mudança de faixa, vissim

SUBMODELOS COMPORTAMENTAIS

Lane Change

Alunos: Camila MaiaHeron Félix

Engenharia de Tráfego Outubro / 2011

Modelo de Mudança de Faixa:determina a forma com a qual os veículos mudam de faixa de rodagem e como entram e saem de um dado fluxo de trânsito.

Em contraste ao processo de “car following”, que faz referência ao veículo da frente ou a alguns poucos veículos predecessores na mesma faixa, ao mudar de faixa todo o ambiente do tráfego precisa ser considerado (à frente, nas laterais e atrás).

Introdução

 A ocorrência de mudança de faixa depende de três questões:

•Existe o desejo de mudança de faixa?•A dirigibilidade atual na faixa vizinha é favorável?•É possível se movimentar para a faixa vizinha?

Se todas as três questões forem respondidas positivamente, haverá mudança de faixa.

Introdução

Mudança de Faixa

No modelo de car following, a influência de um veículo mais lento é definida através da distância SDX (limite de percepção do aumento da distância entre veículos) e o limite percentual para diferenças de velocidade SDV (limite de percepção de diferença de velocidades).

No modelo de decisões de mudança de faixa, este tipo de influência é chamado influência real. Um motorista observa os veículos circundantes continuamente, as distâncias e diferenças de velocidade. Percebe as mudanças e portanto torna-se apto a estimar como essas mudanças irão evoluir.

Pode-se levar em consideração situações futuras potenciais para sua decisão de mudar para esta determinada faixa. No modelo, isto é representado definindo-se um tipo adicional de influência, chamado influência potencial.

Mudança de Faixa

SDVP = FV * SDV onde: SDVP: limite potencial de percepção de diferença de velocidades;FV: fator de multiplicação;SDV: limite de percepção de diferença de velocidades a grandes distâncias. 

SDXP = AX + FX * BX onde: SDXP: limite potencial de percepção do aumento da distância entre veículos;AX: distância desejada entre veículos (medida de frente à frente)FX: fator de multiplicação;BX: parâmetro de calibração, definindo a amplitude de variação.

Mudança de Faixa

Os fatores de multiplicação FX e FV variam de acordo com qual dos veículos circundantes é levado em consideração.

Esta variação considera uma estimativa diferente do usuário acerca da diferença de distância e velocidade entre os veículos à frente e os veículos atrás.

Estes últimos somente podem ser vistos através do espelho retrovisor. Além disso, consideram-se diferentes sensibilidades acerca do nível de obstrução causado por veículos em diferentes faixas.

Modelo de Willmann e Sparmann (1978)A avaliação do desempenho geral dos modelos de mudança de faixa é realizada através de três decisões: conveniência, viabilidade e capacidade de manobra com base no processo de tomada de decisão do motorista. 

Conveniência avalia a precisão de um motorista ao fazer uma mudança de faixa, assumindo-se que o tipo de mudança de faixa é conhecida. 

Avaliação de viabilidade envolve a avaliação de condições envolventes para realizar uma mudança de faixa. 

Capacidade de manobra avalia variáveis tais como velocidade, aceleração ou desaceleração do veículo em questão.

Introdução

Exemplo de dois parâmetros utilizados para modelar o processo de mudança de faixas: as brechas dianteira e traseira.

Ilustração:

Ahmed, 1999

Existem dois tipos de mudança de faixa:

Mudança de Faixa COMPULSÓRIA (“Mandatory Lane Change”): um motorista deve mudar de faixa para seguir uma determinada rota. Sua necessidade sobrepõe-se a todas as demais possibilidades.

Mudança de Faixa DISCRICIONÁRIA (“Discretionary Lane Change”): um motorista muda para uma faixa por percebê-la como oferecendo melhores condições de dirigibilidade.

(Ben-Akiva, Choudhury e Toledo)

Mudança de Faixa

Estrutura usual dos modelos de mudança de faixa – não há trade-off entre as duas modalidades de mudança de faixa (Ben-Akiva, Choudhury e Toledo).

