< Terug naar vorige pagina

Project

Het ontwerpen van vraagafhankelijke busdiensten voor een onevenwichtige vraag

Meestal werken traditionele openbaar transportsystemen met vaste routes en dienstregelingen. Om de operaties flexibeler te maken en het openbaar vervoer uiteindelijk aantrekkelijker te maken, verschuift het onderzoek voor transportplanning en -optimalisatie van het openbaar vervoer steeds meer in de richting van meer op maat gemaakte opties, die we \textit{`vraagafhankelijke systemen'} noemen.

In dit proefschrift onderzoeken we vraagafhankelijke busoperaties om de efficiëntie van openbare bussystemen te verbeteren, vooral voor reizigers die tijdens spitsuren reizen. Wanneer een buslijn rijdt tussen een stadscentrum en een eindstation, bestaat er tijdens piekuren een duidelijke onevenwicht in de vraag naar vervoer tussen de twee richtingen van de buslijn. We introduceren het vraagafhankelijk systeem met expressdiensten (DRS-ES). Hierbij wordt de frequentie van de dienst in de spitsrichting verhoogd door voertuigen een expressdienst te laten nemen in de dalrichting. Mixed Integer Quadratic Programs worden ontwikkeld om de beslissingen van dit systeem te optimaliseren op basis van de verwachte vraag. Verschillende varianten van de DRS-ES worden geanalyseerd. Experimenten tonen aan dat de vraagafhankelijke operatie de gemiddelde reistijd van passagiers zeker kan verbeteren. Maar enkel kleine en middelgrote instanties kunnen optimaal worden opgelost vanwege de groeiende complexiteit van het probleem tijdens opschaling

Variable Neighborhood Search (VNS)-algoritmen zijn ontwikkeld om de operationele beslissingen van de DRS-ES te optimaliseren binnen enkele minuten. Dit betekent dat VNS-algoritmen vlak voor de spitsuren kunnen bepalen welke bussen een sneldienst in de dalrichting moeten maken en wanneer ze moeten vertrekken van de eindhaltes. Experimenten tonen aan dat de totale reistijd van passagiers gemiddeld met ongeveer 10\% verbetert voor realistische instanties als gevolg van de hogere dienstfrequentie in de spitsrichting. De verbetering kan zelfs tot 40\% oplopen, vooral als alleen rekening wordt gehouden met wachttijden of als rekening wordt gehouden de capaciteit van de bussen.

Vervolgens stellen we een veel flexibelere en meer complexe variant van het DRS-ES voor : het On-demand systeem met shortcuts (ODS-SC). Net als het DRS-ES heeft het ODS-SC als doel om de efficiëntie van de dienst tijdens piekuren te verhogen door voertuigen shortcuts te laten nemen tussen het stadscentrum en de eindhalte. In tegenstelling tot de DRS-ES worden de beslissingen geoptimaliseerd op basis van transportvragen tijdens de piekuren. Passagiers geven voor de piekuren hun herkomst, bestemming en gewenste ophaaltijd aan via een app of op een online platform. Aangezien er expliciet rekening wordt gehouden met de aanvragen van passagiers, wordt elke passagier toegewezen aan een dienst die zijn herkomst en bestemming bedient. Deze toewijzing wordt aan de passagiers meegedeeld wanneer de piekuren beginnen. In het ODS-SC wordt voor elke bus en voor elke shortcut afzonderlijk beslist of de gewone route of de shortcut gevolgd moet worden. In het DRS-ES daarentegen gebruikten alle expressdiensten één enkele expressroute, waarbij alle shortcuts werden genomen. Bovendien waren in de DRS-ES expressdiensten alleen toegestaan in de dalrichting, terwijl shortcuts in beide richtingen zijn toegestaan in de ODS-SC.

