Optimal Location of Access Points in Controlled Entry Transportation Networks

Abstract

Decisions regarding the location of access points in national transportation networks need to be made very carefully because of their economic and social implications. The success of any investment made in transportation networks is highly dependent on the amount of users/passengers captured by the networks, which in turn depends on the location of their access points. This thesis presents a set of strategic decision-making tools (optimization models) addressing the problem of locating access points in controlled entry transportation networks. Two particular types of networks are studied, motorways and railway lines. The location of controlled access points along with possible tolls dictates the level of service provided for individual trips. The corresponding investment along with the level of service provided by existing competitive modes is central to the work developed in this thesis. The models proposed choose the optimal subset of access points, from a set of possible locations defined a priori, according to a certain objective defined in each case (e.g. minimize travel costs, maximize profits, maximize travel cost savings, and maximize social welfare benefits). In general the models are based on hub location theory. Road users and potential rail passengers select their itineraries and transportation modes according to the routes' attractiveness, which is measured by travel costs. With respect to motorways, the choice is between using the existing road network or a combination of existing road segments with new motorway segments, while for railway lines the choice is between using the new rail service and the existing transportation network. Regarding the motorways, the interchange location planning problem is analyzed from the two major perspectives, government (and users) and private investors. Each perspective is analyzed, first, alone and then simultaneously. The risks and uncertainties involved in motorway investment decisions are also considered through the formulation of stochastic models. In rail services, special attention is given to the sensitivity of rail ridership to time losses due to stops at intermediate stations. Given the complexity of railway transportation planning, the analysis goes beyond strategic issues. Indeed, we have formulated a mixed-integer optimization model that integrates all strategic issues related to infrastructure with tactical issues (rolling stock management, line planning and train scheduling) that may influence optimal investment decisions. The thesis is also concerned with the applicability of the models developed. More than academic modeling, the study aims for the characterization of real-world problems and the development of formulations capable of providing optimal solutions. With this in mind, the models are tested on two academic examples based on real-world networks: an important Portuguese motorway, the A25; and a high speed railway line expected to be built in Portugal in the future (Lisbon-Porto high line). The solutions provided by the models are compared with the ones already implemented in reality (the case of the A25 motorway) or the ones planned to be implemented (the case of the Lisbon-Porto line).

A localização dos pontos de acesso a redes de transportes tem implicações enormes no desenvolvimento económico e social das regiões. Tal torna-se mais evidente quando se trata de redes de transporte cujo acesso é restringido a um conjunto diminuto de pontos. Sendo que o sucesso dos investimentos depende em grande parte do volume de utilizadores captados, e este por sua vez depende da localização dos pontos de acesso, o planeamento destas redes e em particular a escolha das localizações dos pontos de acesso deve ser reflectida e baseada em métodos decisórios precisos. Esta tese apresenta um conjunto de instrumentos estratégicos de apoio à decisão (modelos de optimização) com respeito a problemas de localização de pontos de acesso em redes de transportes de acesso limitado. Dois tipos de redes são estudados: auto-estradas e linhas ferroviárias. Nas primeiras o acesso é feito pelos nós de auto-estrada, nas segundas através das estações. Os modelos propostos determinam a localização óptima dos pontos de acesso às redes, de entre um conjunto de localizações previamente definido, de acordo com um determinado objectivo definido para cada caso (e.g. minimização de custos de viagem, maximização de lucro, maximização da diminuição dos custos de viagem, maximização dos benefícios sociais). Em geral os modelos apresentados são do tipo hub location. Os utilizadores das redes de transportes seleccionam os seus itinerários de acordo com a atractividade de cada percurso, a qual é medida pelos custos que a viagem representa. No caso das auto-estradas a escolha é feita entre a rede rodoviária existente e uma combinação de segmentos da rede rodoviária e existente e segmentos da nova autoestrada. No caso das linhas ferroviárias a escolha é feita entre os novos serviços ferroviários e a rede de transportes existente. O problema de localização de nós de auto-estradas numa primeira fase é analisado na perspectiva de cada um dos intervenientes principais (utilizadores e concessionários) separadamente, e numa fase posterior considerando as duas perspectivas simultaneamente. Alguns riscos e incertezas inerentes a decisões de investimento em redes de auto-estradas são também abordados através da formulação de modelos estocásticos. Nos modelos ferroviários tem-se em conta a elasticidade da procura de viagens em função do número de paragens em estações intermédias numa dada rota. A complexidade dos processos de planeamento de linhas ferroviárias é também tida em conta, já que o estudo apresentado extravasa o domínio meramente estratégico. Com efeito, é formulado um modelo de optimização inteiro-misto que integra as questões estratégicas relativas às infra-estruturas com as questões tácticas subsequentes (constituição da frota, planeamento de linhas e horários de comboios) que de alguma forma podem influenciar a decisão óptima de investimento. A tese preocupa-se ainda com a aplicabilidade dos modelos desenvolvidos em situações reais, tendo sido estudados problemas reais na perspectiva da identificação de soluções óptimas. Neste contexto foram considerados dois casos práticos, a auto-estrada A25 e a nova linha de alta velocidade Lisboa-Porto, ambas localizadas em Portugal. As soluções obtidas pelos modelos desenvolvidos nesta tese são comparadas com a solução efectivamente adoptada no caso da A25 e com a solução apresentada para a futura linha Lisboa-Porto pela empresa responsável.