System for Risk Analysis and Forecasting for Critical Infrastructures in the AppenninEs dorsaL Regions

1. F.Karagulian, G.Messina, G.Valenti, C.Liberto (TERIN-PSU-STMS)
RAFAEL
System for Risk Analysis and Forecasting for Critical Infrastructures in the AppenninEs dorsaL Regions
20 Maggio 2021

2. Scopo del lavoro
2
Vulnerabilità
funzionale di
una rete stradale
➢ Nuovo approccio dinamico per la stima della vulnerabilità attraverso:
1) Uso di dati satellitari (GPS - Floating Car Data) per la caratterizzazione dei tragitti sulla rete
2) Flussi di traffico (da FCD data)
3) Tempo medio di percorrenza di ogni sezione stradale (da FCD data)
4) Uso di matrici OD per ogni viaggio percorso
5) Zonizzazione della rete stradale per la valutazione delle zone di rischio
➢ Approccio classico per la stima della vulnerabilità:
1) Uso di matrici OD (Origine – Destinazione)
2) Categorizzazione delle sezioni stradali (tipologia di strade)
Rischi umani
e naturali
stima dell’impatto di eventi
estremi sulle sezioni stradali
(tamponamenti, nebbia, incendi, frane, terremoti, nebbia)
Obbiettivo
Incremento
della
resilienza

3. Viasat Data (Floating Car Data – FCD)
Dati VIASAT (FCD)* nell’area di Catania:
• Periodo di campionamento: Febbraio, Maggio,
Agosto, Novembre 2019
• Frequenza di campionamento: 30 sec.
• Numero di records: 122 milioni
• Numero di veicoli: 26500
(automobili: 25700
veicoli commerciali: 800)
• Viaggi ricostruiti sulla rete (map-matching): 3.7 milioni
STRUTTURA dati Viasat
• Posizione (lat, lon)
• Distanza percorsa
• Velocita’
• Stato motore (ON/OFF)
Autostrade
Rampe autostrade
Strade secondarie
Strade terziarie
Strade Residenziali
Rete stradale analizzata (rete stradale OpenStreetMap)
*FCD di Viasat sono un prodotto commerciale e non Open Source

4. ricostruzione dei viaggi utenti: map matching
L’accuratezza dipende da:
1) errori GPS
2) errori topologici
3) limiti algoritmo
Definizioni:
Archi: strade, o sezioni stradali (edges)
Nodi: estremi di un arco (nodes)

5. Algoritmo di Map matching
5
percorso mappato
tracce GPS
nodi
archi
Schema del processo di map-matching
per una sequenza di tracce GPS
all’interno di una rete
Catena decisionale
per stabilire la scelta
dei nodi più probabili

6. Esempio di map-matching per il giorno 15 Aprile 2019
6
I punti in nero indicano le
posizioni GPS,
le linee blu il percorso
(viaggi) dei veicoli calcolato
dall’algoritmo di map-
matching.

7. Volumi di traffico da FCD data
numero passaggi di Automobili
(Feb. May. Aug. Nov 2019)
numero passaggi di Veicoli pesanti
(Feb. May. Aug. Nov 2019)
Autostrada
Messina-Catania
Tangenziale
Catania
Autostrada
Palermo-Catania
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Autostrada
Catania-Siracusa
Strada statale
Catanese
Tangenziale
Catania
Viale Lorenzo Bolano
Viale Andrea Doria

8. Confronti VIASAT e ANAS
Coefficiente penetrazione VIASAT-ANAS
per sezione stradale
Confronto dati ANAS vs VIASAT:
I conteggi di veicoli ANAS sono stati confrontati con il numero di
volte che un arco mappato (dal map-matching) è stato attraversato
da un veicolo dotato di dispositivo VIASAT durante un viaggio
Numero di passaggi
simultanei
ANAS e VIASAT
1.5 %
Percentuale di veicoli Viasat (GPS)
rispetto ai conteggi ANAS
(effettuati su singole sezioni stradali)
FCD rappresentano una banca dati complementare
ai dati misurati dalle postazioni ANAS sul territorio nazionale

9. Confronto di volumi di traffico stagionali
numero passaggi Automobili
Differenza Febbraio-Agosto 2019
(stagione invernale)
numero passaggi Automobili
Differenza Agosto-Febbraio 2019
(stagione estiva)
Le differenze di flusso
stagionale mostrano
le zone con flusso di
traffico più elevato
Area
Urbana
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Autostrada
Messina-Catania
Autostrada
Catania-Siracusa
Strada Primosole
Strada statale
Orientale Sicula
Viale presidente
Kennedy