Vanwege het belang voor het efficiënt en spoedig optimaliseren van het ODS-SC, wordt een VNS-algoritme ontwikkeld om de operationele beslissingen van het ODS-SC te optimaliseren op basis van de transportvragen die vóór de piekuren werden verzameld. Op basis van de ontvangen aanvragen beslist het VNS-algoritme binnen enkele minuten welke shortcuts elke bus in elke richting moet nemen, wanneer de bus uit het stadscentrum en de eindhalte moet vertrekken en wat de bijbehorende passagierstoewijzingen zijn. Experimenten tonen aan dat met het on-demand systeem de totale reistijd voor reizigers tot 45\% verbetert op een lijn van ware grootte en vergeleken met de traditionele vaste route. De prestaties van het systeem worden ook geanalyseerd bij verschillende vlootgroottes en -capaciteiten en vraagscenario's. Daarnaast worden reizigers die op hun vertrekhalte zonder verzoek opdagen ook bediend in het ODS-SC. De impact van deze reizigers op de prestaties van het systeem wordt ook geanalyseerd.

Globaal tonen de resultaten aan dat een traditionele vaste route zijn efficiëntie verliest als de vraag onevenwichtig is. Daarentegen kunnen de vraagafhankelijke en de on-demand systemen de reistijden van de passagiers aanzienlijk verbeteren. Aan de ene kant biedt DRS-ES een oplossing die reageert op een onevenwicht in de vraag zonder dat er een reserveringssysteem tussen reizigers en de dienstaanbieder nodig is. Aan de andere kant biedt het ODS-SC weliswaar meer flexibiliteit, maar vereist een reserverings- en communicatiesysteem tussen reizigers en de dienstaanbieder in ruil voor een nog grotere verkorting van de reistijden.

We bestuderen ook de transit network design problem (TNDP) in het traditionele openbaar vervoernetwerk. Na het identificeren van het infrastructuurnetwerk, dit wil zeggen al de haltes of stations en de wegen of sporen die ze binden, wordt in het TNDP het netwerk van bus-, tram- en/of treinlijnen bepaald. Bij het aanpakken van het TNDP met de reizigerstijd in gedachten, moet het passagierstoewijzingsprobleem (PAP) steeds expliciet opgelost worden. Het PAP is een complex probleem op zich en zelfs de meest eenvoudige versie vereist de bepaling van het kortste pad voor alle vraagparen in het netwerk. In de TNDP worden meestal optimalisatiemodellen met twee niveaus en/of metaheuristieken gebruikt waarbij het PAP wordt opgelost bij de evaluatie van een lijnplan. Daarbij wordt het PAP vaak aangepakt door het transitnetwerk voor te stellen met een zogenaamd `Change-and-Go' (CNG) netwerk met dummy overstapknooppunten om overstappen te modelleren als deel van de reistijd van de reiziger. Om vervolgens het PAP op te lossen, moet het alle-paren-korste-pad-probleem opgelost worden voor dit CNG-netwerk. Er is al vaak aangetoond dat dit het meest tijdrovende deel van de algoritmes is. Om dit te verbeteren presenteren we een veel efficiëntere netwerkvoorstelling, het `Direct Link Network' (DLN), waarbij extra linken worden toegevoegd in plaats van extra knooppunten. We vergelijken de theoretische complexiteit van beide voorstellingen en de rekentijd die nodig is om het PAP op te lossen door CNG en DLN te gebruiken op de meest gebruikte benchmarknetwerken en ook op verschillende echte netwerken. De resultaten laten zien dat met de DLN-voorstelling het PAP gemiddeld 350 keer sneller kan worden opgelost dan met CNG. De DLN kan dus alle TNDP-algoritmen die het PAP oplossen aanzienlijk versnellen bij het ontwerpen van een openbaar vervoernetwerk.

Datum:1 jul 2020 →  12 jan 2024
Trefwoorden:Operational Research, Mathematical Modeling, Public Transportation
Disciplines:Operations-onderzoek en mathematisch programmeren
Project type:PhD project