En muchas ciudades del mundo cada día que pasa incrementan las horas gastadas o perdidas en los trancones viales, situación que es común a países desarrollados y en vía de desarrollo (B V, 2019).

Ante esta situación existe una alternativa que cada vez toma mayor fuerza: la movilidad sostenible o sustentable. En tal sentido, el centro de soluciones de Conduent Transportation investigó en un estudio reciente las siete causas más frecuentes relacionadas con la congestión vial (Transportation, 2019):

• Causa 1. La capacidad vial ha alcanzado niveles de saturación.
• Causa 2. No se cuenta con alternativas óptimas a la hora de conducir.
• Causa 3. Peajes en efectivo. En Chile existe un sistema de pago denominado televía o tag que viene operando desde el año 2012.
• Causa 4. No existe conciencia o inteligencia vial por parte de los conductores.

Se pueden establecer las condiciones apropiadas para transitar a una velocidad adecuada, por ejemplo, a través de la provisión de resaltos (los policías acostados en nuestro medio) en la vía.

• Causa 5. No hay políticas orientadas a dar prioridad al transporte público. En muchos casos los automotores que prestan el servicio de transporte público ocupan los mismos carriles utilizados por los vehículos particulares.
• Causa 6. El sistema de semaforización no es objeto de permanente optimización.
• Causa 7. No hay parqueaderos disponibles ubicados estratégicamente. Al respecto, se ha establecido que el 30% de la congestión vial tiene su origen en vehículos que están buscando la manera de estacionar.

Propósito general

Dimensionar el alcance de los estudios de tiempos de viaje y estudios de demora como insumo fundamental para evaluar la efectividad de los movimientos vehiculares sobre una ruta y pronosticar las demoras en términos de la ubicación, tipo e importancia.

Propósitos específicos

• Comprender los conceptos básicos relacionados con la capacidad vial y el nivel de servicio de una carretera, su interrelación y cómo estos se pueden utilizar para diagnosticar la operación de sistemas viales actuales y pronosticar el congestionamiento de los mismos.
• Identificar los aspectos básicos del manual de capacidad y niveles de servicio para carreteras de dos carriles del Instituto Nacional de Vías (INVÍAS) y el manual de capacidad de carreteras de Estados Unidos (HCM), como herramientas básicas para atender los problemas operativos de vías existentes y diseñar nuevos proyectos.
• Entender el paso a paso para el cálculo de la capacidad vial y los niveles de servicio de una vía o sector de la misma, como una manera de entender los factores que intervienen en los problemas del tránsito.

Una de las mejores maneras de mediar la eficiencia (cómo atiende la demanda) de la operación de un sistema vial es la “capacidad u oferta”, la cual se refiere a la tasa máxima de flujo horario esperada de los vehículos o personas en una sección específica de una vía (calzada), supeditada a ciertas condiciones tales como la infraestructura, el ambiente, el tránsito vehicular y los dispositivos que controla el tráfico (marcas, señales y semáforos, entre otros).

En este orden, aparece el parámetro denominado “congestión” que tiene su origen en el hecho de que el sistema no tiene una capacidad ilimitada y también en que existe un comportamiento aleatorio por parte de la demanda exigida y el flujo vehicular.

En general, se afirma que las demoras tienen dos posibles causas: los dispositivos empleados para controlar la corriente vehicular provocan su interrupción y los retrasos inherentes al tránsito de los automotores bajo condiciones de flujo continuo.

Las demoras y las colas asociadas a la congestión constituyen el fenómeno de espera el cual forma parte intrínseca de la corriente de tránsito.

Se considera que una cola tiene su origen en el momento que los vehículos arriban a una estación de servicio, tales como: una zona de parqueadero, una intersección señalizada (semáforos) o sin estas, una reducción del carril (conocido como cuellos de botella), un acceso de entrada a una autopista, un carril de retorno, entre otros.

Conozca ¿Cómo se configura una cola?

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá aplicar los conceptos fundamentales de congestión, demoras y colas, y niveles de servicio.

La congestión se puede abordar por medio de análisis determinístico o probabilístico de los alineamientos de turno para continuar la circulación:

Análisis determinístico

Como ejemplos de un fenómeno de espera se encuentran:

• Las intersecciones con semáforos, donde siempre se formarán colas de vehículos debido al tiempo de permanencia de la luz roja.
• Los cuellos de botella, que toman lugar en aquellos sectores de la vía donde se disminuye su ancho (a un número menor de carriles), de tal forma que la capacidad µ (salidas) de este es menor que la demanda vehicular λ (llegadas) que existe al inicio del cuello de botella.