MUDANÇADE FAIXACOMPULSÓRIA

MUDANÇADE FAIXADISCRICIONÁRIA

ACEITAÇÃODEBRECHA

COMPULSÓRIA NÃO COMPULSÓRIA

não

SEM MUDANÇ

A

sim

MUDANÇA

DISCRICIONÁRIA NÃO DISCRICIONÁRIA

SEM MUDANÇ

A

sim

MUDANÇA

não

SEM MUDANÇ

A

Mudança de Faixa

Mudança de Faixa

Relação entre velocidade e brechas dianteira e traseiraMudanças de faixa discricionária (DLC) e compulsória (MLC)

Ilustração: Ahmed, 1999

Debruçando-se sobre o fenômeno em um engarrafamento, percebe-se que a reação do próprio ambiente é crucial. Se os veículos ao redor não agirem de forma cooperativa não haverá mudança de faixa – uma vez que as distâncias (gaps) são demasiado pequenas.

(Ehmanns & Hochtädter, 2001)

Por outro lado, o motorista pode forçar a passagem para a outra faixa, compelindo o veículo de trás a diminuir sua velocidade.

Uma análise da percepção antecipada da brecha (“anticipated gap”) define a escolha entre uma destas duas modalidades de mudança de faixa – os valores de brechas utilizados nestas situações são diferentes dos utilizados em uma mudança de brecha convencional.

(Ben Akiva, Choudhury e Toledo)

Mudança de Faixa – “subtipos”

No caso de estruturas do tipo multi-lane, apenas uma parcela das faixas disponíveis é avaliada no fenômeno de mudança de faixa. No entanto, para compreendê-lo, deve-se perceber que há por vezes uma faixa alvo e que, para atingi-la, outras faixas são utilizadas – havendo então uma sucessão de mudanças de faixas intermediárias (passando por faixas com características indesejáveis de dirigibilidade) até que se alcance a faixa desejada.

(Ben Akiva, Choudhury e Toledo)

Ilustração:Webster, 2007

Mudança de Faixa – “subtipos”

Ilustração:

Webster, 2007

Mudança de Faixa – “subtipos”

Ilustração:HCM, 2000

Concluir a mudança de faixa dependerá de sua VIABILIDADE, analisada através de modelos de aceitação de brecha. Estimativas de modelos com dados de trajetória demonstram que fatores que afetam as utilidades das várias faixas são: características macroscópicas e microscópicas do fluxo de tráfego (presença de veículos pesados, velocidade média e densidade, etc), o impacto do caminho planejado em si (se seria correto segui-lo), um fator de inércia (se trata-se da faixa adjacente e, caso não, qual número de mudanças de faixas é necessário para chegar a ela) e, por fim, características do motorista (agressividade, etc).

(Ben Akiva, Choudhury e Toledo)

Mudança de Faixa – “subtipos”

Ilustração:

Webster, 2007

Uma variação: a mudança de faixa tática Ilustração:

Webster, 2007

Mudança de Faixa – “subtipos”

Calibração

HELLINGA descreve um processo de calibração como consistindo de sete passos:

• (a) definição de objetivos e metas do estudo;

• (b) determinação dos dados de campo necessários;

• (c) escolha de medidas de desempenho;

• (d) estabelecimento de critérios de avaliação;

• (e) representação da rede;

• (f ) comportamento do motorista quanto à escolha de rotas;

• (g) avaliação dos resultados do modelo.

DISTÂNCIA DE MUDANÇA DE FAIXA (lane change distance)

Define a distância na qual os veículos começarão a tentar mudar de faixa . A distância de mudança de faixa (percepção do conector) é utilizada juntamente ao parâmetro distância de parada de emergência (distância com a qual o motorista vai mudar para as faixas que viabilizam o acesso ao conector) para modelar o comportamento de motoristas, tendendo a permanecer em suas rotas desejadas.

Também é aqui que se calibra o comportamento dos motoristas em uma situação de “lane drop”.

Mudança de Faixa - VISSIM

DISTÂNCIA DE MUDANÇA DE FAIXA (lane change distance)

Seu valor default é 200m. Valores aceitáveis variando entre 150 e 300m. Tais valores foram selecionados de forma a garantir que um veículo mantivesse uma distância razoável de forma a efetuar a mudança de faixa antes de atingir a interseção. Valores muito baixos forçam os veículos a caírem na condição de parada de emergência.

(Park & Schneeberger)

Mudança de Faixa - VISSIM

A distância de mudança de faixa trabalha em conjunto com a própria rota do veículo. Assim, para que ela surta efeito, a decisão por uma rota precisa ser tomada a uma distância anterior ao conector – e, claro, maior que a distância de mudança de faixa.

