Towards Improved Robustness of Public Transport by a Machine-Learned Oracle

The design and optimization of public transport systems is a highly complex and challenging process. Here, we focus on the trade-off between two criteria which shall make the transport system attractive for passengers: their travel time and the robustness of the system. The latter is time-consuming to evaluate. A passenger-based evaluation of robustness requires a performance simulation with respect to a large number of possible delay scenarios, making this step computationally very expensive. For optimizing the robustness, we hence apply a machine-learned oracle from previous work which approximates the robustness of a public transport system. We apply this oracle to bi-criteria optimization of integrated public transport planning (timetabling and vehicle scheduling) in two ways: First, we explore a local search based framework studying several variants of neighborhoods. Second, we evaluate a genetic algorithm. Computational experiments with artificial and close to real-word benchmark datasets yield promising results. In all cases, an existing pool of solutions (i.e., public transport plans) can be significantly improved by finding a number of new non-dominated solutions, providing better and different trade-offs between robustness and travel time

Розробка моделі визначення часових параметрів взаємодії пасажирського транспорту в приміському транспортно-пересадочному терміналі

Servicing of passengers in the conditions of suburban communication is represented through a description of the connection between the components of the process of functioning of the route network and the totality of technological operations performed within the suburban transport and transfer terminal. The object of research is the process of functioning of a suburban transport and transfer terminal. It is suggested to consider the interaction of routes from the point of view of ensuring a reduction in the time of passenger transfer, which is realized by introducing a time combination of the location of vehicles of various types of services in a suburban transport and transfer terminal. The existing general structure and formalized components of the model of technological interaction of passenger transport in a suburban transport and transfer terminal. Based on the assessment of the total time of passenger transfer, the characteristic conditions and areas of acceptable values of the rational duration of the overlapped vehicle location in the suburban transport and transfer terminal are highlighted. The use of such form of interaction representation of passenger transport makes it possible to realize the procedure for finding rational time parameters for the simultaneous finding of vehicles of various types of services in suburban transport and transfer terminal. This search procedure ensures the minimization of the time spent by passengers for transfer in accordance with the existing opportunities of the resource channels of the subjects of passenger transport.Сформирована общая структура и представлены составляющие элементы модели технологического взаимодействия пассажирского транспорта в пригородном транспортно-пересадочном терминале. На основе оценки общего времени пересадки пассажиров выделены характеристические условия и области допустимых значений рациональной продолжительности времени смежного нахождения транспортных средств в пригородном транспортно-пересадочном терминале.Сформована загальна структура та формалізовані складові елементи моделі технологічної взаємодії пасажирського транспорту в приміському транспортно-пересадочному терміналі. На основі оцінки загального часу пересадки пасажирів виділені характеристичні умови та області допустимих значень раціональної тривалості часу суміжного знаходження транспортних засобів у приміському транспортно-пересадочному терміналі

Розробка моделі визначення часових параметрів взаємодії пасажирського транспорту в приміському транспортно-пересадочному терміналі

Servicing of passengers in the conditions of suburban communication is represented through a description of the connection between the components of the process of functioning of the route network and the totality of technological operations performed within the suburban transport and transfer terminal. The object of research is the process of functioning of a suburban transport and transfer terminal. It is suggested to consider the interaction of routes from the point of view of ensuring a reduction in the time of passenger transfer, which is realized by introducing a time combination of the location of vehicles of various types of services in a suburban transport and transfer terminal. The existing general structure and formalized components of the model of technological interaction of passenger transport in a suburban transport and transfer terminal. Based on the assessment of the total time of passenger transfer, the characteristic conditions and areas of acceptable values of the rational duration of the overlapped vehicle location in the suburban transport and transfer terminal are highlighted. The use of such form of interaction representation of passenger transport makes it possible to realize the procedure for finding rational time parameters for the simultaneous finding of vehicles of various types of services in suburban transport and transfer terminal. This search procedure ensures the minimization of the time spent by passengers for transfer in accordance with the existing opportunities of the resource channels of the subjects of passenger transport.Сформирована общая структура и представлены составляющие элементы модели технологического взаимодействия пассажирского транспорта в пригородном транспортно-пересадочном терминале. На основе оценки общего времени пересадки пассажиров выделены характеристические условия и области допустимых значений рациональной продолжительности времени смежного нахождения транспортных средств в пригородном транспортно-пересадочном терминале.Сформована загальна структура та формалізовані складові елементи моделі технологічної взаємодії пасажирського транспорту в приміському транспортно-пересадочному терміналі. На основі оцінки загального часу пересадки пасажирів виділені характеристичні умови та області допустимих значень раціональної тривалості часу суміжного знаходження транспортних засобів у приміському транспортно-пересадочному терміналі

