Optimal Zone Sizes and Headways for Flexible-Route Bus Services for Many-to-Many Demand Patterns

Abstract

El objetivo de este proyecto es determinar si los servicios públicos de transporte flexible resultan ser una alternativa rentable a los servicios convencionales de autobús en ciertas situaciones. Para ello, se proponen dos casos diferentes: por una parte, se diseña una red de servicio formada por tres regiones con rasgos similares (Caso Práctico), y por otra una red de nueve zonas con características muy dispares. La formulación desarrollada tiene como objeto minimizar los costes de viaje por pasajero mediante el valor óptimo de las frecuencias de un sistema coordinado o de uno no coordinado (i.e. con frecuencias comunes o con valores ajustados a las necesidades de cada región). Con todo, se plantea una función objetivo de costes y se resuelve como un problema de optimización restringido no linear. La herramienta empleada para esto es el algoritmo GRG al cual se añade la restricción necesaria para garantizar que las soluciones obtenidas sean mínimos absolutos. A continuación, se lleva a cabo un análisis de sensibilidad para el Caso Práctico que muestra que tanto la distancia a la estación central como el valor económico del tiempo de viaje son los parámetros más influyentes en los costes. El estudio concluye con que ambos casos demuestran que la opción mas rentable a la hora de diseñar una red flexible de transporte es programar frecuencias comunes a todas las rutas en lugar de diseñar sistemas no coordinados. Esto es así porque los costes de espera y de servicio se disparaban en este último caso, debido al aumento del tiempo de espera de los pasajeros en la estación central y del número de autobuses necesarios. Por último, se cree que este proyecto podría ser mejorado si se incluyesen restricciones adicionales, se introdujesen integer-ratios para las frecuencias o se estableciesen estaciones de transbordo intermedias entre zonas.

The aim of this research is to determine whether flexible-route bus systems are a cost-effective alternative to conventional bus services in scenarios with many-to-many demand patterns. In order to do this, we propose two different cases: on the one hand, a network comprised by three zones of similar characteristics (Case Study) and on the other hand a nine-region network with disparate features (Extension of Case Study). The final objective of this paper is to minimize the average costs per passenger by finding the optimal value of the headway for both a coordinated and an uncoordinated system (i.e. a network with common headways or a network with different headways depending on each region’s requirements). This dilemma is formulated as a nonlinear constrained optimization problem and will be solved by means of the Generalized Reduced Gradient algorithm. Since the results obtained are local solutions, we add the necessary condition of global optimality to find the absolute extremum instead. The resulting system costs of the Case Study are contrasted by conducting a sensitivity analysis to the following parameters: total demand, line haul distance and values of in-vehicle and waiting time. All in all, the outcomes found in both scenarios agree in that coordinated flexible services are more cost-effective than designing a network with different bus frequencies. The main cause are the rise in waiting costs -as passengers must wait at the central terminal to pick up the next bus- and the increase of service costs due to the higher number of vehicles needed. Additionally, sensitivity analysis shows that the value of in-vehicle time and the distance to the central station are key variables when designing a flexible-route bus system. Lastly, the suggestions proposed to improve this study are adding more constraints, using integer-ratios to increase coordination and implementing intermediate transfer stations.