Fondamenti di Trasporti Analisi dell`offerta di trasporto
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Fondamenti di Trasporti Analisi dell`offerta di trasporto
Cartography Oakway W estA ve. Campus E astA ve. Central Park City Hall 74 Maple Blvd. Highway Main Street Street Traffic light Lezione: C Corso di di: Fondamenti di Trasporti Analisi dell’offerta di trasporto Corso di Laurea Ingegneria Civile AA 0910 One-way Analisi dell’offerta di trasporto Giuseppe Inturri Università di Catania Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale 2 Analisi dell’offerta di trasporto 4 Il modello di offerta • Il modello di offerta è un modello matematico che simula ggli aspetti p rilevanti del funzionamento di un sistema di trasporto – aspetti topologici (relazioni spaziali) – aspetti funzionali (relazioni quantitative) – aspetti prestazionali (performance) • Il modello di offerta si costruisce dopo le fasi di individuazione dell’area di studio, zonizzazione ed estrazione della rete di base. Analisi dell’offerta di trasporto 5 Il modello di offerta • I modelli matematici dei sistemi di offerta di trasporto p utilizzano da un lato la teoria dei grafi e delle reti per rappresentare la struttura topologica e funzionale del sistema e dall’altro i risultati di diverse discipline d ll’i dell’ingegneria i per descrivere d i l «prestazioni» le t i i e le l interazioni i t i i degli d li elementi che lo compongono. – lla meccanica i della d ll locomozione l i viene i utilizzata tili t per descrivere d i il moto t di un veicolo i l isolato su una data infrastruttura – l’ingegneria l ingegneria del traffico per analizzare le relazioni fra le infrastrutture fisiche, fisiche con le loro caratteristiche, ed il flusso di veicoli che le impegna. Analisi dell’offerta di trasporto 6 rete reale e rappresentazione con il grafo Real Network Analisi dell’offerta di trasporto Graph Representation 7 Grafi • Un grafo G è costituito da una coppia ordinata di insiemi – un insieme N di elementi, detti nodi – un insieme i i L di coppie i di nodi di appartenenti t ti add N, N dette d tt archi hi o ramii G = (N,L). Analisi dell’offerta di trasporto 8 Grafi • I ggrafi costituiscono un ppotente strumento di rappresentazione pp che ppuò essere impiegato per descrivere realtà (sistemi) molto diverse. • Il ggrafo costituisce una rappresentazione pp esclusivamente «topologica», p g , ovvero consente unicamente di sapere se fra due qualunque elementi del sistema esiste la relazione che definisce gli archi, ma nessuna informazione quantitativa è associata a tale relazione. Analisi dell’offerta di trasporto 9 Questi grafi sono uguali Analisi dell’offerta di trasporto 10 Grafi • Le coppie pp di nodi ppossono essere ordinate,, cioè la coppia pp ((i,j) ,j) è diversa dalla coppia (j,i), nel qual caso l’arco (i,j) si dice orientato o direzionale, oppure le coppie possono essere non ordinate e quindi gli archi non orientati. i t ti • La rappresentazione più immediata è quella grafica, nella quale i nodi sono individuati con un cerchietto contrassegnato da un numero e gli archi da segmenti che connettono le varie coppie di nodi costituenti l’insieme L. Ogni arco orientato possiede una freccia che indica il verso di orientamento. • Le rappresentazioni numeriche di un grafo possono essere matriciali o vettoriali. Analisi dell’offerta di trasporto 1 Grafi 5 2 • • 11 4 3 La matrice di adiacenza ha un numero di righe e di colonne pari al numero dei nodi. LL’elemento elemento della matrice individuato dalla