OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE ESTACIONES DE METRO
López López, Ariel Enrique Universidad Tecnológica Metropolitana UTEM Ecosistemas Humanos | Chile |
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RESUMEN La eficiencia de una estación, ya sea de trenes o Metro, está determinada por la capacidad de transferencia que esta tenga en la plataforma de andenes. Es el área crítica y lo que motiva esta investigación. El estudio de más de 20 sistemas de metro alrededor del mundo y el altamente ineficiente diseño de las estaciones de Metro en Santiago de Chile, motivan al estudio y a la búsqueda de soluciones al problema del diseño de estaciones. En este estudio se analiza el impacto de la topología de la plataforma de andenes en la eficiencia y capacidad de la estación de Metro. Se identifican y definen las características de diferentes configuraciones de andenes, para analizar y modelar el comportamiento de los pasajeros en la plataforma de andenes y cómo estos interactúan con las diferentes áreas e infraestructuras presentes en la estación. Se formula un modelo de cálculo que permite evaluar y comparar la eficiencia de diferentes configuraciones de plataforma, se determina la relación entre la topología de la plataforma de andenes y el uso de la estación. Se propone el diseño modular de estaciones con capacidad de crecimiento en función del aumento en la demanda de pasajeros, como el diseño más eficiente. Palabras clave: Metro, andén, plataforma, estación, eficiencia, capacidad, topología, índice de eficiencia de andenes. Keywords: Metro, platform, station, efficiency, capacity, topology, Platform efficiency ratio.
Actas del XIX Congreso Latinoamericano de Transporte Público y Urbano CLATPU 2016 Montevideo, Uruguay 7 al 11 de Noviembre 2016 · ISBN 978-9974-8434-5-5
1. INTRODUCCIÓN En la naturaleza, todo circuito tiene restricciones. En los circuitos de transporte, o sistemas de transporte circular como buses, tranvías, teleféricos, ferrocarriles y metro, la restricción es el paradero o la estación. En el caso de un sistema ferroviario como Metro, la estación es la principal restricción a la velocidad del circuito, la cual impacta directamente en la capacidad de transporte del sistema. Para mantener una alta velocidad del circuito, se requiere minimizar los tiempos de permanencia del tren en la estación, lo que implica maximizar la transferencia de pasajeros entre el andén y el tren en el mínimo tiempo posible, manteniendo altos niveles de servicio. Los diseños físico y operativo de un sistema ferroviario son materias de la ingeniería, pero hasta hoy, el diseño de estaciones es materia de oficinas de arquitectura, las cuales se preocupan más de la forma, que de la función de la estación. Así, en Latinoamérica hemos logrado construir bellas pero inútiles estaciones de Metro. La eficiencia de una estación está determinada principalmente por la capacidad de transferencia que tiene la plataforma de andenes. Esta es el área crítica de la estación y motivo de la presente investigación. En esta investigación se presentan los resultados de un análisis a las raíces de la lógica del diseño de la estación y se estudian cada uno de los componentes desde una perspectiva física y operativa. Lo anterior con el objetivo de analizar, modelar, simular y evaluar la eficiencia y la capacidad de cada componente por separado, como también de forma integral sistémica. Se estudia el comportamiento de los pasajeros desde una perspectiva operativa en corredores, escaleras, ascensores, andenes y accesos de trenes. Dejamos abierta la posibilidad de calibraciones locales, ya que el comportamiento de los pasajeros al interior de la estación está fuertemente determinado por factores culturales. Se modela el comportamiento de los pasajeros al interior de la estación, estableciendo un algoritmo que describa la interacción del pasajero con diferentes infraestructuras y se simulan diferentes escenarios. Con lo anterior, se evalúa la eficiencia y capacidad de diferentes configuraciones de plataformas de andenes, analizando sus características y se concluye describiendo qué configuración de estación es la idónea para ciertas condiciones de entorno y operación. Utilizando todo lo anterior, se propone un modelo de estación modular genérica, que es funcional para todas las futuras estaciones y es capaz de adaptarse a la demanda de pasajeros en el largo plazo, duplicando su capacidad de transferencia de forma planificada y eficiente. 2. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA Hasta mediados del siglo XX el diseño de estaciones de Metro se basaba casi completamente en el diseño ferroviario. Pero el aumento de población, la mayor densificación de las ciudades producto de la migración de la población del campo a la ciudad, comenzó a impactar en la
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capacidad de las estaciones de Metro. Esto obligó a los diseñadores a buscar soluciones para optimizar sus estaciones ferroviarias clásicas, a estaciones que optimicen el flujo y la transferencia de pasajeros, esto se vio principalmente en los Metros de ciudades con mayor demanda de pasajeros como Beijing, Moscú y Tokio, de ahí que sea un fenómeno estudiado en asia por Wang, (2008); Yao et al, (2012); Cheng y Yang, (2012); Li et al, (2012). En América Latina este fenómeno se vive a diario pero no existen investigaciones previas al respecto. Una muestra de lo anterior, lo podemos ver en el Gráfico 1 que permite observar la cantidad de pasajeros diarios de metro por ciudad y la cantidad de pasajeros diarios por estación. Podemos ver que las estaciones del Metro de Santiago tienen una afluencia similar a la del Metro de Shanghai, y las estaciones del Metro de Caracas una afluencia muy similar a las del Metro de Moscú y Beijing.
