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Simulazione dei conflitti di traffico nelle intersezioni semaforizzate

Poiché ogni anno nell'intera Comunità Europea gli incidenti stradali causano un costo sociale ed umano elevatissimo, a seguito del terzo programma di azione per la sicurezza stradale nel 2010 la Commissione Europea ha pubblicato gli orientamenti sulla sicurezza stradale che forniscono un quadro generale nel cui ambito possono essere avviate azioni concrete a livello europeo, nazionale, regionale o locale dal 2011 al 2020

La Commissione indica di mantenere l’obiettivo del dimezzamento del numero totale di vittime della strada nell’Unione anche per il decennio 2010 e il 2020. Quando si parla di sicurezza delle infrastrutture stradali si fa riferimento al dato incidentale e a una sua possibile modellazione in funzione dei fattori utente/ambiente/strada.

Immagini

  • Ogni anno nell’intera Comunità Europea gli incidenti stradali causano un costo sociale e umano elevatissimo
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    Ogni anno nell’intera Comunità Europea gli incidenti stradali causano un costo sociale e umano elevatissimo
  • I punti di conflitto alle intersezioni a quattro rami
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    I punti di conflitto alle intersezioni a quattro rami
  • I punti di conflitto nel caso della svolta a sinistra, considerando i veicoli che effettuano la manovra dal ramo A
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    I punti di conflitto nel caso della svolta a sinistra, considerando i veicoli che effettuano la manovra dal ramo A
  • I dati di input per la simulazione in VISSIM
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    I dati di input per la simulazione in VISSIM
  • Gli scenari implementati in VISSIM
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    Gli scenari implementati in VISSIM
  • Gli scenari implementati in VISSIM
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    Gli scenari implementati in VISSIM
  • Gli scenari implementati in VISSIM
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    Gli scenari implementati in VISSIM
  • La definizione di conflitto in SSAM
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    La definizione di conflitto in SSAM
  • L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
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    L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
  • L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
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    L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
  • L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
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    L’analisi dei conflitti di traffico con il software SSAM
  • La relazione tra il numero di conflitti e il prodotto tra i veicoli che effettuano la svolta a sinistra e i veicoli che si oppongono a tale manovra, al variare del numero di corsie in opposizione posto un ciclo semaforico pari a 150 secondi
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    La relazione tra il numero di conflitti e il prodotto tra i veicoli che effettuano la svolta a sinistra e i veicoli che si oppongono a tale manovra, al variare del numero di corsie in opposizione posto un ciclo semaforico pari a 150 secondi

I tradizionali modelli di predizione degli incidenti dipendono pesantemente dalla qualità e dalla disponibilità dei dati di incidentalità. Inoltre, essendo gli incidenti degli eventi rari, lo sviluppo di un tale modello necessita della raccolta in un lungo periodo di dati e uno sforzo imponente per il loro mantenimento e aggiornamento.

Ciononostante, quando i modelli calibrati sui dati di incidente vengono utilizzati per valutare la sicurezza di una nuova soluzione progettuale, l’utilizzo di un’attrezzatura innovativa o applicazioni in contesti diversi rispetto a quelli dove i modelli sono stati calibrati, l’affidabilità di tali modelli risulta compromessa. In tali circostanze, lo sviluppo di misure surrogate di sicurezza mediante la tecnica dei conflitti di traffico è essenziale per l’analisi e la previsione della sicurezza stradale. I conflitti di traffico, poiché rappresentano una situazione osservabile in cui due o più utenti della strada si avvicinano l’uno all’altro nello spazio e nel tempo in modo tale che vi sia un rischio di incidente se i loro movimenti rimangono invariati, sono molto più frequenti e più semplici da collezionare rispetto agli incidenti stradali. Per tale ragione, negli anni recenti, diversi studi sono stati condotti dai Ricercatori nell’impiego dei conflitti di traffico come misure surrogate di sicurezza. Generalmente, la microsimulazione viene ampiamente utilizzata per gli studi di funzionamento del traffico, come il tempo di viaggio e/o la stima dei ritardi in condizioni normali di  sicurezza del traffico: i conducenti e i veicoli sono ben definiti e seguono determinate regole per cui l’accadimento di un incidente è escluso dalla simulazione ma le traiettorie veicolari possono essere utilizzate per valutare i conflitti di traffico.

Il principale obiettivo dello studio di ricerca condotto è determinare la probabilità di un incidente in un conflitto di traffico simulato, assegnando in maniera random conducenti e veicoli all’interno di uno specifico conflitto e ripetendo questo processo per un elevato numero “n” di elaborazioni, grazie all’utilizzo di un software di microsimulazione quale il VISSIM e del software SSAM sviluppato dalla FHWA, disponibile in versione open source dal sito di Siemens Energy and Automation. Risultato finale è l’individuazione di un modello di previsione dei conflitti che miri a implementare la sicurezza di un’intersezione semaforizzata.

