Smart Modeling: Hybride verkeersmodel van de Noordelijke Randweg Utrecht

Transcriptie

1 Smart Modeling: Hybride verkeersmodel van de Noordelijke Randweg Utrecht Wim van der Hoeven (Auteur is werkzaam bij Royal HaskoningDHV) Nationaal Verkeerskunde Congres 2012: Bijdrage 110 Samenvatting De verkeersafwikkeling op de turborotondes bij de ongelijkvloers te maken Noordelijke Randweg van Utrecht is onderzocht met een hybride dynamisch model, een combinatie van mesoscopisch en microscopisch dynamische modellen. Met dit model is zowel het detail van de turborotondes als het netwerkeffect in de verdere stad scherp in beeld gebracht. Trefwoorden Verkeersafwikkeling, turborotonde, verkeersmodel, dynamisch, hybride

2 1. Inleiding Deze bijdrage gaat in op nieuwe mogelijkheden om de effecten van wijzigingen van de infrastructuur op het verkeer te onderzoeken met de nieuwste generatie verkeersmodellen. Die wijzigingen leiden tot veranderingen van verkeersstromen, zowel doordat mensen kiezen voor andere bestemmingen en vervoerwijzen als voor andere routes. Maar ook de gevolgen van al die veranderingen op de verkeersafwikkeling zijn relevant voor het detailontwerp van kruispunten en aansluitingen. De modellen sluiten steeds beter aan op deze toename van complexiteit en behoefte aan consistentie en kwaliteit. De grotere mogelijkheden om te analyseren is in toenemende mate relevant doordat het verkeer al zeer lang harder groeit dan de infrastructuur en daarmee de spanning in het wegennet groeit. De verhouding tussen de intensiteiten en de capaciteiten komt op steeds meer plekken en gedurende steeds langere tijden richting de 1.0, met alle verstoringen van de verkeersafwikkeling en alle onbetrouwbaarheid van reistijden van dien. Macro/strategical level Meso/tactical level Micro/operational level National Regional Local Fig. 1. Diverse losse modeltypen voor vragen variërend van beleid tot ontwerp Het analyseren van die gevolgen vraagt steeds betere technieken, waarbij veel schakelen tussen niveaus van analyses steeds wenselijker wordt om een scherp beeld te krijgen. Traditioneel echter is dit zeer bewerkelijk en daarmee duur en risicovol (zie fig. 1). Elk niveau van rekenen heeft zijn eigen rekenomgeving en elk schakelen tussen de niveaus betekent omzetten van extreem veel gegevens.

3 Dit in- en uitzoomen is alleen efficiënt mogelijk indien de verschillende modeltypen optimaal met elkaar verbonden en verweven zijn. Dit is het geval in de nieuwste uitvoering van Aimsun, versie 8.0 Expert. Hierin zijn alle vormen van modellen, van statisch multimodaal tot microsimulatie, in één wereld opgenomen, zodat veel scherper geanalyseerd kan worden zonder onnodige extra inspanningen Fig. 2 Statisch en dynamisch modelleren binnen één omgeving Aan de hand van het voorbeeld van de Noordelijke Randweg Utrecht wordt deze ontwikkeling nader toegelicht en wordt beschreven welke mogelijkheden er inmiddels zijn om met geavanceerde verkeersmodellen de steeds grotere uitdagingen steeds beter te onderzoeken. 2. Vraagstelling NRU De Noordelijke Randweg van de stad Utrecht (NRU) verbindt de A2 aan de westkant en de A27 aan de oostkant van de stad. De weg betekent tevens de noordelijke rand van de stad, erboven bevindt zich vrijwel geen stedelijke activiteit meer. De weg bestaat uit twee delen, het westelijk deel dat een autoweg vormt met 2x2 rijstroken en ongelijkvloerse kruisingen en in beheer is bij de provincie, en het oostelijk deel dat gelijkvloers is en in beheer bij de gemeente. Dat laatste deel vormt het onderwerp van deze studie en omvat een drietal grote kruisingen er ontsluiting van de noordoostelijke staddelen. De overheden zijn van plan ook dit deel om te bouwen tot weg met ongelijkvloerse aansluitingen en daarmee de NRU een volwaardige afsluiting van de Ring Utrecht te laten zijn, een Ring die verder bestaat uit Rijksautosnelwegen.