Аналіз дестабілізуючих чинників внутрішньої сталості міського громадського пасажирського транспорту

Analytical study of conditions and sources of destabilization processes of urban public passenger transport (UPPT) within its systemic representation, which allowed to identify cause-effect relationships of realization of potential of its internal sustainability through assessment of conditions of its internal structural elements. Analysis of factors of UPPT destabilization processes is based on selection of the analysis area, their identification, frequency analysis, separation of hazardous conditions, effects of destabilizing factors and risk formalization of their initiation. It is established that UPPT stabilization, which is an important component to ensure its internal sustainability in terms of defined areas of research, is characterized by conditions of ensuring transport demand of consumer subsystem, resource capacity of providing subsystem and functional processes organization of serving subsystem.Based on the determination of areas and groups of UPPT destabilization factors block diagram of its destabilization, types and conditions of the mutual connection and influence of UPPT destabilization factors are revealed. Characteristic conditions to determine the state of UPPT objects relating to probability distribution of their destabilization are formed based on the analysis of the duration of technological operations. Cause-effect relationships of UPPT destabilization are presented from the standpoint of its internal sustainability.Выделены виды и условия формирования взаимной связи и воздействия факторов дестабилизации технологических процессов городского общественного пассажирского транспорта. На основе оценки продолжительности технологических операций сформированы характеристические условия определения состояний объектов городского общественного пассажирского транспорта относительно распределения вероятности их дестабилизации. Представлены причинно-следственные связи дестабилизации городского общественного пассажирского транспорта с позиций его внутренней устойчивости.Виділені види і умови формування взаємного зв’язку та впливів чинників дестабілізації технологічних процесів міського громадського пасажирського транспорту. На основі оцінки тривалості технологічних операцій сформовані характеристичні умови визначення станів об’єктів міського громадського пасажирського транспорту відносно розподілу ймовірності їх дестабілізації. Представлені причино-наслідкові зв’язки дестабілізації міського громадського пасажирського транспорту з позицій його внутрішньої сталості

Аналіз дестабілізуючих чинників внутрішньої сталості міського громадського пасажирського транспорту

Analytical study of conditions and sources of destabilization processes of urban public passenger transport (UPPT) within its systemic representation, which allowed to identify cause-effect relationships of realization of potential of its internal sustainability through assessment of conditions of its internal structural elements. Analysis of factors of UPPT destabilization processes is based on selection of the analysis area, their identification, frequency analysis, separation of hazardous conditions, effects of destabilizing factors and risk formalization of their initiation. It is established that UPPT stabilization, which is an important component to ensure its internal sustainability in terms of defined areas of research, is characterized by conditions of ensuring transport demand of consumer subsystem, resource capacity of providing subsystem and functional processes organization of serving subsystem.Based on the determination of areas and groups of UPPT destabilization factors block diagram of its destabilization, types and conditions of the mutual connection and influence of UPPT destabilization factors are revealed. Characteristic conditions to determine the state of UPPT objects relating to probability distribution of their destabilization are formed based on the analysis of the duration of technological operations. Cause-effect relationships of UPPT destabilization are presented from the standpoint of its internal sustainability.Выделены виды и условия формирования взаимной связи и воздействия факторов дестабилизации технологических процессов городского общественного пассажирского транспорта. На основе оценки продолжительности технологических операций сформированы характеристические условия определения состояний объектов городского общественного пассажирского транспорта относительно распределения вероятности их дестабилизации. Представлены причинно-следственные связи дестабилизации городского общественного пассажирского транспорта с позиций его внутренней устойчивости.Виділені види і умови формування взаємного зв’язку та впливів чинників дестабілізації технологічних процесів міського громадського пасажирського транспорту. На основі оцінки тривалості технологічних операцій сформовані характеристичні умови визначення станів об’єктів міського громадського пасажирського транспорту відносно розподілу ймовірності їх дестабілізації. Представлені причино-наслідкові зв’язки дестабілізації міського громадського пасажирського транспорту з позицій його внутрішньої сталості

