MODELAREA TRAFICULUI RUTIER URBAN

Generalitati

Traficul rutier a devenit din ce in ce mai important pentru economia statelor, mai ales in ultimele decenii. Se inregistreaza la nivel mondial un interes din ce in ce mai mare pentru acest mod de transport. Preocuparile se indreapta in domeniul sistemelor inteligente de transport atat asupra infrastructurii rutiere, pentru crearea de conditii de siguranta pe toate categoriile de drumuri, punandu-se un accent deosebit pe dezvoltarea serviciilor in sprijinul utilizatorilor sistemelor de transport, dar si asupra vehiculelor, prin introducerea pe scara larga a "inteligentei" la nivel de autovehicul. De altfel, comunicatia intre vehicul si infrastructura de la sol a devenit o necesitate, pentru cresterea vitezei de deplasare, cunoasterea apriorica a conditiilor de desfasurare a traficului si extinderea sigurantei deplasarii oriunde s-ar desfasura aceasta. Se poate vorbi despre o tendinta de mondializare a comunicatiilor cu aplicatii in domeniul rutier, in special dupa aparitia sistemelor de comunicatii celulare, cu dezvoltarea serviciilor oferite de acestea si odata cu apropiata lansare a sistemelor 3G. Toate aceste beneficii ale sistemelor de transport inteligent nu se pot obtine fara un proces de analiza a caracteristicilor traficului, a modului in care acesta se desfasoara de-a lungul timpului, cum se comporta in cazul aparitiei unor evenimente, precum si a masurilor de fluentizare cu efect real in trafic. Orice sistem de management al traficului, si mai ales cele destinate sa functioneze in mediul urban, se realizeaza pe baza unei analize minutioase a zonei in care se va aplica, a caracteristicilor arterelor rutiere, a intersectiilor si a sistemelor de semnalizare. Lucrul acesta cade de obicei in sarcina administratiilor oraselor, a primariilor, in colaborare cu firme cu experienta atat in domeniul consultantei, cat si in domeniul exploatarii sistemelor de semnalizare rutiera, cu institute de cercetare (sau institutii eventual dedicate, cum este de exemplu cazul in Anglia, prin TfL ).

Unitatile si institutiile implicate in implementarea si exploatarea unui sistem de management al traficului urban

Tinand cont de tehnologia de varf implementata, este esential ca personalul si modul de comunicare intre diferitele organizatii sa fie deja agreate si/sau stabilite. Intr-adevar, daca nu se realizeaza diferitele acorduri pentru asigurarea cooperarii, este posibil ca realizarea sistemului sa fie sub rezultatele asteptate.

Grupul de Implementare a Proiectului trebuie sa ia o decizie asupra modului cum va fi operat acest sistemul de management al traficului.

Daca va fi recrutat personal operativ nou, asa cum este recomandabil, atunci acest lucru trebuie sa realizeze inca din etapa de consultanta, pentru ca operatorii sa primeasca instruirea necesara in cadrul noului sistem si sa se familiarizeze cu proiectul, pentru a beneficia de transferul de experienta de la consultant. Daca Primaria nu poate asigura fonduri pentru noul personal, atunci trebuie cautate modalitati de finantare externa. Cooperarea intre Politie, Administratia Strazilor, firmele de mentenanta a sistemelor de semnalizare rutiera, regia de transport si alte organisme importante este esentiala si trebuie stabilite legaturile informationale intre acestea, astfel incat sa fie intelese din timp prioritatile si procedurile care decurg din acestea in cele mai diferite situatii de exploatare.

Situatiile de operare ale sistemului de management al traficului pot fi:

Conditii normale;

Incidente;

Actiuni si efecte ale situatiilor de blocaje in trafic.

Activitatile organizatiilor individuale sunt coordonate si sincronizate prin relatiile de legatura intre organizatiile individuale. De aici incepe deja sa se vada importanta acestor relatii in rolul de "sudare" a componentelor individuale, la nivelul institutional/organizational al Primariei oasului, care este oarecum asemanator cu rolul pe care il are sistemul de comunicatii, la nivel tehnic.

Relatiile dintre organizatiile individuale din cadrul grupului de implementare a proiectului trebuie stabilite astfel incat sa satisfaca fluxul de date si informatii necesar pentru ca solutia tehnica a sistemului sa functioneze. Alternativ, poate apare ca necesara utilizarea relatiilor, aranjamentelor si intelegerilor existente, pentru functionarea solutiei tehnice. Exista numerosi parametri care pot fi folositi pentru determinarea relatiilor dintre organizatiile implicate, cum ar fi:

q          Natura relatiei: ad-hoc sau permanenta;

q          Nivelul de formalism: formala sau informala;

q          Frecventa utilizarii: regulata sau neregulata;

q          Importanta: criteriu subiectiv stabilit in functie de cat de importanta este eficienta relatiei respective pentru operarea intregului sistem de management al traficului;

q          Nivel: care este ierarhia personalului ce participa in relatie.

Pentru a se decide viitoarele relatii de administrare/organizare din cadrul sistemului de management al traficului, trebuie tinut cont de urmatoarele elemente:

Ce reprezinta sistemul de management optimizat al traficului si ce optiuni ofera acesta?

Care este impactul posibil al sistemului asupra utilizatorilor?

Care sunt aspectele legislative - cum se va incadra sistemul in contextul standardizarii?

Care sunt aspectele legate de calitate?

Cine va opera sistemul de management optimizat al traficului?

Cine va detine sistemul?

Ce date sau informatii trebuie transmise intre organizatii?

Cine plateste pentru implementarea sistemului si cum se va finanta acesta?

Ce trebuie finantat?

Ce surse potentiale de finantare exista?

Cine plateste pentru mentenanta si modernizarea sistemului?

Este posibila finantarea din sectorul privat?

Ce structura organizationala sprijina cel mai bine noul sistem?

Cine controleaza sistemul si determina efectele asupra retelei de transporturi?

Care sunt rolurile celor care implementeaza sistemul?

Care este rolul pietei?

Noul serviciu va fi in concordanta cu procesul de transport regional si national?

Cui ii revine responsabilitatea securitatii informatiilor?

Cum va fi asigurata securitatea sistemului si cine va opera securitatea?

Care vor fi legaturile sistemului cu alte sisteme, de exemplu cel de management al urgentelor 112?

Este evident ca lista intrebarilor poate continua destul de mult, insa este important de retinut ca aceste intrebari trebuie sa stea la baza implementarii oricarui sistem nou de aceasta anvergura.

Problemele de institutionalizare si organizare fiind rezolvate, se poate trece la partea de analiza apriorica a conditiilor de implementare a sistemului. Procesul este deosebit de complex, si de obicei municipalitatile apeleaza la serviciile unor firme de consultanta, in urma unor licitatii. Se urmareste in primul rand analiza cat mai detaliata a conditiilor existente, pentru a porni de la o baza informationala ferma in constructia noului sistem.

In mare, principalele etape tehnice sunt urmatoarele:

ETAPELE TEHNICE DE PROIECTARE SI IMPLEMENTARE A UNUI SISTEM DE MANAGEMENT AL TRAFICULUI URBAN

q          Obtinerea de materiale documentare privind infrastructura existenta:

o      harti cadastrale,

o      harti cu traseele liniilor de transport in comun,

o      harti de la politie cu punctele in care frecventa accidentelor este ridicata;

o      documentatii tehnice ale sistemelor de semnalizare rutiera existente

o      documentatii tehnice privind echipamentele si sistemele de management al vehiculelor de transport in comun existente

o      elemente de particularitate al zonelor de interes (existenta unor puncte cu probleme datorita unor factori conecsi: stadioane, cladiri guvernamentale, intreprinderi, mari complexe comerciale, zone aglomerate etc.)

o      studii de trafic precedente (daca exista)

q          Determinarea listei finale a intersectiilor ce vor fi incluse in dirijare centralizata

q          Obtinerea planurilor de constructie si urbanism si stabilirea la nivel administrativ al orasului de politici de trafic si transport

q          Realizarea de studii de trafic in toate intersectiile cuprinse in proiect, dupa metodologii bine puse la punct

q          Realizarea de masuratori privind duratele de calatorie, la orele de varf, intre puncte extreme ale principalelor axe rutiere ale sistemului

q          Realizarea de sondaje pentru determinarea cerintelor de transport public si a principalelor fluxuri de calatori, pe directii si preferinte orare

q          Simulare matematica cu ajutorul calculatoarelor electronice si a programelor specializate:

o      Declararea retelei de drumuri dupa desene in Autocad sau schite cadastrale

o      Introducerea datelor din teren

o      Introducerea datelor de trafic

o      Microsimulare

o      Reproiectare a geometriei intersectiilor si a numarului de benzi pe sens, stabilirea sensurilor unice sau a solutiilor intrinseci de decongestionare a traficului

o      Macrosimulare

o      Analiza fluxurilor de calatori si de trafic la nivel regional

q          Stabilirea caietului de sarcini

q          Licitare pentru implementare a sistemului

q          Urmarirea implementarii sistemului, scolarizare personal exploatant

q          Contracte de mentenanta

q          Teste si masuratori ale sistemului

q          Analiza beneficiilor, solutii noi si strategii

Contorizarea si modelarea matematica a traficului rutier

Studierea comportamentului fluxurilor de trafic reprezinta o operatiune necesara in vederea realizarii de sisteme ITS cu impact in managementul traficului dependent de monitorizarea emisiei de noxe, si nu numai. Pentru atingerea scopurilor definite in modelele europene armonizate pentru trafic, de exemplu, se iau in considerare anumite caracteristici unitare in ceea ce priveste traficul rutier urban. De exemplu, pentru definirea unor modele de emisie a zgomotelor, se considera urmatorii parametri pentru traficul rutier:

Acestea sunt conditiile pentru obtinerea de modele de zgomot standard din traficul considerat "uniform" in zone urbane.

De asemenea, traficul rutier este analizat in diferite circumstante, iar modelul matematic rezultat este dependent de aceste caracteristici ale traficului; in tabelul care urmeaza sunt prezentate cerintele informationale si dependenta acestora de caracteristicile traficului:

DEFINITIE: Termenul de "model matematic de trafic" se refera la un model care descrie desfasurarea traficului intr-o retea data, dependent de anumite caracteristici specifice ale acestuia.

