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
Herramientas para el Diseño
Operacional
• Se utiliza programas de simulación para facilitar el diseño
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
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 demanda Tramo más cargado Carga máxima - pphd (pasajeros por hora por
dirección)
Año proyectado
Escenario 1.3 Estación San Juan de Dios – Circunvalación 15,410 2018 Escenario 2.3 Estación 28 de Julio - Estación Cangallo 27,257 2020 Escenario 3.3 Estación 28 de Julio - Estación Cangallo 31,684 2030 Escenario 3.4 Estación Plaza
Manco Cápac - Estación Central 47,883 2030 Escenario 3.4 proyectado al 2047 Estación Plaza Manco Cápac – Estación Central 61,843 2047
Datos de Demanda (3)
Carga máxima de pasajeros en estaciones (subidas) según escenario.
Escenario de demanda Estación
(andén dirección este-oeste) Subidas- pphd (pasajeros por hora por dirección) Año proyectado
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
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
Trazado 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.
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.
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:
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
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 - pphd (pasajeros
por hora por dirección) Frecuencia Trenes/hora Pasajeros por tren Capacidad del tren propuesto 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 1,400
Flota 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
Estimación de la Flota Requerida
Reserva Línea completa Servicios
cortos Línea completa Servicios cortos Línea completa Servicios cortos Línea completa Servicios cortos Total operativos 10% 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 77 Total flota Tiempo de inversión (min)
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
(andén dirección este-oeste) Subidas- pphd (pasajeros por hora por dirección) Pasajeros que suben 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 35,927 798
Verificación de tiempos de parada (2)
Demanda (pasajeros que suben en cada tren) Tiempo de parada (segundos) 0 – 400 20 401 – 800 25 801 – 1,200 30 1,201 – 1,600 35 1,601 – 2,000 40A 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.
Resultados del Programa de
Simulación
• Gráfico de velocidades
• Malla horaria – Horario de servicio • Ocupación de vías
• Simulación de la circulación (animación) • Consumo de 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
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
