Simulazione statica e dinamica dei sistemi di trasporto

A. A. 2016-2017 Simulazione statica e dinamica dei sistemi di trasporto prof. ing. Antonio Comi Department of Enterprise Engineering University of Rome Tor Vergata

I sistemi di trasporto Sono costituiti da elementi fisici e organizzativi che interagiscono tra loro per produrre opportunità di trasporto dalla domanda di mobilità che utilizza tali opportunità. La domanda di mobilità, a sua volta, è il risultato delle interazioni tra le varie attività sociali ed economiche localizzate in una determinata area.

I sistemi di trasporto I modelli matematici I modelli matematici per i sistemi di trasporto simulano: i flussi di domanda, le prestazioni dell offerta, le loro interazioni, i principali effetti sul mondo esterno per un sistema di trasporto reale o ipotetico. I modelli matematici e tutti i metodi sono, quindi, strumenti fondamentali per la valutazione e/o la progettazione di azioni che riguardano gli elementi fisici (ad es. una nuova linea ferroviaria) e/o organizzativi (un nuovo orario).

Definizione di sistema di trasporto Un sistema di trasporto può essere definito come quell insieme di componenti e di loro interazioni che determinano la domanda di spostamenti fra punti diversi del territorio e l offerta di servizi di trasporto per il soddisfacimento di tale domanda. SISTEMA DI ANALISI Insieme degli elementi ritenuti rilevanti per il problema in esame con le loro relazioni AMBIENTE ESTERNO Se ne tiene conto unicamente attraverso le sue relazioni con il sistema di analisi

Relazioni tra il sistema dei trasporti ed il sistema delle attività OFFERTA INFRASTRUTTURE E SERVIZI DI TRASPORTO CARATTERISTICHE DEI SERVIZI DI TRASPORTO CAPACITA' DEGLI ELEMENTI DI OFFERTA ACCESSIBILITA' - attiva - passiva CONGESTIONE LIVELLO E LOCALIZZAZIONE DELLE ATTIVITA ECONOMICHE FLUSSI SULLE RETI MODALI NUMERO E LOCALIZZAZIONE DELLE FAMIGLIE PER TIPOLOGIA RIPARTIZIONE DELLA DOMANDA PER MODO DI TRASPORTO DISPONIBILITA' DI SUPERFICI PER ZONA E TIPOLOGIA SISTEMA DELLE ATTIVITA' Cascetta (2006) LIVELLO E DISTRIBUZIONE SPAZIALE DELLA DOMANDA DI MOBILITA (MATRICI O/D) PER MOTIVO DOMANDA SISTEMA DI TRASPORTO

Identificazione del sistema di trasporto di analisi Definizione dell ambito territoriale, delle componenti e delle reciproche relazioni che compongono il sistema complessivo del quale si intende analizzare e simulare il funzionamento Inner zone of Rome

Identificazione del sistema di trasporto di analisi Fasi Principali Delimitazione spaziale del sistema di studio e del livello di disaggregazione di riferimento 1. Delimitazione dell area di studio; 2. Suddivisione dell area in zone di traffico (zonizzazione)

Delimitazione dell area di studio Definizione dell area geografica all interno della quale si trova il sistema di trasporto sul quale si intende intervenire (sistema di progetto) e nella quale si ritiene si esauriscano la maggior parte degli effetti degli interventi progettati. CORDONE: confine dell area di studio AMBIENTE ESTERNO: ciò che si trova al di fuori dell ideale cordone che racchiude l area di studio. Dell ambiente esterno interessano esclusivamente le interconnessioni con il sistema di progetto. cordone ambiente esterno area di studio 8

Identificazione del sistema di trasporto di analisi Fasi Principali Delimitazione spaziale del sistema di studio e del livello di disaggregazione di riferimento 1. Delimitazione dell area di studio; 2. Suddivisione dell area in zone di traffico (zonizzazione)

Identificazione del sistema di trasporto di analisi Fasi Principali Delimitazione spaziale del sistema di studio e del livello di disaggregazione di riferimento 1. Delimitazione dell area di studio; 2. Suddivisione dell area in zone di traffico (zonizzazione)

Zonizzazione (1/2) Ipotesi di discretizzazione dello spazio (zonizzazione) Il territorio fisico sul quale si espletano la domanda e l offerta di trasporto si assume suddiviso in unità discrete (zone di traffico) alle quali sono riferite tutte le grandezze relative a quella porzione di territorio. Si assume inoltre che i punti di partenza ed arrivo di tutti gli spostamenti che interessano una zona siano concentrati in un unico punto fittizio detto centroide di zona. 11

