1
Spis treści
1. Wstęp i cel pracy ... 2
2. Analizy przepustowości dróg szybkiego ruchu wg HCM 6 ... 3
2.1. Podstawy metodologii HCM ... 3
2.2. Szczegółowa metodologia HCM dla segmentów podstawowych ... 6
2.3. Metodologia analizy niezawodności ... 13
3. Program FreeVal ... 23
4. Poligon badawczy. ... 31
5. Wykonanie modelu w programie FreeVal... 42
5.1. Budowa modelu ... 42
5.2. Kalibracja modelu ... 45
6. Analiza niezawodności ... 69
6.1. Przykładowa analiza niezawodności ... 69
6.2. Analiza niezawodności dla poligonu badawczego ... 72
7. Wnioski i rekomendacje. ... 74
Bibliografia ... 75
Wykaz symboli i skrótów ... 76
Spis rysunków ... 78
Spis tabel ... 80
Spis równań ... 81
2
1. Wstęp i cel pracy
Obiektem badań niniejszej pracy jest ocena możliwości wykorzystania programu FreeVal w obliczeniach przepustowości dróg szybkiego ruchu. Program Freeval (Freeway EVALuation) jest narzędziem przeznaczonym do opracowywania analiz niezawodności oraz warunków ruchu na drogach szybkiego ruchu. Algorytmy zastosowane w programie Freeval opierają się na amerykańskiej instrukcji obliczeń przepustowości Highway Capacity Manual, Sixth Edition z 2016 roku.
Highway Capacity Manual (HCM) jest instrukcją dla wykonywania multimodalnych analiz przepustowości. Zawiera koncepcje, wytyczne i procedury obliczeniowe do obliczania przepustowości i warunków ruchu różnych obiektów drogowych, takich jak: autostrady, drogi szybkiego ruchu, ronda, skrzyżowania z sygnalizacją świetlną czy skrzyżowania bez sygnalizacji świetlnej uwzględniając wpływ transportu zbiorowego, ruchu pieszego oraz ruchu rowerowego. Szósta edycja metodologii, wydana w październiku 2016 roku, zawiera najnowsze badania na temat tych zagadnień, porusza także problematykę dynamicznego zarządzania ruchem oraz niezawodności czasów podróży.
Pojęcie przepustowości tradycyjnie definiowane było dla obiektu o jednorodnym charakterze i jednorodnych warunkach ruchu. W szóstej edycji HCM podejście jest odmienne. W przypadku, gdy analizujemy ciąg różnych typów segmentów, nie możemy mówić o jednorodności i jednoznacznym określeniu przepustowości. Przepustowość analizowanego odcinka drogi wielopasowej polega na identyfikacji segmentu krytycznego, w którym rozpoczyna się załamanie ruchu.
Przepustowość drogi wielopasowej jest interpretowana poprzez lokalizację i dotkliwość aktywnych wąskich gardeł, powodowanych nie tylko przez ograniczenia infrastruktury, ale również przez zdarzenia incydentalne, takie jak wypadki, kolizje, awarie, czy zjawiska pogodowe. Jest wartością zmienną w czasie.
W związku z odmiennym podejściem do pojęcia przepustowości, modyfikacji wymagają również metody jej analizowania. A właściwie, sprawdzenie czy dana droga przeniesie prognozowany ruch powinno odbywać się nie poprzez analizę przepustowości, a w ramach analizy niezawodności, do której przepustowość jest jedynie punktem wyjścia.
Obecnie na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej wykonywany jest projekt badawczy RID – I/50 OT2-2B/PK-PW-PG pt. „Nowoczesne metody obliczania przepustowości i oceny warunków ruchu dla dróg poza aglomeracjami miejskimi, w tym dla dróg szybkiego ruchu”. Projekt ten realizowany jest w ramach wspólnego przedsięwzięcia RID finansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad”.
Z wykorzystaniem wyników pomiarów ruchu wykonanych w ramach tego projektu na pilotowym poligonie badawczym na Autostradzie A2 przy PPO Pruszków opracowano niniejszą pracę dyplomową.
Celem niniejszej pracy było przeprowadzenie kalibracja modelu badanego odcinka oraz zastosowanie programu do przeprowadzenia analizy jego niezawodności.
3
2. Analizy przepustowości dróg szybkiego ruchu wg HCM 6
2.1. Podstawy metodologii HCM
W metodzie HCM, drogi wielopasowe, do których należą autostrady i drogi szybkiego ruchu, definiowane są jako wydzielona droga z kontrolowanym dostępem do niej, posiadająca dwa lub więcej pasów ruchu w jednym kierunku o niezakłóconym przepływie ruchu (ang.
uninterrupted flow). Metoda przeznaczona jest do analizy dłuższych odcinków drogi składających się z ciągle połączonych tzw. segmentów bazowych (odcinków międzywęzłowych), odcinków przeplatania oraz obszarów wpływu włączania i wyłączania się z jedni głównej. Ta metodologia nie odnosi się do analizowania całej drogi wielopasowej od początku do końca oraz systemu kilku połączonych dróg wielopasowych. Analizy wykonuje się dla każdego kierunku ruchu osobno.
Metoda skupia się na analizie pojedynczego okresu czasu, głównie interwału 15 minutowego o najwyższej wartości natężenia w godzinie szczytu komunikacyjnego, ale zezwala również na analizę dłuższego okresu, będącego wielokrotnością 15 minut, zdolnego do identyfikacji załamania ruchu i jego wpływu na obiekt w czasie.
Jak już zostało wcześniej wspomniane, droga wielopasowa składa się z różnych jednolitych segmentów, które mogą być analizowane w celu ustalenia przepustowości i poziomu swobody ruchu. Według HCM, zidentyfikowano trzy typy segmentów:
Segmenty podstawowe (odcinki międzywęzłowe) – odcinki, na których nie występują manewry przeplatania, włączania się i wyłączania.
Segmenty przeplatania – odcinki, na których jeden lub więcej strumieni ruchu zmierzających w tym samym kierunku przecinają swoje ścieżki przejazdu wzdłuż znaczącej długości drogi, bez pomocy urządzeń zarządzania ruchem. Są to odcinki zawierające się pomiędzy punktami rozdzielającymi jezdnie. Przyjmuje się, że obszar wpływu obejmuje dodatkowo 500ft (około 150m) z każdej strony.
4
Źródło: HCM 6
Rysunek 1 Schemat segmentu przeplatania
Segmenty włączania i wyłączania – segmenty, na których dwa lub więcej strumieni ruchu zbiegają się w jeden strumień (włączanie) lub jeden strumień ruchu rozdziela się na więcej strumieni (wyłączanie). Obszar wpływu włączania obejmuje odcinek o długość 1500ft (około 460m) od punktu rozdzielającego jezdnie, z kolei obszar wpływu wyłączania obejmuje odcinek o długości 1500ft (około 460m) przed punktem rozdzielającym jezdnie.
Źródło: HCM 6
Rysunek 2 Schemat odcinków włączania i wyłączania
Podręcznik zawiera szczegółowe instrukcje podziału analizowanego odcinka drogi wielopasowej na wyżej zdefiniowane segmenty. Poniżej przedstawiono kilka podstawowych zasad:
Nowy segment powinien rozpoczynać się w miejscu, gdzie występuje zmiana natężenia ruchu lub przepustowości (zmiana liczby pasów, zmiana szerokości pasa czy zmiana szerokości pasa awaryjnego/ pobocza).
Konieczne jest, żeby analizowany odcinek drogi wielopasowej rozpoczynał się i kończył segmentem podstawowym, bądź jego fragmentem.
Przy określaniu długości segmentów przeplatania oraz włączania i wyłączania należy uwzględnić długości obszarów wpływu tych odcinków.
Wymagane jest również, by długość obiektu do analiz była tak dobrana, aby powstające kolejki pojazdów zawierały się w zakresie obiektu.
