Numerical optimization of highway alignments

Abstract

The selection of highway alternatives is a very complex and challenging problem due to the large number of conflicting factors that must be solved, the great amount and variety of information that must be compiled and processed, and the numerous evaluations that must be performed. Therefore, the motivation of this Master’s Thesis research has been to automate the design process and to achieve better results within a shorter timeframe and at a lower cost, to overcome the limitations of the traditional highway alignment alternative evaluation processes and design. For that aim, this thesis presents a highway three-dimensional alignment optimization model that simultaneously develops the optimization of horizontal and vertical alignments along a corridor. It integrates a two-stage heuristic neighbourhood optimization algorithm. The research discusses which are the most important costs and constraints associated with highway alignment optimization, it develops the key steps of the two-stage optimization algorithm and it provides a first degree attempt to develop an optimization model software with Matlab interface that might highly automate the design process in the future. Finally, the model capabilities and applicability are studied applying the optimization model in a real highway construction project case study. Thanks to the application of the model to a real case study, it has been demonstrated that the optimization model provides an effective highway alignment alternative, which satisfies the design constraints and also provides practical information about the optimized alignment. It is also found that the alignment optimized by the model is quite similar to the obtained through conventional manual methods, but the model can greatly reduce the time required (13 hours) for highway planning and design, as well as produce a lower cost solution. Despite the terrain complexity of the study area, the optimized alignment is found without any difficulties. In the studied highway stretch the project alignment total cost (6 226 610 €) is close to the optimized final highway alignment total cost (6 136 872 €), but it definitely contributes to reduce the cost in 89 738 € (-1.4%). As summary of the research, the proposed optimization model can greatly contribute to the productivity of highway engineers, as well as to the quality of the resulting infrastructure. It is concluded that with the implemented heuristic algorithm the optimization model achieves a locally optimal horizontal alignment (inside the corridor) and a vertical alignment that is globally optimal for the very alignment it analysed, meeting the main geometric constraints.

La selección de alternativas en el trazado de carreteras es un problema muy complejo debido al gran número de factores conflictivos que deben ser resueltos, la gran cantidad y variedad de información que debe ser recopilada y procesada, y las numerosas evaluaciones que se deben realizar. Por tanto, la motivación de la investigación de la Tesina de Máster ha sido la de automatizar el proceso de diseño para lograr mejores resultados en un periodo de tiempo menor y con un coste menor, para superar así las limitaciones actuales de los procesos tradicionales de evaluación y diseño de alternativas de trazado de carreteras. Con esta finalidad, la tesina presenta un modelo tridimensional de optimización de trazado de carreteras que desarrolla de forma simultanea la optimización del trazado horizontal y vertical a lo largo de un corredor. El modelo tiene integrado un algoritmo de optimización heurística de búsqueda vecinal desarrollado en dos etapas. A lo largo del documento se analiza cuales son los costes y restricciones más importantes asociados a la optimización del trazado de carreteras, se presentan los pasos principales del algoritmo de optimización de dos etapas y desarrolla una primera fase de un modelo de software de optimización con interfaz de Matlab que podría automatizar notablemente el proceso de diseño y elección de alternativas en el futuro. Por último, las capacidades y aplicabilidad del modelo se estudian mediante la aplicación del modelo de optimización en un caso de estudio real de un proyecto de construcción de una carretera. Gracias a la aplicación del modelo a un estudio de caso real, se ha demostrado que el modelo de optimización proporciona una alternativa efectiva de trazado de la carretera, que satisface las restricciones de diseño y también proporciona información práctica sobre el trazado optimizado. También se observa que el trazado optimizado por el modelo es muy similar al obtenido mediante métodos manuales convencionales, pero el modelo puede reducir en gran medida el tiempo requerido (13 horas) para la planificación y diseño de la carretera, así como producir una alternativa de menor coste. A pesar de la complejidad del terreno del área de estudio, el trazado óptimo se encuentra sin ninguna dificultad. El coste total del tramo de carretera estudiado con el trazado de proyecto (6 226 610 €) es similar al coste total del trazado de la carretera optimizado (6 136 872 €), pero sin duda contribuye a reducir el costo en 89 738 € (-1,4%). Como resumen de la investigación, el modelo de optimización propuesto puede contribuir en gran medida a la productividad de los ingenieros de trazado de carreteras, así como a la calidad de la infraestructura resultante. Se concluye que con el algoritmo heurístico implementado el modelo de optimización logra un trazado horizontal óptimo localmente (dentro del corredor) y un trazado vertical que es globalmente óptimo para todos los trazados analizados, cumpliendo además, las principales restricciones geométricas.