Design of hub-and-spoke networks applied to public transportation systems

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Geraldo Robson Mateus
Marcelo Franco Porto
Leandro Callegari Coelho
João Fernando Machry Sarubbi
Luciana Pereira de Assis

Resumo

O crescimento das grande áreas metropolitanas tem exigido dos governantes uma reestruturação e expansão de sua rede de transporte público com a finalidade de melhorar a mobilidade urbana e reduzir problemas no tráfico, tais como congestionamento, consumo de energia, poluição do ar e acidentes de veículos. Recentemente um novo conjunto de recursos, baseado na ideia de redes eixo-raio, tem sido inteligentemente incorporado ao projeto de sistemas de transporte público. Sistemas eixo-raio são frequentemente utilizados no desenho de redes de grande porte tais como aquelas encontradas no transporte de passageiros e cargas, serviços postais, telecomunicações, e sistemas de trânsito rápido. Nestas redes, fluxos de diferentes origens são enviadas a facilidade intermediárias, conhecidas como concentradores, que são responsáveis pela agregação e distribuição dos fluxos para múltiplos destinos. Isto permite a conexão entre um grande número de pares de nodos origem/destino (O/D) com um pequeno número de arcos, reduzindo os custos operacionais e de infraestrutura, além de possibilitar que economias de escalas sejam aplicadas no custo de transporte (ou tempo de viagem) entre concentradores. Neste trabalho, diferentes problemas de desenho de redes eixo-raio aplicado a sistema de transporte público são propostos. Para modelar os problemas propostos, formulações de programação matemática são apresentadas, enquanto algoritmos exatos e heurísticos são propostos para resolver os problemas. Resultados computacionais obtidos em instâncias padrão da literatura confirmam a eficiência dos algoritmos propostos.

Abstract

The growth of metropolitan areas steadily pushes governments to restructure and expand their public transport networks in order to improve urban mobility and lower traffic problems. In particular, reduce traffic congestion, energy consumption, air pollution, and vehicle accidents. Recently a new set of resources, based on the ideas of hub-and-spoke networks, has been cleverly incorporated into the design of public transportation systems. In hub-and-spoke systems, commodities from different origins are sent to intermediate facilities, known as hubs, which are responsible for the aggregation and distribution of the flows to multiple destinations. The use of hubs allows the connection of a large number of origin/destination (O/D) nodes with a small number of arcs. In this way, it is possible reduce the infrastructure and operational cost, besides enabling economies of scale to be applied to the transportation cost (or travel time) between hubs. In this work, different hub-and-spoke network design problems focused on public transportation system are proposed. Furthermore, mathematical programming formulations are presented to model the proposed problems while exact and heuristic algorithms are proposed to tackle them. Computational results obtained on benchmark instances confirm the efficiency of the proposed algorithms.

Assunto

Transportes Trânsito de passageiros, Programação (Matematica), Engenharia de produção

Palavras-chave

Engenharia de Produção

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