Wybór wariantu rozwiązania

Transkrypt

1 Metody komputerowe w inżynierii komunikacyjnej Wybór wariantu rozwiązania doc. dr inż. Tadeusz Zieliński r. ak. 2011/12

2 uwagi wstępne Układ wykładu analiza wielokryterialna metody wspomagające ocenę parametrów technicznych wariantów literatura

3 Uwagi wstępne bardzo ważny (choć niedoceniany) etap projektowania lepiej nie dopracować szczegółów w dobrym wariancie, niż idealnie rozwiązać wariant z gruntu zły metody: ustalenie ekstremum funkcji celu optymalizacja: podejście matematyczne nie zawsze możliwe do wykorzystania w praktyce inżynierskiej wybór najlepszego z n wariantów quasi-optymalizacja: podejście inżynierskie praktycznie zawsze można zastosować najlepsza metoda analiza wielokryterialna

4 Analiza wielokryterialna problemy podstawy teoretyczne: uwagi wstępne ustalenie podstawowych kryteriów ustalenie kryteriów szczegółowych zasady przydzielania punktów analiza wrażliwości wykorzystywane oprogramowanie przykład zastosowania

5 Analiza wielokryterialna Problemy przy jednym kryterium wybór oczywisty zakładamy, że poszukujemy rozwiązania o największej wartości X 1 problem przy analizie wielokryterialnej jak ustalić kryterium ogólnej jakości rozwiązania? zakładamy, że uwzględniamy 2 kryteria trzeba ustalić wagi kryteriów (proporcje istotności) sprowadzić problem do analizy jednokryterialnej

6 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Uwagi wstępne metoda rozwinięta w Holandii przy budowie polderów stosowana powszechnie (wybór wariantów tras, węzłów) zastosowanie zasady od ogółu do szczegółu liczba rozpatrywanych wariantów: umożliwiająca przeprowadzenie analizy wszechstronnej, o założonej dokładności koszty analizy nie przekroczą uzyskanych korzyści

7 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Ustalenie podstawowych kryteriów 3 podstawowe wymagania: kompletność obejmują wszystkie istotne aspekty spójność brak redundancji (nadmiarowości) sprawdzenie korelacji ogólne kryteria: ruchowe, ekonomiczne, ekologiczne, społeczne itp. przydział punktów (wag) do poszczególnych kryteriów: podział puli punktów (zwyczajowo 100) silnie zależy od położenia obiektu (trasy, węzła) miasto znaczenia środowiska, zajętości terenu, znaczenia warunków ruchu teoretycznie powinna ustalać grupa ekspertów

8 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Ustalenie kryteriów szczegółowych ustalenie, dla każdego kryterium podstawowego (np. warunków ruchu): grupy kryteriów szczegółowych (np. straty czasu, przepustowość) dostępnych miar technicznych dostępnych metod pomiarowych (np. metody analityczne, symulacja komputerowa) nie ma stałych kryteriów; wybór zależy np. od położenia analizowanego obiektu (np. ruch pieszy, komunikacja zbiorowa są istotne tylko w miastach) ustalenie wag cząstkowych dla poszczególnych kryteriów (rozdzielenie liczby punktów przydzielonych dla kryterium podstawowego na wszystkie jego kryteria szczegółowe)

9 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Zasady przydzielania punktów odrębnie dla każdego kryterium szczegółowego: ustalenie wartości parametrów technicznych dla najlepszego i najgorszego rozwiązania (praktycznie możliwego) określenie przebiegu funkcji opisującej jakość rozwiązania usytuowanie w tak wyznaczonym zakresie analizowanych wariantów przydział punktów (nie przesadzać z dokładnością) taki sposób przydziału punktów pozwala ocenić: względną jakość rozwiązania różnice jakości miedzy rozpatrywanymi wariantami bezwzględną jakość rozwiązania usytuowanie wariantu w przedziale możliwych rozwiązań

