Descrizione generale del modello

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1 FERROVIE FEDERALI SVIZZERE Modello d aiuto all analisi delle potenzialità delle reti ferroviarie Descrizione generale del modello Luigi Lucchini Anne Curchod Document LITEP 788/5_i Giugno 2001 Prof. Robert E. RIVIER Laboratoire d' Intermodalité des Transports Et de Planification

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3 INDICE 1. La potenzialita di una rete ferroviaria 1 La potenzialità, un elemento indispensabile da valutare 1 Tratte e nodi ferroviari 1 Metodi semplificati per la determinazione delle potenzialità 1 Valutazione realista delle potenzialità 2 CAPRES e la valutazione delle capacità 2 2. Funzionalita del modello CAPRES 3 3. Dati et parametri della modellizzazione Infrastruttura 4 Nodi 4 Tratte Treni Strategie di saturazione 5 4. Moduli del modello CAPRES 6 Gestione della base dati 6 Elaborazione d orari 6 Verificazione di orari 6 Saturazione dell orario di base 6 Presentazione dei risultati 6 5. Studi-tipo 7 6. Supporto informatico 8 7. Lista delle figure 8 Il modello CAPRES è il risultato di un partenariato di ricerca tra il Politecnico Federale di Losanne e le Ferrovie Federali Svizzere.

4 Documentazione: Evaluation de la capacité de réseaux ferroviaires, Patrick Hachemane, Thèse de doctorat No 1632, EPFL, Lausanne, CAPRES: Système d'aide à l'analyse de la capacité des réseaux ferroviaires; Manuel de l'utilisateur, Patrick Hachemane, doc. 788/2 ITEP/EPFL, Lausanne, octobre CAPRES: Système d'aide à l'analyse de la capacité des réseaux ferroviaires; Rapport technique, Patrick Hachemane, Anne Curchod, doc. 788/3 ITEP/EPFL, Lausanne, février Per saperne di più : Indirizzi & Contatti: Jean-Daniel BURI EPFL LITEP Laboratoire d'intermodalité des Transports et de Planification Bâtiment GC CH-1015 LAUSANNE Téléphone: E mail: jean-daniel.buri@epfl.ch Luigi LUCCHINI Studio d'ingegneria Civile SIA e Pianificazione Ferroviaria Lucchini-David-Mariotta Centro Civico CH-6946 PONTE CAPRIASCA Téléphone: E mail: luigi.lucchini.ldm@bluewin.ch

