Modelagem do Movimento de Veículos¶

O processo de movimentação de veículos em um modelo de microsimulação é descrito nas seguintes seções, listadas abaixo.

Entrada de Veículos ¶

Chegadas¶

A Matriz OD ou o Estado de Tráfego especificado no objeto de Demanda de Tráfego descreve quantos veículos entrarão na rede de simulação em cada conexão de cada centróide. Os algoritmos de Chegada controlam quando esses veículos chegam à simulação e os intervalos entre eles. Os algoritmos de chegada são Exponencial, Uniforme, Normal, Constante, Externa e ASAP e estão documentados na seção de Algoritmo de Chegada.

Entrada¶

O cálculo para determinar se há espaço suficiente para um veículo entrar na rede utiliza os parâmetros da seção de entrada, os parâmetros do último veículo (o líder) que entrou na seção de entrada e os parâmetros do veículo que está tentando entrar.

Parâmetros da seção de entrada:

o Limite de Velocidade (MaxSectionSpeed).

Parâmetros do veículo líder:

a posição atual (Pos) do veículo.
a velocidade atual (Speed) do veículo.
a desaceleração normal (MaxDecel) para o tipo de veículo.
a extensão (L) para o tipo de veículo.
a distância de frenagem do líder definida como a distância necessária para parar aplicando a desaceleração máxima:

Os parâmetros do veículo que está tentando entrar:

a Velocidade Máxima Desejada Média (MaxSpeed).
a Aceitação da Limite de Velocidade Média (θ).
a Desaceleração Máxima Média (MaxDecel).
A velocidade máxima desejada na seção de entrada definida como:

a distância de seguimento mínima entre este veículo e o líder
a distância de frenagem do veículo que está entrando definida como a distância necessária para parar aplicando a Desaceleração Normal:

O espaço possível para entrar (PH: Intervalo Possível) é então definido como:

e o espaço requerido (MinDistEnter) é a distância de frenagem para o veículo que está entrando. Portanto, para entrar com segurança, a lógica é:

if (PH >= MinDistEnter) then 
    O veículo tem espaço suficiente
Else
    O veículo não tem espaço suficiente
Endif

Para posicionar o veículo na rede, o tempo e a posição de entrada são derivados da seguinte maneira.

O tempo \(t_d\) necessário para percorrer a distância \(d\) é:

Portanto, o tempo de entrada \(t_{real}\) é definido por:

onde:

\(t_e\) é o tempo de entrada teórico
\(t\) é o tempo de simulação
\(cycle\) é o passo de simulação

Quando o tempo de entrada é conhecido, a posição de entrada é então definida por:

Filas Virtuais de Entrada ¶

Quando a entrada de um veículo é programada pelo Algoritmo de Chegada, mas não há espaço suficiente para entrar, o veículo é colocado em uma fila virtual para essa seção. Isso é mostrado na Aba de Filas Virtuais do Editor de Seções. A definição de filas virtuais de entrada depende da geração de tráfego e do algoritmo de chegada usado para introduzir veículos na simulação.

Se a demanda de tráfego for definida como um Estado de Tráfego:

Modelo de geração de tráfego- Exponencial, Uniforme, Normal e Constante: A fila virtual de entrada é definida como uma lista de tipos de veículos. O processo de entrada consiste em pegar o primeiro elemento da lista e gerar o veículo. Se o tamanho da lista for maior que um valor definido, o Aimsun Next dá uma mensagem de aviso.
```
Um exemplo de fila virtual para uma seção de entrada pode ser
Car     Car     Bus     Taxi    Car Truck   Car ...
```
Modelo de geração de tráfego- ASAP: A fila virtual de entrada é definida como uma lista de elementos, onde cada elemento representa um tipo de veículo e o número de veículos desse tipo aguardando entrada. O processo de entrada pega um veículo selecionado aleatoriamente da lista preservando o ratio de tipos de veículos.
```
Um exemplo de uma fila virtual para uma seção de entrada pode ser:
    Tipo de Veículo        Número de Veículos      
    -------------       ------------
    Car                 10
    Bus                 2
    Taxi                4
    ...                 ...
    Truck               2
```

Se a demanda de tráfego for definida como uma Matriz OD

Modelo de geração de tráfego- Exponencial, Uniforme, Normal e Constante: A fila virtual de entrada é definida como uma lista de elementos, onde cada elemento representa o identificador do tipo de veículo, sua origem e seu destino. O processo de entrada pega o primeiro elemento da lista e gera o veículo. Se o tamanho da lista for maior que um valor definido, o Aimsun Next dá uma mensagem de aviso.

Um exemplo de uma fila virtual para uma seção de entrada pode ser:
    -------     -------     --------    -------     --------    --------    --------    ------
    Car         Car         Bus         Taxi        Car         Truck       Car         ...
    De 1       De 1        De 4        De 1        De 1        De 1        De 1      ...
    Para 2     Para 3     Para 2     Para 2      Para 2      Para 2      Para 3    ...

Modelo de geração de tráfego- ASAP: Não há fila virtual de entrada, pois os veículos são gerados na simulação assim que há espaço para eles.

Modelos Comportamentais ¶

Durante sua jornada pela rede, os veículos são atualizados de acordo com modelos de comportamento de veículos: "Seguimento de Carros" e "Mudança de Faixa". Os motoristas tendem a viajar na velocidade desejada em cada seção, mas o ambiente (ou seja, o veículo à frente, veículos adjacentes, semáforos, sinais, bloqueios, etc.) condicionará seu comportamento.

