Design of reliable schedules and control strategies for improving bus system performance

Abstract

High-level service bus systems, even though in many different forms and local particularities, have been spread out around the globe over the last decades, driven by the administration and the transport authority, and in close cooperation with the operator agencies. Under the common denominator of a higher-level service, those bus systems succeeded quite a lot anywhere due to the best performance of their operational indicators, such as service regularity, commercial speed, and time-headway. Nevertheless, many actions should be undertaken and applied to be able to supply all those benefits.

Consistent with the above, this thesis defines several procedures enabling the design of reliable scheduled timetables and operating control strategies aimed at achieving an optimal operation. Also, more complicated route layouts, as in the case of transit corridors served by two routes, have been studied; and a specific methodology to evaluate the operational performance of the transfer areas has also been developed, as true cornerstones of those transfer-based bus networks.

The first theme of this thesis consists of setting up a methodology for drawing up efficient timetables, optimising recovery times at the bus terminals, fulfilling on-time departures, according to a predefined statistical percentage, and minimising resources in terms of vehicles and drivers, observing operating rules and constraints. In the example of route H12 from Barcelona’s New Bus Network, travelling times could be adjusted and an increase by 40% of recovery time (from 5’ to 7’) could be implemented to be able to secure on-time departures.

After reviewing how service regularity is calculated, according to the leading worldwide agencies and transport authorities, a procedure to detect the bus bunching is determined as well as various strategies to control and mitigate its effect, making possible the adherence to the scheduled headway, and keeping the bus carrousel well-regulated. Up to 40% improvement has reached applying a strategy that combines bus speed dynamic control with traffic signal priority at the intersections.

The third issue is the operation of transit corridors served by two routes, a more complicated route scheme, advantageous to get a more efficient service -with optimal resource allocation- and to increase the service coverage. The objective is to keep the central section well-regulated and the studied headway adherence strategies are fundamental, although, as a general rule, an increase in resources is needed, which means in turn an increase of the agency costs.

The fourth subject of this thesis focuses on the transfer areas and provides a tool to assess the operational quality of their transfers. For a wide range of layouts, the operating quality of the entire node can be evaluated as well, considering the contributions of each one of their connections, weighted by ridership. This methodology is fully transferable to other modes of transport, such as the railways.

Els sistemes d’autobusos d’altes prestacions, si bé amb diverses modalitats i particularitats locals, s'han estès per tot el món en les darreres dècades, impulsats per l’administració i els consorcis de transports, i amb el recolzament de les grans empreses operadores. Sota el denominador comú d'un alt nivell de servei, aquests sistemes d'autobusos han tingut força èxit arreu degut a les millors prestacions dels seus indicadors operacionals com són la regularitat, la velocitat comercial i l’interval de pas dels seus vehicles. No obstant això, per poder donar un bon servei, s'han de desenvolupar i aplicar nombroses accions de millora. En línia amb tot l’anterior, aquesta tesi defineix un seguit de procediments per al disseny d’horaris fiables i d’estratègies de control operatiu que facin possible un adequat funcionament d’aquests tipus de serveis, també en esquemes de línies més complexos. A més, com que les àrees d'intercanvi esdevenen la pedra angular d'aquestes xarxes d'autobusos basades en les transferències, s'ha desenvolupat una metodologia especial per avaluar-ne el seu rendiment operatiu. El primer tema estableix una metodologia per elaborar horaris eficients, optimitzar els temps de recuperació d’incidències (TRI) als terminals de línia, complir amb les sortides puntuals d'acord amb un percentatge estadístic preestablert i minimitzar els recursos en termes de número de vehicles i conductors, observant totes les reglamentacions operatives i restriccions existents. En l’exemple de la línia H12 de Barcelona, s’ha ajustat els temps de viatge i això ha permès un increment del 40% del TRI (de 5’ a 7’) per poder donar un millor servei i assegurar les sortides dels terminals. Després de revisar la forma en què les principals agències de transport mundials i autoritats calculen la regularitat del serveis de bus, s’estableix un procediment per detectar el bus bunching (agrupació de busos), i diverses estratègies per controlar i mitigar el seu efecte, fent possible el compliment dels intervals de pas programats i mantenint el carrusel de vehicles adequadament regulat. Fins a un 40% de millora s’ha arribat a obtenir aplicant una de les estratègies que combina el control de la velocitat dels combois juntament amb la prioritat semafòrica a les interseccions. El tercer tòpic estudia l’operació dels corredors de transport públic servits per dues línies, un esquema més complex, de molta utilitat per guanyar eficiència -amb una òptima col·locació dels recursos- i per incrementar la cobertura territorial. L’objectiu és mantenir la secció central regulada i, per aquest motiu, les estratègies d’adherència a l’interval són fonamentals, encara que, com a regla general, calgui un increment de recursos, que es tradueix en un increment del cost de l’operador. El quart desenvolupament se centra en les àrees d'intercanvi i proporciona una eina per avaluar la qualitat operativa dels seus enllaços. També, per a un ampli espectre de casos, es pot determinar la qualitat operativa del node complet, tenint en compte les aportacions de cadascuna de les seves transferències, ponderades pel seu passatge. Aquesta metodologia és totalment transferible a altres modes de transport i pot ser d’aplicació també en el camp del serveis ferroviaris.