Metoda HCM, jako parametr wyjściowy do analiz, poza natężeniem ruchu przyjmuje również prędkość swobodną ruchu dla poszczególnych segmentów. Prędkość swobodna (Free Flow Speed) rozumiana jako średnia prędkość pojazdów w analizowanym segmencie, zmierzona
5 w warunkach niskiego natężenia, kiedy zapewniona jest możliwość poruszania się z prędkością pożądaną przy braku ograniczeń związanych z obecnością innych pojazdów.
Wartość prędkości zależna jest od: szerokości pasa, odstępów bocznych (szerokość pobocza wolnego od przeszkód) i gęstości występowania łącznic (średniej liczby łącznic wjazdowych i zjazdowych z drogi wielopasowej na odcinku jednej mili w analizowanym kierunku).
Pojęcie przepustowości tradycyjnie definiowane było dla obiektu o jednorodnym charakterze i jednorodnych warunkach ruchu. W szóstej edycji HCM podejście jest odmienne. W przypadku, gdy analizujemy ciąg różnych typów segmentów, nie możemy mówić o jednorodności i jednoznacznym określeniu przepustowości. Przepustowość analizowanego odcinka drogi wielopasowej polega na identyfikacji segmentu krytycznego, w którym rozpoczyna się załamanie ruchu.
Przepustowość drogi wielopasowej jest interpretowana poprzez lokalizację i dotkliwość aktywnych wąskich gardeł (segmentów, w których stosunek natężenia do przepustowości jest większy od 1,0). Jest wartością zmienną w czasie.
Segment krytyczny definiowany jest jako segment, na którym załamanie ruchu występuje najwcześniej. Wystąpienie segmentu krytycznego zależne jest od charakterystyki popytu i może być zmienne w czasie.
Pojęcie przepustowości dotychczas odnosi się do przepustowości krytycznego segmentu analizowanej drogi – natężenia przepływu, które bezpośrednio poprzedza wystąpienie wąskiego gardła i załamania ruchu. Załamanie ruchu definiowane jest również jako nagły spadek prędkości co najmniej o 25% poniżej prędkości swobodnej przez okres przynajmniej 15 minut, co skutkuje powstaniem kolejki w górę strumienia ruchu. Natężenie ruchu bezpośrednio poprzedzające wystąpienie takiego wąskiego gardła nazywane jest z ang.
„prebreakdown capacity”. Natężenia strumienia pochodzącego z rozładowywania się kolejki utworzonej przez wąskie gardło są ogólnie niższe niż zdolność przepustowa drogi przed wystąpieniem załamania. To natężenie, określane jako (z ang.) queue discharge capacity, stanowi 15 minutowe natężenie ruchu w warunkach ruchu przesyconego (podczas 15 minutowego interwału czasu po wystąpieniu załamania, a przed rozładowaniem). Spadek przepustowości (z ang. capacity drop) waha się od 0 do 15-20%, za średnią przyjmuje się wartość 7%.
Według HCM, oceną warunków ruchu jest określenie poziomu swobody ruchu (z ang. Level of Service (LOS)) w skali od A do F. Podstawą do ich określenia jest gęstość ruchu, dla całego analizowanego odcinka przyjmowana jako średnia ważona gęstości ruchu poszczególnych segmentów. Graniczne wartości gęstości dla poszczególnych poziomów swobody ruchu zostały przedstawione w poniższej tabeli, osobno dla dróg miejskich oraz zamiejskich.
6
Tabela 1 Graniczne wartości gęstości ruchu dla poszczególnych poziomów swobody ruchu Gęstość ruchu [poj/km/pas]
PSR Teren miejski Teren zamiejski
A ≤6 ≤3
B >6-11 >3-8
C >11-15 >8-13
D >15-21 >13-17
E >21-27 >17-24
F
≥27 ≥24
lub na jednym z segmentów vd/c>1,0
lub na jednym z segmentów vd/c>1,1 Źródło: HCM 6
2.2. Szczegółowa metodologia HCM dla segmentów podstawowych
Metodologia przedstawiona w tym rozdziale dotyczy analizy przepustowości i warunków ruchu podstawowych segmentów autostrad i dróg szybkiego ruchu. Te segmenty pozostają bez wpływu manewrów przeplatania, włączania i wyłączania. Metoda skupia się na niezakłóconym przepływie ruchu, odnosi się do dróg o kontrolowanym dostępie poprzez wielopoziomowe skrzyżowania i łącznice. Skupia się na analizie warunków ruchu w stanie nienasyconym, kiedy współczynnik wykorzystania przepustowości (stosunek natężenia do przepustowości) jest mniejszy od jedności. Przepływ ruchu nie jest zakłócony wpływem kolejek pojazdów spowodowanych wystąpieniem wąskiego gardła w dole strumienia ruchu.
Ogólnie segmenty podstawowe charakteryzują się kilkoma pasami ruchu - od 4 do 8 w obu kierunkach łącznie i przypisanym limitem prędkości od 50 do 75 mi/h (od 80 do 120 km/h).
Potok ruchu na segmencie podstawowym może wystąpić w jednym z trzech stanów:
nienasyconym (z ang. undersaturated), ruch pojazdów pozostaje nienaruszony przez wpływ wąskich gardeł
rozładowania zatoru (z ang. queue discharged), kiedy zatłoczenie już minęło i potok ruchu przyspiesza do osiągnięcia pożądanej prędkości;
przesyconym (z ang. oversaturated), kiedy występują kolejki rozpoczynające sie już na wcześniejszym odcinku.
Wąskie gardło może zostać utworzone poprzez którykolwiek z poniższych czynników (bądź ich kombinacje): włączanie, wyłączanie, przeplatanie, prace utrzymaniowo - naprawcze, wypadki i zdarzenia drogowe, obiekty na drodze lub elementy geometrii zmuszające użytkowników do zmniejszenia prędkości ruchu.
Poniższy wykres przedstawia zależność natężenia ruchu od prędkości w poszczególnych stanach ruchu.
7
Źródło: HCM 6
Rysunek 3 Stany ruchu
Przepustowość odcinka międzywęzłowego jest rozumiana jako maksymalny przepływ ruchu związany z występowaniem pewnego rodzaju wąskich gardeł, które skutkują spadkiem prędkości i wzrostem gęstości.
W metodologii HCM, załamanie sie ruchu definiowane jest jako nagły spadek prędkości, co najmniej o 25% w stosunku do prędkości w ruchu swobodnym w okresie trwającym co najmniej 15 min.
Uważa się, że załamanie ruchu minęło, w momencie, gdy średnia prędkość uzyska wartości sprzed wystąpienia załamania w okresie trwającym co najmniej 15 min.
Odzyskanie przepustowości po wystąpieniu załamania ruchu definiowane jest jako powrót do poprzednich wartości prędkości bez występowania kolejek pojazdów.
A propos przepływu ruchu poprzedzającego wystąpienie załamania ruchu, literatura sugeruje, iż nie ma stałej wartości natężenia ruchu przy której występuje załamanie ruchu, występowanie ich jest losowe i może wystąpić przy różnych zakresach natężeń. Potok ruchu jest przedstawiany jako liczba samochodów osobowych na godzinę na pas, przekonwertowana przez udział ruchu ciężarowego, czyli ekwiwalentne natężenie ruchu.
Tzw. (z ang) prebreakdown flow rate jest definiowany jako 15 minutowe średnie natężenie ruchu tuż przed zdarzeniem załamania ruchu. to natężenie jest równe przepustowości odcinka.
Natężenie przepływu po wystąpieniu załamania ruchu ( z ang. postbreakdown flow rate) jest to natężenie odnoszące się do stanu rozładowania kolejek. To natężenie jest zazwyczaj niższe niż natężenie prebreakdown w wyniku spadku wydajności analizowanego odcinka w związku z kongestią.
Warunki w których osiągnięta jest pełna przepustowość charakteryzują się dobrą pogodą, dobrą widocznością, brakiem wypadków i kolizji, robót drogowych i znaczącego wpływu chodników. Termin warunków idealnych zakłada możliwość zaistnienia tych warunków.
