Transition Towards Fixed-Line Autonomous Bus Transportation Systems

Abstract

In the last years the steady development of autonomous driving technology has enabled the deployment of more mature autonomous vehicles. These vehicles have been applied in several pilot projects worldwide, most commonly in the form of small buses. At the same time, the amount of people traveling in especially urban areas is continuously growing, resulting in more trips in the transportation system. An efficient transportation system is therefore required to serve the growing passenger demand. Autonomous buses (AB) are assumed to have lower operational costs and with that public transport (PT) systems can potentially be designed more efficiently to facilitate the increased demand better. In this study, an AB specific simulation-based optimization framework is proposed which allows analyzing the impacts AB have on line-based PT systems. The thesis focuses on the transition from existing PT systems towards line-based PT systems operated partially or exclusively by AB. Existing work on PT service design is extended so that realistic AB systems can be investigated. This is achieved by (i) using AB specific operator cost formulations, (ii) integrating infrastructure costs required for AB operations, (iii) utilizing a dynamic, stochastic and schedule-based passenger assignment model for the simulation of PT networks and by (iv) formulating a multi-objective optimization problem allowing to investigate the stakeholder-specific impacts of AB. In Paper I the effects of AB, concerning service frequency and vehicle capacity, on fixed-line PT networks are investigated. Among other metrics, the changes are evaluated based on differences in level of service and passenger flow. Additionally, the sequential introduction of AB in existing PT systems is studied. The framework addresses a case study in Kista, Sweden. The study confirmed the initial hypothesis that the deployment of AB leads to an increase in service frequency and a marginal reduction in vehicle capacity. Furthermore, it could be seen that the deployment of AB increases the passenger load on AB lines and that passengers can shift from other PT modes towards the AB services. Paper II incorporates a multi-objective heuristic optimization algorithm in the simulation framework. The study investigates changes in transport network design based on the deployment of AB. The differences in user-focused and operator-focused network design are analyzed and the impact of AB on these is quantified. This study is applied to a case study in Barkarby, Sweden where a full-sized, line-based PT network is designed to exclusively operate AB. Among other findings, we show that the autonomous technology reduces the number of served bus stops and reduces the total PT network size. Additionally, average passenger waiting time can be reduced when deploying AB on user-focused PT networks, which in turn leads to a further reduction of user cost. De senaste årens framsteg inom autonom körteknik har lett till mer mogna autonoma fordon. Dessa fordon har setts tillämpas i flera pilotprojekt över hela världen, oftast i form av små bussar. Samtidigt växer mängden människor som reser, särskilt i stadsområden, kontinuerligt vilket resulterar i fler resor i transportsystemet. Därför krävs ett effektivt transportsystem för att tillgodose det växande antalet passagerare. Autonoma bussar (AB) antas ha lägre driftskostnader och därmed kan system för kollektivtrafik (public transport, PT) potentiellt utformas mer effektivt för att underlätta den ökade efterfrågan bättre. I denna studie föreslås ett AB-specifikt simuleringsbaserat optimeringsramverk som gör det möjligt att analysera effekterna AB har på linjebaserade PT-system. Avhandlingen fokuserar på övergången från befintliga PT-system till linjebaserade PT-system som delvis eller uteslutande drivs av AB. Befintligt arbete med PT-tjänstdesign utvidgas så att realistiska AB-system kan undersökas. Detta uppnås genom att (i) använda AB-specifika operatörskostnadsformuleringar, (ii) integrera infrastrukturkostnader som krävs för AB-verksamhet, (iii) använda en dynamisk, stokastisk och schemabaserad modell för att tilldela passagerare vid simulering av PT-nät samt genom att (iv) formulera ett multifunktionellt optimeringsproblem som gör det möjligt att undersöka AB: s intressespecifika effekter. I artikel I undersöks effekterna av AB, med avseende på servicefrekvens och fordonskapacitet, på fasta linjer i PT-nät. Förändringar utvärderas bland annat utifrån skillnader i servicenivå och passagerarflöde. Dessutom studeras den sekventiella introduktionen av AB i befintliga PT-system. Det föreslagna ramverket tillämpas på en fallstudie i Kista, Sverige. Studien bekräftade den initiala hypotesen att utplaceringen av AB leder till en ökning av servicefrekvensen och en marginell minskning av fordonens kapacitet. Vidare kunde man se att utplaceringen av AB ökar passagerarbelastningen på AB-linjer och att passagerare kan skifta från andra PT-former mot AB-tjänsterna. Artikel II integrerar en multifunktionell heuristisk optimeringsalgoritm i ramverket för simuleringen. Studien undersöker förändringar i transportnätverkets design baserat på implementeringen av AB. Skillnaderna i användarfokuserad och operatörsfokuserad nätverksdesign analyseras och AB: s inverkan på dessa kvantifieras. Denna studie tillämpas på en fallstudie i Barkarby, Sverige, där ett fullstort linjebaserat PT-nät är utformat för att exklusivt driva AB. Vi visar bland annat att den autonoma tekniken reducerar antalet använda busshållplatser och reducerar den totala PT-nätstorleken. Dessutom kan implementeringen av AB på användarfokuserade PT-nät ytterligare förbättra servicenivån främst genom att minska den genomsnittliga väntetiden per passagerare.

Original document

The different versions of the original document can be found in:

• http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-272008