Algoritmos HCM¶
O Highway Capacity Manual (HCM), publicado em 2010, contém diretrizes para o uso de ferramentas de simulação na avaliação do desempenho de instalações rodoviárias. Uma parte importante trata da comparação de medidas de desempenho de diferentes ferramentas de análise de tráfego. O Aimsun Next está atualizado em relação à 7ª edição (2022) no caso do cálculo das aproximações.
Depois de demonstrar que a análise de trajetórias veiculares é a única abordagem para desenvolver medidas de desempenho consistentes com as definições do HCM, com técnicas de medição em campo e com outras ferramentas de simulação, o Capítulo 24 do HCM apresenta um conjunto de procedimentos computacionais que podem ser aplicados "on the fly" durante a simulação.
O Aimsun Next implementa esses algoritmos "on the fly" – à medida que a simulação avança, para fornecer saídas compatíveis com HCM sem a necessidade de pós-processamento de veículo. Os algoritmos usados para produzir essas saídas são descritos aqui.
Procedimentos computacionais¶
Os procedimentos a seguir têm como objetivo produzir medidas de desempenho compatíveis com os procedimentos determinísticos do HCM, baseiam-se na análise de trajetórias e são projetados para serem implementados como cálculos passo a passo durante a simulação.
Nota: A densidade (PCU/mile) é calculada por faixa, não por seção. Como uma seção pode conter duas ou mais faixas, esteja ciente do impacto do número de faixas sobre o valor de saída. Por exemplo, um único veículo em uma seção de um quilômetro de extensão com três faixas retornaria um valor de densidade de 0,33.
-Não tenho certeza se esta nota é necessária ou se está no lugar certo. Este tópico diz PCU em vez de Veh, então removi essa parte do termo. Posso restaurar/alterar se necessário.Saídas¶
Há dois tipos de análise de trajetória:
- Análise longitudinal, que consiste em acompanhar veículos individuais ao longo de passos de tempo enquanto trafegam por um link
- Análise espacial, que consiste em considerar ao mesmo tempo todos os veículos que estão em um link em um passo de tempo
Em termos de cálculo de resultados durante a simulação:
- A análise longitudinal calcula, para cada veículo em um link durante cada passo de tempo, medidas, acumulando-as para todos os passos de tempo necessários para atravessar o link e, em seguida, agregando para todos os veículos que saem do link durante um intervalo estatístico
- A análise espacial calcula, para cada link e para cada faixa durante cada passo de tempo, medidas que envolvem todos os veículos presentes e, em seguida, agrega para todos os passos de tempo durante um intervalo estatístico
As saídas relacionadas à análise longitudinal são:
- Atraso do segmento [s/veh]
- Atraso de fila [s/veh]
- Atraso parado [s/veh]
- Número de paradas
As saídas relacionadas à análise espacial são:
- Densidade [PCU/mi por faixa]
- Comprimento médio da fila [veh]
- Fim médio da fila [m]
- Comprimento máximo da fila [m]
- Percentual de veículos em fila [%]
- Percentual de transbordamento [%]
- Percentual de veículos lentos [%]
Definições¶
As definições a seguir têm como objetivo determinar o estado de um veículo durante um intervalo de tempo (por exemplo, parado, em fila, etc.).
Definições para medidas relacionadas a paradas¶
Um veículo atinge o estado parado se sua velocidade for inferior a 5 mi/h. Um veículo parado deixa o estado parado quando:
- Para o cálculo do atraso por parada, sua velocidade é maior ou igual a 5 mi/h
- Para o cálculo do número de paradas, sua velocidade é maior ou igual a 1/3 de sua velocidade desejada
Definições para medidas relacionadas a filas¶
Um veículo atinge o estado de fila de um link quando:
- O espaçamento em relação ao líder é menor ou igual a 20 ft
- E sua velocidade é maior ou igual à velocidade do líder
- E sua velocidade é menor ou igual a 1/3 de sua velocidade desejada
OU quando (primeiro veículo a chegar à linha de retenção):
- Nenhum líder está presente no link
- E sua distância até a linha de parada é menor ou igual a 50 ft
- E está desacelerando ou está parado
Um veículo em fila sai do estado de fila (de um link) quando:
- sua velocidade é maior ou igual a 2/3 de sua velocidade desejada
- E sua velocidade é menor ou igual à velocidade do líder OU ele não tem nenhum líder
OU quando (primeiro veículo na fila):
- Ele sai do link
A análise é feita link a link. Cada link tem sua própria fila. Se uma fila se estender por vários links, cada um terá uma fila separada que pode se estender, no máximo, da saída até a entrada. Se a fila estiver retrocedendo a partir do link a jusante, ela deixará simultaneamente o estado de enfileiramento do link atual e entrará no estado de enfileiramento do link a jusante.