Jeżeli któryś z powyższych czynników nie jest spełniony, prędkość oraz przepustowość
8
odcinka dostosowuje się, wg niniejszej metodologii, żeby odzwierciedlić panujące warunki. Dodatkowo warunki idealne uwzględniają:
brak ruchu ciężkiego
populacja kierowców składa się jedynie z regularnych użytkowników znającymi drogę
pas szerokości 3,6m i odpowiednia szerokość pobocza.
Przepustowość w warunkach idealnych zależy od prędkości w ruchu swobodnym, co zostało przedstawione w poniższej tabeli. Przepustowość jest reprezentowana przez maksymalne natężenie w 15-minutowym interwale.
Tabela 2 Wartości przepustowości w warunkach idealnych Prędkość
swobodna [km/h]
Przepustowość [poj/h/pas]
120 2400
113 2400
105 2350
97 2300
89 2250
80 nd
73 nd
Źródło: HCM 6
Przepustowość mierzona dla okresu 1h może mieć niższą wartość.
Przepustowość zostaje osiągnięta przy gęstości równej około 45 pc/mi/ln. Przy tej gęstości pojazdy zachowują zbyt bliską odległość, by tłumic wpływ jakichkolwiek perturbacji w potoku ruchu, takich jak zmiana pasa lub włączanie sie innego pojazdu do ruchu, bez powodowania zakłóceń.
W warunkach idealnych, zależność prędkości do natężenia (Rysunek 4) przyjmuje następującą formę:
stały zakres prędkości - istnieje takie natężenie ruchu przy którym prędkość jest stała i równa prędkości swobodnej. Natężenie ruchu zawiera się wtedy w zakresie od 0 do wartości, przy której następuje załamanie ruchu - tzw. (z ang.) breakpoint (BP). Wartość natężenia w punkcie załamania ruchu zależna jest od prędkości swobodnej.
spadek prędkości - od punktu załamania ruchu do osiągnięcia przepustowości, spadek prędkości przyjmuje charakter paraboliczny.
osiągnięcie przepustowości.
9
Źródło: HCM 6
Rysunek 4 Zależność prędkość - natężenie ruchu w warunkach idealnych
Poniższe równanie przedstawia zależność przepustowości i natężenia, przy którym następuje załamanie ruchu od prędkości swobodnej.
Współczynniki korekty przepustowości i prędkości są parametrami kalibracji stosowanymi w celu dostosowania do lokalnych warunków lub do uwzględnienia niezwiązanych źródeł kongestii.
Równanie 1 Zależność prędkości od natężenia
Źródło: HCM 6
gdzie,
S - średnia prędkość strumienia ruchu w warunkach idealnych [mi/h].
Pozostałe parametry zostały zaprezentowane w poniższej tabeli.
10
Tabela 3 Parametry równania przedstawiającego zależność prędkości od natężenia Parametr Definicja Wartość
FFS
podstawowa
prędkość swobodna [mi/h]
pomierzona lub określona na podstawie równania 2
FFSadj
skorygowana prędkość swobodna [mi/h]
FFSadj=FFS x SAF
SAF współczynnik korekty prędkości
lokalnie skalibrowany (dla warunków idealnych SAF=1)
c
przepustowość podstawowa [poj/h/pas]
c=2200+10x(FFS-50) c≤2400
55≤FFS≤75 [mi/h]
cadj
przepustowość skorygowana [poj/h/pas]
cadj=c x CAF
CAF współczynnik korekty przepustowości
lokalnie skalibrowany (dla warunków idealnych CAF=1) Dc
gęstość zatoru
[poj/mi/pas] 45
BP
natężenie ruchu w momencie załamania [poj/h/pas]
BP=[1,000+40x(75-FFSadj)]xCAF2
a wykładnik potęgowy 2,00
Źródło: Opracowanie własne na podstawie HCM 6
W przypadku, gdy nie ma możliwość wykonania pomiarów, bądź analizowany jest stan prognozowany, wartość prędkości swobodnej można określić według wzoru:
Równanie 2 Wzór określający prędkość swobodną
FFS = BFFS - fLW - fRLC - 3,22 x TRD0,84 gdzie:
FFS - prędkość swobodna [mi/h]
BFFS - bazowa prędkość swobodna [mi/h]
Jako wartość bazową przyjmuje się prędkość swobodną równą 75 mi/h (a dokładnie 75,4mi/h).
fLW - współczynnik uwzględniający szerokość pasa ruchu Tabela 4 Wartość współczynnika fLW
Średnia szerokość pasa
(ft)
fLW [mi/h]
≥12 0
≥11-12 1,9
≥10-11 6,6
Źródło: HCM 6
11 fRLC -współczynnik uwzględniający szerokość pasa awaryjnego/ pobocza wolnego od przeszkód
Tabela 5 Wartość współczynnika fRLC Odległość boczna
wolna od przeszkód (ft)
Liczba pasów w jednym kierunku
2 3 4 ≥5
≥6 0 0 0 0
5 0,6 0,4 0,2 0,1
4 1,2 0,8 0,4 0,2
3 1,8 1,2 0,6 0,3
2 2,4 1,6 0,8 0,4
1 3 2 1 0,5
0 3,6 2,4 1,2 0,6
Źródło: HCM 6
TRD - gęstość występowania zjazdów/wjazdów (z ang. total ramp density) [liczba łącznic/mi]
Na poniższym wykresie przedstawiono zależność pomiędzy prędkością a natężeniem ruchu dla różnych prędkości swobodnych.
Źródło: HCM 6
Rysunek 5 Zależność prędkość - natężenie dla różnych wartości prędkości swobodnej
12
Największe różnice w krzywych opisujących zależność prędkość - natężenie ruchu widoczne są w punkcie załamania ruchu (breakpoint). Punkty załamania zmieniają się w zależności od wartości prędkości swobodnej - konkretnie, punkt załamania rośnie wraz ze spadkiem prędkości swobodnej. Sugeruje to, że przy niższych wartościach prędkości swobodnej, kierowcy będą utrzymywać taką prędkość przy wyższych natężeniach ruchu.
Poziomy swobody ruchu
Klasyfikacja poziomów swobody ruchu dla podstawowego segmentu opiera się na wartościach gęstości ruchu.
Źródło: HCM 6
Rysunek 6 Zależność między miarami warunków ruchu w warunkach idealnych
Opis poszczególnych poziomów ruchu wraz z przypisanymi do nich granicznymi wartościami gęstości przedstawiono poniżej.
Tabela 6 Definicja poziomów swobody ruchu
PSR Definicja Gęstość
[poj/km/pas}
A
ruch pojazdów swobodny; swobodna możliwość wyboru prędkości i manewrowania; efekty występowania
lokalnych zakłóceń są łatwo kompensowane
≤6
B
ruch równomierny; dość swobodny wybór prędkości, możliwość swobodnego manewrowania nieznacznie ograniczona, komfort użytkowników wysoki, odczuwalna
>6-11
13
PSR Definicja Gęstość
[poj/km/pas}
obecność innych użytkowników
C
ruch równomierny; zauważalnie ograniczona swoboda wykonywania manewrów, lokalnie występujące
zakłócenia istotnie wpływają na warunki ruchu
>11-15
D
wyraźny spadek prędkości wraz ze wzrostem natężenia ruchu; szybki wzrost gęstości ruchu; swoboda
manewrowania poważnie ograniczona; obniżony komfort użytkowników
>15-21
E
stan ruchu na granicy wykorzystania przepustowości;
wykonywanie manewrów jest praktycznie niemożliwe, strumień ruchu nie jest w stanie rozproszyć nawet najmniejszych zakłóceń, w każdy incydent może spowodować powstawanie kolejek
>21-27
F stan ruchu w stanie zatoru komunikacyjnego >27
Źródło: Opracowanie własne na podstawie HCM 6
2.3. Metodologia analizy niezawodności
6 edycja Higway Capacity Manual wprowadza pojęcie analizy niezawodności czasu podróży na drogach szybkiego ruchu w ciągu dłuższego okresu czasu. W ramach analizy określa się wpływ powstających zatorów komunikacyjnych nie zależnych od geometrii drogi, na rozkład czasu podróży. Metodologia analizy niezawodności oparta jest na podstawowej metodologii HCM, przedstawionej w poprzednich rozdziałach. Podstawowa metodologia HCM skupia się na okresie 1 dnia, bądź nawet ograniczona jest do analizy pojedynczego 15- minutowego okresu (w przypadku metodologii dotyczącej segmentów).
