Βελτιστοποίηση οδικών χαράξεων - Πολίτης, Στέφανος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών. Τομέας Έργων Υποδομής και Αγροτικής Ανάπτυξης. Εργαστήριο Συγκοινωνιακής Τεχνικής, 2016)
Ο σχεδιασμός μιας οδού αποτελεί ένα ιδιαίτερα περίπλοκο πρόβλημα το οποίο μελετάται σε διαφορετικά επίπεδα. Αρχικά, σε μια ευρεία περιοχή μελέτης σχεδιάζονται και αξιολογούνται εναλλακτικές διαδρομές ενώ σε πιο προχωρημένα στάδια γίνεται λεπτομερής σχεδιασμός της οδικής χάραξης που επιλέχθηκε από την αξιολόγηση. Υπάρχουν αρκετά στοιχεία κόστους που σχετίζονται με τα οδικά έργα, τα οποία αφορούν κοινωνικοοικονομικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες ενώ σε τελικό στάδιο το σημαντικότερο ρόλο παίζει το κόστος κατασκευής. Η διαδικασία βασίζεται σε μια μέθοδο δοκιμής και λάθους η οποία υπόκειται σε μεγάλο πλήθος περιορισμών που απορρέουν από τις προδιαγραφές οδικού σχεδιασμού. Στις προδιαγραφές αυτές διαπιστώνονται αρκετές διαφορές ως προς τις επιλογές των μεγεθών των γεωμετρικών στοιχείων, ενώ έμφαση πρέπει να δίνεται στην οδική ασφάλεια. Η συμβατική διαδικασία σχεδιασμού μιας χάραξης σύμφωνα με την υπάρχουσα πρακτική περιλαμβάνει σε μεγάλο βαθμό το στοιχείο της κριτικής. Για τον λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί αρκετά μαθηματικά πρότυπα βελτιστοποίησης με στόχο τη μείωση του χρόνου, του κόστους και των σφαλμάτων της διαδικασίας του συμβατικού οδικού σχεδιασμού. Η βελτιστοποίηση οδικών χαράξεων διαμορφώνεται ως το πρόβλημα εύρεσης μιας καμπύλης που συνδέει δύο σημεία με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται τα χαρακτηριστικά του προβλήματος της βελτιστοποίησης οδικών χαράξεων και γίνεται εκτενής ανασκόπηση των υπαρχόντων προτύπων βελτιστοποίησης οδικών χαράξεων. Μέσω της ανασκόπησης γίνεται η διαπίστωση πως τα περισσότερα πρότυπα αφορούν το προκαταρκτικό στάδιο μελέτης των οδών και υστερούν ως προς τις απαιτήσεις σχεδιασμού σε ένα πιο λεπτομερές επίπεδο. Για το λόγο αυτό αναπτύσσεται ένα καινοτόμο πρότυπο βελτιστοποίησης οδικών χαράξεων, το οποίο ονομάζεται RoadEvolver και δομείται με τέτοιο τρόπο, ώστε να αποτυπώνει εκείνες τις αποφάσεις που καλείται να πάρει ένας μελετητής ως προς τη γεωμετρία της οδού και να σχεδιάζει αυτόματα χαράξεις στον τρισδιάστατο χώρο. Οι χαράξεις δεν περιγράφονται από μια ενιαία μαθηματική καμπύλη αλλά κάθε στοιχείο της χάραξη περιγράφεται με ξεχωριστές γεωμετρικές σχέσεις, όπως ακριβώς γίνεται και κατά τη συμβατική διαδικασία σχεδιασμού. Κύριο χαρακτηριστικό του προτύπου αποτελεί η ανεξαρτησία των μεταβλητών απόφασης οριζοντιογραφίας και μηκοτομής, οι οποίες συνδέονται μέσω περιορισμών για τον επιτυχή συνδυασμό τους. Επίσης εισάγονται νέες μεταβλητές απόφασης για τη ρεαλιστική αναπαράσταση της χάραξης με τη συμπερίληψη ασύμμετρων οριζοντιογραφικών καμπυλών. Μέσω της μεθόδου που ακολουθείται η χάραξη μπορεί να προσαρμοστεί καλύτερα στο φυσικό έδαφος αποφέροντας χαμηλότερο κόστος χωματουργικών εργασιών. Για τη βελτιστοποίηση της οδικής χάραξης επιλέγεται η χρήση γενετικών αλγορίθμων, καθώς με βάση τη διερεύνηση των μεθόδων βελτιστοποίησης φαίνεται πως διαθέτουν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά για την επίλυση του προβλήματος που περιγράφεται. Στη διαμόρφωση του προβλήματος χρησιμοποιείται πλήθος περιορισμών που απορρέουν από τις οδηγίες γεωμετρικού σχεδιασμού οδών και ο χρήστης του RoadEvolver καλείται να επιλέξει τους περιορισμούς που θα λάβει υπ’ όψιν ανάλογα με τις ισχύουσες προδιαγραφές. Για τον έλεγχο του προτύπου έγιναν τρεις εφαρμογές με διαφορετικές παραμέτρους σχεδιασμού. Το σύστημα ανταποκρίθηκε στις απαιτήσεις επιβεβαιώνοντας, ότι χαράξεις με μεγαλύτερες ταχύτητες σχεδιασμού οδηγούν σε αποτελέσματα αυξημένου όγκου χωματισμών και κόστους. Για τον έλεγχο αξιοπιστίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν επίσης διαφορετικοί γενετικοί παράμετροι. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με κατάλληλη επιλογή γενετικών παραμέτρων το σύστημα μπορεί να αποφύγει τοπικά βέλτιστες χαράξεις.