Autonomous modular buses : A deterministic approach to model and assess a public transport line
Tutor / Supervisor
Student
Torres Pérez, Tubal
Document type
Master thesis
Date
2022
rights
Open Access
Publisher
Universitat Politècnica de Catalunya
UPCommons
Abstract
Bus services are usually a good alternative to the private vehicle when it comes to moving around a urban environment, where parking not always guaranteed and where buses, through measures that favor them, such as bus lanes or traffic light priority, can often avoid traffic congestion. However, it is well known that the stops that buses have to perform along their route significantly limit the commercial speed that this mode of transport can offer, especially on high-demand lines, where buses have to remain at stops for longer due to the time it takes for users to board and alight. The present thesis addresses this weakness of urban bus services by evaluating their possible operation with autonomous modular buses (AMBs), which would be formed by pods with a capacity for 15 passengers. A service is proposed that seeks to eliminate the intermediate stops that, in a conventional service, passengers undergo along their journey inside the bus, and this is carried out by incorporating the concepts of modularity (pods can be coupled and uncoupled with each other) and en-route transfer (passengers can change from one pod to another while in motion). Thus, this study attempts to determine in which situations a service provided with AMBs could be more efficient than the conventional one with regular buses, taking into consideration both the operator's and the user's perspective. To achieve this goal, the study is divided into three blocks. First, a common modeling framework is proposed, from which models are built for the four services to be compared (two conventional and two with AMBs). For simplification, a deterministic approach is adopted. Finally, an optimization procedure on headway (the time separation between two consecutive buses) and spacing (the distance between two consecutive stops) is implemented in order to always take the scenario that represents the lowest cost for the system. In the second block, the behavior of costs and the effect of three potentially relevant parameters are assessed. It is found that the proposed services with AMBs start to be more optimal than the conventional one from around 1000 pax/h, a demand threshold that increases as cruising speed (the average speed at which vehicles travel, taking into account only the effect of traffic lights and traffic) decreases. Finally, a pod purchase cost of 380.000 e/veh is determined as the limit below which a service with AMBs always foresees a system cost reduction with respect to the current conventional service. The third and last block finishes the study with an assessment on 10 lines of Barcelona's high-performance bus network. The lines with the highest demand are identified as those where an operation using AMBs would result in significant reductions in system cost (up to 17%). Commercial speed is expected to increase from the current 16 km/h to up to 24 km/h with the innovative proposed operation, resulting in significantly lower average travel times for users (reduction of up to 8 minutes on lines H8, H12 and D40). Finally, the thesis concludes with a summary of the most relevant results that have been obtained, while a section reviewing some of the limitations of the study and possible avenues for improvement for future research is also included
Els serveis de bus són normalment una bona alternativa al vehicle privat quan es tracta de moure's per un ambient urbà, on l'aparcament molts cops no està garantit i on els busos, mitjan ̧cant mesures que els afavoreixen, com per exemple carrils bus o prioritat semafòrica, poden sovint evitar les congestions de trànsit. Tanmateix,és ben sabut que les parades que els busos han d'efectuar al llarg de la seva ruta limiten significativament la velocitat comercial que aquest mode de transport pot oferir, especialment en línies d'alta demanda, on els busos han de romandre a les parades durant períodes de temps més prolongats degut al temps que els usuaris necessiten per pujar-ne i baixar-ne. La present tesi aborda aquesta debilitat dels serveis de bus urbà avaluant la seva possible operativa amb autobusos modulars autònoms (AMAs), els quals estarien formats per càpsules amb una capacitat per a 15 passatgers. Es proposa un servei que pretén eliminar les parades intermèdies que, en un servei convencional, els passatgers experimenten al llarg del seu trajecte dins del bus, i això es realitza incorporant els conceptes de modularitat (les càpsules es poden acoblar i desacoblar entre si) i transbord en ruta (els passatgers poden canviar d'un pod a un altre mentre estan en moviment). Així doncs, aquest estudi intenta determinar en quines situacions un servei prestat amb AMAs podria ser més eficient que el convencional amb busos regulars, tenint en compte tant la perspectiva de l'operador com la de l'usuari. Per aconseguir aquest objectiu, l'estudi es divideix en tres blocs. En primer lloc, es proposa un marc de modelització comú, a partir del qual es construeixen els models per als quatre serveis a comparar (dos convencionals i dos amb AMAs). Per simplificació, s'adopta un enfocament determinista. Finalment, s'implanta