Rapid transit network design and line planning

El sector del transporte es un factor clave en una sociedad en evolución continua. El transporte proporciona movilidad de personas y bienes, acceso a empleos, desarrollo y mejora el bienestar de una sociedad. Un transporte eficiente hace accesible regiones aisladas y fácil la vida cotidiana. Inmersos en un mundo de constante evolución es difícil pensar en un futuro sin un transporte eficiente y ecológico. La investigación operativa es una herramienta fundamental en los procesos de planificación del transporte y su gestión. Los problemas que surgen en el contexto del transporte son generalmente descritos y analizados por medio de modelos de programación matemática. Estos problemas son de naturaleza compleja y difíciles de resolver. A través de modelos y métodos matemáticos adecuados, este tipo de problemas puede resolverse en un tiempo razonable. Esta tesis se centra en el desarrollo de modelos matemáticos en el contexto de sistemas de transporte rápido así como en técnicas eficientes para su resolución. Los sistemas de transportes rápidos comprenden sistemas de metro, autobuses con carril especial, metro ligero, monorail, etc. Tradicionalmente, el proceso de planificación de transporte rápido en el contexto de ferrocarriles, se ha descompuesto en una sucesión de etapas: diseño de redes, diseño de líneas, horarios, gestión del material rodante y planificación del personal. Sin embargo, en los últimos años puede observarse una fuerte tendencia a integrar etapas. La integración de varias etapas en los procesos de planificación lleva a sistemas más difíciles de resolver pero de mejores resultados. Así, una de las propuestas de esta tesis es desarrollar un modelo matemático general que integre las etapas de diseño de redes y planificación de líneas. Concretamente, estamos interesados en determinar, simultáneamente la red de infraestructura, la planificación de líneas, la capacidad del tren de cada línea y la inversión de la flota requerida y del personal. Asimismo, incorporamos el procedimiento de asignación de tráfico en el proceso de optimización y un modo de transporte compitiendo con la red que estamos diseñando. También proponemos un algoritmo para resolver este problema a escala real. Otra importante contribución de esta tesis es el tratamiento realista del problema hecho que, en ocasiones, la investigación olvida. Bajo esta perspectiva, presentamos un análisis riguroso para la calibración de todos los aspectos que aparecen como consecuencia de integración de etapas. Por otra parte, en una situación realista, varios datos de entrada como matrices origen-destino, tiempos de viajes y costes, pueden presentar incertidumbre o son desconocidos de antemano, llevando así a sistemas que no se adaptan a la realidad. Por lo tanto, es necesario desarrollar modelos matemáticos robustos y hacer uso de la optimización robusta. En esta tesis hemos estudiado este tipo de problemas teniendo en cuenta la presencia de incertidumbre en los datos de demanda. Otro aspecto innovador a destacar es la aplicación de la teoría de hipergrafos en el campo del transporte. En los últimos años, el estudio de redes complejas ha atraído a muchos investigadores. En particular, el fenómeno "small-world" fue introducido en 1998 por los matemáticos Duncan Watts y Steven Strogatz. Watts y Strogatz mostraron que las redes complejas podían clasificarse por medio de dos medidas conocidas como "coeficiente de agrupación" y "longitud del camino característico". Este tipo de redes son robustas ante ataques intencionados y vulnerables a fallos aleatorios. Sin embargo, más tarde se mostró que estas medidas no son aplicables a ciertas redes. Medidas tales como "eficiencia global y local" fueron introducidas y analizadas para describir este tipo de redes complejas. En esta tesis nos hemos interesado en todas estas medidas así como en medidas de robustez. Como consecuencia de la revisión y adaptación de estas medidas a redes de transportes se han estudiado propiedades de las mismas. Motivados por clasificar las redes de transportes como redes complejas, según la definición propuesta por Watts y Strogatz, hemos ido un paso más, representando, a través de la estructura de hipergrafos, redes de transporte colectivo. Esta estructura permite describir y analizar las redes de transporte desde diferentes niveles de abstracción

Simultaneous frequency and capacity setting for rapid transit systems with a competing mode and capacity constraints

The railway planning problem consists of several consecutive phases: network design, line planning, timetabling, personnel assignment and rolling stocks planning. In this paper we will focus on the line planning process. Traditionally, the line planning problem consists of determining a set of lines and their frequencies optimizing a certain objective. In this work we will focus on the line planning problem context taking into account aspects related to rolling stock and crew operating costs. We assume that the number of possible vehicles is limited, that is, the problem that we are considering is a capacitated problem and the line network can be a crowding network. The main novelty in this paper is the consideration of the size of vehicles and frequencies as variables as well as the inclusion of a congestion function measuring the level of in-vehicle crowding. Concretely, we present the problem and an algorithm to solve it, which are tested via a computational experience