In contextul unui model general de transport, discutia trebuie limitata numai la "modelarea intrarilor de trafic". Cererea de transport, numarul de calatorii efectuate de subiecti in zonele de studiu etc., sunt determinate prin masuratori de trafic.

Determinarile de trafic reale se pot face prin mai multe metode, insa este bine ca ele sa fie efectuate cel putin in orele de varf, pentru a "capta" problemele cele mai importante cu care se confrunta reteaua de drumuri si de a putea evalua capacitatea acesteia de a suporta cererea de trafic.

De asemenea, aceste determinari sunt extrem de importante in ceea ce priveste evaluarea intersectiilor rutiere semnalizate, atat din punctul de vedere al geometriei de executie, cat si al eficientei de semnalizare (cicli, faze si timpi de semnalizare).

Un alt aspect este asa-numita "legatura", adica o portiune de drum selectata intre doua noduri, la care intereseaza ce fluxuri de trafic sosesc, din ce directie anume si care sunt capacitatile de evacuare a vehiculelor in aval de intersectie, pe legaturile de iesire.

Tehnicile de supraveghere utilizate au o importanta cruciala, datorita influentei pe care acestea o au asupra determinarilor de trafic si a declararii fluxurilor de vehicule sau schimbarilor de directie a acestora in intersectii. Fiecare intersectie are propria structura, iar utilizarea unor metode adecvate pentru masurarea traficului este extrem de importanta. Exista mai multe metode si tehnici care pot fi utilizate, dar, desigur, exista si mai multe criterii care trebuie folosite pentru alegerea celei mai potrivite tehnici.

In general, utilizarea unor echipamente specializate este mai usoara si rezultatele masuratorilor au un coeficient de eroare mai redus, insa majoritatea cazurilor nu permit utilizarea intensiva a detectoarelor de trafic, datorita numeroaselor operatii secundare, cum ar fi instalarea echipamentului, supravegherea desfasurarii normale a procesului, precum si prelucrarea ulterioara a datelor de trafic brute. Procesul poate deveni complet automatizat in sisteme de management al traficului deja instalate si operationale, dar nu este cazul pentru sisteme care sunt in curs de implementare.

In general, metodele si tehnicile de supraveghere a traficului se pot rezuma la:

METODE DE MASURARE A TRAFICULUI

• Utilizarea detectoarelor de vehicule; datele sunt colectate si apoi post-procesate, fie prin intermediul unor operatori umani, fie prin utilizarea unor programe speciale de analiza;
• Utilizarea observatorilor umani la fata locului (masurarea manuala a traficului);
• Filmarea secventelor de trafic si utilizarea unor algoritmi de detectie automata a vehiculelor, bazati pe procesarea automata a imaginilor captate.

Prima tehnica este recomandata pentru analiza fluxurilor de trafic. Nu exista erori umane care sa perturbe procesul de masurare a traficului, deoarece pentru detectia vehiculelor sunt folosite echipamente speciale. Aceste echipamente sunt in general compuse dintr-un senzor, un bloc de prelucrare a semnalelor, procesor/controler, memorie pentru inmagazinarea datelor si o sursa de alimentare.

Utilizarea detectiei automate a traficului are propriile avantaje si dezavantaje, dupa cum urmeaza:

fluxul de informatii captat este "error-free" comparativ cu masurarea manuala cu operatori umani;

pentru mai multe categorii de senzori este posibila si clasificarea vehiculelor;

anumite categorii de senzori nu sunt influentate de conditiile atmosferice (buclele inductive, senzorii magnetici);

personalul necesar pentru achizitia de date de trafic este foarte redus numeric sau nu este necesar deloc;

majoritatea senzorilor permit utilizari si montari succesive in mod intensiv;

este necesara analiza si prelucrarea ulterioara a datelor colectate, insa acest lucru se poate obtine si automat;

folosirea acestor metode de detectie nu permite si determinarea directiilor in care converg fluxurile de vehicule.

Utilizarea observatorilor umani pentru a observa si numara vehiculele care intra in intersectii, impreuna cu directiile in care acestea se deplaseaza, nu necesita montarea de echipamente speciale la fata locului, cu exceptia, poate, a detinerii de catre observatori a unor numaratoare speciale portabile (denumite si "clicker-e"). Schitele intersectiilor se pot furniza observatorilor dinainte, in scopul definirii precise a pozitiei fiecarui observator si a directiilor pe care acestia le urmaresc. Aceasta tehnica prezinta unele dezavantaje, printre care:

costurile determinarilor cresc substantial cu numarul intersectiilor examinate, datorita numarului mai mare de observatori angrenati in aceasta activitate;

bratele sau directiile cu mai multe benzi si trafic intens necesita un numar mai mare de observatori;

erorile umane sunt inevitabile si exista un anumit procent de neuniformitate (dezechilibru) intre masuratorile efectuate in diferite locatii;

conditiile meteo dificile pot afecta acuratetea determinarilor de trafic;

vehiculele care obtureaza campul vizual pot cauza pierderea unor date importante;

intersectiile in care se desfasoara cu viteza mare si este dens sunt dificil de evaluat;

datele primare de trafic necesita in mod obligatoriu prelucrare ulterioara (manuala sau asistata de calculator) pentru obtinerea fluxurilor de vehicule etc.

Cea de a treia tehnica - filmarea secventelor de trafic in vederea evaluarii acestuia - necesita operatori special antrenati sau amplasarea camerelor video in locatii speciale, la inaltime, pentru a avea un camp vizual suficient de larg ca sa cuprinda intreaga intersectie.

Dezavantajul principal al metodelor cu camere statice in intersectii este acela ca videocamera va necesita in permanenta un camp vizual larg asupra intregii intersectii si intrarilor acesteia, altfel determinarea traficului fiind imposibila. Pentru acele intersectii in care pozitionarea camerei video la inaltime este imposibila, este necesara utilizarea altor tehnici de determinare a traficului. Acest lucru reprezinta un dezavantaj, deoarece gradul de universalitate al acestei metode nu este foarte mare. Calitatea determinarilor este afectata mai mult decat la alte tehnici de conditiile meteo. De asemenea, pentru observatii menite a se desfasura pe termen lung, este necesara legarea camerelor video la surse de alimentare permanente (retea). Pentru usurarea activitatilor de determinare a traficului pe baza filmelor realizate in intersectii, utilizarea capturii video pe calculator este recomandata, datorita posibilitatilor de derulare rapida si stop-cadru, care pot usura observarea vehiculelor.

De asemenea, utilizarea camerelor digitale pentru captarea imaginilor poate imbunatati substantial calitatea imaginii si capturii video pe calculator. Asemenea camere sunt dotate cu stabilizatoare de imagine, utile pentru reducerea sau inlaturarea completa a tremurului provocat de vibratii sau de tinerea camerei in mana, mai ales la zooming intens. In orice caz, utilizarea intensiva a trepiedelor sau a diferitelor metode de stabilizare mecanica a camerei este foarte recomandata.

In sedintele de noapte se recomanda, de asemenea, utilizarea facilitatilor de incadrare pe timp de noapte sau de filmare amplificata electronic (night shooting), pentru ca unele camere video sunt dotate cu capabilitati de filmare IR.

Dezavantajul major al acestei tehnici este acela ca necesita o a doua faza de masurare: observarea imaginilor filmate si contorizarea efectiva a traficului. Aceasta metoda nu are nevoie de deplasarea unui personal numeros pentru captarea datelor de trafic. Imaginile sunt filmate pe teren, in timp ce procesul de observare are loc intr-o incapere. Conditiile meteo (cum ar fi ceata deasa, ploaia intensa sau viscolul) pot scadea calitatea imaginilor si reduce posibilitatile de determinare corecta a traficului.

Cu toate acestea, un avantaj al tehnicii video este posibilitatea pastrarii casetelor video filmate un timp indelungat, permitand analize ulterioare de trafic si/sau folosirea acestora pe post de exemple pentru alte aplicatii (prezentari, particularitati ale unor intersectii sau analiza de incidente de trafic). Aceasta tehnica are costuri reduse in comparatie cu cea precedenta, deoarece nu este necesara deplasarea unei intregi echipe de observatori in fiecare intersectie. Numai un numar redus de operatori video trebuie sa se deplaseze la fata locului. Observatiile de mai sus relative la erorile umane sunt valabile si pentru aceasta metoda de observare.

Ultima tehnica - utilizarea camerelor video cu software specializat pentru recunoasterea imaginilor (detectie si identificare a vehiculelor, a numarului de inmatriculare, detectie a incidentelor etc.) reprezinta o metoda valoroasa, insa costisitoare. Pentru recunoasterea imaginilor sunt necesare anumite pozitii de amplasare a camerelor, exista anumite cerinte pentru comunicatii, daca programele de prelucrare sunt rezidente intr-un calculator aflat la distanta. Ca urmare, costurile se maresc dupa mai multe aspecte: echipament, lucrari in infrastructura drumului, comunicatii. Personalul necesar pentru prelucrarea datelor de trafic dupa incetarea lucrarilor de montare a echipamentelor se reduce aproape la zero.

Fig. Amplasarea camerelor video pentru detectie pe stalpi, in apropierea drumului

Utilizarea datelor de trafic in modelare

Asa cum s-a mentionat anterior, cererea de transport, numarul de calatorii in zona studiata etc. sunt date considerate initiale. Modelarea cererii este de asemenea considerata ca data de intrare in modelele de trafic. Clasificarea modelelor se bazeaza pe modul in care datele de iesire ale fiecarui model se comporta in functie de timp si spatiu. Astfel, pot exista:

MODELE MATEMATICE DE TRAFIC

Modele de evaluare statice;

Modele de evaluare dinamice;

Modele continue;

Modele bazate pe microsimulare

q          Modelarea statica - reprezinta o metoda clasica de modelare a traficului. Primele modele de transport dezvoltate au fost din aceasta categorie. In anii `60, cand calculatoarele de-abia aparusera pe piata, a devenit posibil calculul fluxurilor de trafic in retelele de strazi. Ca prim pas in aceste procese se realiza modelarea logica statica. Tehnica de modelare este reprezentata de procesul de alocare a unor durate de calatorie in una sau mai multe matrici de tip origine-destinatie (OD) rutelor corespunzatoare din retea, avand ca rezultat obtinerea de fluxuri pe retea. Procesul de evaluare este utilizat pentru si obtinerea unui numar de indicatori, nu numai a fluxurilor de trafic. Principalele obiective ale acestei evaluari sunt:

o      Obtinerea unei imagini de ansamblu a desfasurarii traficului pe intreaga retea;

o      Estimarea costurilor (reprezentate ca durate de calatorie) deplasarii de la un nod la altul al retelei sau de la o zona la alta;

o      Obtinerea densitatilor de trafic pe diferitele legaturi si evaluarea legaturilor congestionate;

o      Estimarea rutelor utilizate pentru fiecare pereche origine-destinatie;

o      Analiza perechilor origine-destinatie ce utilizeaza anumite rute particulare.

