Analisi di una rete stradale con il software VISUM

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1 Paolo Martinis Preone, Università degli Studi di Trieste Facoltà di Ingegneria Corso di Pianificazione dei Trasporti Prof. Giovanni Longo Anno Accademico Analisi di una rete stradale con il software VISUM

2 Indice IL SOFTWARE 3 Modello di domanda 3 Modello di rete 3 Procedure di assegnazione 5 Analisi grafica della rete 8 OBIETTIVI E VINCOLI 9 OPERAZIONI PRELIMINARI 9 Area di studio 9 Zonizzazione 9 Infrastrutture rilevanti 10 SITUAZIONE ATTUALE 10 MODELLAZIONE 11 Modello di rete 11 Modello di domanda 11 Assegnazione 12 OSSERVAZIONI 12 CONCLUSIONI 13 Paolo Martinis - VISUM 2

3 Il software Il software VISUM della PTV Vision Ag è uno dei software di Pianificazione dei Trasporti in commercio più usati. Il programma incorpora un modello di domanda, un modello di rete e un modello di assegnazione, è interamente sviluppato in ambiente Windows ed ha funzioni assimilabili a quelle di un GIS per quanto riguarda l'archiviazione, la gestione e la rappresentazione delle diverse banche dati. Modello di domanda La domanda di trasporto viene rappresentata tramite matrici origine/destinazione in relazione alla zonizzazione adottata. Il modello consente di definire e trattare simultaneamente più segmenti di domanda sia per il trasporto individuale (veicoli leggeri e pesanti, abilitati e non abilitati a percorrere porzioni di rete, ) che per il trasporto collettivo (studenti, lavoratori, abbonati e non, ). Per il trasporto collettivo è anche possibile definire una legge di distribuzione temporale delle partenze in modo da simulare il comportamento effettivo dell utenza. Le matrici o/d possono essere sommate tra loro, moltiplicate per un fattore o manipolate graficamente direttamente dalla rappresentazione della zonizzazione, fondendo o dividendo zone di traffico. La rappresentazione della domanda di trasporto è resa disponibile in termini di indicatori areali, numerici, o di linee di desiderio. Modello di rete VISUM consente la modellazione di una rete plurimodale attraverso la rappresentazione sia del trasporto individuale (TPr) che del trasporto collettivo (TPb). La combinazione del modo e dei mezzi di trasporto permette al progettista di definire vari sistemi di trasporto. La velocità dei veicoli nei sistemi di trasporto individuale è influenzata dalla capacità della rete, mentre i veicoli del trasporto pubblico possono operare anche in accordo agli orari. Il modello di rete contiene gli elementi riportati nella tabella a pagina seguente: Paolo Martinis - VISUM 3

4 I nodi sono descritti dal numero, dal nome, da un eventuale codice, dal tipo e dalle coordinate. Un arco del grafo è rappresentabile tramite una polilinea in modo da riprodurre l effettivo andamento planimetrico dell asse dell infrastruttura. Ogni arco è definito mediante: - il numero identificativo dell'arco; - il tipo di arco; - i sistemi di trasporto abilitati; - la lunghezza; - la capacità o la velocità libera per il trasporto privato; - il tempo di corsa per il trasporto pubblico. Paolo Martinis - VISUM 4

