Planning of optimum highway work zones

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: ASTRA2006/007
• Titre du projet anglais: Planning of optimum highway work zones

Mots-clé (Allemand)

Fahrbahnen, Erhaltungsmanagement, Verkehrsinfrastruktur, Optimierung, Baustellenplanung, Kosten-Nutzen-Analyse, Lebenszykluskosten, Autobahnen

Mots-clé (Anglais)

roadway, maintenance management, transport infrastructure, optimization, construction site management, cost-benefit analysis, life-cycle cost, highways

Description succincte (Allemand)

Die drei Hauptziele bei der Planung von Baustellen auf Autobahnen sind im Allgemeinen:

-               eine gesamthaft kürzere Baustellendauer,

-               die Reduktion der volkswirtschaftlichen Gesamtkosten und

-               ein langfristig baustellenfreier Verkehrsablauf nach einer Erhaltungsmassnahme im gleichen Streckenabschnitt.

Infolge des zunehmenden Alters und der stetig ansteigenden Nutzung wird die Baustellentätigkeit im Rahmen der Erhaltungsplanung insbesondere auf stark belasteten Autobahnen in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Die dabei steigenden Anforderungen an die Baustellenplanung können durch systematische Planungsverfahren und Werkzeuge effizient unterstützt werden.

Im Forschungsvorhaben werden deshalb Verfahren und Methoden zur koordinierten Baustellenplanung von Erhaltungstätigkeiten untersucht und deren Möglichkeiten und Grenzen im Einsatz für die Praxis an Beispielen aufgezeigt. Zur Lösung dieser anspruchsvollen Aufgabe sind die Lebenszykluskosten der Interventionen an den Bauwerken, die dadurch anfallenden Strassennutzerkosten durch Zeitverlust und erhöhte Unfallhäufung sowie der Nutzen infolge dieser Erhaltungsmassnahmen mit in die Betrachtung einzubeziehen. Dadurch gewinnt die Planung und deren Optimierungsaufgabe immer mehr an Komplexität, welche als modifiziertes Problem des kürzesten Weges formuliert und gelöst werden soll.

Hierbei kommen Algorithmen zur Lösung binärer Probleme wie z.B. „branch-and-bound“ sowie „branch-and-cut“ oder heuristische Verfahren zum Einsatz. Die Erkenntnisse stellen Grundlagen für eine koordinierte Baustellenplanung bei komplexen Verkehrsverhältnissen an Erhaltungsabschnitten von Nationalstrassen dar. Sie eignen sich besonders im kantonalen und grossstädtischen Einsatzbereich für planende Behörden und Ingenieurbüros.

Description succincte (Anglais)

The three main objectives in planning of highway work zones are generally:

-               a shorter duration of work zones,

-               reduction of economic costs and

-               on long-term consideration lower the work zone frequency for the same section.

Due to increasing age and use of the highways, the work zones activity will dramatically rise in the next years especially on heavily used sections. Systematic planning methods and tools can efficiently support the maintenance management with its increasing demands. For that reason the research project determines methods of coordinated planning and exemplarily shows the opportunity and limits for the practical use. Life-cycle costs of the interventions, driver expense due to time loss and incremented accident numbers as well as the benefit gained have to be included in the consideration.

Thus the planning and its optimization becomes more and more complex, which can regarded as a modified problem of the shortest distance. Solutions are shown by algorithms like “branch-and-bound”, “branch-and-cut” as well as heuristic methods. The findings are the base for a coordinate planning of highway work zones with complex traffic conditions. They qualify for cantonal and metropolitan application for planning authorities and consultants.

