Optimización del peaje en autopistas interurbanas que compiten con carreteras convencionales libres de pago : una perspectiva de eficiencia y equidad

En algunos países, como por ejemplo España, es común que entre un origen y un destino existan dos carreteras paralelas en las que existen ciertas diferencias. La más importante es que una de las vías es una autopista que ofrece a los usuarios una mayor comodidad y un menor tiempo de viaje a cambio del pago de un peaje, el cual no es necesario abonar en la carretera convencional paralela. Así, el problema de la tarificación vial ha sido estudiado en diversas ocasiones. Existe un amplio consenso en que para lograr el máximo bienestar social, los usuarios deben internalizar las externalidades que producen y no perciben a través de un peaje. Sin embargo, dicho peaje puede perjudicar a los usuarios con bajos ingresos. Dependiendo del objetivo (por ejemplo, maximizar el bienestar, maximizar la equidad social, la amortización de la construcción de la carretera, etc) el peaje óptimo podría variar sustancialmente. La literatura académica acerca de los peajes, la eficiencia y la equidad es vasta y diversa. Sin embargo, hemos encontrado una deficiencia en dicha literatura sobre el peaje óptimo, en corredores donde una carretera y una autopista con diferentes características de calidad compiten para capturar el tráfico. Particularmente no se ha encontrado ninguna investigación acerca del establecimiento del peaje que maximice el bienestar social o la equidad para distintas distribuciones del valor del tiempo de viaje (VTT), caracterizadas por su media y varianza. Por ello, el principal objetivo de la investigación es estimar la influencia que tiene la distribución de la renta de una sociedad sobre el peaje óptimo. La presente tesis doctoral trata de obtener, por medio de una metodología robusta, las diferentes políticas de peajes que los planificadores de transporte deberían llevar a cabo según la riqueza y cohesión social de los potenciales usuarios del corredor, la demanda y el objetivo que se busque con dicha tarificación, esto es, maximizar el bienestar social o la equidad. Adicionalmente también se obtienen los peajes óptimos dependiendo de si el corredor se encuentra totalmente tarificado o únicamente se debe pagar un peaje por circular en la autopista. In some countries, such as Spain, it is very common that in the same corridor there are two roads with the same origin and destination but with some differences. The most important contrast is that one is a toll highway which offers a better quality than the parallel road in exchange of a price. The users decide if the price of the toll worth to pay for the advantages offered. The problem of road pricing has been largely studied. It is well acknowledged that in order to achieve the maximum social welfare, users must internalize the externalities they produce and do not perceive through a toll. However, that toll can harm users with low income. Depending on the objective (e.g. maximize welfare, maximize social equity, amortize the construction of the road, etc) the optimal toll might vary substantially. The academic literature about pricing, efficiency and equity is vast and diverse. However, as far as we have found, there is a gap in the literature regarding the optimal price where a road and a highway with different quality characteristics compete for capturing the traffic in a corridor. Particularly we did not find any research estimating the optimal welfare price or the optimal equity price for different Value of Travel Time (VTT) distributions characterized by different VTT average and variance. The objective of the research is to fill this gap. In this research a theoretical model in order to obtain the optimal price in a toll highway that competes for capturing the traffic with a conventional road is developed. This model is done from the welfare and equity perspective and for non‐usual users who decide over the expectation of free flow conditions. The model is finally applied to the variables we want to focus on: average value of travel time (VTT) which is strongly related with income, dispersion of this VTT, different kind of distributions of VTT and traffic levels, from free flow to congestion. Furthermore, we also obtain the optimal tolls with the corridor completely charged or with untolled alternative.

How varies optimal welfare pricing with income distribution? The case of the untolled alternative.

