Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma Moottoriteiden palvelutaso HCM 2010:ssä Liikennevirran ominaisuudet, kevät 2016 Ryhmä 1 Josefiina Saarnikko Teemu Suksi Sampo Salojärvi
1 1 Johdanto Moottoriteiden välityskyvyllä ja palvelutasolla on mahdollista analysoida niiden yleistä sujuvuutta ja tienkäyttäjän liikennekokemusta. Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian (NAS) alainen Transportation Research Board (TRB) on julkaissut kokoelman Highway Capacity Manual (HCM) 2010, joka on kokoelma ohjeita ja laskentamenetelmiä erilaisten tieosuuksien välityskykyjen ja palvelutasojen määrittämiseksi. Erotuksena Suomen käytännöstä amerikkalaisen Highway Capacity Manualin määritelmän mukaan moottoritie on valtatie, jossa on molempiin suuntiin vähintään kaksi kaistaa. Kyseiset valtatiet on suunniteltu ainoastaan jatkuvasti liikkeessä olevalle moottoriajoneuvoliikenteelle ja tästä johtuen muu liikenne on ohjattu omille väylilleen ja risteäminen näiden väylien kanssa tapahtuu eri tasossa. Liittymät täytyy varustaa rampeilla jotta liittyminen ja poistuminen eivät vaadi pysähtymistä. Tämän lisäksi moottoriteiden yleisenä tunnusmerkkinä on myös toisistaan erotetut ajosuunnat. Highway Capacity Manualissa moottoritien palvelutaso määrittyy läpi ramppien tiheyden, kaistanleveyden, piennarleveyden, kaistojen lukumäärän, tien mäkisyyden, nopeusrajoituksen ja liikennevirtojen vaikutusten mukaan. Palvelutasot on määritelty asteikolla A F siten, että paras mahdollinen tielle annettava palvelutaso on A ja huonoin hyväksyttävä palvelutaso E. Tämä tarkoittaa sitä että palvelutaso F merkitsee hylättyä. 2 Moottoritieosuuden määrittely 2.1 Yleistä Moottoriteiksi kutsutaan valtateitä, joihin pääsy on täysin hallittu ja jotka koostuvat joka suuntaan vähintään kahdesta täysin liikenteelle omistetusta kaistasta. Moottoritiet koostuvat liikenteellisesti eri tavalla käyttäytyvistä osuuksista, joita voidaan analysoida kapasiteetin ja palvelutason (LOS, level of service) määrittämiseksi. Moottoritien osuudet voidaan määritellä seuraavasti: Moottoritien liityntä- ja poistumisosuudet: Osuudet, joissa liikennevirta yhdistyy pääliikennevirtaan tai eriytyy siitä. Moottoritien sekoittumisosuudet: Osuudet, joissa samaan pääsuuntaan kulkevat liikennevirrat risteävät ilman liikenteenohjauslaitteiden apua. Yhdistyvä ja eriytyvä liikennevirta käyttävät siis hetkellisesti samaa kaistaa.
2 Moottoritien perusosuudet: Kaikki osuudet jotka eivät lukeudu yllä mainittuihin osuuksiin. 2.2 Osuuksien vaikutusalueet Eri moottoritieosuuksien vaikutusalueet on tärkeä ymmärtää erilaisten analyysien suorittamiseksi. Osuuksien vaikutusalueet määritellään seuraavasti: Sekoittumisosuus: Koostuu sekoittumisosuuden pituudesta sekä osuuksista, jotka ovat 150 metriä (500 jalkaa) ylävirtaan ja 150 metriä (500 jalkaa) alavirtaan sekoittumisosuuden sisään ja ulostulosta. Liityntäosuus: Koostuu alueesta jossa yhdistyvien kaistojen reunat kohtaavat alavirtaan 460 metrin (1500 jalkaa) pituudelta. Poistumisosuus: Koostuu alueesta jossa yhdistyvien kaistojen reunat kohtaavat ylävirtaan 460 metrin (1500 jalkaa) pituudelta. Perusosuus: Vaikutusalue koostuu yllä mainittujen luokitusten ulkopuolelle jäävistä alueista. Pisteet, joissa kaistojen reunat kohtaavat on useimmiten merkitty tiemerkinnöin. Kuvassa 1 on havainnoitu eri moottoritieosioiden vaikutusalueita visuaalisesti. Kuva 1. Moottoritieosuuksien vaikutusalueet HCM 2010 mukaan (Transportation Research Board 2010a).