Description du projet (Allemand)

Während zur Bestimmung wirtschaftlich optimaler Erhaltungsmassnahmen für Einzelprojekte wie Fahrbahnabschnitte, Brücken und Kunstbauten und Technische Ausrüstungen zweckmässige und erprobte Verfahren und Techniken zur Verfügung stehen und in der Praxis teilweise auch schon angewendet werden, fehlen einheitliche Verfahren zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung zur systematischen, koordinierten Baustellenplanung für Erhaltungsarbeiten komplexer Baustellen. Zur Bestimmung wirtschaftlich optimaler Erhaltungsmassnahmen für Einzelobjekte und Gruppen von gleichartigen Objekten, wie homogene Fahrbahnabschnitte oder Kunstbauten, werden in der Regel die Verfahren der inkrementellen Nutzen-/Kosten-Verhältnisse eingesetzt. Dabei werden für diese Objekte für einen bestimmten längeren Zeitraum unter Berücksichtigung der Gesamtkosten (Massnahmenkosten, Strassennutzerkosten) die wirtschaftlich zweckmässigsten Erhaltungsmassnahmen mit Massnahmeart und Realisierungszeitpunkt getrennt für Fahrbahnen und für Kunstbauten ermittelt.

Im Gegensatz zu diesem Planungsablauf ist heute für die Gesamtheit von Fahrbahnabschnitten, Kunstbauten und Technische Ausrüstungen koordinierte Baustellenplanungen ebenfalls für längere Zeiträume zur Erreichung der eingangs erwähnten übergeordneten Gesamtziele von vorherrschendem Interesse. Dies bedeutet zweierlei: Einerseits sind hierzu die Lebenszykluskosten der Interventionen an den Bauwerken zu berücksichtigen. Andererseits sollen bei den Strassennutzerkosten nebst den grundlegenden Kosten infolge eingeschränkter Leistungsfähigkeit während der Dauer der Ausführung der Erhaltungsmassnahmen (Geschwindigkeit, Stop and Go, Stau) und Unfallgeschehen (erhöhte Unfallhäufigkeit und –schwere) die durch die gebündelten Interventionen und Erhaltungsmassnahmen erzielten Nutzen (fehlende Baustellen, Vollausnutzung Leistungsfähigkeit, geringere Anzahl Unfälle) berücksichtigt werden.

Da die Aufgaben und Bedürfnisse zur Substanzerhaltung und Gewährleistung der Leistungsfähigkeit vor allem bei hochbelasteten Verkehrsanlagen sowohl im Netz der Autobahnen als auch im Agglomerationsverkehr (Autobahnen und Zubringer Hauptstrassen) in Zukunft rasch zunehmen werden und die Realisierung der Erhaltungsmassnahmen und weiteren Interventionen (Erweiterung, Verkehrsbeeinflussungssysteme) stets „unter Verkehr“ durchgeführt werden müssen, wachsen die Anforderungen an die Baustellenplanung massiv an. Unter Berücksichtigung des allgemeinen Druckes nach verbesserter Wirksamkeit der eingesetzten finanziellen Mittel ist der Bedarf von Verfahren zur Optimierung der koordinierten Baustellenplanung aktuell und dringlich.

Die Erarbeitung und das Aufzeigen des Vorgehens und des Einsatzes geeigneter Methoden zur Koordination von Erhaltungstätigkeiten dient einerseits der Verbesserung und Systematisierung der Planung der Realisierung von Erhaltungsmassnahmen vor allem bei komplexen Anlage- und Verkehrssituationen. Andererseits lassen sich damit gesamtwirtschaftlich optimale Baustellenabläufe und –folgen herleiten, die langfristig eine hohe Kostenwirksamkeit gewährleisten.

Bei grösseren und komplexeren Baustellen an stark belasteten Autobahnen wird heute i.A. ein grosser Planungsaufwand betrieben. Die Realisierungszeitpunkte werden praktisch ausschliesslich aufgrund vorhandener, schlechter Zustände einzelner Abschnitte aller Bauwerke festgelegt. Nach erfolgter Instandsetzung werden die Bauwerke wieder „sich selbst überlassen“ bis sie wieder in einem schlechten Zustand erscheinen. Die koordinierte Baustellenplanung unter Einsatz geeigneter Werkzeuge und Verfahren gewährleistet das Auffinden wirtschaftlich optimaler Realisierungsabläufe für Erhaltungsmassnahmen und weitere bauliche Interventionen an komplexen Anlage- und Verkehrssituationen bei Autobahnabschnitten. Die bis anhin intuitiv und aufgrund von Erfahrung festgelegte Baustellenplanung wird unter Verwendung geeigneter Verfahren und Werkzeuge objektiviert und es lassen sich systematisch die längerfristig betrachtet wirtschaftlich bestmöglichen Realisierungsabläufe der Baustellen umsetzen. Damit wird eine höhere Kostenwirksamkeit erreicht.