O tempo de simulação é dividido em pequenos intervalos de tempo chamados ciclos de simulação ou etapas de simulação (t). Este valor pode ser definido dentro da faixa (0,1 ≤ t ≤ 1,5 segundos). A cada ciclo de simulação, a posição e a velocidade de cada veículo na rede são atualizadas de acordo com o seguinte algoritmo:

if (necessário mudar de faixa) then
    Aplicar Modelo de Mudança de Faixa
endif
Aplicar Modelo de Seguimento de Carros

Uma vez que todos os veículos tenham sido atualizados para o ciclo atual, os veículos programados para chegar durante esse ciclo são introduzidos no sistema e os próximos horários de chegada dos veículos são gerados.

Modelo de Seguimento de Carros ¶

Primeiro, alguns termos são definidos na teoria do fluxo de tráfego para descrever as posições relativas dos veículos medidas em tempo e distância.

Intervalo: O tempo entre o parachoque dianteiro de um veículo e o parachoque dianteiro do veículo seguinte
Espaço: O tempo entre o parachoque traseiro de um veículo e o parachoque dianteiro do veículo seguinte
Distância: O espaço entre o parachoque dianteiro de um veículo e o parachoque dianteiro do veículo seguinte
Desvio: O espaço entre o parachoque traseiro de um veículo e o parachoque dianteiro do veículo seguinte

Esses termos serão utilizados na descrição do comportamento do veículo a seguir.

O modelo de seguimento de carros implementado no Aimsun Next é baseado no modelo Gipps (Gipps 1981 e 1986b). Foi desenvolvido incluindo parâmetros do modelo que não são globais, mas determinados pela influência de parâmetros locais dependendo do "tipo de motorista" (aceitação do limite de velocidade do veículo), a geometria da seção (limite de velocidade na seção, limites de velocidade nas curvas, etc.), a influência de veículos em faixas adjacentes, etc.

Consiste em dois componentes, aceleração e desaceleração. O primeiro representa a intenção de um veículo de atingir uma certa velocidade desejada, enquanto o segundo reproduz as limitações impostas pelo veículo à frente ao tentar dirigir na velocidade desejada. Este modelo afirma que a velocidade máxima que um veículo (n) pode acelerar durante um período de tempo (t, t+dt) é dada por:

onde:

\(V_a(n,t)\) é a velocidade do veículo n no tempo t;
\(V*(n)\) é a velocidade desejada do veículo (n) para a seção atual;
\(a(n)\) é a aceleração máxima para o veículo n;
\(dt\) é o ciclo de simulação;

Ao mesmo tempo, a velocidade máxima que o mesmo veículo \((n)\) pode alcançar durante o mesmo intervalo de tempo \((t, t+dt)\), de acordo com suas próprias características e as limitações impostas pela presença do veículo líder (veículo \(n-1\)) é:

onde:

\(d(n)\) (< 0) é a desaceleração normal do veículo n;
\(x(n,t)\) é a posição do veículo n no tempo t;
\(x(n-1,t)\) é a posição do veículo líder (n-1) no tempo t;
\(s(n-1)\) é o comprimento efetivo do veículo (n-1);
\(d'(n-1)\) é uma estimativa da desaceleração normal do veículo (n-1);
\(T\) é o tempo de reação.

A velocidade do veículo n durante o intervalo de tempo \((t, t+dt)\) é então o mínimo dessas duas velocidades

A posição do veículo n na faixa atual é, então, atualizada utilizando a integração da velocidade. As fases de aceleração e desaceleração são integradas usando diferentes métodos. A fase de aceleração é integrada usando o método do retângulo correspondente à seguinte equação:

enquanto a integração da fase de desaceleração utiliza o método do trapézio seguindo essa equação:

A estimativa da desaceleração do líder é uma função do parâmetro Fator de Sensibilidade α definido por tipo de veículo. O modelo é, então:

Quando α é < 1, o veículo subestima a desaceleração do líder e, como consequência, o veículo se torna mais agressivo, diminuindo o espaço à sua frente.

Quando α é maior que 1, o veículo superestima a desaceleração do líder e, como consequência, o veículo se torna mais cauteloso, aumentando o espaço à sua frente.

O modelo também inclui o intervalo mínimo entre líder e seguidor como uma restrição do componente de desaceleração. Essa restrição é aplicada antes de atualizar a posição X(n,t+T).

A restrição de intervalo mínimo é definida como:

Se

então

onde:

x(n,t) é a posição do veículo n no tempo t;
x(n-1,t) é a posição do veículo líder (n-1) no tempo t;
MinHW(n) é o intervalo mínimo do veículo (n) entre ele e o veículo (n+1).

Note que o intervalo é utilizado nesta fórmula. Anteriormente, o espaço foi utilizado e isso foi corrigido aqui.

Modelo Modificado para Rodovias Congestionadas ¶

A velocidade prevista pelo modelo de seguimento de carros de Gipps em alta densidade não corresponde às velocidades observadas em condições de congestionamento em rodovias. Um modelo modificado é utilizado para ajustar a dependência da velocidade em função da densidade. Isso é alcançado alterando a dependência da distância interveicular (Desvio) em função da velocidade que é simplesmente linear no modelo de Gipps.

A equação de Gipps para o desvio entre veículos é:

que é transformada para:

e

Com velocidade constante e desaceleração máxima, isso se simplifica para:

O efeito sobre o desvio e o fluxo é mostrado abaixo.

Isso foi testado em uma rede onde a densidade do tráfego foi aumentada ao ponto em que a quebra do fluxo foi observada.

O parâmetro a é definido pelo tipo de veículo e cada carro, quando gerado, recebe um valor para a que mantém enquanto estiver na simulação. Como o efeito de a é diferente em aceleração e desaceleração, há uma opção para usar +a em aceleração e -a em desaceleração. Portanto, se a for positivo, o desvio entre veículos será maior durante a aceleração do que na desaceleração para a mesma velocidade.

