DISEÑO OPERACIONAL DE SISTEMAS METRO - Ing. Javier Cornejo Arana Especialista en Operación de Ferrocarriles Metropolitanos Abril 2013
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DISEÑO OPERACIONAL DE
SISTEMAS METRO
Ing. Javier Cornejo Arana
Especialista en Operación de Ferrocarriles Metropolitanos
Abril 2013
Diseño Operacional Es un procedimiento interactivo que permite ajustar la oferta de un sistema de ferrocarriles metropolitanos (Metro) a la demanda prevista en la línea, estableciendo un esquema de producción de servicio, y del cual se derivan una serie de resultados, como son: • Horario de servicio • Requerimientos de recursos humanos • Requerimientos de recursos materiales
Características del Diseño Operacional El diseño operacional de un sistema Metro se basa en un procedimiento que conjuga información producida en diversas instancias previas, como son: • Estudios de Planificación del Transporte y Modelación de la Demanda • Trazado, Diseño de Vía y Estudios de Inserción Urbana • Características del Material Rodante • Características de los sistemas de control
Herramientas para el Diseño Operacional • Se utiliza programas de simulación para facilitar el diseño operacional, p.e.: OpenTrack
Escenarios de Modelación
Un “Escenario de Modelación” de un sistema Metro está
compuesto de:
• Ruta o trazado preliminar con definición de las estaciones
de pasajeros (nodos)
• Periodo del día en estudio (hora punta de la mañana, hora
punta de la tarde, hora valle)
• Frecuencia de servicio
• Año de proyección
• Asignación de demanda en la línea
• Histograma de distribución de la demanda a lo largo del día
Datos de Demanda (1)
El modelo de demanda nos debe proporcionar la siguiente
información:
• Carga máxima de la línea en cada uno de los periodos
estudiados, es decir, hora punta de la mañana, hora
punta de la tarde y hora valle; y para cada sentido de
marcha.
• Carga máxima en las estaciones de mayor demanda,
igualmente en cada uno de los periodos estudiados, es
decir, hora punta de la mañana, hora punta de la tarde
y hora valle y para cada sentido de marcha.
Datos de Demanda (2)
Carga máxima de pasajeros en la línea según escenario de demanda
Escenario de Tramo más Carga Año
demanda cargado máxima - proyectado
pphd
(pasajeros
por hora por
dirección)
Escenario 1.3 Estación San Juan 15,410 2018
de Dios –
Circunvalación
Escenario 2.3 Estación 28 de 27,257 2020
Julio - Estación
Cangallo
Escenario 3.3 Estación 28 de 31,684 2030
Julio - Estación
Cangallo
Escenario 3.4 Estación Plaza 47,883 2030
Manco Cápac -
Estación Central
Escenario 3.4 Estación Plaza 61,843 2047
proyectado al 2047 Manco Cápac –
Estación Central
Datos de Demanda (3)
Carga máxima de pasajeros en estaciones (subidas) según escenario.
Escenario de demanda Estación Subidas- pphd Año
(pasajeros por proyectado
(andén dirección hora por
este-oeste) dirección)
Escenario 1.3 Estación 28 de Julio 5,979 2018
Escenario 2.3 Estación 28 de Julio 14,728 2020
Escenario 3.3 Estación 28 de Julio 18,875 2030
Escenario 3.4 Estación 28 de Julio 27,817 2030
Escenario 3.4 proyectado al 2047 Estación 28 de Julio 35,927 2047
Datos de Demanda (4) Distribución porcentual de la demanda de viajes de Lima y Callao a lo largo del día
Datos de Demanda (5)
• A la carga de hora punta se le aplica un factor de seguridad
(Factor de Hora Punta) para prevenir los picos de
demanda.
• En base al histograma de distribución de la demanda a lo
largo del día, se calcula el Factor de Hora Punta como la
relación entre el pico de demanda del periodo y la demanda
promedio del mismo periodo.
