Sumário Unidade 3-Aula 3

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Aula 03
Simulação de Tráfego
Nesta aula, veremos sobre a simulação de tráfego. Essa noção é essencial para o estudioso(a) da
área. Continue os estudos desta disciplina e boa aula!
Diversas são as técnicas disponíveis que podem ser utilizadas no processo de análise e de resolução
de problemas. Tais técnicas podem ser agrupadas de distintas formas, a depender do critério
adotado. Vamos considerar a classificação proposta por Portugal (1993) e Dalto (1994),
subdividindo as técnicas em duas categorias:
1. técnicas analíticas; e
2. simulação.
A compreensão das técnicas existentes e avaliação da adequabilidade a cada problema é essencial à
resolução de problemas em transportes. Portugal (2005) afirma que a abordagem analítica
pressupõe um comportamento estático, quanto ao tempo, do fenômeno estudado. Nesse processo,
busca-se chegar a fórmulas, sistemas de equações, gráficos ou heurísticas para estimativa de
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quantidades de interesse em termos de variáveis explicativas do fenômeno. A vantagem principal
das técnicas analíticas está nos menores custos computacionais, em termos de tempo e memória de
execução, e também por apresentar sempre, para um mesmo input, um único resultado.
A simulação, de forma geral, pode ser definida como a imitação de uma situação real, mediante uso
de modelos. O principal objetivo da simulação é representar ou modelar o comportamento próprio
e as interações dos elementos de um sistema, com vistas a permitir uma avaliação prévia do seu
desempenho.
Por meio dessa técnica, busca-se replicar, num computador, a sequência de eventos hipotéticos do
sistema estudado, ao longo do tempo, tratando-se as entidades que compõe o modelo de forma
agregada ou individualizada. Devido à complexidade de modelos de simulação, e consequente
esforço necessário ao desenvolvimento, eles conferem maior poder de representatividade à
solução do problema, além de possibilitarem a representação de diversas situações alternativas de
projeto em tempo reduzido e a baixo custo, sendo um poderoso instrumento para auxiliar o analista
na escolha do melhor sistema a ser implantado ou melhorado (PORTUGAL, 2005). Fu (2001)
afirma, no entanto, que a simulação não é um processo de tomada de decisão, mas sim um suporte
ao processo de otimização e escolha de alternativas.
Quanto às funções atribuídas a simulação, Oliveira (1988) destaca:
Avaliação – determinação do grau de desempenho do sistema quando comparado com critérios
específicos.
Comparação – comparação de sistemas competitivos que executem funções específicas ou
comparar várias propostas.
Previsão – estimativa do desempenho do sistema segundo um dado conjunto de condições.
Análise de sensibilidade – determinação dos fatores que mais influenciam o desempenho do
sistema.
Otimização – determinação exata da combinação de fatores que conduzirão a melhor resposta
do sistema.
Relacionamento funcional – estabelecimento da natureza do relacionamento entre um ou mais
fatores significativos e a resposta do sistema.
No caso do tráfego, a técnica de simulação pode, como adiantamos na aula anterior, contemplar
três tipos de abordagens ( POYARES, 2000; PORTUGAL, 2005):
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MACROSCÓPICA
Nos modelos macroscópicos o fluxo de tráfego é concebido como um fluido, semelhante a hidrodinâmica, cujas leis embasam a formulação teórica da modelagem. Nessa
abordagem, o comportamento individual dos veículos é desprezado, sendo a modelagem baseada em equações usadas na descrição do fenômeno de ondas de choque. Esse
enfoque conduz à vantagem computacional do ponto de vista de espaço para memória e velocidade de execução, entretanto, os modelos são menos flexíveis e pouco detalhados.
