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Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions

Foto: laseda.accionistas.es

¿Es posible un mantenimiento sostenible de las carreteras cuando apenas existen presupuestos para ello? A continuación os dejo el enlace a un artículo científico que nos acaban de publicar donde se muestra la posibilidad de utilizar técnicas de optimización heurística para conseguirlo.

La editorial Elsevier permite que te descargues gratuitamente este artículo hasta el día 29 de marzo de 2017. Para ello tienes que acceder al siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1UWKw3QCo9NAoM

 

 

 

Referencia: 

TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652617301142

Abstract:

Transport sector constitutes the second largest source of global greenhouse gas (GHG) emissions, being the road transportation the main contributor of these emissions. Efforts in the road sector have traditionally focused on vehicle emissions and infrastructure is typically not included in the emissions account. Road environmental impact is estimated to increase by 10% if the stages of road design, construction, and operation were considered. Previous literature has widely study sustainable practices in pavement design and construction, with little attention paid to maintenance. Current state of practice reveals that pavement managers barely consider environmental performance and their evaluations solely rely on technical and economic criteria. This situation creates the need to incorporate, in an integrated manner, technical, economic, and environmental aspects in the design of maintenance programs. The main objective of this research is to develop a tool for the optimal design of sustainable maintenance programs. Given a maintenance budget, the tool aims to maximize the long-term effectiveness of the network while minimizing GHG emissions derived from the application of maintenance treatments. The capability of the proposed tool is analyzed in a case study dealing with an urban pavement network. In comparison to the traditional maintenance policy, the proposed tool designs maintenance programs that increase the average network condition by up to 22% and reduces GHG emissions by 12%. This application also analyzes the effect of different budgetary scenarios in the technical and environmental performance of the network. This application helps pavement managers in the trade-off between budget and network performance.

Keywords:

  • Greenhouse gas emissions;
  • Long-term effectiveness;
  • Optimization;
  • Sustainability;
  • Pavement management;
  • Sensitivity analysis
7 Febrero, 2017
 
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La optimización de estructuras

¿Cuándo empieza realmente la optimización de las estructuras? Difícil pregunta a resolver. Si bien los aspectos básicos relacionados con la optimización matemática se establecieron en los siglos XVIII y XIX con los trabajos de Lagrange o Euler, hay que esperar hasta los años 40 del siglo XX para que Kantorovich y Dantzing desarrollaran definitivamente los principios de la programación matemática.  Es a partir de la revolución informática de los años 70 cuando estas herramientas empiezan a ser empleadas habitualmente en numerosas aplicaciones en las ciencias, las ingenierías y los negocios. Sin embargo, el progreso de técnicas de optimización que no requieran derivadas y que se generen a través de reglas heurísticas, ha supuesto una auténtica revolución en el campo de la optimización de los problemas reales. En efecto, los métodos aproximados pueden utilizarse allí donde el elevado número de variables en juego impiden la resolución en un tiempo de cálculo razonable de los problemas mediante la programación matemática. A estos algoritmos de optimización aproximada, cuando su uso no está restringido a un solo tipo de problemas, la comunidad científica en el ámbito de la inteligencia artificial y la investigación operativa les ha dado el nombre de metaheurísticas. Este grupo incluye una amplia variedad de procedimientos inspirados en algunos fenómenos naturales, tales como los algoritmos genéticos, el recocido simulado o la optimización por colonias de hormigas . Liao et al. [1] presentan una revisión de la aplicación de los métodos heurísticos en el campo de la gestión del proyecto y de la construcción. (más…)

19 Diciembre, 2015
 
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Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica

Resumen: Este artículo se ocupa del diseño automático de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera de coste mínimo, empleando para ello dos algoritmos híbridos de escalada estocástica con operadores de mutación basados en los algoritmos genéticos. Los algoritmos empleados se basan en el recocido simulado (SAMO) y en la aceptación por umbrales (TAMO). Ambos algoritmos se aplican a un estribo definido por 40 variables discretas. Se han comprobado ahorros económicos superiores al 18 % respecto a un estribo de referencia de una altura de 9 m realmente construido, con diferencias pequeñas entre ambos algoritmos, del 0,5 % a favor de SAMO. Además, se ha realizado un estudio paramétrico para alturas de estribo entre 6 y 15 m para diferentes tensiones admisibles del terreno que ofrece criterios de predimensionamiento a los proyectistas. Se ha comprobado, además, que el ahorro económico se localiza fundamentalmente en la zapata de estas estructuras.