Análisis probabilístico

• El primero se relaciona con una estación de servicio, donde las llegadas responden a una distribución de Poisson. En este caso los tiempos de servicio se consideran exponenciales y existe una disciplina de servicio, esto es “se atiende primero al que llega primero”. Este modelo tiene un régimen denominado M/M /1.
• El segundo corresponde a una serie de estaciones, con llegadas servidas que responden a una distribución de Poisson. Como en el caso anterior, los tiempos de servicio se consideran exponenciales y existe una disciplina de servicio, esto es “el primer automotor se desplaza a la primera estación de servicio desocupada”.

De forma similar como ocurre con el modelo de una sola estación, el fenómeno de espera funciona bajo el régimen M / M / K, siendo K el número de estaciones de servicio vacantes.

Analice el siguiente ejemplo práctico sobre el fenómeno de espera y análisis determinístico.

Actividad de aprendizaje

Es momento de realizar la siguiente actividad relacionada con el análisis de la congestión y los sistemas de líneas de espera.

La capacidad vial u oferta es un indicador utilizado para medir la eficiencia del funcionamiento de un sistema vial, en términos de la forma como se atiende la demanda. En este orden, la capacidad (qm) corresponde a la tasa máxima de flujo que está en capacidad de atender una calle o carretera.

Asimismo, la capacidad de una infraestructura vial corresponde a la tasa máxima de flujo esperada de los vehículos o personas en una sección específica de una vía (calzada), en un tiempo establecido. Su estimación debe tener en cuenta los siguientes aspectos, conocidos también como condiciones prevalecientes o reales:

1. Las condiciones de dicha infraestructura (geometría de la vía).
2. El ambiente (clima, visibilidad y el uso del suelo).
3. El tránsito (su composición, sentido del flujo).
4. Los dispositivos de control (semáforos, señales restrictivas y controles de las velocidades límite).

En este orden, para el análisis de la capacidad de una vía es necesario tener en cuenta las condiciones base o ideales que deben ser objeto de ajuste para obtener las condiciones prevalecientes. De manera general, se plantea las siguientes ecuaciones con doble enfoque:

• Condición prevaleciente = (Condición Base) – (Ajuste)
• Condición prevaleciente = (Condición Base) * (Ajuste)

En general, tanto el flujo como la capacidad, en condiciones prevalecientes, corresponden a vehículos mixtos/hora para el sector de la carretera o calle objeto de estudio.

El nivel de servicio es un indicador de la calidad del tránsito vehicular (eficiencia) en un tramo específico de la carretera o calle.

El nivel de servicio está relacionado con las circunstancias de operación de una corriente vehicular y la percepción por parte de los usuarios. Tales condiciones se pueden expresar en función de parámetros como la velocidad, el tiempo que toma el recorrido, las posibilidades de maniobrar, el confort, la ventaja y la seguridad de la vía.

Conozca las causas internas o externas que pueden incidir en el nivel de servicio.

Actividad de aprendizaje

Resuelva el siguiente ejercicio relacionado con la capacidad vial y el nivel de servicio.

Datos de entrada y método de cálculo de capacidad

Este análisis en una carretera o calle requiere conocer previamente ciertos datos de entrada.

Un tramo de una carretera o calle se puede caracterizar por tres parámetros de eficiencia, a saber: la densidad (vehículos / km / carril), la velocidad media de los automóviles y la relación volumen/capacidad (V/C), las cuales son indicadores de la manera como la corriente vehicular es atendida o acomodada en la vía. Observe los niveles de servicio vs densidad.

Requisitos que definen las condiciones base o ideales de operación de una carretera de dos carriles en Colombia

• Repartición del tránsito por igual en ambos sentidos.
• Terreno plano y rasante horizontal.
• Carriles de no menos de 3.65 metros de ancho.
• Bermas de no menos de 1.80 metros de ancho, con superficie de rodadura de calidad inferior a la de la calzada y distinta inclinación.
• Superficie de rodadura en condiciones óptimas.
• Alineamiento recto.
• Ausencia de vehículos pesados.
• Visibilidad adecuada para adelantar.
• Señalización horizontal y vertical óptima.

Revise los factores de corrección para la determinación de la capacidad y niveles de servicio de carreteras de dos carriles en Colombia dentro de los Esquemas interactivos.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá repasar varios conceptos de la capacidad vial de acuerdo con el Manual de capacidad y niveles de servicio del INVÍAS.

La estimación del nivel de servicio es realizada en una vía de dos carriles, escogiendo como indicador principal de efectividad la velocidad promedio de viaje, la cual corresponde al cociente entre la longitud de la carretera y el tiempo promedio de recorrido.

