Atualmente existem diversos controladores eletrônicos nacionais, como exemplo: BRASCONTROL, BRASLÍNEA, DATAPROM, AUXXI, EPSIS e as mais antigas do mercado como a TESC e a DIGICON (BONETTI; PIETRANTONIO, 2006).
2.2 DEFINIÇÃO DE SEMÁFORO
De acordo com o DENATRAN (2014), o Semáforo ou a Sinalização Semafórica é um conjunto de indicações luminosas que funcionam de modo intermitente ou alternado com a função de orientar o trânsito. Atualmente, estes dispositivos são acionados por energia elétrica e controlados de modo mecânico ou eletrônico, de acordo com a situação.
A sinalização semafórica pode ser dividida em dois grupos, de acordo com sua função no cruzamento:
a) sinalização semafórica de advertência; b) sinalização semafórica de regulamentação.
O Semáforo de Advertência é instalado em locais onde há necessidade de advertir o condutor do veículo acerca de algum obstáculo ou situação de risco na via, onde o mesmo deve reduzir sua velocidade e ficar atento para continuar seu trajeto de forma segura. Este dispositivo é composto de uma ou duas luzes de cor amarela que funcionam de modo intermitente, de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1 - Semáforo de advertência
Fonte: (DENATRAN, 2014, p.18).
O Semáforo de Regulamentação, que será o mais estudado nesse trabalho, tem como finalidade o controle do direito de passagem de um fluxo de veículos e/ou pedestres. Este dispositivo é composto de um conjunto de cores, onde cada cor indica uma mensagem ao condutor e/ou pedestre, de acordo com a legislação do Código de Trânsito Brasileiro (CTB).
Para o controle de veículos são utilizadas três indicações luminosas, na qual o foco deve ser de forma circular na cor vermelha, amarela e verde. O foco com a cor verde indica o direito e/ou a permissão de iniciar o movimento ou prosseguir seu trajeto; o foco amarelo indica "atenção", ou seja, o direito de passagem está acabando, então o condutor deve parar o veículo ou seguir no caso de já estar na metade da transição; e o foco vermelho que indica a obrigação do motorista de parar o veículo antes da linha de retenção (DENATRAN, 2014).
A Tabela 2, apresentada a seguir, ilustra todos os tipos de indicações luminosas, desde semáforos veiculares até semáforos de pedestres. É interessante notar que existem indicações luminosas direcionais que permitem ou restringem o direito de passagem somente para um movimento da aproximação.
Tabela 2 - Indicações luminosas
Fonte: (DENATRAN, 2014, P.17).
No caso da sinalização semafórica voltada para pedestres, as indicações luminosas têm apenas duas cores: vermelho e verde. Neste caso em específico, o foco é de forma quadrada e a indicação luminosa amarela para veículos é substituída pelo vermelho intermitente (com a figura da palma da mão), o qual indica ao pedestre que o direito de travessia está chegando ao fim. O foco luminoso verde (que possui a figura de uma pessoa em movimento) e vermelho (que possui a figura de uma pessoa parada) transmite a mesma mensagem que as cores para os condutores de veículos, porém a mensagens são voltadas para os pedestres. Este tipo de semáforo está indicado na Tabela 2, na última linha (DENATRAN, 2014).
Toda a implantação de sinalização semafórica deve ser precedida por uma avaliação do local. Tal estudo deve ter como foco, avaliar o fluxo de pedestres e veículos, as características físicas e o ambiente que a via está alocada que, de acordo com o DNER (1999) devem ser predominantemente urbano.
Vilanova (2006) cita os critérios de implantação de uma sinalização semafórica adotados pela CET-SP. Tais critérios levam em conta os aspectos mais importantes para uma aplicação em território brasileiro. Primeiramente, existem três motivos para implantar um
semáforo: motivos relacionados com aspectos de segurança da via; fluidez dos veículos; e tempo de espera dos pedestres.
De acordo com Vilanova (2006), no aspecto de segurança viária, leva-se em conta, o elevado número de acidentes ocorridos no último ano disponível. Para acidentes com vítimas, esse número, para a implantação de um semáforo, deve ser maior que três acidentes do tipo corrigível por semáforo. Ou seja, entram nessa contabilização, colisões com vítimas, como atropelamento. Se não há mais de três acidentes com vítima, deve-se verificar se há indícios de conflitos graves. Um conflito grave ocorre quando há um processo de colisão que somente não ocorreu porque pelo menos um usuário conseguiu realizar uma ação evasiva.
Na segunda motivação, a qual é estabelecida com base na fluidez dos veículos, é necessário realizar uma pesquisa de campo no intervalo da hora mais crítica do dia. Neste intervalo, deve-se medir o atraso dos veículos das vias não preferenciais. O somatório destes atrasos será o atraso total da via. Após isso, deve-se calcular o atraso total que ocorrerá na interseção caso sejam instalados semáforos. Para isso, pode-se calcular manualmente através de expressões analíticas (no caso de interseção isolada) ou através de simuladores de tráfego (para redes semafóricas). Após isso, multiplica-se o atraso total da situação sem semáforo por 1,6 e compara com o atraso total na situação com semáforo. Se o atraso total com semáforo for menor que 80% do atraso total sem semáforo, a implantação é aconselhada (VILANOVA, 2006).
