Verkeerskunde in een notendop

Sven Maerivoet | De fileproblematiek onder de loep genomen 1

De fileproblematiekonder de loep genomen

Dr. Sven Maerivoet


Overzicht

● Hoe ontstaan files?

● Transport- en verkeersmodellering.

● Cellulaire automaten voor verkeer.

● Computersimulaties en studies.

● Verkeersmanagement.


Hoe worden files veroorzaakt?

● “Teveel mensen willen op hetzelfde moment op dezelfde plaats rijden.”

● Of nog:– De capaciteit van de wegen is beperkt.– Zij kunnen al het verkeer niet verwerken.– Daardoor ontstaat er file wat tot vertragingen leidt.

● Daarenboven:– Ongevallen kunnen ook files veroorzaken (en vice versa).– In steden ontstaan ze door kruispunten en verkeerslichten.

Hoe ontstaan files?Transport- en verkeersmodelleringCellulaire automaten voor verkeerComputersimulaties en studiesVerkeersmanagement


Ontstaan van files: 2 verschillende theorieën

● De Europese (Duitse) school:– Spookfiles uit het niets (Treiterer en Myers, 1974).– Kerner, Konhäuser en Rehborn (1994).– Helbing (1999).

● De Berkeley school (Universiteit van Californië):– Alle files ontstaan door ‘flessenhalzen’ (‘bottlenecks’).– Er is altijd een geometrische verklaring voor de file.– Newell, Daganzo, Bertini, Cassidy, Muñoz, …



Hoe groot is het fileprobleem?Hoe ontstaan files?Transport- en verkeersmodelleringCellulaire automaten voor verkeerComputersimulaties en studiesVerkeersmanagement

Bronnen: TML (2008, 2011)

● Tijdens een ochtendspits op Vlaamse autosnelwegen:o Staat er ~139 km file (en verlies je een half uur).

o Verliezen we allemaal samen ~18.700 uren.

o Dit kost ~260.000 euro aan de maatschappij.● Op het onderliggend wegennet: tot 4x erger!● 91% van de files staan in Vlaanderen.


Overzicht







Landgebruik & socio-economisch gedrag

● De vraag naar verkeer ontstaat door de wens tot deelname aan ruimtelijk gescheiden sociale/culturele/economische/… activiteiten.

● Tendens naar geosimulatie


CBD = central business districtI = industriezoneL/M/H = lage/midden/hoge inkomensklasseC = commuter zone


Ritten-gebaseerd transportmodel

● Reizigers nemen beslissingen die leiden tot een trip-gebaseerd model.


trip generatie

trip distributie

modale split

verkeerstoedeling

(hoeveel trips?)

(waar gaan ze naartoe?)

(met welk vervoersmiddel?)

(welke routes nemen ze?)

Aggregatie!

“Het vier-stapsmodel”


Ritten-gebaseerd transportmodel

● Reizigers nemen beslissingen die leiden tot een trip-gebaseerd model.


Routekeuze wordtbepaald door

Wardrop/Nash criteria:(1952)

Gebruikersevenwicht

Systeemoptimum

trip generatie

trip distributie

modale split

verkeerstoedeling

(W1)

(W2)


Verkeerstoedeling: berekening van evenwichten

● Geformaliseerd door Beckmann, McGuire en Winsten:– Het “BMW-trio”.– “Studies in the Economics of Transportation” (1956).

● Berekeningen:– Convexe optimisatietheorie (kwadratisch programmeren).– Niet-lineaire congestiefuncties (bv. BPR functies).– Korste pad algoritmes.

● Toevoegingen:– Stochasticiteit.– Risico.– Niet rationele, noch alwetende reizigers.– …



Dynamische verkeers-toedeling: de heilige graal

● Statisch:– Gebruikt een vereenvoudiging van wegcapaciteit.– Rekent typisch een hele ochtendspits in 1x door (“al het

verkeer wordt tegelijk op het netwerk gezet”).