MESOSCÓPICA
Os modelos mesoscópicos constituem uma classe intermediária em termos de realismo e detalhamento. Nesse caso, os veículos são agrupados em pelotões e tratados desta
forma quanto a tamanho, localização, velocidade e aceleração. Esses modelos são geralmente utilizados em redes semafóricas e buscam explicar a deformação destes pelotões
ao longo do tempo e do espaço, tendo como base a Teoria da Dispersão de Fluxos de Tráfego.
MICROSCÓPICA
Esses modelos baseiam-se nos Modelos Clássicos de Perseguição ou Leis de Sequência (car following), que procuram descrever o comportamento do elemento motorista-veículo
como resposta a um estímulo recebido. Nessa abordagem, os veículos são tratados de forma individualizada, sendo o nível de detalhamento em função do propósito. Cada
veículo preserva, individualmente, todas as características de interesse para o sistema. O trânsito ao longo dos arcos é regido por leis de perseguição e o comportamento nas
interseções é, normalmente, mais complexo de detalhado.
Além das três abordagens citadas, refere-se que atualmente esforços têm sido envidados para uma
separação ainda maior dos elementos envolvidos no tráfego, considerando individualmente
comportamentos de motoristas (com modelagens detalhadas de percepção, decisões tomadas e
enganos cometidos) e veículos. É a chamada abordagem nanoscópica (ARCHER, 2000).
Uso de Simulação de Trafego na Engenharia de
Transportes
Nesta seção, serão apresentados dois exemplos de uso da simulação de tráfego para resolução de
problemas de Engenharia de Transportes. O primeiro é mais geral, fazendo associação com diversos
conceitos que já aprendemos; já o segundo é um uso específico, introduzindo conceitos acerca de
sinalização semafórica e uso de simulação.
Como vimos na segunda unidade de nossa disciplina, o planejamento de transportes requer um
extenso e consistente conjunto de dados para fiabilidade na análise do problema, proposição e
avaliação de alternativas.
Assim, a tarefa de planejar os sistemas de transportes de uma cidade ou mesmo de várias zonas de
tráfego, exige grande esforço, o que despertou o potencial de utilização de simulação de tráfego
como suporte a essa missão.
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A simulação de tráfego é útil tanto para implantação de novos sistemas quanto para avaliação e
proposição de melhorias em sistemas de transportes existentes. Existem softwares comerciais que
possibilitam a previsão da demanda de viagens, incorporando modelos de geração, de distribuição,
de escolha modal, encadeamento de viagens, redes de tráfego e de transporte público. Além disso,
atualmente, dispõe-se de modelos avançados de demanda baseada em atividades e modelos de
simulação de tráfego em escala microscópica, que incorporam alterações do uso do solo e da
demanda por transporte.
As ferramentas computacionais também dão suporte no planejamento do transporte público
coletivo, permitindo a avaliação de alterações em linhas, rotas, frequência, horários, além de
auxiliar no processo de integração entre os modos de transporte, promoção de acessibilidade a
pedestres e integração tarifária.
Com recurso a essas ferramentas, também se pode obter subsídios para o planejamento de tráfego,
facultando a análise da expansão do sistema viário, de esquemas de gerenciamento e controle de
tráfego, de gerenciamento da demanda de tráfego, da capacidade das vias, do transporte de cargas,
entre diversas outras abordagens. Veja na Figura 13 uma tela de microssimulação utilizando o
software Vissim.
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O uso da simulação é extremamente benéfico por possibilitar a geração de diversas alternativas em
pouco tempo e a baixo custo, conferindo maior segurança ao planejador no momento deescolha da
alternativa a ser implantada. No entanto, faz-se o alerta de que a técnica de simulação e uso de
software são apenas suportes ao trabalho do planejador, que deve ter robusto conhecimento na
área e prudência/maturidade/consciência na utilização desse recurso.
Programação Semafórica
Como vimos na aula anterior, o fluxo interrompido ou descontínuo é caracterizado por
impedimentos externos à corrente de tráfego, como os semáforos. Conforme o DENATRAN (1979),
a alternância do direito de passagem nas interseções em nível com um significativo volume de
tráfego de veículos e/ou pedestres, por intermédio de sinais luminosos (semáforos) é uma
importante alternativa de controle de tráfego.