5 Per i sistemi di trasporto privato vengono definite le penalità di svolta e le capacità delle svolte stesse. Dal tipo degli archi (classifica funzionale) che si incontrano e dalla geometria dell intersezione VISUM può determinare automaticamente: - le regole di precedenza tra le strade che convergono nel nodo intersezione; - il tipo di manovre di svolta: a destra, diritto, a sinistra, inversione ad U. Questa funzionalità rende agevole la definizione delle penalità di svolta anche per reti molto estese. Procedure di assegnazione Le procedure di assegnazione permettono di calcolare: - i volumi di traffico su nodi, archi e linee di trasporto pubblico; - gli indicatori che descrivono la qualità del servizio tra zone di traffico. Per uno spostamento nella rete: gli utenti del trasporto individuale scelgono un itinerario con l obiettivo di minimizzare il proprio costo generalizzato di trasporto; gli utenti del trasporto collettivo scelgono non solo un itinerario, ma anche l ora di partenza tra gli orari disponibili e gli eventuali punti di trasbordo, cioè un collegamento tra le varie linee. VISUM offre varie procedure di assegnazione per il trasporto privato e pubblico, che differiscono per l input di dati richiesto e per il tempo di calcolo necessario. Per l assegnazione del TRASPORTO INDIVIDUALE VISUM dispone di tre procedure base: incrementale, all equilibrio, ad apprendimento stocastico. Tutte le procedure sono applicabili sia ad assegnazioni semplici che multiclasse, ossia relative a più segmenti di domanda (veicoli leggeri e pesanti, ). La procedura di ASSEGNAZIONE INCREMENTALE simula il caricamento graduale della rete, assegnando la matrice o/d sulla rete in modo incrementale. Per prima cosa vengono determinati i migliori percorsi, per ogni relazione o/d, sulla rete scarica ed è assegnata una parte della matrice. Sono poi calcolate, mediante le funzioni di costo, le impedenze di rete risultanti dai volumi già assegnati. Il passo successivo dell assegnazione è basato sui risultati di quello precedente. Ad ogni passo, aumentando il numero di veicoli nella rete, aumenta l impedenza degli archi, delle manovre di svolta e delle connessioni: nel passo successivo potranno perciò trovarsi nuovi percorsi più brevi per ogni relazione o/d. La procedura continua finché tutta la matrice non risulta assegnata. La procedura di ASSEGNAZIONE ALL EQUILIBRIO segue il principio di ottimo per l utente (1 Principio di Wardrop): Ogni singolo utente sceglie il suo itinerario in modo che la durata dello spostamento su tutti gli itinerari alternativi risulti uguale, ed ogni altro itinerario percorso aumenterebbe il tempo di percorrenza individuale (comportamento ottimo per l utente). Per tutte le relazioni (dalla zona i alla zona j) tutti gli itinerari alternativi trovati nell assegnazione avranno lo stesso valore (basato sul tempo di spostamento e/o costo generalizzato) e non esiste nessun itinerario alternativo con minore tempo di spostamento e/o minor costo. Ciò significa che nessun veicolo può cambiare il suo itinerario senza un incremento del suo tempo di spostamento o del relativo costo. Lo stato di equilibrio viene calcolato in una iterazione multi-stadio. L assegnazione incrementale come specificata nei parametri di assegnazione è utilizzata come soluzione iniziale. In un passo interno parziale si mettono in equilibrio due a due i percorsi di una relazione tramite il trasferimento di veicoli da un percorso all altro. Questi passi parziali di iterazione vengono eseguiti per tutte le relazioni fino a che esse Paolo Martinis - VISUM 5

6 non sono in equilibrio. Successivamente VISUM controlla se ci sono nuovi percorsi nella rete corrente con minori tempi di spostamento. Se questa verifica risulta positiva anche per una sola relazione, deve essere ricalcolato un nuovo equilibrio della rete. L equilibrio della rete viene raggiunto quando il trasferimento dei veicoli da un itinerario all altro non produce ottimizzazioni e quando non viene trovato nessun nuovo itinerario con tempi di spostamento più brevi. La procedura all equilibrio determina un ottimo per l utente, che è diverso da un ottimo di sistema: un ottimo per l utente significa che risulta la stessa impedenza per tutti gli itinerari di una relazione, mentre un ottimo di sistema significa che il prodotto tra le impedenze dei vari itinerari e il volume sugli stessi itinerari è minimizzato per tutte le relazioni di traffico. Il tempo di calcolo per la procedura all equilibrio dipende dallo stato della rete di traffico: se infatti la rete è fortemente congestionata, ad ogni passo di iterazione vengono trovati nuovi itinerari. La PROCEDURA DI APPRENDIMENTO simula il processo di apprendimento degli utenti della rete basato su un assegnazione "tutto o niente : gli automobilisti fanno uso delle informazioni ottenute durante i loro precedenti viaggi per la nuova ricerca di itinerario. Diversi percorsi più brevi sono ottenuti in un processo iterativo secondo il quale per la ricerca del itinerario l impedenza è dedotta dall impedenza del volume corrente e dall impedenza stimata precedentemente. Oltre a ciò, molti altri fattori possono influenzare la scelta dell itinerario. Si può immaginare, per esempio, che gli utenti che conoscono le strade sceglieranno percorsi diversi rispetto a coloro che non conoscono l area, che si orientano principalmente sulle strade più importanti della rete. Possiamo riassumere le tre procedure appena descritte con i seguenti diagrammi: Paolo Martinis - VISUM 6

7 Tutte le procedure di assegnazione sono basate su un algoritmo per la ricerca degli itinerari ottimi (a seconda del criterio scelto: tempo su rete scarica, su rete carica, costo generalizzato, ). Ogni itinerario viene calcolato minimizzando una funzione di costo. I tempi di percorrenza sugli elementi della rete vengono calcolati mediante delle funzioni di ritardo. In VISUM sono disponibili quattro formulazioni per le funzioni di ritardo, la più importante delle quali è la funzione usata dal manuale americano della capacità stradale "Highway Capacity Manual": Paolo Martinis - VISUM 7

