Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/80459
Title: Integrated Transit-Parking Planning
Authors: Cavadas, Joana Isabel Silva Lopes 
Orientador: Antunes, António Pais
Geroliminis, Nikolas
Vaze, Vikrant
Keywords: Parking; Transit; Optimization; Game Theory; Estacionamento; Transporte Público; Otimização; Teoria de Jogos
Issue Date: 15-Jun-2018
Citation: CAVADAS, Joana Isabel Silva Lopes - Integrated Transit-Parking Planning. Coimbra : [s.n.], 2018. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/80459
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/PD/PD/BD/52359/2013/PT/SISTEMAS DE TRANSPORTES 
Abstract: Public transit systems are not only essential for urban mobility but are also advantageous from the fuel consumption, pollutant emissions and traffic congestion standpoints. In addition to this, transit also provides an alternative with acceptable levels of mobility to people who cannot own or drive a car. In fact, the main goal of having a transit system is to offer good quality service, where users travel easily at a low fare while reducing pollution and traffic congestion. This goal often results in serious financial problems for the transit operators, as their revenues are rarely enough to cover their expenses, requiring subsidies funded by local governments. In this context, we propose the integration of transit and parking systems as an option to decrease the subsidies of transit systems. This integration is developed considering two different views. A physical integration of the two systems; and an integration through prices (transit fares and parking fees), where two different standpoints are considered. One that assumes a regulated market, where the parking operator revenues will be used to fund the transit operator deficits; and another that assumes a fully deregulated market, where both transit operators and parking operators have a profit maximization goal. The physical integration of the two systems was illustrated through an optimization-based study carried out for Coimbra (Portugal), with the goal of selecting the best locations for park-and-ride facilities so that car use inside the city is minimized. Park-and-ride facilities are parking lots located in the periphery of cities to intercept car trips coming from the suburbs, and divert them to transit. In this study, the transport mode choices were assumed to be dependent on the generalized travel costs of car, transit and park-and-ride according to a logit function. The main result was that the introduction of a park-and-ride network could reduce car use in Coimbra’s city center by 19%. The integration of transit and parking systems through prices in a regulated market was approached with an optimization model, where transit and parking are managed together to minimize the joint deficit of the respective operators, considering transit fares and parking fees as decision variables. The context of application of this model is a city divided into zones, where trips between each pair of zones can be made either by car or by bus, or not made if (generalized) travel costs are considered too high by the traveler. Modal choice in the city is described by a logit model of the generalized travel costs of both modes. In the case of car, these costs consist of vehicle depreciation, fuel, maintenance, travel time and parking fees, while time costs, discomfort costs and transit fares are the costs included in the transit generalized travel cost. This model was applied to a case study in Coimbra, where both transit and parking systems become clearly profitable due to a substantial increase of prices. However, the relationship between demand and speed is not addressed in this model, as it is assumed that speed values remain unchanged even when modal choices change. This shortcoming was handled by embedding on the optimization model a network level aggregate traffic model based on the macroscopic fundamental diagram (MFD), which determines the speeds and cruising-for-parking costs considering car travel demand. Due to the complexity of the optimization model, a solution method based on a traffic-equilibrium algorithm and a greedy algorithm was developed. Through the application of a case study inspired by the city of Coimbra, it was possible to verify that the joint operating deficits were decreased, leading to a profitable transit system. An alternative SA algorithm was also developed in view of its future application to solve the previous model. If properly designed, algorithms of this type show good global optimum convergence properties. Otherwise, the quality of the best solution they return may be low or the computation time they require may be excessively long. The reason for this to happen may be because SA algorithms spend too much effort evaluating poor quality solutions. To avoid this, we hybridize a cross-entropy algorithm with a SA algorithm, in order to decrease the probability that a low-quality candidate solution is selected in each iteration. The results of a computational study developed for a facility location problem indicate that the hybrid algorithm clearly improves the classic SA algorithm. The integration of transit and parking systems under a deregulated market was handled through a two-stage game-theoretic approach, assuming transit and parking operator as profit maximizers. The first stage decisions are parking capacity, transit frequencies and fleet size, whereas pricing decisions are made in the second stage, assuming the first-stage decisions known and fixed. The concept of subgame-perfect pure strategy Nash equilibrium was used to solve this game. By analyzing several hypothetical case studies (inspired by real-world situations), it was shown how the decisions of the operators are expected to interact. In general, the proposed models and their applications contribute what we believe to be a significant addition to the literature. These integrated transit-parking planning models provide a better understanding of how park-and-ride networks and pricing schemes affect the city’s mobility dynamics and modal choices, and insight into the impact of the decisions of transit and parking operators on their financial performance.
Os sistemas de transportes públicos são não só essenciais à mobilidade urbana, mas também vantajosos em relação ao automóvel quanto ao consumo de combustível, emissão de poluentes e congestionamento do tráfego. Adicionalmente, os transportes públicos são uma opção que garante níveis aceitáveis de mobilidade a quem não conduz ou não tem automóvel. De facto, o principal objetivo de um sistema de transportes públicos é providenciar um serviço de qualidade através do qual os seus utilizadores possam viajar a custo relativamente baixo e, simultaneamente, contribuir para a diminuição da poluição e do congestionamento. A prossecução deste objetivo origina geralmente sérios problemas financeiros para os operadores de transportes públicos, uma vez que as receitas não são, em regra, suficientes para cobrir os custos do sistema, o que requer a subsidiação por entidades públicas. É neste contexto que analisamos a integração de sistemas de transportes públicos e de estacionamento como uma possibilidade para diminuir os subsídios dos transportes públicos. Esta integração dos dois sistemas é estudada de duas perspetivas distintas – integração física e integração através dos preços (dos bilhetes de transporte público e de tarifas de estacionamento) – e segundo dois pontos de vista diferentes: um que assume um mercado regulado, no qual as receitas do estacionamento são utilizadas para financiar os défices dos transportes públicos; e outro que assume um mercado totalmente desregulado, em que tanto o operador de transportes públicos como o operador do estacionamento têm como objetivo a maximização do lucro. A integração física dos dois sistemas é analisada tendo por referência um estudo de otimização desenvolvido para Coimbra (Portugal), com o objetivo de selecionar localizações para estacionamentos park-and-ride que minimizem a utilização de automóveis no centro das cidades. Os estacionamentos park-and-ride localizam-se na periferia das cidades com o objetivo de intercetar as viagens de automóvel que vêm dos subúrbios. Neste estudo, assume-se que as escolhas modais dependem dos custos generalizados de viagem por automóvel, por transportes públicos ou pelos dois modos através de um parque de estacionamento periférico, de acordo com uma função logit. O principal resultado que obtivemos com a introdução de estacionamentos park-and-ride foi a redução do uso do automóvel no centro de Coimbra em 19%. A integração de transportes públicos e estacionamento através de preços num mercado regulado foi analisada com base em um modelo de otimização no qual os transportes públicos e o estacionamento são geridos em conjunto, a fim de diminuir o seu défice global, considerando os preços dos bilhetes e as tarifas de estacionamento como variáveis de decisão. O contexto para a aplicação deste modelo é uma cidade dividida em zonas, onde as viagens correspondentes a cada par origem-destino podem ser feitas ou de automóvel ou de transportes públicos, ou não ser realizadas caso o seu custo generalizado seja considerado muito elevado. A escolha do modo de transportes é descrita por um modelo logit dos custos generalizados dos vários modos. No caso do automóvel, estes custos contemplam a depreciação do veículo, o combustível, a manutenção, o tempo de viagem e a tarifa de estacionamento, enquanto o tempo de viagem, o desconforto e o preço do bilhete são contabilizados nos custos generalizados de uma viagem em transportes públicos. Este modelo foi aplicado ao estudo de caso de Coimbra, concluindo-se que ambos os sistemas se poderiam tornar bastante lucrativos como resultado de um aumento substancial de preços. Contudo, a relação entre volumes de tráfego e velocidades de circulação não foi tratada de forma apropriada neste modelo, pois que se considerou que aquelas velocidades permaneceriam constantes independentemente das escolhas modais. Esta lacuna foi ultrapassada através da inclusão, no modelo de otimização, de um modelo de tráfego agregado a nível de rede baseado no denominado diagrama fundamental, que determina as velocidades de circulação e os níveis de cruising-for-parking tendo em conta a procura de viagens de automóvel. Dada a complexidade do modelo, foi desenvolvido um método para o resolver baseado na combinação de um algoritmo de equilíbrio de tráfego com uma heurística de tipo greedy. A respetiva aplicação ao caso de Coimbra permitiu concluir que seria possível tornar o sistema de transportes públicos lucrativo. Uma heurística alternativa baseada num algoritmo de simulated annealing (SA) foi também desenvolvida para futura resolução do modelo anteriormente apresentado. Os algoritmos SA apresentam boas propriedades de convergência para um ótimo global, mas podem tornar-se muito lentos se se quiser garantir soluções de boa qualidade. Essa lentidão decorre do facto do algoritmo passar muito tempo a analisar soluções de baixa qualidade. Para contornar este problema, hibridizámos um algoritmo de cross entropy com um algoritmo SA. Os resultados obtidos através de um estudo computacional desenvolvido para um problema de localização de equipamentos indicam que o algoritmo híbrido melhora claramente a performance do algoritmo SA clássico. A integração de transportes públicos e estacionamento num mercado totalmente desregulado foi analisada através de uma abordagem por teoria dos jogos com dois estádios. O primeiro estádio tem como decisões a capacidade de estacionamento, a frequência dos transportes públicos e a dimensão da frota, ao passo que as decisões referentes aos preços são tomadas num segundo estádio, onde são assumidas como conhecidas e fixas as decisões tomadas no primeiro estádio. Cada estádio do jogo foi resolvido tendo em conta o conceito de equilíbrio de Nash. Em diversos estudos de caso hipotéticos (inspirados em situações reais) é examinada a forma como se dá a interação entre as decisões do operador de transporte público e do operador de estacionamento. Em geral, acreditamos que os modelos propostos e as suas aplicações contribuem de forma significativa para a literatura. Os modelos em causa permitem apoiar as entidades responsáveis pelo planeamento de transportes públicos e do estacionamento, contribuindo para que as decisões que tomem sejam mais eficientes.
Description: Tese de doutoramento em Sistemas de Transporte, apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/80459
Rights: openAccess
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