gtr Aula6a 0506 Cruzamentos Semaforizados · ¾1926 – Surgem no Reino Unido os primeiros ......

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IST / Licenciaturas Engª Civil & Engª Território – Mestrado em Transportes – Gestão de Tráfego Rodoviário

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Cruzamentos Semaforizados

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Introdução

Sistema de controle de tráfego utilizado em muitos cruzamentos de nível com os seguintes objectivos:• Aumento da segurança, separando as correntes de tráfego em conflito;• Diminuição do tempo de atravessamento;• Aumento da Capacidade;• Equilíbrio do nível de serviço para todas (ou não) as correntes de tráfego.

Quando é bem aplicado tem as seguintes vantagens:• Maior controle sobre as decisões dos utlizadores – nomeadamente as erradas;• Permite alterar comportamentos – por exemplo, velocidades ou itinerários;• Permite a progressão ininterrupta de um pelotão / veículo prioritário / TP;• Permite coordenar o tráfego de um itinerário/rede.

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Perspectiva Histórica

1868 – Sistema de luzes coloridas utilizado em Westminster (Reino Unido) e que funcionava a gás;1918 – Primeiros sinais tricolores intaladosem Nova Iorque (operados manualmente);1926 – Surgem no Reino Unido os primeiros semáforos “automáticos” – menos eficientes por não reagirem ao tráfego;

Como primeira resposta a esta perda de eficiência foram testados semáforos com várias temporizações ao longo do dia;A partir de 1930 começaram a ser testados semáforos que “reagiam” ao tráfego.

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Detecção dos veículos

Actualmente os detectores podem ser activados pela passagem ou pela presença do veículo. Para tal são utilizados vários princípios:• Pressão• Interferência no campo magnético• Alteração de uma frequência de Radar• Alteração na indução de um “loop”• Detecção vídeo

O sistema semafórico compreende, além do detector e do display luminoso, um Mecanismo de ControloPode ainda incluir mecanismos especiais de activação a partir da procura (botões para peões, TP, saída de viaturas especiais, veículos prioritários, etc)

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Mecanismo de Controle

O Mecanismo de Controle regula o comprimento e a sequência das indicações dadas pelos semáforos e pode ser:• Electromecânico• Electrónico• Manual

Classificação dos sistemas semafóricos com base no Mecanismo de Controle:• Manual (em desuso)• De tempo fixo – pode ter vários “planos” sendo baseado nos fluxos históricos• Comandado pelo tráfego – recebe indicações do tráfego para alterar o

comprimento ou a sequência dos sinais

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Definições (I)

• Ciclo - Sequência total de indicações de um semáforo (suposta repetitiva);

• Tempo de ciclo ( T ) - Tempo necessário para completar um ciclo, medido em segundos;

• Fase - Parte do ciclo destinada a uma qualquer combinação de movimentos que recebem permissão para avançar. Uma fase pode acomodar um movimento protegido ou permitido.

• Intervalo - Período de tempo em que todos os sinais se mantêm constantes;

• Tudo-vermelho - Intervalo em que a luz vermelha se encontra acesa para todas as fases

• Tempo perdido ( L ) - Tempo em que a intersecção não está a ser utilizada por nenhum dos movimentos;

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Definições (II)

• Tempo de mudança ( I ) - Soma dos tempos de ‘amarelo’ e ‘tudo vermelho’ que ocorrem entre fases e que existem para permitir a limpeza do cruzamento, medido em segundos;

• Tempo de verde ( Gi para a fase i) - tempo em que, durante uma dada fase, a luz verde aparece (medido em segundos);

• Tempo de verde efectivo ( gi para a fase i) - Tempo, durante uma fase, que éefectivamente utilizado para permitir os movimentos; geralmente é igual ao tempo de verde mais o intervalo de mudança menos o tempo perdido para a fase i, medido em segundos;

• Rácio de verde ( gi/T para a fase i) - Relação entre o tempo verde efectivo e o tempo de ciclo

• Vermelho efectivo ( ri para a fase i) - Tempo, durante um ciclo, em que um movimento (ou conjunto de movimentos) não tem permissão para avançar. Émedido em segundos.

