Para estimar o nível de serviço em rodovias de pista simples, o Highway Capacity Manual 2010 (HCM2010) adota como medidas de desempenho a Porcentagem de Tempo Viajando em Pelotões (PTSF) e a Velocidade Média de Viagem (ATS). A PTSF, no entanto, é praticamente impossível de ser obtida de observações em campo. Na literatura, algumas pesquisas propõem medidas de desempenho alternativas que podem ser coletadas diretamente da observação do tráfego. A meta deste trabalho consistiu em avaliar e propor medidas de desempenho que pudessem ser adequadas para descrever a qualidade de serviço em rodovias de pista simples no Brasil. Foi utilizado um conjunto de dados de tráfego coletados em diversas rodovias no estado de São Paulo para calibrar e validar o simulador de tráfego escolhido, o CORSIM, a partir de um Algoritmo Genético (AG). Com o simulador recalibrado, foi gerado um conjunto de dados sintéticos, para diversas condições de geometria viária e composição de tráfego. Com esses dados sintéticos, foram produzidos modelos teóricos para estimar a PTSF a partir de dados de tráfego que seriam \"observáveis em campo\": a porcentagem de veículos em pelotões (PF); o modelo porposto por Pursula (1995); o modelo de Laval (2006); o criado por Polus e Cohen (2009); e um modelo polinomial baseado na PF e outras variáveis. As estimativas obtidas com esses modelos divergiram significativamente da PTSF produzida pelo CORSIM, sugerindo a necessidade de substituir a PTSF por uma outra medida de desempenho. Assim sendo, nove medidas de desempenho alternativas foram estudadas. Usando dados de tráfego sintéticos produzidos com o CORSIM, foram desenvolvidos modelos que relacionavam medidas de desempenho alternativas com o fluxo de tráfego unidirecional. Comparações dos valores provenientes dessas relações com dados de campo indicaram que três medidas de desempenho (a velocidade média de viagem dos automóveis; a densidade para automóveis e a densidade de veículos em pelotões) poderiam ser usadas para propor critérios para estimar o nível de serviço em rodovias de pista simples no Brasil. / The Highway Capacity Manual 2010 uses Percent-Time-Spent Following (PTSF) and Average Travel Speed (ATS) to estimate level of service on two-lane rural highways. As it is almost impossible to observe PTSF directly in the field, the literature suggests alternative measures of effectiveness (MOEs) that can be obtained from traffic stream parameters. The objective of this thesis was to analyze MOEs that could adequately describe quality of service on two-lane rural highways in Brazil. Traffic data collected on several roads in the state of São Paulo were used to calibrate and validate the traffic simulation model CORSIM, using a Genetic Algorithm (GA). The recalibrated CORSIM was used to create a synthetic set of traffic data, comprising a wide range of traffic flows and road geometries. Using this synthetic data, several models relating PTSF to \"directly observable\" traffic parameters were developed: percent following (PF), as in the HCM2010; the shockwave theory model proposed by Pursula (1995); the Laval (2006) moving bottleneck model; the Polus and Cohen (2009) queueing model; and a polynomial model. PTSF estimates produced by these models significantly diverged from PTSF values produced by CORSIM, suggesting the need for a new measure of effectiveness. Thus, nine alternative MOEs were analyzed and models relating these MOEs to directional traffic flow were fitted, using the synthetic traffic data set. Comparisons between the values obtained from these models and from the field indicated that three MOEs (average travel speed of cars, density for cars and follower density) could be used to create level of service criteria for two-lane rural highways in Brazil.

