Enfoque de sostenibilidad en el diseño de rutas tiempo-dependientes para el transporte escolar urbano desde el cargue mixto

Abstract

In this research, the sustainability approach is used in the design of time-dependent routes for urban school transport from the mixed load, in this a comparison is made between the mixed load and the simple load, considering the social, environmental and economic aspects, to contrast the proposed hypothesis, which states that mixed loading in the presence of dependent times has scenarios in which it presents better sustainability performances, compared to simple loading. For the validation of the hypothesis, a mathematical model was formulated, in which in addition to cost, measures of social and environmental performance were proposed. The social focus was on reducing the risk associated with assigning children to stops, the risk on the road, and minimizing the time between the time of leaving home and the start time of classes at school, this time It includes the travel time and the time the child waits in school before the day begins. The environmental aspect materialized in the reduction of CO2 emissions. The formulated model includes the dependent times in the school bus routing problem, restrictions are activated or deactivated that allow addressing the problem with either mixed or single load. As a strategy to solve the multi-objective problem, epsilon constraints are used for small instances and for larger instances, a multi-objective algorithm is used, based on iterative local search with intelligent perturbations, which are derived from solving mathematical models that seek to preserve diversity. And the extremes in each new perturbation. As a main conclusion, it is found that the mixed load presents better results in sustainability compared to the simple load, in the scenarios in which there is a contrast difference in the dependent times between schools and the dependent times between stops. The specific scenarios in which this situation occurs are: when the dependent times between schools are low and the times between stops are medium and high; and when the dependent times between schools are high and the times between stops are low or medium. The above is explained to the extent that the benefits of doing a smaller routing in the pickups and extending the routing a little in the deliveries and vice versa can be consolidated. The main contribution of the present investigation is the consideration of the school bus routing problem from the sustainability perspective. On the other hand, the consideration of risk as a social dimension is proposed as another contribution. Dependent times are also introduced in the problem as a better approximation to SBRP in urban settings; and finally, an Intelligent Local Search, ILS, smart with multiple neighborhoods and perturbances derived from an optimization process.

La población mundial al 2018 fue alrededor de 7500 millones de habitantes (Central Intelligence Agency , 2018), de los cuales se estima que el 20% son población en edad escolar (Fondo de las Naciones Unidas para la Infancia, 2016). Si bien es cierto, es deseable que los centros de estudio sean cercanos a los lugares de residencia, para que los niños pueden llegar al colegio empleando estrategias de transporte activo, las condiciones de las ciudades y del campo hacen que un número importante de niños hagan uso del trasporte motorizado. A hoy, no hay una cifra exacta de cuantos niños van a la escuela en el transporte escolar, pero si tan solo, lo hiciera el 0.5% de los niños en edad escolar, estaríamos hablando de que a diario son transportados alrededor de unos 7.5 millones de niños de sus casas a los colegios y luego de los colegios a las casas. El transporte escolar, más específicamente el diseño de rutas escolares, por lo general ha sido abordado como un problema de eficiencia, en el que se busca dar un mejor uso a los recursos invertidos, esto ha conllevado a que las principales medidas de desempeño sean: la minimización del número de vehículos y la minimización de los costos de transporte (Park & Kim, 2010). Sin embargo, se sabe que los impactos del transporte escolar, van mucho más allá de lo económico (X. b Chen et al., 2015). En particular este problema tiene un gran impacto social, por la naturaleza misma de ser un trasporte de niños. En tal sentido, el tiempo que el niño gasta en la ruta, la seguridad de la misma y el bienestar del niño son aspectos importantes en este problema ya que inciden en la calidad de vida del niño; esto cobra especial relevancia en las grandes ciudades dado que la congestión en el tráfico vehicular, hace que los niños pasen un mayor número de horas en el transporte escolar y que los riesgos en este aumenten. Otra dimensión en la que impacta el transporte escolar es la ambiental, los incrementos en tiempos de viaje, generan un mayor consumo de combustible y una mayor polución atmosférica. El trasporte escolar afecta y se ve afectado por la congestión vehicular, que a su vez genera un ambiente pesado conduciendo a que cada día se arrojen a la atmósfera toneladas de material particulado, hollines compuestos por carbón, azufre y óxido de nitrógeno, todos altamente contaminantes que deterioran la calidad del aire, los cuales conllevan a numerosas enfermedades respiratorias en los ciudadanos. Las cifras demográficas sugieren un incremento importante de las zonas urbanas, lo cual implica mayores desafíos en las ciudades, en especial mayores esfuerzos para hacer de las ciudades y poblados humanos, espacios que sean sostenibles, seguros y resistentes, tal como lo plantean los Objetivos Globales para el Desarrollo Sostenible (Naciones Unidas, 2015). Uno de los desafíos en este contexto es incentivar sistemas de transportes sostenibles que generen una circulación eficiente, a través de acciones que faciliten un mejor desempeño de la movilidad, en lo ambiental y en lo social.