Mudança de Faixa - VISSIM

No que concerne às mudanças de vias, o VISSIM possui dois tipos, que aqui chamaremos:

• mudança compulsória (“Necessary Lane Change”);

• mudança discricionária (“Free Lane Change”).

Mudança de Faixa - VISSIM

Necessary Lane Change:

Os parâmetros de condução devem conter uma aceleração máxima aceitável, tanto para o veículo que efetua a mudança, como para o que circula à sua direita.

Um exemplo deste tipo é quando o veículo que circula na via mais interior de uma rotatória vai em direção a uma saída e é obrigado a mudar para a via da direita.

Mudança de Faixa - VISSIM

Tipos de Mudança de Faixa

Exemplo de mudança de faixa compulsória, numa situação que envolve questões de segurança (risco de colisão) – representação de uma área de conflito no VISSIM.

Ilustrações: Webster, 2007 (acima)

Department of Civil andEnvironment Engineeringof Portland State University(esquerda)

Exemplo de mudança de faixa cooperativa obtida no VISSIM (irrealístico)

(Chatterjee, 2008)

Tipos de Mudança de Faixa

Mudança de Faixa - VISSIM

Mudança de Faixa - VISSIM

Define-se o tipo de ultrapassagem:

- Free Lane Selection:

veículos podem ultrapassar para qualquer faixa

- Right Side Rule :

permite ultrapassagens para a faixa rápida apenas se a velocidade

for maior que 60km/h.

Para velocidades mais baixas, veículos na faixa lenta podem ultrapassar com uma diferença

máxima de velocidade de 20 km/h.

Mudança de Faixa - VISSIM

General Behavior

No modelo de OREGON, devia-se definir esse parâmetro

como “Free Lane Selection”, salvo quando veículos

pesados se encontrassem obrigados a trafegar nas

faixas da direita, caso em que a “Right Side Rule” era

aplicada.

Em ambos os casos, quando um motorista tenta mudar de faixa, o primeiro passo é encontrar um tempo de brecha (time gap) adequado (headway) no fluxo de destino. O tamanho da brecha é dependente da velocidade de ambos os veículos e do veículo que vem de trás (na faixa para a qual se quer mudar). 

Mudança de Faixa - VISSIM

Free Lane Change

O VISSIM verifica sempre uma distância de segurança desejada em relação ao veículo que segue na via para a qual este pretende circular. Existem ainda outros parâmetros configuráveis, como o tempo máximo de espera do condutor na posição de parada de emergência até o fluxo estar livre e a distância mínima disponível (em relação ao veículo seguinte) para efetuar uma mudança de via.

(Fernandes, 2010)

Mudança de Faixa - VISSIM

Mudanças de faixa compulsórias dependem

da agressividade dos motoristas, expressa por

sua aceitação/rejeição de brechas nas faixas

adjacentes, o que é representado por parâmetros como

desaceleração aceitada e máxima, e o fator de redução de distância.

(Chatterjee, 2008)

Mudança de Faixa - VISSIM

O usuário pode definir o nível de agressividade dos veículos envolvidos através dos limites de desaceleração entre um valor máximo e aceitável. Para além disso, uma Taxa de Redução (TR), em metros por cada 1 m/s² é usada para reduzir a desaceleração máxima com o aumento da distância em relação à paragem de emergência, do seguinte conector da rota do veículo. Através desta, tem-se uma estimativa da distância para a qual a desaceleração passa do seu valor máximo até ao valor aceitável.

Portanto, quanto menor for o intervalo entre as desacelerações máxima e desejada e maior TR, mais agressiva se torna a mudança de via, pois o condutor tem um espaço de manobra menor em relação à paragem de emergência.

Mudança de Faixa - VISSIM

Mudança de Faixa - VISSIM

Exemplo de influência da agressividade do motorista (definido como agressivo ou tímido) sobre a a faixa, determinada em termos de distância para efetuar-se uma mudança de faixa compulsória, em relação a brechas dianteiras (esquerda) e traseiras (direita).

(Ben Akiva, Choudhury e Toledo)

Mudança de Faixa

Exemplos de modelagem de diferentes estilos de direção.