4 De planontwikkeling is inmiddels zover dat er een eerste schetsontwerp is gemaakt van de hoofdrijbaan en van de drie ongelijkvloers gemaakte aansluitingen (zie voorbeeld in fig. 1). Met name rond de vormgeving en inrichting van deze aansluitingen is de vraag opgeworpen of deze het te verwachten verkeer goed zullen kunnen verwerken. Fig. 3. Schetsontwerp turborotonde Gandhiplein Elke aansluiting bestaat uit een turborotonde, waarbinnen de aantallen rijstroken optimaal moeten aansluiten op de te verwachten verkeersstromen. Op deze rotondes wordt het verkeer volledig geregeld door middel van voorrang, zodat het risico bestaat van te lange wachtrijen bij een ongunstige combinatie van passerende stromen. Het schetsontwerp moet beoordeeld worden op dit risico. Daarbij is tevens van belang dat uitgegaan wordt van de juiste hoeveelheid verkeer. Die hoeveelheid wordt in de eerste plaats bepaald door de planhorizon, het jaar Voor dat jaar zijn verkeersprognoses beschikbaar vanuit het statische Verkeersmodel Regio Utrecht (VRU), het model van de in het Beraad Regio Utrecht samenwerkende gemeenten. De stad Utrecht heeft vanuit het VRU een eigen verkeersbeeld voor 2020 opgebouwd dat door de gemeenteraad is vastgesteld. Daarin zijn eigen inzichten verwerkt over met name de sociaal-economische gegevens, de aantallen inwoners en arbeidsplaatsen. Verder is van belang dat de aantrekkende werking van de nieuwe NRU in de verkeersstromen doorklinkt. Enerzijds is dat de hoeveelheid die over de nieuwe hoofdrijbanen zal rijden omdat de weg gemiddeld veel kortere reistijden mogelijk maakt. Anderzijds is dat de omvang van het verkeer dat via de NRU van en naar de stad rijdt. Die hoeveelheid wordt mede bepaald door de vormgeving en inrichting van de drie nieuwe aansluitingen. Tenslotte is ook de verandering van de verkeersstromen op de rest van het wegennet relevant. Die verkeersstromen kunnen groter of kleiner worden, afhankelijk van de richting van een weg, parallel aan de NRU of daar loodrecht op. Die veranderingen betekenen tevens dat er nieuwe knelpunten kunnen ontstaan door een andere oriëntatie van het verkeer, ook op individuele kruispunten.

5 3. Beschikbare verkeersmodellen De gemeente Utrecht heeft haar eigen versie van het VRU, het VRU 2.3 Utrecht 2.0. Dit statische model beschrijft de verkeersstromen voor de beide spitsperioden, resp. tussen 7 en 9 uur s ochtends en tussen 16 en 18 uur s middags, en de restdag voor de overige uren. Dit model heeft een basisjaar 2006 en diverse prognosejaren, waaronder Van dit model is een dynamische toedelingsmodel afgeleid, het Dynamische Verkeersmodel Utrecht (DVU) voor het stadsgewest met ook Nieuwegein, Houten, IJsselstein en Maarssen (zie fig. 1). Het netwerk is binnen het gekozen modelgebied 1 op 1 gelijk aan het VRU. Dit model omvat beschrijvingen van de jaren 2006, 2009 en Binnen die jaren zijn modellen beschikbaar van de werkdagspitsen (6-10 uur en uur), werkdag-avonden en nachten en de beide weekend-middagen, zaterdag van uur en de zondag van eveneens uur. Figuur 4. Netwerk van het Dynamisch Verkeersmodel Utrecht De techniek van dit laatste model, Dynasmart [Mahmassani, 2009], is mesoscopisch: het is een simulatie van individuele voertuigen (micro) die aangestuurd worden door een macroscopisch stroommodel, een aangepaste versie van het aloude Greenshields principe. Het model geeft beelden van de toestand op de weg op wegvakniveau: intensiteit, snelheid, dichtheid, per baan, niet per rijstrook. De rekenstappen van dit model gaan uit van intervallen van 6 sec: elke 6 sec wordt de nieuwe positie van elk voertuig berekend. In dit model worden routes per gebruikersgroep bepaald afhankelijk van kennis en ervaring van de groep, de dagelijkse rijders die alle alternatieve routes kennen, de incidentele passanten die vooral op kaartbeelden en verkeersinformatie rijden, en de chauffeurs die dankzij optimale navigatie steeds weer opnieuw kunnen reageren op veranderende situaties en daarbij een volledige en steeds actuele kennis van het wegennet hebben. Deze routes worden hoogfrequent herberekend (om de 2 minuten) in de dynamische toedeling zelf, in tegenstelling tot vooral macroscopisch dynamische toedelingsmodellen die uitgaan van statische routes dan wel laagfrequent routes herberekenen om acceptabele rekentijden te halen. Met dit DVU zijn al veel berekeningen gemaakt om hinderanalyses te kunnen onderbouwen. De vele wegwerkzaamheden binnen de stad Utrecht, zowel nieuwbouw en verbreding als onderhoud, zorgen steeds weer voor andere situaties in het netwerk, mede door de steeds weer wisselende combinaties en interacties van de projecten. Dit is niet meer te doorgronden met

