Coordinación de semáforos unimodales y multimodales en una red de tráfico urbano

Abstract

Desde hace muchos años las grandes ciudades han enfrentado un incremento acelerado en el uso de diferentes modos de transporte, especialmente el de los vehículos particulares que transitan en las redes de tráfico urbano. Debido a las limitaciones físicas en las vías, esta tendencia ha traído como consecuencia un incremento en el gasto de combustible usado por los vehículos, incremento en la contaminación auditiva y un deterioro del medio ambiente, efectos causados por un mayor tiempo de permanencia de los usuarios en la vía. Varias alternativas han surgido para tratar este problema, algunas de ellas han sido la construcción de nuevas vías o ampliación de las existentes. Sin embargo, algunas de ellas son cada vez menos viables debido a la inversión de grandes sumas de dinero, restricciones medio ambientales y a la falta de espacio. Una solución factible a esta problemática es hacer un uso más eficiente de los elementos que hacen parte de las vías por medio del diseño de esquemas de control. Debido a la preocupación por mejorar los indicadores de desempeño en las vías, en los últimos años los ingenieros de tráfico comenzaron a tener en cuenta en la programación de semáforos a todos los elementos que hacen uso de la intersección, con el objetivo de solucionar el problema desde un punto de vista real de congestión. En este trabajo, estrategias de control basadas en optimización fueron implementadas en semáforos usando controladores predictivos basados en modelo (MPC). Este tipo de controladores permitieron tomar mejores decisiones en comparación con los esquemas de control tradicionales usados en la actualidad, debido a que tienen como herramienta la predicción para calcular las acciones de control ´optimas que permiten anticiparse a perturbaciones y escenarios de congestión. Usando esquemas de control MPC para su implementación, mecanismos para la coordinación de semáforos en redes de tráfico urbano fueron propuestos. El diseño y arquitectura de programación de estos mecanismos fue obtenido directamente de los esquemas de control MPC implementados en autopistas encontrados en una extensa revisión bibliográfica llevada a cabo en este trabajo. A su vez, objetivos exclusivos para tráfico urbano fueron propuestos para el diseño de los mecanismos para la coordinación de semáforos así como para esquemas de control MPC centralizados. Casos de estudio reales fueron usados para evaluar el desempeño de los mecanismos de coordinación propuestos comparados con los esquemas de control MPC centralizados y tradicionales usados en la actualidad. Los casos de estudio fueron extraídos de la ciudad de Medellín y seleccionados por ser puntos neurálgicos para la movilidad en la ciudad. Los modos de transporte considerados en los casos de estudio fueron vehículos particulares, bicicletas, buses articulados y peatones. Modelos matemáticos macroscópicos de flujo fueron considerados para representar el comportamiento de los usuarios en las vías con un elevado nivel de detalle y una baja carga computacional asociada

Abstract : For many years big cities have faced an accelerated increase in the use of different transportation alternatives, especially vehicles on the roads in urban traffic networks. Due physical limitations on the roads, this tendency has resulted in the increase of fuel consumption by vehicles, noise pollution, and environmental damage, caused by the increase on the time used by users on the road. Some alternatives have emerged to face this problem as build new roads or enlarge the existing ones. Nevertheless, some of them becoming not feasible due the necessity to use large amounts of money, environmental restrictions and the lack of space to construct. A feasible solution is to use in an efficient way the available infrastructure designing control schemes. By the concern to improve the performance on the roads, in recent years traffic engineers start to design traffic lights taking into account all of the elements on the intersections, aiming to improve the traffic problems on the roads based on a real representation. In this work, control strategies based in optimization were implemented on traffic lights using model predictive controllers (MPC). This type of controllers permit to take best decisions on the road in comparison the traditional control strategies used actually, because they have the prediction as a tool to calculate the optimal control actions capable to anticipate future disturbances and congestion sceneries. Using control MPC based schemes to be implemented, coordination mechanisms on traffic lights in road networks were proposed. The design and the program architecture of them were obtained on the control MPC strategies used on highways found in an extensive review of the literature made in this master decree document. In the same way, control design objectives were developed to urban traffic networks are proposed to design coordination mechanisms on traffic lights and to centralized MPC schemes. Real road section as cases of study were used to test the performance of the coordination mechanisms proposed in comparison the centralized MPC schemes and the traditional ones. The cases of study selected in the city of Medellín-Colombia were considered to be an important part on the solution of the congestion problems in the city. The users considered on the roads are vehicles, bicycles, public buses and pedestrians. Fluid dynamics macroscopic mathematical models were considered to represent the behavior of the users on the roads with a high level of accuracy and low computational cost