3 3 Vapaa nopeus Vapaalla nopeudella tarkoitetaan teoreettista nopeutta kun tutkittavan tieosuuden tiheys ja välityskyky ovat molemmat nolla. Vapaa nopeus on tärkeä suure moottoritieosuuksien analyysissa sillä kapasiteetti, palvelu välityskyky, palvelu volyymi ja päivittäinen palvelu volyymi kaikki riippuvat vapaasta nopeudesta. Vapaiden nopeuksien mittaaminen kenttäolosuhteissa on mahdollista, sillä moottoriteiden vapaan nopeuden oletetaan vallitsevan silloin kun välityskyky on välillä 0-1000 ajon/h/kaista. Tämä merkitsee sitä että kyseisellä välillä välityskyky ei vaikuta nopeuteen. Vapaata nopeutta on myös mahdollista arvioida laskennallisilla menetelmillä jos sitä ei voida suoraan mitata. Perus moottoritieosuuden vapaa nopeus on altis seuraaville kolmelle muuttujalle: kaistaleveys vapaa sivusuuntainen leveys ramppitiheys. (Transportation Research Board 2010b.) Kriittisin näistä muuttujista on ramppitiheys. Ramppitiheys määritellään sisään- ja ulostulo ramppien sekä suurimpien liityntä- ja poistumisliittymien yhteiskeskiarvona kilometrille tai vaihtoehtoisesti mailille. Tiheys määritetään 10 kilometrin (6 mailia) moottoritieosuudelta, 5 kilometriä (3 mailia) ylä- ja alavirtaan tutkittavan osuuden keskipisteestä. 4 Palvelutason määrittely Moottoriteiden palvelutaso määritetään liikennetiheyden perusteella, joka on yksi perusmuuttujista liikennevirran kuvaamiseen liikennemäärän, välityskyvyn ja nopeuden lisäksi. Liikennetiheys määräytyy liikennemäärän ja välityskyvyn mukaan ja se lasketaan kaikille moottoritieosuuksille erikseen. Määritetyn moottoritiealueen (defined facility) keskimääräisen liikennetiheyden voi laskea eri osuuksien liikennetiheyksistä painotetun keskiarvon avulla seuraavalla kaavalla: D F = n i=1 n i=1 D il i N i L i N i missä DF = moottoritien keskimääräinen liikennetiheys (ajoneuvoa / maili / kaista),
4 Di = osuuden i liikennetiheys (ajoneuvoa / maili / kaista), Li = osuuden i pituus (jalkoina), Ni = osuuden i kaistojen lukumäärä ja n = määritetyn moottoritiealueen osuuksien lukumäärä. Palvelutaso voidaan arvioida moottoritien keskimääräisestä liikennetiheydestä taulukon 1 mukaisesti. Taulukko 1. Moottoriteiden palvelutason määrittäminen liikennetiehyden perusteella (Transportation Research Board 2010a). Palvelutaso Liikennetiheys (ajoneuvoa / maili / kaista) A 11 B 11 18 C 18 26 D 26 35 E 35 45 F > 45 tai jos vd/c > 1,00 Palvelutason määrittely tulee tehdä huolellisesti ja kriittisesti, sillä moottoritien liikennetiheys (ja siten myös palvelutaso) on laskettu painotetun keskiarvon avulla, mikä saattaa aiheuttaa ongelmia yksittäisille moottoritieosuuksille, etenkin jos niiden palvelutasoksi on laskettu F. (Transportation Research Board 2010a.) 5 Palvelutason määrittämisen periaate HCM 2010:ssä moottoritien palvelutason arviointiin liittyy seitsemän laskentavaihetta. Laskenta kulkee siten, että ensin määritellään lähtöarvot laskentaa varten. Tämän jälkeen sovitetaan liikenteen kysyntä osioittain ja aikaväleittäin väylälle liittyvän ja sieltä poistuvan liikenteen mukaan. Seuraavaksi lasketaan moottoritien eri osuuksien välityskyvyt ja liikenteen kysyntä alustavasti. Näiden jälkeen lasketaan osioittain liikenteen kysynnän ja välityskyvyn suhdeluku. Tämä suhdeluku lasketaan soluille, jotka muodostuvat tien osista, jotka kukin on jaettu aikaväleihin. Tämän laskentavaiheen perusteella lasketaan osioiden palvelutasot. Laskenta on yksinkertaista, mikäli
5 kunkin osion kysyntä-välityskykysuhde on pienempi kuin 1. Mikäli näin ei ole, tulee jonoutumista sekä muita ylikysynnästä aiheutuvia ilmiöitä tutkia erikseen tieosuudella. Lopuksi määritellään koko tieosuuden palvelutaso, joka on yhdistelmä osioiden palvelutasoista. (Transportation Research Board 2010a.) Laskennan ensimmäisessä vaiheessa määritetään laskentaa varten lähtötiedot, joita ovat liikenteen arvioitu kysyntä ja sen koostumus ajan ja paikan funktiona, sekä tieosuuden geometria, eli kaistojen määrä, niiden leveys, pientareen leveys, mäkisyys, vapaa nopeus sekä ramppien määrä, sijainnit sekä tiheys. Lähtötiedot määritetään siten, että analysoitava tie jaetaan osuuksiin kysynnän vaihtelun mukaan. Käytännössä siis jokainen sisääntulo- tai poistumisramppi määrittelee osuuden rajan. Koska laskentaparametrit muuttuvat myös ajan suhteen, jaetaan osuudet vielä aikaväleihin. Osuudet ja aikavälit muodostavat aika-paikkakaavion, jonka jokaisen solun palvelutaso määritetään erikseen. Kuva 2. Analysoitavasta tieosuudesta muodostettu aika-paikkakaavio (Transportation Research Board 2010a). Koska liikennevirtamallissa joka hetki saapuvan liikenteen määrän ja tieosuudelta poistuvan liikenteen määrän tulee olla yhtä suuret, vaiheessa 2 liikenteen arvioitu kysyntä arvioidaan aikapaikkakaavion soluittain saapuvan ja poistuvan liikenteen määrien avulla. Liikenteellinen kysyntä pyritään arvioimaan aikaväleittäin kullekin osiolle.