10. Interdipendenza delle sezioni stradali
L’utilizzo di dati FCD permette
di stimare il grado di
inter-connettività tra le
sezioni stradali (continuita’
spaziale)
La percentuale dei flussi di
entrata ed uscita sono stati
stimati per 3 sezioni stradali
ad alto scorrimento

11. Isocrone
(per viaggi)
L’utilizzo di dati FCD
permette di stimare il
tempo di accessibilità
da/verso un certo punto
entro una soglia
temporale.
Le ‘isocrone’ sono state
calcolate per una
giornata-tipo lavorativa
da- e verso- il centro di
Catania.
Ogni isocrona definisce
una viaggio della stessa
durata temporale.
Viadotto San
Paolo
Viaodotto San
Paolo
→ Catania → Acireale

12. Valutazione della vulnerabilità
(Vulnerability assessment)
Identify IMPORTANCE of
each road within the network
Data collection
(FCD & network)
Travel demand
(flow, speed, Peak Hour)
Criticality &
Congestion
Travel time
("cost")
Resilience
(recovery index)
Flow volatility
(flow, capacity, speed)
Traffic
volume
Disruption
time
Robustness
Serviceability
Vulnerability
Lo studio della vulnerabilità
della rete stradale è stata
accompagnato dalla
valutazione della criticità e
del grado di congestione
della rete stessa.
Le resilienza della rete
determina il suo grado di
robustezza e quindi, insieme
alla criticità ed alla
vulnerabilità, contribuisce
alla caratterizzazione della
viabilità della rete.
Criticità/Congestione:
dalla stima di volumi di traffico
Vulnerabilità (rischio x effetti):
dalla simulazione di interruzioni stradali
(traffico intenso, calamità naturali, crolli strutturali)
Tempo di ripristino
della viabilità
Flussi di
traffico
Flussi di
traffico
modeling

13. Criticità (2019)
In teoria, un arco è definito critico
se ha un elevato impatto sul traffico
a seguito di interruzione.
L’approccio pratico per determinare
se un arco stradale è critico,
consiste nel calcolare la sua
frequenza di attraversamento
durante il tempo di campionamento.
Solo le strade con elevato flusso veicolare sono
state considerate
low [0.5] high [1]

14. Mappe di congestione stradale
Area centrale di Catania
e Acireale
più congestionata nel
periodo invernale
Area centrale di Catania
e Acireale
meno congestionata
nel periodo estivo

15. Resilienza (2019)
more resilient less resilient
Solo le strade con elevato flusso
veicolare sono state considerate
Il grado di resilienza di ogni sezione
stradale è associato al tempo
impiegato per ripristinare un flusso
veicolare stabile dopo un fenomeno di
congestione
Principali fattori che determinano la
resilienza di una sezione stradale:
1) Flusso veicolare.
2) Volatilità del flusso
3) ‘capacity drop’ (Flusso al quale si
raggiunge la capacità massima e
si innesca la congestione)
4) Flusso dell’ora di punta
5) Flusso a rete scarica

16. Modello di Vulnerabilità funzionale per una rete stradale
Archi associati a viaggi
(ottenuti dal map-matching)
Velocità media
per arco
Stima del numero di passaggi su ogni arco
Ripartizione della rete stradale in celle esagonali (400 m)
Origine & Destinazione (OD)
per ogni viaggio
Rete stradale
(grafo)
Stima del tempo medio di viaggio su ogni arco (costo)
Aggiunta del costo nel grafo
Chiusura simulata di ogni arco per ogni (origine &
destinazione) OD e stima del ritardo accumulato da ogni
veicolo
O
D
Percorso
alternativo
Stima dell’IMPORTANZA
di ogni arco stradale
(in termini d tempo)
il tempo è denaro…!

17. Vulnerabiltà
per archi
17
Vulnerabilità - Agosto 2019
(archi per cella)
Low [0] High [1]
Rete: veicoli pesanti
Flussi: tutti i veicoli
OD: tutti i veicoli
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Autostrada
Messina-Catania
Autostrada
Messina-Catania
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Tangenziale
Ovest
Tangenziale
Ovest
Viale Andrea Doria
Viale Odorico
Da Pordenone
Via Aci Castello
Via Giuseppe
Verdi
Diramazione
Catania Diramazione
Catania
Viale Africa
I livello di
vulnerabilità
funzionale di ogni
arco stradale è
associato alla sua
IMPORTANZA
rispetto a tutti i suoi
archi adiacenti
SS121

18. Vulnerabiltà funzionale per archi: stagionalità
18
La stima di vulnerabiltà suggerisce un’indipendenza dalla stagionalità
Low [0] High [1]

