PDF- -“Incorporación de Peatones en la Calibración de un Modelo de - Calibración Microsimulador AIMSUN Para Flujo Ininterrumpido Para La Ciudad de Concepción

ción Microsimulador AIMSUN Para Flujo Ininterrumpido Para La Ciudad de Concepción

Description

UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO INGENIERIA CIVIL

“Calibración del Microsimulador AIMSUN para flujo ininterrumpido en la ciudad de Concepción” Proyecto de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de Ingeniero Civil

RODRIGO GONZALEZ RIVERA Prof

Guía: Patricio Álvarez Mendoza

Concepción,

Octubre del 2005

A mi esposa por el amor e incondicional apoyo,

a mis padres por enseñarme a ser lo que soy,

a mis hermanos por el cariño de siempre

AGRADECIMIENTOS A mi profesor guía,

Patricio Álvarez,

por la oportunidad y paciencia durante toda la etapa de mi tesis,

además mencionar y agradecer al profesor Sergio Vargas por confiar en los inicios de mi proyecto de titulo

Agradecer a mis compañeros,

mis profesores y funcionarios del Departamento de Ingeniería Civil,

que durante toda mi carrera confiaron y me apoyaron en cada uno de los proyectos tanto a nivel académico como de representante del alumnado

Quiero agradecer a todos los voluntarios que hicieron posible realizar con gran esfuerzo las mediciones de terreno,

especialmente a mi hermano Gerald por su colaboración en el análisis de los datos y a Sebastián,

Franco,

José Luis,

Marcos,

Cristian,

Manuel,

Loreto,

Corina,

Moisés,

Patrick,

Marcelo y Carlos

Sin ellos no hubiese sido posible realizar con éxito esta etapa fundamental del desarrollo de la tesis

Agradezco la colaboración involuntaria de Justin Siegel y Luz Maria Velasco,

por los consejos y ayudas constantes que me permitieron solucionar diversos problemas durante el transcurso de la investigación

Especiales agradecimientos a Fernando Miguel,

por el gran apoyo en el inicio de mi carrera profesional como también por la constante disposición y consejos para terminar mi proyecto de titulo

Finalmente quiero volver a agradecer a mi esposa,

mis suegros por la preocupación,

cariño durante toda mi carrera y a toda mi familia que siempre confiaron en mí

INDICE GENERAL DEDICATORIA

Objetivos

Alcances

Contenidos

Clasificación de modelos de simulación

Introducción a modelos de microsimulación

Revisión de microsimuladores

Descripción de GETRAM

Simulador Microscópico AIMSUN

Modelos utilizados por AIMSUN

Parámetros que incluye GETRAM

Proceso de Calibración

Variables de Interés o de Contraste

Las Velocidades por Pistas

El Headways por Pista

Parámetros Velocidades por Pista

Ajuste de Parámetros

Comparación de la Bondad de Ajuste

Elección de la Autopista de Estudio

Determinación de Características Geométricas y Operacionales de la Autopista Seleccionada

Determinación de las Características del Parque Vehicular

Obtención de Datos de Tráfico

Medición de Información

Resultados Obtenidos

Errores con los Parámetros por Defecto

Secuencia de Calibración

Errores con Parámetros Propuestos por Lacalle

Resultados Finales de Calibración

Proceso de Validación

92 ANEXOS

INDICE DE TABLAS Tabla 2

7 Tabla 4

51 Tabla 4

51 Tabla 4

52 Tabla 4

Alonso de Ribera en Puntos de Control separados por categoría,

56 Tabla 4

56 Tabla 4

separados por pistas y categorías,

57 Tabla 4

57 Tabla 4

Alonso de Ribera,

separados por categoría en periodo entre las 14:00 a 15:00 hrs

58 Tabla 4

Alonso de Ribera en Puntos de Control separados por categoría,

59 Tabla 4

59 Tabla 4

separados por pistas y categorías,

60 Tabla 4

60 Tabla 4

Alonso de Ribera,

separados por categoría en periodo entre las 15:30 a 16:30 hrs

61 Tabla 5

mínimo,

máximo)

63 Tabla 5

66 Tabla 5

67 Tabla 5

68 Tabla 5

70 Tabla 5

71 Tabla 5

71 Tabla 5

72 Tabla 5

72 Tabla 5

73 Tabla 5

74 Tabla 5

74 Tabla 5

75 Tabla 5

76 Tabla 5

77 Tabla 5

79 Tabla 5

Lacalle y finalizada la calibración

82 Tabla 5

INDICE DE FIGURAS Figura 2

6 Figura 2

9 Figura 2

García

situación representativa uso pista 1

Propuestos por Lacalle y Calibrados

RESUMEN El mundo globalizado y los avances tecnológicos,

han permitido en todos los ámbitos de la Ingeniería,

desarrollar herramientas que facilitan enormemente la tarea de los Ingenieros y planificadores