8 Per l assegnazione del TRASPORTO COLLETTIVO VISUM dispone di diverse procedure di assegnazione: l assegnazione basata sui sistemi di trasporto (tutto o niente), indicata per studi preliminari e per il primo step di dimensionamento di una rete di trasporto collettivo; l assegnazione basata sulle linee (a frequenza) che garantisce buoni risultati di assegnazione per aree urbane con reti congestionate e con brevi distanziamenti tra i passaggi dei mezzi; questa procedura assicura tempi di calcolo veloci presumendo che il tempo dei trasbordi tra linee dipenda dalla frequenza della linea successiva; l assegnazione basata sugli orari è il metodo più appropriato per l'assegnazione del trasporto pubblico extraurbano, dove il coordinamento degli orari è importante per la qualità del servizio e influenza fortemente il comportamento degli utenti in fase di scelta. In sostanza la scelta del collegamento tra la zona di origine e la zona di destinazione, e quindi del modo e della corsa, tiene conto dell orario. Nell assegnazione viene considerato non solo il tempo percepito di viaggio ma, volendo, anche l orario desiderato di partenza (viene impiegata una funzione di utilità temporale del collegamento offerto rispetto all orario desiderato di partenza). Abbiamo così una funzione dipendente da: 1. l orario di partenza desiderato dai passeggeri, che è descritto dal modello di generazione dei passeggeri; 2. la differenza di tempo, DT, fra l orario di partenza offerto e quello desiderato; 3. la tolleranza verso la differenza DT sopra definita (sensibilità verso differenti partenze possibili). VISUM è in grado di gestire il calcolo della RIPARTIZIONE MODALE e quindi computare le matrici di domanda stimando la diversione modale derivante da modifiche intervenute nel sottosistema di offerta e di domanda. Attraverso l assegnazione delle matrici o/d alla rete di trasporto plurimodale nella configurazione attuale ed in quella di progetto si ottengono una serie di indicatori che sintetizzano il funzionamento sistema nei due scenari. Tali indicatori, pesati in funzione dell'elasticità della domanda (disponibilità ad effettuare spostamenti pedonali, disponibilità ai trasbordi, disponibilità a cambiare modo di trasporto, ecc ), vengono impiegati in un modello del tipo LOGIT multinomiale. Analisi grafica della rete VISUM visualizza i passeggeri trasportati e altri indicatori in vari modi: attraverso barre di volume sugli archi che rappresentano i volumi di traffico, il numero di corse, la capacità del sistema, i passeggeri trasportati, il numero di posti a sedere disponibili, il tempo di viaggio, la velocità commerciale, ; attraverso istogrammi o diagrammi a torta ai nodi e ai centroidi di zona che rappresentano i valori di grandezze implementate o calcolate, come ad esempio il numero dei passeggeri del trasporto pubblico in transito, che salgono, che scendono e che trasbordano; attraverso flussi ai nodi che visualizzano il volume di traffico o dei passeggeri del trasporto pubblico in transito. Paolo Martinis - VISUM 8

9 Obiettivi e vincoli L obiettivo dello studio è quello di analizzare la situazione attuale del trasporto privato nel territorio del Comune di Duino-Aurisina. Saranno oggetto dello studio i soli spostamenti tra diversi agglomerati urbani che si esplicano con mezzi privati attraverso le sole strade extraurbane. Operazioni Preliminari Area di studio L area di studio consiste nell intero territorio del Comune di Duino-Aurisina: Zonizzazione La zonizzazione è stata condotta in funzione di un ampia indagine o/d realizzata congiuntamente dalla Provincia di Trieste, dal Comune di Trieste e dal Dipartimento di Ingegneria Civile dell'università degli Studi di Trieste in un arco temporale di 3 mesi a partire dal settembre Vista la dimensione ridotta delle zone oggetto di tale indagine, ai fini dello studio si è scelto di fonderle nelle 19 macrozone di figura: Paolo Martinis - VISUM 9

10 Infrastrutture rilevanti Coerentemente con gli obiettivi dell analisi, consideriamo le sole infrastrutture stradali che collegano i diversi agglomerati urbani. Esse saranno: l autostrada senza pedaggio A4 Torino-Trieste ; la strada statale 14 Costiera, dove vige il divieto di transito per i mezzi pesanti; la strada provinciale del Carso ; le strade secondarie che collegano gli abitati di Duino e di Aurisina alle frazioni. Situazione attuale Consideriamo la sola indagine o/d che abbiamo come dato del problema: la matrice a disposizione è la seguente: Zone o d Flusso Zone o d Flusso Paolo Martinis - VISUM 10

