Modelagem de Tráfego Meso

A principal diferença entre a abordagem mesoscópica e microscópica é o uso de eventos discretos para simular os movimentos dos veículos através da rede em vez da simulação de passos de tempo discretos. Com esta exceção, a maioria dos módulos e conceitos no Aimsun Next são compartilhados entre a simulação mesoscópica e microscópica. Por exemplo, o processo de entrada de veículos, dados de demanda de tráfego, geometria da rede, dados de veículos e plano de controle são comuns a ambos os modos.

Processo de Entrada de Veículos

O processo de geração de tráfego determina os tempos de intervalo para cada veículo. Esses intervalos são usados para gerar os veículos que entrarão usando o carregamento dinâmico da rede. Os veículos entram na rede através de centróides de origem, onde um centróide de origem pode estar conectado a uma seção ou a um nó. A estrutura da rede para ambas as situações é representada na captura de tela abaixo.

Em ambos os casos, os veículos entram em seções ou curvas virtuais e entram na rede real quando o servidor do nó considera que há espaço suficiente na rede. Todos os veículos sempre entram no modelo através de uma seção virtual ou uma curva virtual.

Modelagem do Movimento de Veículos

O movimento dos veículos é dividido em dois modelos:

• Modelagem do movimento de veículos em seções
  • Seguir veículos
  • Troca de faixa
• Modelagem do movimento de veículos em nós (Modelo de Nó)
  • Modelagem do movimento de veículos em curvas
  • Modelagem do movimento de veículos de seções para curvas
    • Aplicar modelo de aceitação de intervalo
    • Aplicar modelo de seleção de faixa

Os elementos da rede são aqueles objetos que estão presentes em todas as redes. No Aimsun Next, existem seções e curvas que conectam duas seções, e nós, que são contêineres de curvas. Na representação da rede mesoscópica, os nós são interpretados como nós mesoscópicos na representação da rede mesoscópica.

No Aimsun Next, assume-se que os veículos se movem através de seções e curvas, de modo que seções e curvas tornam-se contêineres de veículos. Uma consequência direta disso é que todos os nós são considerados como não caixas amarelas. A capacidade SectionCapacity, em termos do número de veículos que podem ser contidos a qualquer momento em uma seção, é calculada usando o parâmetro de densidade de congestionamento e o comprimento da seção.

  SectionCapacity = JamDensity * Length * NumberLanes

onde

• JamDensity é o Parâmetro de Densidade de Congestionamento definido nas seções de via
• Length é o comprimento da seção, considerando coordenadas 3D
• NumberLanes é o número total de faixas em uma seção, considerando acesso e egressos

A capacidade de curva TurnCapacity é calculada de maneira semelhante:

  TurnCapacity = JamDensity * Length * NumberLanes

• JamDensity é o parâmetro de Densidade de Congestionamento da seção de origem
• Length é o comprimento da curva, considerando coordenadas 3D
• NumberLanes é o número total de faixas de destino

Os modelos de seguir veículos e troca de faixa são aplicados para calcular o tempo de viagem da seção. Este é o tempo mais cedo que um veículo pode alcançar o final da seção, levando em conta o estado atual da seção (número de veículos na seção). A modelagem dos movimentos dos veículos em seções no simulador mesoscópico é baseada no trabalho de Mahut (1999a, 1999b, 2001).

A capacidade máxima (veh/h) por faixa pode ser calculada a partir de três parâmetros de entrada: velocidade, densidade de congestionamento e tempo de reação. A velocidade é calculada usando a velocidade desejada do veículo, o limite de velocidade da seção e a aceitação do limite de velocidade. A densidade de congestionamento é a densidade de congestionamento da seção e o tempo de reação é o tempo de reação do veículo, definido no experimento, multiplicado pelo fator de tempo de reação.

Fator de Tempo de Reação

O fator de tempo de reação pode ser definido tanto em seções quanto em curvas. O fator de tempo de reação da seção é usado nas seguintes situações:

• Controle de fluxo, ao mudar de vermelho para verde.
• Modelo de seleção de faixa para selecionar a faixa de partida.
• Modelo de seguir veículos para calcular os tempos de entrada da seção intermediária no caso particular de seções que são cortadas internamente para os cálculos do modelo, por exemplo, quando há acessos ou incidentes.
• No modelo de seguir veículos, o tempo de reação do líder do veículo também é usado para calcular um intervalo mínimo com este líder. Nesse cálculo, o fator de tempo de reação da seção também é aplicado.
• Estatísticas de fila, para calcular as estatísticas da fila, o tempo de reação do veículo é usado para calcular o tempo de espera na fila. Nesse cálculo, o fator de tempo de reação da seção é aplicado. Veja em Comprimento de Fila Mesoscópica como os veículos são considerados em fila.

