Simulación de tráfico

Los métodos de simulación en el transporte pueden emplear diversas teorías, entre las que se incluyen la probabilidad y la estadística, las ecuaciones diferenciales y los métodos numéricos.

• método de Monte Carlo

Uno de los primeros modelos de simulación de eventos discretos es la simulación de Monte Carlo , donde se utiliza una serie de números aleatorios para sintetizar las condiciones del tráfico. ^{[ 5 ]}

• Modelo de autómatas celulares

A continuación, se presentó el modelo de autómatas celulares , que genera aleatoriedad a partir de reglas deterministas.

• Simulación de eventos discretos y de tiempo continuo

Los métodos más recientes utilizan simulación de eventos discretos o simulación de tiempo continuo . Los modelos de simulación de eventos discretos son tanto estocásticos (con componentes aleatorios) como dinámicos (el tiempo es una variable). Por ejemplo , las colas de un solo servidor se pueden modelar muy bien mediante simulación de eventos discretos, ya que los servidores suelen estar en una sola ubicación y, por lo tanto, son discretos (por ejemplo, semáforos ). La simulación de tiempo continuo, por otro lado, puede solucionar la limitación de la simulación de eventos discretos cuando se requiere que el modelo tenga trayectorias de entrada, estado y salida dentro de un intervalo de tiempo. El método requiere el uso de ecuaciones diferenciales , específicamente métodos de integración numérica. ^{[ 6 ]} Estas ecuaciones pueden abarcar desde métodos simples, como el método de Euler , hasta métodos de series de Taylor de orden superior , como el método de Heun y Runge-Kutta . ^{[ 7 ]}

• Modelos de seguimiento de automóviles

Una clase de modelos microscópicos de tiempo continuo, conocidos como modelos de seguimiento de vehículos , también se basan en ecuaciones diferenciales. Entre los modelos más importantes se encuentran el modelo de Pipes, el modelo de conductor inteligente y el modelo de Gipps . Estos modelos simulan el comportamiento de cada vehículo ("microscópico") para analizar sus implicaciones en todo el sistema de tráfico ("macroscópico"). El uso de un método numérico con un modelo de seguimiento de vehículos (como el de Gipps con el de Heun) puede generar información importante sobre las condiciones del tráfico, como retrasos en el sistema e identificación de cuellos de botella.

Los métodos mencionados anteriormente se utilizan generalmente para modelar el comportamiento de un sistema existente y suelen centrarse en áreas de interés específicas bajo diversas condiciones (como cambios en el trazado, cierres de carriles y distintos niveles de flujo de tráfico). La planificación y la previsión del transporte permiten comprender mejor la demanda de tráfico en una amplia zona geográfica y predecir los niveles de tráfico futuros en diferentes tramos de la red, incorporando distintos escenarios de crecimiento y mecanismos de retroalimentación para considerar el efecto de la congestión en la distribución de los viajes.

El transporte terrestre, tanto de pasajeros como de mercancías, es quizás el área donde la simulación se utiliza con mayor frecuencia. La simulación puede realizarse a nivel de corredor o a nivel de red vial más compleja para analizar la planificación, el diseño y las operaciones, como los retrasos, la contaminación y la congestión. Los modelos de transporte terrestre pueden incluir todos los modos de circulación, incluidos vehículos, camiones, autobuses, bicicletas y peatones. En los modelos tradicionales de tráfico vial, se suele utilizar una representación agregada del tráfico, donde todos los vehículos de un grupo determinado obedecen las mismas reglas de comportamiento; en la microsimulación, se incluye el comportamiento del conductor y el rendimiento de la red para poder examinar problemas de tráfico completos (por ejemplo, sistemas de transporte inteligentes , ondas de choque). ^{[ 9 ]}

El ferrocarril es un medio de transporte importante tanto para mercancías como para pasajeros. La modelización de las vías férreas para el transporte de mercancías es fundamental para determinar la eficiencia operativa y racionalizar las decisiones de planificación. ^{[ 10 ]} La simulación de transporte de mercancías puede incluir aspectos como carriles exclusivos para camiones, flujo de mercancías, capacidad del corredor y del sistema, asignación de tráfico/flujo de la red y planes de transporte que implican la previsión de la demanda de viajes. ^{[ 11 ]}

El transporte marítimo y el aéreo representan dos áreas importantes para la economía. La simulación marítima incluye principalmente el modelado de terminales de contenedores , que se ocupa de la logística de la manipulación de contenedores para mejorar la eficiencia del sistema. La simulación del transporte aéreo implica principalmente el modelado de las operaciones de la terminal del aeropuerto (manejo de equipaje, control de seguridad) y las operaciones en pista .