Os semáforos têm desempenho fundamental na determinação do nível de desempenho geral de um
sistema de vias arteriais.
Os semáforos podem proporcionar movimentos ordenados de tráfego e aumentar a capacidade de
controle de tráfego de uma interseção, no entanto, se projetados inadequadamente podem gerar
atrasos desnecessários e excessivos, além de contribuir para a ocorrência de acidentes de trânsito
(HOEL et al., 2012).
Os semáforos podem ser divididos nos grupos (FERRAZ, 2005):
Figura 13. Exemplo de tela de microssimulação utilizando o Vissim.
Fonte: PTV Group (2017)
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Controladores de tempo fixo: são geralmente indiferentes quanto aos volumes, bem como quanto
a duração de seus ciclos, que fixa. O ciclo é constante e duração. Embora sejam pré-programados e
insensíveis aos volumes vigentes, podem ser configurados para diversos períodos de tempo durante
o dia, a fim de atender as diferentes condições de tráfego. Ê uso potencial quando as condições de
tráfego não variam significativamente nos diversos períodos de pico.
Controladores atuados: esses dispositivos controlam a interseção conforme o volume de tráfego
local. Necessitam estar conectados aos detectores de veículos para determinar a demanda de
tráfego, além de configurados com lógica de decisão, o que os tornam mais complexos e,
consequentemente, mais caros. Esses controladores ajustam os tempos de verde de acordo com o
fluxo da via, otimizando o tempo de prioridade de passagem para cada corrente de tráfego,
conforme variações de fluxo na via.
Conforme Hoel et al. (2012), em se tratando do funcionamento dos semáforos, alguns conceitos são
essenciais, sejam eles:
CICLO é uma rotação completa de todas as indicações – verde, amarelo, vermelho – em uma determinada interseção.
INTERVALO
período de tempo durante o qual todas as indicações ou luzes permanecem inalteradas, tais como intervalo do verde, da transição ou amarelo, do desobstrução ou vermelho total e do
vermelho.
FASE conjunto de indicações que conferem direito de passagem a um determinado conjunto de movimentos.
DEFASAGEM diferença de tempo entre o início da indicação de verde de dois semáforos adjacentes.
A Figura 14 mostra o digrama de fases e estágios de um cruzamento.
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Na programação semafórica, é preciso entender o mecanismo pelo qual os veículos se dispersam de
uma fila de espera de semáforos, o tempo perdido no processo e a capacidade da aproximação de
uma interseção. A taxa de fluxo de saturação expressa a quantidade de veículos que passam por
hora de verde na interseção (também pode referir o número de veículos por hora de verde por faixa
de tráfego) e é expressa pela equação:
Onde s é a taxa de fluxo de saturação (em veículos/hora de verde – veículo/hv) e h é o intervalo de
saturação (em s/veículo).
Já reparou que quando o semáforo fica verde, os motoristas demoram a reagir e começar a
acelerar?
s =
3600
h
(1)
Figura 14. Diagrama de fases e estágios.
Fonte: Porto Júnior. (1997)
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Pois bem, esse tempo é chamado de tempo perdido no início de verde. Além dele, o tempo de
amarelo que não é utilizado pelos veículos mais o intervalo de vermelho total constituem o tempo
perdido no final do amarelo. A soma desses dois resulta no tempo total perdido de uma fase.
Ainda é interessante referir o conceito de vermelho total ou vermelho geral. Trata-se do intervalo,
geralmente de 1 a 2 segundos, em que as indicações dos semáforos para todas as aproximações em
uma interseção são vermelhas de modo a garantir a desobstrução da interseção antes do início da
indicação de verde para uma segunda aproximação.
Na Figura 15 encontra-se um esquema de aproximações de uma interseção.
