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Cruzamentos Semaforizados
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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.
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Perspectiva Histórica
1868 – Sistema de luzes coloridas utilizado em Westminster (Reino Unido) e que funcionava a gás;1918 – Primeiros sinais tricolores intaladosem 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.
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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 ControloPode ainda incluir mecanismos especiais de activação a partir da procura (botões para peões, TP, saída de viaturas especiais, veículos prioritários, etc)
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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
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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;
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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 éefectivamente 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. Émedido em segundos.
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Definições (III)Diagrama de Ciclo
A representação da semaforização faz-se através de um Diagrama de CicloO 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)
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Metodologia
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Tempo PerdidoCruzamento Semaforizado vs Cruzamento Prioritário
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Movimentos Protegidos vs Movimentos PermitidosViragens 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.
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Movimentos Protegidos vs Movimentos PermitidosPeões
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.
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Pistas Exclusivas, Partilhadas e Grupos de Pistas
• A metodologia de análise de intersecções semaforizadas édesagregada 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.
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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)
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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
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Fluxo de SaturaçãoAnálise em Planeamento
• O fluxo de saturação pode ser estimado através de um fluxo de saturação ideal ( so ), e pelo ajustamento deste valor para uma série de condições prevalecentes que não são as ideais:
s = so . N . fW . fHV . fI . fE . fPA . fA . fVD . fVE
s - fluxo de saturação para o grupo de pistas, VL/hverde;so - fluxo de saturação ideal por pista, normalmente 1800 VL/hverde/pista;N - número de pistas no grupo de pistasfW - factor de ajustamento para a largura da pistafHV - factor de ajustamento para veículos pesadosfI - factor de ajustamento para aproximações com inclinação diferente de 0ºfE - factor de ajustamento para a existência de zona de estacionamento adjacente ao grupo de pistas fPA - factor de ajustamento para o efeito das paragens de autocarros na zona da intersecçãofA - factor de ajustamento para o tipo de áreafVD - factor de ajustamento para viragens à direita no grupo de pistasfVE - factor de ajustamento para viragens à esquerda no grupo de pistas
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Fluxo de SaturaçãoAnálise 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”
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Fluxo de SaturaçãoAnálise 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 veículoatravessa 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.
Tempo médio entre veículos seg/veic
Fluxo de saturação verdeVL/h 13702.633600
≈=
2,6310
26,3414
10,236,5==
−−
=
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Capacidade
A capacidade de um grupo de pistas i pode ser definida por:
ci - capacidade do grupo de pistas isi - fluxo de saturação para o grupo de pistas i gi/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:
ou seja,
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.
Tg.c i
ii s=
ii
i
ii
i
ii g.s
T.v
Tg.s
vcvX ==
=
Tgsv
Xi
ii
=
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Rácio Crítico
Rácio Crítico ( Xc ) – consiste no rácio v/c para a intersecção como um todo, mas considerando apenas o movimento com maior rácio v/c em cada fase
Xc - rácio crítico (v/c) para a intersecção
- somatório de todos os grupos de pistas consideradas críticas
T - tempo de ciclo em segundosL - total de tempo perdido por ciclo
Se Xc ≤ 1.0, então é possível acomodar todos os movimentos na sequência de fases e tempos de ciclos definidos
∑
−
=
i cic LT
T.svX
∑
i cisv
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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 excessorelativamente à situação de atravessamento livre (como se fosse desnivelada ou não existisse)
Nível de Serviço
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
> 60.0F40.1 a 60.0E25.1 a 40.0D15.1 a 25.0C5.1 a 15.0B≤ 5.0A
Tempo de Atraso (seg/veic)Nível de ServiçoDefinição dos Níveis de Serviço (Fonte: HCM)
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Atraso Médio por VeículoCálculo
O tempo médio de atraso por veículo pode ser calculado pela seguinte expressão (admitindo chegadas aleatórias):
d - tempo médio de atraso por veículo, para um grupo de pistas, em seg/veíc.T - tempo de ciclo, em segundosg/T - rácio de verde para um grupo de pistasc - capacidade do grupo de pistasX - rácio de v/c para o grupo de pistas
d1 representa o atraso uniforme (o atraso que surgia se as chegadas acontecessem de uma forma uniforme)
d2 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
21 ddd += ( )[ ]( )( )[ ]XTg1
Tg1T0,38d2
1 −−
= ( ) ( ) +−+−= c
X161)(X1XX173d 222
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Atraso Médio por VeículoLevantamento
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:
v*V
Atraso s∑= I - soma de todos os veículos contados como parados;I - intervalo entre contagens (10 ou 20 seg.);v - fluxo que atravessou a área em estudo durante o período de contagens.
∑ sV
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Atraso Médio por VeículoLevantamento
Exemplo:
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 :
283833Total
2625:09
3445:08
2315:07
1255:06
6445:05
4225:04
3545:03
5365:02
0535:01
2425:00
+4020-400-20Horas
Segundos
veic. 99283833VS∑ =++=
seg/veic. 4050
2099Atraso =×
=
Nota: Em consequência de toda a metodologia apresentada, a área em estudo poderácorresponder 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.
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Análise OperacionalDados a levantar
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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 λi
Objectivos:• Maximizar (ou minimizar) uma função f ( q, s, T, λi ) = 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
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Critérios de Optimização
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Critérios de Optimização
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Micro-regulaçãoCruzamentos 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
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Micro-regulaçãoCruzamentos 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 consecutivos com um valor base, denominado Intervalo Crítico
II. 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
III. Caso contrário desencadeia-se a mudança de fase
3. Prevenção do bloqueamento do cruzamento anterior
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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
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Coordenação
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Coordenação por artérias(onda verde)
A técnica designada por onda verde permite sincronizar os cruzamentos ao longo de um itinerárioAssim é possível proporcionar o avanço a pelotões (grupos compactos de veículos) a uma determinada velocidade
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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
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