(Fellendorf, 2010)

Mudança de Faixa

Outros parâmetros• Tempo de espera antes da

difusão

• Headway mínimo

• “To slower lane if collision time”

• Fator de distância de segurança (valor default de 0,6 distância durante a mudança de faixa é reduzida em 40% )

• Desaceleração máxima para frenagem cooperativa

• “Áreas com velocidade de ultrapassagem reduzida”

Outros parâmetrosNo modelo de OREGON, manteve-se este parâmetro com o valor default de 60s tanto para vias do tipo freeways como para arteriais.

Os veículos que excederem este valor limite ficavam registrados em um arquivo de erro (extensão *.err) – e recomendava-se a análise esse registro, para descobrir a razão desta imobilidade por mais de um minuto.

Outros parâmetros

dxsafe = CC0+CC1* v

(v = velocidade do veículo)

(dxsafe determina a capacidade da via)

A sensibilidade de dxsafe a CC0 é bem menor que a

CC1; uma vez que a distância de “car following”

é dependente de outro parâmetro, CC2, e é

afetada no processo, este é também um parâmetro a

ser calibrado no modelo de mudança de faixas.

(Chatterjee, 2008)CC1 – headway temporal desejado;CC2 – limiar longitudinal (car following)

Via Urbana x Freeway

Via Urbana x Freeway

Outros parâmetros

A distância mínima lateral entre veículos (em ultrapassagem ou em faixas adjacentes) é definida segundo classes de veículos e para uma situação estática (a 0 km/h) bem como para 50 km/h. Para outros valores de velocidade, seu valor é obtido

por interpolação linear. (manual do VISSIM)

Outros parâmetros

Embora não esteja no escopo desta análise, convém citar parâmetros relacionados; assim:

Relativamente ao comportamento lateral dos veículos, alguns parâmetros podem ser configuráveis tais como a posição desejada na pista num fluxo sem veículos, a mínima distância lateral (relacionada com ocorrência de colisões e com a capacidade da via), seleção dos veículos passíveis de ultrapassar ou ainda o comportamento dos mesmos quando se aproximam de um dado sinal de controle (por exemplo, um semáforo).(Fernandes, 2010)

Outros parâmetros

Exemplo de valores sugeridos para calibração da modelagem do fenômeno de mudança de faixa utilizados em Oregon; alertava-se que quaisquer valores fora destes intervalos poderiam causar um comportamento errático nas simulações e gerar colisões.

(ODOT VISSIM Protocol, 2011)

Estimação e Obtenção de Dados

DADOS DESAGREGADOS

DADOS AGREGADOS

COLETA DE DADOS

ESTIMAÇÃO DO MODELO

REFINAMENTO DO MODELO

IMPLEMENTAÇÃO E VERIFICAÇÃO

CALIBRAÇÃO AGREGADA DO

MODELO DE SIMULAÇÃO

VALIDAÇÃO AGREGADA

MODELO DE SIMULAÇÃO

CALIBRADO E VALIDADO

Processos de Estimação, Calibração e Validação (Ben-Akiva, Choudhury e

Toledo).

Dados macroscópicos: volume, densidade, velocidade média, número de mudanças de faixas. Registro de tempo em série (mensuração in situ). Dados microscópicos: relações entre tempo e distância e de dois observadores independentes determinando os tempos de início e término das manobras de mudança de faixa. A combinação destes dados permite determinar velocidades e distâncias entre veículos.

Estimação e Obtenção de Dados

DADOS DESAGREGADOSCOLETA DE DADOS

ESTIMAÇÃO DO MODELO

REFINAMENTO DO MODELO

IMPLEMENTAÇÃO E VERIFICAÇÃO

CALIBRAÇÃO AGREGADA DO

MODELO DE SIMULAÇÃO

VALIDAÇÃO AGREGADA

MODELO DE SIMULAÇÃO

CALIBRADO E VALIDADO

Dados de trajetórias de veículos detalhadas com detalhe em relação ao

tempo; são utilizados na fase de estimação do

modelo.

Processos de Estimação, Calibração e Validação (Ben-Akiva, Choudhury e Toledo).

Nesta fase o modelo é especificado e variáveis explicativas (como velocidades e relações

entre o veículo em questão e outros veículos) são geradas, a partir das coordenadas do

veículo extraídas dos dados da trajetória. Os parâmetros do modelo são estimados através

de uma técnica de máxima verossimilhança para que correspondam às mudanças ocorridas

nos dados ao observar-se a via.

