Wybór korytarza. doc. dr inż. Tadeusz Zieliński r. ak. 2013/14. Metody komputerowe w inżynierii komunikacyjnej

Transkrypt

1 Metody komputerowe w inżynierii komunikacyjnej Wybór korytarza źródło: GCARS, Geometronics International Inc. Washington Circle doc. dr inż. Tadeusz Zieliński r. ak. 2013/14

2 Układ wykładu podstawy metoda tradycyjna metoda komputerowa literatura

3 Podstawy początek fazy projektowania cel: wstępna lokalizacja trasy wybór korytarza o szerokości km istotne położenie granic korytarza nieistotna geometria (korytarz musi zapewnić możliwość wpisania trasy o normatywnych parametrach) kryterium wyboru minimalizacja ogólnie rozumianych kosztów zastosowanie projektowanie nowych odcinków dróg, kolei, rurociągów metody rozwiązywania

4 Podstawy Metody rozwiązywania algorytmiczna: jednoznacznie sformułowane postępowanie, które przy dokładnym stosowaniu zawsze prowadzi do zamierzonego rezultatu (np. systematyczne przeszukiwanie przestrzeni możliwych rozwiązań) pomocnicza (uzupełniająca) przy wyborze korytarza heurystyczna: rezygnacja z pełnego analizowania wszystkich możliwych rozwiązań, skoncentrowanie się na tych z nich, które rokują największe nadzieje (doświadczony specjalista rozważyłby je w pierwszej kolejności) konieczność stosowania, gdy: brak algorytmu zbyt duża złożoność algorytmu (np. gra w szachy, prognoza pogody) podstawowa przy wyborze korytarza

5 Metoda tradycyjna waloryzacja terenu wyznaczenie możliwych korytarzy analiza korytarzy z uwzględnieniem warunków: techniczno-ekonomicznych ruchowych (długość, obsługa miejscowości) wybór jednego korytarza

6 Metoda tradycyjna Waloryzacja terenu żródło: GMAPS, Geometronics International Inc. Washington Circle podstawowe uwzględniane cechy to: zagospodarowanie topografia geotechnika, hydrologia przypisuje się do poszczególnych rodzajów obszarów kolory (symbole) oznacza się na mapie wszystkie obszary stwarzające przeszkodę w poprowadzeniu trasy efekt powstaje na mapie mozaika obrazująca stopień trudności przeprowadzenia drogi używa się map lub fotomap 1: :

7 tok postępowania metoda Calogero przegląd oprogramowania podsumowanie

8 ustalenie istotnych cech wpływających na położenie drogi ustalenie granic obszaru objętego analizą ustalenie stopnia szczegółowości rozwiązań Metoda komputerowa Tok postępowania zebranie danych o terenie przyjęcie kosztów (wag) dla poszczególnych cech przetworzenie danych numeryczny model oporu terenu (teren fikcyjny) projektant rysunki map oporu terenu projektant ustala korytarz kto dokonuje wyboru korytarza? program uwzględnienie kosztów ruchu itp. rysunki z przebiegami wariantów; parametry tras: długość, koszty itp.

9 Tok postępowania Cechy wpływające na położenie drogi zagospodarowanie (istniejące i planowane MPZP; m.in. ograniczenia prawne, zabytki, parki narodowe, zabudowa, ciągi komunikacyjne, infrastruktura) warunki terenowe (ukształtowanie terenu, cieki i zbiorniki wodne, klasy gruntów rolnych, warunki geotechniczne) środowisko (Natura 2000, podatność na emisje zanieczyszczeń i hałasu) uwarunkowania społeczne (dostępność komunikacyjna, oczekiwania społeczne) nie ma ograniczenia ilościowego cech możliwość uwzględniania specyficznych cech obszaru

10 algorytm modelu kosztów algorytm generacji wariantów Metoda komputerowa Tok postępowania Numeryczny model oporu terenu rodzaj kosztów mapa jednorodnych kosztów numeryczny model kosztów (opór terenu) warianty trasy dla minimum kosztów wywłaszczenia obiekty roboty ziemne... sumaryczne na podstawie: GCARS, Geometronics International Inc. Washington Circle