riga i e dalla colonna i è uguale ad 1 se la coppia di nodi (i,j) fa parte dell’insieme L, è uguale a 0 altrimenti. Nella matrice di incidenza nodi-archi ogni riga corrisponde ad un nodo, ogni colonna ad un arco. LL’elemento elemento ij della matrice è uguale a zero se il nodo ii-esimo esimo non appartiene all all’arco arco corrispondente alla colonna j, è uguale a 1 se è il nodo iniziale dell’arco orientato (cioè il primo elemento della coppia ordinata di nodi), è uguale a — 1 se è il nodo finale. Matrice di adiacenza 1 2 3 4 1 2 3 4 5 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 5 0 1 1 0 0 1 2 3 4 5 Matrice di incidenza nodi-archi 1-4 2-1 2-3 2-5 3-5 4-3 5-1 1 -1 0 0 0 0 -1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 -1 0 1 -1 0 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 -1 0 1 Analisi dell’offerta di trasporto 5-3 0 0 -1 0 1 5-4 0 0 0 -1 1 12 Grafi • In un ggrafo si definisce cammino,, ppercorso o itinerario una sequenza q di archi, nella quale il nodo finale di ciascun arco coincide con il nodo iniziale del successivo. • Per esempio la sequenza (5,1), (1,4), (4,3), è un percorso. • Un percorso si dice circuito o loop se il nodo finale del percorso coincide con quello iniziale. • Per esempio ll’itinerario itinerario (5,1), (5 1) (1,4), (1 4) (4,3), (4 3) (3,5) (3 5) è un circuito • Un grafo in cui ciascun nodo è collegato mediante un arco a ciascun altro nodo si dice completo. completo 4 1 5 3 2 Analisi dell’offerta di trasporto 13 Grafi completi 4 1 5 3 2 Analisi dell’offerta di trasporto 14 Grafi • I ggrafi impiegati p g pper rappresentare pp sistemi di trasporto p sono ggeneralmente non completi. • Un ggrafo si dice connesso se ciascun nodo è origine g di almeno un itinerario che ha come estremo un qualsiasi altro nodo del grafo. • Un grafo (in cui non è presente alcun circuito) nel quale esiste un solo itinerario che collega un nodo i con ciascun altro nodo si dice albero di radice i. Un albero è un esempio di grafo non connesso in quanto non esistono percorsi che collegano i diversi nodi con la radice. Analisi dell’offerta di trasporto 15 Alberi di radice 2 1 4 5 2 1 3 4 1 5 5 2 3 1 4 2 3 1 4 5 5 2 2 4 3 Analisi dell’offerta di trasporto 3 16 Grafo con percorsi possibili fra i centroidi Nelle reti di trasporto sono rilevanti solamente i percorsi che collegano coppie di nodi nei quali iniziano e terminano degli spostamenti; tali nodi, vengono denominati centroidi. Per un dato grafo, con un numero prefissato di nodi centroidi è possibile elencare tutti i possibili centroidi, percorsi che connettono i nodi centroidi 1 4 1 2 3 4 5 2 3 1 4 1 4 5 2 Percorsi 1-4 4-3 3-5 1-2 2-5 1 2 2-3 1-2 2 3 3-5 35 5-1 3 1 5 2 3 1 4 5 2 4 5 3 Analisi dell’offerta di trasporto 2 3 17 Matrice di incidenza archi-percorsi • La matrice di incidenza archi-percorsi A ha tante righe quanti sono gli archi del grafo e tante colonne quanti gli itinerari: aij vale 1 se l’arco i fa parte dell’itinerario j,j zero ero altrimenti • La matrice di incidenza coppie di nodi-percorsi B, ha tante righe quante t le l coppie i di nodi di e tante t t colonne l quantiti i percorsi:i bij vale l 1 se l’itinerario j collega la coppia i (cioè ha come nodi di estremità la iesima coppia, coppia zero altrimenti). altrimenti) Matrice di incidenza Archi-Percorsi 1 2 3 1-2 0 1 1 1-4 1 0 0 2-1 0 0 0 2-3 0 0 1 25 2-5 0 1 0 3-5 1 0 1 4-3 1 0 0 5-1 0 0 0 5-3 0 0 0 5-4 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Analisi dell’offerta di trasporto 1 4 5 2 3 18 Dal grafo alla rete • Un g grafo diventa rete di trasporto p qquando ad ogni g ramo è associata una caratteristica quantitativa. • La caratteristica qquantitativa ppuò essere – costante, ad es. tempo di percorrenza di una tratta ferroviaria – o funzione u o e ddi uunaa se seriee ddi pa parametri, a et , es es. te tempo po ddi pe percorrenza co e a ddi uun ramo a o st stradale ada e dipendente dal flusso di traffico. 