COLETA DE DADOS

ESTIMAÇÃO DO MODELO

REFINAMENTO DO MODELO

IMPLEMENTAÇÃO E VERIFICAÇÃO

CALIBRAÇÃO AGREGADA DO

MODELO DE SIMULAÇÃO

VALIDAÇÃO AGREGADA

MODELO DE SIMULAÇÃO

CALIBRADO E VALIDADO Processos de Estimação, Calibração e Validação (Ben-

Akiva, Choudhury e Toledo).

Processos de Estimação, Calibração e Validação (Ben-Akiva, Choudhury e Toledo).

DADOS AGREGADOSCOLETA DE DADOS

ESTIMAÇÃO DO MODELO

REFINAMENTO DO MODELO

IMPLEMENTAÇÃO E VERIFICAÇÃO

CALIBRAÇÃO AGREGADA DO

MODELO DE SIMULAÇÃO

VALIDAÇÃO AGREGADA

MODELO DE SIMULAÇÃO

CALIBRADO E VALIDADO

Tem obtenção mais barata e, em muitos casos, estão facilmente disponíveis.

Parte deste banco de dados agregados é primeiramente utilizado para ajustar parâmetros-chave do modelo de mudança de faixa, bem como

parâmetros de outros modelos comportamentais, e para estimar a demanda por viagens.

O problema de calibração agregada é formulado como um problema de otimização, que busca

minimizar uma função do desvio entre as mensurações do tráfego simulado e do tráfego

observado, bem como de desvios dos valores calibrados por estimativas a priori, se disponíveis.

O Restante dos dados é utilizado para a validação, que consiste em comparar medidas de desempenho,

que podem ser calculadas a partir das disponíveis com os valores correspondentes no simulador, como

por exemplo velcidades e fluxos, a distribuição de veículos ao longo das vias, quantidade e localização

e mudança de faixas.

(Chatterjee, 2008)

Dados úteis fornecidos pelo VISSIM(exemplo aplicado a um experimento em particular)

Volume de tráfegoTaxa de OcupaçãoVelocidade veicularComprimento da fila

Estimação e Obtenção de Dados

Gráfico ilustrativo do efeito de interrupção de faixas (lanedrop) na produção de mudanças de faixas (Laval & Daganzo, 2005)

Estimação e Obtenção de Dados

(Chatterjee, 2008)

Dados úteis fornecidos pelo VISSIM(exemplo aplicado a um experimento em particular)

Capacidade(relacionada a mudança de faixas)

Exemplos de mensurações de parâmetros de mudança de faixa.(Ehmanns & Hochtädter, 2001)

Estimação e Obtenção de Dados

Exemplo de análise de mudança de faixa envolvendo questões de segurança (risco de colisão – medições do deslocamento lateral).

Ilustração:

Hetrick, 1997

Estimação e Obtenção de Dados

Exemplo de medição de parâmetros, através de análise de vídeos (programa VIVA).

Ilustração: Ahmed, 1999

Estimação e Obtenção de Dados

Exemplo de medição de parâmetros, através de análise de vídeos (programa VIVA).

Ilustração: Ahmed, 1999

Alguns fatores que afetam o comportamento da mudança de faixa em vias urbanas não estão presentes em tráfego de freeways; como exemplo cita-se o impacto de ônibus (e paradas de ônibus), manutenções em vegetação e equipamentos urbanos, semáforos e as filas que lhes são consequentes. Além disso, uma proporção expressiva de mudanças de faixa em vias arteriais urbanas pode ocorrer em interseções, não em trechos observados.

(Ben Akiva, Choudhury e Toledo)

Crítica

Exemplo de aplicação

Aplicação de mudança de faixa tática

Ilustração:

Webster, 2007

Material Consultado

1. Fellendorf, Martin (2010). VISSIM: past – present – future. University of Technology, Graz, Austria.

2. Fellendorf, Martin & Vortisch, Peter (). Microscopic Traffic Flow Simulator VISSIM.

3. VISSIM Overview (PTV Vision)

http://cgi.ptv.de/download/traffic/library/VISSIM%20Slideshow.pdf

AINDA POR SER DIGITADO; 21 PDFs NO DROPBOX.