La infraestructura vial hace parte del componente principal de la movilidad de una ciudad. El aumento acelerado de vehículos en circulación, y de la población en general, ha determinado que la circulación por la malla vial se convierta en un problema cada vez mayor con los consecuentes impactos asociados a:

• Aumento de trancones y de los efectos derivados de la congestión como el ruido, contaminación atmosférica, contribución al efecto invernadero y accidentes.
• Incremento en el consumo de combustibles fósiles.
• Aumento de los tiempos de viaje.
• Dificultades en la asistencia efectiva que otorga el servicio de transporte público de la ciudad.
• Congestión del espacio público disponible, al tener que destinar más al tráfico e infraestructuras.

En el siglo XX no se observaron mayores avances en la eficiencia y la infraestructura vial y de transporte urbano. No obstante, en la actualidad ya se advierten cambios importantes en tal sentido. En efecto, se ha dado origen a una revolución tecnológica en los sectores de vías y transporte a la cual están contribuyendo los avances en temas afines a las tecnologías de manejo de la información (IT – por sus siglas en inglés), los medios de comunicación, las herramientas informáticas para el manejo de datos (big data) y las investigaciones analíticas que se vienen adelantando en estos asuntos.

Por lo anterior, esta unidad aborda los aspectos básicos de la corriente o flujo vehicular con miras a entender sus variables básicas, su interrelación, algunas herramientas de modelación disponibles y los patrones fundamentales del tránsito como insumos básicos para la optimización de carreteras existentes o para desarrollar nuevos proyectos viales y de transporte urbano.

Propósito general

Cuantificar y analizar los volúmenes de tránsito como una herramienta básica para la planeación del transporte, diseño vial y operación/regulación del tránsito.

Propósitos específicos

• Comprender los conceptos fundamentales y algunas particularidades consideradas en la artículación de las fases: planeación – diseño - ejecución - supervisión de estudios concernientes a la determinación del flujo vehicular.
• Identificar las relaciones entre las variables de velocidad, densidad y flujo, necesarias para visualizar la manera cómo estas pueden contribuir a cuantificar los problemas del tránsito vehicular.
• Apropiar el alcance de los estudios de tránsito y los diferentes datos que se pueden levantar en campo, como insumos fundamentales para la optimización de carreteras existentes y la proyección de nuevos proyectos viales.

Los elementos principales en el análisis del flujo vehicular están descritos a través de las variables básicas también conocidas como macróscopicas: velocidad, densidad y flujo de vehículos.

A partir de los vínculos que se pueden dar entre las variables fundamentales es posible caracterizar la corriente vehicular, también denominada flujo vehicular y así pronosticar o inferir los efectos de diferentes alternativas de operación o de diseño del proyecto.

Además, el cálculo de estas tres variables es un insumo fundamental para establecer la característica denominada calidad, dictada en este caso por el nivel de servicio ofrecido a transeúntes y usuarios de un determinado sistema vial.

De manera paralela, estas variables se pueden expresar en función de otros parámetros denominados microscópicos, estos son: espaciamiento, distancia entre vehículos, volumen, intervalo y tiempo.

La solución a los problemas de tráfico normalmente se asocia a los siguientes factores: la topografía del terreno, las propiedades geométricas de las vías y los condicionamientos del flujo vehicular. El conocimiento acertado de las tres variables fundamentales que caracterizan este último: velocidad, densidad y flujo, son la clave para plantear estrategias de operación del tráfico.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá aplicar los conceptos fundamentales relacionados con las variables del flujo vehicular.

Observe el gráfico de pantalla, note que hay dos vehículos consecutivos para los cuales se establecen las siguientes relaciones de tiempo y espacio:

• Se denomina “el paso” al tiempo requerido por vehículo para recorrer su propia longitud.
• Se conoce como “la brecha” (también se usa el término “claro”) a la cantidad de tiempo “libre” que separa dos vehículos. Corresponde al cociente de la distancia entre ellos (comprendida entre la defensa trasera del vehículo más adelantado y la defensa delantera del vehículo que se encuentra detrás) y la velocidad (bien sea la del vehículo que se encuentra más atrás o la del agrupamiento de vehículos si estos se trasladan a una velocidad constante).