In some countries, such as Spain, it is very common that in the same corridor there are two roads with the same origin and destination but with some differences. The most important contrast is that one is a toll highway which offers a better quality than the parallel road in exchange of a price. The users decide if the price of the toll is worth to pay for the advantages offered. This problem is known as the untolled alternative and it has been largely studied in the academic literature, particularly related to economic efficiency and the optimal welfare toll. However, there is a gap in the literature academic regarding how it affects income distribution to the optimal toll. The main objective of the paper is to fill this gap. In this paper a theoretical model in order to obtain the optimal welfare price in a toll highway that competes for capturing the traffic with a conventional road is developed. This model is done for non-usual users who decide over the expectation of free flow conditions. This model is finally applied to the variables we want to focus on: average value of travel time (VTT) which is strongly related with income, dispersion of this VTT and traffic levels, from free flow to congestion. Derived from the results, we conclude that the higher the average VTT the higher the optimal price, the higher the dispersion of this VTT the lower the optimal price and finally, the more the traffic the higher the optimal toll.

Exploring the role of social capital influence variables on travel behaviour

This paper explores the potential role of individual trip characteristics and social capital network variables in the choice of transport mode. A sample of around 100 individuals living or working in one suburb of Madrid (i.e. Las Rosas district of Madrid) participated in a smartphone short panel survey, entering travel data for an entire working week. A Mixed Logit model was estimated with this data to analyze shifts to metro as a consequence of the opening of two new stations in the area. Apart from classical explanatory variables, such as travel time and cost, gender, license and car ownership, the model incorporated two “social capital network” variables: participation in voluntary activities and receiving help for various tasks (i.e. child care, housekeeping, etc.). Both variables improved the capacity of the model to explain transport mode shifts. Further, our results confirm that the shift towards metro was higher in the case of people “helped” and lower for those participating in some voluntary activities.

How varies optimal welfare pricing with income distribution? The case of the untolled alternative

In some countries, such as Spain, it is very common that in the same corridor there are two roads with the same origin and destination but with some differences. The most important contrast is that one is a toll highway which offers a better quality than the parallel road in exchange of a price. The users decide if the price of the toll is worth paying for the advantages offered. This problem is known as the untolled alternative and it has been largely studied in the academic literature, particularly related to economic efficiency and the optimal welfare toll. However, there is a gap in the academic literature regarding how income distribution affects the optimal toll. The main objective of the paper is to fill this gap. In this paper a theoretical model is developed in order to obtain the optimal welfare price in a toll highway that competes with a conventional road for capturing the traffic. This model is done for non-usual users who decide over the expectation of free flow conditions. This model is finally applied to the variables we want to focus on: average value of travel time (VTT) which is strongly related with income, dispersion of this VTT and traffic levels, from free flow to congestion. Derived from the results, we conclude that the higher the average VTT the higher the optimal price, the higher the dispersion of this VTT the lower the optimal price and finally, the more the traffic the higher the optimal toll

Analysis of the problems associated with dynamic interaction between train, track and structure at transition zones

