Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/10124
Title: OPTIMIZATION OF TERMINAL LAYOUTS: AN ANALYTICAL AND SIMULATIVE APPROACH BASED ON GENETIC ALGORITHMS
Authors: Giacomini, Cristian
Supervisore/Tutore: Longo, Giovanni
Issue Date: 24-Apr-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Every day millions of pedestrian move with different needs and objectives through spaces each of them with its functional specifications. An accurate design or revisiting of transport terminals, as for example railway stations, underway stations, airports, as well as complex buildings, open spaces and a deep analysis of public events with relevant pedestrian flows, would improve its usability at users benefit. To reach this goal is necessary a careful integration among architecture, engineering needs and transport disciplines, that, starting from the study of users behavior and pedestrian dynamics, provides the fundamental elements to be considered during design stage to ensure a major level of service. In literature nothing much is known about the optimal dimension of pedestrian transportation terminals. The aim of this study is to develop a methodology to size the functional terminal layouts, by the integration of analytical and simulative models submitted to generic algorithms, taking into account the dynamics and flows generated inside the terminals. In order to obviate the lack of requisite data for models calibration, validation and verification, as well as testing the process developed, an algorithm for data acquisition has been elaborated. It has a dedicated graphic interface, which allows to reveal the pedestrian dynamics and consequently to generate database; with these data is possible to obtain statistical and behavioral indicators about pedestrians detected. The use of analytical models, both to define the sizing of facilities inside the terminals and to model the user behavior during their paths, allows to define an objective function able to represent the performances of the terminal functional layout. Defined the dimensional ranges of each functional element inside the layout according a specific Level of Service, performed a design of experiments methodology and applied genetic algorithms to minimize the objective function, it is possible to obtain a set of optimal solutions for the terminal configuration sizing, in coherence with flows and dynamics generated inside the terminals itself. A further simulative approach, based on the application of the social force algorithm, allows, through quantitative and qualitative parameters, to identify the best solution(s) inside the domain previously identified with genetic algorithm application. Starting from the motivation that inspired this work, analyzed the existing literature and the main methods for data acquisition, it will be introduced the algorithm for the automatic acquisition of data and pedestrian database generation. The application of this tool will be illustrated in order to manifest the potentiality of the instrument same. Subsequently introduced the tool developed for the definition of the characteristic elements sizing and the model chosen for the correct estimation of pedestrian travel times, it will be explored the structure of the objective function aimed to identify the right trade-off between infrastructure and pedestrian costs. Finally, the application of genetic algorithms, resulting in the identification of Pareto front, generates the domain of optimal solutions to sift through the simulation approach. The developed methodology reveals a flexible and simple instruments, but, at the same time, accurate in the resolution of the problems for which has been structured. The potential of the developed methodology is highlighted in the course of the work thanks to a case of study.
Ogni giorno milioni di pedoni si muovono con esigenze ed obbiettivi diversi in contesti differenti, ognuno dei quali con le sue caratteristiche tecniche funzionali. Un’attenta progettazione o rivisitazione dei terminali di trasporto, quali stazioni ferroviarie, metropolitane, aeroporti, così come degli edifici complessi, degli spazi aperti ed una corretta disamina degli eventi pubblici con flussi pedonali rilevanti, consentirebbe di migliorarne la fruibilità a beneficio dell’utenza. Per raggiungere tale obiettivo risulta necessaria un’attenta integrazione tra esigenze architettoniche, ingegneristiche e le discipline trasportistiche, le quali, partendo dallo studio comportamentale degli utenti e dalle dinamiche pedonali, forniscano gli elementi fondamentali da tenersi in considerazione nella fase di progettazione per garantire un maggiore livello di servizio. Riscontrata in letteratura una carenza di approcci finalizzata alla determinazione del miglior layout funzionale dei terminali, attraverso l’integrazione di modelli analitici e simulativi sottoposti ad algoritmi genetici, è stata sviluppata una metodologia che, coerentemente con le dinamiche e i flussi che all’interno dei terminali stessi si generano, mirasse al dimensionamento ottimo dei terminali di trasporto pedonale. Per ovviare alla mancanza di dati necessari per i processi di calibrazione, validazione e verifica dei modelli così come per testare il metodo sviluppato è stato innanzitutto elaborato un algoritmo per l’acquisizione di dati, con interfaccia grafica dedicata, che consente di rilevare le dinamiche pedonali, generare database e conseguentemente ricavare dati statistici e comportamentali dei pedoni. L’utilizzo di modelli analitici, sia per l’identificazione dei range dimensionali degli elementi caratteristici presenti all’interno dei terminali che per la modellizzazione del comportamento degli utenti, permette di definire una funzione obbiettivo che rappresenti le performances dei layout funzionali dei terminali. Attraverso design of experiments calibrati sui range dimensionali dei singoli elementi funzionali presenti all’interno dei terminali e la successiva applicazione degli algoritmi genetici finalizzati alla minimizzazione della funzione obiettivo, è possibile definire un insieme di soluzioni ottime per il dimensionamento dei terminali, in coerenza con i flussi e le dinamiche che in esso si generano. Un’ulteriore approccio simulativo, basato sull’applicazione dell’algoritmo delle forze sociali, consente, attraverso la valutazione di parametri quantitativi e qualitativi, di identificare la/e miglior soluzione/i all’interno del dominio di soluzioni precedentemente identificate con l’applicazione degli algoritmi genetici. A partire dall’esplicitazione delle motivazioni che hanno alimentato questo lavoro, analizzata la letteratura esistente e le principali metodologie per l’acquisizione dati, verrà introdotto l’algoritmo per l’acquisizione automatica dei dati pedonali e la generazione di database contenenti i profili degli utenti rilevati. A seguire troverà spazio l’applicazione di questo strumento per manifestarne le potenzialità. Successivamente, introdotto il tool sviluppato per la definizione dei range dimensionali degli elementi caratteristici e il modello scelto per la corretta stima dei tempi di percorrenza pedonali, verrà esplorata la strutturazione della funzione obiettivo finalizzata alla ricerca del giusto trade off tra costi infrastrutturali e pedonali. Infine, l’applicazione degli algoritmi genetici, risultanti nell’identificazione del fronte paretiano, genererà il dominio di soluzioni ottime da vagliare attraverso l’approccio simulativo. La metodologia sviluppata si è rivelata uno strumento flessibile ed agevole, ma, allo stesso tempo, puntuale nel risolvere i problemi per cui è stata ideata. Le potenzialità della metodologia sviluppata vengono messe in risalto nel corso dell’elaborato grazie ad un caso di studio condotto.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Description: 2012/2013
Keywords: Pedestrian mobility
Terminal layout
Genetic Algorithm
Optimization
Pedestrian terminal configuration
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: ICAR/05 TRASPORTI
NBN: urn:nbn:it:units-12546
Appears in Collections:Ingegneria civile e architettura

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