Llorca 2016a

• Premi Abertis modalitat tesi doctoral
• Metodologia
• Resultados
• Autors

Premi Abertis modalitat tesi doctoral

La XIII edició del Premi Abertis de Recerca en Transport que atorga la càtedra Abertis-UPC ha premiat, en la categoria de tesi doctoral, el treball de Carlos Llorca García, doctor per la Universitat Politècnica de València, que duu per títol “Anàlisi de l’avançament en carreteres convencionals i proposta de models per millorar-ne el disseny i la senyalització”.

Metodologia

Les carreteres convencionals representen gran part de la xarxa de carreteres a Espanya. Tot i que la capacitat i demanda de trànsit de les autovies i autopistes és més elevada, en les vies convencionals tenen lloc gairebé el 75% d'accidents, ferits i morts. Aquesta sinistralitat es deu a nombroses causes, entre les quals convé destacar l'avançament, per la gravetat dels accidents que hi estan relacionats. La particularitat d'aquesta maniobra és la necessitat d'ocupar el carril esquerre, destinat generalment al trànsit en sentit oposat. La interacció amb aquest tràfic oposat és la que origina l'elevada gravetat dels accidents relacionats amb avançaments, a més del fet que, en augmentar el trànsit, les dificultats per avançar es tradueixen en un empitjorament del nivell de servei.

Dins d'aquest context, es van identificar els objectius següents per a la tesi doctoral:

• Obtenir dades experimentals de maniobres d'avançament a Espanya.
• Incorporar el procés de seguiment abans d'avançar (durant el qual es desenvolupa l'acceptació de buits en el sentit oposat) en les observacions i en els models.
• Proposar models probabilístics incorporant el risc associat a la maniobra d'avançament, d’acord amb els resultats de les observacions.
• Traslladar aquests resultats a l'anàlisi de la sinistralitat i a la proposta de criteris de disseny i senyalització assegurances basats en la distància de visibilitat d'avançament.

  La principal aportació d'aquesta tesi és l'obtenció de dades de maniobres d'avançament en carreteres convencionals sense cap intervenció vinculada amb l'investigador (estudi naturalístic).

Resultados

L'obtenció de dades d’avançament es va realitzar mitjançant dues metodologies diferents. En primer lloc, es van obtenir vídeos des de posicions externes i estàtiques (metodologia estàtica), mitjançant l’enregistrament d'imatges des de càmeres situades en punts alts de l'entorn de zones d'avançament. Per garantir imatges de qualitat suficient, es va emprar el laboratori mòbil de la Universitat Politècnica de València equipat amb fins a 6 càmeres de vídeovigilància.

El segon dels mètodes ( dinàmic) va consistir en l'enregistrament de maniobres de seguiment i avançament des d'un vehicle instrumentalitzat que va actuar a manera de vehicle avançat, circulant a una velocitat lleugerament reduïda, però sense representar un comportament excessivament lent. El vehicle instrumentalitzat va realitzar recorreguts d'anada i tornada per diversos trams de carretera convencional a una velocitat prèviament especificada. A bord portava instal·lades 5 càmeres de vídeo, cobrint la zona posterior, lateral esquerra i davant, un receptor GPS i dues telèmetres làser per mesurar les distàncies entre el vehicle instrumentalitzat i l’avançament abans i després d'haver avançat.

  Les dues metodologies van ser utilitzades en una àmplia mostra de localitzacions, que engloben una gran diversitat de velocitats de disseny (60 a 120 km / h), longituds de zones d'avançament permès (de 100 a 2.000 m) i intensitats mitjanes diàries (IMD) (de 2.000 a 15.000 vehicles / dia). L'anàlisi de les dades obtingudes es va dividir en tres parts: anàlisi de l'acceptació de buits, models d'avançament i anàlisi de seguretat viària.

1. Acceptació de buits

L'acceptació de buits es va analitzar per mitjà de models d'elecció binària (acceptar o rebutjar) de tipus probit, l'anàlisi dels resultats s'observa que el buit, en mesurar-se en unitats de distància entre dos vehicles consecutius en el flux oposat (en lloc de temps), presenta una millor correlació amb la decisió d'acceptar i rebutjar un buit. A més, la presència d'un vehicle oposat visible disminueix en gran mesura les possibilitats que el buit sigui acceptat (reduint el buit crític mitjà de 850 a 500 m) el que fa aquest efecte estadísticament significatiu.