O terceiro motivo, com relação ao tempo de espera de pedestres, descreve que somente é aconselhável a implantação de semáforo se houver fluxo de pedestres num patamar mínimo de 190 pedestres na hora crítica. E quando estes indivíduos tenham que esperar, em média, mais que 25 segundos para fazer sua travessia (VILANOVA, 2006).
Porém, a implantação semafórica só deve ser instalada como último recurso. Deste modo, antes da sinalização semafórica, é necessário tentar resolver esse problema a partir de soluções alternativas. São elas, de acordo com a CET-SP:
a) adequação da sinalização vertical e horizontal;
b) solução através de estreitamento de pista e/ou mudança de geometria; c) alteração de circulação;
d) minirrotarórias e/ou lombadas;
e) condução de pedestres para travessias seguras; f) desobstrução de obstáculos visuais.
Se as soluções alternativas propostas pelos itens acima não resultarem em um cenário melhor, deve-se considerar a implantação do semáforo. A implantação da sinalização
semafórica pode melhorar em diversos aspectos o funcionando de um cruzamento. Porém, uma má ou desnecessária implantação pode acabar piorando ainda mais situação. DENATRAN (2014) cita os resultados de uma instalação feita com estudo e justificada por critérios técnicos devem apresentar: via com maior fluidez; credibilidade e confiança por parte dos condutores e pedestres ao fazer os seus movimentos veiculares e/ou a passagem na faixa de segurança; redução de acidentes; redução de atrasos; e uma distribuição de modo correto do tempo de verde.
2.3 MOVIMENTOS
Pelas palavras de Allsop (1991 apud WING;WINKEL, 1992, p.1) o termo movimento é usado para identificar o fluxo de veículos que possuem a mesma origem e mesmo destino. Se tratando de movimento de pedestres, o termo é usado para identificar o fluxo de pedestres que se deslocam na mesma direção, porém, não necessariamente no mesmo sentido.
O movimento veicular pode ser ilustrado por um traço e uma seta, onde o traço indica a direção e a seta indica o sentido deste fluxo de veículos. No caso de movimento de pedestres o traço é tracejado e a seta se encontra nos dois extremos do traço, indicando que o sentido é duplo (DENATRAN, 2014).
Segundo Ejzenberg (2005) os movimentos podem ser classificados em conflitantes e não conflitantes. Os primeiros referem-se aos que convergem ou se interceptam em algum local da interseção, ou seja, são movimentos que não devem ocorrer ao mesmo tempo. O contrário se denomina movimentos não conflitantes, onde possuem trajetórias não convergentes na interseção. São movimentos que podem acontecer ao mesmo tempo sem gerar algum tipo de conflito ou interação.
A Tabela 3 ilustra uma interseção de mão única onde há movimentos veiculares (MV) e movimentos de pedestres (MP). Esse tipo de representação é denominado diagrama de conflitos. Deve-se observar que os movimentos MV3 e MV1 se interceptam no meio do cruzamento, ou seja, são movimentos conflitantes entre si.
Tabela 3 - Movimentos em uma interseção
Fonte: DENATRAN, 2014. Pg. 30.
É interessante notar que há movimento de pedestre MP1 que não deve acontecer enquanto os movimentos veiculares MV1 e MV2 estiverem ocorrendo. O mesmo acontece para o movimento MP2 que não deve realizar-se no mesmo momento que os movimentos MV3 e MV4. Portanto, para esse caso, temos uma interseção com dois grupos semafóricos. O grupo um é composto pelos movimentos MV1 e MV2, além disso, nesse intervalo o movimento de pedestres MP2 realizará a travessia. Já o grupo dois é composto pelos movimentos MV3 e MV4, e o movimento de pedestres MP1 vai realizar sua travessia.
2.4 ELEMENTOS BÁSICOS DA PROGRAMAÇÃO SEMAFÓRICA
Nesta seção, serão abordados os conceitos mais importantes acerca dos parâmetros utilizados para compor uma programação semafórica, ou seja, os elementos básicos para entender e calcular uma programação semafórica.
2.4.1 Estágios e fases
Estágio é a denominação dada ao intervalo de tempo em que um grupo ou conjunto de movimentos não conflitantes recebe o direito de passagem. O estágio compreende o tempo de verde e o tempo de entreverdes que o segue. Existe uma representação esquemática da sequência de movimentos que são permitidos em cada estágio da sinalização semafórica, o qual é denominado diagrama de estágios. Todavia, só se indica o movimento feito por
pedestres quando o mesmo for sinalizado por uma sinalização semafórica de pedestres (DENATRAN, 2014). Na Figura 2 é possível ter um exemplo de diagrama de estágios onde as setas verdes representam os movimentos veiculares e os vermelhos os movimentos de pedestres.
Figura 2 - Diagrama de estágios
Fonte: (DENATRAN, 2014, p. 64).
O termo fase é a sequência de cores que acontece no semáforo: verde, amarelo, vermelho e novamente o verde. Ou seja, de acordo com Allsop (1991 apud WING;WINKEL, 1992, p.6) é a sequência temporal das várias cores indicadas pelo semáforo.