11 Tok postępowania Rysunki map oporu terenu atrakcyjność ruchowa ukształtowanie terenu

12 Tok postępowania Rysunki z przebiegami wariantów warianty wynikające z modelu kosztów środowiskowych warianty wynikające z sumarycznego modelu kosztów

13 Metoda Calogero opracowana w 1973 r. w USA wprowadzanie danych metoda rozwiązania wyniki podsumowanie

14 Metoda Calogero Wprowadzanie danych określenie położenie początku i końca trasy wyznaczenie obszaru zainteresowania opisanie położenia i przypisanie kosztów: liniom kosztów obszarom kosztów określenie wielkości siatki wyznaczającej możliwe położenia załamań korytarza określenie jednostkowego kosztu (budowy i eksploatacji) drogi

15 Metoda Calogero Wprowadzanie danych obszar zainteresowania określa się obszar możliwego przebiegu trasy wykorzystuje się metody heurystyczne

16 Metoda Calogero Wprowadzanie danych linie kosztów łamane określone przez współrzędne wierzchołków do linii przypisany koszt jednostkowy przejście trasy przez taką linię powoduje kosztów o zadaną wartość jednostkową (średni koszt obiektu) odwzorowują: rzeki, cieki linie komunikacyjne budowle liniowe (rurociągi itp.) liniowe nierówności terenu (wąwozy)

17 Metoda Calogero Wprowadzanie danych obszary kosztów pola określone przez współrzędne wierzchołków, mogą się nakładać do pola przypisany koszt przekroczenia na jednostkę długości przejście trasy przez taki obszar powoduje kosztów proporcjonalny do długości przejścia (średni koszt na km) odwzorowują: elementy zagospodarowania (istniejące i projektowane): zabudowa mieszkaniowa, przemysł, obszary chronione, zabytki, tereny wojskowe itp. elementy topograficzne (jeziora, lasy, grunty orne itp.) obszary jednorodne geotechnicznie (rodzaj gruntów, poziom zwg itp.) obszary absolutnie wykluczone (koszt = ) obszary przez które trasa powinna przechodzić (koszt < 0) lub nie powinna (wysokie koszty) ze względów politycznych, ekonomicznych, społecznych, ekologicznych, obronnych

18 dy Metoda komputerowa Metoda Calogero Wprowadzanie danych narzucenie siatki dx określenie wielkości siatki wyznaczającej możliwe położenia załamań korytarza: boki siatki dx, dy każdy węzeł jest rozpatrywany jako potencjalny punkt, przez który może przejść trasa kompromis między dokładnością a czasem obliczeń

19 Metoda Calogero Metoda rozwiązania budowa macierzy kosztów buduje się macierz kosztów K ij : i węzeł wyjściowy, j węzeł docelowy koszt odcinka K ij zależy od: kosztów wynikających z przecięcia linii kosztów wynikających z przecięcia pól kosztów wynikających z odległości między analizowanymi punktami

20 Metoda Calogero Metoda rozwiązania przebieg korytarza na podstawie macierzy kosztów znajduje się optymalne połączenie punktów A i B: kryterium optymalizacji minimum kosztów metoda zmodyfikowane rozwiązanie problemu transportowego (komiwojażera)

21 Metoda Calogero Wyniki podane są: współrzędne węzłów, przez które przechodzi trasa koszty poszczególnych odcinków koszty całości trasy wyznaczoną łamaną należy traktować jako korytarz równy bokowi siatki

22 Metoda Calogero Podsumowanie zaleta trasa może łączyć dowolne węzły trasa może mieć dowolny kierunek wada wynikiem jest gruba linia przy określaniu szczegółowej geometrii nie wiadomo jaka jest swoboda projektowania

23 Przegląd oprogramowania W. Brytania Brutus USA GMAPS, GCARS, 1968r Belgia Mefisto, podobny do GMAPS, GCARS Polska Bies, praca dyplomowa, podobny do GMAPS, GCARS

24 Przegląd oprogramowania Brutus informacje ogólne wprowadzanie danych metoda rozwiązania podsumowanie

25 Przegląd oprogramowania Brutus informacje ogólne wchodzi w skład brytyjskiego systemu optymalizacji geometrii drogi HOPS (Highway Optimization Program System) powstawał w latach zasada minimalizacja funkcji celu; f. celu = koszty budowy + koszty eksploatacji 3 sposoby (modele) odwzorowania kosztów

