Ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αξιολόγηση δικτύων δημοσίων συγκοινωνιών ανταποκρινόμενων στη ζήτηση σε περιαστικές περιοχές

Abstract

Public Transport Systems on demand (referred as Demand Responsive Transport Systems - DRT) are a technologically innovative form of flexible transport services and constitute quite popular services in many European countries as well as in the USA, Canada, Australia and New Zealand. These transport services are flexible in terms of routes, vehicles, payment methods and booking, passenger categories and areas they serve, as well as in terms of design and implementation. With respect to its flexibility, a DRT service is positioned between the service provided by taxis and that of buses which run on predetermined routes. The growing interest in these systems during the recent years makes the evaluation of DRT systems necessary, while there is a requirement for ever more efficient and more sustainable transport, due to both the steady increase in demand for such services and, secondly, the restrictions posed by the current economic conditions. It is becoming increasingly evident that the traditional Public Transport Networks is not sufficient to cover the full range of the population, and the spatial extent of modern urban areas. As a result, vulnerable groups (elderly, people with disabilities (PwD), unemployed, etc.), but also regions in the periphery of urban areas (suburban complexes, villages, settlements) cannot successfully satisfy their needs to have access to goods, services, and opportunities as opposed to the residents of large urban agglomerations. DRT systems constitute a possible solution and is currently being proposed and tested due to the advancement of relevant technologies, such as smartphones, web applications for user information, etc., required for their implementation. In their first form, flexible transport systems implemented in the 1970s, with mixed results, at times positive but also frequently without much success considering the initial objectives set. Although the emergence of new information technologies has solved many of the operational problems and has made (DRT) one of the most relevant and innovative forms of Public Transport, yet many of the reasons why these systems are not successfully implemented in practice have not yet been well understood. This Τhesis aims at helping to understand those reasons, ie. the conditions which lead to a DRT system being successful (or not) and how this can be modelled and evaluated during the design phase of such a service. To this end, the current Thesis begins with a brief description of the general characteristics of DRT systems organization and their position in the "market" of public transport services as well as a breakdown of the main studies and research dealing with the theoretical aspects as well as the practical application and implementation of DRT systems. This examination is followed by a critical review and synthesis of the literature on the design and organization of DRT on a methodological level, having as a starting point the design methodologies for the conventional fixed route transport systems. The review concludes with the identification of research gaps concerning DRT and specifically the lack of an integrated methodological framework for DRT systems evaluation which would offer a comprehensive guide in terms of their design. In the next stage, the methodological approach adopted to address this issue is described; by firstly proposing a new categorization of DRT network problems using a different rationale which links the research questions with the business models of the systems and the corresponding "markets" which are served. This categorization of research problems for DRT systems is necessary as a first step in order to reveal the methodological requirements concerning the modelling and evaluation of DRT systems with respect to the specific transport network and geographical characteristics of DRT and conventional bus services. At this point (Chapter 3) the main research question of the Thesis is identified and outlined which concerns the development of models to assess and compare a DRT system for interurban areas of low demand with a "conventional" fixed bus line. Chapter 4 describes how to design, evaluate and optimize a public transportation system using analytical models for identifying the optimal operational characteristics with respect to (predefined) passenger demand levels (supply side). For each transport mode examined (bus, DRT), the corresponding total cost function of the service is defined, and these functions are compared to determine the most efficient mode, with respect to alternative scenarios and passenger demand levels. Apart from the study of the supply side, the current Thesis also examines the demand side through the development of transport mode choice models (Ch. 5). Specifically, binary logit models are used to calculate the modal split between the alternative modes (private car - bus - DRT) available to the users. Furthermore, the data collection method is described which employed questionnaires and revealed and stated preferences (RP / SP survey) methods to understand and model the potential demand shift to the new mode of transport (in our case the DRT). The ultimate goal of the demand analysis is to calculate the percentage of passengers that will change their mode choice, ie the percentage of private car users who will choose DRT as well as the percentage of bus users who prefer to choose DRT, in case this is introduced by replacing the existing conventional bus line. Combining supply with demand, the next chapter (Ch. 6) of the Thesis proposes a computational framework formulating the DRT evaluation problem as a bi-level programming optimization problem. Specifically the mathematical problem is approached using non-cooperative game theory (NCGT) and specifically defined as a Stackelberg (non-cooperative) game. Stackelberg game theory problems can be represented and solved as bi-level programming problems. The specific formulation and solution of the mathematical problem defined, addresses the central research question of the Thesis, and the corresponding analytical and statistical models as well as the solution algorithms developed are thoroughly discussed. The Thesis concludes with the application of the evaluation framework in an interurban areas of Thessaloniki: the area of Lagadas (Chapter 7). The aim of this chapter is twofold: on the one hand to apply the evaluative framework and validate the results (using parameter values which are currently used in practice by the Thessaloniki Urban Transport Organization (O.A.S.TH.)), and furthermore to support the decision-making process at a policy level in the case of a potential substitution of the existing bus service by DRT to improve network efficiency. For the implementation of the methodology, there was a need for both aggregated transport data as well as microscopic travel demand data, which were provided by the Transport Authority of Thessaloniki S.A. (aggregated demand data) as well as by a questionnaire survey conducted as part of the undergraduate Diploma Thesis of Mr. Mihalis Mpelimpasakis, Mr. Ioannis Provatenos and Mr. Charitos Kouderis, with the guidance of the PhD candidate. The responsibility of the candidate was to organize and define the revealed and stated preference experiments for the region of Lagkadas, following the methodology of the Thesis as described in chapters 4-6. In conclusion, this Thesis offers an innovative way of modeling and evaluating conventional Public Transport (bus) networks and compare them to Demand Responsive Transport (DRT) ones. The work combined analytical methods and operational research, statistics and game theory to create an integrated evaluation methodology for DRT networks for interurban areas, which can provide new research directions at both strategic level planning and practical application of the findings. The Thesis ends with the overall conclusions, which include the detailed analysis of its added value and the potential future research directions and extensions of the models developed.

Τα συστήματα Δημόσιων Συγκοινωνιών Ανταποκρινόμενων στη Ζήτηση (Demand Responsive Transport Systems - DRT) αποτελούν μια τεχνολογικά καινοτόμα μορφή παροχής ευέλικτων μεταφορικών υπηρεσιών και είναι αρκετά διαδεδομένα σε πολλές ευρωπαϊκές χώρες, καθώς και στις Η.Π.Α., Καναδά, Αυστραλία και Νέα Ζηλανδία. Αυτή η μορφή μεταφορικής υπηρεσίας είναι ευέλικτη από την άποψη των δρομολογίων, των (μικρότερων) οχημάτων, των μεθόδων πληρωμών και κρατήσεων, των κατηγοριών επιβατών και περιοχών που εξυπηρετούν, και τέλος των αναγκών ως προς τον σχεδιασμό και την υλοποίηση τους. Ως προς τη ‘θέση’ της στο φάσμα των μεταφορικών μέσων και υπηρεσιών, η υπηρεσία DRT τοποθετείται ενδιάμεσα του ταξί και της υπηρεσίας που προσφέρουν τα (συμβατικά) λεωφορεία που κινούνται σε προκαθορισμένα δρομολόγια και διαδρομές. Το ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τα συστήματα DRT τα τελευταία χρόνια καθιστά την αξιολόγηση των συστημάτων αυτών απαραίτητη, καθώς έρχεται να απαντήσει σε μία γενικότερη απαίτηση για συνεχώς αποδοτικότερες υπηρεσίες μεταφορών, και αφετέρου την μείωση του κόστους λειτουργίας τους λόγω της υπάρχουσας οικονομικής συγκυρίας και της έλλειψης επαρκών διαθέσιμων πόρων. Στη λογική συτή γίνεται όλο και πιο προφανές πως τα παραδοσιακά δίκτυα Δημοσίων Συγκοινωνιών (ΔΣ) αδυνατούν να καλύψουν πλήρως τις ανάγκες μεταφοράς όλου του πληθυσμού, σε όλη την χωρική έκταση των σύγχρονων αστικών περιοχών. Αποτέλεσμα αυτού είναι ευαίσθητες ομάδες του πληθυσμού (ηλικιωμένοι, άτομα με ειδικές ανάγκες (ΑμεΑ), άνεργοι, κ.ά.), αλλά και περιφερειακές περιοχές των αστικών συγκροτημάτων (περιαστικά κέντρα, χωριά, οικισμοί) να μην μπορούν να εξυπηρετηθούν επαρκώς ώστε να έχουν πρόσβαση στα αγαθά, στις υπηρεσίες και τις ευκαιρίες που παρέχονται στους κατοίκους των μεγάλων αστικών συγκροτημάτων. Τα Συστήματα Δημόσιων Συγκοινωνιών Ανταποκρινόμενα στην Ζήτηση (Demand Responsive Transport, εφεξής DRT) αποτελούν μία πιθανή λύση που εξετάζεται και προτείνεται σε μεγάλο βαθμό τα τελευταία χρόνια λόγω της ανάπτυξης των κατάλληλων τεχνολογιών (έξυπνα κινητά, εφαρμογές διαδικτύου για πληροφόρηση χρηστών κ.λπ.) που απαιτεί η υλοποίηση τους στη πράξη. Στην πρώτη τους μορφή, τα ευέλικτα συστήματα μεταφορών υλοποιήθηκαν από την δεκαετία του 1970, με πληθώρα αποτελεσμάτων, άλλοτε θετικών και άλλοτε χωρίς ιδιαίτερη επιτυχία ως προς τους αρχικούς στόχους που είχαν τεθεί. Αν και η εμφάνιση των νέων τεχνολογιών πληροφορικής έχει επιλύσει πολλά από τα λειτουργικά προβλήματα και τα έχει καταστήσει ως μία από τις πλέον επίκαιρες και καινοτόμες μορφές Δημοσίων Συγκοινωνιών, παρόλα αυτά πολλοί από τους λόγους για τους οποίους τα συστήματα αυτά δεν υλοποιούνται επιτυχώς στην πράξη δεν έχουν γίνει ακόμα απολύτως κατανοητοί. Η παρούσα Διατριβή επιδιώκει να βοηθήσει να κατανοηθούν οι προϋποθέσεις ώστε ένα σύστημα DRT να είναι επιτυχές (ή όχι) και με ποιo τρόπο/μέθοδο μπορεί αυτό να εκτιμηθεί εκ των προτέρων (από την φάση του σχεδιασμού). Στα πλαίσια αυτού του στόχου, η Διατριβή ξεκινά με μία σύντομη περιγραφή των γενικών χαρακτηριστικών και των βασικών τρόπων οργάνωσης των συστημάτων DRT στο πλαίσιο της συνολικού εύρους παροχής (εφεξής «αγοράς») δημοσίων συγκοινωνιών καθώς επίσης και με μία παράθεση των κυριότερων μελετών και ερευνών που πραγματεύονται την πρακτική εφαρμογή και υλοποίηση τους. Ακολουθεί η κριτική ανασκόπηση και σύνθεση της βιβλιογραφίας ως προς τον σχεδιασμό και την οργάνωση των συστημάτων σε μεθοδολογικό επίπεδο, με εννοιολογική αφετηρία την αντίστοιχη θεώρηση των συστημάτων «καθορισμένης διαδρομής» (fixed route transport systems – FRT), δηλαδή -όπως απαντώνται στην συνέχεια της παρούσας Διατριβής- των δικτύων συγκοινωνιών «συμβατικών» λεωφορειακών γραμμών. Η ανασκόπηση ολοκληρώνεται με την αναγνώριση και την επισήμανση των ελλείψεων της βιβλιογραφίας ως προς την ύπαρξη ενός ολοκληρωμένου μεθοδολογικού πλαισίου αξιολόγησης συστημάτων DRT, σε αντίθεση με τα συστήματα «καθορισμένης διαδρομής». Επίσης προτείνεται μία νέα κατηγοριοποίηση των προβλημάτων των δικτύων DRT μέσα από μία λογική που συνδέει τα ερευνητικά προβλήματα με τα επιχειρησιακά μοντέλα των συστημάτων αυτών και τις αντίστοιχες «αγορές» που εξυπηρετούν. Αυτή η κατηγοριοποίηση των ερευνητικών προβλημάτων για τα συστήματα DRT είναι αναγκαία ώστε να διαφανούν οι μεθοδολογικές ανάγκες αναφορικά με την μοντελοποίηση και την επίλυση των αντίστοιχων συγκοινωνιακών προβλημάτων με αναφορά σε καθορισμένα γεωγραφικά χαρακτηριστικά και δομές δικτύων δημοσίων συγκοινωνιών DRT και συμβατικών λεωφορείων. Στο σημείο αυτό (Κεφάλαιο 3) καθορίζεται και περιγράφεται το κεντρικό ερευνητικό ερώτημα της Διατριβής και παρουσιάζεται το μεθοδολογικό πλαίσιο το οποίο αφορά στην ανάπτυξη μοντέλων/υποδειγμάτων με σκοπό την αξιολόγηση και σύγκριση ενός συστήματος DRT για περιαστικές περιοχές χαμηλής ζήτησης με ένα σύστημα «συμβατικής» λεωφορειακής γραμμής. Στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 4) αναπτύσσεται και περιγράφεται η προτεινόμενη μέθοδος σχεδιασμού και αξιολόγησης δικτύων δημοσίων μέσων μεταφορών με τον προσδιορισμό των βέλτιστων επιχειρησιακών χαρακτηριστικών τους σε συνάρτηση με (καθορισμένα) επίπεδα επιβατικής ζήτησης από την πλευρά της προσφοράς, δηλαδή του φορέα Δημοσίων Συγκοινωνιών. Για το κάθε συγκοινωνιακό μέσο που εξετάζεται (συμβατικό λεωφορείο, DRT) ορίζεται η αντίστοιχη συνάρτηση συνολικού κόστους και οι συναρτήσεις αυτές συγκρίνονται μεταξύ τους για να καθοριστεί το αποδοτικότερο μέσο, σε σχέση με τα εξεταζόμενα σενάρια / επίπεδα επιβατικής ζήτησης. Εκτός από την μελέτη από την πλευρά της προσφοράς (του φορέα Δημοσίων Συγκοινωνιών, εφεξής ΔΣ), η παρούσα Διατριβή εστιάζει και στην πλευρά της ζήτησης μέσα από την ανάπτυξη μοντέλων διακριτών επιλογών συγκοινωνιακού μέσου για τους μετακινούμενους (Κεφ. 5). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται τα αποσυνθετικά υποδείγματα τύπου logit παρέχοντας αποτελέσματα αναφορικά με την κατανομή του πληθυσμού στα εναλλακτικά μέσα που εξετάζονται (Ι.Χ αυτοκινήτου – λεωφορείο – DRT). Περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούν να συνδυαστούν τα υποδείγματα logit με έρευνες δηλωμένων προτιμήσεων (Stated Preference - SP surveys) ώστε να μπορεί να αποτιμηθεί η δυνητική ζήτηση για ένα νέο μέσο μεταφοράς το οποίο δεν υπάρχει στην «τωρινή κατάσταση» (στην περίπτωση της Διατριβής το DRT). Ο τελικός στόχος της ανάλυσης της ζήτησης είναι να υπολογιστούν τα ποσοστά των επιβατών που θα αλλάξουν επιβατικό μέσο, δηλαδή το ποσοστό των χρηστών Ι.Χ. αυτοκινήτων που θα επιλέξει DRT και το ποσοστό χρηστών λεωφορείου που θα επιλέξουν DRT, στην περίπτωση αντικατάστασης της συμβατικής λεωφορειακής γραμμής από DRT. Συνδυάζοντας την προσφορά με την ζήτηση, στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφ. 6) αναπτύσσεται μία ενιαία μεθοδολογική και υπολογιστική μέθοδος που βασίζεται στην διατύπωση του προβλήματος αξιολόγησης των υπηρεσιών DRT ως ιεραρχικού προβλήματος βελτιστοποίησης δι-επίπεδου προγραμματισμού. Το πρόβλημα αυτό μοντελοποιείται με βάση την θεωρία των μη-συνεργατικών παιγνίων (non-cooperative game theory – NCGT) και πιο συγκεκριμένα ενός παιγνίου τύπου Stackelberg. Τα προβλήματα παιγνίων τύπου Stackelberg μπορούν να αναπαρασταθούν και να επιλυθούν ως προβλήματα δι-επίπεδου προγραμματισμού (bi-level programming problems). Η μορφή και η επίλυση αυτού του μαθηματικού προβλήματος απαντάει και στο κεντρικό ερευνητικό ερώτημα της παρούσας Διατριβής, μέσω της ενσωμάτωσης των αντίστοιχων μοντέλων και αλγορίθμων που αναπτύσσονται. Η έρευνα ολοκληρώνεται με την εφαρμογή της μεθόδου σε μία περιαστική περιοχή της Θεσσαλονίκης, την περιοχή του Λαγκαδά (Κεφάλαιο 7). Ο στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι διττός: από την μία πλευρά να εφαρμοστεί η προτεινόμενη μεθοδολογία και να ελεγχθεί ως προς την λογικότητα των αποτελεσμάτων (έχοντας ως δεδομένο τις τιμές των παραμέτρων σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται στην πράξη από τον Οργανισμό Αστικών Συγκοινωνιών Θεσσαλονίκης (Ο.Α.Σ.Θ.)), και επιπλέον να υποβοηθήσει σε επίπεδο πολιτικής την διαδικασία λήψης αποφάσεων στην περίπτωση που εντοπιστούν λεωφορειακές γραμμές που θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από DRT γραμμές που να βελτιώνουν την αποδοτικότητα του δικτύου. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας χρειάστηκαν δεδομένα, τόσο μακροσκοπικά όσο και μικροσκοπικά (αναφορικά με τις επιλογές συγκοινωνιακού μέσου επιβατών στην περιοχή του Λαγκαδά), τα οποία δόθηκαν από το (πρώην) Συμβούλιο Αστικών Συγκοινωνιών Θεσσαλονίκης (Σ.Α.Σ.Θ.) σε επίπεδο γραμμής και επίσης συλλέχτηκαν στο πλαίσιο της Διπλωματικής Εργασίας των Μπελιμπασάκη Μιχάλη, Προβατένου Ιωάννη και Κουδέρη Χαρίτου, στην οποία με καθοδήγηση του Υποψήφιου Διδάκτορα, οργανώθηκαν και εκπονήθηκαν έρευνες δηλωμένων προτιμήσεων για την περιοχή του Λαγκαδά, ακολουθώντας την μεθοδολογία της Διατριβής που περιγράφηκε στα κεφάλαια 4-6 σε θεωρητικό επίπεδο. Συμπερασματικά η παρούσα Διατριβή προτείνει ένα νέο τρόπο θεώρησης όσο και μοντελοποίησης της διαδικασίας αξιολόγησης δικτύων Δημοσίων Συγκοινωνιών ανταποκρινόμενων στη ζήτηση (DRT). Η Διατριβή συνδύασε αναλυτικές μεθόδους και επιχειρησιακή έρευνα, με στατιστικές μεθόδους και θεωρία παιγνίων με σκοπό να δημιουργήσει μία ολοκληρωμένη αξιολογική μέθοδο για δίκτυα DRT για το στρατηγικό επίπεδο μοντελοποίησης και σχεδιασμού. Η Διατριβή ολοκληρώνεται με την εξαγωγή των τελικών συμπερασμάτων, την αναφορά στην προστιθέμενη ερευνητικής αξίας της, καθώς και τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις και επεκτάσεις των μεθόδων και υποδειγμάτων που αναπτύχθηκαν.