Comparison of bus network structures versus urban dispersion : a monocentric analytical approach : evidences from Barcelona's bus network
Authors:   , Badia Rodríguez Hugo 
Published: July 2023

This thesis discusses which transit network structure is the best option to serve urban mobility. As a consequence of the evolution of urban form, cities have undergone a dispersion process of their activities. This fact has caused a change in mobility needs in the last few decades. Mobility networks and services should progressively adapt to the new demand patterns, especially the bus transit network, which has more flexibility to reorganize the deployment of resources at an affordable cost. Three base transit network structures are compared: a radial scheme, a direct trip-based network, and a transfer-based system. An analytical model is used to estimate the behavior of these structures for idealized monocentric mobility patterns with several degrees of concentration. This is made atop two street patterns, grid and ring-radial.
The thesis aimed at determining the right range of situations for the applicability of each bus network structure, and providing guidelines about the transit network planning process. It turns out that the best structure is not always the same, and depends on the mobility spatial pattern. A radial network is the best alternative in very concentrated cities; however, a direct trip-based system is more suitable for intermediate degrees of dispersion. A transfer-based structure is the best option when the activities are more decentralized. Nevertheless, the decentralization degree that justifies a specific transit structure is not constant. This degree depends on the characteristics of the city, transport technology and users. The street pattern atop the network is designed also affects on the range of applicability, especially on the cut-off point between direct services and transfer-based networks. However, the different network structures follow the same behavior in front of urban dispersion and changes on input parameters in both street patterns.
The analysis of O-D matrixes gives a first approximation about in which decentralized scenario a city is. Therefore, given that decentralization, the arising question is what network structure is the most suitable alternative for its transit system. Barcelona (Spain) is an instance where a change of bus network structure from direct services to a transfer-based scheme is justified. The analytical network design model is applied to design a transfer-based bus network for this city. The eventually proposed network, called the Nova Xarxa, covers the whole city by 28 corridors. The final design improves the level of service, reducing by 4.12% total travel time for the pre-existing bus demand. However, the new bus network design has an important handicap, a greater number of transfers.
The Nova Xarxa is being deployed in a multiple-step implementation process. It is an opportunity to test the conventional wisdom that states that transit riders are averse to transfers and that consequently bus networks should be designed to limit their number. This thesis examines data from the first three deployment phases of the Nova Xarxa. It is found that the lines of the Nova Xarxa are already carrying more passengers than the old lines they replaced. Furthermore, this demand has increased disproportionately with the number of lines opened for service in each phase, revealing the existence of network effect. At the end of 2015, the percentage of trips that involved a transfer was approximately 26%, and it will reach 44% once the Nova Xarxa is completed in 2018.
Esta tesis analiza que estructura de red de transporte público es la mejor opción para servir la movilidad urbana. Como consecuencia de la evolución de la estructura urbana, las ciudades han experimentado un proceso de dispersión de sus actividades. Este hecho ha causado un cambio en la necesidades de movilidad en las últimas décadas. Las redes y servicios de movilidad deben progresivamente adaptarse a los nuevos patrones de demanda, especialmente la red de transporte público de autobús, la cual tiene más flexibilidad para reorganizar la utilización de los recursos a un coste razonable. Tres estructuras base de red de transporte público son comparadas: un esquema radial, una red basada en conexiones directas, y un sistema basado en transferencias. Un modelo analítico es usado para estimar el comportamiento de estas estructuras para idealizados patrones monocéntricos de movilidad con diferentes grados de concentración. Esto es realizado sobre dos patrones de calles, una malla rectangular y otra radial-circular.
La tesis pretendía determinar el correcto rango de situaciones para la aplicabilidad de cada estructura de red de autobuses, y proporcionar directrices sobre el proceso de planificación de la red de transporte público. Resulta que la mejor estructura no siempre es la misma, y depende del patrón espacial de la movilidad. Una red radial es la mejor alternativa en ciudades muy
concentradas; sin embargo, un sistema basado en viajes directos es más adecuado para grados intermedios de dispersión. Una estructura basada en la transferencia es la mejor opción cuando las actividades están más descentralizadas. Sin embargo, el grado de descentralización que justifica una estructura específica de transporte público no es constante. Este grado depende de
las características de la ciudad, la tecnología del transporte y los usuarios. El patrón de calles sobre el que la red está diseñada también afecta al rango de aplicabilidad, especialmente al punto de cambio entre los servicios directos y redes basadas en transferencias. Aún así, las diferentes estructuras de red siguen el mismo comportamiento frente a la dispersión urbana y
cambios en los parámetros de entrada en ambos patrones de calles.
El análisis de matrices O-D da una primera aproximación sobre en qué escenario de descentralización una ciudad se encuentra. Por lo tanto, dada esta descentralización, la pregunta que surge es qué estructura de red es la alternativa más adecuada para su sistema de transporte público. Barcelona (España) es un ejemplo donde se justifica un cambio de estructura de red de autobuses desde servicios directos a un esquema basado en transferencias. El modelo analítico para el diseño de red se aplica para diseñar una red de autobuses basada en transferencias para esta ciudad. Esto proporciona un plan de diseño que se utiliza como objetivo para desarrollar un plan maestro real detallado. La red finalmente propuesta, denominada Nova Xarxa, cubre toda
la ciudad con 28 corredores de fácil comprensión, líneas no tortuosas, frecuencias más altas y puntos de transferencia ubicuos. El diseño final mejora el nivel de servicio, reduciendo un 4.12% el tiempo total de viaje de la demanda del autobús preexistente. Sin embargo, el nuevo diseño de la red de autobuses tiene una desventaja importante, un mayor número de transferencias.