Cálculo da Velocidade de um Veículo em uma Seção ¶

O modelo de seguimento de carros é tal que um veículo líder, ou seja, um veículo dirigindo livremente, sem qualquer veículo afetando seu comportamento, tentaria dirigir em sua velocidade máxima desejada. Três parâmetros são utilizados para calcular a velocidade máxima desejada de um veículo enquanto dirige em uma seção ou curva particular:

Máxima velocidade desejada do veículo \(i\): \(v_{max}(i)\)
Aceitação do limite de velocidade do veículo \(i\): θ\((i)\)
Limite de velocidade da seção ou curva \(s\): \(S_{limit}(s)\)

O limite de velocidade para um veículo i em uma seção ou curva s é calculado como:

A velocidade máxima desejada do veículo i em uma seção ou curva s é calculada como:

Essa velocidade máxima desejada \(V_{max}(i,s)\) é a mesma que a referida acima, no modelo de seguimento de carros de Gipps, como V*(n)

O Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas ¶

O Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas: Absoluto¶

O objetivo do modelo de seguimento de dois carros é incluir a influência dos veículos em faixas adjacentes no modelo de seguimento de carros. Quando um veículo está dirigindo ao longo de uma seção, o modelo considera a influência que um número especificado de veículos (Número de Veículos) dirigindo mais devagar na faixa adjacente direita (ou na faixa esquerda, ao dirigir à esquerda) pode ter sobre o veículo. O modelo então determina uma nova velocidade máxima desejada de um veículo nesta seção, que será usada no modelo de seguimento de carros.

Os parâmetros para o Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas são definidos na Aba de Comportamento do Editor de Experimentos e a correspondência entre faixas é determinada pela seção comum ou pode ser determinada através de subcaminhos adjacentes conforme descrito abaixo.

O modelo calcula primeiro a velocidade média para Número de Veículos dirigindo a jusante do veículo na faixa adjacente mais lenta (VelocidadeMédiaVeículosAjustados). Somente veículos dentro de uma certa distância (Distância Máxima) do veículo atual são levados em conta (veja a figura abaixo). Se menos de Número de Veículos estiverem envolvidos, a velocidade desejada do veículo atual na seção é usada para adicionar veículos a fim de completar os valores de Número de Veículos para obter uma média mais significativa.

Seguimento de Carros em Duas Faixas absoluto

Existem dois casos: 1) a faixa adjacente é uma rampa de acesso e 2) a faixa adjacente é qualquer outro tipo de faixa. Além de Número de Veículos e Distância Máxima, mais dois parâmetros são definidos: Diferença de Velocidade Máxima e Diferença de Velocidade Máxima na Rampa de Acesso. Então, a velocidade desejada final de um veículo em uma seção é calculada da seguinte forma:

if (a faixa adjacente mais lenta é uma rampa de acesso) {
    VelocidadeMáxima = *VelocidadeMédiaVeículosAjustados* + *DiferençaDeVelocidadeMáximaNaRampa*
} else {
    VelocidadeMáxima = *VelocidadeMédiaVeículosAjustados* + *DiferençaDeVelocidadeMáxima*
}

Esse procedimento garante que as diferenças de velocidades entre duas faixas adjacentes sejam menores ou iguais à Diferença de Velocidade Máxima ou à Diferença de Velocidade Máxima na Rampa de Acesso, respectivamente.

Note que, quando a faixa atual do veículo ou sua faixa adjacente estão reservadas e configuradas para não serem consideradas no Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas, então o modelo não é aplicado.

Exemplo¶

O seguinte exemplo tem o intuito de esclarecer a influência do parâmetro Número de Veículos. Suponha que Número de Veículos = 4 e Distância Máxima = 100m. Isso significa que um veículo observa os primeiros 4 carros à sua frente na faixa adjacente que estão localizados nos próximos 100 metros de sua posição e toma a velocidade média deles. Se existem apenas 2 carros nesta seção de 100 metros, somente a velocidade desses carros é considerada, e para obter a velocidade média de 4 veículos, 2 carros 'fictícios' adicionais com velocidade de fluxo livre são incluídos.

Por exemplo, suponha que, nos próximos 100 metros, há uma rampa de acesso com 1 veículo parado e 1 em movimento a 40 km/h e o limite de velocidade da seção é 60 km/h. A velocidade média considerada no seguimento de carros em duas faixas seria:

(0 + 40 + 60 + 60)/4 = 40 km/h.

Se a diferença de velocidade máxima nas rampas de acesso for de 50 km/h, isso significaria que os veículos na faixa principal aceitariam dirigir a 50 + 40 = 90 km/h.

Se, no entanto, houvesse 4 carros ou mais parados na rampa, a velocidade média seria 0 km/h e isso significaria que os veículos na faixa principal aceitariam dirigir a 50 + 0 = 50 km/h. Se houver carros em movimento a mais de 100 metros de distância, eles não afetariam o veículo até que ele se aproximasse deles, quando eles seriam progressivamente incluídos nos cálculos.

O Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas: Relativo¶

Este modelo assume que um veículo dirigindo em uma faixa rápida reduzirá a velocidade na presença de veículos lentos em uma faixa adjacente para antecipar que um veículo lento pode se mover à sua frente.

Considerando que os veículos rápidos estão dirigindo na velocidade do limite e os veículos lentos na velocidade do limite menos a diferença de velocidade, o modelo calcula quantos dos próximos veículos lentos em um pelotão homogêneo podem ser assumidos pelo veículo mais rápido para não mudar de faixa.

A velocidade máxima do veículo mais rápido é então calculada usando o modelo de seguimento de carros habitual a fim de evitar colisões com o próximo veículo lento não confiável, caso ele mude de faixa.

O espaço seguro entre os dois veículos é definido como:

onde \(v_1\) e \(v_2\) são as velocidades dos veículos, \(b\) é a desaceleração, \(RT\) o tempo de reação e L a extensão do veículo líder.

