Cruzamentos Semaforizados IST / Licenciaturas Engª Civil & Engª Território Mestrado em Transportes Gestão de Tráfego Rodoviário

Transcrição

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2 Introdução Sistema de controle de tráfego utilizado em muitos cruzamentos de nível com os seguintes objectivos: Aumento da segurança, separando as correntes de tráfego em conflito; Diminuição do tempo de atravessamento; Aumento da Capacidade; Equilíbrio do nível de serviço para todas (ou não) as correntes de tráfego. Quando é bem aplicado tem as seguintes vantagens: Maior controle sobre as decisões dos utlizadores nomeadamente as erradas; Permite alterar comportamentos por exemplo, velocidades ou itinerários; Permite a progressão ininterrupta de um pelotão / veículo prioritário / TP; Permite coordenar o tráfego de um itinerário/rede. 2

3 Perspectiva Histórica 1868 Sistema de luzes coloridas utilizado em Westminster (Reino Unido) e que funcionava a gás; 1918 Primeiros sinais tricolores intalados em Nova Iorque (operados manualmente); 1926 Surgem no Reino Unido os primeiros semáforos automáticos menos eficientes por não reagirem ao tráfego; Como primeira resposta a esta perda de eficiência foram testados semáforos com várias temporizações ao longo do dia; A partir de 1930 começaram a ser testados semáforos que reagiam ao tráfego. 3

4 Detecção dos veículos Actualmente os detectores podem ser activados pela passagem ou pela presença do veículo. Para tal são utilizados vários princípios: Pressão Interferência no campo magnético Alteração de uma frequência de Radar Alteração na indução de um loop Detecção vídeo O sistema semafórico compreende, além do detector e do display luminoso, um Mecanismo de Controlo Pode ainda incluir mecanismos especiais de activação a partir da procura (botões para peões, TP, saída de viaturas especiais, veículos prioritários, etc) 4

5 Mecanismo de Controle O Mecanismo de Controle regula o comprimento e a sequência das indicações dadas pelos semáforos e pode ser: Electromecânico Electrónico Manual Classificação dos sistemas semafóricos com base no Mecanismo de Controle: Manual (em desuso) De tempo fixo pode ter vários planos sendo baseado nos fluxos históricos Comandado pelo tráfego recebe indicações do tráfego para alterar o comprimento ou a sequência dos sinais 5

6 Definições (I) Ciclo - Sequência total de indicações de um semáforo (suposta repetitiva); Tempo de ciclo ( T ) - Tempo necessário para completar um ciclo, medido em segundos; Fase - Parte do ciclo destinada a uma qualquer combinação de movimentos que recebem permissão para avançar. Uma fase pode acomodar um movimento protegido ou permitido. Intervalo - Período de tempo em que todos os sinais se mantêm constantes; Tudo-vermelho - Intervalo em que a luz vermelha se encontra acesa para todas as fases Tempo perdido ( L ) - Tempo em que a intersecção não está a ser utilizada por nenhum dos movimentos; 6

7 Definições (II) Tempo de mudança ( I ) - Soma dos tempos de amarelo e tudo vermelho que ocorrem entre fases e que existem para permitir a limpeza do cruzamento, medido em segundos; Tempo de verde ( Gi para a fase i) - tempo em que, durante uma dada fase, a luz verde aparece (medido em segundos); Tempo de verde efectivo ( gi para a fase i) - Tempo, durante uma fase, que é efectivamente utilizado para permitir os movimentos; geralmente é igual ao tempo de verde mais o intervalo de mudança menos o tempo perdido para a fase i, medido em segundos; Rácio de verde ( gi/t para a fase i) - Relação entre o tempo verde efectivo e o tempo de ciclo Vermelho efectivo ( ri para a fase i) - Tempo, durante um ciclo, em que um movimento (ou conjunto de movimentos) não tem permissão para avançar. É medido em segundos. 7

8 Definições (III) Diagrama de Ciclo A representação da semaforização faz-se através de um Diagrama de Ciclo O Diagrama de Ciclo pode representar os tempos reais (quanto tempo cada semáforo está de cada cor) ou os tempos efectivos (representados somente por verde e vermelho) 8