Outras definições¶
Um veículo está no seguinte estado quando:
- A distância entre seu para-choque dianteiro e o para-choque traseiro de seu líder é menor ou igual a 3s
- E a diferença entre a velocidade do líder e sua velocidade é menor ou igual a 12 mi/h
Cálculo¶
O cálculo das saídas baseia-se em determinar o estado de cada veículo em cada passo de tempo e executar os cálculos relevantes. Observe que um veículo pode estar parado e em fila ao mesmo tempo; nesse caso, tanto seus cálculos de fila quanto seus cálculos de parada precisam ser atualizados.
Medidas relacionadas a atrasos¶
O atraso por passo de tempo é necessário como uma medida intermediária para calcular os três atrasos listados abaixo: Ele é definido para cada veículo e cada passo de tempo como: A duração do passo de tempo menos o tempo que o veículo teria levado para cobrir a distância percorrida no passo em sua velocidade desejada.
Atraso no segmento para cada veículo; a soma dos atrasos por passo de tempo enquanto ele está em um link. Alternativamente, pode ser calculado sem acumular passos de tempo individuais como: tempo de saída, menos tempo de entrada, menos o tempo que o veículo teria levado para percorrer o link em sua velocidade desejada.
Atraso na fila: para cada veículo e cada passo de tempo; o atraso do passo de tempo se o veículo estiver no estado de fila; caso contrário, 0. Ele é acumulado ao longo de todos os passos de tempo enquanto o veículo está em um link.
Atraso parado: para cada veículo e cada passo de tempo, é o atraso do passo de tempo se o veículo estiver no estado parado; caso contrário, é 0. Em seguida, ele é acumulado ao longo de todos os passos de tempo enquanto estiver em um link.
Estes fornecem atraso de segmento, fila e atraso parado para um veículo individual enquanto ele está em um link. A saída para um intervalo de tempo e para um link é calculada pela média de todos os veículos que saem do link durante o intervalo, ou seja, somando os atrasos individuais dos veículos e depois dividindo pelo número de veículos que saem do link durante o intervalo.
O LoS para cada aproximação de uma interseção semaforizada deve ser determinado com base no atraso de fila, de acordo com os intervalos na tabela a seguir.
| Nível de Serviço | Atraso em fila (s/veh) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 and ≤20 |
| C 3 | >20 and ≤35 |
| D 4 | >35 and ≤55 |
| E 5 | >55 and ≤80 |
| F 6 | >80 |
O LoS da interseção baseia-se na média do atraso de fila das aproximações, ponderada pelo fluxo de cada aproximação, de acordo com as faixas da mesma tabela.
O LoS para cada aproximação de uma interseção controlada por preferência ou parada, incluindo uma rotatória, deve ser determinado com base no atraso em fila, de acordo com as faixas na tabela a seguir. Observe que uma interseção só é considerada uma aproximação controlada por preferência ou parada quando todos os movimentos de conversão incluídos no nó têm preferência ou parada.
| Nível de Serviço | Atraso em fila (s/veh) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 and ≤15 |
| C 3 | >15 and ≤25 |
| D 4 | >25 and ≤35 |
| E 5 | >35 and ≤50 |
| F 6 | >50 |
A abordagem definida no HCM Chapter 18 estende a avaliação da fila para trás a partir da linha de retenção por uma distância suficiente para incluir a fila máxima durante o período de estudo. Ao mesmo tempo, o HCM Chapter 24 diz que, se um atraso for causado por uma fila que se propaga a partir de uma interseção a jusante, o atraso é atribuído à aproximação a montante.