Аналіз ресурсного забезпечення зупиночних пунктів транспортно-пересадочних вузлів міського пасажирського транспорту

It is proposed to consider the efficiency of the operation of transport-transfer stations in terms of the effect of resource provision of stop points on the duration of the stay of passengers in them. Based on the principles of stabilizing the work of urban public passenger transport and the conditions for sustainable development of the urban environment, the structure of the contour connection of technological solutions is identified. The functional task is ensuring the level of organization aimed at maximizing the service-resource potential of routes and neutralizing the negative consequences of the work of transport and transfer units. The presented connection is based on taking into account the multilevel representation of the results of the work of the elements of transport and transfer stations on the service-resource potential of urban public passenger transport routes and the social sphere of the urban environment. The proposed communication allows to substantiate the general form and structure of the criterion for assessing the efficiency of transport-transfer stations. The presented efficiency criterion takes into account the limitations of the influence of the operation organization of stop stations on the time of the passengers' movement through the TTS, the quality of traffic on the adjacent section of the road network and the urban environment.On the basis of experimental studies, the characteristic dependence of the influence of the resource supply of stop points on the efficiency of their operation has been established. The obtained form of the function of the influence of resource provision of stopping points on the duration of dwell time of vehicles in the queue, the level of blocking of the roadway of the road network and the environment has an exponential dependence. For the selected stopping point it is established that the acceptable level from the point of view of providing service quality is the reserve capacity level in the range of 0.1–0.4. With an increase in the reserve capacity from 0.1 to 0.4:the average total dwell time of vehicles is reduced by 1.6 times (from 3.9 minutes to 2.4 minutes);the average dwell time in the queue is reduced by 5.7 times (from 0.4 minutes to 0.07 minutes);the specific weight blocking the roadway is reduced by 3.6 times (from 0.65 to 0.18).The obtained dependences allow to establish the allowable values of the reserve provision parameters for the stopping points of the transport and transfer stations. Based on the presented methodology for assessing the efficiency of transport-transshipment stations, it is possible to evaluate the feasibility of implementing optimization management measures aimed at streamlining the arrival of vehicles at stop points.Предложено рассматривать эффективность функционирования транспортно-пересадочных узлов с позиций влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на длительность нахождения пассажиров в них. На основе принципов стабилизации работы городского общественного пассажирского транспорта и условий устойчивого развития городской среды выделено структуру контурной связи технологических решений. Функциональной задачей является обеспечение уровня организации, направленного на максимизацию сервисно-ресурсного потенциала маршрутов и нейтрализацию негативных последствий работы транспортно-пересадочных вузов. Представленная связь основывается на учете многоуровневого представления результатов работы элементов транспортно-пересадочных узлов на сервисно-ресурсный потенциал маршрутов городского общественного пассажирского транспорта и социальной сферы городской среды. Предложенная связь позволила обосновать общую форму и структуру критерия оценки эффективности транспортно-пересадочных узлов. Представленный критерий эффективности учитывает ограничения влияния организации функционирования остановочных пунктов на время движения пассажиров через транспортно-пересадочные узлы, качество дорожного движения на прилегающих участках улично-дорожной сети и городскую среду.На основе экспериментальных исследований установлена характеристическая зависимость влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на эффективность их функционирования. Полученный вид функции влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на длительность простоя транспортных средств в очереди, уровень блокировки проезжей части улично-дорожной сети и окружающую среду имеет экспоненциальную зависимость. Для выделенного остановочного пункта установлено, что допустимым значением с точки зрения обеспечения сервисного качества является уровень резерва пропускной способности в пределах 0,1–0,4. При увеличении резерва пропускной способности с 0,1 до 0,4:среднее время общего простоя транспортных средств снижается в 1,6 раза (с 3,9 мин до 2,4 мин);среднее время простоя в очереди снижается в 5,7 раза (с 0,4 мин до 0,07 мин);удельный вес блокирования проезжей части снижается в 3,6 раза (с 0,65 до 0,18).Полученные зависимости позволяют установить допустимые значения параметров резервного обеспечения остановочных пунктов транспортно-пересадочных узлов. На основе представленной методологии оценки эффективности транспортно-пересадочных узлов можно оценить целесообразность внедрения оптимизационных управленческих мер, направленных на упорядочение прибытия транспортных средств в остановочные пункты.Запропоновано розглядати ефективність функціонування транспортно-пересадочних вузлів з позицій впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на тривалість знаходження пасажирів в них. На основі принципів стабілізації роботи міського громадського пасажирського транспорту та умов сталого розвитку міського середовища виділено структуру контурного зв'язку технологічних рішень. Функціональною задачею є забезпечення рівня організації, спрямованого на максимізацію сервісно-ресурсного потенціалу маршрутів та нейтралізацію негативних наслідків роботи транспортно-пересадочних вузів. Представлений зв’язок ґрунтується на обліку багаторівневого представлення наслідків роботи елементів транспортно-пересадочних вузлів на сервісно-ресурсний потенціал маршрутів міського громадського пасажирського транспорту та соціальні сфери міського середовища. Запропонований зв’язок дозволив обґрунтувати загальну форму та структуру критерію оцінки ефективності транспортно-пересадочних вузлів. Представлений критерій ефективності враховує обмеження впливу організації функціонування зупиночних пунктів на час руху пасажирів через транспортно-пересадочні вузли, якість дорожнього руху на прилеглих ділянках вулично-дорожньої мережі та міське середовище.На основі експериментальних досліджень встановлена характеристична залежність впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на ефективність їх функціонування. Отриманий вигляд функції впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на тривалість простою транспортних засобів у черзі, рівень блокування проїжджої частини вулично-дорожньої мережі та навколишнє середовище має експоненціальну залежність. Для виділеного зупиночного пункту встановлено, що допустимим значенням з точки зору забезпечення сервісної якості є рівень резерву пропускної спроможності в межах 0,1–0,4. При збільшенні резерву пропускної спроможності з 0,1 до 0,4:середній час загального простою транспортних засобів знижується в 1,6 рази (з 3,9 хв до 2,4 хв);середній час простою у черзі знижується в 5,7 рази (з 0,4 хв до 0,07 хв);питома вага блокування проїжджої частини знижується в 3,6 рази (з 0,65 до 0,18).Отримані залежності дозволяють встановити допустимі значення параметрів резервного забезпечення зупиночних пунктів транспортно-пересадочних вузлів. На основі представленої методології оцінки ефективності транспортно-пересадочних вузлів можливо оцінити доцільність впровадження оптимізаційних управлінських заходів, спрямованих на упорядкування прибуття транспортних засобів у зупиночні пункти