6 kwalitatieve benaderingen, op grond van de inzichten van experts alleen. Ook de sterk veranderende omstandigheden (verbredingen, veranderingen van snelheidsregimes) op de vele snelwegen in de omgeving zorgt voor nieuwe, onbekende verkeerssituaties. Ook daarom zijn modellen onmisbaar. Het mesoscopische DVU beschrijft het wegennetwerk op rijbaanniveau, niet per rijstrook. Dit is een nadrukkelijk bezwaar bij het evalueren van een turborotonde met wisselende aantallen rijstroken per segment van de rotonde. Om die reden zou het logisch kunnen zijn om gebruik te maken van een microscopisch model, maar dat zou de analyse beperken tot een klein deel van de stad Utrecht. De potentieel aanzuigende werking van een verbeterde NRU wordt dan niet meegenomen. Daarom is het DVU omgezet naar een nieuwe vorm van modelleren, de combinatie van mesoscopisch en microscopisch in Aimsun 8.0 Expert [TSS, 2012]. Deze hybride (gemengde) dynamische modelvorm combineert de kracht van een micromodel, het detail, met de kracht van meso, de grootte van het model. Fig. 5 Hybride dynamisch verkeersmodel DVU 2020 In één simulatie worden de voertuigen in het grootste deel van het netwerk mesoscopisch aangestuurd, zonder individueel detailgedrag (snelheid, volggedrag, inhalen), en binnen een beperkt kerngebied wordt microscopisch gerekend, met dat detailgedrag. In beide modellagen zijn kruispunten op hetzelfde detailniveau aanwezig, zie fig. 3, en afhankelijk van de vraag wordt het model volledig meso- of microscopisch doorgerekend dan wel in hybride mengvorm. De resultaten van deze modelvorm geven een consistent beeld over het totale modelgebied, zonder inspanningen voor conversie van gegevens en het opheffen of verklaren van tegenstellingen in de resultaten van de beide modellen apart. In de uitkomsten van het hybride dynamische model wordt zowel recht gedaan aan de verkeersafwikkelingseffecten op de