Assim, tendo em consideração o tempo perdido, o tempo de verde efetivo, tempo efetivamente
disponível para os veículos atravessarem a interseção é calculado por meio da Equação 2.
Onde G é o tempo que a luz verde fica acesa (em segundos), A é o tempo que a luz amarela fica acesa
(em segundos) e p é o tempo perdido no início do verde e no final do amarelo (em segundos). Na
Figura 16 apresenta-se um esquema do fluxo de saturação e tempo perdido.
g = G + A − p (2)
Figura 15. Representação das aproximações de interseções: (a) interseção de vias mão única e
(b) interseção de vias de mão dupla. Fonte: DENATRAN (2014)
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Assim, de posse desses parâmetros e da duração do ciclo semafórico ou duração de ciclo (c=tempo
de verde efetivo + tempo de vermelho efetivo), em segundos, que é o intervalo de tempo necessário
para completar uma sequência completa de indicações semafóricas, é possível calcular a
capacidade de uma aproximação semaforizada, (em veículos/hora), conforme equação 3.
Como vimos, no caso de interseções semaforizadas isoladas, o desafio é determinar o ciclo ótimo da
programação semafórica. O ciclo é ótimo é o tempo que garante que o semáforo trabalhe na sua
melhor configuração, onde o atraso seja o menor possível e o semáforo opere com folga para evitar
a formação de filas decorrentes da aleatoriedade dos fluxos de tráfego.
Existem dois métodos principais para este dimensionamento: o Método do grau de saturação
máximo e o Método de Webster. O primeiro admite que os veículos chegam em forma de “pelotões”
nas aproximações de interseções e baseia, portanto, no grau de saturação máximo definido para
cada grupo de movimentos. Doutro lado, o Método de Webster assume que a chegada de veículos
ocorre de forma aleatória e calcula o ciclo ótimo de forma que o tempo de espera veicular seja
mínimo. Na Figura 17 está apresentado um exemplo de programação semafórica com apresentação
do diagrama de intervalos luminosos para o ciclo ótimo estabelecido.
C = s.
g
c
Figura 16. Fluxo de saturação e tempos perdidos.
Fonte: DENATRAN (2014)
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Além disso, existem ferramentas computacionais baseadas em outros métodos e que permitem a
otimização do ciclo e ainda realização de diversas simulações das alternativas. A simulação tem
ainda mais potencial e necessidade no caso da coordenação semafórica.
O uso dos semáforos isolados, embora objetive disciplinar as manobras de cruzamento ou
conversão, podem causar, principalmente em redes compostas por várias interseções
semaforizadas próximas, aumento do número de paradas dos veículos, formação de filas, aumento
no tempo de percurso e a redução da velocidade médias nas vias (estas são medidas de
desempenho do tráfego e constituem-se pelos principais parâmetros obtidos pela simulação de
tráfego). Em tais situações, as estratégias de coordenação semafóricasão fundamentais para
promover a fluidez do tráfego e manter a operação em níveis de qualidade aceitáveis
(DUTRA;DEMARCHI, 2004).
Existem basicamente três métodos de coordenação semafórica. Um dos métodos busca a
minimização dos atrasos e paradas nas interseções; outro visa a maximização da banda verde, de
forma a defasar os instantes de abertura de semáforos consecutivos, possibilitando que os
motoristas encontrem sempre os semáforos abertos, criando um efeito de “onda verde”; por fim, o
último método baseia-se na utilização dos princípios dos dois métodos anteriores de maneira
simultânea ou sequencial. Nesse sentido, existem diversos softwares de simulação e otimização de
programação semafórica, tanto de semáforos isolados como em rede. Existem também micro e
macrossimuladores de tráfego que já incorporam a consideração dos semáforos, possibilitando
uma simulação cada vez mais integrada e próxima da realidade. O uso desses recursos permite ao
engenheiro de tráfego uma decisão mais assertiva e eficiente quanto ao gerenciamento e controle
do tráfego.