● Dynamisch:– DTA = ‘dynamic traffic assignment’.– Files zijn een dynamisch fenomeen in tijd en ruimte.– Laat toe om terugslag van files te modelleren.– Keuze van route en vertrektijdstip.– Dynamische netwerkbelading (DNL):

●Analytisch.●Gebaseerd op simulaties (convergentie door iteratieve relaxatie).


7:00 10:00 15:00 18:00

Dynamisch

Statisch


Activiteiten-gebaseerd transportmodel

● Genereren van een synthetische bevolking.● Genereren en plannen van activiteiten.● Uitvoeren van deze activiteiten;

= fysieke beweging van agents.


activiteitenpatroon multi-agent systemen


Macro-/mesoscopische stroommodellen

● Beschrijven hoe het verkeer zich fysiek op een weg voortbeweegt.

● Gebaseerd op partiële differentiaalvergelijkingen (i.e., behoudswetten).

● Veel aggregatie, laag detailniveau.

Macroscopisch: vloeistof-dynamische modellen die verkeer als een samendrukbare vloeistof beschouwen (Navier-Stokes).

Mesoscopisch: gas-kinetische modellen die verkeer als een veel-deeltjessysteem beschouwen: afleiden van macroscopische vergelijkingen uit microscopisch rijdersgedrag.



Het LWR macroscopisch model

● Lighthill-Whitham-Richards 1e orde model.● Verkeer = niet-visceuze samendrukbare vloeistof.● Steunt op een scalaire behoudswet van dichtheid (k)

en intensiteit (q):

● Aanname: intensiteit is een functie van de dichtheid!

● Verband:


Fundamenteel diagram


LWR: oplossingen en variaties

● Didactisch leerrijk: kan ‘grafisch’ opgelost worden.

● Ook nauwkeurige numerieke benaderingen mogelijk.● Variaties: multi-klassen, konijnen en slakken, …



Het fundamenteel diagram

● Dateert van Greenshields (1935):


Niet druk (snel)

Wel druk (traag)


Het fundamenteel diagram

● Theorie versus praktijk:


#voertuigen/kilometer

#voe

rtui

gen/

uur


Capaciteitsval

● Verschillende theorieën, invalshoeken, …



Microscopische stroommodellen

● Beschrijven expliciet de interacties van voertuigen in een verkeersstroom (lijkt realistischer).

● Weinig aggregatie, hoog detailniveau.

● Submicroscopische stroommodellen omvatten fysieke karakteristieken zoals motorperformantie, schakelen, ... en menselijke beslissingen (niet-strategisch).


tussenruimte

volger voorligger(s)

(n) (n – 1)

Voertuig-volg model

• Stimulus-response.• Optimale snelheid.• Psycho-fysieke afstand.• Cellulaire automaten.• Wachtrij-theorie.


Microscopische stroommodellen

● Beschrijven expliciet de interacties van voertuigen in een verkeersstroom (lijkt realistischer).

● Weinig aggregatie, hoog detailniveau.

● Submicroscopische stroommodellen omvatten fysieke karakteristieken zoals motorperformantie, schakelen, ... en menselijke beslissingen (niet-strategisch).


Voertuig-volg model

• Stimulus-response.• Optimale snelheid.• Psycho-fysieke afstand.• Cellulaire automaten.• Wachtrij-theorie.

Rijstrook-keuze model

• Gap-acceptance.• Verplichte versus gewenste verandering van rijstrook.


Overzicht







Theorie van cellulaire automaten

● Cellen in een discrete ruimte (bv. 2D vlak):

● De buren van cellen (von Neumann versus Moore):



Theorie van cellulaire automaten

● De lokale overgangsregel:



De geschiedenis van CA

● 1948:– von Neumann over zelf-reproductie.– Ulam introduceert “cellulaire ruimtes”.

● 1952:– Turing spreekt over morfogenese.

● 1970:– John Conway’s “Game of Life”.



De geschiedenis van CA

● 1983:– Wolfram’s “A New Kind of Science”.