Teniendo en cuenta los datos de la figura se puede hacer el siguiente análisis:

Para una agrupación de vehículos movilizándose con una velocidad (v) que relativamente no varía, en un intervalo de tiempo promedio (h) y con un espaciamiento medio (s), se puede establecer la ecuación:

Espaciamiento = Velocidad x Tiempo

s = v * h

En consecuencia, para un determinado grupo de vehículos se puede concluir que las variables denominadas como intervalo promedio, al igual que el espaciamiento medio, están directamente relacionadas por la llamada velocidad media espacial.

Ecuación fundamental del flujo vehicular Al igual que sucede con los fluidos continuos, la corriente o el flujo vehicular se puede expresar a partir de tres elementos básicos: la tasa de flujo q, la velocidad v y la densidad k, así: Tasa de flujo = Velocidad x Densidad: q = v * k

Actividad de aprendizaje

Es tiempo de poner en práctica lo aprendido hasta este punto, desarrolle las siguientes actividades que le permitirán repasar los conceptos fundamentales del flujo vehicular y realizar el caso de estudio.

El objetivo final de la ingeniería de tránsito es optimizar la operación de carreteras existentes y procurar la incorporación de parámetros de diseño que hagan más eficientes los sistemas viales y de transporte. En ambos casos es necesario utilizar modelos de flujo vehicular.

En general, existen tres enfoques teóricos para modelar el flujo vehicular (Álvarez Méndez, 2014):

• Los modelos macroscópicos. En este caso la corriente vehicular se modela como si se tratara de líquidos o gases en movimiento, razón por la cual se denominan modelos hidrodinámicos. Permiten simular el fenómeno del congestionamiento de una carretera o la velocidad de propagación de las ondas del tránsito. Los principales factores que son representativos en esta tipología de modelos son: la densidad de tránsito r(x,t), el flujo f(x,t) y la velocidad promedio n(x,t). Entre los modelos macroscópicos se destacan los modelos lineales los cuales suponen una relación directamente proporcional (es decir, lineal) entre los parámetros de velocidad (v) y la densidad (k).
• Los modelos microscópicos. Como parte de la simulación del flujo vehicular se analiza lo que pasa con cada vehículo considerado de manera independiente por unidad de tiempo. Esto significa incluir en el análisis las maniobras a cargo de cada conductor tales como la aceleración, frenado, cambio de carril, entre otros.

  Los modelos microscópicos se pueden estudiar a partir de simulaciones tipo car-following y autómatas celulares. Entre las variables a tener en cuenta para la simulación están las siguientes: la posición de los vehículos X(t), su velocidad V(t) y la aceleración (t).

• Los modelos cinéticos. En este caso las simulaciones de tránsito vehicular se realizan con un enfoque híbrido que involucra los modelos microscópicos y macroscópicos. En general, lo que se hace en la práctica es analizar las secciones críticas de la malla vial a través de modelos microscópicos y en el resto del sistema vial emplear modelos macroscópicos. Además, se utilizan ecuaciones cinéticas de Boltzmann para el análisis de la corriente vehicular.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad relacionada con la aplicación de conceptos sobre tipos de modelos de flujo vehicular.

Los estudios o investigaciones sobre volúmenes de tránsito (conteos o aforos en ciertos períodos) se realizan con el objeto de contar con datos confiables sobre el desplazamiento de vehículos o personas en determinados puntos de la red vial. Dicha información es fundamental para optimizar la operación de algunas carreteras existentes o realizar los diseños de nuevos proyectos viales.