Gráfico 1 | Afluencia de pasajeros diarios, totales por ciudad, y por estación | Elaboración propia
La principal restricción a la capacidad del sistema Metro se ocasiona en sus estaciones, donde la velocidad de transferencia en la estación impacta directamente en la capacidad de transporte del sistema. Para lo cual, se analizan, modelan, simulan y evalúan las configuraciones de andenes presentadas en la Figura 1.
Figura 1 | Topologías de estación: andenes laterales, andén central, andenes mixtos | Elaboración propia XIX CLATPU | López A. (2016) Otimización del diseño de Estaciones de Metro
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3. METODOLOGÍA En la revisión del estado del arte, se observa que el área de esta investigación no tiene precedentes, por tanto, para evaluar la eficiencia comparada de cada área de la estación, aplicaremos un método de ruta crítica modificada. Para esto se realiza un algoritmo de operación de flujo de pasajeros al interior de la plataforma: corredor, escaleras, andén y su acceso al tren. El algoritmo describe todas las variables significativas y las alternativas a las que se ve enfrentado el pasajero.Se define estado, decisión, alternativas operativas por arco. Cada ítem o arco de decisión tiene una carga de restricción, que representa el perjuicio al flujo, tiempo o ambas. Estas restricciones se obtienen de la modelación y simulación. Con el algoritmo de ruta crítica y la matriz de restricciones se implementa un índice de eficiencia de andenes [Æ], el cual permite evaluar el índice de eficiencia de una configuración de plataforma de andenes. 3.1
Simulación
La dificultad de llegar a resoluciones numéricas que permitan entender el comportamiento al interior de la estación, y por consiguiente evaluar la eficiencia operativa de la estación y la capacidad de ésta, nos lleva a volcar el estado del arte en materia de modelación de flujos peatonales a una herramienta de simulación. Utilizar una herramienta de simulación permite observar comportamientos bajo diferentes escenarios en niveles macro, meso y microscópicos. Para las áreas de esta investigación no existen simuladores de estaciones, por cuanto se utiliza una herramienta de simulación en la cual se diseñan las estaciones. El simulador Anylogic unifica todos los enfoques de modelación y simulación modernos, ya que integra simultáneamente la simulación basada en agentes, la dinámica de sistemas, los sistemas de eventos discretos; con niveles de escala macro, meso y microscópico. Permitiéndonos trabajar con: diagramas de flujo, diagramas de estado, diagramas de acciones y diagrama de flujo de procesos. Tabla 1 | Características y dimensiones de los andenes a simular y evaluar
Andén
Ejes
Escaleras
Plataformas
Cantidad
Ancho
Ancho total
Cantidad
Ancho
Ancho total
[unid]
[unid]
[m]
[m]
[unid]
[m]
[m]
Central
1
4
e
e
1
a
a
Lateral
2
8
e/2
e
2
a/2
a
Mixto
3
12
e/3
e
3
a/3
a
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Como se ve en la Tabla 1, las dimensiones de áreas utilizadas por andenes y escaleras son exactamente iguales en los 3 tipos de estación y sólo varía su configuración. De esta forma, podemos evaluar como influye la configuración del andén en la capacidad de transferencia de pasajeros en la estación. En las siguientes 3 figuras se ejemplifica un escenario (carga y descarga asimétrica) con el andén bajo iguales condiciones de afluencia de pasajeros y operación de trenes. El andén central presentado en la Figura 2 concentra todos los flujos en todos los sentidos en un andén central con contraflujo pero pero distribuye sus flujos en un área mayor permitiendo mejores niveles de servicio y una densidad baja.