El gran desarrollo experimentado por la alta velocidad en los principales países de la Unión Europea, en los últimos 30 años, hace que este campo haya sido y aún sea uno de los principales referentes en lo que a investigación se refiere. Por otra parte, la aparición del concepto super − alta velocidad hace que la investigación en el campo de la ingeniería ferroviaria siga adquiriendo importancia en los principales centros de investigación de los países en los que se desea implantar este modo de transporte, o en los que habiendo sido ya implantado, se pretenda mejorar. Las premisas de eficacia, eficiencia, seguridad y confort, que este medio de transporte tiene como razón de ser pueden verse comprometidas por diversos factores. Las zonas de transición, definidas en la ingeniería ferroviaria como aquellas secciones en las que se produce un cambio en las condiciones de soporte de la vía, pueden afectar al normal comportamiento para el que fue diseñada la infraestructura, comprometiendo seriamente los estándares de eficiencia en el tiempo de viaje, confort de los pasajeros y aumentando considerablemente los costes de mantenimiento de la vía, si no se toman las medidas oportunas. En esta tesis se realiza un estudio detallado de la zonas de transición, concretamente de aquellas en las que existe una cambio en la rigidez vertical de la vía debido a la presencia de un marco hidráulico. Para realizar dicho estudio se lleva a cabo un análisis numérico de interacción entre el vehículo y la estructura, con un modelo bidimensional de elemento finitos, calibrado experimentalmente, en estado de tensión plana. En este análisis se tiene en cuenta el efecto de las irregularidades de la vía y el comportamiento mecánico de la interfaz suelo-estructura, con el objetivo de reproducir de la forma más real posible el efecto de interacción entre el vehículo, la vía y la estructura. Otros efectos como la influencia de la velocidad del tren y los asientos diferenciales, debidos a deformaciones por consolidación de los terraplenes a ambos lados el marco hidráulico, son también analizados en este trabajo. En esta tesis, los cálculos de interacción se han llevado a cabo en dos fases diferentes. En la primera, se ha considerado una interacción sencilla debida al paso de un bogie de un tren Eurostar. Los cálculos derivados de esta fase se han denominado cálculos a corto plazo. En la segunda, se ha realizado un análisis considerando múltiples pasos de bogie del tren Eurostar, conformando un análisis de degradación en el que se tiene en cuenta, en cada ciclo, la deformación de la capa de balasto. Los cálculos derivados de esta fase, son denominados en el texto como cálculos a largo plazo. Los resultados analizados muestran que la utilización de los denominados elementos de contacto es fundamental cuando se desea estudiar la influencia de asientos diferenciales, especialmente en transiciones terraplén-estructura en las que la cuña de cimentación no llega hasta la base de cimentación de la estructura. Por otra parte, tener en cuenta los asientos del terraplén, es sumamente importante, cuando se desea realizar un análisis de degradación de la vía ya que su influencia en la interacción entre el vehículo y la vía es muy elevada, especialmente para valores altos de velocidad del tren. En cuanto a la influencia de las irregularidades de la vía, en los cálculos efectuados, se revela que su importancia es muy notable, siendo su influencia muy destacada cuanto mayor sea la velocidad del tren. En este punto cabe destacar la diferencia de resultados derivada de la consideración de perfiles de irregularidades de distinta naturaleza. Los resultados provenientes de considerar perfiles artificiales son en general muy elevados, siendo estos más apropiados para realizar estudios de otra índole, como por ejemplo de seguridad al descarrilamiento. Los resultados provenientes de perfiles reales, dados por diferentes Administradores ferroviarios, presentan resultados menos elevados y más propios del problema analizar. Su influencia en la interacción dinámica entre el vehículo y la vía es muy importante, especialmente para velocidades elevadas del tren. Además el fenómeno de degradación conocido como danza de traviesas, asociado a zonas de transición, es muy susceptible