● 1967-1990:– Zuse en Fredkin stellen dat het heelal een CA is.



Verkeer modelleren met cellulaire automaten (TCA)

● Conversie van continue naar discrete tijd/ruimte:



Cellulaire automaten voor verkeer

● Snellere (maar ruwere) versie van microscopische modellen.


tijd

t

stroomopwaarts stroomafwaarts

ruimte (e.g., rooster van cellen)

Δt

Voertuig-volg submodel = verzameling van lokale overgangsregels

v = 3 v = 1

t + 1s

x(t + 1) = x(t) + v(t + 1)





tijd

t



Δt


v = 4 v = 1

t + 1s

v = 2

x(t + 1) = x(t) + v(t + 1)





tijd

t



Δt


v = 4 v = 1

t + 1s

v = 2v = 3

x(t + 1) = x(t) + v(t + 1)


Voorstelling van files in een cellulaire automaat

● Bv. voertuigen rijden rond in een cirkel:


tijd-ruimte diagram!

trajectorie


Wolfram’s regel CA-184

● Eenvoudig, 8 mogelijke overgangen:

● Tijd-ruimte diagrammen:


niet druk

lichtjes druk

heel druk filegolf


Varianten van cellulaire automaten


Nagel-Schreckenberg model

Velocity-dependent randomisation model

Knospe’s model met remlichten

spontane files!


Complexiteit van de regels: een TCA met remlichten


● Willekeurig afremmen: randomisatie.● ‘Slow-to-start’ gedrag: capaciteitsval.● Anticipatie effecten: stabilisatie van vlot verkeer.

menselijk gedrag


Een blik op het fundamenteel diagram ‘in’ een TCA


Helbing-Schreckenberg

Kerner-Klenov-Wolf

Knospe et al. (‘brake-lights’)


Meer rijstroken en stedelijk verkeer

● ‘Multi-lane traffic’:– Verplichte versus gewenste verandering van rijstrook.– Cultuur: ‘keep-your-lane’ versus verplicht rechts rijden.– Fenomenen: snelheidsverschillen, dichtheidsinversies, …– Zelfde rijrichting versus bidirectioneel verkeer.– Opletten voor “ping-pong traffic”!

● Stedelijk verkeer:– Klassiek Biham, Middleton en Levine (BML) model.

– Expliciete intersecties, rotondes, …



Transportplanning met TCA modellen

● TRANSIMS:– TRansportation ANalysis SIMulation System.– Activiteiten- en agent-gebaseerd.

● MATSim:– Multi-Agent Traffic Simulation.– Activiteiten- en agent-gebaseerd.– Nog sneller: wachtrijmodellen.– Eindige buffers!



Overzicht







Computersimulaties van verkeer

● Wat je ook doet of zegt...... het zijn maar modellen van de realiteit.

– “Reality is just another model.”

– Elk heeft zijn beperkingen en reproduceert wat we hen voeden.– Opletten bij interpretatie door beleidsmakers.

● De beschikbare commerciële pakketten zijn transportplanningsmodellen, hoofdzakelijk gebaseerd op vier-stapsmodellen.

● Schaalgrootte: lokaal, netwerk, landelijk, grootschalig.



Oog voor detailHoe ontstaan files?Transport- en verkeersmodelleringCellulaire automaten voor verkeerComputersimulaties en studiesVerkeersmanagement


Macroscopische effecten met OmniTRANS

● Relocatie ISVAG verbrandingsoven.● Sluiting van de R1 ring rond Antwerpen (Meccano

BAM tracé).



Microscopische effecten met Paramics

● Ontsluiting Carrefour Korbeek-Lo + Herstal.● Tunnel aan Waterloolaan Brussel.● Masterplan Antwerpen (Moerelei).



Visualisaties van metingen: kruispunttellingen

● Inleiding● Modellen van verkeersstromen● Verzamelen van verkeersgegevens● Regelen van verkeersstromen● Modellen en studies


D

Q

E

0 27 47 58 60

(lichtenregelingen)

(afslagbewegingen)


Studies op basis van verkeersmetingen

● Verkeersindices voor Belgische autosnelwegen.● Analyse van de congestie in België.● Impact van maximumsnelheid op snelwegen.● Hoelang sta je tijdens je loopbaan in de file?