La microsimulazione e i conflitti di traffico

Un modello di microsimulazione del traffico è in grado di rappresentare, istante per istante, la dinamica del singolo veicolo e la sua interazione con gli altri “utilizzatori” della strada attraverso astrazioni logico-matematiche del sistema realmente esistente implementate nel software. Si è in grado di modellare fedelmente e puntualmente una rete stradale promiscua e reale, restituendo l’evoluzione della stessa al variare delle geometrie, del diverso approccio psico-fisico alla guida degli utenti e della stessa interazione utente-veicolo.

Proprio quest’ultimo legame è rappresentativo del livello di dettaglio dei processi di microsimulazione che restituiscono dati caratterizzanti il moto del singolo veicolo. Ogni veicolo è caratterizzato, istante per istante, da una traiettoria, una velocità e un livello di accelerazione/decelerazione, stabilito di volta in volta attraverso algoritmi casuali che tengano conto dell’interazione del binomio utente/veicolo, di questo con gli altri utenti del sistema, delle caratteristiche dello stesso sistema all’istante precedente e delle possibili alternative dell’istante successivo. Risulta subito chiaro quindi come sia possibile restituire una rappresentazione fedele delle condizioni reali e delle possibili evoluzioni in una dinamica restituzione dei risultati caratterizzanti i fenomeni studiati.

I modelli di microsimulazione non si limitano a restituire solo dati disaggregati riguardanti il singolo veicolo della rete, ma sono in grado di fornire ai Tecnici anche informazioni aggregate riguardanti dati che caratterizzano un intero ramo o un gruppo di veicoli. Si avrà la possibilità di conoscere i tempi medi di percorrenza o di permanenza in coda, nonché le lunghezze di coda dovute a particolari criticità del sistema, così facilmente e immediatamente individuabili.

Altra importante applicazione è quella dei modelli previsionali sulla sicurezza di tutte quelle manovre tipiche della strada e dei suoi elementi quali, ad esempio, U-Turn e intersezioni. Tale caratteristica applicazione della microsimulazione è dovuta alla possibilità data nella scelta di differenti soluzioni di gestione degli elementi stessi. Potrà quindi scegliersi quale sia la migliore organizzazione di un’intersezione a tre, quattro o più rami variando il numero di corsie per ramo, il numero di veicoli transitanti e le fasi semaforiche, laddove presenti.

Quest’ultima applicazione delle simulazioni del traffico, come appare evidente, non potrà limitarsi all’uso dei soli software di microsimulazione, poiché questi tendono ad escludere il contatto tra i veicoli.

Il caso studio di un’intersezione semaforizzata a quattro rami

La regolazione semaforica delle intersezioni a raso è uno strumento, tra i tanti messi a disposizione dell’ingegnere del traffico, per porre ordine e disciplinare la circolazione veicolare e pedonale. Essa consiste in un insieme di segnalazioni luminose che disciplinano l’avanzamento, sfalsato nel tempo, di due o più correnti di traffico, su uno o più rami di un’intersezione. In funzione della regolazione semaforica adottata si possono distinguere tre tipi di fase in cui può avvenire la manovra ostacolata:

  • fase “protetta”, ossia i veicoli possono svoltare senza conflitti con correnti antagoniste;
  • fase “non protetta” (o “permessa”), in cui i veicoli in svolta devono dare la precedenza ad altre correnti;
  • fase “parzialmente protetta”, che avviene parzialmente in condizioni protette e parzialmente in condizioni non protette.
La prima fase: l’implementazione nel software di microsimulazione VISSIM

Lo schema di intersezione analizzata nel presente lavoro è quella con lo schema di fasatura di svolta a sinistra “Permessa”, un’opzione che permette di ridurre i ritardi all’incrocio mediante l’installazione di lanterne veicolari, ma che al tempo stesso può influenzare negativamente la sicurezza, in quanto richiede agli automobilisti particolare attenzione nell’esecuzione della svolta che può essere effettuata solo nel momento in cui si ha un “gap” accettabile, ovvero un distanziamento temporale e uno spazio adeguato per poter impegnare in sicurezza l’intersezione.

Nelle intersezioni a quattro rami, i punti di conflitto fra le traiettorie nascono dall’interferenza potenziale di queste che si traduce in eventi sinistrosi allorquando un veicolo appartenente ad un dato flusso collide con un altro appartenente alla corrente veicolare in conflitto. Tali intersezioni presentano ben trentadue punti di conflitto considerando tutte le manovre possibili, ovvero le svolte a destra, le svolte sinistra e gli attraversamenti.

Nello specifico, per la manovra di svolta a sinistra i punti di conflitto sono quattro su ogni ramo: uno di diversione (il veicolo abbandona la corrente entro cui stava marciando), due di attraversamento (intersezione di due correnti veicolari differenti), e uno di immissione (il veicolo si immette in un’altra corrente veicolare).

I dati di input di questo studio sono rispettivamente il numero di veicoli/ora e il numero di corsie che si oppongono alla manovra di svolta a sinistra, il ciclo semaforico e la percentuale di verde.

Si sono ottenute quindi 450 combinazioni di variabili per le quali sono state effettuate le simulazioni del traffico con il VISSIM su tre scenari che vengono distinti sulla base del fatto che vi siano rispettivamente 1, 2, 3 corsie di traffico che si oppongono ai veicoli che effettuano la svolta a sinistra.