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Definições (III)Diagrama de Ciclo

A representação da semaforização faz-se através de um Diagrama de CicloO Diagrama de Ciclo pode representar os tempos reais (quanto tempo cada semáforo está de cada cor) ou os tempos efectivos (representados somente por verde e vermelho)

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Metodologia

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Tempo PerdidoCruzamento Semaforizado vs Cruzamento Prioritário

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Movimentos Protegidos vs Movimentos PermitidosViragens à esquerda

• Movimento permitido – tem lugar em conflito com um fluxo de veículos ou peões;• Movimento protegido – executa-se sem conflitos;

Os movimentos com maior número de conflitos são os de viragem à esquerda;A decisão de proteger estes movimentos deve ser função de:

• Volume que vira à esquerda;• Volume de conflito;• Velocidade na(s) pista(s) a cruzar;• Número de pistas a cruzar.

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Movimentos Protegidos vs Movimentos PermitidosPeões

A semaforização melhora as condições de atravessamento dos peões

Condições para a atribuição de uma fase exclusiva para peões - movimento protegido para peões (Reino Unido):• Se o fluxo de peões cruzando qualquer dos braços do cruzamento for

superior a 300 peões/hora; e• Se o tráfego que vira para um determinado braço tem uma separação de

menos de 5 seg. durante o tempo de viragem e confilto de 50 peões/hora.

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Pistas Exclusivas, Partilhadas e Grupos de Pistas

• A metodologia de análise de intersecções semaforizadas édesagregada pois considera individualmente cada um dos grupos de pistas em cada uma das aproximações;

• A segmentação dos vários grupos de pistas a analisar é baseada na geometria da intersecção e na distribuição dos movimentos de tráfego;

• Quando duas pistas são integradas num grupo todos os cálculos subsequentes são efectuados como se tratasse de uma só entidade.

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Definição do Plano de Fases

• Deve-se determinar o número de fases e a respectiva sequência• Geralmente parte-se de um plano de duas fases, que pode ser alterado ao

verificar-se que mais serão necessárias (devido à necessidade de movimentos protegidos)

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Fluxo de Saturação

Fluxo de saturação ( si para o grupo de pistas i) – fluxo máximo que pode atravessar uma determinada intersecção, sob as condições existentes, admitindo que aquele grupo de pistas dispõe de 100% de tempo de verde

É calculado para cada um dos grupos de pistas definidos anteriormente

Pode ser obtido por:• Cálculo – Análise em Planeamento• Levantamento no terreno – Análise Operacional

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Fluxo de SaturaçãoAnálise em Planeamento

• O fluxo de saturação pode ser estimado através de um fluxo de saturação ideal ( so ), e pelo ajustamento deste valor para uma série de condições prevalecentes que não são as ideais:

s = so . N . fW . fHV . fI . fE . fPA . fA . fVD . fVE

s - fluxo de saturação para o grupo de pistas, VL/hverde;so - fluxo de saturação ideal por pista, normalmente 1800 VL/hverde/pista;N - número de pistas no grupo de pistasfW - factor de ajustamento para a largura da pistafHV - factor de ajustamento para veículos pesadosfI - factor de ajustamento para aproximações com inclinação diferente de 0ºfE - factor de ajustamento para a existência de zona de estacionamento adjacente ao grupo de pistas fPA - factor de ajustamento para o efeito das paragens de autocarros na zona da intersecçãofA - factor de ajustamento para o tipo de áreafVD - factor de ajustamento para viragens à direita no grupo de pistasfVE - factor de ajustamento para viragens à esquerda no grupo de pistas

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Fluxo de SaturaçãoAnálise Operacional

• É aconselhado que a equipa responsável por esta tarefa seja composta por dois elementos, sendo um designado de cronometrista e outro de observador.

Tarefas gerais:1. Preencher os dados referentes à identificação do local;2. Escolher um ponto para observação onde o semáforo e a linha de STOP sejam claramente visíveis;3. Escolher um ponto de referência de forma a que quando um veículo cruze este ponto se considera que entra na

intersecção;4. Executar um estudo por ciclo.

Tarefas do observador:1. Verificar qual o último veículo na fila de espera;2. Descrever o último veículo ao cronometrista;3. Registar quantos são os veículos pesados e quantos viram à esquerda ou direita;4. Registar o tempo referido pelo cronometrista.

Tarefas do cronometrista:1. Começar a contar o tempo a partir do início do verde;2. Contar alto cada veículo que cruza a linha de STOP com o seu eixo traseiro;3. Dizer alto o tempo de passagem do 4º, 10º e último veículo da fila;4. Se o fluxo continuar até acabar o tempo de verde, dizer ao observador “saturação até ao fim do verde, o último

veículo que passou foi o n-ésimo”

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Fluxo de SaturaçãoAnálise Operacional

Devem ser registados quaisquer factos anormais que influenciem o fluxo de saturação, ex: cargas/descargas, autocarros parados em paragens etc..