Aus der Forschungsarbeit werden folgende Resultate erwartet:

-               Darstellung und Beschreibung eines Verfahrens für die koordinierte Baustellenplanung zur Bestimmung wirtschaftlich optimaler Realisierungsprogramme.

-               Beurteilung der Aussagekraft unter verschiedenen Bedingungen und Voraussetzungen der Datenlage (mitberücksichtigte exakte Daten, geschätzte Daten)

-               Empfehlung bezüglich Verwendung von mathematischen Algorithmen zur Lösung der Optimierungsaufgabe (binäres Programm)

-           Abgrenzung der Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes des Verfahrens in der Praxis. Hinweise bezüglich Aussagekraft und Genauigkeiten

Méthodes (Allemand)

Sowohl die Erhaltungsmassnahmen als auch die bei deren Realisierung ausgelösten bzw. hervorgerufenen Interventionen und Auswirkungen im Verkehrsablauf (Strassennutzerkosten) werden monetär quantifiziert. Damit lassen sich in jedem Fall auch die durch die Optimierung hergeleiteten Verbesserungen bzw. Veränderungen monetär angehen und einfach vergleichen.

Die Situation der Verkehrsanlage wird grundsätzlich als schematisiertes Netzwerk modelliert. Die einzelnen Objekte (Fahrbahnabschnitte, Kunstbauten, Technische Anlagen und Ausrüstungen) werden koordinatenmässig (linear) via Kilometerabstände miteinander in Beziehung gesetzt. Das Objekt ist als eine Strecke zwischen zwei Punkten im Netzwerk definiert.

Zur Herleitung der wirtschaftlich optimalen Baustelle (Massnahmenfolge und Realisierungszeitpunkte) bedarf es der Evaluation aller möglichen Varianten von Massnahmenarten / Realisierungszeitpunkten nach den geringsten Gesamtaufwendungen.

Equipements spéciaux (Allemand)

keine

Etat des recherches effectuées par le requérant (Allemand)

Eine erste Literaturrecherche sowie die Expertenkenntnisse des Forschungsteams zeigen in erster Linie, dass sich die Forschung bisher kaum der Koordination von Erhaltungstätigkeiten an Fahrbahnen, Kunstbauten und Technischen Ausrüstungen an komplexen und grossen Verkehrsanlagen wie hochbelasteten Autobahnen im Agglomerationsbereich gewidmet hat. Immerhin wurde in der Forschungsarbeit Optimierungsverfahren im Erhaltungsmanagement (Forschungsbericht Nr.1109, Forschungsauftrag VSS 1999/293) zumindest ein Ansatz zur Koordination von Erhaltungsmassnahmen von Fahrbahnabschnitten und Kunstbauten von Small [SMALL 1998] entdeckt. Dabei werden Kriterien und subjektive Gewichtungen zur Bestimmung von Dringlichkeiten verwendet. Das Verfahren hat bisher kaum Einzug in der Praxis gefunden.

Auf der Seite von Optimierungsverfahren gibt es eine grosse Fülle von Methoden und Verfahren zur Lösung verschiedenster Fragestellungen (vgl. z.B. Lüthi, H.J., Einführung in Optimierungstechniken, Script zur Vorlesung WS 2004/2005, ETH Zürich). Anwendungen von Optimierungstechniken auf die Fragestellung der koordinierten Baustellen konnten bisher in der Literatur nicht gefunden werden.

Objectifs du projet (Allemand)

Untersuchung und Evaluation von Verfahren und Methoden zur koordinierten Baustellenplanung von Erhaltungstätigkeiten an Fahrbahnen, Kunstbauten und Technischen Ausrüstungen zur Optimierung aller Interventionen über einen längeren Betrachtungszeitraum (wirtschaftlichste Lösung ohne/mit Budgetvorgabe durch Lösung von binären Systemen).