a la consideración de irregularidades de la vía, tal y como se desprende de los cálculos efectuados a largo plazo. The major development experienced by high speed in the main countries of the European Union, in the last 30 years, makes railway research one of the main references in the research field. It should also be mentioned that the emergence of the concept superhigh − speed makes research in the field of Railway Engineering continues to gain importance in major research centers in the countries in which this mode of transportation is already implemented or planned to be implemented. The characteristics that this transport has as rationale such as: effectiveness, efficiency, safety and comfort, may be compromised by several factors. The transition zones are defined in railway engineering as a region in which there is an abrupt change of track stiffness. This stiffness variation can affect the normal behavior for which the infrastructure has been designed, seriously compromising efficiency standards in the travel time, passenger comfort and significantly increasing the costs of track maintenance, if appropriate measures are not taken. In this thesis a detailed study of the transition zones has been performed, particularly of those in which there is a change in vertical stiffness of the track due to the presence of a reinforced concrete culvert. To perform such a study a numerical interaction analysis between the vehicle, the track and the structure has been developed. With this purpose a two-dimensional finite element model, experimentally calibrated, in a state of plane stress, has been used. The implemented numerical models have considered the effects of track irregularities and mechanical behavior of soil-structure interface, with the objective of reproducing as accurately as possible the dynamic interaction between the vehicle the track and the structure. Other effects such as the influence of train speed and differential settlement, due to secondary consolidation of the embankments on both sides of culvert, have also been analyzed. In this work, the interaction analysis has been carried out in two different phases. In the first part a simple interaction due to the passage of a bogie of a Eurostar train has been considered. Calculations derived from this phase have been named short-term analysis. In the second part, a multi-load assessment considering an Eurostar train bogie moving along the transition zone, has been performed. The objective here is to simulate a degradation process in which vertical deformation of the ballast layer was considered. Calculations derived from this phase have been named long-term analysis. The analyzed results show that the use of so-called contact elements is essential when one wants to analyze the influence of differential settlements, especially in embankment-structure transitions in which the wedge-shaped backfill does not reach the foundation base of the structure. Moreover, considering embankment settlement is extremely important when it is desired to perform an analysis of track degradation. In these cases the influence on the interaction behaviour between the vehicle and the track is very high, especially for higher values of speed train. Regarding the influence of the track irregularities, this study has proven that the track’s dynamic response is heavily influenced by the irregularity profile and that this influence is more important for higher train velocities. It should also be noted that the difference in results derived from consideration of irregularities profiles of different nature. The results coming from artificial profiles are generally very high, these might be more appropriate in order to study other effects, such as derailment safety. Results from real profiles, given by the monitoring works of different rail Managers, are softer and they fit better to the context of this thesis. The influence of irregularity profiles on the dynamic interaction between the train and the track is very important, especially for high-speeds of the train. Furthermore, the degradation phenomenon known as hanging sleepers, associated with transition zones, is very susceptible to the consideration of track irregularities, as it can be concluded from the long-term analysis.