• En el gráfico anterior:
• Pico de demanda: 2,3 (hora punta de la mañana)
• Demanda promedio en el periodo de punta de la mañana: 2
• Factor de Hora Punta: 2,3 / 2 = 1,15Trazado y Esquema de Vías • En base a los estudios topográficos y de inserción urbana se establece el trazado de la línea, el cual nos proporciona la información sobre planimetría, altimetría, distancia entre estaciones, ubicación de colas de maniobra, terceras vías, etc. • El esquema de vías nos dice la ubicación, tipo y disposición de los cambios de vía para la circulación de los trenes.
Trazado
Esquema de Vías
Material Rodante • Se requiere las características del material rodante propuesto, en lo que respecta a dimensiones; capacidad de pasajeros; curvas de tracción, aceleración y frenado; y tipo de conducción.
Características del Material Rodante
Velocidad Máxima en Cada
Tramo
• Con la información del trazado, diseño de vía y
características del material rodante, se calcula la
velocidad máxima en cada tramo, empleando fórmulas del
tipo:
Suponiendo:
- aceleración no compensada = 0,9 m/s2 máximo γnc
- peralte máxima h = 160 mm
- el radio de curvatura R
- la aceleración de la gravedad g = 9,81 m/s2
- trocha s = 1435 mm
La velocidad de un tramo con R = 250 metros,
resulta ser:
V = 3,6 √250 (0,9 + 160*9,81/1435) = 80 Km/hSistemas de Control
Ciclo de Operación
El ciclo de operación es el tiempo que un tren requiere para
dar una vuelta completa en la línea. Está compuesto por:
• Tiempo de carrera, el cual se calcula según las curvas
de aceleración y frenado del tren; y las velocidad
máxima de cada tramo.
• Tiempos de parada en estaciones. Se asume un valor
inicial que luego debe verificarse e iterarse para
establecer el ciclo real de operación.
• Tiempo de inversión de marcha. Depende del tipo de
conducción y de la disposición de las vías de inversión
de marcha.Escenario de Operación Es una hipótesis de trabajo que se ajusta a través del diseño operacional. Un escenario de operación contiene: • Tramo y estaciones de servicio • Frecuencia de servicio • Año de proyección
Verificación de la Capacidad
La primera verificación de un escenario consiste en
comprobar que la frecuencia y la capacidad de tren
permiten atender los picos de demanda.
Escenario operacional Carga máxima - Frecuencia Pasajeros por Capacidad
pphd (pasajeros Trenes/hora tren del tren
por hora por propuesto
dirección)
Escenario 0 15,410 20 771 1,200
Escenario 1 27,257 20 1,363 1,200
Escenario 2 31,684 40 792 1,200
Escenario 3 47,883 40 1,197 1,200
Escenario 4 61,843 40 1,546 1,200
Escenario 5 61,843 45 1,374 1,400Flota Requerida • En función de los ciclos operacionales y las frecuencias propuestas para cada escenario, se calcula la cantidad de trenes en línea de dicho escenario. • A la cantidad de trenes en línea se añade una reserva de operación y una reserva de mantenimiento, para obtener la flota requerida en el año que corresponde al escenario. • El programa de adquisición de trenes debe anticipar el requerimiento de trenes.
Estimación de la Flota
Requerida
Tiempo de carrera (min) Tiempo de Tiempo de vuelta (min) Frecuencias (trenes/hora) Número de trenes operativos Reserva
inversión Total flota
Servicios (min) Línea Servicios Línea Servicios Línea Servicios Total
Línea completa 10%
cortos completa cortos completa cortos completa cortos operativos
Escenario 0 26 1.5 55 20 18 18 2 20
Escenario 1 45 23.2 1.5 93 49.4 10 10 16 8 24 2 26
Escenario 2 45 23.2 1.5 93 49.4 20 20 31 16 47 5 52
Escenario 3 45 28 1.5 93 59 20 20 31 20 51 5 56
Escenario 4 45 1.5 93 40 62 62 6 68
Escenario 5 45 1.5 93 45 70 70 7 77Escenario de Operación
Verificación de Tiempos de
Parada (1)
En función de la demanda de cada estación (subidas y
bajadas) y de la frecuencia de paso de los trenes de cada
escenario, se establece la cantidad de pasajeros que
subirán a un tren en cada estación.