En el problema de ruteo de vehículos escolares (SBRP) se conocen dos estrategias, una estrategia basada en el colegio o cargue simple donde los vehículos recogen niños de un solo colegio. Y la otra estrategia basada en el hogar o carga mixta, donde se pueden recoger niños de diferentes colegios en un mismo vehículo. La estrategia de cargue simple ha sido ampliamente estudiada en la literatura (Park & Kim, 2010), mientras que la estrategia de cargue mixto ha sido menos estudiada y recomendada para entornos rurales, cuando se busca minimizar la distancia total recorrida (Ellegood, Campbell & North, 2015). Sin embargo, en las grandes ciudades, donde el tráfico vehicular genera rutas tiempo–dependientes, es decir, que los tiempos de recorrido de una ruta, dependen del momento en que se inicie el recorrido; la distancia recorrida es insuficiente como medida para valorar el desempeño del cargue mixto, ya que recorrer dicha distancia en diferentes momentos de tiempo, genera variaciones en las medidas de desempeño en las que se puede valorar el transporte escolar. Además, la mayor concentración de niños en las áreas urbanas, los largos tiempos entre las paradas y las escuelas, la concentración de escuelas en zonas alejadas de las viviendas de los niños y la necesidad de incluir objetivos sociales y ambientales, plantean a la carga mixta como una estrategia prometedora bajo estas condiciones. Por tanto, es necesario realizar una comparación entre el cargue mixto y el cargue simple, que permita incluir las tres dimensiones, social, ambiental y económica, de tal modo que se pueda contrastar la hipótesis propuesta en esta investigación, en la que se plantea que el cargue mixto en presencia de tiempos dependientes tiene unos escenarios en los que presenta mejores desempeños en sostenibilidad, en comparación con al cargue simple. Para la validación de la hipótesis, se formuló un modelo matemático, en el que además del costo, se propusieron las medidas de desempeños sociales y ambientales. Lo social se concentró en la reducción del riesgo asociado a la asignación de niños a paradas, el riesgo en la ruta, y en minimizar el tiempo comprendido entre la hora de salida del hogar y la hora de inicio de clases en el colegio, este tiempo incluye, el tiempo de viaje y el tiempo que espera el niño en la escuela antes de que inicie la jornada. Lo ambiental se concretó en la reducción de las emisiones de CO2. EL modelo formulado incluye los tiempos dependientes en el problema de ruteo de buses escolares, se le activan o desactivan restricciones que permiten abordar el problema ya sea con cargue mixto o cargue simple. Como estrategia de solución al problema multi-objetivo se emplea épsilon restricciones para las instancias pequeñas y para instancias más grande se emplea un algoritmo multi objetivo, basado en búsqueda local iterativa con perturbaciones inteligentes, que son derivadas de resolver modelos matemáticos que buscan preservar la diversidad y los extremos en cada nueva perturbación. Como principal conclusión se encuentra que, la carga mixta presenta mejores resultados en sostenibilidad en comparación con la carga simple, en los escenarios en los que existe una diferencia de contraste en los tiempos dependientes entre escuelas y los tiempos dependientes entre paradas. Los escenarios concretos en que se presenta esta situación son: cuando los tiempos dependientes entre las escuelas son bajos y los tiempos entre paradas son medios y altos; y cuando los tiempos dependientes entre escuelas son altos y los tiempos entre las paradas son bajos o medios. Lo anterior se explica en la medida en que se pueden consolidar los beneficios de hacer un ruteo de menor tamaño en las recogidas y extender un poco el ruteo en las entregas y viceversa. La contribución principal de la presente investigación es la consideración del problema de ruteo de buses escolares desde el enfoque de sostenibilidad. Por otro lado, se plantea como otra contribución la consideración del riesgo como una dimensión social. En el problema también se introducen los tiempos dependientes como una mejor aproximación al SBRP en entornos urbanos; y finalmente se plantea una Búsqueda Local Iterativa, ILS, Inteligente con múltiples vecindades y perturbaciones derivadas de un proceso de optimización.