Metodele de analiza statica sunt in general de timp, avand ora ca element de baza: prin urmare, matricea origini-destinatii contine duratele de calatorie exprimate in ore la intervalele de varf ale traficului. Capacitatile retelei sunt exprimate ca numar de vehicule pe ora. Ca rezultat, fluxurile estimate de aceasta matrice sunt fluxuri medii orare.

Prin urmare, cu ajutorul metodei statice de evaluare a traficului nu este posibil sa se urmareasca evolutiile instantanee ale traficului in interiorul cuantumurilor orare. Metoda este in special utilizata pentru aplicarea studiilor si politicilor pe termen lung.

Presupunerea care se face in cadrul acestei metode este aceea ca in alegerea rutelor intre punctele origine-destinatie, conducatorii de vehicule se bazeaza pe costurile cele mai reduse la nivelul perceptiei individuale. La randul lor, costurile pot fi divizate fie in costuri monetare, fie in costuri de timp. La modul general, exista trei tipuri de evaluari statice care se bazeaza pe aceasta presupunere:

Evaluarea de tip TOT sau NIMIC: cea mai simpla metoda si alegerea cea mai simpla a rutei. Se presupune initial ca nu exista congestii de trafic si ca toti conducatorii de vehicule au aceleasi atribute pentru alegerea rutei. Conducatorii de vehicule au ponderi egale si sunt perceputi identic. Absenta congestiilor de trafic se traduce prin faptul ca pentru fiecare legatura costurile sunt fixate si de aceea, de ex. de la A la B toti conducatorii de vehicule vor alege aceeasi ruta. Aceasta ruta va fi intotdeauna ruta cu costurile cele mai reduse pentru a calatori de la A la B.

Evaluarea de tip ECHILIBRAREA UTILIZATORILOR: atunci cand calculul fluxurilor de trafic pe o legatura va deveni aproximativ egal sau va depasi capacitatea legaturii, vitezele vehiculelor atinse pe aceasta legatura vor scadea. Rezultatul este cresterea duratelor de calatorie pe aceasta legatura: acest efect se numeste restrangerea capacitatii de trafic. Datorita duratei crescute de calatorie pe un set de legaturi ale retelei, ruta intre origine si destinatie nu mai are capacitatea de a oferi costurile minime. In acest moment pot deveni interesante din acest punct de vedere alte rute, numai daca nu toti conducatorii de vehicule aleg aceste rute. Restrangerea capacitatii poate fi utilizata ca mijloc de imprastiere a fluxurilor de trafic pe o retea. Echilibrul utilizatorilor se atinge atunci cand pentru intreg fluxul de trafic au fost alese rute alternative, astfel incat orice utilizator poate sa isi reduca costurile calatoriei prin schimbarea traseului pe rute alternative. Echilibrul acesta mai este cunoscut si sub denumirea de "Primul principiu al lui Wardrop". Ca rezultat, toate rutele dintre punctele A si B au costuri de calatorie egale, iar toate rutele neutilizate au costuri mai mari. Evaluarea de tip Echilibrul Utilizatorilor tine cont de influenta congestiilor de trafic.

Evaluarea de tip STOCHASTIC: reprezinta o revenire a metodei Echilibrului utilizatorilor, in care se presupune ca toti conducatorii de vehicule au aceleasi informatii si sunt egali, in timp ce in realitate acestia vor lua decizii usor diferite bazate pe perceptii usor diferite. Cu ajutorul metodelor stochastice aceasta problema poate fi rezolvata, cu toate ca nevoia de a alege o a doua ruta optima introduce un nou set de probleme. O alta proprietate a metodelor stochastice este aceea ca la fiecare calcul efectuat, rezultatele modelarii vor diferi intr-o oarecare masura. Aceasta presupune rularea unui numar mare de modelari pentru a obtine rezultate semnificative. In ultimii ani, popularitatea acestei metode se pare ca este in descrestere.

Modelele statice ofera urmatoarele tipuri de rezultate:

REZULTATE ALE MODELELOR STATICE DE TRAFIC

Matricea origini-destinatii cu costuri/distante/durate de calatorie;

Fluxuri de trafic pe legaturi sau pe rute;

Viteze de deplasare pe legaturi/rute (cu toate acestea, in practica, modelele statice sunt rareori calibrate pe viteze);

Rutele alese per pereche origine-destinatie;

Utilizarea legaturilor de anumite perechi origine-destinatie;

Rezultate combinate (numarul total de kilometri calatoriti pe retea, timp total de calatorie pe retea etc.)

q          Modelarea dinamica - metodele de evaluare dinamica a traficului au fost dezvoltate ca evolutie a evaluarii "traditionale" de tip static. Modelele dinamice pot fi utilizate pentru a produce previziuni de trafic privind modul de evolutie a acestuia, variatiile de trafic, si variatiile nivelurilor de congestie. Asemenea modele pot fi utilizate cu succes pentru a repezenta fluxurile de trafic pentru a adapta politicile de trafic mai bine la situatiile reale din teren. De asemenea, aceste modele se pot folosi si pentru predictie si control (de ex. pentru operatorii de trafic), precum si pentru controlul on-line. In combinatie cu modele de tip cerere de trafic sau perioada din zi, modelele dinamice permit realizarea unei alternative pentru modelele statice. La ora actuala, aceste modele nu sunt foarte uzuale pentru aplicatiile practice, insa interesul pentru ele este in continua crestere. Ca tehnica de modelare, asemenea celei statice, in modelarea dinamica se aloca anumite numere de calatorii in perioade de timp determinate in cadrul unor matrici formate din rute ale unei retele, rezultand fluxuri de trafic variabile in timp. Matricile de calatorie sunt definite de obicei ca numar de calatorii intr-o ora sau intr-un sfert de ora.

Profilul tipic al cererii traficului pentru un model dinamic

Modelul dinamic al traficului arata modul in care decurge traficul prin legaturile din retea. Spre deosebire de modelele statice, cele dinamice iau in considerare nu numai cantitativ traficul, ci si calitativ, tinand cont de evolutia in timp a acestuia.

Un model dinamic al traficului genereaza urmatoarele rezultate:

REZULTATELE MODELULUI DINAMIC DE TRAFIC

Duratele de calatorie sau costuri per pereche origine-destinatie pe fiecare ruta;

Nivelurile de variatie in timp a fluxurilor de trafic pe fiecare ruta;

Variatiile in timp ale duratelor de calatorie, fluxurilor si vitezelor pe legaturi;

Rezultate combinate (numarul total de kilometri calatoriti in retea; timpul total calatorit in retea etc.)

Toti acesti indicatori pot fi generati pentru anumite clase specificate de utilizatori.

q          Modelarea continua - efortul cercetatorilor si matematicienilor de a descrie comportamentul traficului rutier a condus la realizarea modelarii continue. Primele incercari au provenit din migrarea unor tehnici de modelare a curgerii fluidelor realizate de catre mari personalitati din domeniul fizicii. Aceste tehnici au fost imbunatatite si adaptate caracteristicilor retelelor de drumuri si traficului rutier, dar evolutia catre modelarea traficului nu a condus deocamdata la aparitia pe scara larga de pachete software capabile de a realiza astfel de modelari. Cu toate acestea, in tarile dezvoltate se duce o intensa cercetare in acest domeniu. Tehnica de modelare tine cont de un model de tip continuu, in care vehiculele nu sunt tratate ca entitati separate. Natura discreta a traficului este idealizata ca fluid omogen. In cadrul acestui continuum, traficul este descris utilizand variabile tipice din domeniul fizicii: densitate, intensitate (de asemenea numita si flux), precum si viteza medie de curgere. Modelul reprezinta vehiculele si conducatorii acestora ca particule in suspensie intr-un lichid ce curge printr-un tub. Principiul de baza al conservarii masei este translatat in principiul conservarii vehiculelor pe un drum. Presiunea reprezinta forta motrice a particulelor in gaze si lichide. Acest mecanism este adaptat, la randul sau, pentru a modela traficul. Particulele din fluxul de trafic (entitatile vehicul-conducator) au un anumit nivel de inteligenta. Comportamentul vehiculelor pe drum este descris de obicei de o functie empirica ce modeleaza conducerea vehiculelor. Aceasta functie este folosita in locul ecuatiei presiunii pentru a obtine un model consistent de trafic pe o artera aglomerata. Cea mai simpla presupunere pentru o asemenea relatie empirica ce reprezinta modul de conducere a vehiculelor pe drum este data de "diagrama fundamentala a fluxurilor de trafic". In figura de mai jos este prezentata aceasta diagrama, in care este redata relatia dintre flux si densitatea de trafic. Un flux de trafic cu densitate redusa conduce la stationarea fluxului (intr-adevar, pe un drum gol nu circula nici un vehicul), in timp ce un flux cu densitate ridicata de asemenea, nu mai curge (reprezentand vehiculele care stau la coada la semafor). Fluxul maxim, denumit si capacitate, se atinge atunci cand densitatea are valori medii.

Diagrama fluxurilor de trafic (k - densitatea traficului, q - viteza de deplasare a vehiculelor)

Modelul ce utilizeaza fluide este reprezentat de un set de ecuatii matematice. Unele dintre acestea pot fi rezolvate pe cale analitica, insa in practica se utilizeaza procedee numerice. Aceasta inseamna ca o legatura este impartita intr-un numar de celule cu lungimi ce variaza intre 10 si 500 m si conditiile de trafic sunt calculate in cuante de timp cuprinse intre 0,5 si 10 secunde. Ca rezultat apare o descriere detaliata a comportarii traficului intr-o diagrama timp-spatiu.

q          Metoda microsimularii microsimularea traficului rutier incearca sa modeleze deplasarea vehiculelor individuale printr-o retea de drumuri pe o perioada specificata de simulare. Un model bazat pe microsimulare realizeaza divizarea perioadei totale de simulare intr-un numar mare de intervale discrete de timp, pentru fiecare dintre acestia utilizand seturi de algoritmi individuali pentru a genera decizii fiecarui vehicul din retea. Deciziile luate sunt apoi utilizate pentru a actualiza pozitiile vehiculelor, viteza si acceleratia acestora. Metodologia utilizata pentru procesul de simulare in micromodelare se poate imparti in doua categorii:

o      Modele in care spatiul disponibil pe drum si vehiculele sunt tratate ca unitati fundamental separate, cu diagrama spatiu-timp vazuta ca un continuum;

o      Modele de tip automat celular, in care spatiul este divizat intr-un numar de segmente discrete, fiecare avand lungimea unui vehicul, ce pot fi avea doar starea de ocupat sau liber de vehicul in orice moment de timp.