19. Archi ad alta Vulnerabilità funzionale
Strade con rischio di
vulnerabilità > 50%
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Autostrada
Messina-Catania
Viale Andrea Doria
Viale Felice
Fontana
Tangenziale
Ovest
(svincolo Via Etnea, Galermo)
Diramazione
Catania
(Via Galileo Galilei)
Viale Africa
Aci Castello
Via Valcorrente
Via G. Verdi
Via Nazionale
Galleria
Taormina
La qualità delle stime di vulnerabiltà
dipendono dai volumi di traffico ottenuti
dal map matching degli FCD di Viasat
Agosto 2019
Low [0] High [1]

20. Vulnerabilità - Agosto 2019
(per arco)
Strada statale
Catanese –
Misterbianco
Autostrada
Messina-Catania
Tangenziale Ovest
Catania
Viale Andrea Doria
Viale Africa
Aci Castello
Via Nazionale
Confronto vulnerabilità - centralità
La vulnerabilità indica
l’importanza di ogni
arco in base al flusso
di veicoli ed il tempo
medio di percorrenza
La betweenness centrality è
calcolata in base alla
classsficazione e ai tempi di
percorrenza dei singoli archi
Strada statale
Catanese –
Misterbianco
Autostrada
Palermo-Catania
Autostrada
Messina-Catania
Tangenziale Ovest
Catania
Autostrada
Catania-Siracusa
Low [0] High [1]
Agosto 2019
Betweenness centrality:
numero di cammini più corti che passano attraverso ogni arco.
E’ una stima aprossimativa del grado di vulnerabilità di un arco
Tempi percorrenza
+ flussi
Tempi percorrenza

21. Vulnerabilità - Agosto 2019
(per zona)
Vulnerabiltà funzionale di zona per strategie di ripristino della rete
La vulnerabilità di zona diventa rilevante quando accadono eventi
climatici particolari (es:allagamenti, crolli, traffico intenso)
Strada statale
Catanese -
Misterbianco
Tangenziale
Ovest
Via
Giuseppe
Verdi
Via
Cristoforo
Colombo
low [0] high [1]
0.7
0.6
0.9
0.5
0.9
0.7
0.6
0.1
0.0
➢ I piani di emergenza
possono essere gestiti
in base ordine di
importanza di ogni
zona.
Viale Andrea Doria
0.8
0.2
0.3
0.0
0.0
0.9
0.8
0.6
0.1 0.1
Vulnerabilità di cella / zona
➢ La priorità dell’intervento di ripristino della rete stradale
in una particolare area può essere guidata dal valore di
vulnerabilità.

22. Conclusioni
➢ E’ stato studiato un approccio dinamico (FCD data) in altenativa ad un approccio
statico (Betweenness centrality)
➢ E’ stato possible sviluppare una metodologia per stimare il grado di vulnerabilità
funzionale di strade e zone geografiche
➢ La vulnerabiità di zona supporta la gestione di piani di emergenza per il ripristino della
viabilità in caso di fenomeni calamitosi.
➢ L’ampia copertura temporale e spaziale degli FCD data permette di caratterrizare
stagionalmente la rete stradale attraverso l’individuazione di:
1) grado di congestione delle strade
2) criticità di strade ad alto flusso veicolare
3) resilienza di strade ad alto flusso veicolare
➢ Applicazione della metodologia nella provincia di Catania.

23. Dati per CipCast
1) Vulnerabilità per arco (modello ENEA)
• Giorni feriali (estate – inverno)
• Giorni festivi (estate – inverno)
• Ore di punta (07:00 → 08:00 & 17:00→18:00) (estate – inverno)
• Geometria degli archi per rappresentazione su GIS
2) Vulnerabilità per cella (modello ENEA)
• Tutti i dati come al punto 2)
• Geometria della griglia per rappresentazione su GIS
3) Betweenness Centrality per arco (Topologica)
• Geometria degli archi per rappresentazione su GIS
4) Interdipendenza flussi di traffico su un tratto
della tangenziale di Catania (Viadotto San Paolo, giorno feriale)
Simulazione di interruzione viabilità

