Algoritmos HCM¶
O Manual de Capacidade de Estradas (HCM) publicado em 2010 contém diretrizes para o uso de ferramentas de simulação na avaliação do desempenho das instalações de rodovia. Uma parte importante trata da comparação de medidas de desempenho de diferentes ferramentas de análise de tráfego. Aimsun Next é atualizado em relação à 7ª edição (2022) no caso do cálculo das abordagens.
Depois de provar que a análise da trajetória do veículo é a única abordagem para desenvolver medidas de desempenho que são 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 "em tempo real" durante a simulação.
Aimsun Next implementa esses algoritmos "em tempo real" – à medida que a simulação avança para fornecer saídas compatíveis com o HCM sem a necessidade de processamento pós-simulação do veículo. Os algoritmos usados para produzir essas saídas são descritos aqui.
Procedimentos computacionais¶
Os seguintes procedimentos têm como objetivo produzir medidas de desempenho que sejam compatíveis com os procedimentos determinísticos do HCM, são baseados na análise de trajetória e são projetados para serem implementados como cálculos passo a passo durante a simulação.
Nota: A densidade (PCU/milha) é calculada por faixa, não por seção. Como uma seção pode conter duas ou mais faixas, esteja ciente do impacto do número de faixas no valor da saída. Por exemplo, um único veículo em uma seção de um quilômetro de comprimento com três faixas retornaria um valor de densidade de 0,33.
Saídas¶
Existem dois tipos de análise de trajetória:
- Análise longitudinal, que consiste em seguir veículos individuais ao longo de intervalos de tempo enquanto eles percorrem um link
- Análise espacial, que consiste em considerar ao mesmo tempo todos os veículos que estão em um link em um intervalo de tempo
Em termos de cálculo de saída durante a simulação:
- A análise longitudinal calcula para cada veículo em um link durante cada intervalo de tempo medidas, acumulando-as para todos os intervalos de tempo necessários para percorrer o link, e então agregando para todos os veículos que saem do link durante um intervalo de estatísticas
- A análise espacial calcula para cada link e para cada faixa durante cada intervalo de tempo medidas que envolvem todos os veículos presentes, e então agregando para todos os intervalos de tempo durante um intervalo de estatísticas
As saídas relacionadas à análise longitudinal são:
- Atraso do segmento [s/veh]
- Atraso na 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]
- Máximo fim da fila [m]
- Percentagem de veículos em fila [%]
- Percentagem de transbordo [%]
- Percentagem de veículos lentos [%]
Definições¶
As seguintes definições 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 em um link quando:
- O espaçamento com seu líder é menor ou igual a 20 pés
- 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):
- Não há líder presente no link
- E sua distância até a linha de retenção é menor ou igual a 50 pés
- E está desacelerando ou está parado
Um veículo em fila deixa o 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 não tem líderes
Ou quando (primeiro veículo na fila):
- Ele sai do link
A análise é feita em uma base link por link. Cada link tem sua própria fila. Se uma fila se estender por vários links, cada um tem uma fila separada que pode se estender no máximo da saída à entrada. Se a fila estiver transbordando do link a jusante, ela deixará simultaneamente o estado de fila do link atual e se juntará ao estado de fila do link a jusante.
Outras definições¶
Um veículo está no seguinte estado quando:
- O espaço 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¶
Calcular as saídas é baseado em determinar o estado de cada veículo em cada intervalo de tempo e realizando os cálculos relevantes. Note que um veículo pode estar tanto parado quanto em fila ao mesmo tempo; neste caso, tanto os cálculos de fila quanto os de parada devem ser atualizados.
Medidas relacionadas a atrasos¶
O atraso do intervalo de tempo é necessário como uma medida intermediária para calcular os três atrasos listados abaixo: É definido para cada veículo e cada intervalo de tempo como: A duração do intervalo de tempo menos o tempo que teria levado para o veículo cobrir a distância percorrida no intervalo à sua velocidade desejada.
Atraso do segmento para cada veículo; a soma dos atrasos do intervalo de tempo enquanto está em um link. Alternativamente, pode ser computado sem acumular intervalos individuais como: tempo de saída, menos tempo de entrada, menos o tempo que teria levado para o veículo percorrer o link à sua velocidade desejada.
Atraso na fila: para cada veículo e cada intervalo de tempo; o atraso do intervalo de tempo se o veículo estiver no estado de fila; caso contrário, 0. É acumulado durante todos os intervalos de tempo enquanto o veículo está em um link.