O fator de tempo de reação da curva é usado nas seguintes situações:

• Semáforos, ao mudar de vermelho para verde.
• Seguir veículos – quando o veículo está na curva, o fator de tempo de reação da curva é usado para calcular os tempos de saída do nó das outras curvas que têm conflito espacial com a curva, e também é usado para calcular o tempo de entrada quando o veículo está prestes a entrar na próxima seção.

Modelo de Nó

O simulador mesoscópico Aimsun Next é baseado em um modelo de nó que movimenta os veículos de uma seção para a próxima seção de seu trajeto. Este modelo contém quatro classes de ações que são calculadas em todos os nós:

• Atender seções. Isso calcula o próximo veículo a entrar no nó. Isso é feito aplicando o modelo de dê preferência e usando os tempos de saída da seção calculados pelos modelos de seguir veículos e troca de faixa. Uma vez que um veículo foi identificado como o próximo a entrar no nó (seção de saída), todos os tempos de saída de veículos posteriores afetados por este veículo são atualizados.

Ao fazer isso, garantimos que todos os atrasos produzidos pela congestão a jusante sejam propagados para os veículos a montante. A simulação mesoscópica é baseada em eventos, portanto, há um evento relacionado a essa ação ou mudança de estado da rede. O evento diz respeito ao próximo veículo a entrar no nó a partir de qualquer uma de suas seções de entrada. Este evento é chamado de "evento de nó a partir da seção".

• Processando a saída de veículos da seção usando o evento de nó da seção: Quando um evento de nó de uma seção é processado, as ações são:
  • Calcular o tempo de viagem do veículo na curva. Este cálculo é feito sob a suposição de que mudanças de faixa não são permitidas em nenhuma circunstância dentro dos nós. Portanto, este tempo de viagem é sempre considerado em condições de fluxo livre.
  • Atualizar o veículo mais distante
    • Aplicar o modelo de seleção de faixa. Este é o modelo usado pelo Aimsun Next para calcular as faixas de origem e destino durante o movimento da seção. Isso usa o modelo de faixas alvo válidas.
    • Uma vez que as faixas de origem e destino são conhecidas, o tempo de viagem do veículo é calculado aplicando os modelos de seguir veículos e troca de faixa.

• Atender curvas. Este servidor calcula o próximo veículo a sair do nó. Para obter este veículo, o tempo de saída da curva e as condições da seção a jusante do veículo são levadas em conta. Uma vez selecionado um veículo, um novo evento chamado "evento de nó a partir da curva" é agendado.

• Processando a saída dos veículos de um nó usando o evento de nó da curva.

  • Mover o veículo previamente identificado para sua próxima seção a jusante e colocar este veículo em fila para sua faixa de partida. Aplicar o modelo de troca de faixa para calcular o atraso devido à troca de faixa e calcular o tempo mais cedo que esse veículo alcançará o final da seção.

Modelo de Dê Preferência

O modelo de dê preferência é usado para modelar comportamentos de dê preferência. Em particular, o modelo é utilizado ao resolver eventos de nó para decidir qual dos dois veículos em um movimento de conflito tem prioridade. As capturas de tela a seguir mostram alguns exemplos de movimentos em conflito.

O modelo de dê preferência é aplicado apenas nos primeiros e segundos exemplos nas capturas de tela anteriores. No terceiro exemplo, os veículos não têm nenhum sinal de dê preferência ou de parada, então o modelo não é aplicado e a regra do primeiro a chegar, primeiro a sair (FIFO) é aplicada usando os tempos de demanda de veículos correspondentes. Note que o tempo de demanda do veículo é o tempo em que o veículo está pronto para se mover para a próxima curva.

O modelo geral é conforme ilustrado abaixo.

O modelo de dê preferência usado na abordagem mesoscópica é uma simplificação do modelo de dê preferência usado pelo simulador microscópico. O modelo leva em conta os tempos de demanda dos veículos que estão se aproximando do movimento de conflito. Os tempos de demanda são usados para calcular o intervalo necessário para um veículo com uma restrição de dê preferência entrar no nó. Na próxima captura de tela, o veículo vermelho deve ceder passagem ao veículo azul.

Deixe \(TD_R\) ser o tempo de demanda do veículo vermelho. Esta é a estimativa de tempo atual para o veículo vermelho entrar no nó. Deixe \(TD_B\) ser o tempo de demanda do veículo azul. Esta é a estimativa de tempo atual para entrar no nó com o movimento de conflito.