Validatie CFVD (GSM)

● Tijdens een gesprek worden de overgangen tussen de zeshoekige cellen bijgehouden.


overgang

BTS

BTS

BTS

BTS

GSM probe

reistijd

weg

bestemming

herkomst

segmenten

BTS

BTS

BTS

BTS


Betere methode: GPS

● GPS-probe voertuigen (e.g., vrachtwagens van transportbedrijven, verzekeringsmaatschappijen, ...).

● NASA GPS (24 satellieten) / Europa (ESA) Galileo.



Gebruik van de nieuwe generatie van mobiele data

● Opkomst van ‘klassieke’ floating-car data (FCD).– GSM is redelijk ‘out’, GPS is meer dan in!– Vaak nog problemen met schatting van verkeersvolumes. Fusie met beschikbare metingen van bv. Verkeerscentrum.

● Verder kijken dan louter (X-)FCD:– Bv. mobiliteitspatronen afleiden uit bluetooth-scanners,

smartphones, …) OLYMPUS proeftuin elektrische voertuigen.



Koppeling van rijgedrag aan de verzekeringssector

● Analyse van bv. versnellingen en rijdersgedrag, het nemen van risico’s en veiligheidsinformatie, …

● Win-win voor zowel de verzekeraar als de verzekerde:– Oorzaak van ongevallen.– Risico’s vermijden.– Gepersonaliseerde feedback.



Een blik op snelheidsovertredingen

● Gedetailleerde snelheidsmetingen kunnen op bepaalde plaatsen aan snelheidsbeperkingen gekoppeld worden.

● Voorrang van rechts, volgafstanden, interacties, …



Zicht krijgen op verplaatsingspatronen

● Onderzoek naar de verplaatsingen van grote en/of specifieke groepen voertuigen op specifieke tijden:– Herkomst-bestemmingsmatrices.– Informatie over ritten en ketens.– Opstellen van rit- en bestuurdersprofielen.



SUSTAPARK: duurzaam parkeren met een TCA model

● Doelstelling: simuleer de effecten van veranderingen in de parkeersituatie en het parkeerbeleid van een stad.(Verander het aantal parkeerplaatsen, de prijs en duurtijd van openbaar parkeren, bovengronds en ondergronds parkeren,

…)

● Hoofdonderdelen:– Modelleren van de parkeervraag.– Modelleren van het zoekgedrag.– Modelleren van een economisch evenwicht.



Een gericht parkeerbeleid en parkeerinformatie

● Een goed parkeer/-prijsbeleid creëert kansen voor meer doorstroming in steden.

● Wenslijstje:– Statische dynamische parkeerinformatie.– Integratie met on-board PND.– Reservaties van parkeerplaatsen in garages.

● We kunnen nog verder gaan, bv. voorspelling van de parkeerplaatsen langs de straatkant.



Naar een slimme kilometerheffing

● Proeftuin (Leuven):– Gebruikers pasten hun gedrag aan.– Minder congestie, verhoogde leefbaarheid.– Stuurde beleid en vice versa.



Potentieel van elektrische voertuigen

● Welke ritten kunnen door een elektrisch voertuig vervangen worden? – Gebaseerd op het gebruik van het voertuig (patronen).– Ritafstand (~ bereik) vs. tijd tussen ritten (~ opladen).


Verschillende invalshoeken:• Marktpotentieel.• Voertuigbezit.


Types van gegevens en databanken

● OBUs (GPS posities, snelheden, versnellingen, …).● CAN-bus gegevens (voertuigprestaties, motor- en

transmissiebeheer, besturing, …).● Werknemersprofielen (thuislocaties, werkuren,

klantenlocaties, werk-gerelateerde ritten, leasing contracten, gebruik van parkeerplaatsen, …).