2.4.2 Volume de Tráfego e volume de tráfego equivalente
O volume de tráfego ou fluxo de tráfego 'grifo nosso' é o número de veículos que passam por uma seção de via durante um período, isto é, refere-se a demanda veicular que da via naquele instante. O volume de tráfego varia de acordo com a hora do dia, dia da semana, semana do mês, do mês e do ano. Nos horários entre 07h30min e 08h30min (pico da manhã), horário do almoço (pico do almoço) e 17h30min às 19h30min (pico da tarde), de um dia útil, é onde se observa os maiores volumes de tráfego, pois nesses horários acontecem os deslocamentos de casa para o trabalho e do trabalho para casa. Na Figura 3 é possível identificar os volumes diários de um dia típico, onde estão indicados os volumes veiculares para cada horário ao longo do dia. Esse gráfico é chamado de histograma 'grifo nosso' e é muito utilizado na Engenharia de Tráfego.
Figura 3 - Volume de tráfego de acordo com o horário do dia
Fonte: (DENATRAN, 2014, p.72).
No caso da Figura 4 estão sendo representados os volumes de tráfego de acordo com a hora do dia para cada dia da semana. Este cruzamento de informações tem como objetivo comparar como ocorre a variação pelo dia da semana. Pode-se perceber que no final de semana os picos são em horários distintos dos usuais, pois não há os deslocamentos comuns de casa para o trabalho e do trabalho para casa.
Figura 4 - Histograma de acordo com os dias da semana
Fonte: (DENATRAN, 2014, p.72).
Já na Figura 5, ilustra-se como ocorre a variação de tráfego ao longo dos meses. É fácil de identificar que nos meses de férias escolares (dezembro, janeiro e julho) a demanda
cai consideravelmente. Isso acontece porque não há deslocamentos diários dos professores, alunos, entre outros servidores.
Figura 5 - Volume de tráfego de acordo com os meses do ano
Fonte: (DENATRAN, 2014, p.72).
As contagens veiculares são geralmente feitas a cada 15 minutos, e o maior valor de fluxo em um intervalo de contagem é utilizado para o cálculo da taxa de ocupação. Vilanova (2005) explica que em casos de semáforos consolidados, a contagem pode ser feita a cada ciclo ao invés de adotar intervalos de 15 minutos. Essa escolha é preferível, segundo ele, pelo fato de que em intervalos fixos, geralmente, não se consegue começar no mesmo instante do ciclo em todas as contagens. Isto é, uma contagem sempre começa aleatoriamente, e desse modo há contagens que contemplam maior tempo de verde e nesse caso terão um maior volume de tráfego.
A contagem veicular pode ser feita de modo direcional, onde o objetivo é definir o volume de tráfego de cada aproximação, porém, separado por movimento. O resultado dessa contagem é expresso em veículos por hora e é utilizada na programação semafórica quando o fluxo de saturação for calculado nessa unidade. É recomendado que um técnico colete os dados de, no máximo, três movimentos para que não haja erros de contagem (DENATRAN, 2014).
Todavia, há a pesquisa direcional e classificatória que é realizada quando se tem a necessidade de analisar a composição do tráfego. Com essa contagem é possível determinar o volume de tráfego equivalente, que é expresso em unidades de carro de passeio (ucp). Neste caso, de acordo com DENATRAN (2014), converte os veículos para unidade de carros de
passeio, com a adoção de um fator de equivalência para cada tipo, em função de suas características de agilidade e tamanho, conforme a tabela 4 apresentada a seguir.
Tabela 4 - Fator de equivalência para os veículos
Fonte: (DENATRAN, 2014, p.75).
Essa conversão é necessária, pois veículos maiores e mais pesados demoram mais para cruzar a via. Por exemplo, um caminhão de dois eixos demora aproximadamente duas vezes mais que o carro de passeio, por isso o seu fator de equivalência é igual a dois.
2.4.3 Taxa de fluxo e taxa de ocupação
A partir do volume de tráfego (fluxo de tráfego) ou do volume de tráfego equivalente, é possível se identificar a taxa de fluxo de um movimento. A taxa de fluxo é o número de carros projetado para o período de uma hora, a partir das contagens medidas na via, em intervalos de 15 minutos ou a cada ciclo. DENATRAN (2014) salienta que em programações por tempo fixo, deve-se utilizar, para fins de cálculo, o volume máximo observado nos intervalos de coleta, ao longo do período do plano.
A taxa de ocupação é calculada a partir da relação entre taxa de fluxo e fluxo de saturação, que será exposto adiante. Ela estabelece a quantificação da taxa de uso na via naquela hora, isto é, se a taxa de ocupação é de 100%, a via está sendo utilizada na sua máxima capacidade de utilização. A Equação 1 estabelece o cálculo da taxa de ocupação, representada por y.
Onde:
y – taxa de ocupação;
F – taxa de fluxo do grupo de movimentos, em veículos por hora, ou ucp por hora; FS – fluxo de saturação do grupo de movimentos, em veículos por hora ou ucp por hora.
2.4.4 Entreverdes e vermelho geral
O tempo entre o fim do verde de uma fase (que está perdendo o direito de passagem) e o início de outra fase (a qual está ganhando esse direito de passagem) é denominado entreverdes (DENATRAN, 1984). Para os semáforos veiculares, calcula-se o tempo de entreverdes somando o tempo de amarelo com o tempo de vermelho geral (vermelho de segurança). Entretanto, quando os semáforos são específicos para pedestres, é necessário somar o tempo de vermelho intermitente com o tempo de vermelho geral (DENATRAN, 2014).
Vilanova (2005) explica que o período de entreverdes é necessário para que diminua (ou acabe com as colisões) e aumente a segurança na via. O autor inferiu que os semáforos criam situações de acidentes e, quando não há uma boa programação do período de entreverdes, o número de acidentes graves aumenta.