Analiza niezawodności stosuje tę metodologię rozszerzając ją do okresu wielu dni, miesiąc a nawet jednego roku.
Niezawodność czasu przejazdu na drodze szybkiego ruchu odzwierciedla rozkład czasu podróży dla podróży realizowanych przez cały analizowany odcinek, zwykle przez okres jednego roku. Okres jednego roku dla raportowania niezawodności jest typowy, ponieważ obejmuje większość wahań czasów podróży wynikających z następujących czynników:
Powtarzające się wahania popytu według godziny dnia, dnia tygodnia i miesiąca roku (w pewnych granicach różnice te są mniej lub bardziej przewidywalne),
Trudna pogoda (np. ulewny deszcz, śnieg, słaba widoczność), która zmniejsza prędkość i przepustowość oraz może wpływać na popyt,
Incydenty (np. wypadki, kolizje, awarie, pojazdy osób niepełnosprawnych, śmieci), które zmniejszają przepustowość,
Roboty drogowe redukujące przepustowość,
14
Specjalne wydarzenia, które mogą powodować tymczasowe zwiększenie popytu, które częściowo mogą być zarządzane poprzez tymczasowe zmiany geometrii bądź kierowanie ruchem (np. targi, koncerty, itp.)
W analizach przepustowości, wpływ powyższych czynników uwzględniany jest jako modyfikacja poniższych parametrów w określonych okresach i w określonych segmentach:
liczba pasów ruchu otwartych dla ruchu,
dostępna przepustowość pasów ruchu otwartych dla ruchu,
prędkość w ruchu swobodnym,
przepustowość łącznic,
natężenie ruchu w punktach początkowych i docelowych,
częstotliwość incydentów,
czas trwania incydentów.
Analizy niezawodności mogą być wykonywane w celu:
Śledzenia niezawodności systemu dróg szybkiego ruchu w celu identyfikacji odcinków wymagających poprawy przepustowości i nadania priorytetom w strategiach eksploatacyjnych i inwestycyjnych;
Diagnozowania podstawowych przyczyn problemów z niezawodnością na drodze, aby można było opracować program naprawczy i podjąć określone działania w celu zwiększenia niezawodności;
Przewidywanie efektów planowanych napraw lub rozbudowy infrastruktury, w tym testowanie ich skuteczności i analiza kosztów i korzyści wprowadzania systemu dynamicznego zarządzania ruchem.
Ogólnie, analizy niezawodności mogą być wykorzystane do poprawy działań, planowania, priorytetyzacji, przy analizach systemów transportowych, strategiach transportowych i dokumentach programowych dotyczących infrastruktury transportowej oraz przy zarządzaniu ruchem drogowym i prognozowaniu popytu.
Koncepcyjnie, analiza niezawodności czasów podróży oparta jest na analizie czasu podróży dla pojedynczego okresu, przedstawionej w rozdziale dotyczącym podstaw metodologii HCM, rozciągniętej do dłuższego okresu obejmującego kilka dni, tygodni lub cały rok. Nowy wymiar analizy wymaga wprowadzenia nowych definicji:
czas podróży (z ang. travel time) - rzeczywisty czas wymagany do pokonania przez pojazd całej długości obiektu od głównego punktu wejścia do głównego punktu wyjścia bez opuszczania obiektu lub zatrzymywania się z przyczyn niezwiązanych z ruchem drogowym;
czas podróży w ruchu swobodnym (z ang. free flow travel time) - długość obiektu podzielona przez prędkość w ruchu swobodnym;
wskaźnik czasu podróży (TTI; z ang. Travel Time Index) - stosunek rzeczywistego czasu podróży do czasu podróży w ruchu swobodnym. Z definicji TTI jest zawsze większe lub równe 1,0. Rozkład TTI jest identyczny z rozkładem czasu podróży, z tym że jego wartości są indeksowane do czasu podróży swobodnej;
15
indeks p - tego percentyla czasu podróży (TTIpp; z ang. Percentile Travel Time Index) - reprezentuje p-ty percentyl TTI w rozkładzie czasu podróży. Typowe percentyle to percentyl 50 ty (TTI50 ;mediana TTI) oraz percentyl 95 - ty (TTI95);
segment analizy - pojedynczy analizowany segment;
okres analizy - pojedynczy przedział czasowy analizowany za pomocą podstawowej metodologii HCM (15 minut w przypadku segmentów);
okres badania - przedział czasowy, dla którego określa się niezawodność obiektu.
Składa się z jednego lub więcej następujących po sobie okresów analizy;
scenariusz pojedynczy przykład okresu badania zawierający unikalną kombinację natężeń ruchu, przepustowości, geometrii i prędkości swobodnej dla każdego z okresów analizy;
scenariusz podstawowy - zestaw parametrów reprezentujących skalibrowane warunki pracy obiektu podczas jednego okresu badania. Wszystkie pozostałe scenariusze opracowywane są poprzez dostosowanie danych wejściowych scenariusza bazowego, w celu odzwierciedlenia skutków zmieniającego się popytu, pogody, incydentów, robót drogowych lub ich kombinacji występujących w innych okresach badania;
okres raportowania niezawodności (RRP, z ang. Reliability Reporting Period) - określony zestaw dni, dla których obliczana jest niezawodność czasu podróży.
RRP reprezentuje trzeci wymiar, który rozszerza podstawową metodologię;
rozkład czasu podróży - rozkład średnich czasów podróży obiektu przez okres analizy w ramach RRP. Każdy 15-minutowy okres analizy w ramach każdego scenariusza powoduje dodanie jednego punktu danych do rozkładu czasu podróży;
funkcja gęstości prawdopodobieństwa (PDF, z ang Probability Density Function) oraz funkcja dystrybucji skumulowanej (CDF, z ang. Cumulative Distribution Function) - PDF podaje liczbę lub procent wszystkich obserwacji w określonym zbiorze czasu podróży (lub TTI). CDF podaje liczbę lub procent wszystkich obserwacji w lub poniżej określonego zbioru czasu podróży.
Scenariusz podstawowy jest zawsze wymagany i jest stosowany do opisu warunków bazowych (w szczególności natężenia ruchu i czynników wpływających na przepustowość i prędkość swobodną). Scenariusz podstawowy ma odzwierciedlać średnie warunki popytu (np. SDRR) lub popyt mierzony w konkretnym dniu.
16
Źródło: HCM 6
Rysunek 7 Schemat przedstawiający analizę niezawodności
Gdy czasy podróży są mierzone bądź przewidywane dla dłuższego okresu, możliwe jest opracowanie rozkładu czasu podróży. Poniżej przedstawiono miary opisujące czas podróży lub zmienność TTI, jakie można uzyskać z rozkładu.
TTI95 (bez jednostek). 95. percentyl TTI jest również określany jako wskaźnik czasu planowania (PTI) i jest przydatnym miernikiem do oszacowania czasu dodatkowego, który podróżujący musi uwzględnić, aby zapewnić terminowe przybycie z "awarią" ograniczoną do jednej podróży na miesiąc.
TTI80 (bez jednostek). Badania wskazują, że wskaźnik ten jest bardziej wrażliwy na zmiany operacyjne niż TTI95, co czyni go przydatnym do celów porównywania strategii i ustalania priorytetów.
TTI50 i TTImean (bez jednostek). Miary te opisują odpowiednio medianę i średnią rozkładu TTI. Oba mogą być przydatnymi miernikami, przy czym mediana jest pod mniejszym wpływem wartości odbiegających od średniej.