9 Metodologia 9

10 Tempo Perdido Cruzamento Semaforizado vs Cruzamento Prioritário 10

11 Movimentos Protegidos vs Movimentos Permitidos Viragens à esquerda Movimento permitido tem lugar em conflito com um fluxo de veículos ou peões; Movimento protegido executa-se sem conflitos; Os movimentos com maior número de conflitos são os de viragem à esquerda; A decisão de proteger estes movimentos deve ser função de: Volume que vira à esquerda; Volume de conflito; Velocidade na(s) pista(s) a cruzar; Número de pistas a cruzar. 11

12 Movimentos Protegidos vs Movimentos Permitidos Peões A semaforização melhora as condições de atravessamento dos peões Condições para a atribuição de uma fase exclusiva para peões - movimento protegido para peões (Reino Unido): Se o fluxo de peões cruzando qualquer dos braços do cruzamento for superior a 300 peões/hora; e Se o tráfego que vira para um determinado braço tem uma separação de menos de 5 seg. durante o tempo de viragem e confilto de 50 peões/hora. 12

13 Pistas Exclusivas, Partilhadas e Grupos de Pistas A metodologia de análise de intersecções semaforizadas é desagregada pois considera individualmente cada um dos grupos de pistas em cada uma das aproximações; A segmentação dos vários grupos de pistas a analisar é baseada na geometria da intersecção e na distribuição dos movimentos de tráfego; Quando duas pistas são integradas num grupo todos os cálculos subsequentes são efectuados como se tratasse de uma só entidade. 13

14 Definição do Plano de Fases Deve-se determinar o número de fases e a respectiva sequência Geralmente parte-se de um plano de duas fases, que pode ser alterado ao verificar-se que mais serão necessárias (devido à necessidade de movimentos protegidos) 14

15 Fluxo de Saturação Fluxo de saturação ( si para o grupo de pistas i) fluxo máximo que pode atravessar uma determinada intersecção, sob as condições existentes, admitindo que aquele grupo de pistas dispõe de 100% de tempo de verde É calculado para cada um dos grupos de pistas definidos anteriormente Pode ser obtido por: Cálculo Análise em Planeamento Levantamento no terreno Análise Operacional 15

16 Fluxo de Saturação Análise em Planeamento O fluxo de saturação pode ser estimado através de um fluxo de saturação ideal ( s o ), e pelo ajustamento deste valor para uma série de condições prevalecentes que não são as ideais: s = s o. N. f W. f HV. f I. f E. f PA. f A. f VD. f VE s - fluxo de saturação para o grupo de pistas, VL/hverde; s o - fluxo de saturação ideal por pista, normalmente 1800 VL/hverde/pista; N - número de pistas no grupo de pistas f W - factor de ajustamento para a largura da pista f HV - factor de ajustamento para veículos pesados f I - factor de ajustamento para aproximações com inclinação diferente de 0º f E - factor de ajustamento para a existência de zona de estacionamento adjacente ao grupo de pistas f PA - factor de ajustamento para o efeito das paragens de autocarros na zona da intersecção f A - factor de ajustamento para o tipo de área f VD - factor de ajustamento para viragens à direita no grupo de pistas f VE - factor de ajustamento para viragens à esquerda no grupo de pistas 16

17 Fluxo de Saturação Análise Operacional É aconselhado que a equipa responsável por esta tarefa seja composta por dois elementos, sendo um designado de cronometrista e outro de observador. Tarefas gerais: 1. Preencher os dados referentes à identificação do local; 2. Escolher um ponto para observação onde o semáforo e a linha de STOP sejam claramente visíveis; 3. Escolher um ponto de referência de forma a que quando um veículo cruze este ponto se considera que entra na intersecção; 4. Executar um estudo por ciclo. Tarefas do observador: 1. Verificar qual o último veículo na fila de espera; 2. Descrever o último veículo ao cronometrista; 3. Registar quantos são os veículos pesados e quantos viram à esquerda ou direita; 4. Registar o tempo referido pelo cronometrista. Tarefas do cronometrista: 1. Começar a contar o tempo a partir do início do verde; 2. Contar alto cada veículo que cruza a linha de STOP com o seu eixo traseiro; 3. Dizer alto o tempo de passagem do 4º, 10º e último veículo da fila; 4. Se o fluxo continuar até acabar o tempo de verde, dizer ao observador saturação até ao fim do verde, o último veículo que passou foi o n-ésimo 17

