Eerste grootschalige toepassing van STAQ (Static Traffic Assignment with Queuing) Luuk Brederode PLATOS colloqium 5 maart 2014
INHOUD» STAQ: wat is het (ook alweer)?» Toepassing Vlaanderen» Vervolg pagina 2
WAT IS STAQ pagina 3
Wat is STAQ STAQ is een propagatiemodel (network loading model)» Is dus onderdeel van laatste stap van vierstapsmodel: de toedeling» Is ingebouwd in StreamLine raamwerk binnen OmniTRANS Initialisatie Routes en freeflow reistijden Routesetgeneratie Routekeuze model MNL of PCL icm MSA Routefracties Propagatie model STAQ Reistijden pagina 4
Wat is STAQ? STAQ» Levert realistische reistijden alternatief voor reistijdfuncties» Houdt rekening met doserende werking bottlenecks en wachtrijvorming» Zet files op correcte plek» Gebruikt zelfde matrix en netwerk als statische toedeling» Is veel sneller dan dynamische toedeling» Is transparant en consistent met verkeersstroomtheorie» Levert kiemen als bijproduct» Is een volwaardige vervanger van de statische toedeling» Is geschikt voor korte én lange termijn prognoses (strategische modellen) pagina 5
Wat is STAQ Capaciteit = 6000 veh/h Capaciteit = 4000 veh/h A Vervoersvraag = 4200 veh/h B Wat is na een uur de filelengte en de reistijd van A naar B? In traditioneel statisch toedelingsmodel: - geen fysieke filelengte, vertraging in de bottleneck - reistijd berekend via reistijdfunctie: t AB 0 qa = ta 1+ αa a C a β a pagina 6
Wat is STAQ Capaciteit = 6000 veh/h A State 3 Vervoersvraag = 4200 veh/h Capaciteit = 4000 veh/h State 2 State 1 B Wat is na een uur de filelengte en de reistijd van A naar B? In realistisch dynamisch toedelingsmodel: - filelengte: 1150m - reistijd: 12 min. Intensiteit (veh/h) 6000 4000 2000 0 v1,v3 v2 100 200 300 400 Dichtheid (veh/km) pagina 7
Wat is STAQ STAQ is quasi-dynamisch:» Veronderstelt stationaire verkeersvraag:» Veronderstelt instantane propagatie wanneer niet in wachtrij: O1 7.00 9.00 7.00 9.00 D1 STAQ kent twee fasen O2 D2» Squeuzing fase afknijpen van flows op capaciteit (kiemen/verticale wachtrijen) Statisch model met harde capaciteitsbeperkingen (fixed point problem)» Queueing fase bepalen van horizontale wachtrijen Dynamisch model (event based rekenen op basis van G-LTM)» Reistijdbepaling op basis van cumulatieve in- en outflows pagina 8
Wat is STAQ Capaciteit = 6000 veh/h Capaciteit = 4000 veh/h A Vervoersvraag = 4200 veh/h 4000 α = 0.95 4200 Wat is na een uur de filelengte en de reistijd van A naar B? B In STAQ: Squeezing - filelengte: 1150m - reistijd: 12 min. Queuing
Wat is STAQ Unconstrained travel demand for link Cum Inflow Cum Outflow Total traveltime on link (vtg*h) Cumulatieve flow 0 0.25 0.5 0.75 1 Freeflow traveltime of link Queuing time pagina 10
TOEPASSING VLAANDEREN TESTCASE pagina 11
VERGELIJKING STAQ EN STREAMLINE OP MODEL LEUVEN» In opdracht van Vlaams Verkeerscentrum (ontwikkelingstraject Vlaamse strategische personenmodellen versie 4 )» Vergelijking filebeelden StreamLine Model E314/E40 Leuven avondspits 2012 Streamline STAQ - Squeezing STAQ Statisch» In plaatjes: Bandbreedte: intensiteiten Kleur: percentage van free flow snelheid (IC verhouding voor statisch) Na 35 iteraties pagina 12
StreamLine referentiebeeld (iteratie 35)
STAQ Squeezing: verticale wachtrijen