É importante frisar que esses acidentes ocorrem, na maioria das vezes, quando há veículos na faixa crítica de frenagem no momento em que o semáforo entra em amarelo, ou seja, eles não conseguem frear antes da faixa de retenção e necessitam cruzar a interseção. Todavia, se o tempo de entreverdes não contempla o tempo para o veículo cruzar a faixa de conflito em segurança, o mesmo estará no meio do cruzamento quando o outro estágio começar. Tal situação poderá gerar acidentes, pois os veículos que receberam o direito de passagem podem colidir com este veículo. A seguir apresenta-se a Figura 6 que tem como objetivo explicar o cálculo do tempo de entreverdes levando em conta as distâncias da via.
Figura 6 - Distâncias percorridas pelo veículo
Fonte: (NETO, 2015, p. 2).
De acordo com Neto (2015) e considerando a Figura 6 acima, é possível calcular o tempo de entreverdes pela Equação 2. É possível perceber que o tempo de entreverdes é formado pela soma de três parcelas.
(2) Onde:
– tempo de entreverdes para o grupo focal de veículos, em segundos;
– tempo de percepção e reação do condutor, em segundos; v – velocidade do veículo, em m/s;
– máxima taxa de frenagem admissível em via plana, em ;
i – inclinação da via na aproximação, sendo “+” em rampas ascendentes e “-“ em rampas descendentes (m/m);
g – aceleração da gravidade (9,8 );
– extensão da trajetória do veículo entre a linha de retenção e o término da área de conflito, em metros;
c – comprimento do veículo, em metros.
Neto (2015) afirma que em situações usuais onde as vias que não apresentem uma topografia ou composição de tráfego especial, são utilizados valores tabelados para o cálculo da equação acima. Por exemplo, a máxima frenagem admissível é relativa ao veículo e a via. No entanto, utiliza-se um valor médio de 3,0 para vias urbanas, que é um valor indicado no manual australiano e próximo ao recomendando pela AASHTO. Esse valor não corresponde à máxima aceleração possível aplicada em um veículo, na verdade ele é um valor que permite atender aos aspectos de segurança e conforto dos passageiros. Em relação ao tempo de percepção e reação do condutor, admite-se o valor entre 0,8 e 1,2 segundos. Para comprimento do veículo é utilizado o valor médio de 5 metros, porém, em casos onde há maior ocorrência de veículos comerciais, esse valor deve ser calculado (VILANOVA, 2005).
A velocidade, extensão da trajetória e inclinação da via irão variar em relação ao local onde será implantada a sinalização semafórica. Deste modo, são esses coeficientes que realmente determinarão os tempos de entreverdes a serem utilizados para cada via em específico. No caso da velocidade, é recomendado por Vilanova (2005), adotar a velocidade máxima permitida na via, pois assim criando-se uma situação de segurança para os veículos que trafegam de acordo com a regulamentação.
Portanto, com o cálculo do tempo de entreverdes tem-se o tempo de amarelo somado com o tempo de vermelho geral. Porém, para saber qual a porcentagem de tempo que cada um terá, é necessário somar as duas primeiras parcelas da Equação 2 para encontrar o tempo de amarelo (onde a última parcela será o tempo de vermelho geral) (DENATRAN, 2014). Há ainda, de acordo com Neto (2015) o uso de uma tabela específica que varia os tempos de amarelo de acordo com a velocidade máxima regulamentada na via que está representada pela Tabela 5.
Tabela 5 - Duração mínima do amarelo no tempo de entreverdes
Fonte: (NETO, 2015, p. 4).
De acordo com DENATRAN (2014), vermelho geral refere-se ao período decorrido
entre o final do amarelo (ou vermelho intermitente no caso de pedestres) de um estágio e o começo do verde (direito de passagem) do próximo estágio. Como visto anteriormente, o vermelho geral é calculado a partir da subtração do tempo de entreverdes com o tempo de amarelo, porém, é necessário que o tempo de vermelho de segurança seja acrescido de 1 segundo sempre quando o estágio subsequente atender a uma travessia de pedestres.
No caso de semáforos exclusivos para pedestres, o entreverdes para pedestres 'grifo nosso' deve ser calculado também, neste caso é composto pelo tempo de vermelho intermitente e de vermelho geral. Onde o tempo de vermelho intermitente deve ser suficiente para que o pedestre que iniciou a travessia no último segundo de verde possa concluí-la com
sucesso antes do sinal verde para os veículos abrir (NETO, 2015). O cálculo do entreverdes para pedestres pode ser feito com uso da equação abaixo:
(3) Onde:
– tempo do intervalo de vermelho intermitente para o grupo focal de pedestres, em segundos;
- tempo de percepção e reação do pedestre, em segundos; l – extensão da travessia, em metros;
– velocidade do pedestre, em m/s.
Com base na afirmação de Neto (2015), o tempo de percepção e reação é aproximadamente 1 segundo e a velocidade usual é de 1,2 . Em locais onde nota-se menor velocidade por algum motivo especial, é necessário fazer uma análise mais realista para o local em questão.
