Verkeerskunde: een samenspel van modellen, simulaties en regelacties

Verkeerskunde: een samenspel van modellen, simulaties en regelacties. Sven Maerivoet

FWB

Katholieke Universiteit Leuven Departement Elektrotechniek ESAT-SCD (SISTA)

Gevallenstudies van datamining en industriële procescontrole

29/09/2004

Overzicht • Verzamelen van verkeersdata – Beschikbare infrastructuur – De aard van de metingen

• Modellen van verkeersstromen – Macroscopische modellen – Microscopische modellen

• Simulaties van verkeersstromen – Microscopische simulators

• Regelen van verkeersstromen – Beschikbare regelacties 2

Verkeerskunde Verzamelen van data Modellen Simulaties Regelacties 3

Verzamelen van verkeersdata (1/3) • Enkele/dubbele lusdetectoren (ingebed in het wegdek). • Gatso-meters.

• Camera’s. •

(met de ‘hand’ tellen)

• … 4

Verzamelen van verkeersdata (2/3) • Automatisatie wordt een ‘core business’:

5

Verzamelen van verkeersdata (3/3) DB

± 200 camera’s ± 1500 enkele lusdetectoren

± 1655 sensoren (1 per rijstrook)  869,868,000 metingen (3.24 GB) (dit is voor één jaar) 6

Wat wordt er gemeten ? • Dichtheid (aantal voertuigen / kilometer). k • Doorstromingsgraad (aantal voertuigen / uur). q • Gemiddelde snelheid (kilometer / uur). vs

Fundamentale relatie: q = k • vs 7

Hoe zien de metingen eruit ? Doorstromingsgraad

Incident ? Gemiddelde snelheid 8

Een hele week van metingen Weekdagen

Weekend

9

Kwaliteitsproblemen ! • Soms blijft een sensor meerdere dagen ‘hangen’:

• Of worden er verkeerde waarden geregistreerd:

10

Verkeersregimes • Veilig inhalen kan gebeuren bij lage dichtheden:

• Inhalen wordt moeilijker bij hogere dichtheden:

• Opgestopt verkeer resulteert in schokgolven:

11

Correlaties tussen de metingen • Voorbeeld: het verkeer op de E17.

Vlot verkeer Files

“Fundamenteel diagram”

12

Regimes en het fundamenteel diagram • In het (k,q) fundamenteel diagram: q

capaciteit

congestie

volledig opgestopt 0

k

13

Boris Kerner’s drie-fasen theorie • In de (k,q) faseruimte:

synchronised

q

free-flowing wide-moving jam

0

k

14


Het klassieke vierstapsmodel • We beschouwen de voortplanting van wegverkeer. trip generatie trip distributie

In het vierstapsmodel bestaan er submodellen die verkeersstromen “beschrijven”.

modale split verkeerstoedeling

16




Veel traditionele modellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. reistijd (e.g., BPR)

doorstromingsgraad

17




Veel traditionele modellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. reistijd (e.g., BPR)

doorstromingsgraad

Het is moeilijk (maar noodzakelijk) om het concept “capaciteit van een weg” te vatten ! 18

De noodzaak tot dynamische modellen herkomst

bestemming 1 bestemming 2 (e.g., Vickrey’s flessenhals model, METROPOLIS, …) “verticale wachtrij”

• Congestie is een dynamisch fenomeen ! • Voorbeeld: blocking-back effect.

19

De noodzaak tot dynamische modellen herkomst

bestemming 1 bestemming 2 (e.g., Vickrey’s flessenhals model, METROPOLIS, …) “verticale wachtrij”

herkomst

bestemming 1 bestemming 2 “horizontale wachtrij”

20

Modellen van verkeersstromen • De wiskundige modellen zijn gebaseerd op het beschouwen van een verkeersstroom: – in hun geheel: macro-/mesoscopische stroommodellen.

– als zijnde samengesteld uit individuele voertuigen: microscopische stroommodellen.

21

Macroscopisch: vloeistof of gas ? • Gebaseerd op partiële differentiaalvergelijkingen.

• Vloeistof dynamische modellen beschouwen een verkeersstroom als een samendrukbare vloeistof (i.e., continuum modellen). • Gas kinetische modellen beschouwen een verkeersstroom als een veel-deeltjes systeem (= ‘mesoscopisch’).

22

Microscopische stroommodellen • “Gelijken meer op de realiteit.” • Computationeel gezien zeer kostelijk ! • Beschrijven expliciet de dynamica van, en interacties tussen deparameters verschillende • Veel (onnodige) ! voertuigen. Sensitiviteitsanalyses. • Twee belangrijke modelcomponenten: • Veel moeilijker om te kalibreren en te valideren dan macro-/mesoscopische voertuig-volg submodel modellen ! rijstrook-keuze submodel 23

Modelleren van emissies • Microscopische modellen lenen zich goed tot het uitbreiden met verschillende modules:

luchtvervuiling, geluidsemissies. (PODO 2 – CP/37)

momenteel: ontwikkeling van een verkeersveiligheidsmodule. 24

Voertuig-volg submodel volger

(n)

voorligger(s)

tussenruimte

(n – 1)

respons hangt af van stimuli a (t + τ) ~ f(t,Θ) n

met Θ

reactietijd

agressie, tussentijd, tussenruimte, (relatieve) snelheden, …

25

Voorbeeld: cellulaire automaten ruimte (rooster van cellen) stroomopwaarts

stroomafwaarts

t Δt

Δx v=0

v=3

v=1

x(t + 1) = x(t) + v(t) t + 1s

v=1

v=1

tijd Voertuig-volg submodel = verzameling van lokale regels 26

TCA fundamentele diagrammen

27

Rijstrook-keuze submodel ob

(n + 1)

of

(n)

(n – 1)

p(verandering van rijstrook) ~ f(Θ)

met Θ

(kritische) tussenruimte(s), afstand tot op-/afrit, (gewenste) snelheid, wettelijk verkeersreglement, … 28

Routering • ‘Elk voertuig dient te weten naar waar te gaan.’ • Een rijstrook-keuze submodel doet de praktische implementatie van routering: – verplichte veranderingen van rijstrook, – gewenste veranderingen van rijstrook.

