Avaliação do desempenho operacional de rotundas: modelos e aplicações

Abstract

Ao longo das três últimas décadas, as rotundas têm vindo a substituir as interseções prioritárias em muitos países, assegurando elevados níveis de aceitação. As condições de funcionamento de uma rotunda em termos de capacidade, segurança e emissões dependem da sua tipologia, das suas características geométricas e dos níveis de procura, importando dispor de modelos de avaliação operacional que apoiem os projetistas nos processos de seleção e conceção geométrica das soluções mais adequadas. Esta tese, desenvolvida em três fases, contribui para potenciar o desempenho e aplicabilidade desses modelos. A primeira fase incidiu nos modelos de capacidades baseados na teoria de gap-acceptance. O trabalho foi desenvolvido utilizando uma base de dados reais, recolhidos em seis rotundas portuguesas, e teve como objetivo otimizar a aplicabilidade do modelo generalizado de Hagring. Foi proposto um novo método de estimação dos parâmetros da distribuição estatística Cowan M3 a partir de uma distribuição empírica de intervalos entre veículos prioritários, com base no qual se obteve uma expressão de parametrização que depende apenas dos fluxos conflituantes. De seguida, analisaram-se diferentes métodos de estimação de intervalos críticos e complementares, obtiveram-se parâmetros calibrados para as condições portuguesas e efetuou-se uma comparação com valores de referência de outros países. Verificou-se que a fórmula de capacidades resultante possui uma elevada capacidade explicativa e produz estimativas que se ajustam muito bem às capacidades observadas. Finalmente, propôs-se uma nova metodologia de estimação de intervalos críticos para movimentos de atravessamento e de inserção em rotundas. O modelo proposto descreve o processo de gap-acceptance a nível microscópico, considerando as características da unidade veículo-condutor e a geometria da manobra. Tendo por referência resultados obtidos com modelos convencionais de estimação, concluiu-se que a nova abordagem é promissora, requerendo contudo o desenvolvimento de um submodelo de previsão de margens de segurança para maximizar o seu potencial. A segunda fase centrou-se no estudo dos modelos de microssimulação de tráfego tendo em vista a sua aplicação mais eficiente à análise do desempenho de rotundas nas suas mais variadas tipologias. Desenvolveu-se em primeiro lugar uma metodologia híbrida de calibração do modelo de microssimulação Aimsun, em que os parâmetros envolvidos no submodelo de car-following de Gipps são estimados com base em dados macroscópicos e os restantes parâmetros são estimados através de um processo de otimização, assente num algoritmo genético. Verificou-se que os parâmetros resultantes da estimação macroscópica são robustos, o que permite a sua aplicação em novas localizações apenas com ajustamentos pontuais. De seguida, avaliou-se as condições de aplicabilidade da metodologia de análise de segurança SSAM (Surrogate Safety Assessment Model). O trabalho consistiu na validação desse modelo através de dois métodos distintos: o primeiro compara o número de conflitos simulados pelo SSAM com o número de acidentes previstos por modelos clássicos de previsão de acidentes, em interseções virtuais; o segundo compara os conflitos reais observados em interseções reais com os conflitos previstos pelo SSAM, decorrentes de um modelo de simulação. Concluiu-se que o SSAM replica satisfatoriamente o padrão de conflitos reais e é uma ferramenta útil na previsão dos níveis de segurança de novas instalações. Na terceira fase avaliou-se o potencial de desempenho das turbo-rotundas relativamente às rotundas convencionais de duas vias de circulação. Este trabalho foi desenvolvido em duas partes. Na primeira, baseada na teoria clássica de gap-acceptance, procedeu-se à identificação precisa e detalhada do domínio preferencial de aplicabilidade das turbo-rotundas, em função dos níveis de procura e tendo em vista a componente de capacidade. Verificou-se que a turbo-rotunda oferece mais capacidade apenas sob casos muito particulares de procura, nomeadamente quando a proporção de tráfego de viragem à direita é muito grande. Na segunda, analisou-se o caso concreto de conversão da rotunda do Choupal, em Coimbra, numa rotunda de duas vias, e posteriormente em turbo-rotunda, considerando as componentes de capacidades/demoras, segurança/conforto e emissões atmosféricas, para diferentes cenários de procura. A análise foi suportada por um modelo de microssimulação Aimsun. Verificou-se que, relativamente à solução atual, ambas as propostas garantem o aumento da reserva de capacidade e a diminuição das emissões, tendo a turbo-rotunda a vantagem de manter os níveis de segurança atuais.