Exemplo¶

Por exemplo, se o limite de velocidade da via é 120 km/h e a diferença de velocidade usada no modelo de duas faixas é de 40 km/h:

O espaço seguro necessário para evitar colisão entre um veículo viajando a \(V_2\)=120 km/h e um veículo viajando a \(V_1\)=80 km/h (limite de velocidade da via menos a diferença de velocidade) é 132,16 metros, onde b=4 m/s\², RT=1s e L =5m. Isso é representado como "Espaçamento em Faixa Adjacente" na imagem abaixo:
O espaçamento entre dois veículos de uma fila homogênea (Interpretado como \(V_1\)=\(V_2\) e usando a mesma desaceleração) viajando a \(V_1\)=80 km/h é 38,33 m
O número de veículos lentos (NSV) correspondente ao espaço seguro entre veículos rápidos e lentos é NSV= 132,16/38,33=3,44.

Se a velocidade média nas faixas mais lentas foi realmente medida em 60 km/h na simulação, então, para calcular o limite de velocidade efetivo na faixa mais rápida:

A distância usando a fórmula do espaço seguro entre veículos lentos, tomando \(V_1\)= \(V_2\) = 60 km/h é 30m
O espaço seguro para os veículos mais rápidos, usando o NSV calculado anteriormente é 30*3,44 = 103,42 metros. Essa distância é usada para calcular \(V_2\) usando a fórmula do espaço seguro entre veículos rápidos e lentos e tomando \(V_1\)= 60 km/h. \(V_2\) = 97,86 km/h

Esse valor de \(V_2\) é então o limite de velocidade da faixa rápida, modificado pelo modelo para levar em consideração o tráfego adjacente mais lento.

Seguimento de Carros em Duas Faixas: Relativo

O Modelo de Seguimento de Carros em Duas Faixas: Caminhos Adjacentes ¶

Em alguns casos, faixas adjacentes podem ser modeladas em seções de via separadas e os veículos ajustarão a velocidade para se fundir quando as seções convergirem, mas enquanto ainda são separadas. Nesse caso, a adjacência é determinada não por olhar através das faixas na mesma seção de via, mas por olhar através de subcaminhos definidos nas seções adjacentes.

Nesse caso, se dois subcaminhos começam e terminam nos mesmos nós, ou seja, eles são faixas adjacentes modeladas como seções separadas, então eles podem ser vinculados no editor de subcaminhos e o mesmo modelo de seguimento de carros em duas faixas, baseado na distância ao longo do subcaminho para determinar a adjacência, será utilizado.

Controle de Cruzamento Adaptativo (ACC) e Controle Adaptativo de Cruzamento Cooperativo (CACC) - seguimento de carros ¶

É possível utilizar um módulo ACC/CACC que usa diferentes modelos para computar a aceleração de um veículo dependendo das escolhas do controlador de cruzeiro.

Observe que, embora o tempo de reação do tipo de veículo deva ficar no valor do tempo de reação humano (ou seja, 0,8s), o controlador ACC/CACC foi implementado para funcionar em passos de simulação de veículos autônomos (0,1s). De um lado, então, o passo de simulação experimental na aba de Tempo de Reação deve ser alterado para 0,1 para ver os efeitos dos modelos ACC/CACC na simulação. Por outro lado, as configurações de Tempo de Reação devem ser definidas como Variáveis (Diferentes para Cada Tipo de Veículo) para que o tempo de reação dos veículos não seja igual ao passo de simulação.

Módulos ACC/CACC¶

Modo de Regulação de Velocidade: a_sv=k₁*(v_f-v_sv)

onde:
- a_sv: aceleração recomendada pelo controlador ACC para o veículo em questão (m/s²).
- k₁: ganho na diferença de velocidade entre a velocidade de fluxo livre e a velocidade atual do veículo em questão (s⁻¹). Corresponde ao parâmetro chamado Ganho de Velocidade em Fluxo Livre na aba ACC do editor de tipo de veículo.
- v_f: velocidade de fluxo livre (m/s).
- v_sv: velocidade atual do veículo em questão (m/s).
Modo de Regulação de Espaço ACC: a_sv=k₂(d-t_hw v_sv-L)+k₃(v_l-v_sv )

onde:
- a_sv: aceleração recomendada pelo controlador ACC para o veículo em questão (m/s²).
- k₂: ganho na diferença de posição entre o veículo líder e o veículo em questão (s⁻²). Corresponde ao parâmetro chamado Ganho de Distância na aba ACC do editor de tipo de veículo.
- k₃: ganho na diferença de velocidade entre o veículo líder e o veículo em questão (s⁻¹). Corresponde ao parâmetro chamado Ganho de Velocidade de Seguimento na aba ACC do editor de tipo de veículo.
- d: distância entre o parachoque dianteiro do veículo em questão e o parachoque dianteiro do veículo líder (m).
- t_hw: intervalo de tempo desejado do controlador ACC (s). Corresponde à distribuição chamada Intervalo de Tempo Desejado na aba ACC do editor de tipo de veículo.
- v_sv: velocidade atual do veículo em questão (m/s).
- L: comprimento do veículo líder (m).
- v_l: velocidade atual do veículo líder (m/s).
Modo de Regulação de Espaço CACC:
- Aceleração: a_sv(t)=(v_sv(t)-v_sv(t- ∆t))/∆t
- Velocidade atual: v_sv(t)=v_sv(t- ∆t)+ k_pe_k (t)+k_de^'_k (t)
- Erro de intervalo de tempo: e_k(t)=d(t- ∆t)-t_g* v_sv(t- ∆t)-L
- Erro de velocidade: e^'_k(t)=v_l (t- ∆t)- v_sv(t- ∆t)-t_g* a_sv (t- ∆t)
onde:
- a_sv: aceleração recomendada pelo controlador ACC para o veículo em questão (m/s²).
- v_sv: velocidade atual do veículo em questão (m/s).
- Δt: passo de tempo para cada atualização (s).
- k_p e k_d: ganhos para ajustar o intervalo de tempo entre o veículo em questão e o veículo líder (k_p em s⁻¹ e k_d não tem unidades). k_p corresponde ao parâmetro chamado Ganho de Distância na aba CACC do editor de tipo de veículo e k_d corresponde ao parâmetro chamado Ganho de Velocidade na aba CACC do editor de tipo de veículo.
- e_k: erro de intervalo de tempo.
- t_g: é o intervalo de tempo constante entre o último veículo da string CACC líder e o veículo em questão (s). Corresponde ao parâmetro chamado Intervalo de Tempo do Líder ou Intervalo de Tempo do Seguidor na aba CACC do editor de tipo de veículo, dependendo do estado da pelotão do veículo.
- L: comprimento do veículo líder.
- v_l: velocidade atual do veículo líder (m/s).
- d: distância entre o parachoque dianteiro do veículo em questão e o parachoque dianteiro do veículo líder (m).