2.4.5 Fluxo de saturação e tempo perdido
Para entender o que é tempo perdido total (ou tempo morto) é necessário compreender que a cada estágio de uma via saturada, há dois intervalos perdidos pelos veículos. O primeiro é quando o sinal verde termina e começa o período de entreverdes, deste modo o fluxo de veículos vai reduzindo até ficar nulo, e o segundo é quando se inicia o direito de passagem, de modo que os veículos delongam alguns segundos para perceber que o sinal abriu e reagir colocando-se em movimento. Portanto, durante esses intervalos existe a perda concebida pela diferença entre o número de veículos que poderia ter cruzado a interseção se o movimento continuasse no patamar do fluxo de saturação, e o número de veículos que passou realmente. Há ainda o tempo perdido quando há um estágio exclusivo para pedestres, pois nesse momento em específico há a interrupção do movimento de veículos (VILANOVA, 2005).
Deste modo, considerando a Figura 7 a seguir, tem-se que é o tempo perdido no inicio do estágio e é o tempo perdido quando se termina o tempo de verde e começa o tempo de entreverdes. Portanto, temos que os segmentos de retas AB e CD estão dispostos de forma que as áreas hachuradas no inicio do verde sejam iguais, e as áreas hachuradas no fim do verde também sejam. De acordo com DENATRAN (2014) é correto afirmar que a situação real é aquela onde e são nulos e o resto do estágio é dado pelo retângulo igual ao fluxo de saturação.
Figura 7 - Fluxo de saturação e tempo perdido total
Fonte: (DENATRAN, 2014, p. 76).
Concluindo, tem-se que o tempo perdido total , será calculado de acordo com a Equação 3. Onde se soma o tempo de estágio exclusivo para pedestres (quando houver) com o tempo perdido total (inicial e final).
(3) Onde:
– tempo perdido total, em segundos;
– tempo de estágio exclusivo para pedestres, caso existente, em segundos; n – número de estágios veiculares existentes;
– tempo perdido no início do estágio i, em segundos; – tempo perdido no final do estágio i, em segundos.
Depois da explicação do tempo perdido total em um estágio semafórico, pode-se apresentar um conceito de suma importância na análise do tráfego que é o Fluxo de Saturação. O fluxo de saturação 'grifo nosso' pelas falas de Vilanova (2006, p.12) pode ser entendido como,
[...] o máximo fluxo que pode passar pela seção que corresponde à faixa de retenção. Corresponde à capacidade da via. Medir o Fluxo de Saturação é, portanto, contar qual é o número máximo de veículos que consegue atravessar a linha de retenção na situação prevalecente de trânsito.
Portanto, para entender o que é fluxo de saturação é importante entender o princípio do tempo perdido onde explica que quando o semáforo abre, os veículos demoram certo tempo para sair da inércia e começar seu movimento. Portanto, uma vez que alcancem um patamar uniforme de fluxo e enquanto houver fila acumulada à montante, os veículos estarão
trafegando na maior capacidade de fluxo da via, o que é exatamente o fluxo de saturação (VILANOVA, 2006).
O fluxo de saturação é a oferta de fluxo que a via pode oferecer, ou seja, se a taxa de fluxo naquele momento é igual ao seu fluxo de saturação, a via está funcionando na capacidade máxima. O fluxo de saturação pode ser dimensionado de diversos métodos, do mais simples e intuitivo aos mais técnicos e minuciosos. Nesse trabalho será apresentada a visão de Luis M. Vilanova e do Manual Brasileiro de Sinalização de Trânsito.
De acordo com Vilanova (2006), o fluxo de saturação da aproximação é dimensionado através de dois métodos, o primeiro é consultando ábacos e tabelas, enquanto que o segundo é dado pela obtenção através de histogramas. O primeiro método é basicamente entrar com os valores característicos do tráfego em ábacos e tabelas para retirar o Fluxo de Saturação. Entretanto, para Vilanova (2006) esse método não reflete as peculiaridades da via, isto é, ele se utiliza de modelos de via que podem não apresentar a realidade da via a ser estudada. Por este motivo este não será apresentado no presente trabalho.
O segundo método, chamado de método do histograma ou método expedito, consiste em uma análise de campo detalhada. De acordo com Vilanova (2006), o método permite a medição in loco do Fluxo de Saturação. Este método indica que deve passar cinco segundos após o começo do verde para acionar o cronômetro, neste momento é iniciada a contagem dos veículos que passam na retenção. A contagem continua até que o técnico perceba que a demanda veicular começou a diminuir, então a contagem é encerrada e o cronômetro parado. O quadro ideal para que essa contagem seja feita, é quando não existe nenhum bloqueio ou veículos parados por pelo menos cem metros à frente dos veículos pesquisados.
A quantidade de amostras deve ser na faixa de seis leituras por aproximação para alcançar resultados satisfatórios. É necessário também analisar os valores, a fim de que amostras com valores muito distantes dos outros, sejam descartadas e substituídas por nova medição. É importante que essa análise seja feita de modo estatístico e não subjetivamente, portanto é indicado que se substitua os valores que estão fora do limite superior e inferior pela Equação 4.
(4) Onde:
- média aritmética dos valores da amostra - desvio-padrão dos valores da amostra
2.4.6 Tempo de ciclo
De acordo com DENATRAN (2014), tempo de ciclo é o tempo decorrido para que ocorram todos os estágios de uma programação semafórica, em uma interseção. Desse modo, o programador deve calcular o tempo de ciclo ótimo para a interseção, isto é, o tempo que garanta que o semáforo trabalhe na sua melhor configuração, onde o atraso veicular seja o menor possível e o semáforo trabalhe com folga para que não ocorra a formação de filas, pois como a chegada de veículos é na maioria das vezes de forma aleatória, é necessário guardar uma parte do ciclo para absorver essas flutuações de fluxo.