Wskaźniki "awaria lub na czas" (%) - udział analizowanych okresów czasu ze średnią prędkością powyżej (na czas) lub poniżej (awaria) wartości docelowych.
Te wskaźniki pokazują jak często podróż odbywa się z pożądanym czasem podróży, bądź jak często nie udaje się go osiągnąć.
Wskaźnik niezawodności (%)(z ang. reliability rating) - udział pracy przewozowej wyrażonej w pojazdomilach (VMT - z ang. Vehicle Miles Traveled), dla której wskaźnik TTI przyjmuje wartości mniejsze niż 1,33. Powyżej tego progu, czasy podróży stają się bardziej nieprzewidywalne.
Odchylenie semi - standardowe (bez jednostek) - jednostronne odchylenie standardowe, przy czym punktem odniesienia jest czas swobodnego przepływu
17 (lub TTI = 1) zamiast średniej. Odzwierciedla średnią zmienność z warunków swobodnego przepływu.
Odchylenie standardowe (bez jednostek) - standardowa miara statystyczna.
Wskaźnik "nieszczęścia" (bez jednostek) - miara porównująca średnią z najgorszych 5% czasów podróży z czasem w ruchu swobodnym.
Rozkład czasu podróży i niektóre z jego kluczowych miar przedstawiono na poniższym rysunku.
Źródło: HCM 6
Rysunek 8 Rozkład czasu podróży
Badanie wpływu różnych czynników na zmianę czasu podróży opiera się na definiowaniu scenariuszy zawierających kombinacje zmian popytu, pogody, incydentów i zaplanowanych robót drogowych. Proces wyliczania różnych kombinacji tych czynników i obliczania ich prawdopodobieństwa wystąpienia nazywany jest generowaniem scenariuszy. Procedura generowania scenariuszy uwzględnia 8 niżej wymienionych rozkładów:
1. rozkład natężenia ruchu w czasie,
2. rozkład częstotliwości występowania zdarzeń pogodowych w czasie,
3. rozkład średniego czasu trwania zdarzenia pogodowego, wg typu zdarzenia, 4. rozkład częstotliwości występowania incydentów drogowych w czasie,
5. rozkład intensywności incydentów (np. zamknięcia pojedyncze, wielopasowe), 6. rozkład czasu trwania incydentu według ciężkości zdarzenia,
7. rozkład czasu rozpoczęcia zdarzenia incydentu w scenariuszu,
8. przestrzenny rozkład zdarzeń incydentalnych w poszczególnych segmentach obiektu.
Czas trwania każdego zdarzenia zaokrąglany jest do 15 minut okresu analizy.
Każdy scenariusz reprezentuje pojedynczy okres badania (zazwyczaj trwający kilka godzin), który jest w pełni scharakteryzowany pod względem zmian popytu i
18
przepustowości w czasie i przestrzeni. Dane dostarczane do generatora scenariuszy są wyrażane jako czynniki multiplikatywne [CAF, SAF i współczynniki korekty popytu (DAF)]
lub współczynniki addytywne (liczba pasów) stosowane do podstawowej prędkości swobodnej, popytu, zdolności przepustowej i liczby pasów.
Zmienność popytu uwzględniana jest za pomocą mnożnika popytu, który jest stosunkiem dziennego zapotrzebowania (w dni powszednie) do średniego dziennego ruchu (lub dowolnej kombinacji dnia tygodnia i miesiąca roku). Konieczna jest druga korekta, aby wyliczyć popyt mierzony w konkretnej kombinacji dzień-miesiąc w scenariuszu podstawowym do każdej innej kombinacji dzień-miesiąc w roku. Zmienność popytu na dla różnych godzin dnia jest już uwzględniona w scenariuszu podstawowym uzyskanym z analizy podstawowej.
Poniżej przedstawiono wskaźniki zmienności popytu w zależności od dni tygodnia i miesiąca, osobno dla dróg miejskich i zamiejskich. Wszystkie wskaźniki odzwierciedlają popyt w stosunku do poniedziałku w styczniu.
Tabela 7 Wskaźniki zmienności popytu dla dróg miejskich
teren miejski Dni tygodnia
Miesiąc Poniedziałek Wtorek Środa Czwartek Piątek Sobota Niedziela
Styczeń 1,00 1,00 1,02 1,05 1,17 1,01 0,89
Luty 1,03 1,03 1,05 1,08 1,21 1,04 0,92
Marzec 1,12 1,12 1,14 1,18 1,31 1,13 0,99
Kwiecień 1,19 1,19 1,21 1,25 1,39 1,20 1,05
Maj 1,18 1,18 1,21 1,24 1,39 1,20 1,05
Czerwiec 1,24 1,24 1,27 1,31 1,46 1,26 1,10
Lipiec 1,38 1,38 1,41 1,45 1,62 1,39 1,22
Sierpień 1,26 1,26 1,28 1,32 1,47 1,27 1,12
Wrzesień 1,29 1,29 1,32 1,36 1,52 1,31 1,15
Październik 1,21 1,21 1,24 1,27 1,42 1,22 1,07
Listopad 1,21 1,21 1,24 1,27 1,42 1,22 1,07
Grudzień 1,19 1,19 1,21 1,25 1,40 1,20 1,06
Źródło: HCM 6
Tabela 8 Wskaźniki zmienności popytu dla dróg zamiejskich
teren zamiejski Dni tygodnia
Miesiąc Poniedziałek Wtorek Środa Czwartek Piątek Sobota Niedziela
Styczeń 1,00 0,96 0,98 1,03 1,22 1,11 1,06
Luty 1,11 1,06 1,09 1,14 1,35 1,23 1,18
Marzec 1,24 1,19 1,21 1,28 1,51 1,37 1,32
Kwiecień 1,33 1,27 1,30 1,37 1,62 1,47 1,41
Maj 1,46 1,39 1,42 1,50 1,78 1,61 1,55
Czerwiec 1,48 1,42 1,45 1,53 1,81 1,63 1,57
Lipiec 1,60 1,59 1,63 1,72 2,03 1,84 1,77
Sierpień 1,52 1,46 1,49 1,57 1,86 1,68 1,62
Wrzesień 1,46 1,39 1,42 1,50 1,78 1,61 1,55
Październik 1,33 1,28 1,31 1,38 1,63 1,47 1,42
Listopad 1,30 1,25 1,28 1,35 1,59 1,44 1,39
Grudzień 1,17 1,12 1,14 1,20 1,43 1,29 1,24
Źródło: HCM 6
19 Wydarzenia pogodowe są generowane na podstawie prawdopodobieństwa ich wystąpienia w danym miesiącu. Proces generowania scenariuszy uwzględnia 10 kategorii poważnych zdarzeń pogodowych, o których wykazano, że zmniejszają pojemność o co najmniej 4%, a także nieuciążliwą kategorię obciążenia, która obejmuje wszystkie inne warunki pogodowe i która nie generuje żadnych zmian przepustowości, popytu ani prędkości.
Poniżej przedstawiono wskaźniki CAF i SAF uwzględniające czynniki pogodowe.
