OPTYMALIZACJA SIECI TRANSPORTOWYCH

Transkrypt

1 JANUSZ WOCH OPTYMALIZACJA SIECI TRANSPORTOWYCH Katowice, 2002 Ost0-1

2 Spis treści 1. Zapis matematyczny i wybrane pojęcia w książce Steenbrinka (1978) Optymalizacja Definicja zagadnienia optymalizacyjnego Techniki optymalizacyjne Potoki w sieci Grafy i sieci Potoki w sieciach Potoki wielowymiarowe...18 Bibliografia Transport wg Steenbrinka. (1978) Transport opis systemu Sieć transportowa Popyt na transport Równowaga w sieci transportowej Wyznaczanie ruchu Zagadnienie wyznaczania ruchu Metody rozwiązania zagadnienia wyznaczania ruchu Inne aspekty wyznaczania ruchu System opisowy i normatywny Wprowadzenie Wyznaczanie opisowe i normatywne Różnica między wyznaczaniem opisowym i normatywnym Paradoks Braessa Zmniejszanie różnicy między wyznaczaniem opisowym a normatywnym...34 Bibliografia Zagadnienie optymalizacji sieci transportowej wg Steenbrinka (1978) Optymalne planowanie przestrzenne Optymalna infrastruktura transportu przy danym wykorzystaniu terenu Zmienne decyzyjne Funkcja celu Uwagi ogólne Korzyści konsumenta w planowaniu transportu Warunki ograniczające...45 Bibliografia Znane metody optymalizacji sieci transportowej wg Steenbrinka (1978) Postawienie problemu Programowanie matematyczne Podział i ograniczenia Metoda podziału i ograniczeń Metoda Ridleya podzbiorów ograniczonych Algorytm podziału i ograniczeń Ochoa-Rosso i Silvy Algorytm podziału i ograniczeń Chana Algorytm podziału i powrotów Ochoa-Rosso i Silvy Zastosowanie algorytmu podziału i ograniczeń do problemu ogólnego Omówienie technik podziału i ograniczeń Techniki heurystyczne Istota podejścia heurystycznego Eliminacja współzależności na etapie wstępnym...67 Ost0-2

3 Ciągłe dopasowywanie optymalne Wybieranie najbardziej obiecujących projektów Metoda Barbiera Oryginalne metoda Barbiera Rozszerzenie metody Barbiera przez Haubricha Programowanie współdziałające Struktura hierarchiczna Agregacja Dekompozycja lub podział...78 Bibliografia Nowa metoda Steenbrinka (1978) wyznaczania iteracyjnego według najmniejszej wartości marginalnej funkcji celu Uwagi wstępne Dekompozycja problemu Warunki istnienia optymalnego rozwiązania problemu głównego Metody rozwiązania problemu głównego Wyznaczanie iteracyjne Poprawność otrzymanego rozwiązania Parametry metody Zastosowanie normatywnego wyznaczania ruchu a wyznaczanie opisowe i mechanizm opłat Zastosowanie metody do maksymalizacji korzyści społecznych Niektóre badania w przypadku sieci o małych rozmiarach Uwagi wstępne Ocena rozwiązania przy wypukłej, kwadratowej funkcji celu Wrażliwość rozwiązania na zmiany parametrów ruchu Działanie metody w przypadku funkcji odcinkami wypukłych Bibliografia Projektowanie efektywności eksploatacji sieci kolejowej na bazie SOUT według Wocha (1986) Wprowadzenie do Systemu Oceny Układów Torowych SOUT na podstawie Wocha (2001) Przepustowość złożonych węzłów torowych a efektywność wykorzystania sieci kolejowej Ocena opóźnień i czasów czekania w ruchu kolejowym a ocena płynności ruchu Charakterystyki czasów czekania i płynności ruchu odstępów węzłowych (wypukłe i wklęsłe funkcje intensywności) Bibliografia Oryginalne ujęcie optymalnej intensywności jako charakterystyki przepustowości i efektywności wykorzystania sieci kolejowej według Wocha (1986) Charakterystyki jakości usług przewozowych Ruch kolejowy Sieć kolejowa a jakość ruchu Przepustowość praktyczna a płynność ruchu Jakość ruchu a przepustowość sieci Efektywność wykorzystania układu optymalna intensywność ruchu Straty jakości ruchu a zbędne koszty eksploatacyjne kolei Nowe ujęcie efektywności rozwoju sieci kolejowej System Oceny Układów Torowych SOUT narzędzie kształtowania efektywności wykorzystania sieci kolejowej według Wocha (1986) Ost0-3

