Simulador Híbrido Meso–Micro

Introdução

Modelagem de tráfego é frequentemente usada para modelar grandes sistemas complexos que requerem diferentes abordagens de simulação em diferentes áreas. A área mais ampla pode ser modelada com dinâmica de veículo simplificada, enquanto áreas menores requerem simulação mais detalhada. Barceló et al (2005) discutem isso do ponto de vista metodológico, enquanto Alexiadis (2007) discute do ponto de vista prático.

Um exemplo da necessidade de uma simulação híbrida combinando uma simulação mesoscópica para grande parte da área com uma microsimulação mais detalhada em áreas críticas é mostrado aqui, onde o estudo se concentra na área central congestionada, mas veículos que passam por essa área podem desviar para evitá-la. Uma análise completa deve incluir o efeito dessa escolha de rota.

Neste exemplo, a área central congestionada é modelada com microsimulação enquanto o restante da rede é modelada com simulação mesoscópica. Um veículo viajando de Origem i para Destino j é simulado mesoscopicamente até chegar ao limite do modo de simulação, quando é transferido para um modelo de microsimulação antes de retomar o restante da viagem em modo mesoscópico. Como o modelo mesoscópico Aimsun Next é baseado em veículos individuais, assim como na microsimulação, uma viagem de veículo particular pode ser modelada em ambos os modos e transferida entre os modos conforme necessário. Se o veículo entrar na área de microsimulação, ele é simulado microscopicamente; se sua escolha de rota evitar essa área, então ele é simulado em modo mesoscópico durante toda a sua trajetória.

Crucialmente, a mesma representação de rede e as mesmas informações de fluxo, velocidade e atraso são utilizadas em ambos os modos de simulação, compartilhadas em um banco de dados comum. Decisões de escolha de rota, por exemplo, são, portanto, consistentes entre os dois modos de simulação.

Processo de Simulação Híbrida Meso–Micro

Para que um modelo híbrido funcione, o modelo meso e os modelos micro devem trocar informações sobre veículos. Existem três classes de informação:

• Atributos e estatísticas de veículos
• Caminhos dos veículos
• Condições da rede nos limites.

No Aimsun Next, essas informações são trocadas através de dois módulos gerais:

• Servidor DTA O servidor DTA garante a consistência dos caminhos dos veículos pela rede.
• Simulador Híbrido Garante consistência nos limites. Existem dois tipos diferentes de limites:
  • Pontos de entrada representados por centroides: Onde os veículos são gerados usando a distribuição de chegada específica definida pelo usuário. Veja o processo de geração de tráfego.
  • Nós de limite: Nestes nós de limite, os veículos nas seções a montante utilizam diferentes modelos de rede dinâmica em relação às seções a jusante. Por exemplo, na seção a montante, um veículo é controlado por um modelo mesoscópico enquanto na seção a jusante o veículo é controlado por um modelo microscópico.

Os nós de limite transferem veículos de um modelo para o outro de forma semelhante à que os veículos são gerados por centroides, mas nesses casos as filas virtuais representam seções de via modeladas em vez das áreas não modeladas fora dos limites do modelo.

Ambos os modelos também devem ser sincronizados. Como a abordagem mesoscópica utiliza uma abordagem orientada a eventos e a abordagem microscópica utiliza uma abordagem de simulação de tempo discreto, um módulo de relógio geral é usado para gerar eventos de sincronização para o modelo mesoscópico que atualizará essa parte da rede. A figura abaixo mostra a sequência de eventos em uma simulação híbrida. O lado micro mostra os passos de tempo da microsimulação. O lado meso mostra os eventos mesoscópicos "normais" em laranja e os eventos de sincronização quando os veículos se moverão na microsimulação em azul.

Modelagem do Movimento de Veículos Híbridos Meso–Micro

Veículos se movem através de áreas meso e micro de acordo com os modelos locais documentados nas seções sobre Microsimulação e Simulação Mesoscópica. O fator importante no simulador híbrido é como os limites são modelados.

Meso para Micro

Para transferir veículos da área mesoscópica para a área microscópica, o simulador híbrido Aimsun Next adota a mesma abordagem que é utilizada para decidir se um veículo pode entrar na rede durante uma microsimulação.

O seguinte algoritmo é utilizado para transferir veículos das áreas mesoscópica para a microscópica.

If (IsThereSpace) then 
    t = GetArrivalTime
    Schedule a mesoscopic node event from turn at time t
Else 
    Schedule a revision for space at time t + SimulationStep
Endif

O processo para determinar se há espaço "IsThereSpace" é explicado na Seção de Modelagem de Microsimulação: Entrada de Veículo. A função GetArrivalTime aplica o modelo microscópico de seguimento de veículo para obter o primeiro momento em que um veículo pode entrar na seção. O agendamento de um evento de nó a partir da curva é explicado na Seção do Modelo de Nó Mesoscópico.

Micro para Meso

Para transferir veículos da área microscópica para a área mesoscópica, o simulador híbrido Aimsun Next utiliza o momento em que um veículo sai da última curva microscópica como tempo de entrada do veículo na primeira seção mesoscópica. Um veículo na área microscópica é então dado um líder na área mesoscópica, para que possa aplicar o modelo normal de seguimento de veículo e manter um comportamento realista à medida que se aproxima do limite. Portanto, o simulador híbrido cria veículos fictícios cuja velocidade e posição são calculadas com base em um diagrama fundamental de densidade-fluxo triangular usando o procedimento descrito abaixo.

No exemplo, o veículo 1 em uma área microscópica está aplicando um modelo de seguimento de veículo com o veículo 1* e o veículo 2 está aplicando um modelo de seguimento de veículo com o veículo 2*.

O algoritmo para determinar a velocidade e a posição dos veículos fictícios primeiro avalia a densidade crítica (\(K_{crit}\)) onde o fluxo máximo é atingido e o fluxo muda de fluxo livre para congestão. Este valor é então usado para determinar se a posição do veículo fictício é calculada a partir da seção e dos parâmetros do veículo ou se se assume que o veículo fictício não tem efeito real ( Velocidade = velocidade de fluxo livre, Posição = ∞ )

O valor \(K_{crit}\) é calculado usando a seguinte equação:

onde:

• \(V\) é a velocidade de fluxo livre
• \(R\) é o tempo de reação do veículo
• \(K_{jam}\) é o parâmetro de densidade máxima para a seção definido no Editor de Seções

O algoritmo então utilizado para determinar a velocidade e a posição dos veículos fictícios é o seguinte:

onde

• DensidadeFaixaMeso é a densidade de faixa modelada atual da seção

Áreas de Microsimulação

Áreas que devem ser simuladas com microsimulação são criadas com polígonos que são convertidos em Áreas de Simulação e são ativadas no escopo da microsimulação, que é documentada na aba de experimento híbrido.

Os comportamentos híbridos são configurados na Aba de Comportamento do Editor de Experimentos.

Os tempos de reação híbridos são configurados na Aba de Tempos de Reação do Editor de Experimentos.