Tabela 9 Współczynniki korekty CAF dla różnych typów pogody
współczynniki korekty CAF
Typ pogody Definicja zdarzenia pogodowego
55 [mi/h]
60 [mi/h]
65 [mi/h]
70 [mi/h]
75 [mi/h]
Średni deszcz >0,10-0,25 in./h 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 Duży deszcz >0,25 in./h 0,89 0,88 0,86 0,84 0,82 Lekki śnieg >0,00-0,05 in./h 0,97 0,96 0,96 0,95 0,95 Lekko średni śnieg >0,05-0,10 in./h 0,95 0,94 0,92 0,90 0,88 Średnio duży śnieg >0,10-0,50 in./h 0,93 0,91 0,90 0,88 0,87 Duży śnieg >0,50 in./h 0,80 0,78 0,76 0,74 0,72 Ostry mróz < -4 ⁰F 0,93 0,92 0,92 0,91 0,90 Słaba widoczność 0,50-0,99 mi. 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 Bardzo słaba widoczności 0,25-0,49 mi. 0,88 0,88 0,88 0,88 0,88 Minimalna widoczność <0,25 mi. 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90
Bez niekorzystnych zjawisk
niewymienione
powyżej 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Źródło: HCM 6
Tabela 10 Współczynniki korekty SAF dla różnych typów pogody
współczynniki korekty SAF
Typ pogody Definicja zdarzenia pogodowego
55 [mi/h]
60 [mi/h]
65 [mi/h]
70 [mi/h]
75 [mi/h]
Średni deszcz >0,10-0,25 in./h 0,96 0,95 0,94 0,93 0,93 Duży deszcz >0,25 in./h 0,94 0,93 0,93 0,92 0,91 Lekki śnieg >0,00-0,05 in./h 0,94 0,92 0,89 0,87 0,84 Lekko średni śnieg >0,05-0,10 in./h 0,92 0,90 0,88 0,86 0,83 Średnio duży śnieg >0,10-0,50 in./h 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 Duży śnieg >0,50 in./h 0,88 0,86 0,85 0,83 0,81 Ostry mróz < -4 ⁰F 0,95 0,95 0,94 0,93 0,92 Słaba widoczność 0,50-0,99 mi. 0,96 0,95 0,94 0,94 0,93 Bardzo słaba widoczności 0,25-0,49 mi. 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 Minimalna widoczność <0,25 mi. 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91
Bez niekorzystnych zjawisk
niewymienione
powyżej 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Źródło: HCM 6
Dla Stanów Zjednoczonych dostępne są wskaźniki określone na podstawie danych pogodowych z lat 2001-2010 dla 101 obszarów metropolitalnych.
Zdarzenia drogowe są generowane na podstawie przewidywanej częstotliwości występowania na okres badania (godziny analizy w ciągu dnia) w danym miesiącu.
20
Częstotliwość incydentów reprezentuje średnią liczbę wszystkich incydentów występujących podczas okresu badania i może zmieniać się w każdym miesiącu.
Metoda zakłada następujące założenia dotyczące danego incydentu:
Czas rozpoczęcia incydentu przypisywany jest stochastycznie do dowolnego okresu analizy;
Czas trwania zdarzenia jest przypisywany stochastycznie na podstawie rozkładu czasu trwania zdarzenia o określonym natężeniu;
Miejsce zdarzenia jest przydzielane stochastycznie, ważone przez VMT pojedynczego segmentu;
Nasilenie incydentów przypisuje się stochastycznie na podstawie rozkładu ciężkości zdarzenia.
Poniżej przedstawiono średnie rozkłady incydentów według ich typów i współczynniki korekty przepustowości w zależności od liczby pasów.
Tabela 11 Średnie rozkłady zdarzeń drogowych według ich typów Typ zdarzeń drogowych
Parametry
Zamknięcie
Pobocza 1 pasa
2
pasów 3
pasów 4 i więcej pasów
Rozkład [%] 75,4 19,6 3,1 1,9 0
Czas trwania (średni) 34 34,6 53,6 67,9 67,9
Czas trwania (standardowe odch.) 15,1 13,8 13,9 21,9 21,9
Czas trwania (minimalny) 8,7 16 30,5 36 36
Czas trwania (maksymalny) 58 58,2 66,9 93,3 93,3
Źródło: HCM 6
Tabela 12 Współczynniki korekty przepustowości uwzględniające zdarzenia drogowe w zależności od liczby pasów
Liczba pasów ruchu
Zamknięcie brak
zdarzenia Pobocza 1 pasa 2 pasów 3 pasów 4 i więcej pasów 2 1,00 0,81 0,70 N/A N/A N/A 3 1,00 0,83 0,74 0,51 N/A N/A 4 1,00 0,85 0,77 0,50 0,52 N/A 5 1,00 0,87 0,81 0,67 0,50 0,50 6 1,00 0,89 0,85 0,75 0,52 0,52 7 1,00 0,91 0,88 0,80 0,63 0,63 8 1,00 0,93 0,89 0,84 0,66 0,66
Źródło: HCM 6
Roboty drogowe (dotyczy wyłącznie zaplanowanych i znaczących prac, drobne prace naprawcze nie są traktowane jako roboty drogowe) stanowią dowolną czynność, która powoduje zaplanowane zamknięcie pasa ruchu. Czas trwania zazwyczaj wynosi od kilku dni do kilku tygodni. . W niektórych przypadkach obejmuje wiele etapów, z których każdy ma inne parametry zamknięcia pasa.
21 Szczegóły działania zaplanowanych robót muszą zostać wprowadzone przez analityka i nie można ich ustawić jako domyślne. Należy wprowadzić protokół strefy pracy, w którym wprowadzane są następujące informacje:
daty (dni kalendarzowe) rozpoczęcia i zakończenia robót,
segment (y) i okresy czasu, na które roboty drogowe mają wpływ,
przekrój obiektu dotknięty przez zamknięcia,
rodzaj bariery stosowanej do oddzielania ruchu od robót drogowych
ograniczenie prędkości obowiązujące podczas wykonywania pracy,
boczne rozdzielenie ruchu od strefy robót.
Gdy dwa niezależne zdarzenia wpływają na przepustowość w tym samym czasie, ich połączonym efektem jest mnożenie dwóch CAF.
Na etapie oceny, każdy scenariusz jest analizowany za pomocą podstawowej metodologii. Miary oceny, w szczególności czas podróży, są obliczane dla każdego okresu analizy w każdym scenariuszu i przechowywane. Pod koniec tego procesu, na podstawie wyników czasu podróży przechowywanych dla każdego scenariusza, tworzony jest rozkład czasu podróży.
W ostatnim kroku niezawodność czasu podróży jest opisana dla całej RRP. Rozkład czasu podróży jest używany do ilościowego określania zakresu wskaźników zmienności i niezawodności.
Przy braku odpowiednich danych, metoda oszacowania niezawodności czasu podróży może być w pewnym stopniu zautomatyzowana poprzez użycie wartości domyślnych. Na potrzeby procesu planowania opracowana została również metoda uproszczona, opisana poniżej.
Metoda uproszczona polega na szacowaniu konkretnych percentyli TTI jako przybliżenia niezawodności dróg:
średni roczny wskaźnik czasu podróży:
Równanie 3 Wzór określający średni roczny wskaźnik czasu podróży
gdzie:
TTImean - średni roczny wskaźnik czasu podróży, FFS - prędkość w ruchu swobodnym [mi/h]
RDR - powtarzające się opóźnienie [h/mi],
IDR - opóźnienie związane z pojawieniem się incydentu [h/mi], Równanie 4 Wzory określające opóźnienie
22
S - prędkość w godzinach szczytu [mi / h],
N - liczba pasów ruchu w jednym kierunku (N = 2 do 4)
X - stosunek natężenia do przepustowości w godzinie szczytu [dziesiętnie].
95. percentyl TTI i procent podróży odbywających się z prędkością poniżej 45mi/h
Równanie 5 Wzory określające 95. percentyl TTI i procent podróży odbywających się z prędkością poniżej 45mi/h
TTI95 - 95. percentyl TTI,
TTImean - średni roczny wskaźnik czasu podróży,
PT45 - procent podróży odbywających się z prędkością poniżej 45mi/h.
23
3. Program FreeVal
Program FreeVal (Freeway EVALuation) jest skomputeryzowanym narzędziem zaprojektowanym do wiernego wdrażania obliczeń analizy warunków ruchu poszczególnych elementów dróg szybkiego ruchu. Freeval opiera się na metodyce HCM 6 (Highway Capacity Manual 6 edycja), amerykańskiej metodzie obliczania przepustowości. Pozwala na wykonywanie obliczeń dla odcinków międzywęzłowych, odcinków włączania, wyłączania i przeplatania, zarówno w przypadku normalnych warunków ruchu, jak i w stanie przekroczonej przepustowości.