El conteo, también llamado aforo (para vehículos o ciclistas o pasajeros o peatones) permite obtener datos de las siguientes variables básicas. Revise dentro de la Ampliación temática un ejercicio sencillo para ilustrar la relación existente entre las variables fundamentales de los estudios de tránsito, a saber: Volumen, tasa de flujo, demanda y capacidad.

Para realizar un estudio de tránsito (conteo de vehículos/personas) se sigue una metodología específica dependiendo de las condiciones del sistema vial.

Frecuentemente en las investigaciones de volúmenes de tránsito vehicular es importante estimar la composición y variación de los distintos tipos de vehículos que utiliza una vía. Por ejemplo, en los países desarrollados que presentan un grado superior de motorización, sucede que el volumen de autobuses y camiones constituye una proporción menor. En contraste, en los países en proceso de desarrollo se registra un volumen mayor de vehículos grandes y despaciosos. Es el caso de países latinoamericanos como México y Colombia, cuya composición del flujo vehicular, en el sector rural, registra las siguientes cifras: 60% automóviles, 10% autobuses y 30% camiones, con un error porcentual de 10%, asociado a factores como el tipo de carretera, la hora de medición y el día de la semana en que se realicen los conteos.

Observe en la siguiente interactividad las fases para el estudio de tránsito.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad relacionada con la aplicación de los siguientes conceptos: volumen, tasa de flujo, demanda y capacidad.

Material de apoyo

Los volúmenes de tránsito se pueden expresar de manera absoluta (totales), promedios diarios o de manera horaria.

Volúmenes de tránsito absolutos o totales

Indican la cantidad total de vehículos que circulan para un intervalo de tiempo dado a través de un punto específico de una vía. La denominación que puede tener este indicador depende de la duración del conteo (T):

• Tránsito anual (TA), cuando T es igual a un año.
• Tránsito mensual (TM), cuando el tiempo es un mes.
• Tránsito semanal (TS), cuando la ventana de observación es de una semana.
• Tránsito diario (TD), para conteos en un día completo.
• Tránsito horario (TH), cuando se mide en un intervalo de una hora completa.
• Tránsito en un período inferior a una hora (Qi). Ejemplo: se conoce como Q₁₅ al volumen de tránsito total en un término de 15 minutos.

Volúmenes de tránsito promedio-diarios (TPD)

Es equivalente a la cantidad total de vehículos (N) los cuales transitan a través de un punto determinado de una vía durante un tiempo específico (T, en días enteros) mayor a un día y menor a un período de 365 días (1 año):

El término que se utiliza con frecuencia es Tránsito Promedio Diario-Anual (TPDA) que es igual a TPD/365.

Volúmenes de tránsito horarios

Sobresalen los volúmenes mostrados a continuación que corresponden a tránsito horario, expresados en vehículos por hora:

• Volumen horario máximo anual (VHMA): corresponde al flujo en la hora en que se presenta el máximo aforo de vehículos en un año.
• Volumen horario de máxima demanda (VHMD): está relacionado con la máxima demanda en un día.
• Volumen horario-décimo, vigésimo, trigésimo-anual (10VH, 20VH, 30VH): expresa el volumen horario en un año, que es excedido por 9, 19 y 29 volúmenes horarios, respectivamente.
• Volumen horario de proyecto (VHP): es utilizado para definir las características geométricas de una carretera.

Revise el siguiente ejemplo sobre los conceptos fundamentales de los volúmenes de tránsito absolutos o totales y los volúmenes de tránsito promedio diarios y cómo estos se pueden aplicar en un estudio de tránsito de una determinada vía.

Dentro de los Esquemas interactivos podrá conocer los diferentes usos de los volúmenes de tránsito de acuerdo con la unidad de tiempo y los intereses del ingeniero proyectista.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá aplicar los conceptos fundamentales de volúmenes de tránsito y sus diferentes usos.

