Methodology for optimal design of efficient air transport network in a competitive environment
Authors:   , Trapote Barreira César 
Published: October 2023

This thesis aims to dissert about air transport network design taking into consideration the current needs about efficiency in a very competitive industry. The main focus for this work is the airline's point of view and for this reason is going to be common to talk about profitability.
A methodology is proposed to analyse current networks and to introduce modifications. First, an analytical approach is proposed with the aim to understand better the interaction of key parameters in network design at strategical level. Analyitical models demonstrate to be very useful because with a few parameters it is possible to decide if point to point or hub and spoke configuration suits better for an airline, given a set of supply conditions. Furthermore, the performance of networks with stopover configuration is tested, basically because for long routes with low demand this newtorks work well, how it was demonstrated by public transport systems. The differenciation of this research, compared against previous studies, is to include the performance of new entrant airlines in the industry. This aspect is carried out evaluating accurately the impact of fixed costs in the evaluation of cost operators. Despite airlines tend to consider aircraft ownership costs and labor costs as variable ones, they are not. They had an important impact in profit and loss account. A bad utilitzation factor of airplane or crew staff is very undesirable for operator and it can consider do not operate new routes if the resources are not well used.
Secondly, analytical models are powerful but it is not possible to evaluate accurately the daily operational aspects for real networks with real flight schedules because these models take into consideration average values of some parameters. For this reason, this thesis develops a Tabu search algorithm to carry out airline network planning, based on linear models of each different planning problem. To do this contribution, these models are developed before for linear programming and they are solved with a combination of complete enumeration algorithm and exhaustive search algorithm. Both algorithms provide exact solution or global optimum for any problem statement. Later, Tabu search algorithm improves performance of searching with lower computational cost. The main conclusion is that Tabu developed is a better tool for airline planning than exact techniques because of lower times of computation. This performs better for large networks that, finally, are real networks. However, exact techniques could be interesting for small airlines that can be start-ups.
Third, one of main reasons to develop a quantification of costs for managing airlines is due to the problem of complexity in networks. With the growth of air transportation and congestion at airports, primary or reactionary delays become higher day after day. Reactiveness of network depends of configuration and planning. Airlines manages it with extra reources, one way is allocating buffer times in flight schedule and other is having aircrafts at ground at main bases to enter in service and recover flight plans. Airline network design, planning and efficient algorithms are key assets to provide robustness for airlines.
Finally, driving airlines in high competitive environments are difficult. Running low costs is the main decision for managers. However, analysing the problem from theory game point of view, allows finding key reasons to support this argument. First, a Stakelberg model is defined for two competing airlines. This model demonstrates that a war on frequencies or fares damages both competitors. Furthermore, a Cournot model it is shown and it proposes a navigation fee attending to correct utilization of capacity. Both models are a theoretical framework but demonstrate consistency and encourage further investigations.

El diseño de redes de transporte aéreo es un factor clave de eficiencia en una industria altamente competitiva. A pesar de que la rentabilidad es de suma importancia, el sistema considera la experiencia del usuario y los beneficios sociales para obtener un óptimo global. Un enfoque analítico permite derivar principios de diseño de redes de transporte aéreo: la tesis muestra cómo unas pocas variables y sus interacciones explican los factores clave del diseño de la red a nivel estratégico. Los servicios punto-a-punto muestran supremacía en las redes simples y para demandas altas y compensadas, una configuración con escalas es adecuada para rutas lejanas con poca demanda, y las operaciones hub and spoke mejoran las dos estrategias anteriores para redes grandes, cuando la demanda es baja o cuando las frecuencias son altas, pero son más
sensibles a la propagación de demoras.
El enfoque analítico permite prever el comportamiento de nuevas compañías aéreas entrando en el sector. El modelo incluye costes fijos de propiedad del avión y laborales (al contrario de las hipótesis habituales de la industria, que trabaja con costes variables), puesto que tienen un impacto importante en la cuenta de resultados.
Una vez se han derivado guías de diseño, la tesis formula un planteamiento más realista del diseño de redes de transporte aéreo basado en programación matemática lineal, que se resuelve con una combinación del Algoritmo de Enumeración Completa y el Algoritmo de Búsqueda Exhaustiva (ambos proporcionan la solución exacta o un óptimo global para cualquier planteamiento del problema). El modelo incluye asignación de flotas, rutas de aeronaves y programación de tripulaciones. Mientras que los algoritmos exactos son apropiados para aerolíneas pequeñas, los
problemas más grandes necesitan Búsqueda Tabú.
El crecimiento del transporte aéreo y la congestión en los aeropuertos (a veces propiciada por las operaciones hub&spoke) pueden afectar las demoras con un efecto de bola de nieve o látigo; sin embargo el análisis de la complejidad de la red aérea puede incrementar la resiliencia de las
operaciones. Un buen diseño de la red aérea, una buena planificación y unos algoritmos eficientes, son aspectos clave para proporcionar fiabilidad a las aerolíneas y así reducir los recursos inactivos asociados a “colchones de tiempo” (en los horarios de los vuelos) y/o en aviones “de reserva” en la plataforma para recuperar planes de vuelo. El “acolchado” mejora la percepción de la calidad por parte del pasajero, pero con un control activo del horario de vuelos puede conseguirse la misma percepción con costes menores.
El entorno competitivo de las aerolíneas se analiza con teoría de juegos: un modelo de Stakelberg para dos aerolíneas competidoras muestra que una guerra de frecuencias o tarifas es perjudicial para ambas aerolíneas. Un modelo Cournot propone una tasa de navegación y de congestión según la correcta utilización de la capacidad. Vuelos (de la misma alianza) a lo largo del mundo con escalas en los hubs principales se proponen como investigación futura