Vulnerability of road networks

1. F.Karagulian, G.Messina, G.Valenti, C.Liberto (TERIN-PSU-STMS)
Studio e sviluppo di algoritmi e metodi per la
stima degli indicatori di vulnerabilità
funzionale
21 Ottobre 2020

2. Viasat Data
2
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
Autostrade
Rampe autostrade
Strade secondarie
Strade terziarie
Strade Residenziali
Rete stradale analizzata (rete stradale OpenStreetMap)

3. Map matching: ricostruzione dei viaggi
3
L’accuratezza dipende da:
1) errori GPS
2) errori topologici
3) limiti algoritmo

4. Algoritmo di Map matching
4
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

5. Risultato del Map-matching per il giorno 15 Aprile 2019
5
I punti in nero indicano le
posizioni GPS,
le linee blu il percorso dei
veicoli calcolato dall’algoritmo
di Map-Matching.

6. Esempi di map matching in diverse aree di Catania
6
Autostrada & zona industriale
Centro città
Litoranea nord
Litoranea sud
Sub-urbano
Sub-urbano
Sub-urbano

7. Analisi dei flussi FCD
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. Confronto di flussi stagionali
8
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 di 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

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

10. Confronti VIASAT e ANAS
10
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 rispetto ai conteggi ANAS

11. Modello di Vulnerabilità
11
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

12. Algoritmo di Vulnerabilità
12
1
Work flow per il calcolo della vulnerabilità
2
Jenelius E, Mattsson L-G (2015) Road network vulnerability analysis : Conceptualization, implementation and application. Computers, Environment and Urban Systems 49:136–147
Vulnerabilità = probabilità[0,1] x impatto

13. Vulnerabiltà
per archi
13
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

14. 14
Vulnerabilità - Agosto 2019
(per cella)
Low [0] High [1]
Rete: veicoli pesanti
Flussi: tutti i veicoli
OD: tutti i veicoli
Vulnerabiltà
per cella
Vulnerabilità di
cella diventa
rilevante quando
accadono eventi
climatici
particolari
(allagamenti,
crolli).
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Tangenziale
Ovest Tangenziale
Ovest
Via Giuseppe
Verdi
Via Cristoforo
Colombo
Autostrada
Messina-Catania

15. 15
Strade con rischio di vulnerabilità > 70%
Archi ad alta Vulnerabilità (Agosto 2019)
Strade con rischio di
vulnerabilità > 50%
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Autostrada
Messina-Catania
Viale Andrea Doria
Viale Felice
Fontana
Tangenziale
Ovest
Diramazione
Catania
Viale Africa
Aci Castello
ASTREL
Strada Cardinale
Via Valcorrente
Via G. Verdi
Via Nazionale
Galleria
Taormina
Viale Andrea Doria
Viale Odorico
Da Pordenone
Viale Vincenzo
Giuffride
Via Aci Castello
Via Ventuno
Aprile
Via Comunità Economica
Europea
Via Giuseppe
Verdi
Via Valcorrente
Viale Altale
Alagona
Diramazione di
Catania

16. 16
Archi ad alta Vulnerabilità (Agosto 2019)
Strade con rischio di
vulnerabilità > 50%
Strade con rischio di
vulnerabilità > 70%

17. 17
Celle ad alta Vulnerabilità (Agosto 2019)
Celle con rischio di vulnerabilità > 70%
Strade con rischio di
vulnerabilità > 50%
Strada statale
Catanese - Misterbianco
Via Giuseppe
Verdi
Via Messina
Autostrada
Messina-Catania
Via Cristoforo
Colombo
Viale Andrea Doria
Viale Odorico
da Pordenone
Aci Castello
Strada Cardinale
Via Valcorrente
Tangenziale
Ovest
Via San Paolo
Via delle
Province
Viale Andrea Doria
Via Comunità Economica
Europea
Via Messina
Misterbianco
Via Cristoforo
Colombo
Aci Castello
Via delle
Province
Diramazione
di Catania
Viale Odorico
da Pordenone
Via Giuseppe
Verdi

18. 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
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

19. 19
Edges associated to trips
(from map-matching)
Instant speed
on each edge
Flux on each edge (vehicles/hour)
Road network
(grapho)
estimate of Flux at peak hour (loaded network)
estimate of Flux at off-peak hour (unloaded network)
estimate speed at peak hour
estimate speed at off-peak hour
mean speed on each edge (m/s)
compute congestion index ==> speed(peak hour) / speed (off-peak hour)
Flux(peak-hour) > 10 vehicles/hour
(referred to FCD counts)
Metodologia per il calcolo della congestione
1) Il flusso di veicolo sulla rete
consente di individuare dapprima la
sottorete più trafficata.
2) La velocità media viene calcolata su
ogni arco della sottorete nell’ora di
punta.
3) Il rapporto tra la velocità nell'ora di
punta con la velocità a rete scarica
permette di individuare gli archi più
congestionati.