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 9 Ekran powitalny programu FreeVal
Program został opracowany przy użyciu języka programowania Java™. Środowisko pozwala użytkownikowi na analizę obiektu autostrady/ drogi szybkiego ruchu do 500 segmentów i do dziewięćdziesięciu sześciu 15-minutowych interwałów analitycznych (24 godziny). Zaleca się jednak, aby całkowita długość obiektu nie przekraczała 9-12 mil (ok. 14 -20 km) długości, aby zapewnić zgodność zmienności popytu w czasie z czasem przejazdu. Granice przestrzenne i czasowe każdej analizy powinny umożliwiać tworzenie i rozładowywanie kolejek w określonym czasie i przestrzeni, aby wyniki w pełni uwzględniały zakres zatłoczenia i opóźnienia.
Wszystkie analizy są przeprowadzane przy użyciu amerykańskich jednostek zwyczajowych.
Analizy mogą być wykonywane osobno dla poszczególnych segmentów, bądź łącznie dla całego obiektu. Użytkownik sam definiuje segmenty, wymagane jest również wprowadzenie danych wejściowych obejmujących: wielkość popytu, długość segmentu, liczbę pasów, długość pasów przyspieszania i zwalniania, udział ruchu ciężkiego i prędkość swobodną.
Możliwa jest również analiza przy nieznanej prędkości swobodnej. Wówczas jest ona obliczana na podstawie parametrów geometrycznych obiektu.
24
Wszystkie obliczenia w programie wykonywane są przy użyciu 15 minutowych potoków ruchu wyrażonych w pojazdach na godzinę. Nie stosuje się współczynnika określającego udział godziny szczytu. Nie jest wymagane, by natężenia wyjściowe implementowane były w postaci wyrażonej przez pojazdy umowne. Program, dzięki wbudowanym współczynnikom przeliczeniowym na pojazdy umowne, automatycznie przekonwertuje wprowadzone natężenia w pojazdach rzeczywistych przy określonym udziale ruchu ciężkiego.
Interfejs programu jest dość czytelny i intuicyjny. Ogólny układ głównego okna programu pokazano na poniższym rysunku. Standardowo, w górnej części okna znajduje się pasek menu i pasek narzędzi. Lewy panel jest podzielony na dwie sekcje. W górnej sekcji znajduje się nawigator projektu, w dolnej znajduje się dziennik komunikatów programu, w którym zapisywane są działania użytkownika i występujące błędy. Centralną część okna zajmuje moduł Input/ Output, który składa się z panelu z zakładkami umożliwiającymi przechodzenie pomiędzy danymi wejściowymi/ wyjściowymi, scenariuszami, porównaniami i podsumowaniem.
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 10 Ekran główny programu FreeVal
Implementacja nowego projektu w pierwszej kolejności wymaga wprowadzenia tzw. danych ogólnych (global input) - między innymi okresu analizy, liczby segmentów, liczby pasów czy prędkości swobodnej, gęstości ruchu (jam density) i spadku przepustowości po wystąpieniu wąskiego gardła (capacity drop). Kolejnym krokiem jest wprowadzenie danych segmentowych dla każdego przedziału czasowego, takich jak: długość (ft), liczba pasów, prędkość swobodnego przepływu (mi/h), popyt segmentu (veh/h), % pojazdów jednośladowych i autobusów oraz % przyczep ciągników. Odcinki włączania i wyłączania wymagają ponadto określenia długości odcinka przyspieszania i zwalniania, a w przypadku odcinków przeplatania należy szczegółowo określić ich geometrię. Dodatkowo użytkownik może wykorzystać kilka współczynników korekcyjnych, które mogą wpływać na działanie obiektu.
25
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 11 Ekran wprowadzania danych ogólnych
Program umożliwia łatwą weryfikację danych wejściowych i wprowadzenie zmian w geometrii, popycie i innych zmiennych w celu:
Kalibracji modelu
Badania wrażliwości modelu na zmianę czynników
Testowanie zmian geometrycznych takich jak np. dodatkowe pasy lub różne konfiguracje ramp;
Program, zgodnie z metodologią HCM, udostępnia cztery typy współczynników korekcji:
Współczynniki korekty popytu,
Współczynniki korekty przepustowości,
Współczynniki dopasowania prędkości swobodnej,
Współczynniki korekty populacji kierowcy.
Współczynniki korekty popytu (origin/destination demand adjustment factors)
Współczynniki korekty popytu początkowego i docelowego są używane do testowania wpływu zwiększenia lub zmniejszenia początkowych wielkości popytu przez zdefiniowany przez użytkownika współczynnik wzrostu (lub spadku). Współczynniki funkcjonują jako czynniki multiplikatywne, które dostosowują popyt początkowy i docelowy w segmencie.
Współczynniki korekty popytu są przeznaczone do przeprowadzania szybkich analiz wrażliwości lub porównywania scenariuszy zmian popytu.
Współczynniki korekty przepustowości (capacity adjustment factors)
26
Współczynniki korekty przepustowości (CAF) służą do zmniejszenia wydajności segmentu w jednym lub kilku odstępach czasowych. Pierwotna wartość przepustowości dla segmentu w wybranym przedziale czasu jest mnożona przez CAF. W rezultacie zmianie ulega zależność pomiędzy prędkością a natężeniem. Współczynniki CAF wykorzystuje się do modelowania krótkoterminowych incydentów w segmencie lub kalibracji bazowej wartości przepustowości do warunków obserwowanych. Współczynniki powinny być generalnie stosowane tylko w celu zmniejszenia zdolności przepustowej pasa ruchu (nigdy zwiększenia).
Współczynniki korekty prędkości (speed adjustment factors)
Współczynniki korekty prędkości (SAF) służą do zmniejszenia prędkości swobodnego przepływu segmentu w jednym lub kilku odstępach czasowych. Wartość prędkości swobodnej przepływu dla segmentu w wybranym przedziale czasowym mnożona jest przez wartość SAF w celu uzyskania docelowej wartości prędkości. Wskaźniki SAF mogą służyć do modelowania prędkości swobodnej, uwzględniając wpływ warunków pogodowych lub incydentów na warunki ruchu, a także wpływ obserwujących zdarzenie powstałe na jezdni w przeciwnym kierunku.
Należy mieć jednak świadomość, że wszelkie obliczenia opóźnień wykonywane są względem pierwotnej, nieskorygowanej prędkości swobodnej. SAF powinien być używany do modelowania wpływu różnych scenariuszy zmniejszających prędkość, a nie do skalibrowania podstawowej prędkości dla segmentu. Kalibracja powinna odbywać się poprzez zmianę wartości bazowej prędkości. SAF może być używany do dostosowania tej podstawowej wartości dla efektów takich jak deszcz, śnieg itp.
Współczynniki korekty populacji kierowców (driver population adjustment factors)
Podstawowy strumień ruchu charakterystyczny dla autostrad i dróg szybkiego ruchu reprezentowany jest głównie przez osoby dojeżdżające do pracy, bądź osoby, które znają drogę. W aktualnej metodologii HCM, współczynniki korekty populacji, SAFpop i CAFpop, są stosowane w połączeniu z innymi odpowiednimi wskaźnikami SAF i CAF. Domyślną wartością dla SAFpop i CAFpop jest zawsze 1.0.
Wyniki modelowania dostępne są na bieżąco poprzez graficzne wyświetlanie obiektu w oknie głównym, w tabeli int&out oraz w zestawieniu zbiorczym.
Graficzny sposób wyświetlania wyników przedstawia poziomy swobody ruchu dla aktywnego okresu czasu. Dostępne kolory to od zielonego (PSR A) do czerwonego (PSR F).
Przewijanie okresu badania za pomocą kontroli okresu analizy pozwala krótko spojrzeć na to, w jaki sposób zatory ewoluują w czasie w obiekcie
Tabela In&Out pozwala na bieżącą kontrolę wszystkich parametrów wyników dla danego segmentu w aktywnym okresie czasu.
