Optimization models for the expansion of airport networks

Abstract

Demand for air transportation has grown very rapidly over the last few decades. This growth can be explained by a generalized increase of population and purchasing power, international business and trade, and also by technological improvements. The growth in demand has not been accompanied with an adequate increase of airport capacity, and this has led to the escalation of congestion problems at many airports worldwide. The airport congestion problems manifest themselves primarily in the form of delays. These delays and their propagation throughout the network have negative impacts on air transportation level of service, on passenger quality of travel, and, more broadly, on economic activity. Because air transportation is vital for economic activity, there is a need to find ways by which the air transportation system continues to be reliable and meets the increase of demand – it is, thus, important to find solutions to solve the congestion problems at the airports. In the short term, part of these problems can be dealt with through demand management mechanisms. In the longer term, improvements in air traffic control systems will certainly further contribute to attenuate them. However, it is unlikely that airport congestion can be fully coped with if the capacity of existing airports is not expanded and/or new airports are not built. There are a significant number of (academic) studies dealing with airport expansion and/or location problems, but they focus on individual airports. Studies dealing with airport expansion and/or construction problems from a network perspective are uncommon. This is especially true for the optimization-based literature. This thesis attempts to contribute to this literature by presenting a set of optimization models – from static and deterministic to dynamic and stochastic – for assisting aviation authorities in their strategic reflections regarding the expansion of airport networks. The models apply to a set of metropolitan areas and seek the best improvements to apply to the respective airport network in order to serve demand in the best possible way, for a given budget. The improvements to the airport network are chosen from a set of feasible expansion actions. Expansion actions consist in improvements to the existing airports (through the reconfiguration and/or construction of runways and through the enhancement of terminal buildings) and in the construction of new airports. The objective of the models is to maximize total system throughput (maximize demand “coverage”), taking into account the impact of airport capacity increase on travel costs and travel demand. The models developed are complex mixed-integer nonlinear optimization models, being difficult to solve to exact optimality. Therefore, several heuristic methods are proposed to solve the models. Their performance, from the standpoint of solution quality and computational effort, are compared through their application to a large sample of randomly generated test instances. The practical usefulness of the models is illustrated with applications to the main airport networks of the United States of America and Germany.

A procura de transporte aéreo tem crescido de forma significativa nas últimas décadas. Este crescimento pode ser explicado pelo aumento generalizado de população e poder de compra, trocas comerciais entre países, e também por desenvolvimentos tecnológicos. O crescimento da procura não tem sido acompanhado por um aumento adequado de capacidade aeroportuária, o que tem conduzido ao aumento de problemas de congestionamento em vários aeroportos. Os problemas de congestionamento nos aeroportos manifestam-se sobretudo na forma de atrasos. Os atrasos e a sua propagação pela rede de aeroportos têm um impacto negativo na qualidade de serviço, na comodidade de viagem do passageiro, e na atividade económica. Uma vez que o transporte aéreo tem uma grande importância na atividade económica, é necessário que o sistema de transporte aéreo continue seguro e capaz de satisfazer o aumento de procura – é, por isso, importante encontrar soluções que permitam resolver os problemas de congestionamento dos aeroportos. No curto prazo estes problemas podem ser abordados através de mecanismos de gestão de procura, e em prazos mais longos podem ser parcialmente atenuados através do melhoramento dos sistemas de controlo do tráfego aéreo. No entanto, é pouco plausível que o congestionamento dos aeroportos possa ser eliminado sem que capacidade dos aeroportos existentes seja aumentada e sem que sejam construídos novos aeroportos. Existe um grande número de estudos (académicos) que abordam problemas de expansão e/ou construção de aeroportos, mas focam-se em aeroportos individuais. Estudos que abordam problemas de expansão e/ou construção de aeroportos numa perspetiva de rede são incomuns, especialmente na literatura de otimização. Esta tese pretende contribuir para esta literatura através de um conjunto de modelos de otimização – de estáticos e determinísticos a dinâmicos e estocásticos – destinados a apoiar as autoridades de transporte aéreo nas suas decisões estratégicas relativas à expansão de redes de aeroportos. Os modelos aplicam-se a um conjunto de áreas metropolitanas e procuram determinar os melhoramentos a realizar na respetiva rede de aeroportos de forma a servir a procura da melhor forma possível em função do orçamento disponível. Estes melhoramentos são escolhidos de entre um conjunto de ações possíveis de expansão, que podem incidir nos aeroportos existentes (através da reconfiguração e/ou construção de pistas e através da beneficiação de terminais) ou consistir na construção de novos aeroportos. O objetivo dos modelos é maximizar o tráfego total na rede de aeroportos (maximizar a “cobertura” da procura), considerando o impacto dos aumentos de capacidade aeroportuária no custo e na procura de transporte aéreo. Os modelos de otimização apresentados são não-lineares e inteiros mistos, pelo que são difíceis de resolver de forma exata. Deste modo, são propostos vários métodos heurísticos para resolver os modelos. O respetivo desempenho é avaliado, relativamente à qualidade das soluções e ao esforço computacional, com base nos resultados obtidos para um número significativo de instâncias-teste de várias dimensões. A utilidade prática dos modelos propostos é evidenciada através de aplicações às redes de aeroportos principais dos Estados Unidos da América e da Alemanha.