Over the past three decades, roundabouts have gained increased popular and political acceptance and are now used worldwide. Since the operating conditions of a roundabout in terms of capacity, safety and atmospheric emissions depend on its typology, geometric characteristics and demand levels, it is important to have operational assessment models that can help planners to select and design the most appropriate solutions. This thesis is organized in three stages, and aims at improving the performance and applicability of those models. The first stage focused on gap-acceptance capacity models. The work was based on a database of real traffic data collected at six roundabouts in Portugal and aims to optimize the applicability of Hagring’s generalized model. A new method to estimate the parameters of Cowan’s M3 headway distribution from an empirical distribution was proposed, from which a new parameterization method was derived that depends only on the opposing flow. After this, the work addressed the behavioral acceptance parameters - the critical headway and the follow-up. Several methods were compared and used to obtain calibrated values for Portuguese conditions, which were then compared with reference values from other countries. It was confirmed that the resulting capacity formula has a very good explanatory power and yields estimates very close to the field data. Finally, a new methodology to estimate the critical headways for merging and crossing movements at roundabouts was presented. This model describes the gap-acceptance process at microscopic level, taking into account vehicle-driver characteristics and the maneuver geometry. Taking the results obtained from classic estimation methods as reference, the new method seems promising. Nevertheless, in order to fully exploit its potential a sub-model that estimates the safety margins associated with each maneuver must be developed. The second stage addressed the study of microscopic simulation models with a view to applying them more efficiently to the assessment of roundabouts operations. In the first part, a new calibration procedure of the Aimsun model was presented. This procedure involves calibrating the model in two steps: first, the parameters related to the Gipps car-following model, particularly to the steady-state conditions, are estimated using macroscopic data; second, the other parameters are estimated following an optimization procedure based on a genetic algorithm. The resulting parameters are robust, that is, they can be applied in different locations with only minor corrections. The second part addressed the applicability conditions of the Surrogate Safety Assessment Model (SSAM). The work consisted of validating the SSAM using two distinct methods. The first compares the number of conflicts predicted by SSAM with the number of accidents predicted by classic accident prediction models, at virtual intersections. The second compares the real conflicts observed at real intersections with the conflicts predicted by SSAM linked to a simulation model. SSAM was found to satisfactorily replicate the pattern of real conflicts and can be considered a useful tool to predict the safety levels of new facilities. In the third stage, the research focused on the assessment of turbo-roundabouts as an alternative to conventional two-lane roundabouts. This work was done in two parts. First, based on gap-acceptance capacity models, the capacity of the two layouts was compared for a wide range of demand scenarios, using synthetic data. It has been shown that only under very specific demand scenarios that are uncommon in real-world networks and associated with very high percentages of right-turning entry traffic, can a standard turbo-roundabout be expected to provide more capacity than the equivalent two-lane roundabout. The second part addressed the specific case of converting the single-lane Choupal roundabout, in Coimbra, into a two-lane roundabout and then into a turbo-roundabout, following an integrated analysis that accounts for the capacity/delays, safety and atmospheric emissions. This analysis was based on an Aimsun microscopic model. It was concluded that, in comparison with the exiting solution, both multilane layouts would increase the spare capacity and decrease the emissions, with advantage for the turbo-roundabout for generally maintaining the existing safety conditions.