Los sistemas de autobuses de altas prestaciones, si bien con diversas modalidades y particularismos locales, se han extendido por todo el mundo en las últimas décadas, impulsados por la administración y los consorcios de transportes, y con la estrecha colaboración de las grandes empresas operadoras. Bajo el denominador común de un mayor nivel de servicio, estos sistemas de autobuses han tenido mucho éxito en todas partes debido a las prestaciones de sus indicadores operacionales como la regularidad, velocidad comercial e intervalo de paso. Sin embargo, para poder dar un buen servicio, deben desarrollarse y aplicarse numerosas acciones. En línea con lo anterior, se define es esta tesis una serie de procedimientos para el diseño de horarios eficientes y estrategias de control operativo que posibiliten el adecuado funcionamiento de estos servicios, que pueden incluir esquemas de líneas más complejos. Además, como las áreas de intercambio se han convertido en la piedra angular de estas redes de autobuses, basadas en las transferencias, se ha desarrollado también una metodología especial para evaluar su rendimiento operativo. El primer tema consiste en el establecimiento de un procedimiento para elaborar tablas de tiempos consistentes, optimizar los tiempos de recuperación de incidencias en los terminales de línea (TRI), cumplir puntualmente con las salidas según un porcentaje estadístico predefinido y minimizar los recursos en términos de vehículos y conductores, observando todas aquellas reglamentaciones operativas y restricciones existentes. En el ejemplo de la línea H12 de la Nueva Red de Bus de Barcelona, se ha llegado a un ajuste de los tiempos de viaje que han permitido un incremento de un 40% del TRI (de 5’ a 7’) para ajustar correctamente el servicio y asegurar las salidas de los terminales. Después de revisar cómo calculan las principales agencias mundiales y autoridades de transporte la regularidad del servicio de bus, se establece un procedimiento para detectar el bus bunching (agrupamiento de autobuses), y se definen diversas estrategias para controlar y mitigar su efecto, posibilitando la adherencia al intervalo de paso programado y manteniendo el carrusel de la línea adecuadamente regulado. Hasta un 40% de mejora se ha llegado a obtener aplicando una de las estrategias que combina el control de la velocidad de los convoyes junto con la prioridad semafórica en las intersecciones. El tercer tópico estudia la operación de corredores de transporte público servidos por dos líneas, un esquema de gran utilidad para ganar eficiencia -con optimización de los recursos- y para incrementar la cobertura territorial. El objetivo es mantener la sección central regulada y para ello las estrategias de adherencia al intervalo son fundamentales, aunque, como regla general, se requiera un incremento de recursos, cosa que se traduce en un incremento de los costes del operador de transporte. El cuarto desarrollo se centra en las áreas de intercambio y proporciona una herramienta para evaluar la calidad operativa de sus enlaces, identificando y cuantificando cuantos factores penalizan. También, para un amplio espectro de casos, se puede determinar la calidad operativa del nodo en su totalidad, teniendo en cuenta las contribuciones de la totalidad de sus transferencias, ponderadas por su pasaje. Esta metodología es totalmente transferible a otros modos de transporte y puede aplicarse también en el campo ferroviario.