Exemplu de diagrama timp-spatiu pentru microsimulare

Abilitatea de a modela vehiculele in mod individual permite modelelor bazate pe microsimulare sa aibe un numar de avantaje fata de modelele traditionale. Microsimularea este utilizata pentru studiul efectelor pe termen scurt ale schemelor de trafic, ale semnalizarii rutiere si pentru prioritatea acordata transportului public. Dupa o calibrare atenta, aceste modele se pot utiliza cu succes pentru evaluarea efectelor traficului urban dens in zonele de congestie. Modelele avansate pot fi utilizate pentru studiul impactului incidentelor, schimbarii benzii de rulare etc. Scara la care se pot desfasura aceste modelari se intinde de la nivelul unor regiuni restranse, pana la mai multe sute de intersectii si mai multe mii de vehicule, la nivel de oras.

Orice model de microsimulare trebuie sa contina:

PARTI COMPONENTE ALE UNUI MODEL DE MICROSIMULARE

Editorul de retea - reprezentarea retelei de drumuri pe care are loc simularea: descrierea drumurilor, a intersectiilor, a liniilor de stop pentru semafoare, benzilor dedicate transportului public sau liniilor de tramvai, trecerilor de pietoni etc.

Baza de date a semnalizarii rutiere - are rolul de a inmagazina configurarile de timp ale semafoarelor rutiere si fluxurilor de trafic controlate pentru fiecare intersectie din cadrul retelei de drumuri. La nivelul de baza al reprezentarii retelei sunt figurate numai semafoarele fara reglare dinamica (cu timpi de semnalizare fixati). Modelarile mai complexe permit reprezentarea semafoarelor care au semnalizare dinamica dependenta de ora din zi, sau semafoare cu semnalizare dinamica, actionata direct de intensitatea traficului rutier.

Baza de date vehicul-conducator - baza de date privind vehiculele contine informatii privind caracteristicile acestora, precum clasificare, parametri mecanici sau fizici specifici (lungime vehicul, viteza maxima posibila, accelerare/decelerare maxima etc.). Baza de date privind conducatorii vehiculelor contine informatii privind comportamentul in trafic al acestora (distributia timpului de reactie, niveluri de toleranta sau agresivitate, neatentii acceptabile etc.).

Modulul de simulare - modulul de simulare reprezinta partea centrala a modelului de microsimulare a traficului. Atunci cand simularea este in desfasurare, modulul creaza iteratii ce fac vehiculele sa avanseze pas cu pas. Modulul de simulare foloseste ca intrari informatiile despre structura retelei, despre semafoare si vehicule, plus informatii suplimentare privind durata dorita a simularii. Vehiculele in retea se pot genera atunci pe baza unor fluxuri bazate pe legaturi, ca iesiri ale unui model de simulare static sau dinamic, sau pachetul poate realiza acest lucru prin propriile subrutine de generare. Un modul tipic de simulare contine un numar de sub-componente ce pot fi rulate in cadrul unui pas al simularii. Printre acestea se numara:

SUBCOMPONENTE ALE RUTINELOR MODELELOR DE MICROSIMULARE

o      Algoritmul de generare a vehiculelor acest algoritm introduce vehicule individuale in retea. Momentul exact de intrare a vehiculelor in retea este in general controlat de o distributie matematica ce beneficiaza de informatiile privind destinatiile vehiculelor (de exemplu, de tip exponentiala-negativa deplasata sau lognormala). Vehiculele singulare (unitatile) sunt generate pe baza unui proces stochastic si reprezinta un amestec al proprietatilor atat fizice ale vehiculelor (clasa, lungime), cat si omportamentale ale conducatorilor acestora (timp de reactie, agresivitate).

o      Algoritmul de definire a principiilor de urmarire a vehiculelor Conform definitiei lui Gabard[2], vehiculele se urmaresc dupa un model "de ecuatie diferentiala a acceleratiei vehiculului functie de comportamentul vehiculelor din fata". Forma generala a modelului de urmarire a vehiculelor se poate scrie ca:

in care marimile reprezinta, respectiv raspunsul, sensibilitatea si stimulii. Raspunsul este acceleratia sau deceleratia vehiculului urmaritor, iar stimulul reprezinta o functie de distanta fizica si diferenta de viteza dintre vehiculul antemergator si cel urmaritor. Natura exacta a parametrilor senzitivitatii poate fi extrem de complexa, cu un grad ridicat de abstractizare pornind de la parametrii reali, cuantificabili, ai relatiei vehicul-conducator.

o      Algoritmul de comportare a semnalizarii rutiere anumite modelari prin microsimulare utilizeaza algoritmi specifici ce guverneaza modul in care vehiculele interactioneaza cu semnalele de trafic. Acest lucru este util pentru modelarea intarzierilor la pornirea de la stop, in scopul evaluarii distributiei vehiculelor in coada de pornire, sau pentru a modela mai corect miscarea in fluxurile lente de trafic.

o      Algoritmul de acceptare a golurilor - acest algoritm guverneaza modul in care vehiculele intra in traficul din sensul opus (comportamentul conducatorilor de vehicule in intersectiile nesemnalizate, cu sens giratoriu, pentru intrarea in traficul adiacent).

o      Algoritmul de schimbare a benzilor - acest algoritm guverneaza legile de schimbare a benzii de rulare a vehiculelor ce se deplaseaza in acelasi sens. El poate fi declansat de o multime de stimuli, cum ar fi reducerea vitezei de deplasare a vehiculului antemergator, sau dorinta de a schimba directia de mers la urmatoarea intersectie, urmata de inscrierea vehiculului pe banda corespunzatoare virajului'

o      Algoritmul de actualizare a pozitiei vehiculelor - acest algoritm defineste legile prin care celulele reprezentarii retelei de drumuri sunt sau nu ocupate de vehicule.

Dintre toate metodele de modelare prezentate pana acum, microsimularea reprezinta una foarte la indemana, datorita posibilitatii utilizarii calculatorului electronic pentru calculul detaliat al pasilor de simulare. Microsimularea prezinta o serie de avantaje, prin aceea ca ea poate fi utilizata si pentru generarea de rezultate conexe simularii (de exemplu pentru generarea amprentei fonice in analiza poluarii mediului de catre traficul rutier, pentru stabilirea de algoritmi de deviere a traficului in cazul depasirii limitelor de zgomot etc.).

Aceste avantaje sunt prezentate in continuare:

AVANTAJELE MICROSIMULARII

Parametrii de trafic care se obtin sunt variabili, atat in domeniul timp, cat si in spatiu, in lungul legaturilor dintre nodurile retelei simulate;

Este posibila modelarea la nivel de detaliu, permitand obtinerea de informatii de viteza si acceleratie de la fiecare vehicul; acesti parametri permit obtinerea in continuare de date pentru alte genuri de modelari, cum ar fi cea pentru analiza emisiilor sonore, care se poate agrega fie din datele separate extrase pentru fiecare vehicul in parte, fie din model in ansamblu, pentru o anumita legatura dintre noduri, obtinandu-se un model de zgomot de ansamblu pentru fiecare legatura in parte;

Modelarea unei mari varietati de tipuri de trafic este posibila;

Este posibila modelarea unor evenimente cu caracter tranzitoriu si cu durata limitata, cum ar fi aparitia incidentelor de trafic;

La ora actuala, pachetele software performante permit editari performante ale retelei de drumuri, vizualizare si instrumentatie de post-procesare;

Instrumentele de vizualizare performante permit post-procesare si ajustari necesare usoare

Aceste modelari au insa si o serie de dezavantaje, dupa cum urmeaza:

DEZAVANTAJELE MICROSIMULARII

Precizia de modelare depinde in mare masura de corectitudinea fluxurilor de trafic ce au fost declarate ca date initiale ale simularii;

Natura stochastica a microsimularii necesita rulari multiple ale aplicatiilor, ceea ce se traduce practic in timp consumat in cantitate mai mare; de aceea aceste aplicatii necesita o putere de calcul suficienta (cu cat reteaua simulata este mai mare, cu atat timpul consumat si puterea de calcul consumata sunt mai mari);

Retelele de drumuri necesita introducerea unor date mai detaliate decat la celelalte modele, uneori fiind chiar necesare date care la alte tipuri de modele nu sunt necesare;

Stabilitatea modelarii poate depinde si de modul de alegere ale cuantelor de timp pentru simulare (de obicei acestea sunt alese in plaja 0,5 sec. - 1 sec.);

Algoritmii specifici de modelare este posibil sa nu se potriveasca cu diferitele situatii de trafic specifice anumitor tari;

Rezultatele la nivel de microsimulare pot necesita utilizarea unor pachete software suplimentare de tip GIS (Geographic Information Systems).

Avantajele si dezavantajele modelarii

Diferitele tipuri de modele si algoritmi de simulare a traficului rutier prezentate anterior permit obtinerea unei serii de informatii utile pentru evaluarea disponibilitatii retelei rutiere urbane sau interurbane, a semnalizarii rutiere, a modului cum aceasta raspunde la cerintele de trafic. Totodata, prin posibilitatea ajustarii parametrilor simularii, este extrem de util sa se realizeze prognoze de trafic, utile pentru dezvoltarea retelei sau pentru studiul zonelor in care se produc accidente cu o frecventa ridicata.

Exemplu de utilizare a modelarii 3 D pe calculator a traficului

Utilizarea modelelor de simulare este, de asemenea, foarte utila in activitatile de proiectare si de suport pentru deciziile politice de dezvoltare a zonelor urbane, de modernizare a arterelor rutiere.