Una de ellas son los modelos de microsimulación,

los cuales permiten modelar con un gran un nivel de detalle diferentes fenómenos y comportamientos

La obtención de buenos resultados depende fundamentalmente de la calidad de la información entregada al microsimulador y a la utilización de parámetros que representen el comportamiento de los conductores en el lugar de simulación

Para esto se propone la herramienta de Calibración,

la que consiste en precisar un conjunto de valores para diversos parámetros del modelo con la finalidad de replicar las condiciones observadas en terreno para ciertas variables de interés

Este estudio,

comprende la calibración para flujo ininterrumpido en la ciudad de Concepción usando la metodología propuesta por Mariano Lacalle (2003) para la Av

Kennedy en Santiago de Chile,

que consiste en un proceso iterativo que busca replicar las condiciones de flujo existentes con las obtenidas por el microsimulador

El indicador estadístico utilizado corresponde al MAPE (error promedio porcentual absoluto)

Los objetivos planteados resumen la búsqueda de valores adecuados para un conjunto de parámetros que influyen en el flujo ininterrumpido

Dentro de las etapas de esta tesis,

se destaca la toma de datos de tráfico,

el ajuste de los parámetros y el proceso de validación de los parámetros encontrados durante el desarrollo de la calibración

Los resultados logrados llevan a la conclusión de la necesidad de calibrar el microsimulador AIMSUN,

ya que los errores por defecto alcanzan un valor de 37,49% versus un 7,67% con los parámetros calibrados

Otra conclusión observada es que los parámetros propuestos por Lacalle (2003) no son replicables para la ciudad de Concepción,

en especial los parámetros que afectan a las velocidades por pistas,

debido a que presentan un error de un 16,68% versus un 6,9% con los parámetros calibrados

CAPITULO 1: INTRODUCCION

El mundo globalizado y los avances tecnológicos,

han permitido en todos los ámbitos de la Ingeniería,

desarrollar herramientas que facilitan enormemente la tarea de los Ingenieros y planificadores

Una de ellas son los modelos de microsimulación,

los cuales permiten modelar con un gran un nivel de detalle diferentes fenómenos y comportamientos de los elementos de simulación

Es por esto que el desarrollo de microsimuladores de transporte ha ido en constante crecimiento,

debido a sus innumerables ventajas con respecto a los sistemas tradicionales,

el hecho que se puede analizar todo el sistema vial y la simulación puede ser visualizada

Sin embargo,

para obtener buenos resultados en el uso de los microsimuladores,

es necesario su calibración para el país o ciudad específico,

y cuando es posible para el lugar en donde se realiza la microsimulación y haber alcanzado un nivel aceptable de validación para ciertas características de trafico

El proceso de calibración consiste en precisar un conjunto de valores para diversos parámetros del modelo con la finalidad de replicar las condiciones observadas en terreno para ciertas variables de interés

Objetivos El Objetivo general de esta tesis es determinar valores adecuados para un conjunto de parámetros de AIMSUN para flujo ininterrumpido para la Ciudad de Concepción usando la metodología propuesta por Lacalle (2003)

Lo anterior es relevante considerando que las características socioculturales y del parque vehicular chileno difieren a lo largo de nuestro país y además si consideramos estudios anteriores se puede inferir que los parámetros por defecto no representan en general la realidad chilena

Dentro de los objetivos específicos están:

Reconocer una autopista compatible con la metodología propuesta para la calibración de los parámetros dentro de la ciudad de Concepción

Obtener información de la geometría de la autopista necesaria para la implementación del escenario de simulación (plataforma TEDI)

Obtener de forma efectiva los datos de flujo,

velocidad y headway necesarios para simular y calibrar los parámetros seleccionados

Simular el comportamiento del tráfico vehicular de la autopista seleccionada

Encontrar valores para los parámetros seleccionados,

que simulen de mejor manera las condiciones de transito que presenta actualmente la autopista seleccionada