Analyzing connectivity in collective transportation line networks by means of hypergraphs

In this paper we will show how hypergraphs and some measures related to them can help in extracting information about Collective Transportation Line Networks. We will also prove that these measures satisfy certain properties that validate their use to compare the connectivity of different networks. © 2013 EDP Sciences and Springer.This work was partially supported by Ministerio de Educacion, Ciencia e Innovacion (Spain)/FEDER under project MTM2009-14243 and by Junta de Andalucia (Spain)/FEDER under excellence proyects P09-TEP-5022 and FQM-5849. Special thanks are due to two anonymous referees for their valuable comments and advice.Barrena, E.; De-Los-Santos, A.; Mesa López-Colmenar, JA.; Perea Rojas Marcos, F. (2013). Analyzing connectivity in collective transportation line networks by means of hypergraphs. European Physical Journal - Special Topics. 215(1):93-108. https://doi.org/10.1140/epjst/e2013-01717-3S931082151D.J. Watts, S.H. Strogatz, Nature 393, 440 (1998)V. Latora, M. Marchiori, Phys. Rev. Lett. 87, 198701 (2001)V. Latora, M. Marchiori, Physica A 314, 109 (2002)R. Criado, B. Hernández-Bermejo, M. Romance, Int. J. Bifurcation Chaos 17, 2289 (2007)A. De-Los-Santos, G. Laporte, J.A. Mesa, F. Perea, Transp. Res. Part C: Emerging Technol. 20, 34 (2012)E. Barrena, A. De-Los-Santos, J.A. Mesa, F. Perea, Technical proofs of paper “Analyzing Connectivity in Collective Transportation Line Networks by means of Hypergraphs”, http://grupo.us.es/transfers/ (2012)C. Berge, Graphs and Hypergraphs (Elsevier Science Ltd., 1985)C. Berge, Hypergraphs: combinatorics of finite sets (North Holland)D.J. Watts, Small Worlds: The Dynamics of Networks between Order and Randomness (Princeton University Press, Princeton, 1999), p. 262M.E.J. Newman, Technical report, Santa Fe Institute (2001)M.E.J. Newman, Phys. Rev. E 64, 016131 (2001)M.E.J. Newman, Phys. Rev. E 64, 016132 (2001)E. Estrada, J.A. Rodríguez-Velázquez, Phys. A: Statist. Mech. Appl. 364, 581 (2006)R. Dechter, Constraint Processing (Morgan Kaufmann, 2003), p. 450P. Sen, S. Dasgupta, A. Chatterjee, P.A. Sreeram, G. Mukherjee, S.S. Manna, Phys. Rev. E 67 (2003)P. Crucitti, V. Latora, M. Marchiori, A. Rapisarda, Physica A 320, 642 (2002) [cond-mat/0205601]V. Latora, M. Marchiori, Chaos Solitons Fract. 20, 69 (2004)V. Latora, M. Marchiori, Eur. Phys. J. B 32, 249 (2002