Veículos ACC/CACC ¶

Tipos de veículos podem ser equipados com um módulo ACC ou um módulo CACC (ou não serem equipados).

Ambos os módulos podem executar o Modo de Regulação de Velocidade, que é tipicamente usado quando não há veículo à frente do veículo atual (ou se o veículo à frente estiver muito longe).

Módulos ACC usam o modo de Regulação de Espaço ACC para controlar o movimento do veículo com base no veículo à frente, se houver.

Módulos CACC usam o modo de Regulação de Espaço CACC em vez disso.

A distribuição de veículos não equipados, veículos equipados com ACC e veículos equipados com CACC é definida em cada editor de tipos de veículos.

Sempre que um veículo é equipado com um módulo ACC ou um módulo CACC, ele só será funcional em vias cujo tipo de via permita.

Pelotão CACC ¶

Os veículos equipados com o módulo CACC podem formar pelotões, que são grupos de veículos conectados consecutivamente que podem ter intervalos de tempo menores que o normal entre eles. Isso se deve à rápida e confiável troca de informações de um veículo para o outro.

O pelotão é feito implementando duas variantes do modo de Regulação de Espaço: Seguidor e Líder. Essas variantes diferem no Intervalo de Tempo que é usado na fórmula.

Um Seguidor é um veículo que pertence a um pelotão e não é o primeiro desse pelotão.

Um Líder é qualquer veículo conectado que não é um Seguidor.

Os pelotões têm um tamanho máximo. Se um veículo tentar ingressar em um pelotão que está cheio, ele se tornará um líder de seu próprio pelotão. Consulte o editor de tipo de vias para especificar as configurações de tamanho dos veículos CACC em pelotão.

ACC/CACC Emergência de Tomada de Controle ¶

O modelo ACC/CACC inclui o algoritmo de aviso de colisão frontal CAMP conforme mostrado no artigo Usando Controle Adaptativo de Cruzeiro Cooperativo (CACC) para Formar Fluxos de Veículos de Alto Desempenho nas páginas 22 e 23.

Isso faz com que os veículos possam mudar de qualquer modo de condução ACC/CACC para Desabilitado se o algoritmo mostrar uma colisão potencial que não será evitada pelo controlador.

Se, a qualquer momento, o carro acabar passando a modo de condução manual, ou seja, desabilitado, devido a esse algoritmo, haverá um tempo de resfriamento de 20s para que eles possam retornar aos modos de condução ACC/CACC novamente. Isso representa um tempo médio para um motorista cuidar da situação e julgar seguro o suficiente para retornar aos modos de condução automáticos.

Tabela de Decisão ACC/CACC ¶

Os veículos de simulação têm uma coluna dinâmica chamada ‘Status do Controle de Cruzeiro’ para mostrar qual modo de condução foi utilizado no último passo da simulação. Os cinco valores possíveis são:

a. Regulação de Velocidade CC b. Regulação de Espaço ACC c. Regulação de Espaço Líder do Pelotão CACC d. Regulação de Espaço Seguidor do Pelotão CACC e. Desabilitado

A tabela de decisão para aplicar um dos quatro primeiros modos acima é:

Modelo de Mudança de Faixa ¶

O modelo de mudança de faixa também pode ser considerado como um desenvolvimento do modelo de mudança de faixa de Gipps (Gipps 1986a e 1986b). A mudança de faixa é modelada como um processo decisório, analisando a necessidade da mudança de faixa (como para manobras de curva determinadas pela rota), a desejabilidade da mudança de faixa (para alcançar a velocidade desejada quando o veículo líder é mais lento, por exemplo) e a viabilidade da mudança de faixa dependendo da posição do veículo na rede rodoviária em relação à geometria da faixa e veículos adjacentes.

Os parâmetros globais que controlam o modelo de mudança de faixa são definidos na Aba de Comportamento do Editor de Experimentos.

O modelo de mudança de faixa é um modelo de decisão que aproxima o comportamento do motorista da seguinte forma a cada atualização do veículo:

É necessário mudar de faixa? Isso depende de vários fatores: as opções de conversão da faixa atual, a distância até a próxima conversão e as condições de tráfego na faixa atual descritas por velocidades e comprimentos de fila.
É desejável mudar de faixa? Isso depende de se haverá alguma melhoria nas condições de tráfego para o motorista como resultado da mudança de faixa. Essa melhoria é medida em termos de velocidade e distância. Se a velocidade na faixa alvo for mais rápida em comparação com a faixa atual, ou se a fila for menor por margem suficiente, então é desejável mudar de faixa.
É possível mudar de faixa? Isso requer que haja um espaço adequado para realizar a mudança de faixa. Isso calcula tanto a frenagem imposta pelo veículo futuro a jusante ao veículo que está mudando de faixa quanto a frenagem imposta pelo veículo que está mudando de faixa ao futuro veículo a montante. Se ambos os níveis de frenagem forem aceitáveis, então a mudança de faixa é possível.