Escenario Estación Subidas- pphd Pasajeros
(pasajeros por que
(andén dirección este- hora por suben
oeste) dirección) por tren
Escenario 0 Estación San Juan de Dios 5,979 299
Escenario 1 Estación 28 de Julio 14,728 736
Escenario 2 Estación 28 de Julio 18,875 472
Escenario 3 Estación 28 de Julio 27,817 695
Escenario 4 Estación 28 de Julio 35,927 898
Escenario 5 Estación 28 de Julio 35,927 798Verificación de tiempos de
parada (2)
A partir de la cantidad de pasajeros que suben a cada
tren se verifica si el tiempo de parada asumido al inicio
de la simulación es suficiente. Para ello, se utiliza
información de campo sobre los tiempos de parada
reales que se requieren para la subida y bajada de los
pasajeros, tal como se muestra en la tabla. Luego se
ajustan los diagramas de circulación de trenes.
Demanda Tiempo de
(pasajeros que parada
suben en cada (segundos)
tren)
0 – 400 20
401 – 800 25
801 – 1,200 30
1,201 – 1,600 35
1,601 – 2,000 40Resultados del Programa de Simulación • Gráfico de velocidades • Malla horaria – Horario de servicio • Ocupación de vías • Simulación de la circulación (animación) • Consumo de energía • Producción de servicio
Malla Horaria
Energía
Diseño de la Integración Modalidades de transporte en bus: • BRT (Metropolitano) • Buses convencionales Siendo el BRT un sistema de control centralizado de alta capacidad, es más factible realizar una integración operacional con este sistema. En el caso del transporte convencional es más probable que la integración sea tipo “natural”. En este caso, se debe de todas maneras prever una infraestructura que facilite la fluidez y seguridad de la transferencia de pasajeros entre ambos modos.
Diseño de Infraestructura • El modelo de demanda, mediante una simulación basada en el diseño operacional del Metro, nos debe proporcionar una estimación de demanda en los periodos de estudio y en los puntos (estaciones) de integración. La información de flujos de pasajeros del modelo servirá de input para el diseño de la infraestructura de integración (estaciones intermodales) así como de su equipamiento (torniquetes). • En función de los flujos de pasajeros que hacen la transferencia intermodal, y la frecuencia de paso de los trenes (según el diseño operacional) se estima la capacidad requerida de los buses. En los periodos de pico, dada la capacidad de los buses, se puede recurrir a la formación de convoyes.
Control de Operaciones • Tanto el Metro como el BRT tienen sistemas de control centralizado que permiten mantener la puntualidad y la regularidad de la operación. • A fin de asegurar la coordinación entre los centros de control se debe buscar la repetición de la información (al menos la información básica) entre ambas sedes. • Esto permite coordinar: inicio y fin de servicio, comunicaciones de seguridad, eventos de demanda, servicios especiales, cierre de estaciones, etc. • Asimismo, se intercambia la información sobre ingresos de pasajeros e integración tarifaria.
Integración tarifaria • La integración tarifaria permite al usuario desplazarse dentro de la red integrada con una estructura de tarifas determinada y con medios de pago centralizado. • La estructuración de la tarifa integrada depende del modelo de negocios de cada concesión. • La centralización de medios de pago requiere de tarjetas similares, con formatos adecuados y acuerdos de “clearing”. Puede funcionar también con dos “ventanillas de pago” en cuyo caso el usuario deberá depositar dinero en ambos sistemas (Metro y BRT).
GRACIAS POR SU ATENCIÓN javier.cornejo.arana@gmail.com
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