10 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Analiza wrażliwości sprawdzenie wrażliwości ostatecznego wyniku na zmianę parametrów analizy: wagi przypisanej do kryterium wartości parametrów technicznych (tylko dla parametrów szacowanych) istotne jest tylko wystąpienie zmiany jakościowej, czyli zmiana kolejności wariantów wyszukanie wariantu najmniej kontrowersyjnego: uprzywilejowanie kolejno wybranych kryteriów sprawdzenie, które warianty pozostaną w grupie najlepszych

11 Analiza wielokryterialna Podstawy teoretyczne Analiza wrażliwości zakładamy, że poszukujemy maksimum funkcji celu

12 Analiza wielokryterialna Wykorzystywane oprogramowanie arkusze kalkulacyjne: tabela zestawienia parametrów i przydziału punktów wyliczenie wartości dla poszczególnych kryteriów szczegółowych bazy danych informacje o szacunkowych danych dla zrealizowanych obiektów (koszty, emisja spalin itp.)

13 Analiza wielokryterialna Przykład kryteria główne waga (przykładowa) kryteria szczegółowe (przykładowe) zastosowania wybór wariantu węzła miejskiego kryteria główne: ustalenie kryteriów przypisanie im wag (maksymalnej liczby punktów) kryteria szczegółowe: ustalenie kryteriów przypisanie im maksymalnej liczby punktów określenie miar technicznych ustalenie sposobu wyznaczenia wartości miar technicznych warunki ruchu 30 koszty 25 wpływ na środowisko możliwość etapowania suma 100 straty czasu bezpieczeństwo przepustowość wygoda ruchu pieszego wygoda ruchu kom. pub. odporność na sytuacje awaryjne budowy eksploatacji uciążliwość ruchu wpływ na grunty i wody rozdzielenie terenu estetyka rozwiązania możliwość ruchu w trakcie budowy łatwość etapowania rozwiązania docelowego łatwość ew. dostosowania do zmiany natężeń

14 kryterium główne waga (przykładowa) Analiza wielokryterialna Przykład zastosowania Warunki ruchu kryteria szczegółowe (przykładowe) maks. liczba punktów miara techniczna sposób oceny straty czasu 10 Δt symulacja lub oszacowanie typ i liczba kolizji metoda Babkowa lub symulacja bezpieczeństwo 10 czytelność opisowo możliwość oznakowania opisowo warunki ruchu 30 przepustowość 4 PSR wygoda ruchu pieszego 2 przejścia drogi dojścia obliczenia lub symulacja opisowo wygoda ruchu komunikacji publicznej 2 usytuowanie przystanków (poziom) opisowo łatwość przesiadek odporność na sytuacje awaryjne 2 opisowo suma 30

15 Analiza wielokryterialna Przykład zastosowania Koszty kryterium główne waga (przykładowa) kryteria szczegółowe (przykładowe) maks. liczba punktów miara techniczna sposób oceny zajęcie terenu koszty 25 budowy 10 roboty ziemne nawierzchnia obiekty i infrastruktura obliczenia obliczenia lub oszacowanie eksploatacji 15 zużycie paliwa symulacja lub oszacowanie suma 25

16 Analiza wielokryterialna Przykład zastosowania Wpływ na środowisko kryterium główne waga (przykładowa) kryteria szczegółowe (przykładowe) maks. liczba punktów miara techniczna sposób oceny uciążliwość ruchu 15 hałas zanieczyszczenie powietrza symulacja lub oszacowanie wpływ na środowisko 30 wpływ na grunty i wody 5 zmiana stateczności gruntów zmiana zwg obliczenia lub oszacowanie rozdzielenie terenu 5 opisowo estetyka rozwiązania 5 suma 30 wkomponowanie w teren zmiany w krajobrazie opisowo

17 Analiza wielokryterialna Przykład zastosowania Możliwość etapowania kryterium główne waga (przykładowa) kryteria szczegółowe (przykładowe) maks. liczba punktów miara techniczna sposób oceny możliwość ruchu w czasie budowy 4 opisowo możliwość etapowania 15 łatwość etapowania rozwiązania docelowego łatwość ewentualnego dostosowania do zmiany natężeń 8 koszty 3 koszty obliczenia lub opisowo suma 15