Zestawienia zbiorcze obejmują wykresy konturowe oraz tabele podsumowań. Wykresy konturowe pokazują, w jaki sposób wybrana miara różni się w zależności od segmentu i przedziału czasu. Dostępne wyniki obejmują: poziomy swobody ruchu, stosunek natężenia do przepustowości (v / c), prędkość segmentu, gęstość segmentu, gęstość obszaru wpływów i procent kolejki.
27
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 12 Przykładowy wykres konturowy
Tabele podsumowań prezentują wyniki w dwóch panelach. Pierwszy panel podsumowujący, oznaczony "Podsumowanie okresu analizy", zawiera zagregowane wyniki i miary przepustowości dla każdego 15-minutowego przedziału czasu. Zagregowane wyniki mają postać podsumowań, wartości średnich lub skrajnych (tj. maksymalnych) we wszystkich segmentach w okresie analizy.
Panel "Podsumowanie segmentów i obiektów" zawiera zagregowane czasowo wyniki dla każdego segmentu w obiekcie. Ponownie, zagregowane wyniki są ogólne w postaci wartości średnich lub skrajnych (tzn. maksymalnych) w okresie badania. Ostatnia kolumna zawiera podsumowanie każdego wyniku lub miary wydajności dla obiektu jako całości. Miary pierwszych ośmiu rzędów są sumowane przez sumowanie w całym obiekcie, podczas gdy ostatnie cztery rzędy podsumowuje się, podając średnią wartość w całym obiekcie.
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 13 Fragment tabeli podsumowań
28
W niniejszym rozdziale omówiono jedynie podstawową funkcję programu. Poza elementami omówionym powyżej, program posiada rozbudowane narzędzia do wykonania analizy niezawodności oraz oceny dynamicznego zarządzania ruchem.
Analiza niezawodności oparta jest na generacji scenariuszy reprezentujących okres badania unikalnie charakteryzujący się zestawem współczynników zdolności przepustowej, popytu, prędkości i liczby pasów dla każdego segmentu i opisujących prawdopodobieństwo wystąpienia następujących czynników: zmienności popytu, zdarzeń pogodowych, incydentów i robót drogowych.
Procedura generowania scenariuszy uwzględnia 8 niżej wymienionych rozkładów:
1. rozkład natężenia ruchu w czasie,
2. rozkład częstotliwości występowania zdarzeń pogodowych w czasie,
3. rozkład średniego czasu trwania zdarzenia pogodowego, wg typu zdarzenia, 4. rozkład częstotliwości występowania incydentów drogowych w czasie,
5. rozkład intensywności incydentów (np. zamknięcia pojedyncze, wielopasowe), 6. rozkład czasu trwania incydentu według ciężkości zdarzenia,
7. rozkład czasu rozpoczęcia zdarzenia incydentu w scenariuszu,
8. przestrzenny rozkład zdarzeń incydentalnych w poszczególnych segmentach obiektu.
Część z nich należy wprowadzić jako dane wejściowe, a część będzie wewnętrznie obsługiwana przez program.
Aby uruchomić narzędzie do generowania scenariuszy, należy wykonać pięć głównych kroków:
1. Globalne właściwości niezawodności
Zakładka "Właściwości" podzielona jest na 4 podsekcje: właściwości ogólne, włączenie typu zdarzenia, opcje generatora liczb losowych i liczbę kombinacji popytu. Przede wszystkim należy określić datę scenariusza podstawowego i okres raportowania niezawodności (RRP). W tym kroku następuje również wybór, które czynniki zostaną uwzględnione w analizie (domyślnie włączone są wszystkie typy zdarzeń) i określenie liczby kombinacji popytu (domyślną wartością jest 4, ponieważ każdy dzień tygodnia występuje średnio 4 razy w miesiącu).
2. Informacje dotyczące popytu
W tym kroku użytkownik może przypisać korekty popytu (zwane tutaj multiplikatorami) dla obiektu w tabeli podanej w tym panelu. Użytkownik może skonfigurować dzienne i miesięczne współczynniki korekty popytu (DAF) na podstawie dziennej i miesięcznej zmienności natężenia lub używając krajowych ustawień domyślnych. Wszystkie korekty w tej tabeli są oparte na stosunku wartości komórki do SDRR dla analizowanego obiektu.
Jeśli takie wartości nie istnieją lokalnie, użytkownik może wybrać zestawione w tabeli wartości domyślne dla dróg miejskich lub zamiejskich.
3. Roboty drogowe
29 Program daje użytkownikowi możliwość zaplanowania robót drogowych, które mogą wystąpić we wszystkich lub w części RRP
W procesie generowania scenariuszy roboty drogowe traktowane są jako jednorazowe źródła przeciążeń, których wystąpienia są planowane przez użytkownika.
Dla każdego działania, należy określić następujące dane:
daty rozpoczęcia i zakończenia robót;
ciągły podzestaw segmentów, w którym roboty są aktywne;
okresy analizy, dla którego roboty są aktywne;
dotkliwość strefy roboczej (zamknięcie pobocza, zamknięcie jednego pasa ruchu itp.);
rodzaj obszaru (miasto-wieś);
rodzaj bariery separacji;
ograniczenie prędkości;
odległość boczna.
4. Incydenty drogowe
W kroku 4 charakteryzuje się incydenty (kolizje, wypadki) pod względem prawdopodobieństwa wystąpienia, czasu trwania i dotkliwości. Jeśli nie są dostępne żadne dane dotyczące zdarzeń możliwe jest generowanie współczynników przy użyciu modelu HERS, wbudowanego w program.
5. Pogoda
Dane wejściowe dla kroku 5 są zaprojektowane w celu przechwytywania wszystkich niezbędnych informacji o pogodzie w celu generowania scenariuszy, które obejmują zdarzenia pogodowe i ich wpływ. Niezbędne jest wprowadzenie prawdopodobieństwa wystąpienia dziesięciu typów zdarzeń pogodowych oraz czas trwania i parametry współczynnika korygującego dla każdej z kategorii zdarzenia.
Aby ułatwić nawigację, okno generowania scenariuszy jest podzielone na pięć zakładek panelowych, z których każda reprezentuje jeden z powyższych kroków.
Po określeniu danych wejściowych dla kroków 1-5, FREEVAL-2015e jest gotowy do wygenerowania zestawu scenariuszy niezawodności. Liczba wygenerowanych scenariuszy zależy od długości RRP, liczby kombinacji popytu (kombinacji miesiąc / dzień tygodnia) i liczby realizacji każdej kombinacji popytu.
Program umożliwia ocenę indywidualnych scenariuszy, a także wszystkich scenariuszy łącznie.
30
Źródło: FreeVal 2015e Users Guide
Rysunek 14 Okno podsumowania analizy niezawodności
31
4. Poligon badawczy.
Jako poligon badawczy przyjęto odcinek autostrady A2 o długości 6,1 km, od km 444,15 (P5) do km 450,25 (P1). Analizom poddano lewą jezdnią drogi, prowadzącą od Warszawy w kierunku Poznania. Jest to odcinek dwupasowy, bez wpływu włączeń i wyłączeń z autostrady oraz odcinków przeplatania.
Źródło: openstreetmap.org
Rysunek 15 Poligon badawczy
Na przedmiotowym odcinku wykonane zostały badania ruchu1 obejmujące pomiar natężenia ruchu oraz pomiar prędkości. Poligon pomiarowy stanowiło 5 punktów wyznaczonych w niżej przedstawionych lokalizacjach.
Pomiary prowadzone były w godzinach 12:00 - 20:00 w formie pomiaru ciągłego. Na potrzeby niniejszej pracy, wyniki zagregowano do interwałów 15-minutowych, jako średnią z pomiarów 5-minutowych.
1 Badania zostały wykonane w ramach projektu „Nowoczesne metody obliczania przepustowości i oceny warunków ruchu dla dróg poza aglomeracjami miejskimi, w tym dla dróg szybkiego ruchu” Rozwój Innowacji Drogowej (RID-I/50)