Eficienta diferitelor tipuri de algoritmi de modelare (pe o scara de la 0 la 3)

Efortul depus pentru modelare (0 - redus, 1 - mediu, 2 - relativ ridicat)

Clasificarea si modul in care diferitii algoritmi de simulare satisfac cerintele unei modelari a traficului pot fi analizate din mai multe puncte de vedere. Unul dintre acestea, in cazul utilizarii si a altor modele, poate fi capabilitatea algoritmilor de a produce date de intrare si pentru alte tipuri de modelari, cum ar fi modelarea poluarii fonice, modelarea poluarii cu gaze de esapament si a raspandirii acestora in jurul arterelor de trafic etc. De exemplu, o analiza a acestor algoritmi poate urmari capabilitatea lor de a produce date despre volumele de trafic, viteze, distributii ale vitezelor, (in timp de o ora, pe fiecare legatura, unde diferentele de viteza depind de modul de conducere a masinii si de schimbarea conditiilor de trafic), diagrama de acceleratii si influenta acesteia asupra traficului (influenta proprietatilor fluxului de trafic si modul cum aceasta depinde de componenta vehiculelor in flux). Un punct slab al acestui gen de modelare este necesitatea introducerii ca date de intrare a unor informatii de detaliu ce reprezinta cu acuratete realitatea.

Eficienta diferitilor algoritmi si modele de trafic in producerea datelor de detaliu privind traficul este prezentata in tabelul de mai jos:

D - caracteristica disponibila;

N - caracteristica indisponibila;

R - acuratete redusa a datelor de iesire ale modelului;

P - acuratete ridicata a datelor de iesire ale modelului.

Scorul redus obtinut de modelarea continua si de microsimulare in ceea ce priveste volumele de trafic se datoreaza lipsei acuratetii la alegerea rutei.

Particularitati ale modelelor de simulare

Modelele realizate prin microsimulare permit modelarea fiecarui vehicul in parte, inclusiv a autobuzelor, taxiurilor, biciclistilor sau a tramvaielor, in cadrul unei retele de drumuri. Ele permit de asemenea, o reprezentare realista a modului de comportare a conducatorilor de vehicule in operatii curente precum:

Schimbarea benzilor de circulatie;

Depasirea vehiculelor.

De asemenea, performantele retelei de drumuri sunt evaluate prin modelarea blocarilor intersectiilor. Acestea reprezinta singurele instrumente de modelare realista si analiza CAD a unor elemente tipice transportului rutier, cum ar fi panourile de avertizare cu mesaje variabile, semafoarele invecinate (cu legatura informationala), efectele sau incidentele, parcarea autovehiculelor pe zone carosabile, lucrarile in carosabil sau impactul liniilor de tramvai asupra traficului rutier din retea. Totodata, din partea utilizatorilor retelelor de drumuri, a companiilor de transport si de explatare a autobazelor se primesc tot mai multe solicitari de analiza a duratelor de tranzit pe retea, prin vizualizarea categoriilor de vehicule individuale si studiul comportarii acestora in diferite conditii de trafic. Printre conditiile de trafic se pot simula nu numai cele dinamice, in care sunt modelate aglomerarile de vehicule, ci si conditii ale infrastructurii rutiere, cum ar fi categoria de drumuri, tipurile de intersectii etc. Daca reteaua de drumuri si caracteristicile acesteia sunt reprezentate in sistemul de modelare, reprezentarea cat mai apropiata de realitate a traficului va depinde in precizia de simulare de urmatoarele:

FACTORI DE CARE DEPINDE PRECIZIA DE SIMULARE

Momentele de sosire a autovehiculelor - vehiculele sunt generate la extremitatile retelei de drumuri conform unor distributii matematice bazate pe numere aleatoare;

Modelele de urmarire a vehiculelor - acest element este legat de comportamentul conducatorilor auto si reprezinta modul cum vehiculele "se tin" dupa vehiculele din fata si reactioneaza la schimbarile de viteza ale acestora; modul in care vehiculele se urmaresc este controlat de comportamentul la accelerare si franare (decelerare) atunci cand vehiculele sunt in stationare sau in mers. De exemplu, un factor important in viteza de eliberare a unei intersectii si de modul cum o intersectie conduce traficul in aval este viteza de start din oprirea de la semafor si viteza de raspuns la stimulii vizuali (culoarea verde a semaforului) pentru conducatorii auto. Din acest punct de vedere, este esential ca toti conducatorii de vehicule care sa afla in coada de asteptare la un semafor sa poata vedea indicatiile acestuia si nu sa urmareasca pornirea celorlalte vehicule pentru a porni si ei. Viteza de degajare a intersectiei creste atunci cand designul acelei intersectii permite o astfel de vizibilitate imbunatatita. De asemenea, comportamentul "atent" al conducatorilor de vehicule este in beneficiul vitezei de tranzit a unei intersectii si contribuie la fluiditatea traficului. Este exential, pentru zonele urbane, ca vehiculele "grele", care raspund cu intarziere la schimbarile de trafic (cum ar fi camioanele, autobuzele, troleibuzele etc.) sa fie pe cat posibil "scoase" in afara fluxurilor dense de trafic. Acest lucru nu este intotdeauna posibil, insa. Daca, de exemplu, traficul de camioane in aglomerarile urbane se poate reduce prin crearea unei retele de drumuri ocolitoare ale oraselor (centuri), iar aprovizionarea se face de preferinta cu vehicule de dimensiuni mai mici, o masura dinamica ce permite oarecum "diluarea" traficului in timpul orelor de varf poate fi interzicerea circulatiei camioanelor pe timp de zi in oras. Pentru vehiculele gabaritice si lente care nu pot fi scoase din traficul urban pe timpul zilei (cum ar fi cele destinate transportului public) se utilizeaza metoda realizarii de benzi separate si prioritizare la semafoare.

Diagrama cauzala a factorilor ce influenteaza viteza de tranzit a vehiculelor prin intersectiile semnalizate cu semafoare

Modul de schimbare benzilor vehiculele care schimba banda pe care circula, pentru a depasi zonele cu trafic avand o fluenta mai redusa si a evita cozile care se extind in urma unei intersectii sau pentru a se incadra pe o anumita banda corespunzatoare virajului pe care interntioneaza sa il efectueze intr-o intersectie poate fi de asemenea modelat;

Modelarea situatiilor de trafic cu caracter special microsimlarea permite modelarea unor situatii specifice de trafic, cum ar fi cele create de comportamentul in intersectiile semnalizate cu semne de acordare a prioritatii, intersectii cu semnalizari clipitoare pentru virajul la dreapta atunci cand pe sensul de mers inainte este rosu, sensuri giratorii cu prioritate de intrare a traficului sau situatii de jonctionare a traficului din mai multe directii.

De asemenea, intre diferitele modele de simulare asistata de calculator exista diferente care pornesc de la concept, in ceea ce priveste modelul matematic ce sta la baza construirii acestor programe: unele programe de simulare permit modelarea traficului pe autostrazi si nu sunt potrivite pentru modelarea si analiza traficului urban, in timp ce altele sunt adaptate acestui trafic, permitand modelarea unei retele de drumuri cu o puternica interactiune reciproca, asa cum este in marile orase. Pachetele software de modelare cunoscute, precum TRANSYT, LINSIG, ARCADY sau PICADY (cunoscute ca instrumente de macromodelare) asigura posibilitatea declararii unui numar mare de informatii despre trafic. De obicei aceste informatii se refera la fluxurile de vehicule pe ora, iar alte modele utilizeaza ca informatie de intrare pachete de vehicule ce intra in retea, exprimate ca fluxuri de vehicule pentru intervale orare definite.

Metodele conventionale de modelare a traficului utilizeaza algoritmi empirici bazati pe date colectate de la un numar cat mai mare de intersectii sau puncte de analiza a traficului. Acestea difera in general, de la caz la caz (de exemplu, de la tara la tara) in ceea ce priveste modelarea comportamentului conducatorilor de vehicule. Diferentele majore dintre metodele conventionale de evaluare a traficului si transportului si Microsimulare sunt prezentate in tabelul care urmeaza:

Comparatie intre caracteristicile principalelor modele si programe de simulare

Exista o varietate destul de cuprinzatoare de pachete software destinate simularii si analizei traficului rutier, planificarii transporturilor urbane sau evaluarii intersectiilor. Cu toate acestea, preturile acestor programe sunt destul de prohibitive inca. Cele mai larg utilizate programe de simulare sunt PARAMICS si VISSIM. DRACULA, care este destul de apropiat de SATURN, are de asemenea cautare, mai ales in Marea Britanie. Pe langa acestea, se mai utilizeaza si AIMSUN, HUTSIM si SISTM. Simulatoarele PARAMICS si VISSIM sunt utilizate pentru analiza traficului si a conditiilor de realizare a retelor de drumuri.

Limitari ale simulatoarelor software

Aceste pachete software s-au dezvoltat de-a lungul timpului, trecand prin mai multe variante, incorporand tot mai multe functii. Cu toate acestea, raman inca multe de adaugat pana cand programele respective vor deveni capabile sa prelucreze toate scenariile posibile. In continuare sunt prezentate cateva limitari cunoscute ale versiunilor existente ce ar trebui cunoscute si tinut cont de ele atunci cand se fac simulari cu aceste programe.

Modelarea deplasarii pietonilor este posibila, cu toate ca nu este reprezentata in totalitate. Atentia principala este indreptata asupra efectului prezentei pietonilor asupra miscarii vehiculelor. Programul VISSIM suporta diferite facilitati de declarare a caracteristicilor trecerilor de pietoni si permite determinarea intarzierilor provocate de acestea in traficul auto normal, atunci cand pietonii traverseaza o strada. PARAMICS este la ora actuala un program de asistare pe calculator in care influenta pietonilor este inclusa numai pentru simularea timpilor de semnalizare pentru fazele specifice semafoarelor destinate pietonilor. Aceste programe permit determinarea unor faze specifice functie de densitatea fluxurilor pietonale. Cu toate acestea, introducerea unor informatii privind trecerile pietonilor care se "strecoara" prin golurile dintre masini in zonele nesemnalizate sau chiar pe culoarea rosie la trecerile semnalizate, nu este posibila, desi exista in realitate.

Depasirea pe drumurile cu o singura banda este o comportare destul de frecventa in marile orase. De exemplu, acolo unde vehiculele se opresc in mod legal sau chiar ilegal, obliga pe celelalte vehicule participante la trafic sa le depaseasca. Acest gen de manevre poate avea loc in diferite locuri din reteaua urbana de drumuri, insa nu este definit in mod explicit in programele VISSIM si PARAMICS. Cu toate acestea, programul PARAMICS are posibilitatea de a reprezenta acest comportament, insa numai pentru simularile de trafic pe autostrazi.