Palabras clave: Hormigón estructural; optimización heurística; estribos; recocido simulado; aceptación por umbrales; diseño estructural; puentes.

Cómo citar este artículo/Citation: Luz, A., Yepes, V., González-Vidosa, F., Martí, J. V. (2015). Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540): e114, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.14.089.

Descargar (PDF, 883KB)

14 Octubre, 2015
 
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Optimización heurística para la gestión de infraestructuras: aplicación a una red de pavimentos urbanos en Chile

Resumen: A pesar de la importancia de las infraestructuras en el desarrollo económico y social, los recursos disponibles para su conservación suelen ser insuficientes, generando un deterioro acelerado de las mismas. En este contexto surge la disciplina de gestión de infraestructuras, la cual combina conocimientos propios de la ingeniería y economía para conseguir una asignación óptima de recursos para la gestión, operación y conservación de las infraestructuras mediante un análisis de su ciclo de vida. Sin embargo, la asignación óptima de recursos de conservación a una red de infraestructuras es un problema que no tiene una solución directa. De hecho, existen S^(TxN) soluciones factibles para una red compuesta por N activos, S posibles tratamientos de conservación y un periodo de análisis de T años. Los métodos de optimización mayoritariamente empleados para resolver este problema son los de optimización matemática y los métodos de cuasi-optimización. Sin embargo, las aplicaciones de métodos de optimización heurísticos resultan escasas y se limitan a resolver el problema de optimización a nivel de proyecto. Este trabajo presenta una herramienta de optimización heurística para el diseño de programas de mantenimiento de redes de infraestructuras. El objetivo de esta herramienta es asistir en la toma de decisiones para el mantenimiento de infraestructuras sujetas a restricciones presupuestarias. Esta herramienta se aplica a una red de pavimentos urbanos en Chile. De esta aplicación se concluye que la herramienta propuesta permite optimizar los recursos disponibles para el mantenimiento resultando en niveles de servicio superiores a los obtenidos bajo la política actual de mantenimiento.

Referencia: TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; OSORIO, A.; VIDELA, C. (2014). Optimización heurística para la gestión de infraestructuras: aplicación a una red de pavimentos urbanos en Chile. 11er Congreso Internacional PROVIAL, 20-14 octubre, Valdivia (Chile), 14 pp.

 

10 Febrero, 2015
 
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Comunicaciones presentadas al congreso MAEB 2015

Imagen1

A continuación vamos a presentar brevemente los resúmenes que enviamos al Congreso Nacional sobre Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados (MAEB). Este Congreso pretende ser un foro de encuentro, discusión y transferencia de conocimiento entre investigadores en el campo de las metaheurísticas y los algoritmos bioinspirados, con el fin de presentar e intercambiar experiencias y resultados.

La X edición, MAEB2015, se celebrará en Mérida-Almendralejo, durante los días 4 al 6 de Febrero de 2015, y está organizada por el Centro Universitario de Mérida perteneciente a la Universidad de Extremadura. Las áreas temáticas integradas en el congreso incluyen estudios teóricos, aplicaciones prácticas, experiencias docentes y desarrollos en el campo de investigación en optimización heurística (información detallada en el apartado de llamada a la participación). Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyecto de Investigación BIA2011-23602) y por la Universitat Politècnica de València (Proyecto de Investigación SP20120341).

Anfiteatro de Mérida

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2015). Algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas y aceptación por umbrales para diseño de vigas. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
Este estudio convierte el diseño estructural en una optimización de variables discretas. Se propone un algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas para buscar soluciones con menores emisiones totales y anuales. El algoritmo combina la búsqueda colectiva de la optimización de enjambre luciérnagas “glowworm swarm optimization“(GSO) y la capacidad de búsqueda local del umbral de aceptación “threshold accepting” (TA). La estructura propuesta es una viga de hormigón en doble T biapoyada definida por 20 variables. Se estudia la resistencia del hormigón desde 30MPa hasta 100MPa. Esta comunicación  propone un método para calibrar los parámetros del algoritmo con independencia de la función objetivo y del tamaño del enjambre. Los resultados muestran que TAGSO consigue  diseños de vigas que emiten un 25% menos de CO2. La optimización de las emisiones anuales reduce la cantidad de CO2 al año en un 61% con un incremento total de las emisiones de CO2 del 9%.