Alcances El estudio de Calibración de AIMSUN para la ciudad de Concepción,

se basa en el procedimiento propuesto por Mariano Lacalle (2003),

el cual estable la metodología para flujo ininterrumpido

El flujo estudiado corresponde solamente a tráfico privado los cuales se dividen en tres categorías,

camiones 2 ejes y camiones sobre 2 ejes

El proceso de calibración utilizado solamente aborda aspectos del comportamiento del automovilista,

en una autopista de flujo ininterrumpido para la ciudad de Concepción,

por lo que se obtendrán valores de estos parámetros para esta ciudad

Contenidos La tesis consta de 6 capítulos los cuales comprenden desde la Introducción hasta las conclusiones

en el cual se describen los objetivos generales y específicos

En el Capitulo II se entrega el Marco teórico,

el que comprende la clasificación de los modelos de microsimulación y una breve descripción de Getram,

mostrando sus características generales y modelos utilizados para el caso de simulaciones para flujo ininterrumpido

El Capítulo III,

corresponde a una descripción del proceso de calibración utilizado,

en donde se presentan las variables de estudio,

proceso de ajuste de parámetros y por último se muestra el indicador de la bondad de ajuste de los parámetros

El Capítulo IV,

muestra el proceso de recopilación de información,

muestra la metodología usada para la obtención de los datos de tráfico y entrega los valores obtenidos después del análisis de los datos

El Capítulo V,

corresponde a los resultados obtenidos mediante el proceso de calibración,

el cual se entregan los valores encontrados para el indicador de ajuste,

tanto para los parámetros por defectos como los obtenidos en el proceso de calibración para flujo ininterrumpido de la ciudad de Concepción

Además se presenta el proceso de Validación de los parámetros encontrados

Finalmente,

el Capítulo VI corresponde a las conclusiones finales obtenidas en este proyecto de título

CAPITULO 2: MARCO TEORICO

A lo largo de estos últimos años la simulación se ha ido convirtiendo en una de las herramientas más poderosas y utilizadas para el diseño y análisis de sistemas gracias a su probada capacidad de reproducir con gran fidelidad la realidad

Las simulaciones nos entregan una serie de ventajas,

entre las cuales se puede destacar,

tiempos bajísimos en el análisis del sistema,

simular en segundos o minutos el comportamiento de horas,

días o meses

También se puede destacar la posibilidad de visualizar detalladamente comportamientos de los automovilistas como también analizar diferentes alternativas o la reacción del sistema ante cambios en la red de estudio

En síntesis una de las mayores virtudes de los modelos de simulación es lograr entregar información detallada frente a los posibles cambios del sistema permitiendo anticipar soluciones correctas a los problemas reales

Por otro lado,

en el ámbito de la ingeniería de transporte,

es frecuente la alteración de las vías de circulación,

lo cual involucra evaluar distintas medidas frente a estos cambios,

siendo la opción mas frecuente aplicar y “probar” las consecuencias,

siendo generalmente de difícil percepción

Debido a lo expuesto en el párrafo anterior,

la utilización de microsimuladores de transporte permite obtener la mejor solución para enfrentar las modificaciones del sistema de transporte,

modelando el entorno y obteniendo resultados antes del llevar la solución a la práctica

Clasificación de modelos de simulación Existen distintos tipos de clasificaciones,

dependiendo de las características de los modelos que son consideradas como relevantes para realizar la clasificación

Se presenta a continuación una breve descripción de ellos,

siguiendo el lineamiento planteado por Lieberman y Rathi (1997) y expuesto en la tesis de Velasco (2003)

surge la siguiente clasificación de los modelos de simulación: a) Continuo: describe cómo los elementos de un sistema cambian de estado continuamente en el tiempo como respuesta a estímulos continuos

b) Discreto: realiza los cambios de estado en forma abrupta en ciertos momentos

Hay dos tipos de modelos discretos,

que son aplicables según las características que quieren ser representadas

Tiempo y Evento

Otra clasificación posible surge al considerar el nivel de detalle con el que se representa el sistema estudiado y que es específica de transporte (ver Fig

Ejemplos de esto,

puede ser el que los flujos son representados como un promedio,

considerando densidades y velocidades

Las maniobras de cambio de pista no son consideradas,

sino que son incorporados los vehículos a los arcos suponiendo una correcta distribución

b) Mesoscópico: en general representa las entidades con un alto nivel de detalle,

pero describe sus interacciones y actividades con un detalle mayor que el anterior,

pero menor que el siguiente (pelotones)

c) Microscópico: describe tanto las entidades del sistema como sus actividades en forma detallada

Por ejemplo,

al realizarse un cambio de pista se analiza la trayectoria propia,

la del vehículo anterior en la pista adyacente y la del que viene a continuación en ella