Figura 2 | Simulación de Andén central con carga asimétrica | Anylogic 7 | Elaboración propia
Los andenes laterales, en la Figura 3 distribuyen sus flujos por sentido en 2 andenes, al operar en contraflujo peatonal en un área menor, los usuarios se ven entorpecidos en sus movimientos con nivel de densidad alto.
Figura 3 | Simulación de Andenes laterales con carga asimétrica | Anylogic 7 | Elaboración propia
Los andenes mixtos, representados en la Figura 4, distribuyen sus flujos por sentidos en 3 andenes evitando el contraflujo peatonal, esto permite aumentar la velocidad de transferencia al operar por ambos lados del tren, bajando la densidad de usuarios en el andén y aumentando su capacidad.
Figura 4 | Simulación de Andén mixto con carga asimétrica | Anylogic 7 | Elaboración propia
3.2
Algoritmo de ruta crítica
El algoritmo de ruta crítica integra todas las variables significativas para cada área de la estación: corredor, escaleras, andén y acceso al tren.
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Figura 5 | Algoritmo de ruta crítica para Andenes de Metro | Elaboración propia XIX CLATPU | López A. (2016) Otimización del diseño de Estaciones de Metro
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3.3
Índice de eficiencia de andenes
El algoritmo de ruta crítica permite evaluar las restricciones secuenciales de una configuración de plataforma de andenes. Cuantificar las restricciones de la ruta crítica permite tener un indicador de restricciones el que se ha llamado índice de eficiencia de área [æ], el cual corresponde a la sumatoria de todas las restricciones de estado por sus arcos de decisión. n b
æ(A) = ∑ ∑ Ai(Aij) i=1 j=a
(1)
Donde: Ai : representa el ítem de estado i del área A Aij : representa al arco de decisión j del estado i del área A i: representa al identificador de estado [1, n] j: representa al identificador de decisión [a, b] Este índice permite cuantificar y evaluar comparativamente diferentes áreas de plataformas de andenes, y de esta forma disponer de una herramienta de evaluación y comparación de eficiencia de áreas de andenes. El índice æ cuantifica restricciones de cada área de la configuración de plataforma, por lo tanto, mientras menor sea su valor, más eficiente será el área evaluada. El índice se aplica por áreas de la estación como: corredores æ(C), escaleras æ(E), andenes æ(A) y accesos al tren æ(T). Para evaluar el conjunto de la estación, se utiliza el índice de eficiencia de plataforma de andenes Æ, el cual corresponde a la sumatoria del índice de eficiencia de área (ecuación 1), por un factor φ, que representa el factor de carga del área, sobre la totalidad del sistema. Y se denota de la siguiente forma: t
Æ = ∑ φi(æ(i))
(2)
i=c
Donde: φi : representa el factor de carga φ del área i æi : representa al índice de eficiencia æ del área i i: representa al identificador de área [c, e, a, t] 4. RESULTADOS Con los factores de carga arrojados por el simulador, en el algoritmo de ruta crítica se identificaron cuatro rutas para cada área. Para cada una de estas rutas críticas se calculó su índice de eficiencia de área (ecuación 1), y se generaron todas las combinaciones posibles que ocurren desde el ingreso al corredor hasta el abordaje del tren, resultando 80 combinaciones. A cada combinación se le calculó el índice de eficiencia de plataforma (ecuación 2).