Aufzeigen der Möglichkeiten und Grenzen sowie Beurteilung der Zweckmässigkeit des Einsatzes geeigneter Verfahren für die Praxis anhand von Beispielen.

Objectifs du projet (Anglais)

Analysis and evaluation of methods for planning highway work zones to optimize all inventions in the long term

Showing exemplified possibilities and limits of the application of this methods in practice

Plan de recherche (Allemand)

Für die Bearbeitung des Forschungsvorhabens sind die nachfolgend aufgeführten und beschriebenen Arbeitsschritte vorgesehen, die gleichzeitig die Meilensteine der Forschungsarbeit darstellen. Die Begleitkommission wird jeweils nach Erreichen und Beurteilen der Meilensteine über den Zwischenstand im Projekt und die konkreten weiteren Arbeiten orientiert.

Phase 1:

a.)           Suche von Baustellenabschnitten

Geeignete Baustellenabschnitte liegen dann vor, wenn entweder eine langfristige Erhaltungsplanung schon vorliegt oder wenn eine detaillierte Zustandserfassung und –bewertung und zugehörige Massnahmenplanungen vorhanden sind. Alle Objekte müssen örtlich identifiziert sein und dazu auch alle Objektdaten vorliegen. Die Baustellenabschnitte müssen sowohl eine Anzahl Fahrbahnabschnitte als auch einzelne Kunstbauobjekte und einzelne Technische Ausrüstungen enthalten.

b.)           Evaluation

Die Evaluation erfolgt durch Beurteilung einerseits der vorhandenen Datenlage (Vollständigkeit) und andererseits bzgl. Eignung für die Untersuchung (Objektzahl und -art). Schliesslich mitentscheidend sind die Möglichkeiten, die fehlenden Daten zu erheben oder zu schätzen. 2 Baustellenbereichen sind letztlich auszuwählen.

c.)           Einholen, Ergänzen und Zusammenstellen Daten

Als Vorbereitung ist die Erstellung einer Datenbank erforderlich. Sämtliche Daten werden in die Datenbank so abgelegt, dass sie zweckmässig bei den Berechnungen verwendet werden können.

Phase 2:

d.)           Netzwerkformulierung

Vorerst erfolgt die Formulierung und Darstellung der Baustellensituation als Netzwerk als gerichteter Graph mit Knoten als Start- oder Endpunkte der Baustellen für einzelnen Objekte und Schnittpunkten von Fahrstreifen. Dabei werden Abschnitte unterschieden, in denen Massnahmen vorgesehen sind und solche ohne Massnahmen. Die Verkehrssituation wird entsprechend zur Massnahmenart zugeordnet, wodurch sich der Graph nicht ändert und verschiedene Verkehrsführungen durch Varianten der Richtungspfeile berücksichtigt werden können.

e.)           Kostenberechnungen

Unter Verwendung von tatsächlichen Kosten (ausgeführte Massnahmen) und spezifischer Einheitskosten werden mit Hilfe der Objektdaten für sämtliche Netzwerkverbindungen die Kosten für die Erhaltungsmassnahmen (Objektkosten, Signalisationskosten, Strassennutzerkosten) bestimmt. Schliesslich werden, wie in Ziffer 2 erwähnt, auch die Nutzen der Erhaltungsmassnahmen als positive Nutzerkosten berücksichtigt.

Phase 3:

f.)            Optimierungsberechnungen

Mit den in Phase 2 erarbeiteten Grundlagen wird anhand der Literaturrecherchen ein effizienter massgeschneiderter Algorithmus zur Lösung der binären Aufgaben vorgeschlagen. Für die binären Programme gibt es keine allgemein gültige Lösung und deshalb muss für jeden Aufgabentyp das effizienteste Lösungsverfahren entwickelt werden.

g.)           Analyse und Beurteilung

Die Berechnungsergebnisse sind im Hinblick auf Plausibilität und Praktikabilität zu prüfen und die gewonnenen Erkenntnisse werden festgehalten.

