Otimização da trajetória de ônibus para regularização de intervalos por meio de retenção em estações e de controles de velocidade e semafórico

Abstract

Apresentam-se resultados da aplicação de método de atuação ótima do controle da operação para regularizar os intervalos entre ônibus de uma mesma linha. Supondo que um controlador de intervalos gerencie a operação dos ônibus definindo instantes alvo de chegada na próxima estação para cada ônibus, o problema é como implementar as decisões de controle para o ônibus em termos de três ações alternativas não exclusivas: reter o ônibus nas estações; variar a velocidade dos ônibus; e controlar os semáforos. Para este fim, especificou-se modelo de trajetória dos ônibus que se desejava controlar com base em restrições usando linguagem de programação matemática. Os objetivos operacionais foram formulados como uma função de custo multiobjetivo que exprime cinco diferentes critérios de desempenho: (i) precisão em cumprir o instante alvo de chegada; (ii) menor ajuste semafórico; (iii) menor tempo de retenção nas estações; (iv) menor tempo de atraso semafórico; e (v) reduzir a variabilidade da velocidade ao longo do itinerário. O problema resultante da combinação das restrições com a função multiobjetivo foi resolvido por método lexicográfico. Resultados da aplicação do método em um único segmento entre duas estações no controle da trajetória de um único ônibus mostraram a superioridade da solução tanto para cumprimento do instante alvo de chegada como da redução da variação dos tempos de viagem. Estudos com casos de vários ônibus operando em itinerários com muitas estações foram realizados com base em dois ambientes de simulação. No primeiro caso, modelou-se em simulador comercial uma linha de ônibus completa na Cidade de Quebec, Canadá, permitindo mostrar a vantagem da atuação ótima sobre a simples retenção nas estações ou, até mesmo, a atuação combinada de retenção nas estações e prioridade semafórica absoluta. No segundo caso, desenvolveu-se simulador próprio computacionalmente mais eficiente, facilitando a implementação de estratégia de controle preditivo baseado em modelo, bem como permitindo melhor acesso às informações das simulações. Neste simulador, modelou-se uma linha de ônibus com operação circular. A comparação da atuação ótima com a atuação por simples retenção nas estações ou a atuação combinada de retenção nas estações e prioridade semafórica absoluta mostrou a superioridade da solução proposta tanto em regularidade de intervalos quanto em velocidade comercial para diversas estratégias de controle de intervalo, com a contrapartida de demandar mais ajustes nos tempos semafóricos. Testes de variação de parâmetros evidenciaram a importância do ajuste correto de parâmetros, sendo que algumas estratégias de controle testadas se mostraram mais sensíveis que outras. Por fim, testou-se a integração do controle preditivo de intervalos com a atuação ótima em um único modelo, revelando resultados mais promissores do que todas as demais estratégias de controle testadas. Entretanto, por limitação computacional diante da complexidade do modelo obtido, os testes foram executados com horizonte de predição curto, limitando o alcance das conclusões acerca dos ganhos de desempenho.

Abstract: We present the results of the application of an optimal actuation control method to regulate the headways between buses of the same line. Assuming that an headway controller manages bus operation by defining target arrival times at the next station for each bus, the problem is how to implement control decisions for the buses in terms of three non-exclusive alternative actions: holding the bus at stations, varying bus speeds, and controlling traffic lights. To this end, a bus trajectory model was specified based on constraints using mathematical programming language. The operational objectives were formulated as a multi-objective cost function that expresses five different performance criteria: (i) accuracy in meeting the target arrival time; (ii) minimization of traffic light adjustments; (iii) minimization of holding time; (iv) minimization of delay at traffic light; and (v) reducing the variability of speed along the itinerary. The problem resulting from the combination of constraints and the multi-objective function was solved by a lexicographic method. Results from the method's application in a single segment between two stations in controlling the trajectory of a single bus highlight the properties of the solution for both meeting the target arrival time and reducing the variation of travel times. Studies with cases of multiple buses operating on itineraries with many stations were carried out based on two simulation environments. In the first case, a complete bus line in Quebec City, Canada, was modeled in a commercial simulator, allowing to show the advantage of optimal actuation over simple holding or even the combined actuation of holding and unconditional transit signal priority. In the second case, a more computationally efficient simulator was developed, facilitating the implementation of a model-based predictive control strategy, as well as allowing better access to simulation information. In this simulator, a circular bus line was modeled. The comparison of optimal actuation with simple holding or the combined actuation of holding and absolute traffic light priority showed the superiority of the proposed solution in terms of headway regularity and commercial speed for various headway control strategies, with the counterpart of requiring more adjustments in traffic light timings. Parameter variation tests highlighted the importance of correctly adjusting parameters, with some control strategies tested being more sensitive than others. Finally, the integration of predictive headway control with optimal actuation was tested in a single model, revealing more promising results than all other control strategies tested. However, due to computational limitations in the face of the complexity of the model obtained, the tests were performed with a short prediction horizon, limiting the scope of conclusions about performance gains.