Michigan gestaltete sein Campus-Busnetz als Hub-and-Spoke-Netz um, um Busse halb besetzt fahren zu lassen

Als COVID ausbrach, stand das Campus-Bussystem der University of Michigan vor einem Widerspruch: Die Abstandsregeln des Bundesstaates begrenzten die Busse auf etwa die Hälfte der Sitzplätze, doch der Campus musste weiterhin dieselben Studierenden mit derselben Flotte befördern. Die naheliegende Reaktion wäre gewesen, die Taktung zu reduzieren und die Wartezeiten explodieren zu lassen.

Ein Team aus der Abteilung für Industrie- und Operations Engineering der UMich baute stattdessen das Netz um. Es entwickelte Mixed-Integer-Programming-Modelle, die die Neugestaltung von Linien und Fahrplänen in ein Hub-and-Spoke-Problem überführten, und nutzte reale Daten zu den Aktivitäten der Studierenden, um zu entscheiden, wo Hubs liegen sollten und welche Haltestellen die neuen Linien bedienen würden.

Die Designregeln kodierten die Sicherheitsvorgaben direkt: Jede neue Linie musste von Ende zu Ende unter 15 Minuten liegen, Busse durften mit höchstens 50 % Sitzplatzkapazität fahren, und die Gesamtzahl der Busse blieb dieselbe wie vor der Pandemie. Eine Monte-Carlo-Simulation sampelte Schwankungen der Spitzennachfrage, Änderungen der Abstandsvorgaben und Busausfälle, um den Plan vor dem Start einem Stresstest zu unterziehen.

Die Universität setzte die neuen Hub-and-Spoke-Linien und -Fahrpläne für das Studienjahr 2020-21 um und ließ halbleere Busse auf kürzeren Linien fahren, während die Flotte konstant blieb — sie tauschte ein neu gestaltetes Netz gegen das ein, was sonst ein Zusammenbruch des Angebots gewesen wäre.

Die Netztopologie neu gestalten, statt das Angebot zu kürzen

Hub-and-Spoke bündelt Verkehrsströme dort, wo Kapazität vorhanden ist: Unter einer harten Obergrenze von 50 % der Sitzplätze können Fahrgäste über Hubs geleitet werden, sodass jeder Bus seine gedeckelte Auslastung erreicht, statt auf direkten Linien halb voll zu fahren.

Reale Daten zu den Aktivitäten der Studierenden fundierten das Modell: Die Hub-Platzierung ergab sich daraus, wo sich Studierende tatsächlich bewegen, nicht aus administrativen Vermutungen über die Campus-Nachfrage.

Simulation vor dem Einsatz: Gesampelte Szenarien zu Nachfragespitzen, Abstandsregeln und Ausfällen machten den Plan widerstandsfähig, bevor auch nur eine Linie geändert wurde — das ermöglichte es der Universität, sich darauf festzulegen.

Die Flotte blieb unverändert: Indem die Busanzahl konstant gehalten wurde, kostete das Design nur Umlagerungsaufwand — entscheidend, als Beschaffung und Personalplanung mitten in der Pandemie eingefroren waren.

Wenn eine Vorgabe das alte Netz undurchführbar macht, kann die Antwort eine neue Topologie statt eines geringeren Angebots sein: Optimieren Sie, welche Hubs Verkehrsströme bündeln, und die Taktung überlebt dort, wo Linien es nicht können.

Die neuen Linien waren während des Studienjahres 2020-21 an der University of Michigan in Betrieb. Das Team unter Leitung von Professorin Siqian Shen mit Gongyu Chen, Xinyu Fei, Huiwen Jia und Xian Yu veröffentlichte die Modelle und Simulationsergebnisse in der Sonderausgabe des INFORMS Journal on Applied Analytics zu analytischen Lösungen für COVID-19 (November 2022), mit Unterstützung der National Science Foundation, und beschrieb den Hub-and-Spoke-Ansatz als Vorlage für jedes Verkehrssystem, das gezwungen ist, unter Abstandsvorgaben zu operieren.