• Het routeren zelf gebeurt op een hoger niveau: – HB-matrices.

29

HB-matrix • H = herkomst, B = bestemming 3 1

5

2

4

herkomsten 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

(i,j)

bestemmingen

statische/dynamische verkeerstoedeling

Dynamic Traffic Assignment 30


Microscopische simulators (1/2) • Ontwikkeld voor onderzoek: – Mitrasim 2000 (= Microscopic Traffic Simulator)

– Traffic Cellular Automata

32

Microscopische simulators (2/2) • Commercieel: PARAMICS, AIMSUN, VISSIM, …

33

Impact van infrastructurele ingrepen • Op klassieke rotondes gebruiken bestuurders eerder de buitenste rijstroken = suboptimale situatie.

34

Impact van infrastructurele ingrepen • Op klassieke rotondes gebruiken bestuurders eerder de buitenste rijstroken = suboptimale situatie. • Een turbo-rotonde (TR): – dwingt bestuurders te kiezen voor het betreden van de TR, – dwingt bestuurders een vaste route te volgen eens op deTR, – de binnenste rijstroken worden dus meer efficiënt benut.

Resultaat: een hogere capaciteit. (gebruikt model: PARAMICS)

35


Regelen van verkeersstromen ? • Waarom het verkeer regelen ? – – – –

uitstellen/elimineren van opstoppingen (indien mogelijk), vroege detectie van, en tijdige reactie op incidenten, nastreven van een milieuvriendelijk beleid, …

• Op dit moment werkt Vlaanderen lokaal. • In de toekomst wordt er gestreefd naar regeling op netwerk niveau. 37

Verkeerscentrum Vlaanderen • Op dit moment, vervult het volgende taken: – bijhouden van een databank met verkeersmetingen, – rudimentaire regeling van het verkeer in de regio Antwerpen, – voorzien van verkeersinformatie voor Vlaanderen.

• Ideale kandidaat voor toekomstige verkeersregeling ! (... in het Vlaamse gewest) 38

Regelen van verkeerslichten – Op het niveau van individuele kruispunten.

– Op netwerk niveau (e.g., de Leien in Antwerpen).  “het verkeer moet het stadscentrum zo snel mogelijk verlaten”

– Op ‘corridor’ niveau (e.g., de A12 Antwerpen-Brussel).  “Het goede gevoel altijd groen licht te hebben…” of “Het slechte gevoel van altijd rode lichten tegen te komen !” 39

Dynamische route geleiding • Dynamische route informatie panelen (DRIPs): • reistijden, • verkeersopstoppingen (fysieke lengte en tijdsduur !), • alternatieve routes.

40

Incident detectie • Afsluiten van rijstroken; omleiden van verkeer. • Ramptoerisme: kijkfiles.

41

Automatische incident detectie

42

Extra mogelijkheden tot ‘regeling’ • Het vertrektijdstip van de reizigers aanpassen (vroeger vertrekken, later toekomen, de reis niet maken, ...). • Tolheffing (road pricing, congestion charging). • Openbaar vervoer gebruikt speciale rijstroken. • Beheren van parkings. • Variabele breedte van de rijstroken. • Detectie van mist, sneeuw, zware regenval, ... • …

+

Advanced Traffic Management Systems

43

Dynamische snelheidslimieten

90

70

50

70

100

stroomopwaarts bewegende schokgolf 44

Toeritdosering (ramp metering) • “De toevoer wordt druppelsgewijs geregeld.”

45

Het idee achter toeritdosering

Capaciteitsverkeer bij de kritische dichtheid

46

Het idee achter toeritdosering

DOEL: verkeer in het ‘stabiel regime’ houden

47

Voordelen van toeritdosering

Doorstromingsgraad

zonder regeling met toeritdosering

verhoogde doorstroming Tijd 48

Toeritdosering toegepast op de E17 Linkeroever Melsele

Zwijndrecht

Antwerpen

49

Blokrijden: mythe of werkelijkheid ? • De voertuigen rijden dichter op elkaar (in peletons), met een lagere gemiddelde snelheid. – ‘t Zal wel veiliger zijn... – MAAR is het verkeerskundig beter ? Meer onderzoek is nodig !

De zwaantjes leggen reeds gedurende enkele jaren blokrijden op tijdens de kustdruktes op de E40. 50

Duurzaamheidseffecten van ATMS • “Verkeer is dynamisch van aard” Vraag Aanbod (reizigers/verkeersstromen)

(weginfrastructuur)

Optimaliseer het verkeer m.b.v. de bestaande weginfrastructuur ! Middelen voor optimalisatie ?

adaptieve regelstrategieën (e.g., model predictive control)

Optimalisatie criterium ?

duurzame kostfunctie

DWTC PODO-II / CP/40

51

Een duurzame kostfunctie (DKF) • Karakteriseer het concept van ‘duurzaamheid’, bvb.: DKF = + + + –

emissies (lucht, geluid) incident risico’s reistijden kosten gebruiksmiddelen belastingsinkomsten

milieu aanbod persoonlijk

• Belangrijk: de DKF omvat een trade-off ! milieuvriendelijk

capaciteitsdoorstroming 52

Illustratieve software demonstratie

53

Verkeerskunde: een samenspel van modellen, simulaties en regelacties

Recommend Documents