5 1. LA POTENZIALITA DI UNA RETE FERROVIARIA La potenzialità, un elemento indispensabile da valutare La determinazione delle potenzialità d'un sistema ferroviario è essenziale nella pianificazione ferroviaria per esempio per la costruzione di nuove tratte, la modifica delle installazioni fisse, ecc. E inoltre indispensabile per eseguire in maniera metodica e razionale, le analisi di realizzazione di grandi progetti ferroviari in funzione dell'evoluzione prevedibile della domanda di trasporto. Nel linguaggio comune la nozione di potenzialità non sembra porre problemi particolari. Tuttavia, quando si tratta, durante uno studio tecnico preciso, di associare a questa nozione degli indicatori cifrati et oggettivi, le difficoltà appaiono. Per esempio, si vuole esprimere dei valori che corrispondono a una performance ultima o, al contrario, si vuole esprimere delle performance realizzabili quotidianamente? Nel primo caso parleremo di potenzialità teorica o ultima, nel secondo di potenzialità pratica. Tratte e nodi ferroviari In un ambiente continuo e omogeneo, la capacità può essere assimilata al flusso massimo. E il caso per esempio di un "tubo lineare" nel quale scorre un fluido. Le cose si complicano quando si tratta di una tratta ferroviaria. In effetti la ferrovia é un mezzo di trasporto discontinuo, dunque discreto ed eterogeneo. Il flusso non é dunque più continuo, come in elettricità o in idraulica. L'unità di misura delle potenzialità è il numero di treni per unità di tempo (treni per giorno, per ora, per anno, ). Tuttavia il sistema è eterogeneo, a causa della circolazione di treni con caratteristiche fisiche (lunghezza, peso) et dinamiche (velocità, coefficienti di frenata, accelerazione) differenti. Le potenzialità sono dunque influenzate dalla proporzione e l'ordine di circolazione di questi differenti treni. Le cose si complicano maggiormente quando invece di una tratta si analizza una rete ferroviaria, vale a dire un insieme di tratte connesse tra di loro in nodi, poiché la capacità globale non ha nulla a che fare con le capacità unitarie dei differenti elementi che compongono la rete (se non per definire un limite superiore). Metodi semplificati per la determinazione delle potenzialità La maggior parte dei metodi proposti per determinare sommariamente le potenzialità di una linea ferroviaria si basano su delle formule che fanno intervenire i tempi minimi di successione tra i treni con l'aggiunta di margini che permettono di assicurare per esempio la stabilità dell'orario. Paragonata a una linea, i metodi per determinare le potenzialità di una tratta isolata non possono tenere conto dei numerosi fattori complessi che intervengono nel caso dello studio di una rete ferroviaria. Infatti, la molteplicità delle origini et delle destinazioni dei treni, la struttura della rete in linee, le esigenze in materia di coincidenze,, aggiungono delle Descrizione generale del modello CAPRES Pagina 1

6 dimensioni supplementari alla problematica. Per tenere conto di tutti questi fattori é dunque necessario sviluppare dei metodi algoritmici innovatori. Valutazione realista delle potenzialità Per la determinazione delle potenzialità di una rete ferroviaria non basta definire il numero massimo di treni suscettibili di circolare durante un intervallo di tempo dato, ma devono inoltre essere definite le condizioni d'esercizio. In una rete in cui le installazioni fisse e le caratteristiche dei convogli sono dati, queste condizioni d'esercizio riguardano: : l'organizzazione della rete in linee (O/D dei convogli); la struttura dell'orario (cadenzato o non, l'insieme delle coincidenze che devono essere assicurate, la successione delle varie categorie di treni sulle differenti tratte, ); la qualità del servizio offerto (stabilita dell'orario, qualità delle prestazioni, tempi di percorrenza Origine/destinazione, ). CAPRES e la valutazione delle capacità Per avere un carattere realista, la determinazione delle potenzialità di una rete ferroviaria deve tenere conto di tutti i vincoli che caratterizzano la rete e il suo orario. Per questo, il metodo della valutazione delle capacità utilizzato dal modello CAPRES si basa sulla ricerca e l'elaborazione di orari compatibili con i vincoli sia dell'infrastruttura e del materiale rotabile che con i vincoli legati alle condizioni d'esercizio. In una prima fase CAPRES elabora l'orario dei treni che devono assolutamente circolare (chiamato orario di base) e determina, in seguito, tutti i treni supplementari aventi le caratteristiche predefinite (origine/destinazione, itinerario, caratteristiche fisiche e dinamiche, vincoli di coincidenze, ). CAPRES realizza una saturazione dell'orario, elaborando l'orario con in numero di tremi massimo. In questa fase la lista e l'ordine di precedenza in cui vengono introdotti i treni supplementari, riveste una importanza capitale. La lista di saturazione (quali treni e con quali itinerari?) e la strategia di saturazione (in quale ordine?) sono degli elementi chiave predefiniti dall'utilizzatore del modello CAPRES. Un orario è generalmente saturato a partire da un orario di base che comporta già un certo numero di treni, ma può anche essere costruito a partire da un orario "vuoto". L'orario di base può per esempio corrispondere all'orario in vigore o già pianificato. CAPRES permette anche la costruzione di varianti dell'orario di base che soddisfano tutta una serie di vincoli (vincoli concernenti l'infrastruttura e le condizioni d'esercizio). Pagina 2 Descrizione generale del modello CAPRES