18 Metody wspomagające ocenę parametrów technicznych bazy danych informacje o szacunkowych kosztach poszczególnych typów obiektów oprogramowanie analityczne do obliczania wartości poszczególnych parametrów, m.in.: obliczenie przepustowości obliczenie robót ziemnych symulacja, m.in.: warunków ruchu emisji hałasu emisji spalin oprogramowanie kompleksowe system IHSDM

19 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM IHSDM Interactive Highway Safety Design Model Interaktywny System Projektowania Bezpiecznych Dróg powstał w USA Federalna Dyrekcja Dróg (Federal Highway Administration FHWA) szacunkowe dotychczasowe koszty 8 10 milionów $ cel systemu moduły ocena systemu więcej: Pręcikowski T. Analiza wykorzystania programu IHSDM w warunkach polskich, praca dyplomowa, Warszawa

20 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Cel utworzenia systemu wieloaspektowa ocena projektu w różnych fazach projektowania (przy różnej szczegółowości dostępnych danych projektowych); uwzględnia się: zgodność z wytycznymi bezpieczeństwo ruchu warunki ruchu

21 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Policy Review Module ocena zgodności projektu z wytycznymi Design Consistency Module analiza płynności ruchu Crash Prediction Module prognozowanie wypadków Traffic Analysis Module analizy ruchowe Intersection Review Module analiza skrzyżowań Driver/Vehicle Module sprawdzenie bezpieczeństwa przejazdu pojazdu swobodnego (z V poż ; symulacja w skali mikro) narzędzia pomocnicze: Configuration Tool konfiguracja, konwersja danych Administration Tool narzędzia administracyjne Basic Services podstawowe narzędzia pomocnicze

22 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Ocena zgodności projektu z wytycznymi Policy Review Module: elektroniczna wersja wytycznych + matematyczny opis warunków (w Polsce KAD) system otwarty można włączać nowe przepisy algorytm sprawdzający zgodność elementów geometrycznych z wytycznymi (w programie użyto wytycznych AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials; używają wartości zalecanych i dopuszczalnych) droga jest rozbijana na segmenty, które są poddawane szczegółowej analizie; sprawdza się: przekrój poprzeczny szerokość jezdni i poboczy, układ skarp, przechyłki i rampy, rowy, szerokość obiektów trasę R, A, q, stosunek R i : R i+1 niweletę R, i widoczność na zatrzymanie i wyprzedzanie

23 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Analiza płynności ruchu Design Consistency Module: generuje profil prędkości miarodajnej (kwantyl 85% dla pojazdów swobodnych); uwzględnia przy tym wpływ: trasy niwelety prędkości pożądanej (V poż ) wyszukuje odcinki: o dużej różnicy między V poż a V proj duże zmiany V 85% (mogą się one przyczyniać do liczby wypadków) wynik syntetyczny wskaźnik oceny płynności ruchu

24 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Analiza płynności ruchu źródło: T. Pręcikowski - Analiza wykorzystania programu IHSDM w warunkach polskich, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, Warszawa 2004

25 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Analiza płynności ruchu źródło: T. Pręcikowski - Analiza wykorzystania programu IHSDM w warunkach polskich, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, Warszawa 2004

26 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Prognozowanie wypadków Crash Prediction Module: szacowanie częstotliwości i ciężkości wypadków dla poszczególnych segmentów drogi: szacowana jest: liczba wypadków z podziałem na wypadki z rannymi i śmiertelne koszty wypadków wartości ustalono na podstawie analiz statystycznych liczbę wypadków uzależniono od: geometrii drogi: przekrój poprzeczny (szerokości jezdni, szerokości i typ poboczy; pasy wyprzedzania) trasa (R, Ł, q, A) niweleta (i) skrzyżowania (kąt, rodzaj sterowania ruchem, pasy dla lewo i prawoskrętów, Δ widoczności); uwzględniane są tylko skrzyżowania trój- i czterowlotowe bez sygnalizacji oraz czterowlotowe z sygnalizacją gęstości ruchu usytuowania drogi (odrębne zestawy wartości dla każdego stanu USA) topografii terenu można wstawiać dane wg zewnętrznej bazy oraz własne współczynniki korygujące zalecana jest kalibracja dla stanu istniejącego oszacowane wartości współczynnika wypadkowości porównuje się między wariantami lub z podobnymi drogami istniejącymi (nie ma standardów bezpieczeństwa) wyniki bardzo niepewne trudność adaptacji do warunków polskich