20. Mappe di congestione
20
Congestione (Feb, May, Aug, Nov. 2019) Congestione (February 2019) Congestione (August 2019)

21. contatti:
federico.karagulian@enea.it

22. To do……CRITICITA’
22
• CRITICITA’:
La criticita’ di un arco in una rete riguarda la probabilta’ di avere un’interruzione
dell’arco stesso con le conseguenze da esso derivate.
Se la probabilita’ di avere un’interruzione e’ alta, allora l’arco e’ debole.
Se le conseguenze di questa interruzione sono grandi, allora l’arco e’ importante.
Se l’arco e’ sia debole ed importante, allora l’arco e’ CRITICO.
La criticita’ si puo’ calcolare attraverso la frequenza di percorrenza
di ogni arco o sezione stradale. In seguito, vengono selezionati solo gli archi che hanno un
valore di probabilita’ piu grande di un valore limite. Per convenzione questo valore limite
e’ fissato a 0.5 (frequenza percorrenza > 50%)

23. Links associated to trips
(from map-matching)
Instant speed
on each link
Flow on each link (vehicles/hour)
Road network
(grapho)
estimate Flow at peak hour
estimate free Flow at off-peak hour
estimate speed at peak hour
estimate free-flow speed
mean speed on each link (m/s)
compute congestion index:
Flow(peak-hour) > 10 vehicles/hour
(referred to FCD counts)
Metodologia per il calcolo della congestione
1) La stima del flusso di veicoli sulla
rete consente di individuare la
sottorete più trafficata.
2) La velocità media viene calcolata su
ogni arco della sottorete nell’ora di
punta.
3) Il rapporto tra la velocità nell'ora di
punta con la velocità a rete scarica
permette di individuare gli archi più
congestionati.
𝑪𝑰 = Τ
𝒔𝒑𝒆𝒆𝒅𝑷𝒆𝒂𝒌 𝑯𝒐𝒖𝒓 𝒔𝒑𝒆𝒆𝒅𝒇𝒓𝒆𝒆−𝒇𝒍𝒐𝒘
filtering

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

25. 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.
24 Novembre 2019 24 Novembre 2019

26. 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
Vulnerabiliy
La vulnerabilità della rete
stradale è stata si inserita
in un contesto (framework)
che include anche una
valutazione della
criticità/congestione
della rete.
Le resilienza della rete
determina il suo grado di
robustezza e quindi,
insieme alla criticità
contribuisce alla
caratterizzazione della rete
stessa.
Criticità/Congestione:
dalla stima di volumi di traffico
Vulnerabilità:
dalla simulazione di interruzioni stradali
(traffico intenso, calamità naturali, crolli strutturali)
Tempo di ripristino
della viabilità

27. Mappe di congestione: stagionalità
Area centrale di Catania e
Acireale
più congestionata nel
periodo invernale
Area centrale di Catania e
Acireale
meno congestionata nel
periodo invernale

28. Criticità e Resilienza (2019)
Resilienza
Criticità
In teoria, un arco è
definito critico se ha
un’alta probabilità di
subire un’interruzione
con importanti
conseguenze sul traffico
veicolare.
L’approccio pratico per
determinarne se un arco
stradale è critico
consiste nel determinare
la sua frequenza di
attraversamento nel
tempo.
Il grado di resilienza di
ogni strada e’ associato
al tempo impiegato per
ripristinare un flusso
veicolare stabile dopo un
fenomeno di congestione

29. Variazione giornaliera e stagionale della Resilienza (2019)
Resilienza
animation
more resilient less resilient

30. Variazione giornaliera e stagionale della Criticità &
Congestione (2019)
animations
Criticità Congestione
low [0.5] high [1] low [0] high [1]