7 2. FUNZIONALITA DEL MODELLO CAPRES Il modello CAPRES permette principalmente d'effettuare: l'elaborazione di varianti d'orario che soddisfano a tutti i vincoli predefiniti con tutti i treni che devono assolutamente circolare. Queste varianti sono chiamate varianti di base; la saturazione della variante de base scelta (che può essere "vuota"), secondo una lista di treni saturanti e delle priorità di saturazione predefinite (strategia di saturazione). Nel primo caso il modello calcola, per un numero dato di treni, tutte le varianti possibili d'orario che soddisfano i vincoli fissati. Nel secondo il modello cerca la variante d'orario che permette d'utilizzare al massimo le potenzialità della rete, dunque di fare circolare il numero massimo di treni saturanti. Il periodo di studio è scelto dall'utilizzatore. Esso può variare, a dipendenza delle necessità, da un'ora (come per esempio per uno studio di un orario cadenzato) a 24 ore, per lo studio delle capacità di una rete a livello nazionale o internazionale. In più della modellizzazione propriamente detta della rete et dei treni, l'utilizzatore interviene in maniera cruciale in 3 livelli: la definizione della lista dei treni dell'orario di base; la scelta della variante d'orario de base; la definizione della lista dei treni saturanti et della strategia di saturazione. I tempi di percorrenza e la durata delle fermate massime e minime sono introdotti dall'utilizzatore sulle varie tratte e in ogni nodo. Questi dati permettono di lasciare ai treni saturanti una certa elasticità nella ricerca delle proprie tracce (modellizzazione della percorrenza allungata, per lasciare per esempio la possibilità di una fermata facoltativa necessaria a un sorpasso). La figura A4 presenta un esempio di modellizzazione di un treno saturante. La traccia presentata indica le possibilità di circolazione al più presto e al più tardi. Durante l'elaborazione e/o la saturazione dell'orario, il modello utilizzerà al meglio queste possibilità. L orario di ogni treno può così fluttuare in un intervallo di tempo definito dai tempi di percorrenza e di fermata massimo e minimo. In queste condizioni, un gran numero di varianti d'orario possono dunque essere costruite sulla rete. Per limitare il numero di varianti, due varianti sono considerate differenti solo se l'ordine di successione dei treni è differente su almeno una tratta della rete. Una variante d orario è dunque definita non dall'orario esatto de ogni treno, ma da un intervallo di tempo (banda più o meno vasta a dipendenza delle libertà data alle tracce) in cui la circolazione dei treni rispetta tutti i vincoli fissati. (figura A7: orario saturato). Descrizione generale del modello CAPRES Pagina 3

8 3. DATI ET PARAMETRI DELLA MODELLIZZAZIONE 3.1. Infrastruttura Le infrastrutture della rete sono descritte tramite nodi e tratte. Questo permette all'utilizzatore di scegliere una modellizzazione più o meno fine la rete, in funzione del tipo di studio che si vuole effettuare. Nodi Un nodo rappresenta un punto critico della rete, come ad esempio una stazione, una diramazione, un bivio, un punto d'incrocio, un cambiamento del numero dei binari, ecc. Un nodo è un punto della rete dove l'ordine di successione dei treni può cambiare (sia per sorpasso, sia per incrocio). Tre livelli sono possibili per modellizzare i nodi (figura A1): nodo "normale", per il quale è indicato solo il numero di binari ; nodo "bivio" che corrisponde a una diramazione dove gli itinerari secanti (taglio dei binari) sono calcolati e trattati automaticamente dal modello; nodo di tipo "D", per il quale l'assegnazione dei binari di stazione e il calcolo degli itinerari incompatibili d'entrata e uscita sono calcolati e gestiti automaticamente dal modello. (figura A2). Tratte Le tratte corrispondono alle tratte di linea che collegano due nodi della rete (figura A3). Essi sono caratterizzati da: i propri nodi di origine e destinazione; dal numero e il tipo di ciascun binario (banalizzati o no, senso di circolazione, ); il tempo di successione minimo tra i treni circolanti sullo stesso binario di una tratta (distanziamento a tempo) 3.2. Treni Il modello CAPRES è stato concepito per trattare orari cadenzati. Tuttavia se lo studio viene effettuato su un periodo sufficientemente vasto, è possibile minimizzare i vincoli ai limiti, imposti dalla cadenza. I treni (figura A4) sono raggruppati in "famiglie". La nozione di famiglia di treni concerne tutti i treni aventi in comune i parametri seguenti: percorso e itinerario, tempi di percorrenza e intervalli orari di partenza o di arrivo (questo per facilitare la loro codificazione e permettere la costruzione di orari cadenzati dove più treni aventi caratteristiche simili circolano a Pagina 4 Descrizione generale del modello CAPRES