Estos modelos difieren también en la dificultad asociada a su calibración

Los modelos microscópicos son más difíciles de calibrar que los macroscópicos,

debido a que los primeros consideran la interacción entre vehículos en la simulación y las variables observadas de terreno no se relacionan directamente a los parámetros de los modelos considerados (Jayakrishnan et al

Figura 2

FLUJO PROMEDIO

VEHICULO INDIVIDUAL

Introducción a modelos de microsimulación Los microsimuladores representan un concepto generado por los considerables aumentos en la tecnología del parque vehicular,

lo que ocasiona un constante crecimiento de éste,

trayendo consigo innumerables necesidades tanto de infraestructura como también de gestión vial

Un manera de mejorar la gestión de tránsito es aplicando Sistemas de Transporte Inteligente (ITS),

los cuales ayudan al funcionamiento del sistema de transporte más eficiente con la capacidad vial actual

Al aplicar estos sistemas los microsimuladores ayudan a cuantificar los beneficios logrados evaluando en forma anterior o en paralelo con la operación real de las medidas analizadas

No todos los modelos son diseñados para resolver todas las aplicaciones posibles existentes,

pues poseen distintas propiedades

Además de lo mencionado en el párrafo anterior los microsimuladores se aplican en la evaluación de esquemas a gran escala,

gestión en-línea y usos referentes a la investigación y educación

A continuación se hace una breve descripción de los microsimuladores existentes

Revisión de microsimuladores Existe actualmente un gran número de microsimuladores

Algunos de ellos son de carácter comercial mientras otros son utilizados sólo académicamente

Se presenta en la tabla 2

En ella la categorización tiene relación con el tipo de condiciones de tráfico que son capaces de representar

Tabla 2

Autopista

Combinado

CASIMIR

AUTOBAHN AIMSUN2

ANATOLL

DRACULA

FLEXSYT II

MICSTRAN

INTEGRATION SIMDAC

MELROSE

MICROSIM

PARAMICS

PLANSIM-T

SITRA-B+

TRANSIMS

THOREAU Fuente: Smartest D3,

Los modelos de microsimulación más utilizados en Chile según Velasco (2003) son: Paramics,

Corsim,

Aimsun 2 (Getram),

éste último es el más utilizado tanto a nivel privado como en forma académica,

siendo el software de microsimulación utilizado para este estudio

Hay que señalar,

que en ámbito académico existen solamente tres Universidades del país las cuales poseen las licencias del software GETRAM,

Pontificia Universidad Católica de Chile y la Universidad del Bío –Bío

Descripción de GETRAM GETRAM (Generic Environment for Traffic Analysis and Modeling) es un entorno de simulación que comprende un editor gráfico de redes de tráfico (TEDI),

un simulador microscópico de tráfico (AIMSUN),

una base de datos de redes de tráfico,

un módulo para el almacenamiento de resultados y un API (Interfaz para la Programación de Aplicaciones) para programar las interfaces entre el simulador y cualquier aplicación del usuario,

como por ejemplo su propio sistema de control

En la simulación que se realiza,

tras generar la topología de la red con sus características mediante el uso de TEDI,

AIMSUN considera el comportamiento de cada vehículo con sus características individuales y todos los elementos de la red representada afecta al comportamiento de los vehículos: pendientes,

Esto crea una simulación virtual de la realidad usando animación que permite realizar un completo análisis y percibir el tráfico del entorno modelado de una forma fácil y rápida

Las impresiones resultantes,

pueden ser confirmadas por una serie de informes numéricos y gráficos que proporciona el propio,

además de incluir en los resultados particulares de este estudio aquellos que se han estimado más representativos

Su función principal es la de la construcción de modelos de tráfico con los que alimentar el simulador AISMUN2 (Fig

Para facilitar esta tarea el editor acepta de fondo de imagen una descripción gráfica del área del modelo procedente de Autocad o GIS,

que se usa como patrón para la construcción de calles e intersecciones

Además de los algoritmos implementados,

el usuario puede definir funciones de coste o modelos de elección de ruta mediante el editor de funciones

Sus principales características son:

con los diferentes niveles de detalle requeridos

La geometría de los arcos componentes de la red se especifica a nivel microscópico pero el editor puede hacer uso de determinadas características y facilidades que se brindan en el nivel macroscópico

Se pueden utilizar distintos tipos de control de tráfico: semáforos (fijos,

intersecciones prioritarias (ceda el paso o pare),

Se modela el transporte público,

definiendo líneas (rutas y paradas),

horarios (frecuencia de partida u horario fijo) y tiempo de detenciones

La construcción de complejas intersecciones incluyendo la definición de giros,

señales y controles de semáforos se convierte en una sencilla tarea realizable con las ventanas de diálogo de fácil uso

