Design of bike networks adaptive to heterogeneous demands and the needs of social groups. Case study: bike mobility networks for the cities of Quito and Guayaquil, Ecuador
Authors:   , Caicedo Mafla María Angélica 
Published: January 2025

(English) Bike’s recognition as a vital form of urban transportation underscores its capacity to enhance mobility, improve quality of life, and address several urban challenges such as air pollution, traffic congestion, and greenhouse gas emissions. This thesis explores bike’s potential, emphasizing the importance of developing infrastructure, involving the community in mobility planning, and promoting policies to maximize its benefits.

The study employs a dual-pronged approach to investigate the complexities of integrating cycling into urban transportation systems. It applies a sociological perspective to identify and assess barriers to bike use and their relationship with urban characteristics. Using ordered probit models, factors such as road insecurity, linked to the lack of adequate bike infrastructure, and topography, are highlighted. Concurrently, an engineering perspective guides the design of cycling networks to cater to varied demand, user types (differentiated by bike ownership and vehicle type), and topographies, reflecting real-world conditions. The optimal bike network results from minimizing the general system costs, including both agency and user costs. For flat terrains, continuous approximation techniques optimize network efficiency and accessibility, considering the heterogeneous demand and various user types, based on bike ownership and travel chains. In contrast, for cities with varied topographies, discrete approaches incorporate topographical elements into the model. Network performance and structure are evaluated based on two route selection criteria based on vehicle type: minimizing energy for traditional bike users and minimizing time for e-bike users. This engineering perspective aims to develop cycling networks that are practical and responsive to the diverse needs of urban dwellers.

The methods are empirically validated through case studies in Quito and Guayaquil, Ecuador, showcasing their efficacy in developing adaptive bike networks tailored to diverse urban contexts, thereby significantly enhancing bike mobility across varied settings.

The study's findings indicate that the network's layout, including lane spacing and station locations, is primarily influenced by the concentration of trip origins and destinations rather than topography. However, topography does affect route selection, which in turn influences flow distribution and infrastructure utilization. Moreover, the variation in trip distribution across different user types has a minimal impact on the network's lane configuration but significantly affects the number of bike-sharing stations and fleet size. The necessity for a safety stock at each station leads to an oversized fleet, increasing agency costs. Despite being an individual mode of transport, the study highlights that bike-sharing systems benefit from economies of scale. As demand increases and becomes more concentrated, the cost per user decreases, resulting in denser lane networks and improved network efficiency. E-bikes emerge as a viable solution for overcoming topographical barriers, offering a significant advantage in areas with steep slopes. For instance, where users of traditional bikes might need to walk, thereby increasing overall journey times, e-bike users experience reduced travel times and physical exertion, making e-bikes efficient in urban contexts with varied topographies.

Future research directions and policy recommendations are proposed, highlighting the importance of a holistic and adaptive approach to bike mobility planning. This includes integrating diverse weather-related variables, exploring other personal mobility vehicles (PMVs), and employing robust datasets to inform sustainable urban transport strategies.

(Català) Reconèixer la bicicleta com a clau en el transport urbà destaca el seu potencial per millorar la mobilitat, la qualitat de vida i mitigar diversos reptes urbans. Aquesta tesi explora el seu potencial, emfatitzant la necessitat de crear infraestructures
ciclistes, implicar la comunitat en la planificació de la mobilitat i promoure polítiques per aprofitar els seus beneficis. L'estudi utilitza un enfocament dual per investigar les complexitats d'integrar la bici en els sistemes de transport urbà. Aplica
una perspectiva sociològica per identificar i avaluar les barreres a l'ús de la bici i la seva relació amb les característiques urbanes. A partir de l'ús de models de pròbit ordenats, es destaquen factors com la inseguretat viària, vinculada a la manca d'infraestructures ciclistes adequades, i la topografia. Al mateix temps, una perspectiva d'enginyeria guia el disseny de xarxes ciclistes per satisfer la demanda variada, els tipus d'usuaris (diferenciats per la propietat de la bici i el tipus de vehicle), i les topografies, que reflecteixen les condicions del món real. La xarxa ciclista òptima resulta de minimitzar els costos generals del sistema (costos d'agència + costos d'usuari). Per als terrenys plans, s'utilitzen tècniques d'aproximació contínua per optimitzar l'eficiència i l'accessibilitat de la xarxa, considerant la demanda heterogènia i els diversos tipus d'usuaris. En canvi, per a les ciutats amb topografies variades, els enfocaments discrets incorporen elements topogràfics al model. El rendiment i l'estructura de la xarxa s'avaluen a partir de dos criteris de selecció de rutes en funció del tipus de vehicle: minimitzar l'energia per als usuaris de bicis mecàniques i minimitzar el temps per als usuaris de bicis elèctriques.
Aquesta perspectiva d'enginyeria té com objectiu desenvolupar xarxes ciclistes que siguin pràctiques i responguin a les
diverses necessitats dels habitants. Les metodologies es validen empíricament a través d'estudis de casos a Quito i
Guayaquil, Equador, demostrant la seva eficàcia en el desenvolupament de xarxes ciclistes adaptatives a contextos urbans
diversos, millorant significativament la mobilitat ciclista en entorns variats.
Els resultats de l'estudi indiquen que l'estructura de la xarxa, incloent l'espaiat entre carrils i les ubicacions de les estacions,
està principalment influenciada per la concentració d'orígens i destinacions del viatge en lloc de la topografia. Tanmateix, la
topografia sí afecta la selecció de rutes, que al seu torn influeix en la distribució del flux i la utilització de la infraestructura. A
més, la variació en la distribució de viatges entre diferents tipus d'usuari té un impacte mínim en la configuració de la xarxa,
però afecta significativament el nombre d'estacions i la mida de la flota. La necessitat d'un estoc de seguretat a cada estaci ó
comporta una flota de grans dimensions, augmentant els costos d'agència. Tot i ser un mitjà de transport individual, l'estudi
destaca que els sistemes de bicis compartides es beneficien d'economies d'escala. A mesura que la demanda creix i es
concentra més, el cost per usuari disminueix, donant lloc a xarxes més denses i eficients. Les e-bikes sorgeixen com una
solució viable per superar les barreres topogràfiques, oferint un avantatge significatiu en zones amb forts desnivells. Per
exemple, quan els usuaris de bicis tradicionals necessiten caminar, augmentant així els temps total de viatge, els usuaris
de e-bikes experimenten temps de viatge i esforç físic reduïts.
Es proposen futures direccions de recerca i recomanacions de polítiques públiques, destacant la importància d'un
enfocament holístic i adaptatiu per a la planificació de la mobilitat en bici. Això inclou la integració de diverses variables
relacionades amb el temps (per exemple, la pluja o la velocitat del vent), l'exploració d'altres vehicles de mobilitat personal
(VMP) i l'ús de conjunts de dades sòlids per dissenyar estratègies per al transport urbà sostenible.