Factores que inciden en el nivel de servicio

El concepto de nivel de servicio es aplicable a un tramo específico o representativo de una vía o calle. El tramo de estudio al cual se le quiere calificar el nivel de servicio puede tener variaciones en su operación, en distintos puntos, dependiendo del comportamiento de la corriente vehicular o de la capacidad de la vía. En el caso del flujo, este puede variar en función de los volúmenes de automóviles que entran y salen del sector de control en determinados puntos y en ciertas horas del día. De otro lado, los cambios en capacidad se pueden atribuir a las modificaciones en ancho, pendientes, restricciones en ambos lados, intersecciones, entre otros.

Conozca el Método de cálculo del nivel de servicio de carreteras de dos carriles en Colombia.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad donde podrá responder a unas preguntas sobre los niveles de servicio según el INVÍAS.

El manual de capacidad y de los niveles de servicio de los Estados Unidos (HCM, por su sigla en inglés), cuya última edición es del año 2016, establece una capacidad de base de 3.200 veh/hora en el caso de una carretera de dos carriles en ambos sentidos y de 1.700 veh/hora cuando se trata de un solo carril. Lo anterior, debido a que la corriente de tránsito vehicular en una dirección influye sobre el flujo en sentido contrario.

Dicha capacidad es reducida básicamente por 3 factores: la composición del tránsito (la cual está relacionada con el flujo de vehículos pesados), la pendiente del terreno y el factor de hora pico (que implica tener en cuenta los grandes volúmenes que se generan en la hora de mayor corriente vehicular).

Según la metodología del HCM2010, para calcular el nivel de servicio de una carretera de dos carriles se tienen en cuenta tres parámetros de efectividad, así: la velocidad promedio de viaje (ATS), el porcentaje de tiempo de seguimiento (PTSF) y el porcentaje de la velocidad de flujo libre (PFFS).

A partir de estas medidas de eficiencia operacional y la percepción de los usuarios sobre estas, el HCM define seis niveles de servicio. Colombia adaptó dichos niveles a las condiciones del país.

Conozca el esquema metodológico para el análisis de capacidad y nivel de servicio en Estados Unidos de las carreteras autopistas y las carreteras de dos carriles. Revise el paso a paso desde los datos de entrada hasta obtener la capacidad y el nivel de servicio.

Actividad de aprendizaje

Le invitamos a realizar la siguiente actividad sobre la capacidad vial y niveles de servicio para carreteras de dos carriles según el HCM de Estados Unidos y un caso de análisis de flujo vehicular en intersecciones con giro a la izquierda.

La congestión – demoras y colas

Un indicador de qué tan eficiente es un sistema vial en atender la demanda es el denominado “capacidad u oferta” que corresponde a la tasa máxima de flujo horario esperada de los vehículos o personas por un punto o sección uniforme de un carril o calzada, bajo ciertas condiciones relacionadas con la infraestructura vial, el ambiente, el tránsito vehicular y los dispositivos de control (marcas, señales y semáforos).

En general, se considera que las demoras tienen dos causas principales: los dispositivos de control del flujo vehicular que frenan la corriente y las interrupciones propias de la movilidad de un flujo continuo de vehículos.

Análisis de la congestión – sistemas de líneas de espera

La congestión se puede abordar por medio de análisis determinístico o probabilístico de líneas de espera. El primer caso se refiere a determinar de manera precisa el valor de una variable teniendo en cuenta otras variables conocidas con valores específicos, para las cuales solo se tendrá un valor de la función objetivo. La intersección con semáforos y los cuellos de botella son ejemplos típicos de un fenómeno de espera.

En lo que respecta al análisis probabilístico, normalmente se utilizan dos modelos para explicar el fenómeno de espera, bajo condiciones de estado estacionario, es decir, cuando el comportamiento de llegadas y servicios se conserva por largos períodos.

El primero explica lo que sucede con una estación de servicio y el segundo con varias estaciones de servicio. En ambos casos las llegadas servidas responden a una distribución de Poisson, con tiempos de servicio exponenciales y una disciplina de servicio. El fenómeno de espera se explica bajo el régimen M/M/K, donde K es el número de estaciones de servicio vacantes.

Revise los aspectos más importantes de la Capacidad vial y el nivel de servicio y la Metodología para la realización de estudios de tránsito.

Caso de estudio

Para finalizar esta unidad, le invitamos a realizar el siguiente caso de estudio donde podrá aplicar y reforzar los conceptos aprendidos.