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Los resultados muestran que las 16 combinaciones más eficientes de plataforma son utilizando andenes mixtos, las siguientes 32 combinaciones son utilizando andén central, y las últimas 32 combinaciones menos eficientes son utilizando andenes laterales. El andén mixto en todas sus combinaciones es casi el doble de eficiente que las otras configuraciones. El andén central es levemente más eficiente que el andén lateral, debido principalmente a que el primero hace un uso dinámico del espacio. El andén central permite hacer un uso dinámico del espacio. Esta característica posibilita mantener altos niveles de servicio en estaciones que se caracterizan por tener flujos asimétricos durante su operación diaria. El flujo asimétrico consiste en estaciones que durante unas horas del día sirven en un sentido de circulación, y en otro período del día sirven en sentido contrario. Esto es una característica de las estaciones ubicadas en zonas residenciales en el perímetro de la ciudad, o estaciones radiales. El andén lateral, al tener andenes físicamente separados, impide hacer uso dinámico del espacio, siendo altamente ineficiente cuando el flujo es asimétrico, ya que en estos casos un andén estará densamente ocupado, y el otro andén estará vacío. Por el contrario, esta configuración es útil para zonas que tienen flujo simétrico durante todo el día. El andén mixto tiene el doble de capacidad que las configuraciones de andenes anteriores y es útil para todo tipo de uso, ya que hace uso dinámico del espacio, tiene transferencia simultánea por todas las puertas del tren, y sus tres andenes se pueden adaptar operativamente a la demanda de pasajeros. El andén mixto, es constructivamente la suma de un andén central y dos andenes laterales, lo que le permite reunir los beneficios operativos de ambos sin contraflujo. Tabla 2 | Resultados de la evaluación del índice de eficiencia de andenes Andén mixto
Andén central
Andenes laterales
Mínimo
9,01
22,58
25,03
Máximo
13,98
23,17
25,62
Promedio
12,02
22,88
25,33
Desviación
1,38
0,30
0,30
Figura 6 | Nivel de restricción de rutas críticas
Figura 7 | Nivel de restricción por tipo de andén
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5. CONCLUSIONES El principal objetivo de esta investigación fue analizar cómo impacta la topología de la plataforma de andenes en la eficiencia y capacidad de la estación de Metro. Para eso se analizaron todas las relaciones e interacciones al interior de una plataforma de andenes, se modeló su comportamiento y se evaluaron en diferentes escenarios. Ello permitió entender cómo interactúan las diferentes variables entre sí, y cómo estas impactan sobre la eficiencia y capacidad. Para evaluar la eficiencia y capacidad de una configuración, se diseñó una herramienta de evaluación que se denominó Índice de eficiencia de plataforma de andenes Æ, el cual permitió cuantificar las restricciones del diseño de la plataforma. Así, se observó, que la configuración de la plataforma, sus accesos y conectores impactan fuertemente en la capacidad de transferencia de la estación, y esta configuración debe ser acorde a las condiciones de entorno y función de la estación en la red de Metro. En esta investigación se aportó a resolver un problema de planificación urbana, relacionado a la incapacidad de las herramientas actuales de planificación para predecir la demanda de pasajeros de una estación en el largo plazo. Utilizando las herramientas diseñadas en esta investigación, se propone el diseño de estaciones modulares de construcción por fases que le permitan a la estación adaptarse planificadamente a los requerimientos futuros. 5.1
Topología y capacidad
La velocidad media de operación de la red de Metro determina linealmente la capacidad de la red. Y son sus estaciones las principales restricciones a la velocidad de operación. Por tanto, el impacto en la capacidad de la red está fuertemente determinado por la eficiencia con la que operan todas y cada una de las estaciones. La velocidad media de la red estará condicionada por la estación de menor eficiencia dentro del circuito, que generalmente son las estaciones de transferencia. Aumentar la eficiencia de la estación, mejora la operación de esta, reduce los tiempos de permanencia del tren en la estación, aumentando la velocidad media, y por tanto, aumenta la capacidad de transporte de toda la red en su conjunto. Se suele entender erróneamente que una estación eficiente es una estación más voluminosa, pero al contrario, incluso una estación más grande de lo necesario se vuelve más ineficiente, ya que los pasajeros deben recorrer mayores distancias innecesariamente, aumentando su tiempo de permanencia en la estación y desplazamiento. Utilizando el mismo volumen de espacio, ancho de andenes y escaleras, se demostró que la estación de andenes mixtos tiene casi el doble de eficiencia que la estación de andén central, y que esta es levemente más eficiente que la estación de andenes laterales, pero que esta diferencia varía dependiendo del uso de la estación, su entorno y posición de la estación en la red, las que se explican a continuación.