● Openbaar vervoer (haltes, tijdstabellen, …).● Private en publieke parkeerplaatsen.● Verkeersstromen, kruispuntlichtenregelingen, …● Weersinformatie, …● Wegincidenten en ongevalsstatistieken, …● Verzekeringsgegevens, contracten, …



Andere soorten verkeers- en mobiliteitsgegevens

● Verkeersvraag schatten (e.g., HB matrices).● Groei van de verkeersvraag.● Keuze van vervoerswijze (modal choice).● Personen- en vrachtvervoer.● Tijdswaardering (value of time, VOT).● Voertuigvloot (+ afschrijvingen en vernieuwingen).● (Voorziene) beleidsmaatregelenen.● Brandstofverbruik.● Inkomensverdeling.● Welvaart.● Rijgedrag.● ...



Model op Europees niveau: TREMOVE

● Doelstelling: doorrekenen van de effecten van beleidsmaatregelen (transport en milieu) op de emissies in de transportsector.

● Het model schat:– De transportvraag en keuze van vervoerswijze.– De voertuigvloot (samenstelling, vernieuwing en afschrijving).– Emissies van luchtpolluenten.– Welvaartseffecten.

● Het behandelt personen- en vrachttransport, in 31 landen van 1995 tot en met 2030.

● Voorbeelden van studies:– Emissies van wegverkeer in België.– Analyse van rekeningrijden voor vrachtwagens in Vlaanderen.– Analyse van de economische effecten van een snelheidsbeperking van 80 km/u

voor vrachtwagens op Belgische autosnelwegen.



TREMOVE weegt door op het beleid



Overzicht







Verkeersmanagement to the rescue!

● Wat willen we bereiken?– De bereikbaarheid verbeteren.– Vraag en aanbod beter op elkaar afstemmen.– In ruimte en tijd (bv. knelpunten tijdens spitsperiodes).– De reistijdverliezen beperken.

● Hoe bereiken we dit?– Via een heel palet aan maatregelen.

● Maar: dit is geen opzichzelfstaande oplossing!– Beleid omtrent ruimtelijke ordening.– We leggen hier de nadruk op wegverkeer voor personen,

maar vergeet niet het goederenvervoer, spoor, binnenwateren en lucht.



Wat verstaan we onder verkeersmanagement?

● Reizigers die hun vertrektijdstip aanpassen (vroeger vertrekken, later toekomen, de reis niet maken, …).

Flexibele uren, thuiswerk: kan niet altijd, JIT, ploegen, ...

● Rekeningrijden (slimme kilometerheffingen, tolcordons, …).

● Beheren van parkings, dynamisch autodelen als car pooling, …

● Spitsstroken, openbaar vervoer gebruikt speciale rijstroken.

● Detectie van mist, sneeuw, zware regenval, …



Wat verstaan we onder verkeersmanagement?

● Advanced Traffic Management Systems (ATMS):– Intelligente Transport Systemen (ITS).– Automatische incident detectie.– Intelligente verkeerslichten.– Dynamische route informatie panelen (DRIPs).– Dynamische snelheidslimieten.– Toeritdosering.

● Advanced Traffic Information Systems (ATIS):– Radioberichtgeving, navigatietoestellen, parkeerinformatie, …



0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Working days Saturdays Sundays

Integratie met het openbaar vervoer

● Oa.: nadenken of vrije busbanen wel gepast zijn.● Decreet basismobiliteit… ja, maar hoe passend?

● Multi-modaliteit? Co-modaliteit!



Efficiënter en sneller incidentmanagement

● Niet enkel naar de autosnelwegen kijken.● Procesoptimalisatie (detectie, begeleiding,

hulpverlening).



Intelligente afstemming van verkeerslichten

● Doel: kruispunten op elkaar afstellen, verkeer op de hoofdas vlotter laten stromen, minder uitstoot van schadelijke gassen in “canyons” (bv. Wetstraat).

● Leuke dingen voor hoog rendement:– Groene golven voor doorstroming op prioritaire routes.– Aanduidingen van resterende rood-/groentijden.


Nederland: GGTBelgië: 3 personen.


Dynamische snelheids-beperkingen op DRIPs/…


90 70 50 70 100

stroomopwaarts bewegende schokgolf


Dynamische snelheids-beperkingen op DRIPs/…

● Nu vaak standaardalgoritme in regellogica.– Gevaarlijke situaties aan bv. Craeybeckxtunnel (E19): 3u ‘s

nachts… 50 km/u. Soms idem aan Kennedytunnel.– Het kan echt beter!– Cfr. KUL studie: +8 tot 15%.



Witte verf!

● Sommige dingen zijn onvoorstelbaar…


40% 60%

(Bron: KUL et al., 2009)

R1 richting E19 (CW):

• 20 km file/dag.• Ongevallen.


Coördinatie en begeleiding van wegenwerken

● Treffen van “Minder Hinder” maatregelen.● Betere coördinatie en conforme signalisatie.● Ook hier is er mogelijkheid tot meer intelligentie!



Historische patronen zijn essentieel om te weten

● Achtergrond● Algemeen kader● Opportuniteiten voor Vlaanderen● Conclusies


Ochtend:• Zware files rond Vilvoorde en Strombeek-Bever.

• Trager verkeer rond aansluiting met E19 en E40.

Avond:• Zware files aan het Vierarmen- kruispunt, Tervuren en Wezembeek-Oppem.

ochtendfile

avondfile


Pleidooi voor vrijmaking en gebruik van verkeersgegevens

● Samenwerking tussen de overheid en de privésector intensifiëren.

● De ITS RE-USE directive stelt: minimum beschikbaar maken van bepaalde informatie uit de publieke sector.

● Vb.: openbaar maken van verkeersgegevens van het Verkeerscentrum Vlaanderen (+ modeltransparantie).

● Het is een misvatting te stellen dat ruwe data per se verkocht moet worden:– Beter is om de data vrij te maken.– De privésector kan deze data verrijken en zo meer waarde

geven (bv. data warehouse data clearing house).– Men kan op basis van deze data diensten betaald

aanbieden.– Netto win-win effect: maatschappij en privé vaart er bij.



Conclusies verkeersmanagement

● Er is een gans scala aan mogelijkheden om aan intelligent dynamisch verkeersmanagement te doen.– Wat als oplossing niet vanuit de overheid komt, zie je vaak via

de privésector opduiken.– Laat de overheid en het bedrijfsleven de handen in elkaar

slaan.

● Er zijn meer dan voldoende beste praktijken en succesvolle gevallenstudies beschikbaar.

● Overheid zou meer kunnen investeren in de opzet en uitbating van proeftuinen (bv. via IWT/IBBT).



Conclusies verkeersmanagement

● De ‘technische kant’ van verkeersmanagement alleen volstaat niet.

● Er bestaat ook zoiets als “het onderliggend wegennet”!

● Beleidsmatig de juiste keuzes maken:– Beleid omtrent ruimtelijke ordening afstemmen (concentreren

versus spreiden).– Een samenhangend regionaal robuust, hiërarchisch en

multimodaal wegennet voor de structuur van Vlaanderen.– Subsidiëring openbaar vervoer in vraag stellen.– Laat massa-investeringen in de aankoop van elektrische

voertuigen achterwege.



Meer informatie?

● ”Modelling Traffic on Motorways”– http://traffic-overview.maerivoet.org/– [email protected]– +32 (16) 31.77.33

● Transport & Mobility Leuven:– http://www.tmleuven.be/

● Data Enrichment Group:– http://www.tmleuven.be/expertise/deg/

http://traffic-overview.maerivoet.org/

http://traffic-overview.maerivoet.org/

mailto:[email protected]

http://www.tmleuven.be/

http://www.tmleuven.be/expertise/deg/

http://www.tmleuven.be/index.htm

Verkeerskunde in een notendop

Education

Transcript of Verkeerskunde in een notendop