18 Fluxo de Saturação Análise Operacional Devem ser registados quaisquer factos anormais que influenciem o fluxo de saturação, ex: cargas/descargas, autocarros parados em paragens etc.. O período usado para o cálculo do fluxo de saturação começa quando o eixo traseiro do 4º veículo atravessa a linha de paragem e acaba quando o último veículo atravessa a mesma linha. Assim temos, por exemplo: Tempo para o 4º veículo: 10,2 seg. Tempo para o 14º e último veículo: 36,5 seg. 36,5 10,2 26,3 Tempo médio entre veículos = = = 2,63 seg/veic Fluxo de saturação = VL/h 2.63 verde 18

19 Capacidade A capacidade de um grupo de pistas i pode ser definida por: c i = s i c i - capacidade do grupo de pistas i s i - fluxo de saturação para o grupo de pistas i g i /T - rácio de verde para o grupo de pistas i (tempo de verde/tempo de ciclo) Para cada grupo de pistas é possível calcular o respectivo rácio v/c: v v v i v i.t X ou seja, i = = = s i X c g i = i i s si.g i i. g i T T A capacidade da intersecção como um todo é um conceito com pouco interesse, sendo pouco provável que todos os movimentos venham a estar saturados ao mesmo tempo. g i. T 19

20 Rácio Crítico Rácio Crítico ( X c ) consiste no rácio v/c para a intersecção como um todo, mas considerando apenas o movimento com maior rácio v/c em cada fase X c = i T. T L X c - rácio crítico (v/c) para a intersecção v - somatório de todos os grupos de pistas consideradas críticas i s ci T - tempo de ciclo em segundos L - total de tempo perdido por ciclo v s ci Se Xc 1.0, então é possível acomodar todos os movimentos na sequência de fases e tempos de ciclos definidos 20

21 Nível de Serviço Nível de Serviço é definido em termos do tempo médio de atraso (medida de desconforto do condutor, consumo de combustível e tempo perdido na viagem) O atraso refere-se ao tempo gasto para atravessar a intersecção em excesso relativamente à situação de atravessamento livre (como se fosse desnivelada ou não existisse) É definido a partir dos tempos médios de atraso para um período de ponta de 15 minutos, que podem ser obtidos por: Cálculo Medições no campo Definição dos Níveis de Serviço (Fonte: HCM) Nível de Serviço A B C D E F Tempo de Atraso (seg/veic) a a a a 60.0 >

22 Atraso Médio por Veículo Cálculo O tempo médio de atraso por veículo pode ser calculado pela seguinte expressão (admitindo chegadas aleatórias): d = d 1 + d 2 d 1 2 [ 1 ( g T )] [ 1 ( g T )( X )] = 0,38T ( ) ( ) 2 2 d = 173 X X 1 + (X 1) + 16 X 2 c d - tempo médio de atraso por veículo, para um grupo de pistas, em seg/veíc. T - tempo de ciclo, em segundos g/t - rácio de verde para um grupo de pistas c - capacidade do grupo de pistas X - rácio de v/c para o grupo de pistas d 1 representa o atraso uniforme (o atraso que surgia se as chegadas acontecessem de uma forma uniforme) d 2 entra em conta com o atraso incremental (o atraso que surge de as chegadas não serem uniformes mas sim aleatórias e ainda das quebras de ciclo que possam suceder) Com base neste tempo de atraso podem ser calculados tempos médios de atraso para cada aproximação e para a intersecção como um todo 22

23 Atraso Médio por Veículo Levantamento Existem vários métodos para levar a cabo esta acção incluindo o uso de um carro teste ou o registo de chegadas e partidas durante cada ciclo. O método que irá ser apresentado nestas folhas baseia-se na observação directa dos veículos parados na intersecção (ou num grupo de pistas). Os passos seguintes devem ser seguidos aquando da implementação desta metodologia: 1. Identificar o comprimento máximo de fila de espera durante o período em estudo. Este ponto deverá ser usado como limite da área de estudo; 2. A intervalos regulares, de 10 a 20 seg., o número de veículos parados na área em estudo deve ser registado. Apenas os veículos parados devem ser contados e registados; 3. Durante o período de contagem deve ser registado o fluxo que atravessa a área em estudo; 4. A soma total de cada coluna corresponde ao total de veículos contados durante o intervalo; 5. É assumido que um veículo que é observado como parado numa das contagens se considera que está aí parado durante todo esse intervalo, assim, o atraso médio de cada veículo pode ser calculado através de: Vs * I Vs - soma de todos os veículos contados como parados; Atraso = I - intervalo entre contagens (10 ou 20 seg.); v v - fluxo que atravessou a área em estudo durante o período de contagens. 23