A meta desta pesquisa foi caracterizar as relações fundamentais do fluxo de tráfego em rodovias de pista simples paulistas através de modelos baseados em parâmetros que reflitam a qualidade de serviço e possam ser observados diretamente em campo. Para que esta meta fosse atingida, primeiramente foram obtidos dados através de observações em campo e de sensores instalados em rodovias. Os dados coletados nas observações diretas foram usados para calibrar e validar um modelo de simulação através de um processo automático, baseado num algoritmo genético. Constatou-se que a versão recalibrada do simulador é capaz de reproduzir tanto informações de detectores como as correntes de tráfego observadas nos onze trechos onde foram coletados dados. Propôs-se um método para produção de dados de tráfego sintéticos, que utiliza um simulador microscópico e um algoritmo genético. Os dados sintéticos obtidos pelo método proposto foram usados para obter os modelos que descrevem as relações entre o fluxo de tráfego e a velocidade e a porcentagem de tempo viajando em pelotões (PTSF) para rodovias de pista simples no estado de São Paulo. Esses modelos poderiam substituir os utilizados pelo HCM-2000 em análises da qualidade de serviço em rodovias paulistas. Também foram propostos novos modelos para relações fundamentais que se adequaram melhor às condições paulistas: um modelo côncavo para a curva fluxovelocidade e um novo modelo exponencial para a relação entre o fluxo e a PTSF. Cinco medidas de desempenho capazes de substituir PTSF foram estudadas, tendo sido relacionadas com a taxa de fluxo bidirecional e unidirecional. As medidas de desempenho propostas foram avaliadas pela capacidade de refletir o nível de serviço observado em campo. Destas, uma nova definição da PTSF, calculada em função do número médio de headways dentro e fora de pelotões, apresentou a melhor porcentagem de acertos (90%), usando-se o mesmo critério adotado pelo HCM-2000. Em razão disso, e da possibilidade de observação direta da PTSF, recomenda-se sua adoção para avaliar a qualidade de serviço em rodovias de pista simples. / The goal of this research was to characterize the fundamental relationships of traffic flow on two-lane rural highways in the state of São Paulo through models based on parameters that reflect the quality of service and that could be obtained from direct observations of traffic flows. To reach this goal, sets of data were obtained from observation of traffic flows and from detectors installed on roads. The data collected from direct observation was used to calibrate and validate a microscopic traffic simulation model, as well as for the calculation of performance measures used in some of the analyses. The microsimulation model was calibrated using an automatic procedure that is based on a genetic algorithm. The recalibrated model was found to be able to reproduce traffic sensor data as well as traffic flow characteristics observed in the 11 road segments observed for this research. A procedure for synthetic data generation, which uses a microsimulation model and a genetic algorithm, was proposed. Synthetic data obtained through this procedure were used to develop the models that describe the relationships between flow rate, traffic stream speed and percent time spent following (PTSF) for two-lane roads in the state of São Paulo. These models could replace those used in the HCM-2000 for quality of service analysis of two-lane roads in São Paulo. New fundamental relationships, which better reflect the operational conditions on local two-lane roads were also studied: a concave speed-flow relationship and an exponential PTSF-flow model. Five alternatives to PTSF were studied and correlated to one-way and two-way flows. Among these, a novel definition of PTSF, based on the ratio of average number of headways within platoons and average number of headways between platoons, was found to be the most accurate (90% of the cases), adopting the HCM-2000 criteria. Thus, this new measure could be used to evaluate the quality of service on two-lane rural highways.

A meta desta pesquisa foi caracterizar as relações fundamentais do fluxo de tráfego em rodovias de pista simples paulistas através de modelos baseados em parâmetros que reflitam a qualidade de serviço e possam ser observados diretamente em campo. Para que esta meta fosse atingida, primeiramente foram obtidos dados através de observações em campo e de sensores instalados em rodovias. Os dados coletados nas observações diretas foram usados para calibrar e validar um modelo de simulação através de um processo automático, baseado num algoritmo genético. Constatou-se que a versão recalibrada do simulador é capaz de reproduzir tanto informações de detectores como as correntes de tráfego observadas nos onze trechos onde foram coletados dados. Propôs-se um método para produção de dados de tráfego sintéticos, que utiliza um simulador microscópico e um algoritmo genético. Os dados sintéticos obtidos pelo método proposto foram usados para obter os modelos que descrevem as relações entre o fluxo de tráfego e a velocidade e a porcentagem de tempo viajando em pelotões (PTSF) para rodovias de pista simples no estado de São Paulo. Esses modelos poderiam substituir os utilizados