 

1. Maniobra d’avançament

  Un cop analitzades les etapes de desig i decisió d'avançament (integrades en acceptació de buits), es va estudiar la distància recorreguda pel vehicle avançament al carril esquerre. Es van calibrar diversos models cinemàtics verificant l'ajust de les anteriors variables. Entre altres, es van estudiar els models de velocitat uniforme, acceleració uniforme, acceleració uniforme fins a aconseguir la velocitat final o variació lineal de l'acceleració al llarg de la maniobra. L'ajust dels models es va comparar per mitjà l'error quadràtic (RMSE). Finalment, es va escollir un model de velocitat uniforme per a les maniobres llançades (que s'inicien sense la frenada prèvia del vehicle avançament), amb velocitat 1,4 vegades superior a la de l'avançament; i un d'acceleració uniforme per a les maniobres que són de seguiment, amb acceleració mitjana de 0,77 m/s².

 

1. Anàlisi de la seguretat vial

  L'estudi de l'efecte de l'avançament en la seguretat viària es va dividir en l'anàlisi de fiabilitat, per estudiar els nivells de risc que es podien esperar en zones d'avançament segons el comportament de conductors i conductores i en el de sinistralitat, que compara aquests nivells de risc previsibles amb la freqüència d'accidents en una mostra de zones d'avançament.

L'anàlisi de fiabilitat és una eina estadística que caracteritza la propagació de l'aleatorietat des de les variables d'entrada fins a les de sortida d'un sistema o procés descrit per un model. Tradicionalment s'ha emprat en enginyeria d'estructures (teoria d'estats límit).

La base de l'anàlisi de fiabilitat és la funció objectiu o funció d'estat límit, definida com la diferència entre l'oferta (o resistència) i la demanda (o sol·licitud). La funció es defineix de tal manera que si la demanda excedeix a l'oferta es produeix la fallada en el sistema i el seu valor és negatiu. Aplicant aquest principi a l'estudi de la maniobra d'avançament, es va fer correspondre l'oferta amb la visibilitat disponible ASD (X) i la demanda amb la distància de visibilitat d'avançament PSD (X), en què X és un conjunt de variables d'entrada. L'anàlisi de fiabilitat va permetre obtenir la probabilitat de fallada (millor anomenada de no-compliment en l'àmbit de l'enginyeria de carreteres, Pnc), ateses les variables d'entrada X i el model proposat en la secció anterior.

Per obtenir Pnc, es va realitzar el càlcul d'una submostra de casos emprant el mètode analític FORM (First Order Reliability Method) i el mètode numèric MCS (Montecarlo Simulation). La comparació d'ambdós casos va proporcionar resultats molt similars de manera que finalment es va realitzar l'anàlisi mitjançant el mètode FORM, la velocitat de càlcul és més gran.

Aquests resultats es referien únicament a maniobres individuals, mentre que la visibilitat disponible no és uniforme en tota la carretera. Per això, el càlcul del risc existent en zones d'avançament va demanar la integració d'aquests valors al llarg de tota la longitud en què es permet avançar (PZL). Igualment, atès que la visibilitat disponible també determina la demanda d'avançament, la probabilitat d'acceptar un buit es va incloure en aquesta fase de l'anàlisi.

Amb tot això, es va plantejar un nou indicador definit com la integral del producte de probabilitats de no compliment (resultat de l'anàlisi de fal·libilitat) i d'acceptació de buits (resultat del model binari probit) en tota la zona d'avançament permès. Quan la visibilitat decreix, el valor de la probabilitat d'acceptació decreix (és directament proporcional) i el de la probabilitat de fallada augmenta (és inversament proporcional). El valor del seu producte arriba a màxims per a un nivell mitjà de visibilitats, en què és relativament probable que els conductors avancin però que no disposin de la visibilitat suficient. Aquesta és situació de més perill.

Aquest nou indicador podria representar una estimació raonable de la probabilitat que es duguin a terme maniobres d'avançament en les quals els conductors o les conductores no disposen de suficient visibilitat. Per poder validar l'aplicació d'aquests indicadors a l'estimació de la seguretat viària es van comparar els valors de l'indicador i els de la freqüència d'accidents en una submostra de zones d'avançament de la xarxa de la Generalitat valenciana.

Es van emprar funcions d'estimació de la seguretat viària (Safety Performance Function, o SPF). La propietat d'aquestes funcions es basa en considerar que l'error en la distribució de freqüència d'accidents es distribueix seguint una funció de Poisson, o una binomial negativa, la qual cosa obeeix al caràcter rar, aleatori i discret dels accidents. La longitud de les zones d'avançament i el valor del nou indicador van ser incorporats com a variables explicatives en la funció.