35 tempo (minuti) 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 traffico (veicoli/ora) Analisi dell’offerta di trasporto 1400 1600 1800 2000 19 Esempio di grafo di una rete di trasporto stradale • I nodi rappresentano pp ppunti fisici del territorio e pprecisamente sono situati in corrispondenza di intersezioni tra diverse strade o in corrispondenza di strozzature su una stessa strada. • Gli archi orientati rappresentano i collegamenti tra questi diversi punti, cioè tratti di strada con caratteristiche geometriche, funzionali e prestazionali omogenee. Analisi dell’offerta di trasporto 20 Esempio di grafo di una rete di trasporto stradale • Una strada a doppio senso di marcia è rappresentata con due archi, rappresentativi pp ciascuno del pproprio p senso di marcia. • Un tratto di strada tra due intersezioni a senso unico è rappresentata con un solo arco, secondo il verso di percorrenza. Analisi dell’offerta di trasporto 21 Esempio di grafo stradale urbano Analisi dell’offerta di trasporto 22 Analisi dell’offerta di trasporto 23 Grafo intersezione stradale e grafo ferroviario nazionale Analisi dell’offerta di trasporto 25 Indice di utilizzabilità di una rete 3n 2 r 3n 2 n r numero massimo di rami nodi archi hi indice di connettività A C Analisi dell’offerta di trasporto B D r 3(n-2) Gamma A 4 9 0.44 B 6 9 0.66 C 8 9 0.88 D 9 9 1.0 26 Elementi reali ed elementi fittizi • I nodi rappresentativi di intersezioni sono detti nodi reali, per distinguerli dai nodi centroidi; gli archi rappresentativi di tratti di strada sono detti anche archi reali. • I nodi di realili sono numeratiti progressivamente i t a partire ti da d numerii successivi i i a quelli utilizzati per i centroidi. • I nodi centroidi sono collegati alla rete di trasporto tramite archi fittizi, fittizi detti archi connettori, rappresentativi degli spostamenti che avvengono per raggiungere gg g la rete di base,, a ppartire dal luogo g reale di origine g dello spostamento, utilizzando una viabilità locale non rappresentata sul grafo. Analisi dell’offerta di trasporto 27 Esempio di modello di offerta per una rete di trasporto privato Analisi dell’offerta di trasporto 28 Grafo di una rete di trasporto collettivo • Un modello di offerta di un sistema di trasporto collettivo (su ferro o su gomma) rappresenta le diverse fasi dello spostamento: – Accesso al sistema (pedonale o altro modo) – Attesa Att alla ll fermata/stazione f t / t i – Viaggio a bordo del veicolo – Uscita dal sistema • Rispetto al caso stradale dobbiamo usare più tipologie di archi e nodi. Analisi dell’offerta di trasporto 29 Grafo di una rete di trasporto collettivo • Tipologie di archi • Tipologie di nodi – Connettori – Centroidi – Pedonali – Pedonali – Di salita – Fermata – Di discesa – Di linea – Di linea li Analisi dell’offerta di trasporto 30 Grafo di una rete di trasporto collettivo • In generale in uno spostamento su un sistema di trasporto collettivo il modello prevede che l’utente percorra i seguenti archi: Arco connettore ►Dal centroide di origine ad un nodo pedonale Archi pedonali ►Fino a raggiungere un nodo fermata A di