Para representar o comportamento do motorista no processo decisório de mudança de faixa, três zonas diferentes são consideradas, cada uma correspondente a uma motivação diferente para mudar de faixa.

Zona 1: As decisões de mudança de faixa são principalmente governadas pelas condições de tráfego das faixas envolvidas. Para medir a melhoria que o motorista obterá ao mudar de faixa, vários parâmetros são considerados: A velocidade desejada do motorista, a velocidade e distância do veículo líder atual, velocidade e distância do futuro veículo líder na faixa de destino. O modelo implementado nesta zona é o modelo de manobra de ultrapassagem.
Zona 2: Esta é a zona intermediária. Veículos dirigindo na faixa "errada" (ou seja, faixas onde o movimento de conversão desejado não pode ser realizado) tendem a se aproximar do lado correto da via a partir do qual a conversão é permitida. Veículos que buscam um espaço tentam adaptar sua velocidade para encontrar espaços localizados a jusante ou adjacentes a eles.
Zona 3: Os veículos estão tentando urgentemente alcançar sua faixa válida, buscando espaços a montante e reduzindo a velocidade se necessário, até mesmo parando completamente para tornar a mudança de faixa possível.

A mudança de faixa de cada veículo i na seção s tem cinco aspectos:

Cálculo da distância da zona de mudança de faixa
Cálculo das Faixas Alvo
Comportamento do Veículo considerando as faixas alvo
Modelo de Aceitação de Espaço para Mudança de Faixa
Espaço Alvo e Cooperação

Cálculo da distância da zona de mudança de faixa¶

As zonas de mudança de faixa são delimitadas por dois parâmetros, o Olho de Raio e o Olho de Raio Crítico. O Olho de Raio é a distância a montante até o ponto onde o veículo tem conhecimento de suas faixas-alvo (início da zona de mudança de faixa 2) e o olho de raio crítico é a distância a montante até o início da zona de mudança de faixa 3.

Esses parâmetros são definidos em distância (metros ou pés), por padrão, ou tempo (segundos), dependendo das preferências do usuário. Quando esses parâmetros são definidos em tempo, a conversão para distância física é calculada como:

onde:

\(D_m\): Distância em metros
\(D_s\): Distância em segundos
\(S_{limit}(s)\): Limite de velocidade da seção s.

A percepção do Olho de Raio e do Olho de Raio Crítico para cada veículo é variada usando os Fatores de Olho de Raio Mínimo e Máximo do veículo. Por exemplo, se um olho de raio é definido como 200 metros, o Fator de Olho de Raio Mínimo é 0,9 e o Fator de Olho de Raio Máximo é 1,2, então a percepção da distância será de 180 (calculada como 0,9 x 200) a 240 (calculada como 1,2 x 200) metros. Todos os veículos selecionam sua distância a partir da faixa 180-240 usando uma distribuição aleatória uniforme.

Cálculo das Faixas Alvo ¶

O processo de mudança de faixa começa calculando as faixas alvo válidas. A saída deste processo é um conjunto de faixas válidas para a zona 3 e um conjunto de faixas válidas para a zona 2.

Comportamento do Veículo considerando as faixas alvo¶

A estratégia é que cada veículo tente alcançar o conjunto de faixas alvo definido pelas zonas 2 e 3 e o comportamento do veículo é o seguinte:

Se a faixa atual do veículo não estiver dentro do subconjunto de faixas válidas determinadas pela Zona 3, o comportamento do veículo será determinado pela Zona 3.
Se a faixa atual do veículo estiver dentro do subconjunto de faixas válidas determinadas pela Zona 3, mas fora do subconjunto de faixas válidas determinadas pela Zona 2, o comportamento do veículo será determinado pela Zona 2.
Se a faixa atual do veículo estiver dentro dos subconjuntos de faixas válidas de ambas as Zonas 3 e 2, o comportamento do veículo será determinado pela Zona 1.

Quando a faixa atual de um veículo está em uma faixa válida determinada pelas zonas 2 e 3, em geral o comportamento é modelado como se estivesse na zona 1, ou seja, manobras de ultrapassagem podem ser iniciadas. Há uma exceção quando o líder de um veículo é afetado por um obstáculo (movimento de curva, incidente, fechamento de faixa, etc.) que está mais próximo do que o próprio obstáculo do veículo, então a avaliação de ultrapassar o líder inclui usar uma faixa que pode estar fora do subconjunto de faixas dadas pela Zona 2.

Modelo de Aceitação de Espaço para Mudança de Faixa ¶

O modelo de aceitação de espaço é consistente com o modelo de seguimento de carros, a fim de evitar situações de quebra artificiais:

O modelo de seguimento de carros de Gipps é estável, ou seja, não requer desacelerações acima da desaceleração máxima desejada α\(b_n\), onde \(b_n\) é uma estimativa da desaceleração desejada do veículo líder.

Isso é alcançado quando:

O modelo de seguimento de carros de Gipps evita colisões quando o Espaço permanece positivo durante todo o processo de desaceleração. Isso dá uma restrição adicional:

Essa condição deve ser cumprida para aplicar o modelo de seguimento de carros de Gipps com um novo líder quando um veículo muda de faixa (ou seja, seleção de possíveis líderes e aceitação de espaço).