Optimización del consumo de combustible de un vehículo dependiendo de las condiciones de la carretera

El consumo de combustible en un automóvil es una característica que se intenta mejorar continuamente debido a los precios del carburante y a la creciente conciencia medioambiental. Esta tesis doctoral plantea un algoritmo de optimización del consumo que tiene en cuenta las especificaciones técnicas del vehículo, el perfil de orografía de la carretera y el tráfico presente en ella. El algoritmo de optimización calcula el perfil de velocidad óptima que debe seguir el vehículo para completar un recorrido empleando un tiempo de viaje especificado. El cálculo del perfil de velocidad óptima considera los valores de pendiente de la carretera así como también las condiciones de tráfico vehicular de la franja horaria en que se realiza el recorrido. El algoritmo de optimización reacciona ante condiciones de tráfico cambiantes y adapta continuamente el perfil óptimo de velocidad para que el vehículo llegue al destino cumpliendo el horario de llegada establecido. La optimización de consumo es aplicada en vehículos convencionales de motor de combustión interna y en vehículos híbridos tipo serie. Los datos de consumo utilizados por el algoritmo de optimización se obtienen mediante la simulación de modelos cuasi-estáticos de los vehículos. La técnica de minimización empleada por el algoritmo es la Programación Dinámica. El algoritmo divide la optimización del consumo en dos partes claramente diferenciadas y aplica la Programación Dinámica sobre cada una de ellas. La primera parte corresponde a la optimización del consumo del vehículo en función de las condiciones de tráfico. Esta optimización calcula un perfil de velocidad promedio que evita, cuando es posible, las retenciones de tráfico. El tiempo de viaje perdido durante una retención de tráfico debe recuperarse a través de un aumento posterior de la velocidad promedio que incrementaría el consumo del vehículo. La segunda parte de la optimización es la encargada del cálculo de la velocidad óptima en función de la orografía y del tiempo de viaje disponible. Dado que el consumo de combustible del vehículo se incrementa cuando disminuye el tiempo disponible para finalizar un recorrido, esta optimización utiliza factores de ponderación para modular la influencia que tiene cada una de estas dos variables en el proceso de minimización. Aunque los factores de ponderación y la orografía de la carretera condicionan el nivel de ahorro de la optimización, los perfiles de velocidad óptima calculados logran ahorros de consumo respecto de un perfil de velocidad constante que obtiene el mismo tiempo de recorrido. Las simulaciones indican que el ahorro de combustible del vehículo convencional puede lograr hasta un 8.9% mientras que el ahorro de energía eléctrica del vehículo híbrido serie un 2.8%. El algoritmo fusiona la optimización en función de las condiciones del tráfico y la optimización en función de la orografía durante el cálculo en tiempo real del perfil óptimo de velocidad. La optimización conjunta se logra cuando el perfil de velocidad promedio resultante de la optimización en función de las condiciones de tráfico define los valores de los factores de ponderación de la optimización en función de la orografía. Aunque el nivel de ahorro de la optimización conjunta depende de las condiciones de tráfico, de la orografía, del tiempo de recorrido y de las características propias del vehículo, las simulaciones indican ahorros de consumo superiores al 6% en ambas clases de vehículo respecto a optimizaciones que no logran evitar retenciones de tráfico en la carretera. ABSTRACT Fuel consumption of cars is a feature that is continuously being improved due to the fuel price and an increasing environmental awareness. This doctoral dissertation describes an optimization algorithm to decrease the fuel consumption taking into account the technical specifications of the vehicle, the terrain profile of the road and the traffic conditions of the trip. The algorithm calculates the optimal speed profile that completes a trip having a specified travel time. This calculation considers the road slope and the expected traffic conditions during the trip. The optimization algorithm is also able to react to changing traffic conditions and tunes the optimal speed profile to reach the destination within the specified arrival time. The optimization is applied on a conventional vehicle and also on a Series Hybrid Electric vehicle (SHEV). The fuel consumption optimization algorithm uses data obtained from quasi-static simulations. The algorithm is based on Dynamic Programming and divides the fuel consumption optimization problem into two parts. The first part of the optimization process reduces the fuel consumption according to foreseeable traffic conditions. It calculates an average speed profile that tries to avoid, if possible, the traffic jams on the road. Traffic jams that delay drivers result in higher vehicle speed to make up for lost time. A higher speed of the vehicle within an already defined time scheme increases fuel consumption. The second part of the optimization process is in charge of calculating the optimal speed profile according to the road slope and the remaining travel time. The optimization tunes the fuel consumption and travel time relevancies by using two penalty factors. Although the optimization results depend on the road slope and the travel time, the optimal speed profile produces improvements of 8.9% on the fuel consumption of the conventional car and of 2.8% on the spent energy of the hybrid vehicle when compared with a constant speed profile. The two parts of the optimization process are combined during the Real-Time execution of the algorithm. The average speed profile calculated by the optimization according to the traffic conditions provides values for the two penalty factors utilized by the second part of the optimization process. Although the savings depend on the road slope, traffic conditions, vehicle features, and the remaining travel time, simulations show that this joint optimization process can improve the energy consumption of the two vehicles types by more than 6%.