STAQ queuing: snelheden als % van vrije snelheid (% vrije snelheid)
Statische IC verhoudingen pagina 16
Reistijdvergelijking HWN
Definitie trajecten OWN
Reistijdvergelijking OWN 27:30 25:00 22:30 20:00 17:30 15:00 12:30 10:00 07:30 05:00 02:30 00:00 route01_ri1 route01_ri2 route02_ri1 route02_ri2 route03_ri1 route03_ri2 route04_ri1 route04_ri2 route05_ri1 route05_ri2 route06_ri1 route06_ri2 route07_ri2 route08_ri1 route08_ri2 route09_ri1 route09_ri2 route10_ri1 route10_ri2 route11_ri1 route11_ri2 route12_ri1 route12_ri2 route13_ri1 route07_ri1 route13_ri2 route14_ri1 route14_ri2 route15_ri1 route15_ri2 route16_ri1 route16_ri2 Streamline AVG STAQ met JM Statisch met JM TomTom freeflow
STAQ schaalbaarheid Op Leuven is STAQ 3-8 keer langzamer dan statisch en 500-1200 keer sneller dan SL Voor elke 100.000 routes is ca 125 Mb aan geheugen nodig Voor elke 300.000 routes is ca 1 minuut per iteratie aan rekentijd nodig Modellen tot 6102 zones doorgerekend op laptop met 4Gb mem Op simpele laptop (quadcore i7 2.67 Ghz, 4Gb): 4.5 seconde per iteratie voor model Leuven (430 zones) 5 minuten per iteratie voor model Vlaams Brabant (4000 zones) pagina 20
STAQ vs StreamLine (@quadcore i7 laptop 2.67 Ghz, 4Gb ram) Model Assignment Method Network Demand CPU-time/it Memor y Centroid s Links Nodes #routes [sec] [Mb] Leuven Static (quadcore) 430 4,382 1,813 355,014 0.9 81 Leuven Static (singlecore) 430 4,382 1,813 355,014 2.1 71 Leuven - volledige routeset STAQ+JM 430 4,382 1,813 164,566 10.9 233 Leuven - optimale routeset STAQ+JM 430 4,382 1,813 77,293 4.4 166 Leuven - volledige routeset StreamLine+JM 430 4,382 1,813 164,566 5330 2486 Vlaams Brabant - volledige STAQ 2,999 34,239 23,241 2,524,26 815 2468 routeset 5 Vlaams Brabant - optimale routeset STAQ 2,999 34,239 23,241 1,718,18 306 2138 0 Amsterdam* STAQ 418 9,408 4,281 294,877 11 318 Gold Coast* STAQ 1,067 9,565 2,987 1,213,02 7 Rotterdam* STAQ 1,744 17,187 6,422 1,324,45 3 Sydney* STAQ 3,264 75,379 30,573 2,030,36 0 64 1033 62 1132 191 2365 NVM* STAQ 6,102 159,92 0 65,272 2,216,71 8 205 2988 * = run o.b.v. one-shot, dus exclusief overhead route keuze model. Indicatoren van runs zonder sterretje zijn gemiddelde over 35 iteraties inclusief overhead. pagina 21
STAQ vs StreamLine conclusies Conclusies studie Vlaamse overheid + Filelocaties op zelfde plek + Kiemen beschikbaar na squeezing fase + Gemiddelde reistijden van zelfde kwaliteit als Madam + Rekentijd/geheugengebruik STAQ veel lager dan Madam - Reistijden Madam en STAQ beide te laag op OWN oorzaak is de herkomst van de matrix (statisch gekalibreerd), pak ik op binnen PhD Verdere conclusies + Schaalbaar tot en met de grootste operationele modellen binnen NL -Operationele maatregelen binnen een spitsperiode niet te modelleren TDI s, Drips, evenementenverkeer, incidentmanagement +Alle geteste modelscenarios convergeren naar een uniek gebruikersevenwicht 6 verschillende (hypothetische en realistische) startoplossingen getest op theoretische en echte netwerken door stagair Anton Dijkstra, Universiteit Twente pagina 22
VERVOLG pagina 23