Existem alguns métodos para dimensionar o tempo de ciclo, porém, os métodos mais utilizados atualmente são apenas dois, o Método de Webster e o Método do Grau de Saturação. A diferença básica entre esses dois métodos está na sua concepção teórica, onde o Método de Webster assume que a chegada de veículos ocorre de forma totalmente aleatória enquanto que o Método do Grau de Saturação assume que os veículos chegam na forma de "pelotões" (VILANOVA, 2005).
Para esboçar o ciclo semafórico foi criado o diagrama de intervalos luminosos ilustrado na Figura 8, que consiste na representação da sequência de intervalos luminosos de cada grupo semafórico, com suas respectivas durações por meio de barras retangulares. Este diagrama de intervalos luminosos também chamado de diagrama de barras é muito utilizado, de tal maneira que na maioria dos programas para programação semafórica o mesmo aparece em evidência.
Figura 8 - Diagrama de intervalos luminosos
Fonte: (HOFFMANN, D. F.; DE SOUZA, M., 2005, p. 23).
O Método de Webster 'grifo nosso' foi criado para calcular o tempo de ciclo ótimo, como o autor denomina. Como já dito, esse método é feito com base em aproximações aleatória e não é aconselhável utilizá-lo em vias que apresentam alto grau de saturação, onde os veículos cheguem na forma de "pelotões" (DENATRAN, 2014). O tempo de ciclo ótimo é calculado pela Equação 10.
(10) Onde:
– tempo de ciclo ótimo, em segundos; – tempo perdido total, em segundos;
– taxa de ocupação do grupo de movimentos crítico do estágio i; n – número de estágios.
Já o Método do Grau de Saturação 'grifo nosso' foi criado com uma análise diferente da via, onde primeiramente o técnico responsável deve inferir, de acordo com a via, o grau de saturação em que a via vai operar. Posteriormente, se calcula o tempo de ciclo e de verde dessa via para o grau de saturação adotado. A grande vantagem desse método, de acordo com Vilanova (2005), está em estabelecer uma conexão entre a teoria e os conhecimentos práticos dos técnicos que trabalham na área.
A escolha de qual grau de saturação escolher é uma parte fundamental do método, e deve ser representado pelo símbolo x, que acaba por representar o nível de carregamento da via. Ou seja, se o grau de saturação é 100% (x=1), o tempo de verde é igual ao tempo decorrido para que exatamente todos os veículos passem pelo cruzamento, agora se algum veículo ficou retido antes do tempo acabar o grau de saturação é maior que 100%. Porém, é interessante escolher um grau de saturação abaixo de 100%, para que a via tenha uma folga devido às flutuações do trânsito (VILANOVA, 2005).
Vilanova (2005) destaca que, na faixa de 80% a 90% obtêm os menores valores de atraso total, e que se não existir nenhum fator especial é indicado que vias críticas operem com grau de saturação igual a 88% (x=0,88). Com base em DENATRAN (2014), para o cálculo do tempo de ciclo são necessários alguns cálculos, primeiramente de inicio pelo cálculo da fração de verde necessária para cada estágio, por meio da Equação 11.
(11) Onde:
- fração de verde requerida para o estágio i;
- taxa de ocupação do grupo de movimentos crítico do estágio i;
- grau de saturação máximo definido para o grupo de movimentos crítico do estágio i.
Depois de se calcular a fração de verde para cada estágio, utiliza-se a Equação 12 para o cálculo do tempo de ciclo pelo Método do Grau de Saturação, onde relaciona o tempo perdido total com as frações de verde requeridas.
(12) Onde:
– tempo de ciclo, em segundos; – tempo perdido total, em segundos;
– fração de verde requerida para o estágio i; n – número de estágios.
Todavia, quando há a necessidade de utilizar o mesmo grau de saturação xm para os grupos de movimentos críticos de todos os estágios, existe uma fórmula correlata a anterior para o cálculo do tempo de ciclo em questão. Esta formula está indicada abaixo pela Equação 13.
2.4.7 Verde real e verde efetivo
O tempo de verde real é o tempo de verde programado para o controlador semafórico, ou seja, é o tempo de verde calculado para o ciclo que está em funcionamento no semáforo. Porém, existe o tempo de verde efetivo, que é o tempo de verde que seria utilizado pelo fluxo do grupo de movimentos críticos, no caso do descarregamento igual ao fluxo de saturação (DENATRAN, 2014).
O cálculo do tempo de verde efetivo pode ser calculado de diversos modos, porém, nesse trabalho serão informadas as equações necessárias para calcular quando o ciclo for dimensionado pelo Método de Webster 'grifo nosso' pela Equação 15 e no caso do Método do Grau de Saturação Máximo apresentado na Equação 16. Relacionando o tempo de verde real com o efetivo, tem-se que o tempo real é dado pelo tempo de verde efetivo, somado com os tempos perdidos (inicial e final) e subtraído o tempo de entreverdes.
(15) Onde:
– tempo de verde efetivo do estágio i, em segundos; – tempo de ciclo, em segundos;
– fração de verde requerida para o estágio i.
