Verkeerskunde: een samenspel van modellen, simulaties en regelacties. Sven Maerivoet
FWB
Katholieke Universiteit Leuven Departement Elektrotechniek ESAT-SCD (SISTA)
D266 – Economische Sectoren en Technologie
14/04/2005
Overzicht • Modellen van verkeersstromen – Modellen voor transportplanning – Macro-/meso-/microscopische modellen
• Verzamelen van verkeersdata – Beschikbare infrastructuur – De aard van de metingen
• Simulaties van verkeersstromen – Microscopische simulators
• Regelen van verkeersstromen – Beschikbare regelacties 2
Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 3
Modellen voor landgebruik • De vraag naar verkeer ontstaat door de wens tot deelname aan ruimtelijk gescheiden sociale/culturele/economische/… activiteiten. 1925
1939
Burgess
Hoyt
• Tendens naar geosimulatie 2000
4
Transportplanning • Trip-gebaseerd versus activiteiten-gebaseerd. klassieke aanpak (sinds ’50) moderne tendens (vanaf ’80)
activiteitenpatroon
multi-agent systemen
Zwitserland (08:00) 5
Trip-gebaseerd: het vierstapsmodel • Reizigers nemen beslissingen die leiden tot een tripgebaseerd model ( activiteiten-gebaseerd). trip generatie
(hoeveel trips ?)
trip distributie
(waar gaan ze naartoe ?)
modale split
(welk vervoersmiddel ?)
verkeerstoedeling
Aggregatie !
(welke routes nemen ze ?) 6
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
Veel traditionele planningsmodellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. reistijd
‘drukte’
7
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
Veel traditionele planningsmodellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. reistijd
‘drukte’
Het is moeilijk (maar noodzakelijk) om het concept “capaciteit van een weg” te vatten ! 8
De noodzaak tot dynamische modellen herkomst
bestemming 1 bestemming 2
“verticale/punt wachtrij”
• Congestie is een dynamisch fenomeen ! • Voorbeeld: queue spillback effect.
9
De noodzaak tot dynamische modellen herkomst
bestemming 1 bestemming 2
“verticale/punt wachtrij”
herkomst
bestemming 1 bestemming 2 “horizontale/ruimtelijke wachtrij”
10
Fysische 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.
11
Macro versus meso: 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’). Congestie: zuiver deterministisch of stochastisch ? Amerika (Berkeley) versus Europa (vooral Duitsers)
12
Microscopische stroommodellen • “Gelijken meer op de realiteit.” • Beschrijven expliciet de dynamica van, en interacties tussen de verschillende voertuigen.
• Twee belangrijke modelcomponenten: voertuig-volg submodel rijstrook-keuze submodel 13
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, …
14
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. 15
Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 16
Verzamelen van verkeersdata (1/3) • Enkele/dubbele lusdetectoren (ingebed in het wegdek).
• Gatso-meters.
• Camera’s.
• Pneumatische slangetjes. 17
Verzamelen van verkeersdata (2/3) • Automatisatie wordt een ‘core business’:
18
Verzamelen van verkeersdata (3/3) DB
± 1655 sensoren (1 per rijstrook) 106 metingen/jaar 3.24 GB
19
Wat wordt er gemeten ? • Na elke minuut worden de volgende grootheden geaggregeerd: • • • •
aantal personenwagens, aantal vrachtwagens, bezettingsgraad, gemiddelde snelheid.
• Verkeerskundige grootheden: – doorstromingsgraad q (aantal voertuigen / uur), – dichtheid k (aantal voertuigen / kilometer), – gemiddelde snelheid v (kilometer / uur). 20
Hoe zien de metingen eruit ? Doorstromingsgraad
Incident ? Gemiddelde snelheid 21
Een hele week van metingen Weekdagen
Weekend
22
Kwaliteitsproblemen ! • Soms blijft een sensor meerdere dagen ‘hangen’:
• Of worden er verkeerde waarden geregistreerd:
23
Verkeersregimes • Veilig inhalen kan gebeuren bij lage dichtheden:
• Inhalen wordt moeilijker bij hogere dichtheden:
• Opgestopt verkeer resulteert in schokgolven:
24
Correlaties tussen de metingen • Voorbeeld: het verkeer op de E17.
Vlot verkeer Files
“Fundamenteel diagram”
25
Regimes en het fundamenteel diagram • In het (k,q) fundamenteel diagram: q
capaciteit
congestie
volledig opgestopt 0
k
26
Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 27
Microscopische simulators (1/2) • Ontwikkeld voor onderzoek: – Mitrasim 2000 (= Microscopic Traffic Simulator)
– Traffic Cellular Automata
28
Microscopische simulators (2/2) • Commercieel: PARAMICS, AIMSUN, VISSIM, …
29
Traffic Cellular Automata (TCA) ruimte (e.g., rooster van cellen) stroomafwaarts
stroomopwaarts
t Δt 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 30
CATSIM (cellulaire automaten) • Verdeel de autowegen over diverse rekeneenheden: Antwerpen E17
Gent
computer boerderij
E17 E19
meester
E40
Brussel
E40
E19
parallellisatie door middel van gedistribueerd rekenen 31
Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 32
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, regeringsagenda: “vlottere mobiliteit”.
• Op dit moment werkt Vlaanderen lokaal. • In de toekomst wordt er gestreefd naar regeling op netwerk niveau. 33
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 !” 34
Dynamische route geleiding • Dynamische route informatie panelen (DRIPs): • reistijden, • verkeersopstoppingen (fysieke lengte en tijdsduur !), • alternatieve routes.
35
Incident detectie • Afsluiten van rijstroken; omleiden van verkeer. • Ramptoerisme: kijkfiles.
36
Automatische incident detectie
37
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
38
Rekeningrijden (1/3) • Economen beschrijven transport aan de hand van statische vraag- en aanbod curves. Kost
A
0
gebruikers evenwicht
Aantal trips 39
Rekeningrijden (2/3) • Maar reizigers houden geen rekening met de kosten die ze veroorzaken aan anderen (i.e., negatieve externaliteiten). Kost
B
A
0
gebruikers evenwicht
Aantal trips 40
Rekeningrijden (3/3) • Heffen van een gepaste tol verschuift dit evenwicht: internaliseren van de externaliteiten. Kost
welvaartswinst
B optimale tol
C A
0
sociaal optimum
gebruikers evenwicht
Aantal trips 41
Dynamische snelheidslimieten
90
70
50
70
100
stroomopwaarts bewegende schokgolf 42
Toeritdosering (ramp metering) • “De toevoer wordt druppelsgewijs geregeld.”
43
Het idee achter toeritdosering
DOEL: verkeer in het ‘stabiel regime’ houden
44
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. 45
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
46
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 47
Meer informatie ? • Sven Maerivoet – Departement Elektrotechniek ESAT – SCD (SISTA)
• http://phdsven.dyns.cx • Meer lezen ?
“Traffic flow theory” “Traffic flow models”
• http://www.tmleuven.be 48