27 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Analizy ruchowe Traffic Analysis Module: ocena warunków ruchu za pomocą programu symulacyjnego TWOPAS: drogi dwupasowe dwukierunkowe ew. pasy wyprzedzania uwzględnia się: geometrię oznakowanie widoczność na wyprzedzanie cechy kierowców parametry pojazdów sposób sterowania ruchem na skrzyżowaniach natężenie i strukturę ruchu

28 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Analiza skrzyżowań Intersection Review Module: elektroniczna wersja wytycznych projektowania skrzyżowań zamiejskich + system ekspercki analizowane elementy: układ skrzyżowania (liczba wlotów i ew. ich przesuniecie, odległości do sąsiednich skrzyżowań) geometria krzyżujących się dróg (krzywizny, różnice geometrii wlotów i wylotów, ukształtowanie niwelety) geometria skrzyżowania (kąt skrzyżowania, krzywizna w planie, promienie skrętów, pasy włączeń i wyłączeń, Δ widoczności) wskazuje ew. punkty niebezpieczne, które należy zmodyfikować

29 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Kierowca pojazd Driver/Vehicle Module: sprawdzenie bezpieczeństwa przejazdu pojazdu swobodnego (z V poż ) dla drogi dwupasowej dwukierunkowej symulacja w skali mikro krok I zachowania kierowców: oszacowanie prędkości i toru jazdy dla ruchu swobodnego wynik profil prędkości i tor jazdy pojazdu swobodnego oraz przyspieszenia boczne i przechylenia pojazdu krok II dynamika pojazdu sprawdzenie, czy przejazd z tą prędkością jest bezpieczny (warunek zsunięcia i ew. wywrócenia pojazdu)

30 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Moduły Narzędzia konfiguracyjne Configuration Tool: GEOPAK zastosowany do konwersji danych z plików dgn i gpk na pliki tekstowe zrozumiałe dla IHSDM LandXML: otwarty standard wymiany danych powstał w 1999 r. pozwala wymieniać dane m.in. między Microsoft Office, AutoCAD, SQL 2000, DMBS IBM oraz Oracle więcej: nowsze wersje mają być zintegrowane z systemami CAD (AutoCAD, MicroStation) oraz programami do projektowania dróg (InRoads, Vestra) pominięcie żmudnego etapu transferu danych

31 Metody wspomagające oszacowanie parametrów technicznych System IHSDM Ocena zalety: wskazanie przyszłościowego kierunku bieżąca analiza jakości projektu otwartość systemu: możliwość rozbudowy o nowe wytyczne możliwość korzystania z zewnętrznych baz danych wady: trudność adaptacji do warunków polskich (sztywne wprowadzenie algorytmów weryfikacji; zależności opracowane na podstawie obróbki statystycznej badań dla USA) brak możliwości modyfikowania parametrów pojazdów stosowanych w programach symulacyjnych opracowany tylko dla dróg jednojezdniowych niepewność wyników (zwłaszcza oszacowanie liczby wypadków) konieczność transferu danych

32 Literatura H. Chrostowska Metoda analizy wielokryterialnej inwestycji drogowych, IBDiM, Warszawa, listopad 1982 T. Kaczor, Ł. Starosta Ocena wielokryterialna przebiegów I pan-europejskiego korytarza transportowego, Konferencja nauk.-techn. Wspomaganie decyzji w projektowaniu i zarządzaniu transportem, Poznań 2007 L. Mikołajkow Zasady i metody oceny wpływu modernizacji na bezpieczeństwo ruchu drogowego, Transprojekt Warszawa, 1984 Pręcikowski T. Analiza wykorzystania programu IHSDM w warunkach polskich, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska, Warszawa