(16) Onde:
– tempo de verde efetivo do estágio i, em segundos; – tempo de ciclo, em segundos;
– tempo perdido total, em segundos;
– taxa de ocupação do grupo de movimentos crítico do estágio i; n – número de estágios.
No caso de estágio específico para pedestres, DENATRAN (2014) afirma que o tempo de verde real é igual ao tempo de verde efetivo, onde o valor mínimo de verde deve ser de quatro segundos, onde o recomendado para uma via comum é de sete segundos. Todavia, no caso de “travessia tipo carona”, onde a travessia de pedestres acontece durante a perda do direito de passagem daquele estágio, o tempo de verde é igual ao tempo do estágio veicular que recebeu o direito de passagem subtraído do tempo de vermelho intermitente. Esse tempo pode ser acrescido ou não do tempo de vermelho geral, conforme escolha do técnico e levando em conta as características da via.
2.4.8 Capacidade
Capacidade é dita como a capacidade máxima de veículos que cruzam a seção de uma via controlada por semáforo durante uma hora, considerando condições normais de tráfego em dia típico. A capacidade pode ser calculada a partir da Equação 15 (DENATRAN, 2014).
(17) Onde:
Cap – capacidade, em veículos por hora ou ucp/h; FS – fluxo de saturação, em veículos por hora ou ucp/h;
– tempo de verde efetivo, em segundos; tc – tempo de ciclo, em segundos.
2.4.9 Defasagem
De acordo com DENATRAN (2014), defasagem é a diferença entre os instantes de abertura de dois semáforos consecutivos. O valor da defasagem geralmente é estabelecido em relação ao início do tempo de verde da sinalização semafórica, imediatamente a montante. Para que haja defasagem, é necessário que os semáforos que pertencem à mesma rede operem com o mesmo tempo de ciclo, ou na situação particular em que o tempo de ciclo de um local é submúltiplo de outro. A Figura 9 consegue representar de modo simples o que é defasagem em uma via de mão única.
Figura 9 - Defasagem em uma via de mão única
DENATRAN (2014) explica que, o valor da defasagem é sempre expresso em relação ao início do verde. No entanto, esse valor pode ser calculado tomando como base:
a) os inícios dos intervalos de verde dos estágios entre duas interseções coordenadas; b) os térmicos dos intervalos de verde dos estágios entre duas interseções coordenadas; c) outro ponto de referência, como por exemplo, o ponto central da sua duração.
Na Figura 9, o que foi visto é o conceito de defasagem tomando como base o início do tempo de verde. A referência ao início do tempo de verde é a mais utilizada nas aplicações práticas (DENATRAN, 2014).
O conceito de defasagem é um dos mais importantes quando se deseja criar uma coordenação semafórica. Essa coordenação pode ser feita dentro do sistema de controle em corredor ou dentro do sistema de rede. A explicação desses sistemas e como a defasagem é utilizada para criar essa coordenação será mais bem explicada na seção mais à frente.
3 CONTROLE SEMAFÓRICO
Os dispositivos que realizam os comandos necessários para originar uma programação semafórica são chamados de controladores semafóricos. DENATRAN (2014) cita três tipos de controle semafórico, o primeiro é o controle por tempo fixo e o segundo o controle atuado. O fator determinante para essa escolha está no modo de funcionamento dos planos semafóricos, onde o primeiro tem planos semafóricos com tempos pré-estabelecidos, enquanto o outro varia de acordo com a demanda. Atualmente esta sendo utilizado o controle em tempo real que é semelhante ao controle atuado, entretanto opera em rede e tem o processamento de dados feito por um software específico em uma central de tráfego.
Depois de definir o tipo de controle semafórico, é necessário que o projetista decida entre duas estratégias de controle. A primeira é denominada controle semafórico isolado, e a segunda estratégia são chamados de controle em rede. A diferença entre as duas está em permitir uma coordenação ou não entre semáforos próximos, ou seja, o semáforo em rede possui uma interdependência entre as sinalizações semafóricas dentro da sua área de atuação.
DENATRAN (2014) ainda menciona dois modos de operação para controladores de tráfego. O modo de operação Local, onde há entrada de programações, é diretamente no contrador. Nesse caso, o operador vai até o local de operação e pratica a entrada manual de dados. Há ainda a alternativa que é estudo nesse trabalho, que refere-se a operação através de Centrais de Tráfego. Tal operação acontece numa sala de comando, onde um computador central envia os comandos para os controladores. É através desse computador que ocorrem todos os gerenciamentos de dados e operação dos equipamentos de controle semafórico.
Neste trabalho em específico, terá ênfase na operação através de Centrais de Tráfego em Área (CTA). Esse conjunto vem sendo utilizado em grandes e médias cidades já que possui inúmeras vantagens.
3.1 TIPOS DE CONTROLE
Nesta seção serão apresentados os sistemas de controle de tráfego que estão em uso atualmente, contendo uma descrição do funcionamento, características e locais para sua utilização. Nesse contexto existem três tipos: controle por tempo fixo, controle em tempo real e controle atuado. Porém, como o uso de controle atuado em centrais de tráfego são incomuns, neste trabalho serão apresentados somente os dois primeiros.
3.1.1 Controle por tempo fixo
Este controle utiliza-se de planos semafóricos pré-calculados com base em levantamentos de campo e contagens de fluxo. Quando um plano semafórico está em funcionamento, o ciclo é constante e a duração dos estágios é sempre a mesma, ou seja, isso significa ter o mesmo tempo de verde, amarelo e vermelho para cada corrente de tráfego, independente da mudança do volume de veículos que chegam ao cruzamento.