Es común que al momento de estudiar el comportamiento del flujo vehicular en determinada vía no se cuente con la información histórica suficiente que permita estimar el valor de determinadas variables. Para resolver este inconveniente existen métodos que hacen posible cuantificar dichas variables:

1. Volumen horario de proyecto en función del tránsito promedio diario anual.

   En los estudios de optimización de la operación de carreteras existentes o de construcción de nuevas vías, el volumen horario-de-proyecto (VHP) para un año horizonte de diseño se puede estimar a partir del tránsito promedio diario anual TPDA, utilizando la siguiente ecuación:

   
   

   VHP = k (TPDA)

   
   

   Siendo k = el valor esperado del cociente entre el volumen de la n-ava hora máxima seleccionada y el TPDA del año de diseño de referencia del proyecto. En estos casos se suele utilizar el volumen de la 30ava hora, estimado al futuro para fines de la proyección.

   
   

2. Volúmenes de tránsito promedio diario anual (TPDA) en función del tránsito promedio diario semanal (TPDS).

   Revise el siguiente ejemplo donde podrá realizar el cálculo del TPDA a partir del TPDS.

Durante el proceso de evaluación de la información disponible para la optimización de la operación de una carretera o el diseño de una nueva, en muchas ocasiones no existen datos históricos de tránsito vehicular confiables, en términos de la frecuencia de medición de estos y del número de variables involucradas.

Los ingenieros proyectistas deben acudir a métodos opcionales que permitan la estimación de las variables fundamentales del flujo vehicular.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá aplicar los conceptos fundamentales del cálculo ajuste de volúmenes de tránsito.

El propósito fundamental de la ingeniería de tránsito es diagnosticar la problemática de los sistemas viales, optimizar su operación y contribuir a hacer que los nuevos proyectos viales sean eficaces y eficientes.

En esta unidad se hizo un análisis de las variables principales del flujo vehicular, denominadas también como macroscópicas: (1) flujo – (2) velocidad – (3) densidad, las cuales también se pueden expresar en función de las variables microscópicas: (4) volumen – (5) intervalo – (6) espaciamiento – (7) distancia – (8) tiempo.

Partiendo de estas variables se dimensionan las propiedades y el dinamismo del tránsito o flujo, elementos fundamentales para alcanzar los siguientes objetivos:

• El planteamiento, proyecto y operación de cualquier tipo de carretera y sus obras conexas y complementarias.
• Diagnóstico de la calidad o nivel de servicio de un sistema vial o parte de este.
• Análisis de la corriente de tránsito con miras a pronosticar en cada caso los efectos que pueden tener diferentes alternativas de solución a los problemas de movilización.

Para conseguir estos objetivos, resulta de suma importancia simular las condiciones de tránsito a través de modelos de dinamismo vehicular (flujo). En general, estos se clasifican como macroscópicos, microscópicos y cinéticos.

Como insumo básico para poder llevar a cabo los análisis y predicciones, es necesario hacer conteos o aforos de vehículos o personas durante un período determinado en las carreteras objeto de estudio. En este caso, se habla de estudios de tránsito (conteo de vehículos / personas) para lo cual se sigue una metodología específica establecida por las autoridades de tránsito.

De otro lado, los volúmenes de tránsito pueden ser absolutos (o totales), promedios diarios, horarios o medidos en un tiempo inferior a una hora. De esta manera, existe variedad de indicadores de volúmenes. De estos, el volumen de tránsito-promedio-diario más utilizado es el Tránsito-Promedio-Diario-Anual (TPDA) equivalente al cociente entre la cantidad total de vehículos (N) que transitan en un año dado (en días completos) y los días del año, es decir:

TPDA = N/365.

Actividad de aprendizaje

Para finalizar esta unidad, le invitamos a realizar una actividad sobre las variables del flujo vehicular y un caso de estudio donde podrá aplicar y reforzar los conceptos aprendidos.