7 nieuwe turborotondes als aan de uitstraling naar de ruime omgeving door een wijzigende routekeuze. Het DVU kent alleen modeljaren 2006, 2009 en 2011, terwijl een prognose voor 2020 nodig is. Daarom is een DVU-netwerk ontwikkeld met alle infrastructurele plannen voor 2020 daarin verwerkt. Verder zijn uit de statische verkeersprognose voor 2020 uit het VRU dynamische verkeersstromen (variërend in de tijd) afgeleid voor ochtend- en avondspits. 4. Antwoorden op vragen De analyse is uitgevoerd in een drietal stappen, die achtereenvolgens ingaan op 1. het effect van de dynamisering van VRU 2020 naar DVU 2020, 2. de verkeersafwikkeling op de drie turborotondes en 3. kentallen reistijden op de belangrijkste trajecten over de nieuwe infrastructuur. Stap 1: Vergelijking intensiteiten statisch VRU 2020 met dynamisch DVU 2020 Deze vergelijking is nodig om vast te stellen in hoeverre beide beelden van de toekomst overeen komen. Die overeenkomst hoeft zeker niet exact te zijn, in een dynamisch gemodelleerd wegennetwerk volgt het verkeer immers vaak duidelijk andere routes. Dit komt vooral doordat de kruispunten veel exacter gemodelleerd zijn en capaciteiten per kruispunt wel invloed hebben, zelfs tot op afslagbeweging, waar een statisch model niet verder komt dan het hanteren van grove verliestijden. Zowel op wegvakken als op kruispunten kunnen capaciteiten in statische modellen eventueel ruim overschreden worden, iets wat vooral bij lange termijn prognoses een veel voorkomend verschijnsel blijkt te zijn, pas duidelijk wordend als zo n prognose alsnog aan een dynamisch netwerk wordt toegedeeld. Uitsluitend statisch voorspellen verstopt zo n onrealistische ontwikkeling, waarbij verkeer in een omvang voorspeld wordt die vaak niet verwerkt kan worden. Uit de simulaties blijkt dat de avondspits maatgevend is, in die periode zijn de intensiteiten het hoogst. Voor de avondspits zijn vergelijkingen gemaakt van de aantallen voertuigen in beide modelvormen op de drie turborotondes van de NRU-aansluitingen. De conclusie kan getrokken worden dat er zeker discrepanties tussen beide modellen waarneembaar zijn. Dit wordt uitsluitend veroorzaakt doordat de routekeuze verschilt. Andere verplaatsingsgedragskeuzen spelen in dit toedelingsmodel geen rol en de matrices zijn gemiddeld over de spitsperioden gelijk. Op de randen van het studiegebied komen de intensiteiten wel overeen.

8 In onderstaande figuren is een vergelijking tussen de intensiteiten uit beide modellen gegeven. Statisch VRU Dynamisch DVU Gandhidreef Einsteindreef Darwindreef Fig. 6 Vergelijking statische en dynamische verkeersstromen

9 Stap 2: Analyse verkeersafwikkeling rotondes Er zijn simulaties uitgevoerd van zowel de ochtend- als avondspitsperiode. Doordat het doorgaande verkeer op de N230 ongelijkvloers wordt afgewikkeld, maakt alleen verkeer met een lokale bestemming gebruik van de rotondes (zie vorige paragraaf voor intensiteiten). In beide spitsperioden is er sprake van een rustig verkeersbeeld, waarbij er geen noemenswaardige problemen met de verkeersafwikkeling zijn. Onderstaande figuren geven een aantal screenshots van drukkere moment in de simulatie, per rotonde en per spitsperiode. Uit de screenshots is op te maken dat er soms beperkte wachtrijen voor de rotonde staan, maar dat die niet tot echte verkeersproblemen leiden. Gandhidreef AVOND OCHTEND Einsteindreef Kochplein Fig. 7 Verkeersafwikkeling op de drie turborotondes

10 In de screenshot van de avondspits bij de Einsteindreef is een wachtrij te zien op de toerit van de N230. In de microsimulatie blijkt het verkeer vanaf de rotonde moeite te hebben met het invoegen. Dit is een aandachtspunt. Stap 3: Uitvoer kentallen Uit het microsimulatiemodel is verschillende uitvoer gegenereerd waaruit het overall effect van de ombouw van de NRU afgeleid kan worden, de resulterende kwaliteit van de doorstroming uitgedrukt in reis- en verliestijden op een aantal trajecten over o.m. de NRU. In bijgaande figuur is het verloop van de gemiddelde verliestijden per voertuig in de avondspits weergegeven. Route N230 West Oost Verliestijden per voertuig (seconden) N230 Oost West Einsteindreef A27 Fig. 8 Het verloop van de verliestijden over enkele trajecten in de avondspits (NB. De tijdbalk is in de figuren 2 uur verschoven, de beelden betreffen de periode tussen 14 en 19 uur). Te zien is dat er nog wel vertraging optreedt in de avondspits, vertraging in vergelijking met een vrije doorstroming. De grootste vertraging is te zien voor verkeer in oostelijke richting