Аналіз ресурсного забезпечення зупиночних пунктів транспортно-пересадочних вузлів міського пасажирського транспорту

It is proposed to consider the efficiency of the operation of transport-transfer stations in terms of the effect of resource provision of stop points on the duration of the stay of passengers in them. Based on the principles of stabilizing the work of urban public passenger transport and the conditions for sustainable development of the urban environment, the structure of the contour connection of technological solutions is identified. The functional task is ensuring the level of organization aimed at maximizing the service-resource potential of routes and neutralizing the negative consequences of the work of transport and transfer units. The presented connection is based on taking into account the multilevel representation of the results of the work of the elements of transport and transfer stations on the service-resource potential of urban public passenger transport routes and the social sphere of the urban environment. The proposed communication allows to substantiate the general form and structure of the criterion for assessing the efficiency of transport-transfer stations. The presented efficiency criterion takes into account the limitations of the influence of the operation organization of stop stations on the time of the passengers' movement through the TTS, the quality of traffic on the adjacent section of the road network and the urban environment.On the basis of experimental studies, the characteristic dependence of the influence of the resource supply of stop points on the efficiency of their operation has been established. The obtained form of the function of the influence of resource provision of stopping points on the duration of dwell time of vehicles in the queue, the level of blocking of the roadway of the road network and the environment has an exponential dependence. For the selected stopping point it is established that the acceptable level from the point of view of providing service quality is the reserve capacity level in the range of 0.1–0.4. With an increase in the reserve capacity from 0.1 to 0.4:the average total dwell time of vehicles is reduced by 1.6 times (from 3.9 minutes to 2.4 minutes);the average dwell time in the queue is reduced by 5.7 times (from 0.4 minutes to 0.07 minutes);the specific weight blocking the roadway is reduced by 3.6 times (from 0.65 to 0.18).The obtained dependences allow to establish the allowable values of the reserve provision parameters for the stopping points of the transport and transfer stations. Based on the presented methodology for assessing the efficiency of transport-transshipment stations, it is possible to evaluate the feasibility of implementing optimization management measures aimed at streamlining the arrival of vehicles at stop points.Предложено рассматривать эффективность функционирования транспортно-пересадочных узлов с позиций влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на длительность нахождения пассажиров в них. На основе принципов стабилизации работы городского общественного пассажирского транспорта и условий устойчивого развития городской среды выделено структуру контурной связи технологических решений. Функциональной задачей является обеспечение уровня организации, направленного на максимизацию сервисно-ресурсного потенциала маршрутов и нейтрализацию негативных последствий работы транспортно-пересадочных вузов. Представленная связь основывается на учете многоуровневого представления результатов работы элементов транспортно-пересадочных узлов на сервисно-ресурсный потенциал маршрутов городского общественного пассажирского транспорта и социальной сферы городской среды. Предложенная связь позволила обосновать общую форму и структуру критерия оценки эффективности транспортно-пересадочных узлов. Представленный критерий эффективности учитывает ограничения влияния организации функционирования остановочных пунктов на время движения пассажиров через транспортно-пересадочные узлы, качество дорожного движения на прилегающих участках улично-дорожной сети и городскую среду.