Urban mobility network design : functional analysis and modeling for a concentric city

Cities face problems influencing urban mobility, such as traffic growth, congestion, explosive population growth, urban sprawl. According to the literature, traffic, congestion, and urban development have an interrelationship with each other; traffic is a function of the system of activities attracting travel; activities define urban development and, its planning determines the traffic level and congestion. Thus, urban development requires a simultaneous interaction of its urban structure and transportation systems, contributing to urban mobility efficiency. The research proposes how to adapt infrastructure and land uses to meet the needs for traveling in a city. The above question promotes a balanced design between transportation networks, population distribution, land use, and infrastructure. The main objective is to develop a macroscopic method to identify infrastructure requirements reaching an appropriate service level for mobility and transportation. The methodology bases its formulation on analytical models to deduce critical components of a structural network for a concentric city, considering many dispersed cities set to this urban scheme. These key components must ensure the critical conditions of public and private transportation infrastructure. The Continuous Approximation (CA) method solves the problem based on local cost by using variables defined as densities. The dissertation focuses its research on urban design based on functionality, the role of heterogeneous distributed demand, and design effects on urban structure. The application of the model and obtained results focus on three types of analyzes. First, theoretical case analysis, considering both public and private transportation (multi-subcenter cities reduce total costs between 2.6 and 11.6%). Second, the analysis of a planning measure (subcenters save 3.5% of total costs) and new transportation technology (autonomous vehicles could neutralize the reduction in travel costs and times). Third, the model application to a current city such as Santiago of Chile (the system optimization advises an increment in subway services). Finally, the model, its implementation, analysis, and results prove that it is a promising contribution to planning science. In practice, its application can provide robust approaches to elaborate spatial planning instruments.Las ciudades enfrentan problemas afectando la movilidad urbana, como el aumento vehicular, congestión, crecimiento poblacional explosivo, dispersión urbana. Según la literatura, el tráfico, la congestión y el desarrollo urbano tienen una interrelación entre sí; el tráfico está en función del sistema de actividades atrayendo viajes; las actividades definen el desarrollo urbano y, su planificación determina el nivel de tráfico y congestión. Así, el desarrollo de las ciudades requiere una interacción simultánea de su estructura urbana y los sistemas de transporte, aportando a la eficiencia de la movilidad urbana. La investigación plantea cómo adaptar la infraestructura y los usos de suelo para satisfacer las necesidades para viajar en una ciudad. La pregunta anterior promueve un diseño equilibrado entre las redes de transporte, la distribución poblacional, los usos del suelo y su infraestructura. El objetivo principal es desarrollar un método macroscópico para identificar los requerimientos de infraestructura alcanzando un nivel adecuado de servicio para la movilidad y el transporte. La metodología basa su formulación en modelos analíticos para deducir los componentes críticos de una red estructural de una ciudad concéntrica, considerando que muchas ciudades dispersas se ajustan a este esquema urbano. Estos componentes claves deben garantizar las condiciones críticas de la infraestructura de transporte público y privado. El método de aproximación continua (CA) resuelve el problema sobre la base del costo local utilizando variables definidas como densidades. La investigación centra el trabajo en el diseño urbano basado en la funcionalidad, el papel de la demanda distribuida heterogéneamente y los efectos del diseño en la estructura urbana. La aplicación del modelo y los resultados obtenidos se centran en tres tipos de análisis. Primero, el análisis de casos teóricos para transporte público y privado (ciudades multi-subcentros reducen costos totales entre 2,6 y 11,6%). Segundo, el análisis de una medida de planificación urbana (subcentros ahorran 3,5% de los costos totales) y una nueva tecnología de transporte (vehículos autónomos podría neutralizar la reducción de costos y tiempos de viaje). Tercero, la aplicación del modelo a una ciudad real, Santiago de Chile (optimización del sistema establece aumentar los servicios de Metro). Finalmente, el modelo, su implementación, análisis y resultados demuestran ser un aporte con proyección a la ciencia de la planificación. En la práctica, su aplicación resultados pueden entregar robustas aproximaciones para los instrumentos de ordenación del territorioPostprint (published version