Puente Romano

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
El artículo se ocupa de la optimización económica de los tableros de los pasos superiores de carreteras formados  por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado autocompactable. Se comprueba la eficacia de las distintas metaheurísticas aplicadas en la optimización: “descent local search” (DLS), “simulated annealing” (SA), “threshold accepting” (TA), “genetic algoritms” (GA) y “memetic algorithms” (MA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje fortran directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de  luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan a los  moldes de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 59 variables discretas. El módulo de la evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente para estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. Los algoritmos SA y TA se han calibrado previamente a partir del DLS, y el MA a partir del GA y del SA. Cada heurística se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el medio y las desviaciones. Se realiza un análisis del rendimiento de las distintas heurísticas, basado en un estudio de las soluciones Pareto-óptimas entre tiempo de ejecución y rendimiento. Los mejores resultados se obtienen para el SA y el TA, siendo el coste mínimo de 108008 €, correspondiente al SA. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que estos métodos se pueden aplicar de un modo práctico a casos reales, y que el conocimiento derivado del uso de estos algoritmos permiten recomendar rangos de valores para emplearlos en el diseño optimizado de estas estructuras y en su aplicación para los predimensionados de las variables.

Acueducto de Los Milagros

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2015). Teoría del valor extremo como criterio de parada en la optimización heurística de puentes. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
El artículo establece un criterio de parada para un algoritmo multiarranque basado en el recocido simulado aplicado a la optimización de losas de puentes de vigas prefabricadas de hormigón pretensado. Para ello se ha comprobado que los óptimos locales encontrados constituyen valores extremos que ajustan a una función Weibull de tres parámetros, siendo el de posición, γ, una estimación del óptimo global que puede alcanzar el algoritmo. Se puede estimar un intervalo de confianza para γ ajustando una distribución Weibull a muestras de óptimos locales extraídas mediante una técnica bootstrap de los óptimos disponibles. El algoritmo multiarranque se detendrá cuando se acote el intervalo de confianza y la diferencia entre el menor coste encontrado y el teórico ajustado a dicha función Weibull.
31 Enero, 2015
 
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HORSOST: Un proyecto de investigación sobre sostenibilidad y estructuras

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

Creo interesante comentar en este post los resultados que estamos obteniendo de un Proyecto de Investigación financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación que nuestro grupo de investigación llama HORSOST. Su nombre completo describe el contenido del trabajo que estamos desarrollando: “Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos“.

Se trata de un proyecto que empezamos en el año 2012 y que tiene prevista su finalización a finales del 2014. Nuestro grupo de investigación está formado por seis profesores y varios becarios de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) de  la Universidad Politécnica de Valencia. En dicho grupo me corresponde el papel de investigador principal. Espero que esta breve descripción os oriente sobre lo que estamos haciendo.

(más…)

Optimización de la gestión del mantenimiento de una red de carreteras bajo restricciones presupuestarias

El mantenimiento de las carreteras constituye uno de los mayores problemas que debe abordar cualquier administración pública. Una inversión insuficiente o una estrategia ineficiente en el mantenimiento provocan unos costes económicos muy altos a medio y largo plazo. Cuando existen restricciones presupuestarias, como es el caso habitual, la asignación óptima de los recursos escasos se convierte en un aspecto crucial. La pregunta clave es, para un horizonte temporal determinado, contestar dónde, cuándo y de qué forma se debe abordar un tratamiento que sea capaz de maximizar los indicadores de prestación de la infraestructura sin sobrepasar las previsiones presupuestarias.

Un ejemplo de colaboración entre grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Valencia y la Pontificia Universidad Católica de Chile se plasma en una serie de artículos de investigación conjunta donde se aborda el problema de la optimización del mantenimiento de las infraestructuras, en particular, de redes de carreteras. En concreto, la colaboración se está llevando a cabo entre los departamentos de ingeniería y gestión de la construcción de ambas universidades. Este es un ejemplo donde la investigación aplicada tiene un campo claro de trabajo conjunto con las administraciones públicas en la gestión de los activos públicos.