Figura 2

Simulador Microscópico AIMSUN AIMSUN (Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non-Urban Networks,

o Simulador Microscópico Avanzado e Interactivo para Redes Urbanas e Interurbanas) es una herramienta software capaz de reproducir las condiciones reales de tráfico de cualquier red vial (Fig

Como lo expuesto en secciones anteriores se usa principalmente para evaluar nuevos sistemas de control y estrategias de gestión de tráfico,

pero también ha sido utilizado para la predicción del estado del tráfico como componente de sistemas de guiado de vehículos y otras aplicaciones en tiempo real

Sus principales características son: •

Modelación del tráfico

AIMSUN realiza una aproximación microscópica al problema,

Esto significa que el comportamiento de cada vehículo es continuamente modelado durante el período de simulación,

La simulación puede realizarse bien basándose en flujos de tráfico,

proporciones de giro y un conjunto de datos dados,

o bien en matrices de viajes origen / destino basadas en una zonificación previamente establecida

En el primer caso,

el usuario puede definir distintas formas de generación de vehículos,

exponencial o cualquiera definida por él

En el segundo de los casos,

los vehículos son asignados a rutas específicas desde su origen a su destino

Las rutas más cortas pueden ser calculadas de acuerdo a funciones de costo que están en el simulador por defecto,

o pueden ser definidas por el usuario

El comportamiento de los vehículos responde a funciones de varios parámetros que permiten modelar diferentes tipos de vehículos: automóviles,

Los vehículos pueden agruparse en clases y pistas reservadas para determinados tipos de vehículos pueden ser considerados,

por ejemplo: pistas segregadas buses y automóviles

Varios modelos de elección de ruta están disponibles: fijo,

logit multinomial o cualquier otro definido por el usuario

En relación con los elementos de control de tráfico pueden ser modelados: semáforos,

Los planes de control de semáforos están basados en la duración de las fases,

son muy flexibles tanto en su definición como en su control

El usuario puede definir incidentes,

antes o durante la simulación

Una lista de ellos pueden ser almacenados para ser utilizadas en simulaciones posteriores

Señalización de mensaje variable y la influencia de sus mensajes en los conductores también puede ser simulada

Las maniobras vehiculares son modeladas en detalle utilizando modelos de seguimiento vehicular,

de cambio de pista y de aceptación de gap

Los dos primeros están basados en los modelos de Gipps los cuales serán explicados en la sección 2

Figura 2

En general posee diversas aplicaciones para la entrega de la información,

entre ellas podemos destacar •

Flujos por sección

Flujos por pista

Velocidades

Velocidades máximas

Tiempo de viaje

Paradas

Colas máximas

Colas medias

Flujo / capacidad

Densidad por pistas

Todos los parámetros arriba relacionados,

y los que se han omitido pero el software facilita,

admiten al menos una clasificación diversa en diferentes sentidos: •

Por su ámbito: o Para una determinada sección o Para un conjunto de secciones o Para el sistema general

Por su espacio temporal: o Para el período completo de simulación o Para intervalos de medición definidos

Modelos utilizados por AIMSUN La información de los vehículos que circulan por la red modelada es actualizada de acuerdo a ciertos modelos que rigen el movimiento de ellos

Estos modelos son presentados a continuación

a) Modelo de seguimiento vehicular Se basa en el modelo de Gipps (1981,

que determina el comportamiento de un vehículo dependiendo de su entorno

Está compuesto principalmente por dos componentes,

aceleración y desaceleración

El primer componente representa la intención de un vehículo de alcanzar cierta velocidad deseada,

mientras el segundo reproduce las limitaciones impuestas por el vehículo precedente al tratar de conducir a la velocidad deseada

La velocidad máxima a la que un vehículo (n) puede acelerar durante un período de tiempo (t,

⎛ V ( n,

V*(n): velocidad deseada por el vehículo n

a(n): máxima aceleración del vehículo n

La máxima velocidad que el mismo vehículo (n) puede alcanzar durante el mismo intervalo de tiempo (t,

de acuerdo a sus propias características y a las limitaciones impuestas por la presencia de un vehículo antecesor es: ⎡ V (n − 1,

t + T ) = d'(n)T + d'(n) 2 T 2 − d'(n) ⎢ 2 { x(n − 1,

t )T ⎥ d'(n − 1) ⎦ ⎣ (2