11 (tot 2 minuten vertraging over een traject van ruim 4 km). Dit komt doordat er soms lichte congestie ontstaan ter hoogte van de toeritten vanaf de rotondes. Deze vertraging is niet het gevolg van beperkte capaciteit van de rotondes maar van invoegproblemen op de NRU. In onderstaande figuur is de vertraging per kilometer over het gehele netwerk gegeven. Op het drukste moment in de simulatie is er een vertraging van nog geen 20 seconden per kilometer, tegen ca. 5 onder rustige omstandigheden. Fig. 9 Verliestijden voor alle voertuigen 5. Breder perspectief voor verkeersvraagstukken Met het hybride dynamische model kunnen detailvraagstukken veel scherper benaderd worden dan mogelijk is met een microscopisch model alleen. In die laatste traditionele vorm is immers de hoeveelheid verkeer constant en wordt niet duidelijk hoe de omgeving zal reageren op veranderingen in het studiegebied. Met het hybride model wordt dit wel duidelijk, potentieel voor een groot studiegebied kan een dynamisch model doorgerekend worden met ook maximaal oog voor details. Daar alle modelniveaus in één modelomgeving zijn ondergebracht ontstaan ook perspectieven om optimaal gebruik te maken van de mogelijkheden om de kwaliteit van de dynamische benadering ook van waarde te laten zijn voor de reistijden waarmee in het statische model de matrices berekend worden. Zo kunnen reistijden zowel op relatieniveau als op wegvak/kruispuntsniveau doorgegeven worden vanuit de dynamische modellen naar de statische modellen.

12 reistijden hybride model macro Statisch multimodaal model verliestijden capaciteiten matrix meso Dynamisch toedelingsmodel micro Dynamisch simulatie model vraag aanbod afwikkeling wens vraag realistische vraag verwerkte vraag congestie wachtrijen I/C>>1.0 I/C>1.0 I/C<=1.0 fluctuaties! beleid planning management ontwerp Fig 10. Samenspel statische en dynamische modellen In hoeverre de dynamische toedelingen op enige termijn de statische toedelingen (aanbod) gaan vervangen als basis voor de matrixschattingen (vraag) is nog niet met zekerheid te zeggen, maar dat technisch gezien de mogelijkheden er zijn staat wel vast. Dat er langs die weg ook de mogelijkheid ontstaat om behalve de toedeling en de kalibratie ook de ritgeneratie en de distributie/modal split dynamisch te maken is een hoopvolle constatering. Immers, met de gemiddeld steeds zwaarder belaste wegennetten wordt ook het verplaatsingsgedrag gevoeliger voor fluctuaties en zal en kan daarop reageren. 6. Conclusies Aan de hand van het voorbeeld van de NRU is duidelijk gemaakt dat het analyseren met hybride dynamische modellen van de ombouw van deze weg naar een ongelijkvloerse autoweg met turborotondes bij de aansluitingen goed werkt en tot inzichtelijke resultaten leidt. De winst t.o.v. statische modellen is groot, maar ook t.o.v. puur mesoscopische modellen worden nog extra stappen gemaakt. Met deze aanpak is een basis gelegd voor verdere dynamisering van de verkeersmodellen, steeds meer nodig door de relatief steeds hoger wordende verkeerbelastingen (I/C -> 1.0 op steeds meer plaatsen en over steeds langere spitsperioden) en daarmee gevoeliger en onbetrouwbaarder worden van het wegennet. Het kunnen schakelen tussen modeltypen binnen één modelomgeving is daarbij van grote waarde, vooral omdat daarmee precies zoveel detail kan worden meegenomen als nodig is voor de specifieke vraag en daarmee efficiënt en effectief onderzoek mogelijk is: smart modeling.

13 Literatuur 1. Mahmassani, Dynasmart-P Intelligent Transportation Network Planning Tool, Version 1.6 User s Guide, Transportation Center, Northwestern University, Evanston, USA 2. TSS, Aimsun 8.0 Expert, User s Guide