un procediment d'optimització de l'interval de pas (la separació temporal entre dos busos consecutius) i l'espaiat (la distància entre dues parades consecutives) per tal d'adoptar sempre l'escenari que representi el menor cost pel sistema. En el segon bloc s'avalua el comportament dels costos i l'efecte de tres paràmetres potencialment rellevants. Es constata que els serveis proposats amb AMAs comencen a ser més òptims que el convencional a partir d'uns 1000 pax/h, un llindar de demanda que augmenta a mesura que la velocitat de creuer (la velocitat mitjana a la qual els vehicles circulen, tenint en compte solament els efectes dels semàfors i el trànsit) disminueix. Finalment, es determina un cost de compra de les càpsules de 380.000 e/veh com el límit per sota del qual un servei amb AMAs preveu sempre una reducció del cost del sistema respecte al servei convencional actual. El tercer i darrer bloc finalitza l'estudi amb una avaluació sobre 10 línies de la xarxa de bus d'altes prestacions de Barcelona. Les línies amb més demanda s'identifiquen com aquelles en què una operativa amb AMAs suposaria reduccions importants en el cost del sistema (fins a un 17%). Es preveu un augment de la velocitat comercial dels 16 km/h actuals fins als 24 km/h amb la innovadora operativa proposada, la qual cosa es tradueix en temps de trajecte mitjans significativament més baixos per als usuaris (reducció de fins a 8 minuts a les línies H8, H12 i D40). Finalment, la tesi conclou amb un resum dels resultats més rellevants que han estat obtinguts, alhora que també s'hi inclou un apartat que repassa algunes de les limitacions de l'estudi i possibles vies de millora per a futura recerca
Los servicios de bus son normalmente una buena alternativa al vehículo privado cuando se trata de moverse por un ambiente urbano, donde el aparcamiento muchas veces no está garantizado i donde los buses, mediante medidas que les favorecen, como por ejemplo carriles bus o prioridad semafórica, pueden a menudo evitar las congestiones de tráfico. No obstante, es bien sabido que las paradas que los buses tienen que efectuar a lo largo de su ruta limitan significativamente la velocidad comercial que este modo de transporte puede ofrecer, especialmente en líneas de alta demanda, donde los buses tienen que permanecer en las paradas durante períodos de tiempo más prolongados debido al tiempo que los usuarios necesitan para subir y bajar. La presente tesis aborda esta debilidad de los servicios de bus urbano evaluando su posible operativa con buses modulares autónomos (AMAs), los cuales estarían formados por cápsulas con una capacidad para 15 pasajeros. Se propone un servicio que pretende eliminar las paradas intermedias que, en un servicio convencional, los pasajeros experimentan a lo largo de su trayecto dentro del bus, y esto se realiza incorporando los conceptos de modularidad (las cápsulas se pueden acoplar y desacoplar entre sí) y transbordo en ruta (los pasajeros pueden cambiar de un pod a otro mientras están en movimiento). Así pues, este estudio intenta determinar en qué situaciones un servicio prestado con AMAs podría ser más eficiente que el convencional con buses regulares, teniendo en cuenta tanto la perspectiva del operador como la del usuario. Para conseguir este objetivo, el estudio se divide en tres bloques. En primer lugar, se propone un marco de modelización común, a partir del cual se construyen los modelos para los cuatro servicios a comparar (dos convencionales y dos con AMAs). Por simplificación, se adopta un enfoque determinista. Finalmente, se implanta un procedimiento de optimización del intervalo de paso (la separación temporal entre dos buses consecutivos) y el espaciado (la distancia entre dos paradas consecutivas) con el fin de adoptar siempre el escenario que represente el menor coste para el sistema. En el segundo bloque se evalua el comportamiento de los costes y el efecto de tres parámetros potencialmente relevantes. Se constata que los servicios propuestos con AMAs empiezan a ser más óptimos que el convencional a partir de unos 1000 pax/h, un umbral de demanda que augmenta a medida que la velocidad de crucero (la velocidad promedio a la cual los vehículos circulan, teniendo en cuenta solamente los efectos de los semáforos y el tráfico) disminuye. Finalmente, se determina un coste de compra de las cápsulas de 380.000 e/veh como límite por debajo del cual un servicio con AMAs prevé siempre una reducción del coste del sistema respecto al servicio convencional actual. El tercer y último bloque finaliza el estudio con una evaluación sobre 10 líneas de la red de bus de altas prestaciones de Barcelona. Las líneas con más demanda se identifican como aquellas en que una operativa con AMAs supondría reducciones importantes en el coste del sistema (hasta un 17%). Se prevé un aumento de la velocidad comercial de los 16 km/h actuales hasta los 24 km/h con la innovadora operativa propuesta, lo que se traduce en tiempos de trayecto medios significativamente más bajos para los usuarios (reducción de hasta 8 minutos en las líneas H8, H12 y D40). Finalmente, la tesis concluye con un resumen de los resultados más relevantes que han sido obtenidos, a la vez que también se incluye un apartado que repasa algunas de las limitaciones del estudio y posibles vías de mejora para futura investigación