Vervolg PhD traject Luuk Brederode (mrt 2013 mrt 2016) Methodlogisch positioneren van STAQ tussen statische en dynamische modellen Bewijs leveren voor bestaan en uniciteit van het gebruikersevenwicht Ontwikkelen van matrixkalibratie methode voor STAQ / capacity constraint modellen Accelerated averaging scheme voor middelen routekeuzefracties Case study: MKBA o.b.v. statische toedeling uit het verleden opnieuw met STAQ Software development binnen DAT.mobility Multi User Class Skimmen StandAlone queuing model (event based gltm) Routegeneratie tussen iteraties door Cordontoedelingen pagina 24
Vervolg Toepassingen Haaglanden (nu) Amsterdam (VMA, 2015) pagina 25
STAQ: waarom? Aanleiding» Uitvraag verkeersmodel Amsterdam 2009: Voor VMAs wordt een statische toedelingsmodule [..] ontwikkeld voor het wegverkeer. Het statische model moet een snel rekenmodel zijn, waarbij een goede realistische toedeling gemaakt wordt. Voor zowel het HWN als OWN moet rekening gehouden worden met reële reistijden. Deze eisen vergen een aanpassing ten opzichte van de gehanteerde toedelingstechniek van het NRM (Qblok) pagina 27
STAQ: waarom? Aanleiding (2)» Voor strategische lange termijn prognosemodellen met structurele congestie: voldoet statisch toedelen niet, want wachtrijvorming en beperking in- /outflow wordt genegeerd.» Micro-dynamisch toedelen lost deze problemen op, maar is stochastisch, waardoor er veel simulaties nodig om de gemiddelde werkdag te benaderen, laat staan het gebruikersevenwicht Onacceptabele rekentijd!» Macro dynamisch toedelen is deterministisch, maar kent zijn beperkingen: Grootte studiegebied, lengte studieperiode en/of #routekeuzemomenten Moeilijk acceptabele rekentijd!» Algemene behoefte aan toedelingsmodel dat realistische (toekomstige) reistijden berekent zonder de moeite van een volledig dynamisch model KBA s, Bereikbaarheidsanalyses, Tolstudies, pagina 28
ONDERZOEK CONVERGENTIE, STABILITEIT EN UNICITEIT pagina 29
CONVERGENTIE EN STABILITEIT de duality gap Initialisatie Routes en freeflow reistijden Routekeuze model Routefracties Propagatie model Reistijden Routekeuze maakt altijd gebruik van outdated reistijden (reistijden uit iteratie-1) er worden routes gekozen waarvan NA de run van het propagatiemodel blijkt dat ze niet de kortste waren duality gap (DG) is een maat voor deze te veel gemaakte reistijd over het hele netwerk: DG = te veel gemaakte vtguren iteratie i-1 optimale vtguren iteratie i pagina 30
CONVERGENTIE EN STABILITEIT duality gap model Leuven pagina 31
UNICITEIT vergelijking van runs zonder vs met startoplossing Initialisatie Initialisatie: ophalen startoplossing Routes en freeflow reistijden Routekeuze model Routekeuze model Routefracties Routefracties Propagatie model Propagatie model Reistijden Reistijden pagina 32
UNICITEIT: Leuven zonder vs met startoplossing Squeezing only Squeezing +JM Squeezing +Queuing Squeezing +Queuing + JM
CONVERGENTIE, STABILITEIT EN UNICITEIT: geteste startoplossingen (stage Anton Dijkstra) FREEFLOW: koude start o.b.v. free flow reistijden (referentie) Uniform: elke route trekt even veel verkeer aan (nonsense) ATB: all through the bottleneck voor HBparen met route door een maatgevende bottleneck gaat alles over die route (nonsense) ANTB: (genormaliseerd) tegenovergestelde fracties van ATB (nonsense) Warm: uitgaande van routefracties van een eerdere 100 iteraties MNL run Inverse warm: (genormaliseerd) tegenovergestelde fracties van warm (nonsense) 54/100 23/100 1/3 3/6 0/3 H 38/100 31/100 1/3 0/6 3/3 3/6 46/100 0/3 1/3 8/100 B pagina 34