Além disso, aplicando essa restrição no final do processo de desaceleração ou seja, quando

resulta em:

se o veículo muda de faixa, a velocidade e posição dos veículos no tempo t+dt são avaliadas:

Para os veículos que já foram atualizados, a velocidade e a posição atuais são usadas.
Para os outros, a velocidade e a posição assumindo que o veículo muda de faixa no tempo t+dt são avaliadas.

O espaço é aceitável se as quantidades físicas no tempo t+dt cumprirem os três requisitos seguintes:

os espaços são positivos
as velocidades calculadas são positivas,
as desacelerações impostas são menores que α MaxDesiredDecel

Usando as equações anteriores, isso pode ser alcançado com uma condição no tempo t que deve ser cumprida para ambos os espaços a montante e a jusante.

e

A aceitação do espaço no modelo de mudança de faixa pode ser modificada definindo os seguintes parâmetros na Aba de Modelos Dinâmicos do Editor de Seções:

Agressividade: Esse parâmetro permite que os veículos entrem em espaços menores sem forçar o veículo traseiro a frear, seguido por um processo de relaxamento para recuperar gradualmente a estabilidade dos modelos de seguimento de carros. A % de agressividade controla a sensibilidade de um veículo à desaceleração do líder, determinando quão curtos esses espaços podem ser. Ou seja, se a agressividade for definida como 100% (que não deve ser usada, é o caso mais extremo), isso significa sensibilidade zero, e o novo espaço permitido (em todas as situações de velocidade) seria aquele necessário em uma situação de parada (como se o veículo estivesse estacionando). Com agressividade de 0%, o espaço total é usado como descrito acima, sem mudanças na sensibilidade. Todos os valores intermediários tornarão o espaço mais curto de acordo com a % de agressividade e também com a velocidade atual do líder. Agressividade se aplica a todas as manobras de mudança de faixa que não são cooperativas. Esse parâmetro pode ser definido para um Tipo de Via ou pode ser ajustado por Tipo de Veículo.
Mudança de Faixa Imprudente: Essa opção determina se os veículos podem entrar em espaços que não asseguram a estabilidade do seguimento de carros. O veículo mudando de faixa, ou seu seguidor, pode precisar frear até duas vezes sua desaceleração máxima. Somente veículos cujo tipo de veículo também tenha a 'Mudança de Faixa Imprudente' ativada aceitarão esses espaços.

Espaço Alvo e Cooperação¶

Para mudar de faixa, a faixa alvo é buscada por um espaço adequado. O veículo a montante do espaço deve ser capaz de seguir o veículo que está buscando um espaço utilizando o modelo de seguimento de carros livre de colisão ou estar disposto a cooperar. O veículo em questão, pretendendo mudar de faixa, então se adaptará progressivamente à velocidade do veículo a jusante usando o modelo de seguimento de dois líderes com um espaço negativo se necessário. Ao escolher um espaço adjacente ou para trás, o veículo pretendendo mudar de faixa sempre terá uma velocidade menor do que a imposta pelo seu líder atual. Para evitar essa penalidade, o veículo em mudança de faixa pode optar por escolher um espaço à frente se conseguir ultrapassar o veículo a jusante antes do obstáculo que está por vir. No entanto, selecionar um espaço à frente não fará com que ultrapasse a velocidade imposta pelo modelo de seguimento de carros de Gipps de seu líder atual.

A porcentagem de veículos a montante que cooperam no modelo de mudança de faixa é definida para cada seção ou tipo de veículo usando o parâmetro Cooperação de Mudança de Faixa no Editor de Tipo de Via ou no Editor de Tipo de Veículo. Note que os veículos a montante só cooperarão com veículos que solicitam estando nas Zonas 2 e 3; ou seja, veículos para os quais a mudança de faixa é obrigatória.

A ordem de avaliação dos espaços em cada zona é:

Zona 1
- 1^st Espaço Adjacente
Zona 2
- 1^st Espaço à Frente
- 2^nd Espaço Adjacente
Zona 3
- 1^st Espaço Adjacente
- 2^nd Espaço para Trás

Avaliação do Espaço à Frente:¶

Na avaliação do espaço à frente, o veículo que planeja mudar de faixa avalia um espaço na faixa adjacente, à frente de sua posição atual, que requer que ele ultrapasse o veículo a jusante naquela faixa. Primeiro, supondo que tanto o veículo a jusante quanto o precedente mantenham seu comportamento atual, é estimado o tempo necessário para ultrapassar aquele veículo a jusante (\(t_{overtake}\))

Dada a posição estimada do veículo em questão e daquela que estará a montante dele naquele momento, o espaço crítico entre os dois é avaliado e, se esse espaço for aceitável, o espaço à frente é selecionado como alvo.

A figura abaixo mostra o espaço desejado do veículo em questão à frente no tempo t e a situação no tempo (\(t + t_{overtake}\)) quando ele avalia o espaço entre ele e o veículo que estará a montante dele naquele momento. Além disso, o veículo que estará a montante do sujeito, se cooperar, então modificará seu seguimento de carro de seguimento de um único carro (linha contínua) com seu líder original para aplicar o modelo de seguimento de dois líderes (linhas tracejadas) que inclui o veículo em questão.

A mudança de faixa será feita em um futuro passo da simulação se o espaço à frente selecionado se tornar um espaço adjacente que ainda seja aceitável.

Avaliação do Espaço à Frente

O espaço à frente é verificado apenas na Zona 2.

Avaliação do Espaço Adjacente¶

Na avaliação do espaço adjacente, o veículo em questão que planeja mudar de faixa está situado entre dois veículos na sua faixa alvo e deve avaliar os espaços adjacentes a ele entre o veículo a montante (\(Veh_{Up}\)) e o veículo a jusante (-\(Veh_{Dn}\)). Isso é feito usando o algoritmo de seguimento de carros de Gipps.