The Railway Line Frequency and Size Setting Problem

[EN] The problem studied in this paper takes as input data a set of lines forming a railway network, and an origin¿destination (OD) matrix. The OD pairs may use either the railway network or an alternative transportation mode. The objective is to determine the frequency/headway of each line as well as its number of carriages, so that the net profit of the railway network is maximized. We propose a mixed integer non-linear programming formulation for this problem. Because of the computational intractability of this model, we develop four algorithms: a mixed integer linear programming (MIP) model, a MIP-based iterative algorithm, a shortest-path based algorithm, and a local search. These four algorithms are tested and compared over a set of randomly generated instances. An application over a case study shows that only the local search heuristic is capable of dealing with large instances.This research was partly funded by the Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council under Grant 2015-06189, by the Ministerio de Economía y Competitividad (Spain)/FEDER under projects MTM2012-37048, MTM2015-67706-P and DPI2012-36243-C02-01, and by Junta de Andalucía (Spain)/FEDER under excellence project P10-FQM-5849. Part of this research was done while Federico Perea was enjoying a research visit to CIRRELT, funded by the Universitat Politècnica de València, under program PAID-00-15. This support is gratefully acknowledged. Thanks are due to the referees for their valuable comments.De-Los-Santos, A.; Laporte, G.; Mesa, JA.; Perea Rojas Marcos, F. (2017). The Railway Line Frequency and Size Setting Problem. Public Transport. 9(1-2):33-53. https://doi.org/10.1007/s12469-017-0154-2S335391-2Albrecht T (2009) Automated timetable design for demand-oriented service on suburban railways. Public Transport 1(1):5–20Caprara A, Kroon L, Monaci M, Peeters M, Toth P (2007) Passenger Railway optimization. In: Barnhart C, Laporte G (eds) Handbooks in operations research and management science, vol 14. Transportation, chapter 3. North-Holland, Amsterdam, pp 129–187De-Los-Santos A, Laporte G, Mesa J, Perea F (2014) Simultaneous frequency and capacity setting in uncapacitated metro lines in presence of a competing mode. Transp Res Proc 3:289–298Desaulniers G, Hickman M (2007) Public transport. In: Barnhart C, Laporte G (eds) Handbook in operations research and management science, vol 14, Transportation, chapter 2. North-Holland, Amsterdam, pp 69–127Gallo M, Montella B, D’Acierno L (2011) The transit network design problem with elastic demand and internalisation of external costs: An application to rail frequency optimisation. Transp Res Part C Emerg Technol 19(6):1276–1305Laporte G, Marín A, Mesa JA, Perea F (2011) Designing robust rapid transit networks with alternative routes. J Adv Transp 45(1):54–65Marín A, García-Ródenas R (2009) Location of infrastructure in urban railway networks. Comput Oper Res 36(5):1461–1477Michaelis M, Schöbel A (2009) Integrating line planning, timetable, and vehicle scheduling: a customer oriented heuristic. Public Transport 1(3):211–232Perea F, Mesa JA, Laporte G (2014) Adding a new station and a road link to a road-rail network in the presence of modal competition. Transp Res Part B Methodol 68:1–16Schmidt M, Schöbel A (2015) The complexity of integrating passenger routing decisions in public transportation models. Networks 65(3):228–243Schmidt ME (2014) Integrating routing decisions in public transportation problems. Springer, New YorkSchöbel A (2012) Line planning in public transportation. OR Spectrum 34:491–510van Oort N, van Nes R (2009) Regularity analysis for optimizing urban transit network design. Public Transport 1(2):155–168Vuchic VR (2005) Urban transit: operations, planning, and economics. Wiley, Hoboken, New Jerse

Effects of high rates of beef cattle manure on the degree of phosphorus saturation of a soil in rolling Pampa

El objetivo del trabajo fue cuantificar el grado de saturación de fósforo (GSP) de un suelo agrícola impactado con estiércol y establecer relaciones que permitan inferir la variación del mismo a partir de propiedades edáficas. Se tomaron muestras de suelo a distintas profundidades en parcelas fuertemente estercoladas. Se les determinó el GSP a partir de su contenido de fósforo (P) extractable y de la máxima capacidad de adsorción, calculada desde la isoterma de Langmuir. Se confeccionaron modelos de regresión múltiple para comprender qué variables edáficas interfieren en la movilidad de este nutriente en el perfil. En los tratamientos con excesiva aplicación de estiércol se generó una saturación de P en superficie superior al 200%, mientras la parcela control sólo alcanzó un máximo por debajo del 2,5%. El modelo indicó que la saturación con P en estas parcelas se debe principalmente al aporte de la materia orgánica del estiércol.Centro de Investigaciones Geológica

Effects of high rates of beef cattle manure on the degree of phosphorus saturation of a soil in rolling Pampa

El objetivo del trabajo fue cuantificar el grado de saturación de fósforo (GSP) de un suelo agrícola impactado con estiércol y establecer relaciones que permitan inferir la variación del mismo a partir de propiedades edáficas. Se tomaron muestras de suelo a distintas profundidades en parcelas fuertemente estercoladas. Se les determinó el GSP a partir de su contenido de fósforo (P) extractable y de la máxima capacidad de adsorción, calculada desde la isoterma de Langmuir. Se confeccionaron modelos de regresión múltiple para comprender qué variables edáficas interfieren en la movilidad de este nutriente en el perfil. En los tratamientos con excesiva aplicación de estiércol se generó una saturación de P en superficie superior al 200%, mientras la parcela control sólo alcanzó un máximo por debajo del 2,5%. El modelo indicó que la saturación con P en estas parcelas se debe principalmente al aporte de la materia orgánica del estiércol.Centro de Investigaciones Geológica

Effects of high rates of beef cattle manure on the degree of phosphorus saturation of a soil in rolling Pampa