Quan es va pretendre estimar el nombre d'accidents associat a maniobres d'avançament, el millor model SPF va ser el que es va obtenir considerant el nou indicador com a variable explicativa. Aquest resultat va indicar que la geometria de la zona de la zona d'avançament pot contribuir a estimar el nombre d’accidents associats a maniobres d'avançament. És a dir, que aquest disseny hagi de tenir molt en compte si es vol permetre executar aquesta maniobra. Les localitzacions més problemàtiques succeeixen en aquelles zones que presenten valors de visibilitat disponible en el rang crític d'entre 250 i 500 m, la qual cosa habitualment està en corbes verticals o horitzontals prou àmplies perquè l'avançament estigui permès.

 

1. Aplicacions

  Tradicionalment, la definició de criteris de prohibició d'avançaments es basava en plantejar el llindar de visibilitat mínima sota la hipòtesi (no verificada) que qualsevol zona de més longitud o visibilitat seria més segura. Per evitar emprar aquesta hipòtesi, es va analitzar un ampli rang de zones d'avançament, de longituds entre 100 i 1.000 m, i visibilitats d'entre 100 i 1.000 m. Les anàlisis es van plantejar en zones rectes (o sobre acords verticals còncaus) i en zones corbes (ja sigui acords convexos o corbes horitzontals). L'anàlisi de sensibilitat del nou indicador va mostrar que disposar d'una visibilitat més gran no sempre garanteix que les zones siguin més segures, ja que pot augmentar el nombre de conductors que no podran completar l'avançament dins de la zona habilitada per a això i, conseqüentment, amb el nombre d'accidents esperable. Això va permetre formular un conjunt de criteris per dissenyar i senyalitzar les prohibicions d'avançaments. Paral·lelament, les dades del comportament del conductor o conductora quan realitza maniobres d’avançament van permetre desenvolupar un mòdul dins el programa de microsimulació Aimsun. Aquesta aportació resulta  especialment significativa, ja que gran part dels paquets de programari comercials no tenen models d'avançament, o els que proposen no estan calibrats mitjançant observacions. El model proposat consta de les tres etapes clàssiques de la maniobra d'avançament: desig, decisió i execució.

Els resultats del treball presentat es van emprar per incorporar, en cadascuna d’aquestes etapes, les variables que més influència tenen en les decisions dels conductors i les conductores.

D’aquesta manera, cal destacar la incorporació de l’efecte de la distància de visibilitat en l’acceptació de buits per avançar. L’existència d’un gran nombre de situacions en les quals no hi ha un vehicle oposat indica que no és correcte emprar els mateixos models de decisió que en els casos en què el vehicle oposat sí que és visible. D’altra banda, durant l’execució de la maniobra, es va incorporant la possibilitat de superar els límits de velocitat de la via, més enllà de la seva acceptació de mateixos pels conductors o per les conductores en condicions habituals, de la manera en què les velocitats del vehicle d’avançament havien estat observades. El model desenvolupat es va calibrar a un nivell microscòpic (acceptació de buits, durada de la maniobra, etc.) amb les dades del mètode dinàmic, i macroscòpic (nombre de maniobres, velocitat, etc.) amb les dades del mètode estàtic. Igualment, es va realitzar una validació amb un conjunt addicional de dades.

 

1. Conclusions

  El treball plantejat suposa una àmplia anàlisi de la maniobra d'avançament en carreteres convencionals, amb el resultat final d'haver proporcionat un nou conjunt de criteris per al disseny i senyalització de zones d'avançament i un model de microsimulació validat. Amb les conclusions principals següents:

1. Desenvolupament i aplicació d'una metodologia de presa de dades naturalística, amb més de 1.179 maniobres observades en l'entorn de València (Espanya).
2. Anàlisi de les decisions d'avançament segons models d'elecció binària, incloent la influència de la presència de vehicles en el sentit oposat.
3. Representació de les trajectòries del vehicle avançament durant la maniobra per mitjà de models cinemàtics.
4. Anàlisi de fiabilitat en zones d'avançament, caracteritzant la probabilitat de no-compliment de maniobres individuals, segons la diferència entre la visibilitat disponible i la visibilitat necessària per avançar.
5. Proposta d'indicadors de risc en zones d'avançament integrant la probabilitat d'acceptar un buit i la probabilitat que aquest buit sigui insuficient.
6. Anàlisi de sinistralitat en una submostra de zones d'avançament, identificant un risc més elevat en el cas de zones amb visibilitats uniformes en corbes horitzontals o acords convexos.
7. Formulació de criteris de disseny i de senyalització de prohibicions d'avançament incorporant una estimació del risc.
8. Proposta d'un model de microsimulació de trànsit per a maniobres d'avançament.

  El Premi: aquest any s'ha rebut un total de 37 candidatures per als dos premis (17 per a la modalitat de tesi doctoral i 20 per a la de tesina, treball final de carrera o de màster), la xifra més gran en els 13 anys d'història del certamen.

Autors

Redactat per: Carlos Llorca

Per saber-ne més: Carlos Llorca