Versiunile curente ale pachetelor mai populare VISSIM si PARAMICS nu au inca posibilitatea de a optimiza configurarile de timp in intersectiile semnalizate cu semafoare. Programul CROSSIG a fost introdus de curand ca un complement al VISSIM pentru a functiona ca element de optimizare a semnalizarii optice. Ca rezultat, in prezent programele TRANSYT, LINSIG si OSCADY sunt in continuare singurele programe care reusesc aceste functii.

La modelarea retelelor de drumuri, in cazul operarii la capacitati apropiate de cea maxima, schimbari mici aduse modului in care vehiculele sunt generate in retea pot avea implicatii importante. Nici unul din aceste pachete soft nu suporta introducerea de date privind timpii de sosire a vehiculelor, ci se bazeaza pe functii implicite de generare aleatoare a vehiculelor la extremitatile retelelor de drumuri.

Inainte de a incepe un studiu de optimizare pentru o retea urbana de drumuri este extrem de important sa se analizeze implicatiile oricarei limitari a pachetelor software de microsimulare utilizate in acest scop.

Modelele de microsimulare sunt in general scumpe, deoarece amploarea necesara activitatilor de colectare a datelor pentru pregatirea unor modele de trafic bine documentate este importanta. De aceea, atunci cand se constata ca un asemenea model este necesar, este bine sa se tina cont de urmatoarele aspecte:

Reprezinta microsimularea metoda cea mai simpla, eficienta si ieftina metoda de analiza a traficului si de obtinere a unor solutii de optimizare?

Calitatea modelelor rezultate justifica cheltuielile cu obtinerea datelor si cu licentele software?

In comparatie cu metodele deja existente, modelele de microsimulare demonstreaza performante superioare si conduc la o geometrie avansata a intersectiilor, respectiv la solutii de trafic mai eficiente?

Cateva argumente care justifica utilizarea modelelor de microsimulare sunt prezentate in continuare:

q          Existenta conflictelor importante intre utilizatorii drumurilor (pietoni, biciclisti, autobuze etc.);

q          Considerarea unor solutii avansate de management al traficului ce includ si prioritizarea vehiculelor de transport public in intersectii, detectia selectiva a vehiculelor, sisteme inteligente de transport ce utilizeaza panourile cu mesaje variabile etc.;

q          Examinarea impactului lucrarilor majore de amenajare a drumurilor, inchiderea unor benzi de circulatie, lucrarilor pe un singur sens de deplasare, vehiculelor parcate pe marginea drumurilor, punctelor de taxare etc. asupra miscarii vehiculelor;

q          Evaluarea impactului asupra mediului prin scheme ce includ modele de poluare fonica sau emisii de gaze (noxe) datorate traficului rutier;

q          Realizarea si implementarea unor proiecte mai delicate ce necesita sensibilizarea opiniei publice se face mai usor prin realizarea de reprezentari 3D ale simularilor de trafic;

q          Planificarea si realizarea de proiecte ce implica fonduri mari de investitie este mult facilitata de modelarea bazata pe microsimulare;

q          Modelarea unor retele de intersectii mixte, cum sunt intersectiile semnalizate si cele nesemnalizate, precum sensurile giratorii si trecerile de pietoni;

q          Considerarea unor scheme de trafic ce includ linii de tramvai sau de metrou usor;

q          Realizarea de timpi optimizati pentru semnalizarile optice rutiere;

q          Realizarea de studii privind traficul de pietoni, fluxurile de calatori etc.

Probleme legate de modelare

Demararea unor proiecte de sisteme de management optimizat al traficului rutier urban si transporturilor publice de calatori se face pe baza unor etape bine stabilite. Este necesar, asa cum s-a aratat anterior, sa se porneasca de la studii de trafic cat mai complexe, pentru a putea include informatii despre modul de desfasurare a traficului inca de la inceput in instrumentele de analiza si simulare a traficului urban. Datele de trafic, cu cat sunt mai reale, cu atat ajuta mai mult la realizarea inca din faza de proiectare a unor solutii de optimizare efective, in beneficiul tuturor utilizatorilor retelelor de drumuri. Pe de alta parte, managerii de proiecte trebuie sa fie familiarizati cu elementele fundamentale care pot influenta modelarea prin microsimulare a traficului.

Fig. Fluxuri operationale in modelarea traficului urban

Cerintele privind datele de intrare sunt dependente de natura analizei efectuate. In general, obiectivele proiectului si rezultatele care se doresc a se obtine de la acesta sunt primele date de care se tine cont, insa pentru modelare pe baza microsimularii, este obligatoriu sa se aiba in vedere si urmatoarele tipuri de informatii:

Tab. Structura informatiilor necesare pentru optimizarea prin microsimulare a traficului rutier urban

Modelarea traficului, chiar daca se va face pe baza utilizarii unor programe de microsimulare, trebuie efectuata numai pe baza unor informatii amanuntite privind caracteristicile locale ale traficului. Pasii urmatori reprezinta un numar minim de cerinte:

q          Se verifica versiunea software utilizata;

q          Se realizeaza o testare a modelului de baza de simulare, la viteza normala de derulare, pentru determinarea existentei eventualelor anomalii, cum ar fi:

o      Suprapunerea benzilor;

o      Utilizare ineficienta a benzilor;

o      Vehicule ce nu pot depasi biciclisti sau motociclisti datorita latimii insuficiente a benzilor rutiere;

o      Manevre nerealiste ale conducatorilor auto;

o      Vehicule care se opresc unde si cand nu este nevoie;

o      Vehicule care circula eronat pe unele benzi etc.

q          Se examineaza valorile statistice elaborate de programul de simulare, pentru a determina daca exista diferente intre valorile observate si cele determinate prin microsimulare, in ceea ce priveste lungimea cozilor de asteptare, daca aceste valori se situeaza in limite acceptabile;

q          Se verifica dimensiunile si dimensionarea retelei de drumuri (latimea benzilor etc.), planurile de semnalizare la semafoare, precum si datele de trafic;

q          Se verifica parametrii-cheie pentru intreaga retea;

q          Se verifica jurnalul de erori al programului, care nu trebuie sa contina erori.

Alte probleme care trebuie considerate pentru a obtine o modelare cat mai realista, care sa serveasca drept baza in generarea de solutii de optimizare a traficului, ar putea fi urmatoarele:

q          Echipa de ingineri care opereaza programele si cei care furnizeaza informatiile trebuie sa fie suficient de instruita pentru a "percepe" din mers eventualele neconcordante fata de realitate;

q          Masurarea tradficului sa se faca pe cat posibil la aceleasi ore din zi si in aceleasi zile din saptamana, sa se evite masuratorile de trafic din zilele in care acesta este atipic;

q          Daca in zona monitorizata exista deja sisteme de dirijare a traficului (UTC), atunci trebuie verificat daca acesta a functionat in conditii normale in timpul observatiilor, sau a functionat in regim de avarie pentru anumite zone;

q          O atentie deosebita trebuie sa se acorde si modelarii unor participanti la trafic precum biciclistii sau motociclistii, care trebuie sa depaseasca pe aceleasi benzi ca si celelalte vehicule si trebuie sa se apropie cat mai mult de linia de stop atunci cand exista cozi la semafoare;

q          La fluxuri pietonale mai mari de 400 pietoni pe ora este important ca sosirea acestora sa se modeleze prin observarea efectului uniformitatii sau neuniformitatii ratei de sosire a pietonilor la trecere;

q          Reprezentarea cu acuratete a modului de alegere (selectie) a benzii de iesire din intersectie, mai ales atunci cand trecerile de pietoni sunt amplasate foarte aproape de acestea, obturand buna observare a iesirilor;

q          Unele modele de simulare implementate in programe precum PARAMICS si VISSIM permit introducerea de date privind nivelul de cunoastere si gradul de familiarizare a conducatorilor auto cu reteaua de drumuri (facilitatea "Sign Posting and Hazards" din PARAMICS si "Look Ahead Distance" din VISSIM);

q          Reprezentarea cu acuratete a comportamentului traficului si din punctul de vedere al parcarii vehiculelor, pentru a evalua eventualele beneficii ce se pot obtine din optimizarea parcarilor sau a spatiilor destinate acestora;

q          Incapacitatea de a reprezenta ratele de sosire a vehiculelor la intersectii sau parcari poate conduce la erori importante ale simularii;

q          O atentie deosebita trebuie acordata modelarii deplasarii vehiculelor de transport in comun pe benzile dedicate; de asemenea, trebuie modelate corect si opririle tehnologice de pe traseu sau de la capat, cum ar fi: schimbarea soferilor in ture, introducerea programelor, opriri pentru curatarea vehiculelor etc.;

q          O serie de programe de simulare si micromodelare permit modelarea comportamentului privind parcarea ilegala a vehiculelor;

q          O alta problema de finete a modelarii o reprezinta oprirea autobuzelor in statii care nu au spatii amenajate special pentru acest scop, cand autobuzele ocupa o banda din traficul normal si creaza gatuiri ale acestuia

Modelarea matematica a traficului rutier

Principii de modelare

Importanta transporturilor pentru economie este deosebita, si orice subliniere a acesteia nu mai are rost. De aceea, studiile de transport si posibilitatea de a obtine beneficii cu cheltuieli minime prin modelarea si simularea traficului au capatat in ultima vreme o amploare deosebita. Tot mai multe orase introduc aceste tehnici in planurile de urbanism, pentru dezvoltarea unei societati mai putin poluate si mai eficiente.

Teoriile referitoare la fluxurile de trafic rutier incearca sa descrie in mod matematic interactiunile care au loc intre vehicule sau intre acestea si operatorii de infrastructura. Primele studii stiintifice din domeniul transporturilor rutiere isi au originile in anii 1930, de cand au aparut primele teorii in acest sens, care au fost folosite si sunt inca dezvolatate si in prezent.