На основе экспериментальных исследований установлена характеристическая зависимость влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на эффективность их функционирования. Полученный вид функции влияния ресурсного обеспечения остановочных пунктов на длительность простоя транспортных средств в очереди, уровень блокировки проезжей части улично-дорожной сети и окружающую среду имеет экспоненциальную зависимость. Для выделенного остановочного пункта установлено, что допустимым значением с точки зрения обеспечения сервисного качества является уровень резерва пропускной способности в пределах 0,1–0,4. При увеличении резерва пропускной способности с 0,1 до 0,4:среднее время общего простоя транспортных средств снижается в 1,6 раза (с 3,9 мин до 2,4 мин);среднее время простоя в очереди снижается в 5,7 раза (с 0,4 мин до 0,07 мин);удельный вес блокирования проезжей части снижается в 3,6 раза (с 0,65 до 0,18).Полученные зависимости позволяют установить допустимые значения параметров резервного обеспечения остановочных пунктов транспортно-пересадочных узлов. На основе представленной методологии оценки эффективности транспортно-пересадочных узлов можно оценить целесообразность внедрения оптимизационных управленческих мер, направленных на упорядочение прибытия транспортных средств в остановочные пункты.Запропоновано розглядати ефективність функціонування транспортно-пересадочних вузлів з позицій впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на тривалість знаходження пасажирів в них. На основі принципів стабілізації роботи міського громадського пасажирського транспорту та умов сталого розвитку міського середовища виділено структуру контурного зв'язку технологічних рішень. Функціональною задачею є забезпечення рівня організації, спрямованого на максимізацію сервісно-ресурсного потенціалу маршрутів та нейтралізацію негативних наслідків роботи транспортно-пересадочних вузів. Представлений зв’язок ґрунтується на обліку багаторівневого представлення наслідків роботи елементів транспортно-пересадочних вузлів на сервісно-ресурсний потенціал маршрутів міського громадського пасажирського транспорту та соціальні сфери міського середовища. Запропонований зв’язок дозволив обґрунтувати загальну форму та структуру критерію оцінки ефективності транспортно-пересадочних вузлів. Представлений критерій ефективності враховує обмеження впливу організації функціонування зупиночних пунктів на час руху пасажирів через транспортно-пересадочні вузли, якість дорожнього руху на прилеглих ділянках вулично-дорожньої мережі та міське середовище.На основі експериментальних досліджень встановлена характеристична залежність впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на ефективність їх функціонування. Отриманий вигляд функції впливу ресурсного забезпечення зупиночних пунктів на тривалість простою транспортних засобів у черзі, рівень блокування проїжджої частини вулично-дорожньої мережі та навколишнє середовище має експоненціальну залежність. Для виділеного зупиночного пункту встановлено, що допустимим значенням з точки зору забезпечення сервісної якості є рівень резерву пропускної спроможності в межах 0,1–0,4. При збільшенні резерву пропускної спроможності з 0,1 до 0,4:середній час загального простою транспортних засобів знижується в 1,6 рази (з 3,9 хв до 2,4 хв);середній час простою у черзі знижується в 5,7 рази (з 0,4 хв до 0,07 хв);питома вага блокування проїжджої частини знижується в 3,6 рази (з 0,65 до 0,18).Отримані залежності дозволяють встановити допустимі значення параметрів резервного забезпечення зупиночних пунктів транспортно-пересадочних вузлів. На основі представленої методології оцінки ефективності транспортно-пересадочних вузлів можливо оцінити доцільність впровадження оптимізаційних управлінських заходів, спрямованих на упорядкування прибуття транспортних засобів у зупиночні пункти