9 intervallo della cadenza). Il numero e la frequenza dei treni della stessa famiglia suscettibili di circolare sulla rete sono definiti dall'utilizzatore. Tra le famiglie è possibile definire una serie di coincidenze da rispettare in un dato nodo. I vincoli di qualità delle coincidenze (intervallo di tempo tra l'arrivo del primo treno e la partenza del treno in coincidenza) è scelto e gestito dall'utilizzatore. dati dalle coincidenze (figura A5). Le famiglie di treni sono caratterizzate dai seguenti parametri: il nome (o numero) e la categoria (treni IC, diretti, regionali, merci, ); l'itinerario per il percorso origine/destinazione; i tempi di percorrenza minimi e massimi ammissibili per l'insieme del percorso origine/destinazione; i tempi di percorso e di fermata minimi e massimi su ogni tratta e in ogni nodo; l'orario minimo e massimo di partenza o arrivo in un determinato nodo; 3.3. Strategie di saturazione La strategia di saturazione definisce il modo e l'ordine nei quali sono introdotti i treni saturanti a partire dall'orario di base. Essa permette di definire le priorità di un certo tipo di treno (o gruppi di treni) su altri. Descrizione generale del modello CAPRES Pagina 5

10 4. MODULI DEL MODELLO CAPRES Gestione della base dati Un'interfaccia interattiva e conviviale permette l'introduzione e la modificazione dei dati necessari alla modellizzazione e al funzionamento del modello tramite entrate grafiche o alfanumeriche. Elaborazione d orari L'elaborazione degli orari permette di trovare tutte le varianti d'orario che soddisfano l'insieme dei vincoli definiti (coincidenze, frequenze, tempi di percorrenza, occupazione dei binari e gestione degli itinerari nelle stazioni, priorità di circolazione,.) per una lista di treni dati. Verificazione di orari Quando l'elaborazione di un orario si avvera impossibile, sovente è estremamente arduo determinare il o i vincoli che non hanno potuto essere rispettati. Per facilitare la loro individuazione la funzione "verificazione" indica quali parametri non hanno potuto essere rispettati per quali treni o insieme di treni (distanziamento su una tratta, problemi di allocazione di binari in un nodo, itinerari secanti in un bivio, coincidenze troppo restrittive,..). Saturazione dell orario di base Questa funzione permette di valutare le riserve di capacità di un orario dato (orario di base, o orario vuoto ) in funzione delle caratteristiche dei treni supplementari. L utilizzatore definisce la lista e le priorità utilizzate dai treni supplementari. Il modello cerca allora tutte le tracce dei treni supplementari rispettando la strategia di saturazione. Inoltre il modello fornisce le indicazioni sugli elementi della rete che hanno bloccato il processo di saturazione. Individua dunque gli elementi limitanti la potenzialità della rete. (colli di bottiglia). Presentazione dei risultati Un modulo di presentazione dei risultati permette di visualizzare gli orari elaborati e saturati. I risultati comprendono : grafico orario di una tratta o di una linea (orario di base, figura A6 e saturato, A7); orario numerico; insieme dei treni di una tratta o della rete; orario numerico di un nodo; stella delle coincidenze di un nodo; piano di occupazione dei binari per i nodi codificati finemente (nodi di tipo D) (figura A8); orario reticolare (figura A9); lista dei vincoli che non hanno potuto essere rispettati. Pagina 6 Descrizione generale del modello CAPRES

