Optimum design of aviation networks : the cases of airport congestion and low demand

Abstract

Air transportation liberalization led to significant changes on aviation because of a substantial increase in air transportation demand. The airline industry has diversified its business models, adopting a hub-and-spoke network structure and creating low cost carriers. Consequently, airfares dropped and competition and flight frequency increased for the main markets. But it has also contributed for increasing congestion at airports and to the establishment of subsidy schemes to serve sparsely populated regions with implications for airlines and passengers. This thesis is concerned with the development of specific tools to deal with these two types of air transportation networks. The thesis extends the existing work in network design formulation to the situation of both congested and low demand networks. Aviation network design models determine the flight schedule and fleet assignment for a given network. Typically, they are developed by airlines as a core part of the airline planning process. In this thesis, these models are extended to encompass other perspectives. Three main perspectives are dealt with in this thesis: airline, aviation authority, and government. The optimization models proposed are linear and mixed-integer with the objective of maximizing profits or minimizing costs. Networks operated under congestion are becoming more frequent as airport capacity is incapable to cope with the increasing demand for air transportation. This phenomenon is responsible for very large costs for airline and passengers. Therefore, it is necessary to mitigate delays without compromising airline profitability, passengers’ connectivity and service frequency. Three optimization models were developed in the thesis to study delay impacts in the perspective of governments, airlines, and aviation authorities. After liberalization, both the US and the EU launched subsidy schemes to prevent sparsely populated and remote regions from becoming underserved with respect to air transportation. In this case, schedule services without subsidies would not be viable. Governments set a minimum level of service to be satisfied by the operating airline and, at the same, give public subsidies for its operation. In this thesis, two decision approaches are developed to help governments setting the level of service required to be satisfied by the airlines. These decision approaches are based on network design optimization models in which all relevant costs and revenues for the government analysis are involved, including airline and airport costs and revenues, and passenger time costs. Another objective of the thesis was to apply the models to case studies based on real world networks. Indeed, all models were applied to different networks, depending on their objectives, with significant improvements from the current networks. Formulations could cope with the size and complexity of real world networks, as all the applications reached optimal solutions. For congested networks were used the Portuguese air transportation system (Chapter 2), the main European network (Chapter 3), and the TAP network (Chapter 4). For subsidized networks were used the Azores network (Chapter 5) and the Norwegian regional network (Chapter 6). Results show the usefulness of the optimization models as capable tools to help airlines, aviation authorities, and governments in their network design decisions.

A liberalização do sistema de transporte aéreo, primeiro nos EUA e depois na Europa, transformou significativamente o sistema existente, com efeito direto no aumento da procura de viagens aéreas. Para este aumento contribuiu também a mudança no modelo de negócio das companhias aéreas, seja pelo aparecimento das companhias low-cost, seja pela mudança operacional para um sistema hub-and-spoke. Paralelamente, os preços diminuíram, a competição entre companhias aumentou e a frequência de voos cresceu substancialmente nas rotas mais lucrativas. A abertura do mercado teve também algumas consequências que podem ser consideradas negativas, entre as quais, o aumento dos atrasos e congestionamento nos maiores aeroportos e a necessidade de estabelecer esquemas de subsídio para manter as operações aéreas para locais remotos e/ou de fraca procura. Esta tese aprofunda o trabalho existente na formulação do desenho de redes de transporte aéreo para as situações específicas de redes de transporte aéreo operadas seja com congestionamento, seja com subsídios públicos. Os modelos de desenho de redes desenvolvidos determinam, para cada situação em análise, o horário e o tipo de avião para cada voo. Estes modelos foram concebidos para serem aplicados por companhias aéreas como parte central do seu planeamento operacional. Nesta tese, contudo, estes modelos são adaptados a outras situações e perspetivas, como sejam, governos e autoridades aeronáuticas. Os modelos de otimização propostos são lineares e inteiros-mistos tendo como objetivo maximizar lucros ou minimizar custos de uma rede de transporte aéreo. O congestionamento nos maiores aeroportos mundiais tem vindo a crescer à medida que a procura desses aeroportos se aproxima da sua capacidade máxima. Esta situação origina custos muito significativos para as companhias aéreas, para os passageiros e para a economia. Desta forma, é necessário mitigar o efeito dos atrasos sem comprometer a viabilidade económica das companhias aéreas nem o nível de serviço e conectividade dos passageiros. Esta tese estuda os efeitos do congestionamento através de três modelos de otimização desenvolvidos para uma rede em que aeroportos e companhias aéreas são controlados publicamente, para uma rede de aeroportos e companhias que operam e competem num sistema congestionado e para uma companhia aérea que opera em competição. Durante o processo de liberalização do transporte aéreo foi identificada a necessidade de salvaguardar as regiões (e populações) remotas para as quais a acessibilidade depende da existência de ligações aéreas. Neste caso, os governos podem subsidiar a operação destas rotas, estipulando, para tal, serviços mínimos a serem cumpridos pela companhia aérea. Nesta tese são desenvolvidas ferramentas para apoiar os governos em decisões sobre os requisitos a exigir às companhias aéreas. Estas ferramentas baseiam-se em modelos de otimização do desenho de redes nos quais são tidos em conta os custos e receitas das companhias aéreas, os custos do tempo dos passageiros e os custos e receitas de operação dos aeroportos. Outro objetivo desta tese é a aplicação dos modelos desenvolvidos a estudos de caso baseados em problemas reais. Efetivamente, todos os modelos foram aplicados a redes de transporte aéreo, dependendo do seu objetivo e contexto. As formulações são capazes de lidar com a dimensão e complexidade das redes existentes, tendo atingido o resultado ótimo em todas as situações. Para as redes com congestionamento as aplicações foram à rede portuguesa de transporte aéreo (Capítulo 2), ao conjunto dos 10 maiores aeroportos e 9 maiores companhias aéreas na Europa (Capítulo 3) e à rede da TAP (Capítulo 4). Para as redes subsidiadas foi usada a rede do Arquipélago dos Açores (Capítulo 5) e a rede regional da Noruega (Capítulo 6). Os resultados obtidos demonstram as potencialidades dos modelos desenvolvidos e a sua utilidade prática para companhias aéreas, governos e autoridades aeronáuticas.