Atraso parado: para cada veículo e cada intervalo de tempo, é o atraso do intervalo de tempo se o veículo estiver no estado parado; caso contrário, é 0. Então, é acumulado durante todos os intervalos de tempo enquanto está em um link.
Esses fornecem atraso de segmento, atraso na fila e atraso parado para um veículo individual enquanto 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 abordagem de uma interseção semaforizada deve ser determinado com base no atraso da fila, de acordo com os intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | Atraso na fila (s/veh) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 e ≤20 |
| C 3 | >20 e ≤35 |
| D 4 | >35 e ≤55 |
| E 5 | >55 e ≤80 |
| F 6 | >80 ou Q/C>1 |
O LoS para a interseção é baseado na média do atraso da fila das abordagens, ponderado pelo fluxo de cada abordagem, de acordo com os intervalos da mesma tabela.
O LoS para cada abordagem de uma interseção controle de dê preferência ou parada, incluindo uma rotatória, deve ser determinado com base no atraso da fila, de acordo com os intervalos na tabela abaixo. Note que uma interseção é considerada uma abordagem controle de dê preferência ou parada somente quando todas as manobras incluídas no nó têm dê preferência ou parada.
| Nível de Serviço | Atraso na fila (s/veh) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 e ≤15 |
| C 3 | >15 e ≤25 |
| D 4 | >25 e ≤35 |
| E 5 | >35 e ≤50 |
| F 6 | >50 ou Q/C>1 |
A abordagem definida no Capítulo 18 do HCM estende a avaliação da fila retrocedendo da linha de retenção uma distância suficiente para incluir a fila máxima durante o período de estudo. Ao mesmo tempo, o Capítulo 24 do HCM diz que se um atraso for causado por uma fila transbordando de uma interseção a jusante, o atraso é atribuído à abordagem a montante.
Além disso, o HCM apenas inclui abordagens com pelo menos 250 pés (76,2 m) de comprimento, mas essa condição é excluída do algoritmo para capturar todas as abordagens possíveis em uma distância particular máxima. Esta distância máxima de abordagens pode ser editável na aba Estatísticas do Editor de Cenários (por padrão 500m; 1640,42 pés). Além disso, seções que atendem aos critérios de distância no meio de seu comprimento serão incluídas na abordagem.
Portanto, teoricamente, a extremidade a montante de uma abordagem é:
- Máx(comprimento do veículo, Min(vaor da distância do usuário, interseção a montante)).
Aimsun Next executa o processo de construção das abordagens do HCM estendendo abordagens das entradas dos nós semaforizados ou dos nós que não são uma interseção semaforizada, mas que têm sinal de dê preferência ou parada em todas as manobras. As únicas limitações para interromper a seção a montante se espalhando no processo de construção são, se outro nó que atende aos critérios de iniciar novas abordagens for encontrado, ou o critério de distância máxima for alcançado. Além disso, seções internas desses nós onde as abordagens começam, serão descartadas para não alterar as estatísticas do HCM nesses nós (com seções internas sendo definidas como aquelas que estão dentro/entre o mesmo nó).
O LOS para a interseção é baseado na média do atraso da fila das abordagens, ponderado pelo fluxo de cada abordagem, 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 para um veículo individual enquanto 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 o número individual de paradas do veículo e depois dividindo pelo número de veículos que saem do link durante o intervalo.
Medidas relacionadas à densidade¶
A densidade é calculada, a cada intervalo 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 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 a carro de passageiro (PCU) de veículos do tipo \(i\)
A saída para um intervalo de tempo é calculada pela média de todos os intervalos de tempo durante o intervalo.