Além disso, o HCM inclui apenas aproximações com pelo menos 250fts (76.2m) de comprimento, mas essa condição é excluída do algoritmo para capturar todas as aproximações possíveis dentro de uma distância máxima específica. Essa distância máxima das aproximações pode ser editada na aba Statistics do Scenario Editor(por padrão 500m; 1640.42fts). Além disso, seções que atendam aos critérios de distância no meio de seu comprimento serão incluídas na aproximação.
Portanto, teoricamente, a extremidade a montante de uma aproximação é:
- Max(vehicle length, Min(user distance value, upstream intersection)).
O Aimsun Next executa o processo de construção de aproximações HCM estendendo aproximações a partir das entradas dos nós semaforizados ou dos nós que não são interseções semaforizadas, mas que têm sinalização de dê a preferência ou pare em todos os movimentos de conversão. As únicas limitações para interromper a propagação da seção a montante no processo de construção são quando é encontrado outro nó que atende aos critérios para iniciar novas aproximações, ou quando o critério de distância máxima é atingido. Além disso, as seções internas desses nós onde as aproximações começam serão descartadas para não alterar as estatísticas HCM nesses nós (com seções internas definidas como aquelas que estão dentro/entre o mesmo nó).
O LOS da interseção é baseado na média do atraso em fila das aproximações, ponderada pelo fluxo de cada aproximação, de acordo com os intervalos da tabela.
Medidas relacionadas a paradas¶
Número de paradas: cada vez que um veículo atinge o estado parado, seu número de paradas é incrementado em:
Onde:
- \(S_{max}\) é a velocidade máxima atingida desde a última parada
- \(S_{target}\) é sua velocidade desejada.
Isso fornece o número de paradas de um veículo individual enquanto ele está em um link. A saída para um intervalo de tempo e para um link é calculada como média para todos os veículos que saem do link durante o intervalo, isto é, somando o número individual de paradas dos veículos e, em seguida, dividindo pelo número de veículos que saem do link durante o intervalo.
Medidas relacionadas à densidade¶
A densidade é calculada, em cada passo de tempo, contando o número de veículos em cada faixa de um link, dividindo pelo comprimento das faixas e, em seguida, para converter para densidade em PCU, também dividindo pelo fator de ajuste de veículos pesados:
Onde:
- \(P_i\) é a proporção de veículos do tipo \(i\)
- \(E_i\) é o equivalente em automóvel de passeio (PCU) dos veículos do tipo \(i\)
A saída para um intervalo de tempo é calculada pela média de todos os passos de tempo durante o intervalo.
O LoS de uma seção de freeway é determinado com base na densidade em passenger-cars por milha por faixa, de acordo com os intervalos da tabela a seguir.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 11 |
| B 2 | >11 and ≤18 |
| C 3 | >18 and ≤26 |
| D 4 | >26 and ≤35 |
| E 5 | >35 and ≤45 |
| F 6 | >45 |
O LoS de uma seção de entrelaçamento é determinado com base na densidade em passenger-cars por milha por faixa determinada pelos intervalos da tabela a seguir.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) | |
|---|---|---|
| Vias expressas | Rodovias Multifaixa | |
| A 1 | ≤ 10 | ≤ 12 |
| B 2 | >10 and ≤20 | >12 and ≤24 |
| C 3 | >20 and ≤28 | >24 and ≤32 |
| D 4 | >28 and ≤35 | >32 and ≤36 |
| E 5 | >35 and ≤43 | >36 and ≤40 |
| F 6 | >43 | >40 |
O LOS para uma convergência ou divergência (rampa de entrada ou rampa de saída) é determinado com base na densidade em automóveis de passeio por milha por faixa, considerando apenas a rampa e as duas faixas adjacentes à rampa por uma distância de 1500ft a partir do ponto de convergência ou divergência, conforme mostrado abaixo, de acordo com os intervalos na tabela a seguir.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 and ≤20 |
| C 3 | >20 and ≤28 |
| D 4 | >28 and ≤35 |
| E 5 | >35 |
O LoS para rodovias com múltiplas faixas é determinado com base na velocidade de fluxo livre em mph e na densidade em carros de passeio por milha por faixa, de acordo com as faixas na tabela a seguir.