4 8.1. Założenia informatyczne SOUT Przykłady wymiarowania składników sieci kolejowej Projektowanie sieci kolejowej według Wocha (1986) Projektowanie systemu idealnego czy iteracyjna metoda diagnostyczna Wąskie gardła kolei miejsce powstawania zbędnych kosztów społecznych kolei Globalna ocena efektywności w stanie istniejącym jako źródło rozwiązań programu rozwoju ekonomicznego kolei Programowanie organizacji przewozów kolejowych Uporządkowanie oczekiwanych wąskich gardeł kolei fizyczne a ekonomiczne wartości oczekiwanych zbędnych kosztów społecznych kolei Jakość usług przewozowych a nakłady inwestycyjne Schemat programowania rozwoju sieci kolejowej Techniczne uwarunkowania zastosowań nowych metod programowania rozwoju sieci kolejowej Złożoność informacyjna ruchu kolejowego Kierunki rozwoju systemów informatycznych wspomagających programowanie rozwoju kolei Zasadnicze różnice między tradycyjnym a nowym ujęciem zagadnień optymalnego rozwoju sieci kolejowej Bibliografia Przepustowość złożonych węzłów a efektywność wykorzystania sieci transportowej według Wocha (1998a) Charakterystyki złożonych węzłów transportowych Funkcje kolejek a funkcje płynności ruchu Dekompozycja sieci transportowej na modele symulacyjne węzłów Ogólny algorytm optymalizacji sieci transportowej w ujęciu dualnym Zarys polityki transportowej dla województwa katowickiego według Wocha z zespołem (1998d) Analiza systemu transportowego województwa katowickiego Przykład analizy efektywności ruchu miejskiego w centrum Katowic Opis potoków ruchu w centrum Katowic Charakterystyki potoków ruchu ronda katowickiego, węzeł A w godzinie szczytowej Charakterystyki projektowanych potoków ruchu węzła A w godzinie szczytowej Charakterystyki potoków ruchu węzła L w godzinie szczytowej Charakterystyki potoków ruchu węzła H w godzinie szczytowej Charakterystyki sumaryczne węzłów A, L, H, w godzinie szczytowej Analiza efektywności zmian organizacji ruchu przy założeniu dodatkowych kosztów eksploatacyjnych Analiza efektywności zmian organizacji ruchu przy założeniu dodatkowych nakładów inwestycyjnych Podsumowanie i wnioski Zarys polityki transportowej dla województwa katowickiego Diagnoza stanu istniejącego synteza Strategia zrównoważonego rozwoju województwa katowickiego Cele szczegółowe Wnioski organizacyjne Bibliografia Ost0-4

5 WPROWADZENIE Optymalizacja sieci transportowych jest nowym podręcznikiem Politechniki Śląskiej do nowego przedmiotu dla specjalności INŻYNIERIA RUCHU kierunku TRANSPORT Politechniki Śląskiej w Katowicach. W tej dziedzinie podstawowym podręcznikiem jest książka Steenbrinka (1978), która dalej jest pierwszą pozycją literaturową, mimo upływu ćwierć wieku od jej pojawienia się. Ponieważ książka Steenbrinka (1978) poza fragmentami odnoszącymi się do opisu mocy ówczesnych komputerów, zupełnie nie straciła na aktualności, dlatego wstępne rozdziały oparto na książce Steenbrinka (1978), co jest dobrym wstępem do optymalizacji sieci transportowych. W dziedzinie teorii transportu mamy dwie związane teorie: teoria potoków ruchu, dotycząca oceny przepustowości dróg transportowych oraz druga teoria dotycząca optymalizacji sieci transportowych., bez manifestacji teoretyczności zagadnień. Autor dotychczas czuł się związany z teorią potoków ruchu, jako, że dotychczasowa działalność naukowa dotyczyła metod oceny przepustowości sieci kolejowej, gdzie w roku 1974 zaproponował nowe pojęcie optymalnej intensywności ruchu zastępującej dotychczasowe pojęcie przepustowości (patrz np. Woch, 1974, 1975, 1976, 1978, 1983, 1986, 1989, 1993, 1998, 2001), po zbudowaniu pierwszych modeli symulacyjnych Monte Carlo węzłów torowych.. Na tej podstawie powstały w latach 70., 80., i 90. nowe metody oceny przepustowości sieci kolejowej, oparte na modelach symulacyjnych Monte Carlo typowych układów torowych, nazywane metodami soutowskimi, ponieważ do stosowania tych metod zbudowany został w zapleczu naukowo - badawczym Polskich Kolei Państwowych w latach 70., 80. i 90. odpowiedni system informatyczny, nazwany przez autorów: Barona i Wocha (1975) Systemem Oceny Układów Torowych - SOUT. W zapleczu naukowo - badawczym PKP SOUT jest narzędziem optymalizacji sieci kolejowej PKP oraz optymalizacji ruchu kolejowego, między innym służy do optymalizacji organizacji ruchu kolejowego na czas zamknięć torowych. W głównym nurcie rozwoju SOUT w latach system zostaje wykorzystany do optymalizacji sieci kolejowej PKP i rozszerzony z sieci śląskiej, wtedy bardzo gęstej sieci kolejowej, na całą sieć PKP. Zaplecze naukowo badawcze PKP w tych latach opracowuje założenia rozwoju sieci kolejowej PKP do roku 1995 (a więc z dziesięcioletnim horyzontem planowania), przy założeniu dwukrotnego wzrostu wydobycia węgla! Z dzisiejszej perspektywy założenie to szokuje, ale takie były wtedy wizje rozwoju naszego górnictwa. Natomiast dla nowych metod optymalizacji sieci kolejowej było to bardzo ciekawe doświadczenie badawcze, wymagające rozszerzenia SOUT z Zakładu Śląskiego CNTK na Ośrodek Badań Ekonomiki Transportu oraz Kolprojekt, co wymagało zapewnienia dużej niezawodności oprogramowania SOUT, działającego w różnych warunkach technicznych różnych ośrodków informatyki PKP. Różne zespoły badawcze wymusiły powstanie specjalnych wersji oprogramowania SOUT, służącego do obliczeń masowych. W ramach tych prac powstaje nowa metoda optymalizacji sieci kolejowej oparta na metodach soutowskich, przedstawiona przez Wocha w roku 1981 i 1983 a następnie zweryfikowanej formie, w roku Metody soutowskie wykorzystane do optymalizacji sieci kolejowej w latach 80., przedstawione zostały w rozdziałach 6, 7, 8, i 9, na podstawie pracy Wocha (1986). Z punktu widzenia teorii optymalizacji sieci transportowych są to metody heurystyczne: wyboru najbardziej obiecujących projektów i jak wykazuje Steenbrink (1978), prowadzące do nieoptymalnego rozwoju sieci transportowej. Ost0-5