11 5. STUDI-TIPO I moduli di verificazione e d'elaborazione d'orari sono sovente impiegati nella pianificazione ferroviaria negli studi preliminari, ad esempio per: confermare la fattibilità tecnica di un orario (in termine di vincoli dell'infrastruttura, del materialen rotabile e dell'esercizio); sviluppare nuove varianti d'orario; verificare la fattibilità di un servizio supplementare e determinare nel caso contrario i complementi d'infrastruttura minimi necessari. Il modulo di saturazione delle varianti d'orari è prevalentemente utilizzato dal pianificatore per gli studi seguenti: valutazione delle riserve di capacità di una rete; individuiazione degli elementi dell infrastruttura limitanti la capacità ; determinazione dell'evoluzione della potenzialità in funzione della modifica dell'infratruttura, del materiale rotabile o delle regole d'esercizio; impatto della costruzione di nuove tratte integrate a una rete esistenze; paragone degli effeti di differenti strategie d'investimento sulle potenzialità di una rete. Descrizione generale del modello CAPRES Pagina 7

12 6. SUPPORTO INFORMATICO Il modello CAPRES funziona su PC, provvisto di un sistema operativo Windows (Win9x, NT, 2000). Un PC Pentium 166 MHz, fornito di une memoria viva di 32 MB permette di effettuare studi su una rete relativamente vasta (ad esempio il nodo ferroviario di Lione). Questa configurazione è tuttavia da considerare come una configurazione minima. La procedura d'installazione del modello e della chiave di protezione è molto semplice e necessita solamente la copia delle cartelle dei programmi. 7. LISTA DELLE FIGURE A1: Modellizzazione della rete A2: Modellizzazione di un nodo (tipo "D") A3: Modellizzazione di una tratta A4: Tempi di percorrenza A5: Coincidenze A6: Orario di base A7: Orario A6 saturato A8: Piano d'occupazione A9: Orario reticolare Pagina 8 Descrizione generale del modello CAPRES

13 Delémont Basel Binario banalizzato Nodo semplice Binari non banalizzati Nodo J (bivio) Bienne Soleure Olten Nodo D (complesso) Zollikofen Bern Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A1: Modelizzazione della rete

14 Incompatibilità d'itinerari Nome del treno (colore = categoria) Tratta convergente al nodo (blu = binario banalizzato) Binari di stazione Lunghezza utile Numero di binario di stazione OVEST EST Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A2: Modellizzazione di un nodo (tipo "D")

15 Binario 1, circolazione a sinistra Binario 2, banalizzato (colore blu) Nome del treno circolante su bin. 3 (colore = categoria) Binario 3, banalizzato (colore blu) Binario 4, circolazione a sinistra Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A3: Modellizzazione di una tratta

16 Fermata facoltativa Fermatta minima = 30 minuti Fermatta massima = 30 minuti Circolatzione al più tardi Circolatzione al più presto Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A4: tempi di percorrenza

17 Treno arrivante Treno partente Tempo minimo tra l'arrivo del treno 626 e la partenza del treno 519: 4 minuti Tempo massimo tra l'arrivo del treno 626 e la partenza del treno 519: 10 minuti Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A5: Coincidenze

18 Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A6: Orario di base

19 Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A7: Orario A6 saturato

20 Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A8: Piano d'occupazione

21 Descrizione generale del modello CAPRES FIGURA A9: Orario reticolare