Como estamos indo? Estudo do deslocamento ativo no Brasil

Introdução: O deslocamento ativo tem estreita relação com problemas de saúde pública da atualidade e sua promoção pode contribuir para melhorias quanto à mobilidade urbana, estado de saúde e proteção do meio ambiente. Entretanto, a maior parte das pesquisas sobre o tema tem sido desenvolvida em países de renda alta. A presente tese busca ampliar a investigação sobre o deslocamento ativo no Brasil. Objetivos: i) Descrever a frequência, a distribuição e a variação temporal de indicadores do deslocamento ativo em populações brasileiras; ii) Avaliar o impacto de mudanças no padrão de transporte da população sobre o deslocamento ativo, o tempo sedentário e desfechos de saúde em populações brasileiras. Métodos: Tese composta por sete manuscritos. O primeiro apresenta revisão sistemática de estudos com informações sobre a prática de deslocamento ativo na América Latina e Caribe; o segundo descreve estimativas representativas da população brasileira sobre a prática de deslocamento ativo para o trabalho; o terceiro e o quarto descrevem a frequência e tendência temporal do deslocamento ativo na Região Metropolitana de São Paulo (ciclistas e escolares); o quinto discute a questão da mobilidade urbana e do direito à cidade em São Paulo; o sexto e o sétimo avaliam o impacto de mudanças no padrão de mobilidade da metrópole paulistana sobre a prática de deslocamento ativo, tempo não-ativo de deslocamento e tempo total de deslocamento, bem como sobre a poluição do ar e saúde da população. Resultados: A prevalência mediana de deslocamento ativo encontrada em diferentes locais do Brasil foi de 12 por cento , variando entre 5,1 por cento em Palmas (Tocantins) a 58,9 por cento em Rio Claro (São Paulo) (Manuscrito 1). Um terço dos homens e das mulheres desloca-se a pé ou de bicicleta de casa para o trabalho no país. Em ambos os sexos, esta proporção diminui com o aumento da renda e da escolaridade e é maior entre os mais jovens, entre os que residem em áreas rurais, e na região Nordeste. Em todas as regiões metropolitanas estudadas, o quinto das pessoas de menor renda apresenta uma maior frequência de deslocamento ativo (Manuscrito 2). Entre os anos de 2007 e 2012, observamos redução no número de ciclistas em São Paulo e diferenças expressivas na proporção de ciclistas entre homens e mulheres (9,7 por mil habitantes versus 1,4 por mil habitantes em 2012) (Manuscrito 3). Também verificamos uma queda na proporção de crianças que se deslocam ativamente para a escola entre os anos de 1997 e 2012 (Manuscrito 4). O cenário epidemiológico do deslocamento ativo no país é resultante da disputa pelo direito à cidade, com repercussões na transição de mobilidade humana e na saúde e qualidade de vida da população, como podemos observar no caso de São Paulo (Manuscrito 5). A construção de uma São Paulo mais inclusiva, com menores distâncias para os deslocamentos cotidianos e maior frequência de caminhada e bicicleta, levaria à substancial redução do tempo total e do tempo sedentário despendidos nos deslocamentos, sem diminuir a duração do deslocamento ativo (Manuscrito 6). Traria também ganhos à saúde da população, sobretudo pelo aumento da prática de atividade física e da redução da poluição do ar (Manuscrito 7). Conclusões: A prática de deslocamento ativo no Brasil apresenta marcadas diferenças segundo região e características sociodemográficas. De um modo geral, esta prática vem diminuindo no país, o que deve contribuir negativamente para a saúde da população. A promoção de cidades mais inclusivas e compactas, com o favorecimento a modos ativos de deslocamento, pode contribuir para reverter esta preocupante tendência.

Desenvolvimento de algoritmo de controle de tração para regeneração de energia metroviária - ACTREM: melhoria da eficiência energética de sistemas de tração metroviária.

Esta tese propõe um modelo de regeneração de energia metroviária, baseado no controle de paradas e partidas do trem ao longo de sua viagem, com o aproveitamento da energia proveniente da frenagem regenerativa no sistema de tração. O objetivo é otimizar o consumo de energia, promover maior eficiência, na perspectiva de uma gestão sustentável. Aplicando o Algoritmo Genético (GA) para obter a melhor configuração de tráfego dos trens, a pesquisa desenvolve e testa o Algoritmo de Controle de Tração para Regeneração de Energia Metroviária (ACTREM), usando a Linguagem de programação C++. Para analisar o desempenho do algoritmo de controle ACTREM no aumento da eficiência energética, foram realizadas quinze simulações da aplicação do ACTREM na linha 4 - Amarela do metrô da cidade de São Paulo. Essas simulações demonstraram a eficiência do ACTREM para gerar, automaticamente, os diagramas horários otimizados para uma economia de energia nos sistemas metroviários, levando em consideração as restrições operacionais do sistema, como capacidade máxima de cada trem, tempo total de espera, tempo total de viagem e intervalo entre trens. Os resultados mostram que o algoritmo proposto pode economizar 9,5% da energia e não provocar impactos relevantes na capacidade de transporte de passageiros do sistema. Ainda sugerem possíveis continuidades de estudos.

Accident trend monitoring and exploratory analysis. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, National Center for Statistics and Analysis, Washington, D.C.

Highway travel: 1970-2000. Final report.

Federal Highway Administration, Washington, D.C.

State of the art: residential traffic management.

Federal Highway Administration, Office of Research, Washington, D.C.

An examination of the effects of the lowered maximum speed limit and fuel shortages in North Carolina. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Tourist traffic in small historic cities: analysis, strategies, and recommendations. Final report.

Transportation Department, Office of University Research, Washington, D.C.

User guide for removal of not needed traffic signals.

Federal Highway Administration, Washington, D.C.

An analysis of some traffic problems on the campus of the University of California, Santa Barbara.

Mode of access: Internet.