liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Multi-year maintenance optimisation for paved public roads - segment based modelling and price-directive decomposition
Linköping University, Department of Mathematics, Optimization . Linköping University, The Institute of Technology.
2007 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [sv]

I avhandlingen studeras hur kostnadseffektiva underhålls- (uh-)planer för belagd väg kan genereras, på basis av information om aktuellt vägytetillstånd och funktionella modeller för kostnads- och tillståndsförändringar, delvis utvecklade i samarbete med svenska Vägverket (VV). Tilltänkt användning är på strategisk och programnivå, innan mer detaljerad objektinformation finns att tillgå. Till skillnad från hittills använda modeller, så genereras individuella uh-planer för varje vägsegment (en homogen vägsträcka vad gäller aktuellt beläggningstillstånd och beläggningshistorik), i kontinuerliga tillstånds- och åtgärdsrum. Genom användning av Lagrangerelaxerande optimeringsteknik, så kan de speciella nytto/kostnads-kvot-villkor som VV ålägger varje uh-objekt naturligen hanteras med dualpriser för budgetvillkoren. Antalet vägsegment som konkurrerar om budgetmedlen är vanligtvis stort. Data från VV:s Vägdatabank för Värmland har använts, omfattande ca 9000 vägsegment. Genom den stora datamängden har datorprogrammen implementerats för parallellbearbetning. Under avhandlingsarbetet har projektet beviljats tillgång till Monolith PCklustret vid NSC. För att kunna reducera optimeringskörtiderna har modell- och metodutveckling varit nödvändig. Genom att aggregera vägsegmenten till vägklasser har goda startvärden på dualpriserna erhållits. Genom utvecklingen av en speciell restvärdesrutin har den explicit behandlade tidsperioden kunnat reduceras. Vid lösandet av det duala subproblemet har speciell uppmärksamhet ägnats åt de diskretiseringseffekter som uppstår i metoden dynamisk programmering. En typ av tillämpning avser ett delvägnät, exempelvis en väg. Valideringsstudier har genomförts på väg 63 i Värmland – med lovande men inte tillfredsställande resultat (se nedan). En speciell modell för samordnat uh beaktar stordriftsfördelarna vid samtidig åtgärd på en hel vägsträcka. Den andra huvudtypen av studier gäller ett helt nätverk. Flera metodtyper har tillämpats, både för att lösa de relaxerade optimeringsproblemen och för att generera uhplaner som uppfyller budgetvillkoren. För en anständig diskretisering är körtiderna för hela Värmland mindre än 80 CPU-timmar. Genom en a posteriori primal heuristik reduceras kraven på parallellbearbetning till ett litet PC-kluster. Avhandlingen studerar vidare effekterna av omfördelade budgetmedel samt en övergång till en transparent, stokastisk modell – vilka båda visar små avvikelser från basmodellen.

Optimeringsresultaten för Värmland indikerar att budgetnivåer på ca 40% av Värmlands verkliga uh-budget är tillräckliga. Dock saknas viktiga kostnadsdrivande faktorer i denna första modellomgång, exempelvis vissa funktionella prestanda (säkerhet), all miljöpåverkande prestanda (buller etc.) och strukturell prestanda (ex.vis bärighet, som enbart modelleras via ett åldersmått). För ökad tilltro till PMS i allmänhet och optimering i synnerhet, bör avvikelserna analyseras ytterligare och leda till förbättringar vad gäller tillståndsmätning, tillståndseffekt- & kostnadsmodellering samt matematisk modellering & implementering.

Abstract [en]

The thesis deals with the generation of cost efficient maintenance plans for paved roads, based on database information about the current surface conditions and functional models for costs and state changes, partly developed in cooperation with Vägverket (VV, Swedish Road Administration). The intended use is in a stage of budgeting and planning, before concrete project information is available. Unlike the up to now used models, individual maintenance plans can be formulated for each segment (a homogeneous road section as to the current pavement state and paving history), in continuous state and works spaces. By using Lagrangean relaxation optimisation techniques, the special benefit/cost-ratio constraints that VV puts on each maintenance project can be naturally mastered by dual prices for the budget constraints. The number of segments competing for budget resources is usually large. Data from VV Vägdatabank (SRA Road Database) in county Värmland were used, comprising around 9000 road segments. Due to the large data amount the implemented programs rely on parallel computation. During the thesis work, access to the PC-cluster Monolith at NSC was granted. In order to reduce optimisation run times, model & method development was needed. By aggregating the road segments into road classes, good initial values of the dual prices were achieved. By adding new state dimensions, the use of the Markov property could be motivated. By developing a special residual value routine, the explicitly considered time period could be reduced. At solving the dual subproblem special attention was paid to the discretization effects in the dynamic programming approach. One type of study is on a sub-network, e.g. a road. Validation studies were performed on road 63 in Värmland – with promising but not satisfactory results (see below). A special model for co-ordinated maintenance considers the fine-tuned cost effects of simultaneous maintenance of contiguous road segments. The other main type of study is for a whole network. Several method types have been applied, both for solving the relaxed optimisation problems and for generating maintenance plans that fit to the budgets. For a decent discretization, the run time for the whole Värmland network is less than 80 CPU-hrs.A posterior primal heuristics reduces the demands for parallel processing to a small PC-cluster.The thesis further studies the effects of redistributing budget means, as well as turning to a transparent stochastic model – both showing modest deviations from the basic model.

Optimisation results for Värmland indicate budget levels around 40% of the actual Värmland budget as sufficient. However, important cost triggers are missing in this first model round, e.g., certain functional performance (safety), all environmental performance (noise etc.) and structural performance (e.g. bearing capacity, only modelled by an age measure). For increased credibility of PMS in general and optimisation in particular, the discrepancies should be further analysed and lead to improvements as to condition monitoring, state effect & cost modelling and mathematical modelling & implementation.

Place, publisher, year, edition, pages
Matematiska institutionen , 2007. , 214 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1107
Keyword [en]
road maintenance optimisation, price-directive decomposition
National Category
Computational Mathematics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-8907ISBN: 978-91-85831-73-9 (print)OAI: oai:DiVA.org:liu-8907DiVA: diva2:23632
Public defence
2007-06-14, Nobel, Hus B, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:30 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2007-05-22 Created: 2007-05-22 Last updated: 2013-08-30

Open Access in DiVA

fulltext(2162 kB)1493 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2162 kBChecksum SHA-1
5f8fa5643fd938b504a911c9228634a849e628bddf668a3c808e042a63ed1be265e8f17d
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Andersson, Per-Åke

Search in DiVA

By author/editor
Andersson, Per-Åke
By organisation
Optimization The Institute of Technology
Computational Mathematics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1493 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 1925 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf