Mathematical programming models to design and analyse efficient and robust raiway freight transport networks

(English) Searching to achieve an ambitious reduction in greenhouse gas emissions, the European Union has set as a goal a modal shift in freight transport of 30\% by rail or waterborne for the near future. The increasing efforts of many governments to intensify rail freight transport often must face the difficulties involved in improving both infrastructure and rail operations. Moreover, infrastructure management and business operations usually correspond to different entities with highly contradictory economic interests. Making progress on the reliability of the railway network is one of the main factors to be considered to make the use of the train more attractive as a means of transport for industry. Also, focusing on shippers' response to road and rail competition and the role of different rail undertakings competing with each other may help boost the use of rail for freight transport. Seeking to reinforce these two goals, this thesis introduces two independent mathematical optimisation models, which may also be complementary, and which have been developed under a common conceptual framework of data structures and variables to guarantee their compatibility. The first model is a mathematical programming-based design model for evaluating the impact on a mixed railway network from proposals for infrastructure improvement and capacity expansion that are oriented mainly toward increasing freight transportation. The model has been applied to extend elements of an existing mixed railway network, perform relatively less costly actions on the network, and enhance capacity by adding new blocking/control systems at specific locations. These aspects are usually not considered in models for regional planning. Rather than a model whose sole focus is on railway capacity expansion, this approach combines capacity-expansion with network design. Because the way investments generate returns to the freight transportation system is of utmost relevance for these types of problems, this model is based on the efficient frontier between investment and operating costs. The second model is a combined model for jointly evaluating the modal split road-rail, and the resulting railway freight flows on the railway network. This combined modal split-traffic assignment model is addressed to the case when a modal split based on a random utility model is available, and some of its coefficients may present a non-negligible variability. To this end, after the initial deterministic formulation, a robust counterpart of the model is developed. The model, formulated as a non-linear integer programming problem, is oriented to a multi-carrier environment and includes constraints to consider the interactions between the different types of flows on the railway network, allowing a detailed evaluation of the cost types of the carriers and the network capacity. An algorithmic solution based on the outer approximation method is shown to provide accurate solutions in a reasonable computational time for the robust and non-robust versions of the model. Examples centred on a section of the Trans-European Transport Network, the TEN-T Core network corridors, are reported to test the applicability of the models. Results show the effectiveness of both models. The design model can be a helpful tool for analysing the impact infrastructure investments may have on operating costs, where (implicit) capacity limitations in the scenarios to be evaluated may necessarily be taken into account. At the same time, it can be complemented with the combined modal split-traffic assignment model by assessing the possible shippers' response to the different railway carriers' services competing with each other and the road.(Español) Tratando de lograr una significativa y ambiciosa reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la Unión Europea se ha marcado como objetivo que los modos de transporte de mercancías alternativos a la carretera, como el ferrocarril o la navegación fluvial, alcancen una cuota del 30% sobre el total de mercancías transportadas por tierra en Europa en los próximos años. Los crecientes esfuerzos que llevan a cabo los diferentes gobiernos se enfrentan con demasiada frecuencia con las dificultades que suponen mejorar de forma simultánea infraestructura y operaciones ferroviarias, habitualmente gestionados por entes diferentes con intereses económicos enfrentados. Mejorar la fiabilidad de la red ferroviaria es uno de los principales factores a tener en cuenta para hacer más atractivo el uso del tren como medio de transporte para la industria. Por otro lado, centrarse en los criterios que pueden llevar a las empresas a elegir entre carretera o tren, y en el papel que juegan las diferentes compañías ferroviarias en esta elección, compitiendo entre sí, puede ayudar a incrementar el uso del tren para el transporte de mercancías. Con la idea de reforzar estos dos objetivos, este trabajo de tesis presenta dos modelos matemáticos de optimización, independientes pero a la vez complementarios, y desarrollados bajo un marco conceptual de estructuras de datos y variables común para garantizar su compatibilidad. El primer modelo es un modelo de diseño basado en programación matemática para evaluar el impacto que pueden tener, sobre una red ferroviaria de uso mixto, propuestas de mejora de la infraestructura y de ampliación de la capacidad dirigidas principalmente a incrementar el uso del tren para el transporte de mercancías. El modelo se ha orientado a la modificación de elementos de una red ferroviaria de uso mixto existente, proponiendo intervenciones en la red relativamente poco costosas, y aumentando la capacidad añadiendo nuevos sistemas de bloqueo y control en ubicaciones específicas. Para este tipo de problemas, es de la máxima relevancia la manera en que las inversiones generan retornos al sistema de transporte ferroviario. Por eso, este modelo está basado en el óptimo equilibrio entre la inversión y los costes de operación. El segundo modelo es un modelo combinado para evaluar de forma conjunta el reparto modal entre carretera y tren, y los flujos de mercancías en la red ferroviaria resultantes. Este modelo está enfocado hacia aquellas situaciones en que hay un modelo de utilidad aleatoria disponible, pero algunos de sus coeficientes pueden presentar una variabilidad que no debe ser ignorada. Con esta finalidad, tras la formulación inicial del modelo determinístico se presenta una versión robusta de la formulación. El modelo, formulado como un problema de programación no lineal entera, está enfocado hacia un entorno en el que conviven (y compiten) diferentes compañías ferroviarias. Se detalla un algoritmo para resolver el modelo, basado en el método de aproximaciones externas, que permite obtener soluciones precisas con un tiempo computacional razonable, tanto para la versión determinística como para la versión robusta. Ejemplos basados en una sección de la Red Trans-Europea de Transporte (TEN-T por sus siglas en inglés) permiten validar la aplicabilidad y eficacia de los modelos. El modelo de diseño puede ser una herramienta útil para analizar el impacto que las inversiones en infraestructura pueden tener en los costes de operación, teniendo en cuenta las limitaciones de capacidad que existen en los escenarios evaluados. De la misma forma, se puede complementar este análisis con el modelo combinado de reparto modal y asignación de flujos, en el que se puede comprobar la posible respuesta de las empresas que requieren transportar sus productos ante los diferentes servicios ofrecidos por las compañías ferroviarias compitiendo entre si, y compitiendo con la carretera.Postprint (published version