24. Monday Tuesday Wednesday
Thursday Friday Saturday Sunday
February
2019
CipCast: vulnerabilità
Low [0] High [1]

25. August
2019
Monday Tuesday Wednesday
Thursday Friday Saturday Sunday
Low [0] High [1]

26. Monday Tuesday Wednesday
Thursday Friday Saturday Sunday
August
2019
CipCast: vulnerabilità
Low [0] High [1]

27. Morning Peak
07:00 → 08:00
February
2019
CipCast: vulnerabilità
Evening Peak
17:00 → 18:00
Low [0] High [1]

28. Morning Peak
07:00 → 08:00
August
2019
CipCast: vulnerabilità
Evening Peak
17:00 → 18:00
Low [0] High [1]

29. CipCast: dati Vulnerabità (modello ENEA)
(OpenStreet data)
Archi & Vulnerabilità CELLE & Vulnerabilità + Geometria

30. CipCast: Identificazione degli archi stradali e loro geometria
(OpenStreet data)
Archi & Geometria (+ metadata)

31. Passaggi (%) per arco sul Viadotto San
Paolo(21/11/2019, Giovedì)
Passaggi per arco
(Viadotto San Paolo Catania) Interruzione del Viadotto San Paolo
(entrambe le direzioni)
Viadotto San Paolo aperto
Percentuale di veicoli che transitano sul Viadotto San Paolo durante la giornata del 21 novembre
2019 per entrambe le direzioni di marcia (verso Catania (a) e verso Messina (b)). Lo spessore della
linea è proporzionale al volume di traffico il cui valore massimo si trova in corrispondenza del
Viadotto San Paolo.

32. Vulnerabilità Viadotto San Paolo

33. Interruzione del Viadotto San Paolo
Passaggi (%) per arco sul Viadotto San
Paolo(21/11/2019, Giovedì)
Percentuale di veicoli che in transito verso Catania (a) e verso Messina (b) sulla tangenziale Ovest (RA15)
nel caso di chiusura del Viadotto San Paolo durante la giornata del 21 novembre. Lo spessore della linea è
proporzionale al volume di traffico.
Simulazione dei percorsi più probabili tra un’origine ed una destinazione senza attraversare il
viadotto San Paolo in caso di sua chiusura durante la giornata del 21 novembre 2019

34. Interruzione del Viadotto San Paolo
Passaggi (%) per arco sul Viadotto San
Paolo(21/11/2019, Giovedì)
Verso Catania Verso Acireale
Nome strada
Sigla
strada
Percentuale di
passaggi (%)
Lunghezza (m)
O
D
{“Via Galileo Galilei/Via Catira”, “Via Galileo Galilei”} 46.34 413.6
Autostrada Messina-Catania A18 100 18.35
Diramazione di Catania A18dir 97.56 536.6
Via Pietra dell’Ova 54.88 62.37
Via Pietro Novelli 69.51 285.2
Via Leucatia 65.85 37.58
Via Francesco Lojacono 65.85 245.6
Via Salvador Allende 65.85 149.1
Via Etnea 90.24 164.1
Via Nicola Coviello 64.63 11.24
Via Barriera 63.41 134.2
{“Viadotto Misterbianco”, “Galleria Circumetnea”,
“Tangenziale Ovest di Catania”}
RA15 51.22 4624
Nome strada
Sigla
strada
Percentuale di
passaggi (%)
Lunghezza (m)
O
D
Asse di Spina Est-Ovest 16.05 314.1
Tangenziale Ovest di Catania RA15 22.22 372
{“Viadotto Bicocca”,“Tangenziale Ovest di Catania”} RA15 22.22 634
{“Viadotto Buttaceto 2”,“Tangenziale Ovest di
Catania”}
RA15 23.46 565.9
Viadotto Gelso Bianco 28.4 62.74
{“Viadotto Cubba”, “Tangenziale Ovest di Catania”} RA15 33.33 1671
{“Viadotto Sordo”, “Tangenziale Ovest di Catania”} RA15 43.21 2099
Viale Felice Fontana 43.21 125.1
{“Viale Felice Fontana”, “Via Leopoldo Nobili”} 43.21 296.7
Via Leopoldo Nobili 43.21 50.99
Via Ibn Hamdis 41.98 53.48
Viale Lorenzo Bolano 53.09 113.4
Viale Antoniotto Usodimare 54.32 31.79
Viale Fratelli Vivaldi 66.67 197.9
Viale Andrea Doria 86.42 267.9
Via del Bosco 87.65 142.1
Viale Odorico da Pordenone 100 25.54
Viale Mediterraneo A18dir 81.48 384.2
{“Diramazione di Catania”,“Viale Mediterraneo”} A18dir 79.01 269.5
{“Diramazione di Catania”, “Galleria Canalicchio”} A18dir 95.06 2284
Diramazione di Catania A18dir 72.84 462.6
Autostrada Messina-Catania A18 62.96 207.9
{“Viadotto Platani”, “Autostrada Messina-Catania”} A18 75.31 6298

35. contatti:
federico.karagulian@enea.it