El objetivo del trabajo fue cuantificar el grado de saturación de fósforo (GSP) de un suelo agrícola impactado con estiércol y establecer relaciones que permitan inferir la variación del mismo a partir de propiedades edáficas. Se tomaron muestras de suelo a distintas profundidades en parcelas fuertemente estercoladas. Se les determinó el GSP a partir de su contenido de fósforo (P) extractable y de la máxima capacidad de adsorción, calculada desde la isoterma de Langmuir. Se confeccionaron modelos de regresión múltiple para comprender qué variables edáficas interfieren en la movilidad de este nutriente en el perfil. En los tratamientos con excesiva aplicación de estiércol se generó una saturación de P en superficie superior al 200%, mientras la parcela control sólo alcanzó un máximo por debajo del 2,5%. El modelo indicó que la saturación con P en estas parcelas se debe principalmente al aporte de la materia orgánica del estiércol.Centro de Investigaciones Geológica

Nitrogen removal from feedlot wastewater with a tricking filter as secondary treatment

Los establecimientos de engorde bovino a corral (EEC) generan residuos sólidos y efluentes líquidos que presentan un gran potencial contaminante. No existen parámetros sitio-específicos para el tratamiento de dichos efluentes, implicando un severo riesgo para el ambiente, en especial para los recursos hídricos. El objetivo general del presente trabajo fue analizar la viabilidad de uso de un filtro percolador (FP), como proceso unitario secundario en el tratamiento de efluentes provenientes de EEC, empleando como relleno arcilla expandida. Para ello se recolectó efluente de un EEC ubicado en Marcos Paz, Provincia de Buenos Aires y se lo sometió a un tratamiento primario. Asimismo, se diseñó y construyó un filtro percolador (FP) tipo a escala de laboratorio al que se le hizo circular por 7 días consecutivos el efluente tratado previamente Diariamente se monitorearon los cambios en las propiedades físicas, para lo cual se tomaron muestras donde se midió: NO3-, NO2-, NH4+/SUP>, NKT, y N-Org. Se concluyó que el tratamiento empleado fue efectivo en la remoción de la carga orgánica y nitrogenada del efluente, a través de los procesos de nitrificación y denitrificación; adecuándose a los parámetros de vuelco establecidos por la Autoridad competente (ADA).Centro de Investigaciones Geológica

Nitrogen removal from feedlot wastewater with a tricking filter as secondary treatment

Los establecimientos de engorde bovino a corral (EEC) generan residuos sólidos y efluentes líquidos que presentan un gran potencial contaminante. No existen parámetros sitio-específicos para el tratamiento de dichos efluentes, implicando un severo riesgo para el ambiente, en especial para los recursos hídricos. El objetivo general del presente trabajo fue analizar la viabilidad de uso de un filtro percolador (FP), como proceso unitario secundario en el tratamiento de efluentes provenientes de EEC, empleando como relleno arcilla expandida. Para ello se recolectó efluente de un EEC ubicado en Marcos Paz, Provincia de Buenos Aires y se lo sometió a un tratamiento primario. Asimismo, se diseñó y construyó un filtro percolador (FP) tipo a escala de laboratorio al que se le hizo circular por 7 días consecutivos el efluente tratado previamente Diariamente se monitorearon los cambios en las propiedades físicas, para lo cual se tomaron muestras donde se midió: NO3-, NO2-, NH4+/SUP>, NKT, y N-Org. Se concluyó que el tratamiento empleado fue efectivo en la remoción de la carga orgánica y nitrogenada del efluente, a través de los procesos de nitrificación y denitrificación; adecuándose a los parámetros de vuelco establecidos por la Autoridad competente (ADA).Centro de Investigaciones Geológica

Nitrogen removal from feedlot wastewater with a tricking filter as secondary treatment

Los establecimientos de engorde bovino a corral (EEC) generan residuos sólidos y efluentes líquidos que presentan un gran potencial contaminante. No existen parámetros sitio-específicos para el tratamiento de dichos efluentes, implicando un severo riesgo para el ambiente, en especial para los recursos hídricos. El objetivo general del presente trabajo fue analizar la viabilidad de uso de un filtro percolador (FP), como proceso unitario secundario en el tratamiento de efluentes provenientes de EEC, empleando como relleno arcilla expandida. Para ello se recolectó efluente de un EEC ubicado en Marcos Paz, Provincia de Buenos Aires y se lo sometió a un tratamiento primario. Asimismo, se diseñó y construyó un filtro percolador (FP) tipo a escala de laboratorio al que se le hizo circular por 7 días consecutivos el efluente tratado previamente Diariamente se monitorearon los cambios en las propiedades físicas, para lo cual se tomaron muestras donde se midió: NO3-, NO2-, NH4+/SUP>, NKT, y N-Org. Se concluyó que el tratamiento empleado fue efectivo en la remoción de la carga orgánica y nitrogenada del efluente, a través de los procesos de nitrificación y denitrificación; adecuándose a los parámetros de vuelco establecidos por la Autoridad competente (ADA).Centro de Investigaciones Geológica