Zonizzazione (2/2) ZONA DI TRAFFICO: porzione di territorio con caratteristiche omogenee rispetto alle attività, all accessibilità, alle infrastrutture ed ai servizi di trasporto. CENTROIDE: punto del territorio rappresentativo del baricentro delle masse degli spostamenti di origine e destinazione di una zona di 9 traffico: Centroidi interni Centroidi interni Cordone Centroidi di cordone Centroidi esterni Centroidi esterni 8 1 2 3 4 5 6 10 7 area di studio 12

Criteri per la zonizzazione La zonizzazione è strettamente collegata alla fase successiva di estrazione degli elementi di offerta rilevanti Le zone di traffico sono spesso ottenute come aggregazioni di unità territoriali amministrative per disporre di dati socio-economici del sistema di attività I separatori fisici del territorio vengono di solito utilizzati come confini di zona perché implicano diverse condizioni di accessibilità. I confini delle zone tendono ad aggregare porzioni di territorio omogenee sotto i profilo territoriale socio-economico e trasportistico È adottabile un diverso dettaglio di zonizzazione per diverse parti dell area di studio in funzione della diversa precisione con cui si vuole simulare una parte del sistema. 13

Esempio di zonizzazione (1/4) cordone ambiente esterno area di studio 14

Esempio di zonizzazione (2/4) Zonizzazione dell Europa NUTS unità territoriali per la statistica 15

Esempio di zonizzazione (3/4) La zonizzazione del modello della regione Campania (SMR) 16

Esempio di zonizzazione (5/4) La zonizzazione del modello di Napoli 17

Identificazione del sistema di trasporto di analisi Fasi Principali Identificazione del sistema di offerta e di domanda 1. Selezione (estrazione) delle infrastrutture e/o dei servizi di trasporto rilevanti per il problema in esame (rete di base); 2. Definizione delle componenti della domanda di mobilità rilevanti.

Estrazione delle infrastrutture e dei servizi rilevanti (rete di base) Le infrastrutture e/o i servizi di trasporto che svolgono una funzione rilevante di collegamento fra le diverse zone in cui si è suddivisa l area di studio e fra queste e le zone esterne (rete di base). Di solito si rappresenta graficamente evidenziando le infrastrutture sulle quali avvengono i servizi di trasporto estratti e le principali caratteristiche funzionali necessarie per costruire il modello matematico dell offerta di trasporto. La rete di base dipende: dalle finalità per le quali si costruisce il modello dalla zonizzazione dai modi di trasporto considerati: sistema mono-modale, sistema multi-modale 19

Rete di base Criteri Sistemi Stradali si evidenzieranno i tronchi principali sui quali si ipotizza si realizzano la maggior parte degli spostamenti tra le zone di traffico considerate. Sistemi di Trasporto Collettivo le infrastrutture (ferrovie, strade) sulle quali si svolgono i servizi di trasporto in esame 20

Esempio della rete di base per una porzione di area urbana 21

Esempio della rete di base ferroviaria 22

Struttura del sistema di modelli per la simulazione dei sistemi di trasporto OFFERTA DI INFRASTRUTTURE E SERVIZI DI TRASPORTO MODELLO DI LOCALIZZAZIONE E LIVELLO DELLE ATTIVITÀ SISTEMA DELLE ATTIVITÀ MODELLO DI OFFERTA Reti di trasporto Attributi di livello di servizio (tempi, costi) MODELLO DI DOMANDA Flussi sugli elementi di offerta MODELLI DI CARICO DELLA RETE MATRICI O/D Impatti esterni MODELLO DEL SISTEMA DI TRASPORTO fonte: Cascetta (2006)

Struttura del sistema di modelli per la simulazione dei sistemi di trasporto OFFERTA DI INFRASTRUTTURE E SERVIZI DI TRASPORTO MODELLO DI LOCALIZZAZIONE E LIVELLO DELLE ATTIVITÀ SISTEMI DELLE ATTIVITÀ MODELLO DI OFFERTA Reti di trasporto Attributi di livello di servizio (tempi, costi) MODELLO DI DOMANDA Flussi MODELLI DI ASSEGNAZIONE MATRICI O/D Funzioni di prestazione Valutazione effetti MODELLO DEL SISTEMA DI TRASPORTO 24

La domanda di mobilità Spostamento è l atto di recarsi da un luogo (origine) ad un altro (destinazione), anche usando più mezzi o modi di trasporto, per svolgervi una o più attività. Domanda di trasporto: l aggregazione dei singoli spostamenti che hanno luogo nell area di studio e nel periodo di riferimento. Flusso di domanda di trasporto: il numero di utenti con determinate caratteristiche che consuma il servizio offerto da un sistema di trasporto in un periodo di tempo prefissato ovvero come un flusso di spostamenti. 25

Caratteristiche della domanda di mobilità La domanda di mobilità si caratterizza essenzialmente in base a: elementi spaziali (matrici OD) elementi temporali modo di trasporto motivo dello spostamento caratteristiche degli utenti 26