Figura 17. Diagrama de intervalos luminosos.
Fonte: DENATRAN (2014)
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A Figura 18 é uma tela extraída de uma rede de semáforos simulada no software Transyt-7F.
Escolha do Simulador
Como você notou, a simulação de tráfego tem potencial de utilização em diferentes problemas de
transportes, restando a pergunta: qual simulador de tráfego escolher?
Pois bem, alguns critérios são essenciais de serem observados, a saber: tamanho da rede,
representação da rede, representação do tráfego, operações de tráfego, controle de tráfego, saídas
do modelo, disponibilidade de dados, facilidade de uso e recursos financeiros necessários. Com
base nestes critérios, no propósito e especificidades do problema analisado, é possível identificar o
simulador mais adequado.
VÍDEO
Olá, estudante! Para assistir a esse vídeo, acesse a versão web do seu material didático.
Figura 18. Exemplo de simulação de rede de semáforos, no software Transyt-7F.
Fonte: McTrans (2017)
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No Quadro 3 apresenta-se a classificação de alguns simuladores em função do objetivo de cada um
e do tipo e nível de intervenção a ser implementada, seja estratégica, tática ou operacional,
conceitos que já vimos na segunda unidade. É importante notar que, embora haja separação entre
os níveis de simulação, estão se relacionam e estão interligadas.
INTERVENÇÃO SIMULADORES OBJETIVO
ESTRATÉGICA: longo prazo. Âmbito da cidade/metropolitano. MACRO
Alterações de uso do solo; Aumento da capacidade e integração do sistema de transportes; Construção de vias expressas e
arteriais.
TRANSPLAN Análise do planejamento de transportes.
TransCAD
Análise de redes, planejamento de transportes e
logística.
EMME/2 Modelagem de redes multimodais, interação modal.
TÁTICA: médio prazo. Âmbito regional. MESO
Políticas de estacionamento; Pedágio urbano; Melhoria do transporte coletivo por ônibus; Políticas tarifárias.
SATURN Análise de redes, impactos ambientais.
CONTRAN Análise de redes, gerenciamento de tráfego.
TRIPS Análise de redes, modelagem da demanda.
PTP VISION* Análise de redes, impactos ambientais.
OPERACIONAL: curto prazo. Âmbito de bairros. MICRO
Intervenções físicas na rede; Controle de tráfego; Pontos de ônibus; Regulamentação de estacionamentos.
NETSIM Análise de redes, impactos ambientais.
PARAMICS Gerenciamento de tráfego, impactos ambientais.
TRANSYT
Gerenciamento de tráfego em rede viária
semaforizada.
*Inclui os módulos Vissim, Visum, Visum Safety, Viswalk, Vistro, Optima, Balance, Epics, Vistad, Visum Data Analytics.
Quadro 3. Relação entre tipo de intervenção, objetivo e simulador adequado Fonte: Portugal (2005)
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Um pensamento de muitas pessoas, inclusive de profissionais de Transportes, é que o aumento
da velocidade dos veículos contribui para a redução de congestionamentos nas cidades. Mas
especialistas reforçam que é possível, com a diminuição da velocidade máxima, melhorar a
velocidade médio do fluxo de tráfego. Clique aqui e utilize um simulador desenvolvido para
demonstrar a relação entre a velocidade e os congestionamentos.
Existe também um simulador alemão que permite visualizar o comportamento do fluxo de
tráfego, mediante variação de diversos parâmetros, tais como velocidade, densidade, existência
de obstáculos, etc. Clique aqui e confira, é muito interessante!
SAIBA MAIS
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https://iesb.blackboard.com/bbcswebdav/institution/Ead/_disciplinas/template/new_template/#/EADG619/unidade-3/aula3 13/13
https://www.hacklab.com.br/simulador-de-transito/
http://www.traffic-simulation.de/