Fusión de carriles laterales en un modelo mesoscópico Aimsun Next

Junio de 2022 – Nota técnica nº 70

Mohammad Saifuzzaman

Especialista de producto

El modelo mesoscópico de Aimsun Next ofrece una simulación basada en enlaces y carriles de vehículos individuales con un comportamiento simplificado en comparación con el utilizado en la microsimulación. Estas simplificaciones hacen que sea lo suficientemente bueno para representar las interacciones del conductor en el seguimiento del coche, el cambio de carril y la aceptación de huecos, al tiempo que se reducen los cálculos y, por tanto, el tiempo de ejecución en comparación con su homólogo microscópico más detallado.

Se ha demostrado que el modelo mesoscópico de Aimsun Next produce tiempos de viaje realistas en redes urbanas y en la mayoría de las situaciones de autopista. Sin embargo, cuando se trata del comportamiento de fusión en las rampas de acceso, la falta de comportamiento cooperativo plantea a veces un reto a la hora de calibrar la congestión producida en ese tipo de cuello de botella. Hemos reconocido la limitación y en Aimsun Next 20 introdujimos un modelo específico de comportamiento de fusión mesoscópica controlado por dos parámetros adicionales: brecha de cooperación y brecha de fusión. Esta nota técnica pretende explicar cómo se pueden utilizar estos parámetros para controlar el comportamiento de la fusión y ajustarse al flujo de tráfico observado y a la congestión.

Antecedentes

Reproducir la congestión exacta en un lugar de confluencia de carriles laterales es siempre un reto. Depende de la geometría de la carretera, y se ve muy afectado por el comportamiento de los conductores; por ejemplo, en la misma situación puedes tener un reparto muy diferente de la congestión entre la línea principal y la rampa en función del grado de cooperación.

La versión microscópica de Aimsun Next tiene varios parámetros para calibrar el comportamiento de la fusión de carriles laterales (por ejemplo, cooperación, agresividad, distancia de cooperación, distancia de fusión y opciones de fusión simultánea). Tras un análisis detallado de los datos reales en varias zonas de fusión de carriles laterales, hemos diseñado un nuevo modelo de fusión para la simulación mesoscópica. Se controla mediante dos parámetros, la brecha de cooperación y la brecha de fusión.

Espacio de cooperación: Es la holgura (en segundos) que los vehículos de la línea principal se verán obligados a tener al salir del tramo siempre que haya vehículos en fusión en la rampa. Esto es para facilitar la incorporación del tráfico. Así, se puede conseguir un mayor grado de cooperación del tráfico principal aumentando el valor de este parámetro. El valor por defecto es 0,0 seg. y significa que no hay cooperación, lo que es igual que en las versiones anteriores. Sólo se retrasarán los vehículos del primer carril principal adyacente al carril lateral. Cuando aumenta el espacio de cooperación, el flujo de incorporación del carril lateral debería aumentar a costa de una mayor congestión en el carril adyacente de la línea principal.

Espacio de incorporación: Es el espacio mínimo que buscan los vehículos del carril lateral (rampa de acceso) para incorporarse a la línea principal. Cuando aumenta el espacio de fusión, disminuye la probabilidad de que el flujo de fusión provenga del carril lateral.

Estos dos parámetros se encuentran en una sección de fusión en la pestaña “Modelos dinámicos”, como se destaca en la Figura 1. Ambos ofrecen retrasos adicionales al vehículo para pasar al siguiente tramo descendente. Con un enfoque de prueba y error, estos dos parámetros pueden ayudar eficazmente a imitar el comportamiento de fusión de carriles laterales en cualquier circunstancia. Como el modelo mesoscópico no ofrece una visualización en 2D del comportamiento individual de los conductores, hay que dar prioridad a la adecuación del flujo (y de la velocidad) en los tramos de carretera de la línea principal y de los carriles laterales.

Figura 1 Parámetros de unión de carriles laterales para la simulación mesoscópica

En la siguiente sección, se ha realizado una prueba de sensibilidad a pequeña escala para los dos parámetros en un modelo de prueba.

Modelo de prueba

Se elabora un modelo sencillo de comportamiento de fusión a partir de una red en la autopista M4 de Sidney. El lugar de la prueba tiene datos históricos de flujo de tráfico en el carril lateral y en la línea principal. Por tanto, el modelo nos permitiría comprobar el impacto de diferentes valores de los parámetros y compararlos con el valor por defecto y con los datos de tráfico observados. Se probarán las siguientes opciones:

  • Valores por defecto de los parámetros
  • Impacto de la brecha de cooperación
  • Impacto de la brecha de fusión
  • Un conjunto de valores que hacen coincidir el flujo simulado con los datos del flujo observado.

La zona de confluencia en la autopista M4 en dirección este se muestra en la siguiente figura. Se ha recogido un conjunto de datos del periodo punta de la mañana (6-10 AM) de un día. La autopista soporta un elevado tráfico en dirección a la ciudad durante la hora punta de la mañana.