Aceste studii dezvolta modele legate de teoria modului in care se urmaresc doua vehicule care ruleaza pe o sosea, comportamentul conducatorilor auto, teoria densitatii fluxurilor de vehiucle, acceptarii golurilor intre vehicule, teorii de formare a cozilor de asteptare la semafoare, de schimbare a benzii de rulare etc. Majoritatea acestor studii se concentreaza asupra explicarii si explorarii cat mai amanuntite a relatiilor care se formeaza intre elementele de interes din teoria traficului (debit al fluxului de vehicule, viteza de "curgere", densitate, spatiu, timp de calatorie, raspuns etc.), prin stabilirea ecuatiilor matematice ale modelului. Multe eforturi sunt indreptate catre explorarea si exploatarea parametrilor adecvati, sau a coeficientilor din aceste modele. De aceea, uneori exprimarea matematica a acestor modele este complicata.

q          CONCEPTUL DE URMARIRE A VEHICULELOR - reprezinta una din cele mai foloisite teorii din zilele noastre. In cadrul acestui model matematic se urmareste modul in care un conducator de vehicul:

o      Pastreaza distanta fata de vehiculul din fata;

o      Evita coliziunile.

Modul relativ simplu in care doua vehicule, care circula pe o portiune liniara de drum, fara depasiri sau intersectii, poate fi modelat matematic daca se tine cont in primul rand de urmatoarele elemente specifice:

PERCEPTIE;

DECIZIE;

CONTROL.

Fig. Diagrama logica a modelului de urmarire a vehiculelor

Diagrama de mai sus prezinta inlantuirea logica a etapelor ce se pot cuantiza intr-o modelare matematica. Ecuatiile acestei modelari trebuie sa reproduca proprietatile dinamice ale vehiculului si caracteristicile drumului. Cu toate acestea, sistemele de trafic sunt caracterizate de un numar de proprietati care le fac dificil de analizat, controlat si, implicit, optimizat. Acest dezavantaj provine din faptul ca retelele de drumuri si traficul rutier sunt in mod inerent dinamice prin natura lor; numarul de vehicule (unitati) din sistem variaza in timp, cu un mare factor de relativitate si aleatorism. Expresiile matematice fac ca teoriile asociate traficului rutier sa fie mai greu de inteles, implicit generand dificultati in intelegerea si utilizarea modelelor. Este necesar sa se dispuna de instrumente eficiente de evaluare si intelegere a acestor teorii, simularile pe calculator fiind in acest sens de un real folos.

Simularea pe calculator a traficului rutier dateaza inca din anul 1955 si a devenit un instrument larg raspandit in domeniul ingineriei in transporturi pentru o varietate mare de aplicatii, pornind de la cercetarea stiintifica, educatie si demonstrare. Modelele de simulare a traficului rutier pot imbraca diferite forme, fiecare dintre acestea satisfacand un anumit domeniu de aplicatii. Aria de aplicabilitate a acestor modele se extinde in urmatoarele directii:

controlul traficului rutier;

planificarea transporturilor;

proiectare;

cercetare.

Aproape in totalitate, modelele de simulare descriu sisteme dinamice, avand ca variabila independenta intotdeauna timpul.

Modelele de simulare continue descriu modul in care elementele unui sistem isi schimba starea in mod continuu in timp, ca raspuns la stimuli cu evolutie de asemenea continua in timp.

Modelele de simulare discrete reprezinta sistemele din lumea reala (care sunt atat reale, cat si discrete) pe baza presupunerii ca starea lor se schimba brusc la anumite intervale de timp.

Modelele de simulare se mai pot clasifica si functie de nivelul de detaliu cu care ele reprezinta sistemele pe care le modeleaza:

Modele microscopice (de inalta rezolutie);

Modele mezoscopice (rezolutie medie);

Modele macroscopice (rezolutie mica).

Se pare ca modelele microscopice vor domina simularea in cadrul modelarii traficului, ca si utilizarea pe scara larga a calculului paralel. Unul din cele mai des modelate fenomene specifice traficului rutier este modul de urmarire dintre doua vehicule care circula pe aceeasi banda.

In ceea ce priveste programele de simulare pentru calculator, ele se pot clasifica in limbaje specifice pentru Simulare si limbaje Generale. Primele usureaza foarte mult sarcina de a dezvolta software specific pentru simulare, prin numeroasele caracteristici incorporate pe care le contin, care compileaza functiile legate de statistica si automatizeaza analiza si modeloarea unor fenomene des intalnite in trafic, cum ar fi mecanismele de formare a cozilor. Limbajele generale sunt de tip:

o      Procedural - C++, BASIC, PASCAL etc.;

o      Orientate pe obiecte - SMALLTALK, C++, JAVA etc.

Limbajele orientate pe obiecte suporta conceptul de software refolosibil si pot comunica unul cu celalalt pentru rezolvarea anumitor probleme, de aceea ele castiga tot mai mult teren in ultima vreme.

Acuratetea simularii si gradul de fezabilitate al modelului reprezinta probleme cheie ce afecteaza in cea mai mare masura increderea utilizatorului intr-un model de simulare. Printre cele mai cunoscute programe de simulare actuale se numara:

o      PARAMICS - Quadstone PARAMICS reprezinta o suita de instrumente de simulare microscopica a traficului rutier.

Fig. Subprogram de modelare 3D a gabaritului vehiculelor in PARAMICS

PARAMICS ofera o platforma puternica de simulare pentru realizarea de simulari a unei multitudini de situatii din domeniul traficului si transportului rutier. El este bazat pe intercorelarea intre mai multe module scalabile si proiectat pentru a rezolva scenarii ce se extind de la modelarea unei intersectii singulare pana la autostrazi congestionate de trafic sau la modelarea unui intreg sistem de transport pentru un oras. La ora actuala, programul PARAMICS reprezinta o suita multifunctionala care a ajuns la versiunea 5.1 BETA. Ea cuprinde urmatoarele module: Modelator, Estimator, Procesor, Analizor, Programator, Monitor, Designer si Viewer.

Fig. Modelare 2D pentru o intersectie a unei autostrazi in mediu urban in PARAMICS

Fig. Sectiune din subprogramul ANALYSER pentru aceeasi intersectie

Instrumentele software din suita PARAMICS permit construirea retelei de drumuri, analiza comportamentului conducatorilor auto, calibrarea si validarea modelului, precum si urmarirea modului de functionare prin statistici matematice ale simularilor. In plus, aceste programe ofera numeroase facilitati de vizualizare 3D a lumii virtuale. Printre acestea se numara: geometria tridimensionala a retelei, formele reale ale vehiculelor, efectele meteorologice, maparea terenului, captura video in timp real, precum si video editarea si stocarea, foarte utile pentru prezentari.

o      CORSIM (Corridor Simulation Manual and Resources) - reprezinta un instrument de simulare a traficului, aplicabil pentru strazi, autostrazi si retele integrate cu o selectie completa a dispozitivelor de control (semne de circulatie, semafoare si sisteme de acces pe autostrada). CORSIM simuleaza traficul si sistemele de control pentru trafic pe baza unor modele universal valabile privind comportamentul conducatorilor auto si al vehiculelor. CORSIM combina doua din cele mai larg utilizate modele de simulare a traficului si anume NETSIM pentru strazi de suprafata si FREESIM pentru autostrazi. Acest program permite, printre altele, modelarea comportamentului si efectului vehiculelor de mari dimensiuni (HOV[3]), a incidentelor de trafic ce pot apare pe benzile ocupate de aceste vehicule, accesul pe autostrazi etc.

o      VISSIM - reprezinta un instrument de microsimulare, bazat pe comportament si avand rol multifunctional in analiza si simularea traficului. El ofera o serie de aplicatii pentru analiza traficului urban sau pe autostrazi si reprezinta un instrument de optimizare a sistemelor tehnice complexe. VISSIM permite integrarea transportului public sau a celui privat in simulari. Combinatia cu animatia 3D si cu instrumentele de analiza ofera conditii de analiza deosebite.

Fig. Exemplu de imagine din subansamblul 3D pentru analiza designului optim al unei intersectii (din punct de vedere al insulelor si geometriei)

De asemenea, VISSIM permite introducerea si analiza prin simulare a unor functii de optimizare a transportului urban, cum ar fi cele de prioritizare a mijloacelor de transport in comun in intersectii; este cunoscut insa faptul ca acest procedeu functioneaza cel mai bine atunci cand aceste vehicule se deplaseaza pe benzi dedicate. De aceea consider ca pentru Bucuresti este extrem de important sa se respecte marcajele benzilor pentru vehiculele transportului public. Acest lucru nu se poate obtine decat printr-o disciplinare fortata a conducatorilor auto, prin aplicarea de amenzi cu regularitate pentru parcarile ilegale, prin educarea globala si interventii repetate in mijloacele mass media de constientizare privind un comportament civilizat pe drumurile publice, mai ales in legatura cu respectarea legalitatii.

Fig. Model VISSIM al unei intersectii cu sens giratoriu, realizat pentru studiul evolutiei traficului in cazul acordarii de prioritate pentru mijloacele de transport public. Se observa si linia de tramvai care traverseaza mijlocul insulei

Fig. Programul ofera posibilitatea suprapunerii imaginilor preluate din elicopter cu modelele realizate

Aceasta suita de facilitati de programare cuprinde, printre altele:

Un editor de retea intuitiv cu interfata de utilizator configurabila si topologie flexibila a retelei;

Posibilitatea de a crea retele de drumuri bazat pe imagini de fundal (de exemplu, harti ale oraselor, fotografie aeriana, desene in AUTOCAD in diferite formate digitale etc.);

Posibilitatea de a pozitiona foarte precis diferitele elemente ale retelelor de drumuri (detectoare de vehicule, semnale, reguli de prioritate) si a unor elemente stochastice (distributii dorite ale vitezelor, comportament privind acceleratia si modele de urmarire a vehiculelor in coloane etc.);

Posibilitatea de import a retelelor de drumuri create cu ajutorul altor programe (VISSIM) care au fost exportate din VISUM, CROSSIG

o      Alte programe de simulare mai des utilizate sunt: INTEGRATION, TRANSMIS etc.

Printre caracteristicile comune acestor programe se numara:

o      Simularea microscopica si bazarea pe modelele traditionale - Cele mai multe dintre aceste instrumente de simulare modeleaza traficul la nivelul vehiculelor individuale, fiind modele stochastice. Ele sunt dezvoltate pe baza unor modele traditionale de trafic ce contin seturi de ecuatii matematice. De exemplu, modelele de urmarire a vehiculelor, modelele de acceptare a golurilor in coloanele de vehicule, modelele de schimbare a benzilor de rulare sunt deja module incluse in aceste programe. PARAMICS si VISSIM au la baza chiar modele ale comportamentului psiho-fizic al conducatorilor auto dezvoltat in teoria lui Wiederman (1974);

o      Utilizarea programarii orientata pe obiecte - se face mai ales datorita existentei a numerosi programatori Java, C++, Visual Basic etc.

o      Interfete utilizator prietenoase - cel mai des acestea reprezinta un mare ajutor pentru programator, fiind destinate introducerii si vizualizarii de date 2D sau 3D ale simularilor.

