Optimización del diseño geométrico de glorietas mediante algoritmos genéticos

Las glorietas son un tipo de nudo que canaliza los flujos procedentes de tres o más accesos por medio de una calzada anular. De la experiencia acumulada en países de todo el mundo se deduce que en muchos casos este tipo de nudo ofrece numerosas ventajas respecto a las intersecciones convencionales. Por este motivo, se ha extendido su aplicación como solución alternativa a las intersecciones urbanas e interurbanas convencionales. La definición del trazado en planta de una glorieta es un proceso iterativo en el cual se deben establecer las características de un número importante de elementos geométricos para posteriormente comprobar el comportamiento de la misma en relación a una serie de criterios y objetivos relacionados con la circulación y la seguridad. Actualmente las técnicas de trazado existentes permiten definir la geometría y comprobar los objetivos de una manera dinámica. Esto facilita la generación y la validación posterior de las soluciones. Sin embargo, y a pesar del continuo perfeccionamiento de los medios técnicos disponibles, presentan algunas limitaciones importantes que imposibilitan que el proceso de diseño sea totalmente mecanizado y que puedan abarcarse todos los casos de diseño posibles. Además, no se aportan criterios para determinar en qué sentido modificar los valores de los parámetros geométricos que definen el trazado en planta para que el resultado global sea satisfactorio, ya que los objetivos perseguidos son contrapuestos. Como consecuencia, la cantidad de iteraciones que se pueden llevar a cabo antes de adoptar una solución final queda limitada por motivos de tiempo y coste. En esta investigación se ha planteado el desarrollo de un procedimiento que imite las prestaciones de un experto humano en la tarea del diseño en planta de una glorieta mediante la definición de un modelo de optimización. Las variables de decisión están representadas por unos parámetros que permiten definir completamente la geometría de la glorieta. El criterio que permite juzgar la calidad de las distintas soluciones se centra en la evaluación de la consistencia de velocidades. Como restricciones se impone el resto de los objetivos perseguidos en el diseño de la planta y las especificaciones de la norma de diseño aplicable. La resolución del problema matemático se realiza mediante el diseño de un algoritmo genético. Para posibilitar la aplicación del modelo se ha desarrollado un programa de ordenador muy flexible que permite encontrar la solución óptima de trazado de forma automatizada para cualquier configuración de las alineaciones de acceso. La metodología desarrollada se ha contrastado a través de su aplicación a dos casos reales. Los resultados muestran en ambos casos que las soluciones convergen hacia el óptimo de diseño en el cual se minimiza la consistencia de velocidades y se satisface el sistema de restricciones establecido. Roundabouts are an intersection design that channelizes the traffic flow from three or more legs through a circulatory roadway. Experience accumulated in different countries around the world shows that, in many cases, this type of intersection affords advantages over conventional intersections. For this reason, its application as an alternative solution to intersections in single-carriageway urban and rural roads has become widespread Roundabout horizontal design is an iterative process through which a significant number of variables (geometric elements) are defined. In addition, the operational performance of the resulting geometry has to be checked to assess its compliance with a series of objectives related to traffic flow conditions and safety. At present, existing design techniques allow defining the roundabout layout and checking the objectives in a dynamic way. This facilitates the generation and subsequent validation of the solutions. However, despite the continuous improvements of the available technology, it still presents some important limitations that make impossible a fully mechanized design that takes into consideration all the possible solutions that fulfill the objectives. In addition, these objectives are in conflict and current methods do not provide criteria to guide the modification of the geometric parameters to achieve a satisfactory final result. As a consequence, the number of iterations that can be performed before adopting a final solution is limited in time and cost. A new procedure has been proposed in this research. It emulates the performance of a human expert roundabout designer, using an optimization model. Design variables are represented by geometric parameters. The criterion that measures the quality of the different solutions focuses on the evaluation of speed consistency. The rest of the design objectives as well as the applicable design specifications are introduced as restrictions. The solution to the mathematical problem is achieved by means of a genetic algorithm. To ensure the applicability of the model, a very flexible computer program has been developed. It allows finding the optimum lay out solution in an automated way for any configuration of the legs alignments. The developed methodology has been tested in two real cases. The results show in both cases that, by adequately modifying the decision variables when employing the optimization algorithm, the solutions converge towards the optimum design, that is, consistency speed is minimized while the resulting design complies with the constraints