Mathematical programming models to design and analyse efficient and robust raiway freight transport networks

(English) Searching to achieve an ambitious reduction in greenhouse gas emissions, the European Union has set as a goal a modal shift in freight transport of 30\% by rail or waterborne for the near future. The increasing efforts of many governments to intensify rail freight transport often must face the difficulties involved in improving both infrastructure and rail operations. Moreover, infrastructure management and business operations usually correspond to different entities with highly contradictory economic interests. Making progress on the reliability of the railway network is one of the main factors to be considered to make the use of the train more attractive as a means of transport for industry. Also, focusing on shippers' response to road and rail competition and the role of different rail undertakings competing with each other may help boost the use of rail for freight transport. Seeking to reinforce these two goals, this thesis introduces two independent mathematical optimisation models, which may also be complementary, and which have been developed under a common conceptual framework of data structures and variables to guarantee their compatibility. The first model is a mathematical programming-based design model for evaluating the impact on a mixed railway network from proposals for infrastructure improvement and capacity expansion that are oriented mainly toward increasing freight transportation. The model has been applied to extend elements of an existing mixed railway network, perform relatively less costly actions on the network, and enhance capacity by adding new blocking/control systems at specific locations. These aspects are usually not considered in models for regional planning. Rather than a model whose sole focus is on railway capacity expansion, this approach combines capacity-expansion with network design. Because the way investments generate returns to the freight transportation system is of utmost relevance for these types of problems, this model is based on the efficient frontier between investment and operating costs. The second model is a combined model for jointly evaluating the modal split road-rail, and the resulting railway freight flows on the railway network. This combined modal split-traffic assignment model is addressed to the case when a modal split based on a random utility model is available, and some of its coefficients may present a non-negligible variability. To this end, after the initial deterministic formulation, a robust counterpart of the model is developed. The model, formulated as a non-linear integer programming problem, is oriented to a multi-carrier environment and includes constraints to consider the interactions between the different types of flows on the railway network, allowing a detailed evaluation of the cost types of the carriers and the network capacity. An algorithmic solution based on the outer approximation method is shown to provide accurate solutions in a reasonable computational time for the robust and non-robust versions of the model. Examples centred on a section of the Trans-European Transport Network, the TEN-T Core network corridors, are reported to test the applicability of the models. Results show the effectiveness of both models. The design model can be a helpful tool for analysing the impact infrastructure investments may have on operating costs, where (implicit) capacity limitations in the scenarios to be evaluated may necessarily be taken into account. At the same time, it can be complemented with the combined modal split-traffic assignment model by assessing the possible shippers' response to the different railway carriers' services competing with each other and the road.(Español) Tratando de lograr una significativa y ambiciosa reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la Unión Europea se ha marcado como objetivo que los modos de transporte de mercancías alternativos a la carretera, como el ferrocarril o la navegación fluvial, alcancen una cuota del 30% sobre el total de mercancías transportadas por tierra en Europa en los próximos años. Los crecientes esfuerzos que llevan a cabo los diferentes gobiernos se enfrentan con demasiada frecuencia con las dificultades que suponen mejorar de forma simultánea infraestructura y operaciones ferroviarias, habitualmente gestionados por entes diferentes con intereses económicos enfrentados. Mejorar la fiabilidad de la red ferroviaria es uno de los principales factores a tener en cuenta para hacer más atractivo el uso del tren como medio de transporte para la industria. Por otro lado, centrarse en los criterios que pueden llevar a las empresas a elegir entre carretera o tren, y en el papel que juegan las diferentes compañías ferroviarias en esta elección, compitiendo entre sí, puede ayudar a incrementar el uso del tren para el transporte de mercancías. Con la idea de reforzar estos dos objetivos, este trabajo de tesis presenta dos modelos matemáticos de optimización, independientes pero a la vez complementarios, y desarrollados bajo un marco conceptual de estructuras de datos y variables común para garantizar su compatibilidad. El primer modelo es un modelo de diseño basado en programación matemática para evaluar el impacto que pueden tener, sobre una red ferroviaria de uso mixto, propuestas de mejora de la infraestructura y de ampliación de la capacidad dirigidas principalmente a incrementar el uso del tren para el transporte de mercancías. El modelo se ha orientado a la modificación de elementos de una red ferroviaria de uso mixto existente, proponiendo intervenciones en la red relativamente poco costosas, y aumentando la capacidad añadiendo nuevos sistemas de bloqueo y control en ubicaciones específicas. Para este tipo de problemas, es de la máxima relevancia la manera en que las inversiones generan retornos al sistema de transporte ferroviario. Por eso, este modelo está basado en el óptimo equilibrio entre la inversión y los costes de operación. El segundo modelo es un modelo combinado para evaluar de forma conjunta el reparto modal entre carretera y tren, y los flujos de mercancías en la red ferroviaria resultantes. Este modelo está enfocado hacia aquellas situaciones en que hay un modelo de utilidad aleatoria disponible, pero algunos de sus coeficientes pueden presentar una variabilidad que no debe ser ignorada. Con esta finalidad, tras la formulación inicial del modelo determinístico se presenta una versión robusta de la formulación. El modelo, formulado como un problema de programación no lineal entera, está enfocado hacia un entorno en el que conviven (y compiten) diferentes compañías ferroviarias. Se detalla un algoritmo para resolver el modelo, basado en el método de aproximaciones externas, que permite obtener soluciones precisas con un tiempo computacional razonable, tanto para la versión determinística como para la versión robusta. Ejemplos basados en una sección de la Red Trans-Europea de Transporte (TEN-T por sus siglas en inglés) permiten validar la aplicabilidad y eficacia de los modelos. El modelo de diseño puede ser una herramienta útil para analizar el impacto que las inversiones en infraestructura pueden tener en los costes de operación, teniendo en cuenta las limitaciones de capacidad que existen en los escenarios evaluados. De la misma forma, se puede complementar este análisis con el modelo combinado de reparto modal y asignación de flujos, en el que se puede comprobar la posible respuesta de las empresas que requieren transportar sus productos ante los diferentes servicios ofrecidos por las compañías ferroviarias compitiendo entre si, y compitiendo con la carretera.Estadística i investigació operativ

A heuristic method for a congested capacitated transit assignment model with strategies

This paper addresses the problem of solving the congested transit assignment problem with strict capacities. The model under consideration is the extension made by Cominetti and Correa (2001), for which the only solution method capable of resolving large transit networks is the one proposed by Cepeda et al. (2006). This transit assignment model was recently formulated by the authors as both a variational inequality problem and a fixed point inclusion problem. As a consequence of these results, this paper proposes an algo- rithm for solving the congested transit assignment problem with strict line capacities. The proposed method consists of using an MSA-based heuristic for finding a solution for the fixed point inclusion formulation. Additionally, it offers the advantage of always obtain- ing capacity-feasible flows with equal computational performance in cases of moderate congestion and with greater computational performance in cases of highly congested net- works. A set of computational tests on realistic small- and large-scale transit networks un- der various congestion levels are reported, and the characteristics of the proposed method are analyzed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A stochastic congested strategy-based transit assignment model with hard capacity constraints

This paper expands on the stochastic version of the strategy-based congested transit assignment problem described in Codina and Rosell (2017b), specifically by extending it to cases dealing with explicit line capacities. Following this previous work, the stochastic model with explicit line capacities takes into account the stochastic mean waiting times and in-vehicle travel times of passengers at stops during the standard scenario journey of the planning period. This slightly modified model is formulated also as a stochastic variational inequality derived from the deterministic version of the problem with similar properties and characteristics, formulated by the authors in a previous work. For this stochastic capacitated model, two algorithms are presented which may take advantage of simplified simulation models for the bus stops in order to provide realistic mean waiting times for passengers at stops. Both algorithms can be easily adapted to the case of the model with non-strict capacities by Codina and Rosell (2017b)Peer ReviewedPostprint (published version

Potenciació del transport multimodal al Corredor del Mediterrani des de la implementació de models multiclient i multiproducte eficients

A partir d’estudis previs, desenvolupats sota el paraigua del projecte iFreightMED, es detecta la necessitat de fomentar la multimodalitat per al transport de mercaderies i, més en concret, d’incloure el tren dintre de la cadena de transport. Les principals dificultats detectades en aquests estudis venen marcades per: • La falta d’oferta de serveis ferroviaris. • Les dificultats per cobrir el retorn. • La manca de confiança dels transportistes i els carregadors en el transport ferroviari. • El desconeixement que hi ha en general del sector ferroviari. L’objectiu del treball aquí presentat és definir una proposta d’estratègia on el tren estigui integrat a la cadena de transport, amb un model de negoci per potenciar la coordinació dels agents multimodals per a sistemes multiclient i multiproducte en el context català. Mitjançant una primera fase de diagnosi per detectar les principals dificultats i els requeriments dels diferents actors implicats, i una segona fase d’estudi de models d’èxit a nivell estatal i europeu, s’arriba a una proposta d’estratègia i un plantejament de model de negoci amb la finalitat de facilitar la coordinació en sistemes multiclient i multiproducte, amb propostes per incentivar els sectors reticents a l’ús del ferrocarril. Com a resultat de l’estudi, es plantegen quatre punts on actuar per facilitar la incorporació del tren en els serveis multimodals pel transport de mercaderies: 1. La figura de l’operador multimodal s’està estenent a Europa; a Espanya encara és una figura escassa. Cal donar a conèixer les seves funcions i responsabilitats, i determinar-les legalment. 2. En corredors d’alta demanda potencial, cal fomentar la creació d’autopistes ferroviàries que ofereixin serveis regulars amb freqüències de més d’un tren al dia per sentit. 3. Per apropar el transport multimodal a tots els ens implicats, cal crear un market place on es pugui accedir fàcilment a diferents alternatives comparables per a un mateix servei de transport. 4. S’ha constatat un gran desconeixement del funcionament i les possibilitats del transport multimodal per part dels diferents actors. Aquesta situació porta a realitzar tasques formatives sobre aquest tema adaptades a cada perfil.Peer ReviewedPostprint (published version

Simulació de la mobilitat pel pas del tramvia per l’avinguda Diagonal (Francesc Macià – Pl. de les Glòries)