| Nível de Serviço | FFS (mi/h) | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|---|
| A 1 | Todos | ≤ 11 |
| B 2 | Todos | >11 and ≤18 |
| C 3 | Todos | >18 and ≤26 |
| D 4 | Todos | >26 and ≤35 |
| E 5 | 60 | >35 and ≤40 |
| 55 | >35 and ≤41 | |
| 50 | >35 and ≤43 | |
| 45 | >35 and ≤45 | |
| F 6 | 60 | >40 |
| 55 | >41 | |
| 50 | >43 | |
| 45 | >45 |
Medidas relacionadas a filas¶
Uma vez que o estado de fila tenha sido determinado em cada passo de tempo para todos os veículos em uma seção:
- O comprimento da fila é o número de veículos em estado de fila.
- O fim da fila neste passo de tempo é a posição (medida a partir da linha de parada) do para-choque traseiro do veículo em fila (em cada faixa) mais próximo da entrada do link.
comprimento da fila durante um intervalo é calculado pela média de todos os passos de tempo durante o intervalo, ou seja, somando os valores de cada passo de tempo e depois dividindo pelo número de passos de tempo durante o intervalo.
Fim médio da fila durante um intervalo é a média dos valores do fim da fila nos passos de tempo durante o intervalo.
Máximo fim de fila durante um intervalo é o máximo entre os valores de fim de fila nos passos de tempo durante o intervalo.
Percentual de transbordamento é a fração de tempo durante um intervalo em que o fim da fila alcança a entrada da seção.
Percentual de veículos em fila é, em cada passo de tempo, a porcentagem de veículos em estado de fila em um link. A saída para um intervalo de tempo é calculada pela média de todos os passos de tempo durante o intervalo, isto é, somando os valores de cada passo de tempo e, em seguida, dividindo pelo número de passos de tempo durante o intervalo.
Outras medidas¶
Percentual de veículos lentos é, em cada passo de tempo, a porcentagem de veículos em um link cuja velocidade é inferior a 2/3 de sua velocidade desejada.
A saída para um intervalo de tempo é calculada pela média de todos os passos de tempo durante o intervalo, ou seja, somando os valores de cada passo de tempo e depois dividindo pelo número de passos de tempo durante o intervalo.
O LoS para uma seção urbana é determinado com base na velocidade média (como porcentagem da velocidade de fluxo livre), de acordo com os intervalos da tabela a seguir.
| Nível de Serviço | Velocidade (% da FFS) |
|---|---|
| A 1 | > 85 |
| B 2 | >67 and ≤85 |
| C 3 | >50 and ≤67 |
| D 4 | >40 and ≤50 |
| E 5 | >30 and ≤40 |
| F 6 | ≤30 |
O Aimsun não oferece suporte ao Nível de Serviço no caso de Replicaçōes Médias.
Outras diretrizes metodológicas¶
O Capítulo 24 do HCM também fornece outras diretrizes metodológicas:
- O atraso por entrada negada, isto é, o tempo gasto "esperando fora", deve ser calculado e contabilizado nos links a montante. Isso é apresentado separadamente no Aimsun Next como o tempo gasto em uma fila virtual.
- Todas as medidas de desempenho acumuladas ao longo do tempo e do espaço devem ser atribuídas ao intervalo de tempo e ao link em que ocorrem, independentemente de a causa estar em algum ponto distante a jusante e ter começado em um intervalo anterior.
O Capítulo 24 também fornece algumas diretrizes para os usuários seguirem:
-
Os limites espaciais e temporais do domínio de análise devem incluir um período livre de congestionamento em todos os lados.
-
A rede deve estar devidamente aquecida e estável antes que as medidas de LoS sejam realizadas. O Aimsun Next fornece um meio de especificar um período de aquecimento no Editor de experimento.
-
Devido à variação estocástica em um modelo de microssimulação, as medidas de desempenho precisam ser calculadas pela média de várias execuções; o número de execuções n necessária para produzir 95% de confiança de atingir um erro máximo tolerável
em que
-
\(E_t\) é o erro máximo tolerável
- \(s\) é o desvio-padrão amostral