6 Trzeba tutaj nadmienić, że każda praktyczna metoda oceny przepustowości Inżynierii Ruchu jest metodą szukania wąskich gardeł sieci transportowej, a następnie usuwaniu ich, a więc jest to najczęściej podejście heurystyczne, z punktu widzenia teorii optymalizacji sieci transportowej. A więc to, co wydaje się być bardzo naturalnym podejściem do optymalizacji sieci transportowych jest niewłaściwe z teoretycznego punktu widzenia! Dlatego Woch (1998) opracował nową metodą optymalizacji sieci transportowych, będącą w istocie rzeczy uogólnieniem metod soutowskich. Przedstawieniu tej metody poświęcono rozdziały 10 i 11. Jak wykazał Woch (1998), jeżeli do określania wąskich gardeł w sieci transportowej stosuje się sprawny aparat analizy przepustowości węzłów transportowych pozwalający na analizę warunkowych przepustowości węzłów transportowych, to naturalny proces usuwania wąskich gardeł sieci transportowej jest optymalny z teoretycznego punktu widzenia, dzięki możliwości optymalizacji ruchu wszystkich węzłów transportowych. Jest to więc również dowód na optymalność metod soutowskich, pod względem teoretycznym!. BIBLIOGRAFIA Baron, K. i Woch, J. (1975) Założenia i koncepcja Systemu Oceny Układów Torowych (SOUT). Prace COBiRTK z.59 WKŁ Warszawa. Steenbrink, P. (1978) Optymalizacja sieci transportowych. WKŁ Warszawa. Woch, J.(1974) Model probabilistyczny rejonu sieci kolejowej na przykładzie KOK. Praca COBiRTK nr 3029/16 Katowice. Woch, J. (1975) Oceny układów torowych i organizacji ruchu pociągów przy użyciu symulacji komputerowej. Politechnika Śląska Gliwice, (praca doktorska). Woch, J. (1977) Ogólne ujęcie zagadnień przepustowości jako problemu wymiarowania układów kolejowych (w): Informatyka w planowaniu technicznym przewozów kolejowych (praca zbiorowa pod redakcją A. Truskolaskiego i J. Węgierskiego). WKŁ Warszawa. Woch, J. (1978) System Oceny Układów torowych (SOUT). Informacja. Praca COBiRTK nr Katowice. Woch, J. (1983) Podstawy inżynierii ruchu kolejowego. WKŁ, Warszawa. Woch, J. (1986) Synteza metodyczna prac problemu MK145.Problem resortowy MK 145: Modernizacja i rozwój sieci kolejowej PKP w latach Podstawy metodyczne i informacyjne oraz próbne wdrożenie. Praca OBET nr Warszawa - Katowice. Woch, J. (1989) Mikrokomputerowe systemy wspomagania programowania rozwoju sieci kolejowej. Praca CNTK nr 3195/16. Katowice. Woch, J. (1993) Jak korzystać z SOUT. Dyrekcja Generalna PKP. Warszawa Katowice. Woch, J. (1998) Kształtowanie płynności ruchu w gęstych sieciach transportowych. Polska Akademia Nauk o. w Katowicach, Komisja Transportu. Wydawnictwo Szumacher. Woch, J. (2001) Narzędzia analizy efektywności i optymalizacji sieci kolejowej (System Oceny Układów Torowych - SOUT- opis podstawowego oprogramowania) Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice. Ost0-6