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5.2
Topología y uso
El entorno de la estación, o su posición en la red de Metro, permite entender el comportamiento al interior de la estación. Estaciones ubicadas en líneas radiales de la red de metro, que coinciden con zonas exclusivamente residenciales, laborales, comerciales o educativas, por lo general tienen flujos asimétricos durante diferentes horas del día. Cuando el flujo de usuarios por sentido es asimétrico, la estación de andén mixto permite una mejor operación, mayor eficiencia y capacidad para gestionar los flujos de pasajeros. En cambio, cuando el flujo de pasajeros es simétrico durante el día, la estación de andenes laterales es más eficiente. Generalmente, las estaciones que presentan flujos simétricos de pasajeros están ubicadas en las zonas céntricas de la red, coincidiendo con las áreas centrales y consolidadas de la ciudad. Mientras que las estaciones con flujo asimétrico están ubicadas en las líneas que dan servicios radiales a la red de Metro. En condiciones de flujo tanto simétrico como asimétrico, la estación de andén mixto es más eficiente que las dos anteriores, al permitir un mayor caudal de pasajeros con menores niveles de densidad, mayor espaciamiento y mejor nivel de servicio. 5.3
Topología y diseño constructivo
Una de las restricciones importantes de una estación de Metro que está en operación, es la dificultad para generar modificaciones considerables de su estructura física, debido a que la construcción de estas modificaciones impactará en la operación del Metro, y sus vibraciones atentarán contra la bóveda de la estación, el túnel o las infraestructuras colindantes (Liu et al, 2010) El diseño de estaciones debe permitir una construcción por fases, con el objeto de ampliarla para aumentar su oferta de capacidad, a la vez que aumenta la demanda de pasajeros a lo largo de los años. Un diseño de estación modular permitirá que una estación genérica pueda convertirse en una estación de alta capacidad o estación de transferencia cuando sea necesario. La estación de andenes laterales o la estación de andén central permiten flujos de pasajeros medios y altos, pero sólo esta última, permite su transformación en estación mixta, para duplicar de esta forma su oferta de capacidad y manejar eficientemente flujos altos – altísimos. Una estación genérica modular con capacidad de crecimiento, se logra diseñando una estación mixta, que tiene una construcción en dos fases; una primera fase que implica la construcción de la estación de andén central, y cuando la demanda de pasajeros lo requiere, se construye la segunda fase, agregando los andenes laterales para convertirse en estación mixta. Este diseño modular de estaciones permitirá suplir la falta de planificación a largo plazo, donde estaciones construidas para baja demanda terminan convirtiéndose en estaciones de altísima demanda, como el caso de la Estación Tobalaba del Metro de Santiago de Chile. XIX CLATPU | López A. (2016) Otimización del diseño de Estaciones de Metro
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De esta forma, cualquier estación de andén central construida bajo este esquema modular, podrá convertirse en estación de alta demanda, o estación de transferencia.
Figura 8 | Estación modular de construcción en dos fases con rutas de circulación peatonal Fase 1: andén central (superior), Fase 2: andén mixto (inferior). Elaboración propia
REFERENCIAS Cheng, H., & Yang, X. (2012). Emergency Evacuation Capacity of Subway Stations. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 43, 339-348. Li, Y., Sun, X., Feng, X., Wang, C., & Li, J. (2012). Study on Evacuation in Subway Transfer Station Fire by STEPS. Procedia Engineering, 45, 735-740. Liu, H. Li, L. Wang, C. & Wei H. (2010) Design and deformation control of excavation support project close to a subway station. Chinese Journal of Geotechnical Engineering 34, 654-658. López, Ariel. (2015) Optimización del diseño de estaciones de Metro mediante el estudio, modelación y simulación de diferentes topologías de plataformas de andenes. Universidad Tecnológica Metropolitana 2015, p. 184 TRB, (2013). Station Capacity Transit Capacity and Quality of Service Manual, Third Edition Transportation Research Board. National Research Council, Washington, Chapter 10. Wang, L. H. (2008). Subway station platform design. Northern Jiaotong, 4, 220-222. Wang, Z. (2006). Selection of Architectural and Structural Types of Hujialou Station on Nº 10 Line of Beijing Metro. Tunnel Construction, 26 (2), 22-26. (2006).
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Yao, L., Sun, L., Wang, W., & Xiong, H. (2012). Adaptability Analysis of Service Facilities in Transfer Subway Stations. Mathematical Problems in Engineering, 2012.
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