24 Exemplo: Atraso Médio por Veículo Levantamento Segundos Fluxo = 50 veíc. (fluxo que atravessou o grupo de pistas em estudo durante o intervalo considerado, 10 minutos) O número de veículos contados como parados (de 20 em 20 segundos) foi : V S = = 99 veic Atraso = = 40 seg/veic. 50 Horas 5:00 5:01 5:02 5:03 5:04 5:05 5:06 5:07 5:08 5:09 Total Nota: Em consequência de toda a metodologia apresentada, a área em estudo poderá corresponder a um grupo de pistas, uma aproximação à intersecção ou toda a intersecção, dado que o nível de serviço é definido para a área em estudo através do seu atraso médio. 24

25 Análise Operacional Dados a levantar 25

26 Formulação Matemática do Problema Dados: Débito de Chegadas q (veic/hora) Procura Débito de Partidas s (veic/hora) Oferta (Fluxo de Saturação) Pedidos ou Resultados: Duração do Ciclo T (segundos) Repartição do tempo de ciclo λ i Objectivos: Maximizar (ou minimizar) uma função f ( q, s, T, λ i ) = 0 sujeita às seguintes restrições: Soma dos tempos das fases igual à duração do ciclo Tempo de verde mínimo das fases Duração mínima do ciclo Capacidade das entradas 26

27 Critérios de Optimização 27

28 Critérios de Optimização 28

29 Micro-regulação Cruzamentos Isolados (Sinais actuados pelo tráfego) A colocação de sensores depende do objectivo da detecção: Minimizar os atrasos dos veículos em aproximação Evitar longos tempos de verde mínimo Conseguir detecção em movimento Evitar tempos de verde curto Manter a fila de espera menor do que x Alguns destes critérios são contraditórios quanto ao local de colocação do sensor 29

30 Micro-regulação Cruzamentos Isolados (Sinais actuados pelo tráfego) As acções mais frequentes de micro-regulação são: 1. Eliminação de uma fase Viragem à esquerda Travessia de peões Transportes Públicos Existência de sub-fases 2. Adaptatividade do tempo de verde Variação do tempo de verde entre um mínimo e um máximo Método mais utilizado: I. Comparação do intervalo de tempo que separa a passagem de 2 veículos II. III. consecutivos com um valor base, denominado Intervalo Crítico Se o intervalo é inferior ao crítico, o verde é prolongado de um valor igual ao intervalo crítico, caso o valor máximo ainda não tenha sido alcançado Caso contrário desencadeia-se a mudança de fase 3. Prevenção do bloqueamento do cruzamento anterior 30

31 Coordenação A semaforização aplicou-se inicialmente a cruzamentos isolados A necessidade de coordenar o funcionamento dos vários cruzamentos isolados surgiu devido a: Aumento de utilização da rede Aumento do número de cruzamentos semaforizados A coordenação semafórica pode ser feita em 3 níveis Cruzamento isolado (sem coordenação) Coordenação por artérias (onda verde) Coordenação por zonas 31

32 Coordenação 32

33 Coordenação por artérias (onda verde) A técnica designada por onda verde permite sincronizar os cruzamentos ao longo de um itinerário Assim é possível proporcionar o avanço a pelotões (grupos compactos de veículos) a uma determinada velocidade 33

34 Coordenação por zonas Envolve a ligação dos cruzamentos e a centralização do comando Exemplo: Sistema GERTRUDE Gestion Electronique de Regulation du Trafic Routier Urban Defiant les Embouteillages, desenvolvido por Gertrude SA (filial da Comunidade Urbana de Bordéus) Instalado em Lisboa e também no Porto (onde se designa SIGA) Objectivos: Melhorar as condições de circulação nos períodos de ponta Dar prioridade absoluta aos veículos de emergência Facilitar a circulação de veículos de transportes colectivos Remover o congestionamento da área central e das artérias consideradas críticas Aumentar a segurança rodoviária Estratégia: Em circulação fluida: um conjunto de planos de regulação por sub-zona Em saturação: são criadas um conjunto de áreas de armazenamento 34

35 Coordenação por zonas 35