O LoS para uma seção de rodovia é determinado com base na densidade em carros de passageiros por milha por faixa, de acordo com os intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 11 |
| B 2 | >11 e ≤18 |
| C 3 | >18 e ≤26 |
| D 4 | >26 e ≤35 |
| E 5 | >35 e ≤45 |
| F 6 | >45 ou Q/C>1 |
O LoS para uma seção de entrelaçamento é determinado com base na densidade em carros de passageiros por milha por faixa determinada pelos intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) | |
|---|---|---|
| Rodovias | Rodovias de múltiplas faixas | |
| A 1 | ≤ 10 | ≤ 12 |
| B 2 | >10 e ≤20 | >12 e ≤24 |
| C 3 | >20 e ≤28 | >24 e ≤32 |
| D 4 | >28 e ≤35 | >32 e ≤36 |
| E 5 | >35 | >36 |
| F 6 | Q/C>1 | Q/C>1 |
O LoS para uma junção ou divergência (acesso ou saída) é determinado com base na densidade em carros de passageiros por milha por faixa considerando apenas a rampa e as duas faixas adjacentes à rampa a uma distância de 1500 pés do ponto de junção ou divergência, conforme mostrado abaixo, de acordo com os intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|
| A 1 | ≤ 10 |
| B 2 | >10 e ≤20 |
| C 3 | >20 e ≤28 |
| D 4 | >28 e ≤35 |
| E 5 | >35 |
| F 6 | Q/C>1 |
O LoS para rodovias de múltiplas faixas é determinado com base na velocidade de fluxo livre em mph e na densidade em carros de passageiros por milha por faixa, de acordo com os intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | FFS (mi/h) | Densidade (PCU/mi por faixa) |
|---|---|---|
| A 1 | Todos | ≤ 11 |
| B 2 | Todos | >11 e ≤18 |
| C 3 | Todos | >18 e ≤26 |
| D 4 | Todos | >26 e ≤35 |
| E 5 | 60 | >35 e ≤40 |
| 55 | >35 e ≤41 | |
| 50 | >35 e ≤43 | |
| 45 | >35 e ≤45 | |
| F 6 | 60 | >40 |
| 55 | >41 | |
| 50 | >43 | |
| 45 | >45 |
Medidas relacionadas à fila¶
Uma vez que o estado de fila tenha sido determinado em cada intervalo 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 intervalo de tempo é a posição (medida a partir da linha de retenção) 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 intervalos de tempo durante o intervalo, ou seja, somando os valores para cada intervalo de tempo e depois dividindo pelo número de intervalos de tempo durante o intervalo.
Fim médio da fila durante um intervalo é a média dos valores de fim da fila nos intervalos de tempo durante o intervalo.
Máximo fim da fila durante um intervalo é o máximo entre os valores de fim da fila nos intervalos de tempo durante o intervalo.
Percentagem de transbordo é a fração de tempo durante um intervalo que o fim da fila alcança a entrada da seção.
Percentagem de veículos em fila é, a cada intervalo 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 intervalos de tempo durante o intervalo, ou seja, somando os valores para cada intervalo de tempo e depois dividindo pelo número de intervalos de tempo durante o intervalo.
Outras medidas¶
Percentagem de veículos lentos é, a cada intervalo 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 intervalos de tempo durante o intervalo, ou seja, somando os valores para cada intervalo de tempo e depois dividindo pelo número de intervalos de tempo durante o intervalo.
O LoS para uma seção urbana é determinado com base na velocidade média (como uma porcentagem da velocidade de fluxo livre), de acordo com os intervalos na tabela abaixo.
| Nível de Serviço | Velocidade (% de FFS) |
|---|---|
| A 1 | > 85 |
| B 2 | >67 e ≤85 |
| C 3 | >50 e ≤67 |
| D 4 | >40 e ≤50 |
| E 5 | >30 e ≤40 |
| F 6 | ≤30 ou Q/C>1 |
Aimsun não suporta o Nível de Serviço no caso de Replicações Médias.
Outras diretrizes metodológicas¶
O Capítulo 24 do HCM também fornece outras diretrizes metodológicas:
- O atraso na entrada negada, ou seja, o tempo gasto "aguardando", 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 que se acumulam ao longo do tempo e do espaço devem ser atribuídas ao intervalo de tempo e ao link em que ocorrem, não importa se a causa está em algum ponto distante a jusante e começou em um intervalo passado.
O Capítulo 24 também fornece algumas diretrizes para os usuários seguirem:
-
Os limites espaciais e temporais do domínio da análise devem incluir um período que esteja livre de congestionamento em todos os lados.
-
A rede deve ser devidamente aquecida e estável antes que as medidas de LoS sejam feitas. O Aimsun Next fornece um meio de especificar um período de aquecimento no Editor de Experimentos.
-
Devido à variação estocástica em um modelo de microsimulação, as medidas de desempenho devem ser calculadas em média em várias execuções; o número de execuções n necessário para produzir 95% de confiança em alcançar um erro máximo tolerável
onde
-
\(E_t\) é o erro máximo tolerável
- \(s\) é o desvio padrão da amostra