Figura 2: Zona de confluencia en la autopista M4 de Sidney en dirección este

Parámetros por defecto

El modelo con el comportamiento de fusión por defecto de Aimsun Next no permitía que el flujo de la rampa se fusionara libremente. La figura 3 muestra que el caudal de la línea principal, tanto en los lugares de aguas arriba como en los de aguas abajo, coincide perfectamente. Sin embargo, el flujo de la rampa está limitado a unos 1000 vehículos/hora. Los parámetros de confluencia por defecto en el modelo mesoscópico suelen dar prioridad al tráfico de la línea principal, lo que disminuiría el flujo de confluencia de las rampas, como se observa en la figura siguiente.

Figura 3: Impacto de los parámetros de fusión por defecto

Impacto de la brecha de cooperación

El hueco de cooperación crearía un retraso adicional para el tráfico del primer carril principal adyacente al carril lateral. Representaría una situación en la que los vehículos de la línea principal cooperarían para crear un hueco para los vehículos que se incorporan. Cuando aumenta la brecha de cooperación, es probable que aumente el flujo de incorporación desde el carril lateral. En la figura siguiente se han probado diferentes valores de la brecha de cooperación.

Figura 4: Impacto de los valores de la brecha de cooperación

En la figura 4 se observa que el flujo medio durante el periodo de 4 horas en el detector de la línea principal de aguas arriba no cambió al aumentar el intervalo de cooperación de 0 a 9s. Sin embargo, un valor elevado de la brecha de cooperación parece reducir el flujo máximo en el detector anterior. Para comprender mejor el comportamiento de los conductores en el tráfico de la línea principal con mayores intervalos de cooperación, también se presentan en la citada Figura 4 los gráficos de flujo de tráfico simulado para cada carril.

Es evidente que el flujo en el carril 1 (el más cercano a la rampa, es decir, el más afectado por el tráfico que se incorpora) se ha reducido significativamente con un mayor espacio de cooperación. Por el contrario, el flujo en el carril 3 ha aumentado con el incremento de la brecha de cooperación. Por lo tanto, en esta prueba se ha observado un claro cambio en el uso del carril, en el que una parte del tráfico del carril 1 se ha desplazado al carril más alejado de la rampa para evitar el retraso causado por el tráfico que se incorpora. El resultado de la prueba sugiere que con el aumento del espacio de cooperación podría producirse un desplazamiento del tráfico del carril 1 (el carril adyacente al carril lateral) a otros carriles disponibles. Cuando los otros carriles no tienen capacidad para contener este tráfico adicional, se produciría una congestión que se propagaría aguas arriba.

Impacto de la brecha de fusión

Con el aumento del valor del hueco de incorporación, es probable que los vehículos del carril lateral esperen más tiempo para incorporarse al tráfico principal. Cuando el volumen de tráfico de la línea principal se aproxima a la capacidad, un ligero aumento de la brecha de incorporación podría causar una reducción significativa del flujo de incorporación. En este ejemplo, se ha probado un valor de brecha de fusión de 2s, 4s y 6s. La siguiente figura muestra el perfil de flujo del tráfico del carril lateral para diferentes valores de fusión. La figura muestra que con un ligero aumento del valor de la brecha de fusión, el flujo de tráfico en la rampa disminuye significativamente.

Figura 5: Impacto del flujo de la rampa de incorporación

Calibración con el flujo de tráfico observado

Después de algunas pruebas y errores con los parámetros de fusión, se encontró que una brecha de cooperación de 2s y una brecha de fusión de 0,0s eran suficientes para hacer coincidir el comportamiento de fusión simulado con el flujo observado en los detectores de rampa y de línea principal. Permitió que los vehículos del carril lateral se unieran fácilmente con el tráfico de la línea principal sin reducir el pico del flujo en el detector de aguas arriba.

La siguiente figura muestra el perfil de flujo simulado y observado en los detectores de la rampa y en los dos detectores de la línea principal. Con el hueco de cooperación de 2s, el tráfico de la línea principal cooperó creando huecos para el movimiento de fusión. Como resultado, los vehículos del carril lateral pudieron incorporarse libremente, lo que aumentó el flujo de la rampa, como se muestra en la figura.

En la imagen siguiente, podemos ver dos túneles con dos carriles cada uno. El cambio de carril no está permitido, por lo que los carriles pueden utilizarse indistintamente en un sentido o en el contrario.

Figura 6: flujo simulado frente al observado con los parámetros calibrados del carril lateral

Reflexiones finales

Antes de calibrar los parámetros de incorporación al carril lateral, debes asegurarte de que la demanda tanto en la línea principal como en la rampa es correcta.

Un modelo de tráfico contiene muchas zonas de confluencia, pero no todas requieren una calibración local. Un valor común para estos parámetros debe establecerse primero a nivel de tipo de carretera. Cualquier cambio local debe introducirse sólo cuando se encuentre un desajuste con el flujo de tráfico observado, o cuando el tráfico que se fusiona esté causando una congestión inesperada.

Al calibrar un modelo mesoscópico, debes centrarte en hacer coincidir el flujo (y la velocidad) de toda la sección en lugar de los valores de los carriles individuales.

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