Se não houver veículo nas seções de entrada imediatas ao nó de conflito, o modelo procura veículos a montante até que uma distância máxima seja alcançada. Na segunda captura de tela abaixo, a seção principal 1 está vazia, então o modelo observa sua seção a montante, que neste caso é a seção principal 2. O valor de \(TD_B\) agora leva em conta o tempo de demanda da seção azul na seção principal 2 e, em seguida, calcula o tempo de viagem da seção principal 1, em fluxo livre, para calcular o \(TD_B\). Somente veículos na corrente principal com trajetórias que estão em conflito com o veículo vermelho são considerados.

Neste exemplo, se o veículo azul fizer a curva à direita em vez de seguir em frente, o veículo vermelho não precisará ceder. A distância que o modelo olha a montante pode ser definida no tipo de via ou editor de curva e é chamada de Visibilidade na corrente principal: veja o Editor de Tipo de Via ou Editor de Curva.

Uma vez que \(TD_R\) e \(TD_B\) tenham sido calculados, o intervalo é (\(TD_B\) - \(TD_R\)). Isso é usado para decidir se o veículo vermelho precisa ceder ou não. O tempo de espera do veículo vermelho é usado para calcular o intervalo máximo usando a função na próxima captura de tela. Isso mostra como o intervalo necessário muda em função do tempo de espera de um veículo. Se o intervalo estiver na área sombreada de azul, então o veículo vermelho pode passar pelo nó; caso contrário, ele terá que parar e não poderá entrar no nó.

A margem de segurança inicial, margem de segurança final e fator de tempo de dê preferência podem ser alterados no tipo de via ou nos parâmetros da curva. Inicialmente, o veículo deve esperar na seção menor até que tenha um intervalo maior que a margem de segurança inicial. Uma vez que ele tenha esperado até o tempo máximo de dê preferência do veículo multiplicado pelo fator de tempo de dê preferência, o intervalo mínimo necessário para fazer o movimento é reduzido para a margem de segurança final.

Modelo de Seleção de Faixa

Este modelo é usado para calcular as faixas de origem e destino. Como descrito no modelo de nó, esses cálculos são feitos durante o tratamento do evento "Evento de Nó a Partir das Seções", que ocorre antes que o veículo entre na curva.

O simulador mesoscópico calcula um movimento padrão a partir de todas as faixas de saída no início da simulação. Isso significa que, de cada faixa em uma seção, há uma faixa padrão seguinte para cada curva. Por exemplo, no modelo de Previsão Meso (veja abaixo), o veículo vermelho que está em sua faixa mais à esquerda terá como sua próxima faixa padrão a faixa mais à esquerda de sua próxima seção.

Para calcular os conectores dentro da curva, o simulador mesoscópico usa as mesmas heurísticas internas utilizadas pelo simulador microscópico. O modelo de escolha da próxima faixa para o simulador mesoscópico, então, utiliza mais duas heurísticas para decidir o movimento da próxima faixa:

• Usando o status da próxima seção.
• Usando o modelo de faixas alvo válidas.

A partir da escolha padrão de faixa, o simulador mesoscópico procura a melhor faixa de entrada de todas as faixas de destino da curva. Esta é uma grande diferença entre a simulação microscópica e mesoscópica, já que o simulador microscópico apenas procura um subconjunto de todas as faixas de destino.

Para alterar a escolha padrão da faixa, o Aimsun Next leva em conta a densidade de todas as faixas e o custo de mudar a escolha padrão da faixa. Também considera os conectores da curva e, inicialmente, seleciona o conector com a distância mínima. O exemplo na próxima captura de tela mostra onde a curva (537 a 605) está totalmente conectada de todas as faixas de origem a todas as faixas de destino, e a faixa 1 está conectada a [1,2,3] e a faixa 2 está conectada a [4,5]. Por padrão, a próxima faixa de entrada é a faixa 3 porque é o conector com a distância mínima. A distância é calculada usando uma linha reta do ponto A ao ponto B.

Para cada curva, há uma fila para cada faixa de destino. A capacidade dessas filas é a densidade de congestionamento da seção de origem multiplicada pelo comprimento da curva.

Se a fila para a faixa 3 estiver cheia, então o simulador tentará com a faixa 2, selecionando as escolhas de faixa em ordem de distância crescente.

Alternativamente, para alterar a escolha padrão da faixa, aplique o modelo de faixas alvo válidas. O modelo de faixas alvo válidas implementado no simulador mesoscópico usa a mesma abordagem utilizada na simulação microscópica.

Previsão

Até agora, a suposição tem sido que um veículo considera apenas suas próximas duas curvas.

No exemplo acima, o veículo vermelho está usando as curvas azul e verde para determinar as faixas de origem e saída para a seção final. Isso significa que o modelo de seleção de faixa é baseado nas duas curvas que precedem a seção final.

Em algumas situações, como em redes urbanas onde há seções curtas, ou em rodovias onde as seções de mudança são relativamente curtas, os veículos levarão em conta os movimentos de curva a jusante em sua decisão de detecção de faixa.