La Nova Xarxa está siendo desplegada en base a un proceso de implementación de varias etapas. Es una oportunidad para poner a prueba la sabiduría convencional que indica que los usuarios del transporte público son reacios a transferir y que en consecuencia las redes de autobuses deben ser diseñadas para limitar su número. Con el fin de responder a esta pregunta, esta tesis analiza datos de las tres primeras fases de despliegue de la Nova Xarxa. Se halla que las líneas de la Nova Xarxa ya están llevando más pasajeros que las viejas líneas que reemplazaron.
Además, esta demanda se ha incrementado de manera desproporcionada con el número de líneas implementadas en cada fase, revelando la existencia del efecto red. A finales de 2015, el porcentaje de viajes que suponían una transferencia fue de aproximadamente un 26%, y alcanzará el 44% una vez que se haya completado la Nova Xarxa en 2018. Por lo tanto, los
números desmienten la sabiduría convencional.
Aquesta tesi analitza quina estructura de xarxa de transport públic és la millor opció per servir la mobilitat urbana. Com a conseqüència de l'evolució de l'estructura urbana, les ciutats han experimentat un procés de dispersió de les seves activitats. Aquest fet ha causat un canvi en les necessitats de la mobilitat a les últimes dècades. Les xarxes i serveis de mobilitat deuen progressivament adaptar-se als nous patrons de demanda, especialment la xarxa de transport públic d'autobús, la qual té més flexibilitat per reorganitzar la utilització dels recursos a un cost raonable. Tres estructures base de xarxa de transport públic són comparades: un esquema radial, una xarxa basada en connexions directes, i un sistema basat en transferències. Un model analític és utilitzat per estimar el comportament d'aquestes estructures per idealitzats patrons monocèntrics de mobilitat amb diferents graus de concentració. Això és realitzat sobre dos patrons de carrers, una malla rectangular i una altra radial-circular.
La tesi pretenia determinar el correcte rang de situacions per l'aplicabilitat de cada estructura de xarxa d'autobusos, i proporcionar directrius sobre el procés de planificació de la xarxa de transport públic. Resulta que la millor estructura no sempre és la mateixa, i depèn del patró espacial de la mobilitat. Una xarxa radial és la millor alternativa en ciutats molt concentrades; no obstant això, un sistema basat en viatges directes és més adequat per graus intermedis de dispersió. Una estructura basada en transferències és la millor opció quan les activitats estan més descentralitzades. Encara que el grau de descentralització que justifica una estructura específica de transport públic no és constant. Aquest grau depèn de les característiques de la ciutat, la tecnologia del transport i els usuaris. El patró de carrers sobre el que la xarxa està dissenyada també afecta el rang d'aplicabilitat, especialment al punt de canvi entre els serveis directes i xarxes basades en transferències. No obstant això, les diferents estructures de xarxa segueixen el mateix comportament enfront de la dispersió urbana i canvis en els paràmetres d'entrada en tots dos patrons de carrers.
L'anàlisi de matrius O-D dóna una primera aproximació sobre en què escenari de descentralització una ciutat es troba. Per tant, donada aquesta descentralització, la pregunta que sorgeix és quina estructura de xarxa és l'alternativa més adient pel seu sistema de transport públic. Barcelona (Espanya) és un exemple a on es justifica un canvi d'estructura de xarxa d'autobusos des de serveis directes a un esquema basat en transferències. El model analític per al disseny de xarxa s'aplica per dissenyar una xarxa d'autobusos basada en transferències per aquesta ciutat. Això proporciona un pla de disseny que s'utilitza com a objectiu per desenvolupar un pla mestre real detallat. La xarxa finalment proposada, denominada Nova Xarxa cobreix tota la ciutat amb 28 corredors de fàcil comprensió, línies no tortuoses, freqüències més altes i punts de transferència ubics. El disseny final millora el nivell de servei,
reduint un 4.12% el temps total de viatge de la demanda de l'autobús preexistent. No obstant això, el nou disseny de la xarxa d'autobusos té un desavantatge important, un major nombre de transferències.
La Nova Xarxa està sent desplegada d'acord amb un procés d'implementació de diverses etapes.
És una oportunitat per posar a prova la saviesa convencional que indica que els usuaris del transport públic són reticents a transferir i que en conseqüència les xarxes d'autobusos deuen ser dissenyades per limitar el seu nombre. Amb la finalitat de respondre a aquesta pregunta, aquesta tesi analitza les dades de les tres primeres fases de desplegament de la Nova Xarxa. Es troba que les línies de la Nova Xarxa ja estan portant més passatgers que les velles línies que van reemplaçar. A més, aquesta demanda s'ha incrementat de manera desproporcionada amb el
nombre de línies implementades en cada fase, revelant l'existència de l'efecte xarxa. A finals del 2015, el percentatge de viatges que suposaven una transferència va ser d'aproximadament un 26%, i assolirà el 44% una vegada que s'hagi completat la Nova Xarxa en 2018. Per tant, els nombres desmenteixen la saviesa convencional.