No cabe duda que el esfuerzo por mantener los niveles de servicio de las infraestructuras básicas (hospitales, carreteras, puertos, ferrocarriles, presas, etc.) con las restricciones presupuestarias cada vez mayores va a constituir uno de los mayores retos a los que se enfrenta la sociedad actual.

A continuación os dejo este artículo editado en abierto, que también podéis encontrar directamente en este enlace. Espero que sea de interés.

Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón autocompactante

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón autocompactante. VI Congreso de ACHE, 3-5 de junio, Madrid. ISBN: 978-84-89670-80-8.

RESUMEN

images (1)El propósito de este artículo es presentar la optimización multiobjetivo como herramienta para el estudio de la sostenibilidad de los hormigones autocompactantes. Se toma como ejemplo una viga en doble T de hormigón de 15 m de luz definida por 20 variables. Una variable recoge ocho posibles dosificaciones del hormigón. Cuatro hormigones convencionales CC y cuatro hormigones autocompactantes SCC representan cuatro clases resistentes. Se utiliza el algoritmo recocido simulado multiobjetivo “Multiobjective Simulated Annealing” (MOSA) para optimizar el coste, las emisiones de CO2 y la durabilidad. Los resultados muestran la viabilidad económica de las reducciones de las emisiones de CO2 y de las mejoras en durabilidad. Además, las soluciones con menor coste y emisión anual utilizan hormigón autocompactante. Los resultados proporcionan al proyectista estructural criterios para elegir soluciones más sostenibles.

PALABRAS CLAVE

Sostenibilidad, autocompactante, optimización, multiobjetivo, viga en doble T.

6 Junio, 2014
 
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Optimización de forjados de losa pretensada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; RODRÍGUEZ-FACUNDI, A. (2014). Optimización de forjados de losa pretensada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad. VI Congreso de ACHE, 3-5 de junio, Madrid. ISBN: 978-84-89670-80-8.

RESUMEN

En ese trabajo se muestran las características principales de los forjados de losa postesa obtenidos con técnica heurísticas de optimización estructural. Estos métodos de optimización permiten una definición completa de la estructura, pudiéndose encontrar diseños completos de forjados optimizados tanto con criterios de economía como de sostenibilidad. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran una clara tendencia a disponer cantos muy estrictos en los resultados óptimos. Aplicando criterios de sostenibilidad se tiende a hormigones de mayores resistencias que con criterios económicos. Finalmente se han realizado pruebas de sensibilidad a los precios, que muestran mucha independencia de los forjados óptimos frente a las variaciones de precios ensayadas.

PALABRAS CLAVE

Optimización, forjados postesados, sostenibilidad, simulated annealing, threshold accepting, old bachelor algorithm.

Diseño eficiente de pasarelas mixtas basado en criterios sostenibles

DASÍ, M.; YEPES, V.;  LÓPEZ-DESFILÍS, V.J. (2014). Diseño eficiente de pasarelas mixtas basado en criterios sostenibles.VI Congreso de ACHE, 3-5 de junio, Madrid. ISBN: 978-84-89670-80-8.

RESUMEN

El objetivo de este trabajo ha sido aplicar técnicas de optimización heurística a una pasarela peatonal mixta biapoyada. Se ha elaborado un programa en lenguaje Fortran capaz de generar pasarelas, comprobarlas y evaluar su coste, ya sea económico o en relación con su sostenibilidad (emisiones de CO2). Se han implementado los siguientes algoritmos: un Randon Walk en dos variantes (RW1 y RW2), un Descent Local Search (DLS), un Simulated Annealing (SA) y un Glowworms Swarm Optimization en dos variantes (GSO1 y GSO2). Se han comparado los resultados en función del menor coste y de la menor emisión de CO2, con la solución de referencia empleada, encontrando soluciones hasta un 25,40% más económicas atendiendo a criterios de precio y con unas emisiones del 25,44% menores. Finalmente, se ha realizado un estudio de sensibilidad de precios y un breve estudio paramétrico en función de la luz de la pasarela.

PALABRAS CLAVE:

Optimización, heurística, estructuras mixtas, pasarelas peatonales, cristalización simulada

5 Junio, 2014
 
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