Phase 4:

h.)           Formulierung von Empfehlungen

Aufgrund der Analyse und Beurteilung der Ergebnisse und der gewonnenen Erkenntnisse sind Einsatz und Verwendung von Optimierungstechniken und –algorithmen zu beschreiben und Empfehlungen für die praktische Anwendung bei Planern und Ingenieuren abzuleiten.

Für die Durchführung des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Bildung einer Forschungsgemeinschaft vorgesehen. Zu den Beteiligten gehören das Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme (IVT) der ETH Zürich, Fachbereich Verkehrssysteme im Individualverkehr, das Institut für Bauplanung und Betrieb (IBB) der ETH Zürich und die Firma Infrastructure Management Consultants (IMC), Zürich. Die Federführung obliegt dem IVT der ETH Zürich.

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Die Erkenntnisse stellen Grundlagen und Hilfsmittel für eine koordinierte Baustellenplanung bei komplexen Situations- und Verkehrsverhältnissen an Autobahnerhaltungsabschnitten dar. Durch den Einsatz des Verfahrens lassen sich objektiv wirtschaftlich optimale Realisierungsprogramme herleiten, die wesentliche Grundlagen bei der Baustellenplanung in komplexen Verhältnissen darstellen.

Die bis anhin intuitiv und aufgrund von Erfahrung festgelegte Baustellenplanung wird unter Verwendung geeigneter Verfahren und Werkzeuge objektiviert und es lassen sich systematisch die längerfristig betrachtet wirtschaftlich bestmöglichen Realisierungsabläufe der Baustellen umsetzen. Damit wird eine höhere Kostenwirksamkeit erreicht.

Besonders geeignet sind diese Grundlagen für kantonale und grossstädtische Behörden, für beauftragte Ingenieurbüros und diejenigen, die Massnahmen- und Baustellenplanung von grossen und komplexen Streckenabschnitten von Autobahnen ausserhalb und innerhalb von Agglomerationen bearbeiten.

No du rapport (Allemand)

1424

No du rapport (Anglais)

1424

Littérature (Allemand)

SMALL E.P. (1998) Integration of Bridge and Pavement Management Systems: A Proposal Strategy for Asset Management, FHWA, IBMC-045, Georgetown Pike, USA

LINDENMANN H.P., HAJDIN R., et al (2000) Erhaltungsmanagement der Strassenverkehrsanlagen, Generelle Fachkonzepte, UVEK-Schriftenreihe Nr. 492, VSS, Zürich

SPACEK P., LAUBE M., SANTEL G., SCHÜLER W. (2005) Baustellen an Hochleistungsstrassen, UVEK-Schriftenreihe Nr. 1124, VSS, Zürich

RAFI A., HAJDIN R., WELTE U. (2005) Optimierungsprozesse im Management der Strassenerhaltung, UVEK-Schriftenreihe Nr. 1109, VSS, Zürich

HOLZWARTH J., HEUSSER O., BAUER P. (2005) Web-basiertes Baustellenkoordinierungs- und Informationssystem Baden-Württemberg, Strassenverkehrstechnik 5, 248-253

ASTRA (2000) Fachkonzepte Unterhaltsplanung Gesamtsystem, Version 2.0, Bundesamt für Strassen, Bern

LÜTHI H.-J. (2004) Einführung in Optimierungstechniken, Script zur Vorlesung WS 2004/2005, ETH Zürich

DIJKSTRA, E. W. (1959) A note on two problems in connexion with graphs, Numerische Mathematik, 1 (1959), S. 269–271

LAND A. H., DOIG A. G. (1960) An Automatic Method for Solving Discrete Programming Problems, Econometrica, Vol.28 (1960), pp. 497-520

PADBERG M. W., RINALDI G (1991), A Branch and Cut Algorithm for the Resolution of Large-scale Symmetric Traveling Salesmen Problems, SIAM Review 33, 60-100.

KEENEY R.L., RAIFFA H. (1976) Decisions with Multiple Objectives, John Wiley & Sons Inc., USA

SN 640 900a (2003) Erhaltungsmanagement der Strassenverkehrsanlagen, Grundnorm, VSS, Zürich