(Español) Reconocer la bicicleta como un elemento clave en el ecosistema de transporte urbano, destaca su capacidad para mejorar la movilidad, la calidad de vida y mitigar varios retos urbanos. Esta tesis explora el potencial de la bici, enfatizando la necesidad de desarrollar infraestructura, involucrar a la comunidad en la planificación de la movilidad, y la promoción de políticas para maximizar sus ventajas.

El estudio emplea un enfoque doble para investigar la integración de la bici en los sistemas de transporte urbano. Por un lado, aplica una perspectiva sociológica para identificar y evaluar las barreras al uso de la bici y su relación con las características urbanas. Utilizando modelos probit ordenados, se destacan factores como la inseguridad vial, vinculada a la falta de infraestructura adecuada, y la topografía. Al mismo tiempo, una perspectiva ingenieril guía el diseño de redes ciclistas para satisfacer diversas demandas, tipos de usuarios y topografías, reflejando condiciones del mundo real. La red ciclista óptima resulta de minimizar los costos generales del sistema, incluidos costos de agencia y de usuario. Para ciudades con topografía llana, se utilizan técnicas de aproximación continua para optimizar la eficiencia y accesibilidad de la red, considerando la demanda heterogénea y diversos tipos de usuarios. Para ciudades con topografías variadas, enfoques discretos incorporan elementos topográficos. El rendimiento y la estructura de la red se evalúan en función de dos criterios de selección de rutas según el tipo de vehículo: minimizar la energía para usuarios de bicis tradicionales y minimizar el tiempo para usuarios de bicis eléctricas. Esta perspectiva ingenieril busca desarrollar redes ciclistas prácticas que respondan a las diversas necesidades de los habitantes urbanos.

Los métodos validados empíricamente en estudios de caso en Quito y Guayaquil, Ecuador, demostraron su eficacia en el desarrollo de redes ciclistas adaptativas a diversos contextos urbanos, mejorando la movilidad en bici en diversos entornos. Los hallazgos indican que el diseño de la red, incluido el espaciado entre carriles y la ubicación de las estaciones, está influenciado principalmente por la concentración de orígenes y destinos de viajes más que por la topografía. Sin embargo, la topografía sí afecta la selección de rutas, lo que a su vez influye en la distribución de los flujos y la utilización de la infraestructura. Además, la variación en la distribución de viajes entre diferentes tipos de usuarios tiene un impacto mínimo en la configuración de los carriles, pero afecta significativamente el número de estaciones y el tamaño de la flota. La necesidad de contar con un stock de seguridad en cada estación genera una flota sobredimensionada, aumentando los costos de agencia. A pesar de ser un modo de transporte individual, el estudio destaca que los sistemas de bicis compartidas se benefician de economías de escala. A medida que la demanda crece y se concentra, el costo por usuario disminuye, resultando en redes de carriles más densas eficientes. Las e-bikes surgen como una solución viable para superar barreras topográficas, ofreciendo una ventaja significativa en zonas con pendientes pronunciadas. Por ejemplo, mientras que los usuarios de bicis tradicionales pueden necesitar caminar, aumentando así sus tiempos generales de viaje, los usuarios de e-bikes experimentan una reducción de los tiempos de viaje y del esfuerzo físico, haciendo que las bicis eléctricas sean eficientes en contextos urbanos con topografías variadas.

Líneas de investigación futura y recomendaciones de políticas destacan la importancia de un enfoque holístico y adaptativo para la planificación de la movilidad en bici. Esto incluye explorar otras variables relacionadas con el clima (por ejemplo, la lluvia o la velocidad del viento), otros vehículos de movilidad personal y emplear conjuntos de datos sólidos para desarrollar estrategias de transporte urbano sostenible.