Estudi tècnic de la mobilitat urbana en el tram entre la plaça Francesc Macià i la plaça de les Glòries, per la implantació del tramvia, amb un model combinat simulació-optimitzacióL’1 de març de 2016, l’Ajuntament de Barcelona i la Generalitat van signar el protocol de col·laboració per impulsar la connexió de les dues xarxes de tramvia, que estableix que l’Ajuntament determinarà el traçat de la unió del Trambaix i del Trambesòs en base als estudis tècnics presentats el 23 de març de 2016. Aquests estudis tècnics recomanen com a millor solució la connexió del tramvia en superfície per la Diagonal, en el tram comprès entre Francesc Macià i Glòries, que arribaria a tenir un total de 222.000 viatgers diaris i reduiria diàriament el pas de 12.500 vehicles pel tram central de l’avinguda Diagonal. Dins de les tasques subsegüents a aquests treballs previs cal l’anàlisi a nivell microscòpic de la mobilitat pel tram per on s’implantarà la nova connexió del tramvia. Més concretament, l’objectiu d’aquest document és l’avaluació de la mobilitat (tramvia, xarxa de bus, vehicles privats, bicicletes i vianants) amb la implantació del tramvia i la definició de la regulació semafòrica de l’Av. Diagonal entre Francesc Macià i el carrer Castillejos que permeti un òptim funcionament dels diferents modes de transport que hi conviuen. En els treballs s’han avaluat diferents escenaris de freqüències de pas, cicle semafòric i llargària del tramvia.Preprin

A combined and robust modal-split/traffic assignment model for rail and road freight transport

© 2022 Elsevier. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Searching for achieving an ambitious reduction in greenhouse gas emissions, the EU has set as a goal a modal shift in freight transport of 30% by rail for the near future. In this context, it is vital to use modal choice models road versus rail to assess the shippers' acceptance of the actions promoting the use of rail. This paper develops a combined model for jointly evaluating modal split and railway freight ows, addressed to the case when a modal split based on a random utility model is available, and some of its coe -cients may present a non-negligible variability. To this end, after the initial deterministic formulation a robust counterpart of the model is developed. The model, formulated as a non-linear integer programming problem, is oriented to a multi-carrier environment and includes constraints to consider the interactions between the di erent types of ows on the railway network, allowing a good evaluation of the cost types of the carriers and the network capacity. An algorithmic solution based on the outer approximation method is shown to provide accurate solutions in a reasonable computational time for the robust and non-robust versions of the model. Examples centered on a section of the Trans-European Transport Network, the TEN-T Core network corridors, are reported to test the model's applicability. Results show that this model can be a helpful tool for analyzing the possible shippers' response to the di erent railway carriers' services competing with the road.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Algoritmos para la asignación de pasajeros en redes de transporte público

Los modelos para la asignación de pasajeros son una magnífica herramienta para facilitar la planificación de las redes de transporte público y ayudan en la predicción de la utilización de las diferentes líneas por parte de los potenciales usuarios. Este trabajo se ha centrado en el impacto de la congestión a causa de la limitación en la capacidad de los vehículos. En primer lugar se ha implementado el algoritmo de Spiess para poderlo usar en redes de transporte público de tamaño real y a continuación se han implementado las propuestas algorítmicas para resolver el modelo lineal de Spiess con restricciones de capacidad utilizando el método de Cutting Plane de Dantzig. Se ha hecho una comparativa del funcionamiento de los algoritmos a partir de los ejemplos proporcionados por tres redes de transporte público de diferentes tamaños: la red de autobuses de la ciudad de Winnipeg (Canadá), la red de autobuses de la ciudad de Zaragoza (España) y una red auxiliar de autobuses para casos de interrupción del servicio de una parte de la línea 1 del metro de Barcelona (España)

Algoritmos para la asignación de pasajeros en redes de transporte público

Los modelos para la asignación de pasajeros son una magnífica herramienta para facilitar la planificación de las redes de transporte público y ayudan en la predicción de la utilización de las diferentes líneas por parte de los potenciales usuarios. Este trabajo se ha centrado en el impacto de la congestión a causa de la limitación en la capacidad de los vehículos. En primer lugar se ha implementado el algoritmo de Spiess para poderlo usar en redes de transporte público de tamaño real y a continuación se han implementado las propuestas algorítmicas para resolver el modelo lineal de Spiess con restricciones de capacidad utilizando el método de Cutting Plane de Dantzig. Se ha hecho una comparativa del funcionamiento de los algoritmos a partir de los ejemplos proporcionados por tres redes de transporte público de diferentes tamaños: la red de autobuses de la ciudad de Winnipeg (Canadá), la red de autobuses de la ciudad de Zaragoza (España) y una red auxiliar de autobuses para casos de interrupción del servicio de una parte de la línea 1 del metro de Barcelona (España)