A faixa padrão, quando há um intervalo restrito de faixas de entrada devido a um conflito de curva, é a faixa mais próxima da faixa padrão original.

Como ilustrado, a faixa de possíveis faixas de entrada para a seção final (em verde) pode diferir dependendo da faixa de entrada da seção a jusante.

Quando há múltiplas faixas possíveis, uma penalidade é calculada para cada faixa. A função de penalidade é baseada no número de mudanças de faixa necessárias para alcançar a faixa alvo e as densidades observadas em cada faixa da seção. Existem duas penalidades opcionais que podem ser definidas para cada seção:

• Penalizar faixas compartilhadas. Quando essa opção está marcada, uma penalidade é adicionada para aquelas faixas que pertencem a curvas diferentes.

• Levar em conta faixas rápidas/lentas. Esta opção favorece tipos de veículos rápidos usando faixas rápidas e tipos de veículos lentos usando faixas lentas.

Ambas as penalidades são as mesmas que as utilizadas para penalizar o número de mudanças de faixa. Uma vez que uma penalidade é calculada para cada faixa, a faixa com a penalidade mínima é selecionada. Se houver múltiplas faixas com a mesma penalidade mínima, a faixa é selecionada aleatoriamente.

Simulação Mesoscópica: Sementes Aleatórias

Para ter mais controle sobre a aleatoriedade e variabilidade do simulador mesoscópico nas simulações DUE e SRC, cinco sementes diferentes podem ser definidas independentemente. Isso possibilita a simulação de diferentes repetições com, por exemplo, a geração de diferentes veículos particulares, mas com os mesmos veículos de Transporte Público. Essas sementes podem ser configuradas na aba de Atributos do editor de resultados.

• Transporte Público: Esta semente é usada na geração dos veículos de Transporte Público. Ela controla os tempos de geração de veículos e os tempos de parada nos pontos de ônibus.
• Gestão de Tráfego: Esta semente é usada por ações de gestão de tráfego.
• Atribuição de Veículos: Esta semente é usada pelo processo de atribuição de veículos para selecionar o caminho de cada veículo.
• Geração de Veículos: Esta semente é usada pelo processo de geração de veículos para carros particulares para atribuir parâmetros de veículos. Os tempos de geração dos veículos, conforme os veículos são liberados na simulação, dependem da semente aleatória geral.

Para cada semente, se o valor for definido como 0, então o número aleatório é retirado da semente aleatória geral que é definida na aba principal do editor de resultados.

Uma vez que esse recurso está disponível tanto em mesoscópico quanto microscópico, ele também pode ser aplicado em híbrido meso-micro.

Comportamento de Acesso Mesoscópico

Para modelar acessos, a simulação mesoscópica divide a seção com o acesso em diferentes segmentos. Por exemplo, a seção de via a seguir possui dois segmentos internos; o primeiro segmento tem três faixas e um comprimento de 100 metros e o segundo segmento tem duas faixas e 300 metros de comprimento.

Internamente, duas seções são criadas como mostrado abaixo.

Aqui, em vez de um acesso ser parte da seção, o acesso é implementado como duas seções diferentes conectadas com um nó. O comportamento será diferente porque, no segundo caso, há um nó e uma curva. Por definição, todas as curvas têm uma capacidade mínima de um veículo, então no segundo caso os veículos se moverão da primeira seção à esquerda para a curva, e depois da curva para a próxima seção à direita. Em geral, no entanto, é mais conveniente modelar acessos codificando-os como no primeiro exemplo.

Existem dois parâmetros que você pode usar para calibrar o comportamento do modelo de acesso mesoscópico: Intervalo de Cooperação e Intervalo de Mescla.

• Intervalo de Cooperação: É a quantidade de tempo (em segundos) que os veículos da via principal forçarão a ter como intervalo sempre que veículos de mescla da faixa lateral (acesso) estiverem presentes. Isso é para facilitar a incorporação do tráfego. O único veículo que será atrasado é o veículo na primeira faixa da via principal adjacente ao acesso.

• Intervalo de Mescla: É o intervalo mínimo que os veículos na faixa lateral (acesso) buscam para mesclar-se na via principal.

Comprimento de Fila Mesoscópica

O comprimento da fila em um modelo mesoscópico é o número médio de veículos que têm um atraso, ponderado com a quantidade de atraso que cada veículo experimenta. Em um modelo mesoscópico, um veículo move-se a sua velocidade desejada ou está parado no final de uma seção. O veículo experimenta o atraso acumulado no final da seção. Isso inclui o atraso de outros veículos esperando à frente, semáforos e dos conflitos de curvas opostas. Portanto, quando um veículo viaja através de uma seção ou curva, o tempo que um veículo permanece no servidor de fila é definido como o tempo gasto em fila.