11 Modellazione Modello di rete In riferimento alla zonizzazione ed alla selezione delle infrastrutture rilevanti adottate, è stato costruito il modello di rete di cui all allegato A, dove sono riportate anche le connessioni tra i centroidi ed i nodi del trasporto privato. Sono stati definiti vari tipi di arco in riferimento alle diverse caratteristiche delle strade, quali numero di corsie, capacità, velocità di progetto minime e massime, Da questi dati il software ha calcolato le capacità dei singoli rami, che è possibile visualizzare nella tavola sottostante al fine di confrontarne poi i valori con i risultati delle assegnazioni: Per quanto riguarda i nodi, invece, le penalità per le manovre di svolta sono state calcolate automaticamente dal software a partire dalle caratteristiche degli archi. Modello di domanda La matrice o/d a disposizione è stata caricata nel software lasciando unitario il fattore moltiplicativo. Non si sono considerati quindi i cambiamenti degli spostamenti nel lungo periodo, in quanto l obiettivo era quello di avere una valutazione dei flussi sui rami allo stato attuale. Per eventuali analisi di progetto successive se ne dovrà tenere conto. A titolo puramente esemplificativo delle capacità grafiche del programma si riporta nella pagina seguente la tavola relativa ai flussi tra i centroidi delle varie zone, in quanto la lettura è resa piuttosto difficile dalla posizione delle zone. Paolo Martinis - VISUM 11

12 Assegnazione L analisi è stata condotta mediante tutte e tre le procedure di assegnazione disponibili nel software, ossia incrementale, all equilibrio e di apprendimento, lasciando inalterate le impostazioni di default. I risultati dell analisi sono riportati negli allegati B, C e D. Osservazioni Le assegnazioni di tipo incrementale ed all equilibrio portano ad un identica configurazione dei flussi sulla rete. I rami più caricati risultano essere: - la strada statale 14 nel tratto da Duino (zona 6625, nodo 4) a Sistiana (zona 6630, nodo 9); - la strada statale 14 nel tratto da Santa Croce (zona 6639, nodo 42) a Sistiana (zona 6630, nodo 9); - la strada provinciale del Carso nel tratto di attraversamento dell abitato di Aurisina in direzione di Trieste (nodi 12-13). Nel complesso i rami statali e provinciali risultano più caricati dei rami autostradali, probabilmente a causa della presenza di una sola immissione autostradale nei pressi di Sistiana. Le strade secondarie sono generalmente poco caricate, ad eccezione del tratto da Santa Croce (nodo 14) al bivio per Sales o Samatorza (nodo 32). Il nodo 9 (Sistiana, bivio di scelta tra strada statale e provinciale) risulta molto caricato, in quanto si hanno veicoli per ogni ramo dell intersezione. L assegnazione di apprendimento porta a flussi diversi da quelli relativi alle altre due assegnazioni, con differenze comunque contenute nell ordine delle 15 unità: la configurazione generale degli spostamenti risulta essere la stessa. Paolo Martinis - VISUM 12

13 Conclusioni Dall analisi della configurazione degli spostamenti risulta che tutti i rami sono ben lontani dalla saturazione. Gli unici problemi che si possono evidenziare sono: - il sovraccarico del bivio di Sistiana; - il traffico ingente nell arco secondario tra i nodi 14 e 32, che non ha la precedenza sul ramo Per il primo problema si dovrà valutare se l intersezione, nella sua configurazione attuale, garantisce un adeguato smaltimento dei flussi di traffico. Per quanto riguarda il secondo problema, andrà eventualmente effettuata un indagine integrativa di rilievo dei flussi in una sezione stradale dell arco 14-32, in quanto è possibile che la modellazione sia in tal caso poco aderente alla realtà. I nodi 30 e 35, collegati entrambi con il 32, sono infatti connessi con zone esterne all area di studio, delle quali non si ha una precisa informazione spaziale. Inoltre, considerando le sole infrastrutture dell area di studio, è probabile che l utente minimizzi il proprio costo generalizzato proseguendo lungo la strada provinciale del Carso per raggiungere i paesi dell altipiano mediante bretelle di collegamento poste più ad est. Per avvallare quest ultima ipotesi basterà effettuare un rilievo dei flussi anche in una sezione dell arco Paolo Martinis - VISUM 13