26 Przegląd oprogramowania Brutus informacje ogólne, odwzorowanie kosztów koszty będące funkcją długości drogi: podaje się koszty na jednostkę długości odwzorowują stałe koszty budowy i eksploatacji: koszty nawierzchni koszty stałe robót ziemnych (warstwa odcinająca, pobocza itp.) koszty odwodnienia koszty ruchu linie kosztów: rzeki koszty mostów cieki koszty dużych przepustów ciągi komunikacyjne koszty wiaduktów obszary kosztów: koszt przekroczenia granicy (stały) koszt na jednostkę długości odwzorowują: wykup terenów zabudowanych i rolniczych kosztów robót ziemnych wynikające z lokalnych warunków (geotechnika, ukształtowanie terenu)

27 Przegląd oprogramowania Brutus wprowadzanie danych określenie położenia początku i końca trasy ograniczenie obszaru poszukiwania rozwiązań określenie kosztów związanych z długością trasy wprowadzenie linii kosztów wprowadzenie obszarów kosztów zdefiniowanie boku siatki wprowadzenie bramek, przez które musi przejść trasa

28 Przegląd oprogramowania Brutus metoda rozwiązania oś drogi może biec tylko po bokach siatki równoległych do AB lub po przekątnych siatki na podstawie zadanych kosztów program: oblicza koszt dla każdego boku (równoległego do AB i przekątnych) dla każdego węzła znajduje najtańszy przebieg generuje optymalny wariant; podaje jego ogólny koszt i składowe generuje plan warstwicowy kosztów może obliczyć koszt zadanego wariantu (o dowolnym położeniu, niezwiązanym z bokami i przekątnymi siatki)

29 Przegląd oprogramowania Brutus podsumowanie zalety: uwzględnienie kosztu przekroczenia granicy obszaru (wejścia na działkę) są generowane warstwice kosztów widać ograniczenia swobody projektowania można obliczyć koszty dla dowolnego wariantu można sprawdzić konsekwencje odejścia od osi korytarza wada sztywne ograniczenie obszaru

30 Podsumowanie zalety wady w krajach rozwiniętych traci znaczenie w inżynierii komunikacyjnej (ma zastosowanie głównie do budowy nowych dróg i dużych przebudów ciągów np. budowa obwodnic) można wykorzystać programy typu GIS

31 Podsumowanie Zalety tempa jakości możliwość uwzględnienia: bardzo wielu czynników opinii ekspertów z różnych dziedzin odciążenie sumienia projektanta; pewność wyboru najlepszego wariantu?!; nie, ponieważ: optymalny jest tylko dla wprowadzonych danych; przy założonych kosztach jednostkowych, wagach; czy są one poprawne?! decyzja projektanta jest przeniesiona na inny, wcześniejszy etap określenie kosztów, zwłaszcza niewymiernych zwiększa obiektywność

32 Podsumowanie Wady trudności w określeniu funkcji celu minimum kosztów, ale jakich, jak liczonych? czasochłonność przygotowania danych obecnie w Polsce procedura wyboru korytarza nie jest stosowana przy narzuconym tempie projektowania wpływ niedokładności ustalenia kosztów na wynik trzeba by robić analizę czułości wyników na niewielkie zmiany parametrów (np. kosztów jednostkowych) problem z określeniem wielkość analizowanego obszaru zdać się na doświadczenie projektantów uproszczenia i niedokładności w określeniu kosztów (np. obiektów w zależności od kąta) istotne tylko przy bardzo małych różnicach między poszczególnymi wariantami korytarza

33 Literatura Skoczek W. Zastosowanie metod fotogrametrycznogeodezyjnych w projektowaniu dróg w Szwecji, Problemy Projektowania Dróg i Mostów 4/74 Majewski J. Metoda optymalizacji wyboru korytarza linii komunikacyjnej, Problemy Projektowania Dróg i Mostów 1/85 Piwowarczyk J. Sprawozdanie ze stażu w W. Brytanii Athanassoulis G.C., Calogero V. A Computer Technique for Route Planning, Highway Engineers 4/73 GMAPS (General Map Analysis System), Geometronics International Inc., Washington Circle GCARS (Generalized Computer Aided Route Selection), Geometronics International Inc., Washington Circle