6 Kolmannessa laskentavaiheessa jokaisen aika-paikkakaavion solun välityskyky lasketaan erikseen, kuten HCM 2010:n luvuissa 11 13 on esitetty. Tässä vaiheessa myös sisääntulo- ja poistumisramppien kapasiteetit määritetään. Neljännessä vaiheessa osioiden laskettuja välityskykyjä säädetään välityskykyä vähentävien tekijöiden huomioon ottamisella. Näitä tekijöitä ei otettu huomioon vaiheen 3 välityskykylaskelmissa. Välityskykyä alentavia tekijöitä ovat raskaan liikenteen määrä, liittymätiheys, kaistanleveys, tietyöt, onnettomuudet, sekä sääolot ja eri viikonpäivien vaikutus. Viidennessä vaiheessa jokaiselle vaiheen 1 aika-paikkakaavion solulle määritetään kysynnän ja välityskyvyn suhdeluku vaiheessa 2 laskettujen kysyntöjen ja vaiheessa 4 laskettujen välityskykyjen avulla. Laskenta kulkee siten, että jokaisen tieosuuden jokainen aikaväli käydään läpi järjestyksessä. Kun jokaisen solun suhdeluku on määritetty, nähdään, onko liikennemäärä koko tarkasteluosuudella pienempi kuin välityskyky (kaikkien solujen suhdeluku pienempi kuin 1), vai onko tarkasteluosuudella osioita, joiden välityskyvyt ovat ylittyneet (joidenkin solujen suhdeluku yli 1). Tämä vaikuttaa suuresti sekä tulosten paikkaansa pitävyyteen sekä laskentojen jatkoon. Mikäli jokaisen solun suhdeluku on alle 1, ovat tulokset varmemmin paikkaansa pitäviä. Tällöin liikenteen saapumis- ja poistumisvirta on joka solussa yhtä suuri, ja tieosuuden arvioitu liikennetiheys ja keskinopeus voidaan määrittää HCM:n kappaleiden 11 13 periaatteiden mukaisesti. Mikäli tarkasteluosuudella on soluja, joiden kysynnän ja välityskyvyn suhdeluku on suurempi kuin 1, muuttuu laskenta monimutkaisemmaksi. Nyt tieosuus sisältää pullonkauloja, ja tieosuudella täytyy tarkastella jonoutumista ja sen aiheuttamia vaikutuksia siirtämällä liikennettä ylikuormitetusta solusta edeltäviin soluihin siten, että suhdeluku joka solussa on korkeintaan 1. (Transportation Research Board 2010a.) Viimeisessä laskentavaiheessa koko tarkasteluosuuden palvelutaso määritetään aika-paikkakaavion solujen palvelutasojen avulla. Palvelutaso määritetään siten, että jokaisen tieosuuden liikennetiheys määritetään ottamalla huomioon jokaisen aikavälin liikennetiheys, minkä jälkeen koko tieosuuden palvelutaso lasketaan tieosuuksien liikennetiheyksien tieosuuksien pituuksilla painotettuna keskiarvona.
7 6 Yhteenveto Moottoritien palvelutason määrittämine on yksinkertaisimmillaan hyvin suoraviivainen prosessi. Kuitenkin laskelmat muuttuvat nopeasti monimutkaisiksi ja työläiksi mikäli tarkastavalla tieosuudella havaitaan palvelutason ylityksiä. Laskut vaativat aikaa ja vaivaa sillä moottoritiet koostuvat liikenteellisiltä ominaisuuksiltaan toisistaan eroavista osuuksista. Olosuhteet muuttuvat sekä paikan että ajan suhteen. Highway Capacity Manual tarjoaa laskentamenettelyn palvelutason määrittämiseksi, joka on havaittu hyvin toimivaksi vuosien kehityksen ja tutkimustyön tuloksena. Laskentamenettelyn vahvuuksina voidaan pitää laajaa tiegeometrian ominaisuuksien huomioon ottamista sekä kapasiteetin määrittämistä jokaiselle liikenneominaisuuksiltaan eroavalle tieosuudelle erikseen. Kapasiteettia voidaan säätää vastaamaan erilaisia erikoistilanteita kuten tietöitä, kolareita sekä sääolosuhteita.
8 Lähteet Transportation Research Board. 2010a. Highway Capacity Manual 2010. Chapter 10, Freeway Facilities. Transportation Research Board. 2010b. Highway Capacity Manual 2010. Chapter 11, Basic Freeway Segments.