Adopting GRASP to solve a novel model for bus timetabling problem with minimum transfer and fruitless waiting times

This paper addresses a variant of bus timetabling problem assuming that travel times changes dynamically over the planning horizon. In addition to minimizing the transfer waiting time, another objective, namely minimizing the fruitless waiting time, is introduced in this paper as a new realistic objective. First, the problem is formulated as a mixed integer linear programming model. Then, since commercial solvers become inefficient to solve moderate and large sized instances of the problem (due to the NP-hardness), a GRASP heuristic algorithm is developed. Computational experiments over a variety of random instances verify the performance of the proposed method

Vehicle scheduling based on a line plan

We consider the following problem: given a set of lines in a public transportation network with their round trip times and frequencies, a maximum number of vehicles and a maximum number of lines that can be combined into a vehicle circulation, does there exist a set of vehicle circulations that covers all lines given the constraints. Solving this problem provides an estimate of the costs of operating a certain line plan, without having to compute a timetable first. We show that this problem is NP-hard for any restriction on the number of lines that can be combined into a circulation which is equal to or greater than three. We pay special attention to the case where at most two lines can be combined into a circulation, which is NP-hard if a single line can be covered by multiple circulations. If this is not allowed, a matching algorithm can be used to find the optimal solutions, which we show to be a 16/15-approximation for the case where it is allowed. We also provide an exact algorithm that is able to exploit low tree-width of the so-called circulation graph and small numbers of vehicles required to cover single circulations

Integrated Bus Timetabling and Scheduling with a Mutation-Based Evolutionary Scheme Maximizing Headway Quality and Connections

Public transport planning is a multi-level process that includes various complex tasks. These tasks are traditionally executed sequentially, and the result of each task serves as input for consecutive tasks. A simultaneous integrated consideration of multiple tasks may lead to an overall improved solution, but further increase the complexity of already hard-to-solve planning problems. This work focuses on timetabling and vehicle scheduling and evaluates synergies from the integrated optimization. We investigate an exact sequential, exact integrated, and heuristic approach to solve the combined problem for large public transport networks considering the interlining of vehicles, multiple vehicle types, or multiple depots while additionally aiming to maximize regular “clock-faced’’ headways and transfer connections. Compared to sequential optimization, an integrated approach significantly reduces nominal and operational costs while maintaining high service quality. However, an exact integrated approach is only able to compute solutions for problems of limited size in a reasonable time. We propose an adaptive modular evolutionary extendable scheme that effectively balances computational efficiency and solution quality. By utilizing various problem-specific mutation operators and adaptively applying them based on their impact, the heuristic can compute high-quality solutions for large real-world-inspired public transport networks in a reasonable time while considering short connecting times between lines and regular clock-faced headways