O período usado para o cálculo do fluxo de saturação começa quando o eixo traseiro do 4º veículo atravessa a linha de paragem e acaba quando o último veículoatravessa a mesma linha.Assim temos, por exemplo:

Tempo para o 4º veículo: 10,2 seg.

Tempo para o 14º e último veículo: 36,5 seg.

Tempo médio entre veículos seg/veic

Fluxo de saturação verdeVL/h 13702.633600

≈=

2,6310

26,3414

10,236,5==

−−

=

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Capacidade

A capacidade de um grupo de pistas i pode ser definida por:

ci - capacidade do grupo de pistas isi - fluxo de saturação para o grupo de pistas i gi/T - rácio de verde para o grupo de pistas i (tempo de verde/tempo de ciclo)

Para cada grupo de pistas é possível calcular o respectivo rácio v/c:

ou seja,

A capacidade da intersecção como um todo é um conceito com pouco interesse, sendo pouco provável que todos os movimentos venham a estar saturados ao mesmo tempo.

Tg.c i

ii s=

ii

i

ii

i

ii g.s

T.v

Tg.s

vcvX ==

=

Tgsv

Xi

ii

=

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Rácio Crítico

Rácio Crítico ( Xc ) – consiste no rácio v/c para a intersecção como um todo, mas considerando apenas o movimento com maior rácio v/c em cada fase

Xc - rácio crítico (v/c) para a intersecção

- somatório de todos os grupos de pistas consideradas críticas

T - tempo de ciclo em segundosL - total de tempo perdido por ciclo

Se Xc ≤ 1.0, então é possível acomodar todos os movimentos na sequência de fases e tempos de ciclos definidos

∑

−

=

i cic LT

T.svX

∑

i cisv

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Nível de Serviço – é definido em termos do tempo médio de atraso (medida de desconforto do condutor, consumo de combustível e tempo perdido na viagem)O atraso refere-se ao tempo gasto para atravessar a intersecção em excessorelativamente à situação de atravessamento livre (como se fosse desnivelada ou não existisse)

Nível de Serviço

É definido a partir dos tempos médios de atraso para um período de ponta de 15 minutos, que podem ser obtidos por:• Cálculo• Medições no campo

> 60.0F40.1 a 60.0E25.1 a 40.0D15.1 a 25.0C5.1 a 15.0B≤ 5.0A

Tempo de Atraso (seg/veic)Nível de ServiçoDefinição dos Níveis de Serviço (Fonte: HCM)

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Atraso Médio por VeículoCálculo

O tempo médio de atraso por veículo pode ser calculado pela seguinte expressão (admitindo chegadas aleatórias):

d - tempo médio de atraso por veículo, para um grupo de pistas, em seg/veíc.T - tempo de ciclo, em segundosg/T - rácio de verde para um grupo de pistasc - capacidade do grupo de pistasX - rácio de v/c para o grupo de pistas

d1 representa o atraso uniforme (o atraso que surgia se as chegadas acontecessem de uma forma uniforme)

d2 entra em conta com o atraso incremental (o atraso que surge de as chegadas não serem uniformes mas sim aleatórias e ainda das quebras de ciclo que possam suceder)

Com base neste tempo de atraso podem ser calculados tempos médios de atraso para cada aproximação e para a intersecção como um todo

21 ddd += ( )[ ]( )( )[ ]XTg1

Tg1T0,38d2

1 −−

= ( ) ( ) +−+−= c

X161)(X1XX173d 222

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Atraso Médio por VeículoLevantamento

Existem vários métodos para levar a cabo esta acção incluindo o uso de um carro teste ou o registo de chegadas e partidas durante cada ciclo. O método que irá ser apresentado nestas folhas baseia-se na observação directa dos veículos parados na intersecção (ou num grupo de pistas).

Os passos seguintes devem ser seguidos aquando da implementação desta metodologia:1. Identificar o comprimento máximo de fila de espera durante o período em estudo. Este ponto

deverá ser usado como limite da área de estudo;2. A intervalos regulares, de 10 a 20 seg., o número de veículos parados na área em estudo deve

ser registado. Apenas os veículos parados devem ser contados e registados;3. Durante o período de contagem deve ser registado o fluxo que atravessa a área em estudo;4. A soma total de cada coluna corresponde ao total de veículos contados durante o intervalo;5. É assumido que um veículo que é observado como parado numa das contagens se considera

que está aí parado durante todo esse intervalo, assim, o atraso médio de cada veículo pode ser calculado através de:

v*V

Atraso s∑= I - soma de todos os veículos contados como parados;I - intervalo entre contagens (10 ou 20 seg.);v - fluxo que atravessou a área em estudo durante o período de contagens.

