Verkeerskunde: een samenspel van modellen, simulaties en regelacties.

Transcriptie

1 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

2 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

3 Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 3

4 Modellen voor landgebruik De vraag naar verkeer ontstaat door de wens tot deelname aan ruimtelijk gescheiden sociale/culturele/economische/ activiteiten Burgess Hoyt Tendens naar geosimulatie

5 Transportplanning Trip-gebaseerd versus activiteiten-gebaseerd. klassieke aanpak (sinds 50) activiteitenpatroon moderne tendens (vanaf 80) multi-agent systemen Zwitserland (08:00) 5

6 Trip-gebaseerd: het vierstapsmodel Reizigers nemen beslissingen die leiden tot een tripgebaseerd model ( activiteiten-gebaseerd). trip generatie (hoeveel trips?) Aggregatie! trip distributie (waar gaan ze naartoe?) modale split (welk vervoersmiddel?) verkeerstoedeling (welke routes nemen ze?) 6

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 reistijd Veel traditionele planningsmodellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. drukte 7

8 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 reistijd Veel traditionele planningsmodellen zijn gebaseerd op simpele reistijdfuncties. drukte Het is moeilijk (maar noodzakelijk) om het concept capaciteit van een weg te vatten! 8

9 De noodzaak tot dynamische modellen herkomst bestemming 1 bestemming 2 verticale/punt wachtrij Congestie is een dynamisch fenomeen! Voorbeeld: queue spillback effect. 9

10 De noodzaak tot dynamische modellen herkomst bestemming 1 bestemming 2 verticale/punt wachtrij herkomst bestemming 1 bestemming 2 horizontale/ruimtelijke wachtrij 10

11 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

12 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

13 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

14 Voertuig-volg submodel volger voorligger(s) (n) (n 1) tussenruimte respons hangt af van stimuli met Θ a (t + τ) ~ f(t,θ) n agressie, tussentijd, tussenruimte, (relatieve) snelheden, reactietijd 14

15 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

16 Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 16

17 Verzamelen van verkeersdata (1/3) Enkele/dubbele lusdetectoren (ingebed in het wegdek). Gatso-meters. Camera s. Pneumatische slangetjes. 17

18 Verzamelen van verkeersdata (2/3) Automatisatie wordt een core business : 18

19 Verzamelen van verkeersdata (3/3) DB ± 1655 sensoren (1 per rijstrook) 10 6 metingen/jaar 3.24 GB 19

20 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

21 Hoe zien de metingen eruit? Doorstromingsgraad Gemiddelde snelheid Incident? 21

22 Een hele week van metingen Weekdagen Weekend 22

23 Kwaliteitsproblemen! Soms blijft een sensor meerdere dagen hangen : Of worden er verkeerde waarden geregistreerd: 23

24 Verkeersregimes Veilig inhalen kan gebeuren bij lage dichtheden: Inhalen wordt moeilijker bij hogere dichtheden: Opgestopt verkeer resulteert in schokgolven: 24

25 Correlaties tussen de metingen Voorbeeld: het verkeer op de E17. Vlot verkeer Files Fundamenteel diagram 25

26 Regimes en het fundamenteel diagram In het (k,q) fundamenteel diagram: q capaciteit congestie volledig opgestopt 0 k 26

27 Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 27

28 Microscopische simulators (1/2) Ontwikkeld voor onderzoek: Mitrasim 2000 (= Microscopic Traffic Simulator) Traffic Cellular Automata 28

29 Microscopische simulators (2/2) Commercieel: PARAMICS, AIMSUN, VISSIM, 29

30 Traffic Cellular Automata (TCA) t stroomopwaarts ruimte (e.g., rooster van cellen) stroomafwaarts Δt v = 0 v = 3 v = 1 x(t + 1) = x(t) + v(t) t + 1s tijd v = 1 v = 1 Voertuig-volg submodel = verzameling van lokale regels 30

31 CATSIM (cellulaire automaten) Verdeel de autowegen over diverse rekeneenheden: Antwerpen computer boerderij Gent E17 E19 E17 E40 meester E40 Brussel E19 parallellisatie door middel van gedistribueerd rekenen 31

32 Verkeerskunde Modellen Verzamelen van data Simulaties Regelacties 32

33 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

34 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

35 Dynamische route geleiding Dynamische route informatie panelen (DRIPs): reistijden, verkeersopstoppingen (fysieke lengte en tijdsduur!), alternatieve routes. 35

36 Incident detectie Afsluiten van rijstroken; omleiden van verkeer. Ramptoerisme: kijkfiles. 36

37 Automatische incident detectie 37

38 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

39 Rekeningrijden (1/3) Economen beschrijven transport aan de hand van statische vraag- en aanbod curves. Kost A 0 gebruikers evenwicht Aantal trips 39

40 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

41 Rekeningrijden (3/3) Heffen van een gepaste tol verschuift dit evenwicht: internaliseren van de externaliteiten. Kost welvaartswinst optimale tol C B A 0 sociaal optimum gebruikers evenwicht Aantal trips 41

42 Dynamische snelheidslimieten stroomopwaarts bewegende schokgolf 42

43 Toeritdosering (ramp metering) De toevoer wordt druppelsgewijs geregeld. 43

44 Het idee achter toeritdosering DOEL: verkeer in het stabiel regime houden 44

45 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

46 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? Optimalisatie criterium? adaptieve regelstrategieën (e.g., model predictive control) duurzame kostfunctie DWTC PODO-II / CP/40 46

47 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

48 Sven Maerivoet Meer informatie? Departement Elektrotechniek ESAT SCD (SISTA) Meer lezen? Traffic flow theory Traffic flow models 48