pelo HCM-2000 em análises da qualidade de serviço em rodovias paulistas. Também foram propostos novos modelos para relações fundamentais que se adequaram melhor às condições paulistas: um modelo côncavo para a curva fluxovelocidade e um novo modelo exponencial para a relação entre o fluxo e a PTSF. Cinco medidas de desempenho capazes de substituir PTSF foram estudadas, tendo sido relacionadas com a taxa de fluxo bidirecional e unidirecional. As medidas de desempenho propostas foram avaliadas pela capacidade de refletir o nível de serviço observado em campo. Destas, uma nova definição da PTSF, calculada em função do número médio de headways dentro e fora de pelotões, apresentou a melhor porcentagem de acertos (90%), usando-se o mesmo critério adotado pelo HCM-2000. Em razão disso, e da possibilidade de observação direta da PTSF, recomenda-se sua adoção para avaliar a qualidade de serviço em rodovias de pista simples. / The goal of this research was to characterize the fundamental relationships of traffic flow on two-lane rural highways in the state of São Paulo through models based on parameters that reflect the quality of service and that could be obtained from direct observations of traffic flows. To reach this goal, sets of data were obtained from observation of traffic flows and from detectors installed on roads. The data collected from direct observation was used to calibrate and validate a microscopic traffic simulation model, as well as for the calculation of performance measures used in some of the analyses. The microsimulation model was calibrated using an automatic procedure that is based on a genetic algorithm. The recalibrated model was found to be able to reproduce traffic sensor data as well as traffic flow characteristics observed in the 11 road segments observed for this research. A procedure for synthetic data generation, which uses a microsimulation model and a genetic algorithm, was proposed. Synthetic data obtained through this procedure were used to develop the models that describe the relationships between flow rate, traffic stream speed and percent time spent following (PTSF) for two-lane roads in the state of São Paulo. These models could replace those used in the HCM-2000 for quality of service analysis of two-lane roads in São Paulo. New fundamental relationships, which better reflect the operational conditions on local two-lane roads were also studied: a concave speed-flow relationship and an exponential PTSF-flow model. Five alternatives to PTSF were studied and correlated to one-way and two-way flows. Among these, a novel definition of PTSF, based on the ratio of average number of headways within platoons and average number of headways between platoons, was found to be the most accurate (90% of the cases), adopting the HCM-2000 criteria. Thus, this new measure could be used to evaluate the quality of service on two-lane rural highways.

The majority of the road infrastructure in developing countries consists oftwo-lane highways with one lane in each travel direction. Operational efficiency of these highways is derived fromintermittent passing zones where fast vehicles are permitted by design to pass slow vehicles using the opposite traffic lane. Passing zonescontributeto reduction oftravel delay and queuing of fast vehiclesbehind slow vehicles. Thishoweverincreases crash risks between passing and opposite vehiclesespecially at high traffic volumesdue to reduction of passing opportunities.Reduction of passing-related crash risks is therefore a primary concern ofpolicy makers, planners, and highway design engineers. Despite the wide application of passing zones on two-lane highways, there is limited knowledge on the underlying causal mechanisms that exacerbate crash risks, and the essential tools to assess safety of the passing zones. This thesis presentsa methodology to appraisesafety of two-lane rural highways based on observed operation of passing zones.Theproposed methodology takes into accountthe impact of traffic and geometric factors onthe rate passing maneuvers end insidepassing zonesand in the no-passing zones, adequacy ofthe designpassing sight distance,and time-to-collision at the end of passing maneuvers.Thethesis is comprised offive papers addressing capacity and safety aspectsof passing zoneson two-lane rural highways. Paper Ipresents a review of the literature on capacity and safety of passing zones. Paper IIdiscusses adequacy of the design passing sight distance based on the sight distance required to complete a passing maneuverusing observed data. Paper IIIdiscusses formulation, estimation, and application of a model to predict the passing rate using geometric and traffic factors, and applications. Paper IVdiscusses risk appraisal of the passing process based on the probability to complete passing maneuvers with time-to-collision less than 3.0 seconds taking into account the accepted gap in the opposite direction and the passing duration. Paper Vdiscusses formulation and estimation of models to predict the probability and the rate at which passing maneuvers end in a no-passing zone, and applications. Resultsshow that passing zones of lengths between 1.30and 2.50km aregood for both operational efficiency and safety.Passing zones of lengths