∑ sV

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Atraso Médio por VeículoLevantamento

Exemplo:

Fluxo = 50 veíc. (fluxo que atravessou o grupo de pistas em estudo durante o intervalo

considerado, 10 minutos)

O número de veículos contados como parados (de 20 em 20 segundos) foi :

283833Total

2625:09

3445:08

2315:07

1255:06

6445:05

4225:04

3545:03

5365:02

0535:01

2425:00

+4020-400-20Horas

Segundos

veic. 99283833VS∑ =++=

seg/veic. 4050

2099Atraso =×

=

Nota: Em consequência de toda a metodologia apresentada, a área em estudo poderácorresponder a um grupo de pistas, uma aproximação à intersecção ou toda a intersecção, dado que o nível de serviço é definido para a área em estudo através do seu atraso médio.

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Análise OperacionalDados a levantar

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Formulação Matemática do Problema

Dados:• Débito de Chegadas q (veic/hora) – Procura• Débito de Partidas s (veic/hora) – Oferta (Fluxo de Saturação)

Pedidos ou Resultados:• Duração do Ciclo T (segundos)• Repartição do tempo de ciclo λi

Objectivos:• Maximizar (ou minimizar) uma função f ( q, s, T, λi ) = 0 sujeita às

seguintes restrições:― Soma dos tempos das fases igual à duração do ciclo― Tempo de verde mínimo das fases― Duração mínima do ciclo― Capacidade das entradas

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Critérios de Optimização

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Micro-regulaçãoCruzamentos Isolados (Sinais actuados pelo tráfego)

A colocação de sensores depende do objectivo da detecção:• Minimizar os atrasos dos veículos em aproximação• Evitar longos tempos de verde mínimo• Conseguir detecção em movimento• Evitar tempos de verde curto• Manter a fila de espera menor do que x

Alguns destes critérios são contraditórios quanto ao local de colocação do sensor

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Micro-regulaçãoCruzamentos Isolados (Sinais actuados pelo tráfego)

As acções mais frequentes de micro-regulação são:

1. Eliminação de uma fase• Viragem à esquerda• Travessia de peões• Transportes Públicos• Existência de sub-fases

2. Adaptatividade do tempo de verde• Variação do tempo de verde entre um mínimo e um máximo• Método mais utilizado:

I. Comparação do intervalo de tempo que separa a passagem de 2 veículos consecutivos com um valor base, denominado Intervalo Crítico

II. Se o intervalo é inferior ao crítico, o verde é prolongado de um valor igual ao intervalo crítico, caso o valor máximo ainda não tenha sido alcançado

III. Caso contrário desencadeia-se a mudança de fase

3. Prevenção do bloqueamento do cruzamento anterior

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Coordenação

A semaforização aplicou-se inicialmente a cruzamentos isolados

A necessidade de coordenar o funcionamento dos vários cruzamentos isolados surgiu devido a:• Aumento de utilização da rede• Aumento do número de cruzamentos semaforizados

A coordenação semafórica pode ser feita em 3 níveis• Cruzamento isolado (sem coordenação)• Coordenação por artérias (onda verde)• Coordenação por zonas

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Coordenação por artérias(onda verde)

A técnica designada por onda verde permite sincronizar os cruzamentos ao longo de um itinerárioAssim é possível proporcionar o avanço a pelotões (grupos compactos de veículos) a uma determinada velocidade

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Coordenação por zonas

Envolve a ligação dos cruzamentos e a centralização do comando

Exemplo: Sistema GERTRUDE• Gestion Electronique de Regulation du Trafic Routier Urban Defiant les Embouteillages,

desenvolvido por Gertrude SA (filial da Comunidade Urbana de Bordéus)• Instalado em Lisboa e também no Porto (onde se designa SIGA)

Objectivos:• Melhorar as condições de circulação nos períodos de ponta• Dar prioridade absoluta aos veículos de emergência• Facilitar a circulação de veículos de transportes colectivos• Remover o congestionamento da área central e das artérias consideradas críticas• Aumentar a segurança rodoviária

Estratégia:• Em circulação fluida: um conjunto de planos de regulação por sub-zona• Em saturação: são criadas um conjunto de áreas de armazenamento

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Coordenação por zonas

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