Le matrici Origine-Destinazione (1/3) Matrici Origine-Destinazione (O-D) sono matrici che hanno un numero di righe e di colonne pari al numero di zone, il cui generico elemento d od fornisce il numero degli spostamenti che hanno origine nella zona o e destinazione nella zona d nel periodo di riferimento considerato (flusso O-D). Gli elementi di una matrice O-D possono essere classificati in relazione al tipo di zona di origine e destinazione: Spostamenti interni Spostamenti di scambio Spostamenti di attraversamento O/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 spostamenti di 2 scambio 3 interno-esterno 4 5 6 7 8 spostamenti di scambio spostamenti di 9 esterno-interno attraversamento 10 = spostamenti intrazonali 27

Le matrici Origine-Destinazione Spostamenti interni: l origine e la destinazione sono zone interne all area di studio. Spostamenti di scambio: l origine e la destinazione sono una all interno e l altra all esterno dell area di studio. Spostamenti di attraversamento: l origine e la destinazione sono entrambe esterne, ma impegnano l area di studio (2/3) Centroidi esterni 8 1 2 9 3 4 2 5 area di studio Cordone 6 7 10 O/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 spostamenti di scambio 3 interno-esterno 4 5 6 7 8 spostamenti di scambio spostamenti di 9 esterno-interno attraversamento 10 = spostamentintrazonali 28

Le matrici Origine-Destinazione (3/3) Aggregazioni degli elementi della matrice O-D Flusso emesso o generato della zona o Flusso attratto dalla zona d Numero totale di spostamenti O/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d. d d o od d... d od d o d d o d od 29

Caratterizzazione temporale della domanda di mobilità Periodo di riferimento: l ampiezza necessaria per analizzare e simulare la domanda dipende, ancora una volta, dallo scopo dell analisi. Ad esempio: nella progettazione di un una intersezione semaforizzata: ora di punta o sue frazioni nella valutazione economica e finanziaria di un intervento sul sistema di trasporto: vita tecnica dell intervento. Ipotesi di base: la domanda di trasporto è costante per periodi di tempo sufficientemente ampi da consentire al sistema di raggiungere un regime stazionario, durante il quale le caratteristiche rilevanti, quali i flussi di traffico, e le condizioni di funzionamento del sistema di offerta siano costanti, almeno in valore medio, ed indipendenti dal particolare istante in cui vengono misurati. 30

Caratterizzazione temporale della domanda di mobilità SPOSTAMENTI TOTALI FLUSSO TOTALE DI SPOSTAMENTI NEL CAMPIONE (spost/h) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 FASCIA ORARIA TOTALE 31

Esempi di caratterizzazione temporale della domanda La dinamica temporale della domanda può essere studiata su tre orizzonti temporali: a) variazioni di lungo periodo o trend: sono le variazioni di livello globale e/o di struttura che si evidenziano totalizzando la domanda su un numero consistente di periodi di riferimento. 190 TRAFFICO MERCI 180 TRAFFICO PASSEGGERI 180 170 170 160 160 tonnkm 150 140 130 120 110 paxkm 150 140 130 100 120 90 80 110 1970 1972 1974 1976 1978 1980 ANNO 1982 1984 1986 100 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 STRADE CONDOTTE ANNO NAVIGAZIONE INTERNA FERROVIE AUTO PRIVATA AUTOBUS FERROVIA 32

Esempi di caratterizzazione temporale della domanda b) variazioni cicliche (stagionali); sono variazioni della domanda che si ripetono ciclicamente su un certo numero di intervalli di riferimento (periodo del ciclo) (dinamica intraperiodale). SPOSTAMENTI DI ANDATA SPOSTAMENTI DI RITORNO 12% 500 10% 450 PERCENTUALE SUL TOTALE DEGLI SPOSTAMENTI GIORNALIERI PER MOTIVO 10% 8% 6% 4% 2% 450 400 350 300 250 200 150 100 50 FLUSSO TOTALE DI SPOSTAMENTI NEL CAMPIONE (spost/h) PERCENTUALE SUL TOTALE DEGLI SPOSTAMENTI GIORNALIERI PER MOTIVO 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 400 350 300 250 200 150 100 50 FLUSSO TOTALE DI SPOSTAMENTI NEL CAMPIONE (spost/h) 0% 0 0% 0 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 FASCIA ORARIA FASCIA ORARIA C-L C-S C-AM TOTALE L-C S-C AM-C TOTALE c) variazione interperiodali; sono le variazioni della domanda fra intervalli di riferimento di identiche caratteristiche (dinamica interperiodale). 33

Altri elementi di caratterizzazione della domanda di mobilità modo di trasporto Auto; Bus; Metropolitana; Treno; Piedi; motivo dello spostamento Casa-Lavoro; Casa-Studio; Svago; caratteristiche degli utenti Possesso patente; n. di auto in famiglia; orario desiderato di partenza e/o arrivo;... 34