A figura abaixo mostra as relações entre os veículos em uma avaliação de espaço adjacente. No tempo t, o veículo em questão e \(Veh_{Up}\) estão utilizando o seguimento de um único carro em suas respectivas faixas (linhas contínuas). Se ambos os espaços forem aceitáveis, ou se o veículo a montante estiver disposto a cooperar, o espaço adjacente é selecionado e o veículo em questão aplica o modelo de seguimento de dois líderes como mostrado pelas linhas tracejadas. O veículo a montante aplica o modelo de seguimento de dois líderes quando o espaço é selecionado, se cooperar, ou quando a manobra de mudança de faixa começa, se não cooperar.

Avaliação do Espaço Adjacente

O espaço adjacente é verificado em todas as zonas.

Quando um espaço adjacente é selecionado, o veículo em questão começa a realizar uma manobra de mudança de faixa quando tanto o espaço com \(Veh_{Up}\) quanto o espaço com \(Veh_{Dn}\) forem aceitáveis, ou seja, no passo da simulação após aquele em que o espaço adjacente foi selecionado, se os espaços já forem aceitáveis, ou quando a cooperação de \(Veh_{Up}\) tornou seu espaço aceitável.

Na figura abaixo, o veículo azul é o sujeito. Conforme realiza sua mudança de faixa, sua representação na simulação é instantaneamente movida para a nova faixa, mas deixa um veículo sombra na faixa que acaba de deixar durante a duração da mudança de faixa, que depende da velocidade. Isso fornece um veículo para seguir em ambas as faixas durante o tempo em que o veículo em questão abrange duas faixas.

Avaliação do Espaço Adjacente

Avaliação do Espaço para Trás¶

Em uma avaliação do espaço para trás, o veículo que planeja mudar de faixa avalia um espaço na faixa adjacente, atrás de sua posição atual, que requer que ele reduza a velocidade até que fique atrás de um veículo a montante naquela faixa. O futuro seguidor é selecionado tomando o veículo a montante mais próximo na faixa alvo que seria capaz de realizar o seguimento de carros com o veículo em questão. O veículo em questão aplica o modelo de seguimento de dois líderes com o líder atual do futuro seguidor. Se o futuro seguidor cooperar, ele também aplicará o modelo de seguimento de dois líderes com o veículo em questão.

Avaliação do Espaço para Trás

O espaço para trás é verificado na zona 3.

Seguindo Dois Líderes¶

Este modelo é aplicado quando um veículo está adaptando sua velocidade a um segundo líder. As situações possíveis são:

Se ambos os líderes estão a jusante e mais distantes do que o espaço crítico, o veículo segue o líder mais restritivo.
Se um dos líderes estiver a montante (como em uma avaliação de espaço para trás) ou mais próximo do que o espaço crítico, a desaceleração derivada de Gipps impõe uma velocidade em rápida diminuição até zero. Para evitar esse comportamento, restringimos a velocidade de desaceleração do seguidor com:

Isso garante a continuidade de velocidade quando o líder a montante passa o veículo. A Distância de Adaptação especifica o ponto em que isso deve ocorrer. Na comparação abaixo, a implementação padrão de Gipps é apresentada em vermelho e a implementação de espaço negativo em azul.

Comparação entre seguidor de dois líderes e Gipps

Manobra de Ultrapassagem ¶

Uma manobra de ultrapassagem ocorre na Zona 1 quando o veículo está em seu conjunto de faixas válidas e muda de faixa para passar outro veículo. Para promover ou desencorajar a ultrapassagem, há dois parâmetros:

Limite de Velocidade de Ultrapassagem é a porcentagem da velocidade desejada de um veículo abaixo da qual o veículo pode decidir ultrapassar. Isso significa que sempre que um veículo estiver restrito a dirigir mais devagar do que Limite de Velocidade de Ultrapassagem % de sua velocidade desejada, ele tentará ultrapassar. O valor padrão é 90%.
Limite de Velocidade de Recuperação de Faixa é a porcentagem da velocidade desejada de um veículo acima da qual um veículo decidirá voltar para a faixa adjacente mais lenta. O valor padrão é 95%.

Portanto, se um veículo com uma velocidade desejada de 100 km/h estivesse seguindo um veículo a uma velocidade < 90 km/h, ele tentaria ultrapassar. Posteriormente, ao atingir uma velocidade > 95 km/h, ele voltaria para sua faixa original.

Recomenda-se que o valor do Limite de Velocidade de Recuperação de Faixa seja maior que o Limite de Velocidade de Ultrapassagem, caso contrário, algumas manobras de ultrapassagem podem ser abortadas assim que começam. Da mesma forma, se esses valores forem definidos muito pequenos, os veículos não iniciarão uma manobra de ultrapassagem a menos que a diferença de velocidade seja muito grande e retornariam à faixa mais lenta muito cedo.

Note que a sensibilidade a esses parâmetros é baixa.

Esses dois parâmetros podem ser editados na Janela de Tabelas para um Experimento Dinâmico, a partir dos atributos de um experimento ou podem ser definidos por tipo de veículo para substituir os parâmetros padrão do experimento.

Retorno à Faixa após Ultrapassagem¶

A tendência de voltar à faixa mais lenta após ultrapassagens é determinada pelo tipo de via, pela seção de via específica e pelo parâmetro Permanecer na Faixa de Ultrapassagem para um tipo de veículo.

Se a seção de via permitir Retorno à Faixa Adjacente Após Ultrapassagem, seja definido pelo tipo de via ou modificado para a seção de via específica. Então, após cada manobra de mudança de faixa, um novo valor para o atributo booleano Manter na Faixa Rápida para o veículo é gerado com base na porcentagem de Permanecer na Faixa de Ultrapassagem para o tipo de veículo. Se esse valor for falso, então o Limite de Velocidade de Recuperação de Faixa é ignorado e o veículo permanecerá na faixa que usou