O controle por tempo fixo pode ser feito com apenas um plano durante todo o dia ou com a utilização de diversos planos semafóricos ativados em função da hora do dia. Deste modo é possível ordenar planos de tráfego para diferentes períodos do dia, definidos em função da demanda. Os horários com grandes picos de tráfego têm planos distintos de horários de baixo volume de tráfego. A Figura 10 ilustra como é subdividido os planos durante um dia típico.
Figura 10 - Planos distintos em relação à taxa de ocupação da via
Fonte: (VILANOVA, 2005, p.7).
Há simulações apontando que quando se está operando no pico de tráfego, os planos fixos se bem atualizados e aperfeiçoados, são uma ótima alternativa, pois possuem capacidade de produzir resultados tão bons quanto os controles por tempo atuado ou real (LOUREIRO; GOMES; LEANDRO, 2005). Na Figura 10 os planos são subdivididos de acordo com o tráfego, do mesmo modo na Figura 11, porém, com a repetição de planos durante o dia.
Figura 11 - Possível distribuição semafórica diária
Fonte: (NETO, 2015, Pg. 30).
Os problemas encontrados nesse tipo de controle estão nos levantamentos de dados. Esses levantamentos devem ser feitos de modo contínuo, pois a adoção de dados históricos antigos pode acarretar em tempos de ciclo equivocados com a situação atual da via. Esses levantamentos são raramente feitos, pois acaba por aumentar o custo de manutenção deste semáforo, o que é inviável para certas cidades. Outro viés citado por Vilanova (2005) são as contagens tradicionais. Elas são feitas por pessoas que não tem conhecimento em programação, ou seja, estas pessoas anotam valores, sem condições de interpretar a dinâmica do fluxo na via.
Quando não há uma central de tráfego, esse tipo de controle é o mais utilizado, pois o cálculo da programação e sua posterior entrada de dados são feitos de forma simples. Como já foi explanada, a programação através do tempo fixo pode ser feita a partir de métodos de cálculo (Webster, Grau de Saturação, etc). A entrada de dados, quando não utilizado em centrais, é feita diretamente nos controladores através de agentes de campo. Os controladores de tráfego tem uma capacidade de armazenamento de oito a 16 planos de planos podendo em regime de controle central expandir sua capacidade para até 64 planos por dia. (BHTRANS, 2010). Na Figura 12 é ilustrado como é um controlador semafórico.
Figura 12 - Controlador semafórico
Fonte: (BHTRANS, 2010, p.12).
Desse modo, pode-se dizer que tal tipo de controle é muito fácil de ser utilizado e implantado, porém, há boas práticas para que ele funcione com melhor capacidade. É por esse motivo que se utiliza atualmente o controle por tempo fixo como controle secundário em uma central de tráfego por tempo real.
Nesse capítulo serão apresentados dois algoritmos que geram planos de tempo fixo. O primeiro é o já citado TRANSYT, enquanto que o segundo é o algoritmo de programação criado por Luis M. Vilanova, o Simulador de tráfego SIRI.
3.1.1.1 Sistema TRANSYT
TRANSYT, Traffic Network Study Tool, é um sistema utilizado para gerações de
planos de tempo fixo 'grifo nosso'. Esse sistema permite testar, encontrar e estudar os
melhores planos para coordenar a semaforização nas interseções. Cervantes (2005) diz que esses testes são feitos de forma iterativa, onde para valores conhecidos de defasagem (offset), split e tempo de ciclo, o modelo forma combinações, gerando índices de desempenho.
Carlson (2006) explica que o índice de desempenho (PI) da rede é uma medida do custo total de congestionamento do tráfego que é feita com a combinação entre o atraso total e o número de paradas. Esse processo de otimização de desempenho é verificado a partir de tentativa e erro, dentro do modelo, isto é, o modelo utiliza os dados de entrada e vai
realizando ajustes de defasagem, split e tempo de ciclo que pode reduzir ou não o desempenho. Quando se chega ao menor PI (Performance Index), o sistema adota os ajustes e a temporização é sucessivamente melhorada. Na Equação 18 apresenta-se o cálculo feito pelo sistema. (18) Onde: N - número de vias;
W - Custo médio por unidade de atraso; K - custo médio para 100 unidades de parada;
- coeficiente de ponderação de atraso na via i; - atraso médio da via;
- coeficiente de ponderação do número de paradas na via i; - número médio de paradas na via i.
Loureiro, Gomes e Leandro (2005) ressaltam que o tempo de ciclo não é otimizado, porém, existe o programa chamado CYOP que pode ser utilizado em paralelo para avaliar os tempos de ciclo. O modelo pode ser mais bem entendido com a Figura 13, onde é apresentada a estrutura básica, a estratégia de controle TRANSYT.
Figura 13 - Estrutura básica do sistema TRANSYT
Fonte: (Cervantes, 2005, p. 30).
Carlson (2006) afirma que o sistema TRANSYT assume três hipóteses para seu funcionamento que estão listadas abaixo:
a) as interseções da rede possuem uma regra de prioridade;
b) os semáforos que constituem a rede devem ter o mesmo tempo de ciclo ou metade desse valor, e detalhes dos estágios e valores mínimos são conhecidos;