Además de simular modos de transporte individuales, suele ser más importante simular una red multimodal , ya que en la realidad los modos están integrados y presentan complejidades que cada modo individual puede pasar por alto. La simulación de redes intermodales también permite comprender mejor el impacto de una red determinada desde una perspectiva integral, lo que permite representar con mayor precisión dicho impacto y, por ende, comprender las implicaciones políticas relevantes. Un ejemplo de simulador intermodal es Commuter, desarrollado por Azalient, que introduce la elección dinámica de ruta y modo de transporte por parte de los agentes durante la simulación. Este tipo de modelado se denomina nanosimulación, ya que considera la demanda y los desplazamientos con mayor detalle que la microsimulación tradicional.

La simulación en el transporte también puede integrarse con la simulación del entorno urbano , donde se simula una gran área urbana que incluye redes viales, para comprender mejor el uso del suelo y otras implicaciones de planificación de la red de tráfico en el entorno urbano.

Los resultados de un modelo de microsimulación difieren de los del Manual de Capacidad de Carreteras (HCM) de la Unión Estadounidense. Por ejemplo, la mayoría de los procedimientos del HCM asumen que el funcionamiento de una intersección no se verá afectado por las condiciones de una vía adyacente (con la excepción de las autopistas HCS 2000). La acumulación de vehículos y las largas colas que se producen en una ubicación interfieren con otra contradicen esta suposición.

El HCM 2010 proporciona directrices revisadas sobre qué tipos de resultados del software de simulación de tráfico son los más adecuados para su análisis y comparación con el HCM; por ejemplo, las trayectorias de los vehículos y los datos brutos de los detectores de bucle.

En el HCM, el retraso se utiliza para estimar el nivel de servicio (LOS) para las intersecciones. Sin embargo, existen diferencias importantes entre la forma en que los programas de microsimulación y el HCM definen el retraso. El HCM basa su retraso en el flujo ajustado utilizando el retraso de control promedio para el período de 15 minutos más alto dentro de la hora. La distinción entre retraso total y retraso de control es importante. El retraso de control ocurre cuando un control de señal hace que un grupo disminuya la velocidad o se detenga. Es importante consultar la documentación del software para comprender cómo calcula el retraso. Para utilizar los resultados de la microsimulación para encontrar el LOS, el retraso debe acumularse en intervalos de 15 minutos y promediarse en varias ejecuciones con diferentes semillas aleatorias. Debido a que el HCM utiliza el flujo ajustado, otra forma de comparar el retraso es dividir el volumen pico de 15 minutos de la entrada de la simulación por el factor de hora pico (PHF) para aumentar el volumen de la simulación.

HCM 2000 define una cola como una fila de vehículos, bicicletas o personas que esperan ser atendidas por el sistema, donde el flujo desde el frente de la cola determina la velocidad promedio dentro de la misma. Los vehículos o personas que se mueven lentamente y se unen al final de la cola generalmente se consideran parte de la misma. Estas definiciones son algo relativas y pueden ser ambiguas. En la mayoría de los programas de microsimulación, la longitud de la cola no puede exceder la capacidad de almacenamiento para esa bahía de giro o carril. Los desbordamientos hacia el enlace adyacente o fuera de la red generalmente no se tienen en cuenta, aunque esto puede afectar los resultados. (Si este es el caso, una solución alternativa puede ser ignorar temporalmente esos efectos y extender la red o el área de almacenamiento para el enlace para incluir la longitud máxima de la cola). ^{[ 14 ]}