CONVERGENTIE EN STABILITEIT Duality gap model Leuven (squeezing+queuing) 1 Iterations 0 10 20 30 40 Duality Gap 0.1 FreeFlow MNL Uniform ATB ANTB Warm Warm inverse 0.01 pagina 35
UNIFORM vs FREEFLOW vergelijking linkintensiteiten (%) Startoplossing Iteratie 40 circa 15 iteraties nodig voor verschillen ~<5% op OWN pagina 36
ALL NOT THROUGH THE BOTTLENECK vs FREEFLOW vergelijking linkintensiteiten (%) Startoplossing Iteratie 40 circa 15 iteraties nodig voor verschillen ~<5% op OWN pagina 37
ALL THROUGH THE BOTTLENECK vs FREEFLOW vergelijking linkintensiteiten (%) Startoplossing Iteratie 40 circa 35 iteraties nodig voor verschillen ~<5% op OWN pagina 38
WARM INVERSE vs FREEFLOW vergelijking linkintensiteiten (%) Startoplossing Iteratie 40 circa 30 iteraties nodig voor verschillen ~<5% op OWN pagina 39
WARM vs FREEFLOW vergelijking linkintensiteiten (%) Startoplossing Iteratie 40 circa 90 iteraties nodig voor verschillen ~<5% op OWN pagina 40
STABILITEIT EN CONVERGENTIE conclusies Alle startoplossingen convergeren naar dezelfde eindoplossing!! Warme start (40 iteraties en dan opnieuw beginnen) is zeer efficient; ~90 iteraties nodig vanuit koude start voor vergelijkbaar resultaat Kruispuntmodellering niet meegenomen Ook op extreem drukke theoretische netwerken blijven bovenstaande conclusies gelden pagina 41
WAAR STAAN WE EN WAAR MEE BEZIG pagina 42
WAAR STAAN WE STAQ is operationeel in OmniTRANS» Onderdeel van SL raamwerk Dus je kunt gebruik maken van dezelfde buildingblocks als SL» Toevoeging van MNL naast bestaande PCL routekeuze» Je kunt rekenen met Newell en Smulders Fundamenteel Diagram» Gebruikt state of the art knoopmodel (Tampere et all 2011)» Schaalbaarheid vergroting stochastisch afronden» Gekoppeld aan JM, echter alleen nog rondom squeezing en queueing» Aangepaste Duality Gap indicator» Voorzichtige start met toepassingen Nederlandse markt Eerste officiële Nederlandse toepassing voor Haaglanden We moeten ervaring op doen alle begin is lastig pagina 43
WAAR ZIJN/WILLEN WE MEE BEZIG Momenteel mee bezig:» Matrixschatting voor STAQ/modellen met residual traffic (PhD Luuk bdl)» Complete officiële integratie in OmniTRANS 6.1 (DAT ontwikkelaars)» Functioneren in totale vierstapsmodel (DAT ontwikkelaars)» Versnelde convergentie (stage Berend Steenhuisen, PhD Luuk bdl)» Volledig integreren van Junction modelling in squeezing en queueing (kqj/osj)» Smith P0 oplossing voor assymetrisch equilibrium probleem (bif/bdl)» Eerste commerciële toepassing op model Haaglanden (psb/bdl) Langere termijn plannen:» Vergelijking uitkomsten MKBA statisch vs STAQ (PhD Luuk bdl)» Bundeling wetenschappelijke onderbouwing (PhD Luuk bdl)» Wiskundig bewijs convergentie en uniciteit (Sydney)» Kandidaat voor nog komende uitvraag van WVL voor vergelijking van toedelingsmodellen mogelijk geschikt voor NRM/LMS» Multi-periode toepassing? pagina 44
STAQ INZETTEN VOOR JOUW STUDIE Allereerst: er is helaas GEEN shirt meer te verdienen. STAQ toepassen: als op zichzelfstaande toedeling op een bestaand statische model: prima mogelijk Als onderdeel van matrixschatting: nog niet mogelijk (volgens roadmap halverwege 2014) Graag Luuk bdl benaderen alvorens toezeggingen/offertes te doen pagina 45