Utilizarea in modelarea traficului a teoriei dinamicii sistemelor

In comparatie cu alte metode de simulare descrise anterior, avantajele utilizarii teoriei dinamicii sistemelor la simularea fluxurilor de vehicule are o serie de avantaje:

q          Structura modelului este asemanatoare lumii reale; modelele sunt construite pe baza de structuri grafice, in loc de a fi in majoritate reprezentate prin coduri;

q          Relatii cauza-efect foarte bine precizate: toate variabilele (obiectele) modelului sunt interconectate cu celelalte variabile via conectori ce reprezinta actiuni; in acest fel, toate relatiile cauza-efect pot fi urmarite cu usurinta (de exemplu, in programul STELLA aceste relatii sunt reprezentate cu sageti);

q          Utilizarea unor ecuatii matematice simple: relatiile complexe sunt descompuse in perechi variabile - legaturi intre variabile, care in marea majoritate a cazurilor pot fi exprimate prin functii logice si ecuatii matematice simple, de tip "daca-atunci-altfel";

q          Structura modelelor se poate schimba cu usurinta, combina sau ajusta conform cu cerintele, datorita formei orientata pe obiecte;

q          Toate aceste tipuri de modelari permit rularea evenimentelor la viteze variabile, permitand analize detaliate in timp, fata de lumea reala;

q          Rezultatele simularilor se pot exporta in diferite formate (cel mai des se utilizeaza cel de baze de date .dbf).

Realizarea modelului de baza

Pentru realizarea unui model de baza studiul incepe cu modul e comportare al retelelor de drumuri. Mai intai, reteaua de drumuri este divizata in sectiuni cu o singura banda ce formeaza componenta de baza a sistemului. In mod asemanator cu teoria sistemelor discrete dinamice, se defineste un fel de automat celular, reprezentat de o sectiune a unui astfel de drum cu o singura banda, denumita "Celula" . Aceasta celula are doua stari definitorii binare si reguli pentru definirea starii urmatoare, in functie de starea celulelor cu care se invecineaza.

Fig. Modul de divizare celulara in vederea realizarii modelului de microsimulare a traficului rutier (negru - celula ocupata, alb - celula libera). Arcurile reprezinta regulile de interdependenta intre celulele vecine

o      Sectiunea drumului - sectiunea drumului este folosita ca o componenta elementara pentru realizarea modelului. In aceasta faza sunt considerate numai sectiunile de drum cu o singura banda. Definitia pentru sectiunea de drum este: "o portiune de drum terminata la ambele capete cu separatori, care pot fi semafoare, treceri de pietoni sau insule cu sens giratoriu, sau separata prin orice alt brat al unui drum fara semnalizare sau alte elemente de geometrie (intr-o intersectie)" . Din acest motiv, lungimea unei sectiuni de drum poate varia mult de la sectiuni foarte scurte (daca doi separatori sunt foarte apropiati) sau lungi (daca nu sunt separatori pe distante mari).

o      Celula - pentru a putea specifica detaliile drumului, la fel ca in teoria sistemelor automate, fiecare sectiune de drum este divizata in celule, adica portiunea de drum delimitata de doua linii ale unei retele raster. Fiecare celula contine un numar redus de biti de date. De exemplu, valoarea logica "0" este utilizata pentru a reprezenta o celula goala, in timp ce valoarea "1" reprezinta o celula ocupata de un vehicul. Dimensiunile reale ale celulelor variaza intre 5 si 7,5 m. Pentru a simplifica un model, toate vehiculele sunt considerate "unitare" , adica autoturisme. De fapt, lungimea celulei nu trebuie sa afecteze teoria modelului.

o      Regulile - bazat pe realitate, un vehicul se va deplasa inainte numai cand exista un spatiu liber in fata sa, si se va opri atunci cand nu este nici un spatiu liber. Fiecare stare a fiecarei celule va fi influentata de starea celulei din fata si in acelasi timp va afecta starea celulei din spatele sau. De exemplu, daca starea logica "1" este utilizata pentru a reprezenta prezenta unui vehicul intr-o celula, iar valoarea "0" reprezinta un gol (o celula neocupata), pentru un numar de trei celule se poate defini regula de interdependenta (o celula si doua celule invecinate) valabila pentru toate miscarile care se pot petrece in realitate pe un drum. Sunt posibile 2³ combinatii pentru aceste celule, si anume:

000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, si 111

Conform acestei ordini (presupunand ca vehiculele sosesc in aceasta portiune de drum de la stanga la dreapta, celula din centru isi va schimba starea in urmatorul tact. In tabelul de mai jos sunt prezentate aceste schimbari de stare pentru celula centrala.

Tab. Evolutia starii logice a celulelor intermediare

X reprezinta orice stare a celulelor vecine. Se observa cateva cazuri particulare, ca exemplu: daca celula centrala este ocupata (rand 4) si celula urmatoare este tot ocupata, starea urmatoare a celulei centrale va fi tot ocupata, pentru ca vehiculul care o ocupa nu poate inainta. Daca celula centrala este ocupata (rand 9) dar cea urmatoare este libera, starea urmatoare pentru celula centrala este libera, petnru ca vehiculul care o ocupa poate inainta. In acest fel se stabilesc in mod automat relatii de interdependenta la nivel celular pentru elementele de baza ale modelului.

Definirea starilor logice ale modelului microscopic

Formularea modelului microscopic de baza

Pentru realizarea unui model de baza se poate implementa o sectiune de drum formata din 6 celule, ceea ce inseamna ca la un moment dat se pot afla pe drumul respectiv cel mult 6 vehicule. Vehiculul care soseste intra in ultima celula, atunci cand aceasta este libera. Elementul fundamental de timp al modelului este pasul, reprezentat de diviziunea minima de timp, si anume posibilitatea ca un vehicul sa avanseze o celula.

Se fac urmatoarele notatii:

n - numarul pasului ;

v - starea vehiculului, indicata de celula pe care o ocupa (indicele reprezinta in ce celula se afla vehiculul);

s -starea semaforului (indicele reprezinta in ce pas se afla semaforul); se asociaza valoarea logica "1" pentru semafor pe oprire (rosu) si valoarea logica "0" pentru semafor pe culoare permisiva (verde sau galben[4]).

Conditia de baza petnru avansarea unui vehicul este:

adica vehiculul din celula n (v_n) poate avansa o celula (v_n+1) daca si numai daca celula de ordin n+1 este libera. Simularea la nivel microscopic presupune ca la un moment dat un singur vehicul poate sa avanseze pe durata unui pas. De asemenea, pentru ca vehiculul din prima celula sa poata avansa (n=1) este necesar ca la semafor sa fie culoarea verde, adica valoarea lui s pe starea n + 1 sa fie 0.

Conditia ca vehiculul sa ramana pe loc este:

Contributii la modelarea si optimizarea eliberarii cozilor de la semafoare

Masina din prima celula o poate parasi pe aceasta daca este satisfacuta conditia ca celula din sectiunea urmatoare sa fie libera. Valorile initiale ale modelului sunt considerate pentru o coada de vehicule la semafor, adica se considera vectorul:

in care c₁c₆ sunt celulele modelului, iar valorile din randul 1 reprezinta starea celulelor (ocupat sau nu cu vehicule). Starea semaforului se presupune initial ca fiind 1, adica pe oprire. Prin urmare este formata o coada de 6 vehicule la semafor si semaforul este pe oprire.

Fig. Diagrama de stare pentru pasul 0 in modelul microscopic de baza

In acest caz se impune o prima observatie. Modelul a fost definit pentru analiza formarii de cozi la intersectii semaforizate. Daca in definirea modelului se introduce posibilitatea ca TOATE vehiculele sa poata avansa un pas in cazul eliberarii separatorului, atunci se poate defini o prima regula de optimizare pentru cozile de asteptare la semafoare: pozitionarea in loc vizibil pentru toate vehiculele de la coada a semaforului, astfel incat sa se minimizeze durata de intarziere care se inregistreaza la start de pe loc, cand practic coada "se intinde", intarziind tranzitarea vehiculelor in formatie compacta prin intersectie (presupunand ca aceasta s-a eliberat complet de la ultima tranzitie pe sensul perpendicular). In realitate acest lucru nu este posibil, insa, de aceea un model mai apropiat de ceea ce se intampla, tinand cont de un numar restrans de factori perturbatori, se poate formula dupa cum urmeaza:

Vehiculul antemergator porneste din coada primul, cand conditiile de avansare cu o celula sunt satisfacute;

Vehiculul urmaritor intarzie pornirea, pana cand conditiile de avansare sunt satisfacute (o celula libera in fata);

Procesul continua asemanator pana la ultimul vehicul. In acest caz, starea cozii se prezinta ca in diagrama de mai jos.

adica la un moment dat se atinge o stare de echilibru, cand toate vehiculele din coada sunt separate de catre o celula libera si TOATA coada inainteaza simultan.

Fig. Diagrama de stare dupa k pasi in modelul microscopic de baza, cu extinderea intervalului de urmarire la cel mult o celula

Vectorul de stare devine in acest caz:

Diagrama de stari initiala (cu coada de asteptare la semafor) se poate defini astfel:

Tab. Tabelul tranzitiilor de stare la eliberarea separatorului

De observat ca dupa ce in pasul 2 starea seoparatorului devine 0, adica se schimba culoarea la semafor din rosu in verde, celula 1 devine gol si creaza premisele ca vehiculul ce ocupa celula anterioara sa poata inainta. Acest gol se propaga apoi in sens invers inaintarii vehiculelor din coloana. Apoi la iesire se inregistreaza a doua valoare 1 (pasul 4) cand modelul furnizeaza o iesire (primul vehicul depaseste linia de stop a intersectiei).

Modelul idealizat de reducere a duratei de eliberare a intersectiei, propus in acest scop, ar presupune ca vehiculele pot inainta la o distanta mai mica unul fata de celalalt decat cea normala deplasarii la viteze mari, cel putin in faza de demarare "in bloc" de pe linia de stop.