between 0.50and 1.30km exhibitincreasing crash risks resulting from delayed passing maneuvers thatend in the no-passing zone where the sight distance is limited to evadepotential collisions. Safety of these passing zones could be enhanced with additional signage to indicate the farthestpoint along a passing zone that maneuvers can be initiated so as not to end in a no-passing zone. Passing zones less than 0.50km compel drivers to commence passing maneuvers close to the beginning of the passing zone,and should be avoided during design for safety reasons. The results further show that the passing rate depends on the length of the passing zone, absolute vertical grade, traffic volume in two travel directions, directional split, 85thpercentile speed of free flow vehicles,and percent of heavy vehicles in the subject direction. The peak-passing rate also known as the passing capacity occurs at 200, 220, and 240vph in the subject direction for 50/50, 55/45, and 60/40directional splits, respectively. The rate at which passing maneuvers end in a no-passing zone increaseswith traffic volume and unequal distribution of traffic in two directions, absolute vertical grade, and percent of heavy vehiclesin the subject direction. The thesis furtherdiscusses practical applications of the study findings in highway planning and design to enhancesafety and improve operational efficiency of two-lane rural highways. / <p>QC 20151106</p>

Para estimar o nível de serviço em rodovias de pista simples, o Highway Capacity Manual 2010 (HCM2010) adota como medidas de desempenho a Porcentagem de Tempo Viajando em Pelotões (PTSF) e a Velocidade Média de Viagem (ATS). A PTSF, no entanto, é praticamente impossível de ser obtida de observações em campo. Na literatura, algumas pesquisas propõem medidas de desempenho alternativas que podem ser coletadas diretamente da observação do tráfego. A meta deste trabalho consistiu em avaliar e propor medidas de desempenho que pudessem ser adequadas para descrever a qualidade de serviço em rodovias de pista simples no Brasil. Foi utilizado um conjunto de dados de tráfego coletados em diversas rodovias no estado de São Paulo para calibrar e validar o simulador de tráfego escolhido, o CORSIM, a partir de um Algoritmo Genético (AG). Com o simulador recalibrado, foi gerado um conjunto de dados sintéticos, para diversas condições de geometria viária e composição de tráfego. Com esses dados sintéticos, foram produzidos modelos teóricos para estimar a PTSF a partir de dados de tráfego que seriam \"observáveis em campo\": a porcentagem de veículos em pelotões (PF); o modelo porposto por Pursula (1995); o modelo de Laval (2006); o criado por Polus e Cohen (2009); e um modelo polinomial baseado na PF e outras variáveis. As estimativas obtidas com esses modelos divergiram significativamente da PTSF produzida pelo CORSIM, sugerindo a necessidade de substituir a PTSF por uma outra medida de desempenho. Assim sendo, nove medidas de desempenho alternativas foram estudadas. Usando dados de tráfego sintéticos produzidos com o CORSIM, foram desenvolvidos modelos que relacionavam medidas de desempenho alternativas com o fluxo de tráfego unidirecional. Comparações dos valores provenientes dessas relações com dados de campo indicaram que três medidas de desempenho (a velocidade média de viagem dos automóveis; a densidade para automóveis e a densidade de veículos em pelotões) poderiam ser usadas para propor critérios para estimar o nível de serviço em rodovias de pista simples no Brasil. / The Highway Capacity Manual 2010 uses Percent-Time-Spent Following (PTSF) and Average Travel Speed (ATS) to estimate level of service on two-lane rural highways. As it is almost impossible to observe PTSF directly in the field, the literature suggests alternative measures of effectiveness (MOEs) that can be obtained from traffic stream parameters. The objective of this thesis was to analyze MOEs that could adequately describe quality of service on two-lane rural highways in Brazil. Traffic data collected on several roads in the state of São Paulo were used to calibrate and validate the traffic simulation model CORSIM, using a Genetic Algorithm (GA). The recalibrated CORSIM was used to create a synthetic set of traffic data, comprising a wide range of traffic flows and road geometries. Using this synthetic data, several models relating PTSF to \"directly observable\" traffic parameters were developed: percent following (PF), as in the HCM2010; the shockwave theory model proposed by Pursula (1995); the Laval (2006) moving bottleneck model; the Polus and Cohen (2009) queueing model; and a polynomial model. PTSF estimates produced by these models significantly diverged from PTSF values produced by CORSIM, suggesting the need for a new measure of effectiveness. Thus, nine alternative MOEs were analyzed and models relating these MOEs to directional traffic flow were fitted, using the synthetic traffic data set. Comparisons between the values obtained from these models and from the field indicated that three MOEs (average travel speed of cars, density for cars and follower density) could be used to create level of service criteria for two-lane rural highways in Brazil.

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