salita Arco lit ►Dal D l nodo d fermata f t all nodo d di linea li Archi di linea ►Spostamento a bordo del veicolo Arco di discesa ►Dal Dal nodo di linea corrispondente alla fermata Archi pedonali ►Fino a giungere al nodo pedonale collegato al centroide Arco connettore ►Fino al nodo centroide di destinazione Analisi dell’offerta di trasporto 31 Grafo di una rete di trasporto collettivo Analisi dell’offerta di trasporto 33 Costo generalizzato di trasporto • Ad ogni g arco di un ggrafo che rappresenta pp un sistema di trasporto p è attribuita una caratteristica quantitativa. • Tale caratteristica ppuò rappresentare pp il costo g generalizzato sostenuto dall’utente per percorrere quell’arco, o una aliquota dello stesso costo (ad esempio il solo tempo di percorrenza). • Il costo generalizzato medio di trasporto, o più sinteticamente il costo di trasporto di un arco, è una variabile che sintetizza il valore medio delle diverse voci di costo sopportate dagli utenti così come da loro percepite nella effettuazione delle scelte di trasporto e, più in particolare, nella scelta del percorso. percorso Analisi dell’offerta di trasporto 34 Costo generalizzato di trasporto • In altri termini il costo di trasporto di un arco riflette la disutilità degli utenti a percorrere l’arco l’ stesso t ( tt (attraversare l’ l l’elemento t fisico fi i e/o / svolgere l l’ tti ità l’attività rappresentata dall’arco). • Gli elementi che compongono il costo di trasporto sono in generale grandezze non omogenee, per esempio – tempo t di percorrenza, – costo monetario, – discomfort, di f t – ….. Analisi dell’offerta di trasporto 35 Costo di un arco • Costo di arco ca = β1 ta + β2 cma con: – ca costo generalizzato di trasporto relativo all all’arco arco a – ta tempo di attraversamento relativo all’arco a – cma costo t monetario t i (ad ( d esempio i il pedaggio) d i ) relativo l ti all’arco ll’ a – β1 e β2 coefficienti reciproca sostituzione Analisi dell’offerta di trasporto 36 Funzioni di costo • Tale caratteristica può essere: – Una costante; in questo caso si parla di costo dell dell’arco; arco; • • • • – Una funzione del numero di utenti sull’arco; in questo caso si parla di funzione di costo dell’arco. Gli archi cui è attribuito un costo indipendente dal flusso di utenti sono detti non congestionati. Gli archi con funzione di costo, costo quindi con costo dipendente dal flusso, flusso sono detti congestionati. Le reti che hanno alcuni o tutti i rami congestionati, si chiamano reti congestionate. I generale: In l – le reti di trasporto stradale individuale sono rappresentate da modelli di offerta con reti congestionate (il tempo di percorrenza su un arco stradale dipende dal flusso di veicoli che lo percorre) – le reti di trasporto ferroviario e stradale collettivo sono rappresentati da modelli di offerta con reti non congestionate (si assume, nella maggior parte dei casi, che il tempo di percorrenza su un arco di un sistema di trasporto collettivo sia indipendente dal numero di utenti che lo percorre) Analisi dell’offerta di trasporto 37 Funzioni di costo per il trasporto stradale Reti di trasporto privato • Si assume che il costo associato ad un arco sia pari solo al tempo impiegato per percorrerlo. • Per gli archi connettori si assume che tale tempo (ta) sia indipendente dal flusso di autoveicoli (archi non congestionati) e pari al rapporto tra lunghezza dell’arco La ed una velocità media di percorrenza va, funzione delle caratteristiche della rete non rappresentata sul grafo: ta = La/ va • Si può assumere una velocità di: – 15-20 km/h in zone urbane centrali – 20-30 km/h in zone urbane periferiche – 30-40 km/h in ambito extraurbano Analisi dell’offerta di trasporto 38 Funzioni di costo per il trasporto stradale • Gli archi reali, invece, si assumono congestionati, cioè il tempo di percorrenza sull’arco dipende dal flusso fa sull’arco stesso. Il tempo di percorrenza di un arco reale è dato dalla somma di due aliquote: – Tempo di running tra per percorrere ll’arco arco – Tempo di attesa twa all’intersezione al termine dell’arco ta ((fa))= tra ((fa))+twa ((fa) Analisi dell’offerta di trasporto 39 Arco di rete autostradale • Il tempo di running è prevalente, il tempo di attesa viene trascurato ta (fa)= tra (fa) • La funzione di costo più utilizzata è la BPR (Bureau of Public Roads) L L L f t a f a a a a a v0 vc v0 Cap a v0 km/h velocità media a flusso nullo sull’arco vc km/h velocità critica sull’arco (velocità media con flusso pari alla capacità) fa Veic/h flusso sull sull’arco arco Capa Veic/h la capacità dell’arco e coefficienti adimensionali da calibrare; ( (=0.7-1.0, 0.7 1.0, =2.0-4.0) 2.0 4.0) Analisi dell’offerta di trasporto 40 Andamento della funzione BPR Analisi dell’offerta di trasporto Arco di rete stradale extraurbana con due corsie per senso di marcia La La f a La ta f a v0 vc v0 Cap a con VO (km/h) = 56,6 + 3,2 Lu + 4,5 Lo - 2,4 P - 9,6 T - 5,4 D Lu m larghezza utile dell’arco Lo m distanza degli ostacoli laterali dal bordo della strada (striscia gialla o cunetta) P % pendenza T grado di tortuosità dell’arco (elevato=1; medio=0,66; basso=0,33; nullo=0) D coefficiente ffi i t di disturbo di t b (=1 ( 1 se vii è disturbo di t b laterale, l t l 0 altrimenti). Analisi dell’offerta di trasporto 41 Arco di rete stradale extraurbana con una corsia per senso di marcia ta f a , f a * La La f a f a La * v0 v v Cap 0 a c * con VO (km/h) = 56,6 + 3,2 Lu + 4,5 Lo - 2,4 P - 9,6 T - 5,4 D fa* Veic/h Flusso sull sull’arco arco di verso opposto Cappa* Veic/h Capacità p gglobale in entrambi i versi Analisi dell’offerta di trasporto 42 43 Arco di reti stradale urbana • Il tempo p di attesa alle intersezioni non è trascurabile,, anzi è spesso p è quello prevalente, quindi vanno considerati entrambi i termini. • Il tempo p di runningg è calcolato come rapporto pp tra lunghezza g dell’arco e velocità media di percorrenza, che può essere ipotizzata dipendente dal flusso. tra=La/va(fa) Analisi dell’offerta di trasporto 44 Arco di reti stradale urbana Lua M Larghezza utile dell’arco (larghezza geometrica meno larghezza sosta) va(fa) = 31.1 31 1 + 22.8Lu 8Lua – 1.2P 1 2Pa -12.8T 12 8Ta2 – 10.4D 10 4Da 1.4INT – (0.000053+0.000123X)(fa/Lua)2 Pa % Pendenza media • Ta [0,1] Grado di tortuosità Da [0,1] Grado di circolazione INT Km-1 Numero di intersezioni secondarie per km X 0/1 Possibilità di soprpasso • La velocità in ambito urbano dipende da diversi fattori; una possibile formula empirica è la seguente: Se il tempo p di runningg ppuò considerarsi costante, si trascura l’ultimo elemento della formula Analisi dell’offerta di trasporto disturbo della 45 Arco di reti stradale urbana • • • Il calcolo del tempo di attesa alle intersezioni dipende se questa è semaforizzata o no. no La maggior parte delle formule non sono semplici da ricordare e si rimanda ai testi specifici. In teoria la formula di Doherty fornisce un valore infinito del ritardo per fa≥(V/C)Sa In pratica si considera valida per fa≤0.95(V/C)Sa e si utilizza il prolungamento lineare per fa>(V/C)S (V/C)Sa • Per le intersezioni semaforizzate è molto usata la formula di Doherty. Analisi dell’offerta di trasporto 46 Andamento della formula di Doherty Analisi dell’offerta di trasporto 47 Funzioni di costo per il trasporto collettivo • In ggenerale,, i sistemi di trasporto p collettivo ((su ggomma o su ferro)) si rappresentano con modelli di rete non congestionata. • L’ipotesi p è accettabile e significa g che si trascura la riduzione di velocità commerciale legata alle fasi di salita e discesa dei passeggeri alle fermate/stazioni e si trascura il costo percepito dagli utenti in relazione al grado di affollamento a bordo. • Di seguito indichiamo i metodi di calcolo del tempo di arco di rete di trasporto collettivo. Analisi dell’offerta di trasporto 48 Funzioni di costo per il trasporto collettivo • Archi connettori ed archi pedonali – tpa = La/Vpa – Vpa=0.8-1.0 m/s se la fermata/stazione è raggiunta a piedi, velocità diverse nel caso del park park-and-ride and ride • Archi di salita – Ad essi si assegna g il tempo p medio di attesa twa dell’utente alla fermata,, ppari alla metà dell’intertempo della linea (o delle linee) per sistemi ad elevata frequenza (bus urbani, metro, ecc.). – Se il sistema è ad orario,, il tempo p di attesa è 10-15 minuti indipendentemente p dalla frequenza. • Archi di discesa – Il tempo t di percorrenza dell’arco d ll’ di discesa di tda è fissato fi t in i funzione f i d l tipo del ti di veicolo i l del sistema di trasporto; ad esempio si può fissare un tempo di 2-5 sec per utente per un autobus e di 10-30 sec per un treno (considerata la possibilità di coda in discesa) Analisi dell’offerta di trasporto 49 Funzioni di costo per il trasporto collettivo • Archi di linea – Il tempo di percorrenza su un arco di linea tla si calcola attraverso i diagrammi del moto o in funzione f della velocità commerciale media misurata sul sistema. – Per un sistema su ferro (metropolitana, ferrovia, ecc.) in sede completamente p di ppercorrenza su un arco di linea si ppuò calcolare in funzione delle riservata,, il tempo caratteristiche di velocità massima, accelerazione, contraccolpo e tempo di sosta alla fermata stazione. tla = La/vmax + vmax/am + am/jm + tsa – tsa è il tempo medio di sosta dell’arco a assunto pari alla media dei tempi medi di sosta del nodo di origine e del nodo di destinazione dell’arco a. – Per i sistemi in sede totalmente o parzialmente promiscua (tram, autobus, ecc.) si preferisce misurare o stimare la velocità commerciale media della linea, che dipende ), ma non solo dalle caratteristiche dei veicoli ((velocità massima,, accelerazione,, ecc.), anche dal traffico stradale sulla sede promiscua. Detta vcm tale velocità, il tempo medio di percorrenza è semplicemente tla = La/vcm Analisi dell’offerta di trasporto 50 diagramma a contraccolpi costanti diagramma trapezio Analisi dell’offerta di trasporto diagramma rettangolare 51 Tempo di percorrenza con diagramma trapezio l AB v 2 MAX v 2 MAX l1 l2 l1 l AB l2 vMAX t 2 t1 2aM 2aM t AB t1 t 2 t1 t AB t 2 v MAX aM t 2 t1 v MAX aM v 2 MAX l AB l AB vMAX aM t2 t1 vMAX vMAX aM t AB v MAX aM v 2 MAX l AB aM v MAX v MAX 2v MAX l AB v MAX a aM v MAX aM M diagramma trapezio Analisi dell’offerta di trasporto 52 esercizi con grafi e funzioni di costo • determinare la matrice di incidenza archi-percorsi per la rete seguente e calcolare i costi di percorso 1 2 Ramo Costo Ramo Costo 1-2 8 4-5 1 1-3 8 4-6 4 2-3 4 5-3 2 2-4 2 5-4 4 3-2 3 5-6 1 44-22 5 66-55 1 3 4 5 6 Analisi dell’offerta di trasporto