Thumbnail Image

Mitigating negative transport externalities in industrialized and industrializing countries

Agarwal, Amit

The ongoing urbanization process all around the globe is likely to increase transport-related negative externalities e.g., congestion, air pollution, climate change etc. The situation is severe in rapidly expanding cities where the demand for motorized transport is increasing. This has increased the pressure on the policy makers to devise policies to tackle the problem. Derived from the urbanization process, this thesis considers following objectives. 1. Investigation of the policy measures in a simulation framework a) to abate the transport negative externalities while considering the inter-relationship between different externalities and b) to achieve the politically motivated goals. 2. Development of a computationally efficient model to simulated heterogeneous traffic conditions. With the first objectives, the idea is to investigate the policy measures in the context of industrialized nations; this is addressed in the first part of the thesis. In a simulation environment, marginal social cost pricing allows to correct for the inefficiencies due to exclusion of external costs from behavioral decision making process and to derive real-world policy recommendations. The first part investigates and compares the effect of congestion pricing on emissions levels and the effect of emission pricing on congestion levels while considering heterogeneity in the individual attributes and choice behavior. Derived from the inter-relationship between the two externalities, a joint internalization of vehicular congestion and emissions is proposed. It is applied to a real-world scenario of the Munich metropolitan area in Germany. It is found that the joint internalization moves the car transport system towards the optimum, measured by a strong decrease of congestion and emission costs. In this context, it has been shown for analytical models considering more than one externality, that the correlation between the externalities needs to be taken into account. Typically, in order to avoid overpricing, this is performed by introducing correction factors which capture the correlation effect. However, the correlation structure between, say, emission and congestion externalities changes for every congested facility over time of day. Additionally, the possible efficiency gains highly depend on the implicit price elasticity of demand, which again, depends on the availability of substitutes to car travel. For the Munich case study, it is shown that the iterative calculation of prices based on cost estimates from the literature allows to identify the amplitude of the correlation between the two externalities under consideration. Further, at the disaggregated level, the results show that pricing emissions moves individuals to shorter distance routes, whereas pricing congestion pushes towards longer distance routes. That is, despite the correlation between the two externalities, isolated pricing strategies influence route choice behavior by tendency into opposite directions. In real-world politics, policy setting often follows so-called ‘backcasting’ approaches where predefined goals are set, and policy measures are implemented to reach those goals. The first part also presents an parametric approach to identify the gap between toll levels derived from environmental damage cost internalization and toll levels to achieve the political goal of 20% reduction in GHG emissions of transport sector until 2020 with respect to 1990 levels. For this purpose, the damage costs internalization is applied to the scenario of Munich metropolitan area again and shown that the desired reduction in CO2 emissions is not reached. Further application of the parametric internalization approach with damage cost estimates from the literature yields toll levels that are by a factor of 5 too low in order to reach the predefined goal. When aiming at emission costs reductions of 20%, the damage cost estimates are even by a factor of 10 too low. It is shown that the major contribution to the overall emission reduction stems from behavioral changes of (reverse) commuters rather than from urban travelers; under some circumstances, the latter even increase their CO2 emission levels. An economic assessment indicates that a toll equivalent to 5 times of the toll from the damage cost internalization approach increases the system welfare 6 times. The second part treats the second objective mainly in the context of the industrializing nations where mixed traffic conditions prevail. In such conditions, it becomes necessary to develop a heterogeneous traffic flow model to include all vehicle classes while keeping the model equally computationally efficient. In this direction, the second part proposes a fast Spatial Queue Model (SQM) to produce realistic flow dynamics by introducing backward traveling holes for mixed traffic conditions. In the proposed approach, the space freed by a leaving vehicle on the downstream end of the link is not available immediately to the following vehicle, rather depends on the speed of backward traveling holes. This results in triangular Fundamental Diagrams (FDs) for traffic flow such that the slope of the left branch is approximately equal to the minimum of the vehicle speed and link speed whereas the slope of the right branch is approximately equal to the speed of the backward traveling holes. With the help of FDs from the simulation of several vehicle classes, it is demonstrated that as the maximum speed of the vehicle class decreases, the density at which the maximum flow is achieved, increases and the maximum flow decreases. In a similar direction, the second part also introduces the seepage link dynamics to the SQM. The seepage is predominately common on the urban streets of most of the industrializing nations. In this model, due to higher maneuverability and smaller size, smaller vehicles (e.g., bicycle, motorbike) move continuously across the gaps between the stationary or almost stationary vehicles and come in front of the queue to leave prior to other queued vehicles. The FDs from simulation of equal modal split of car and bicycle show that the flow characteristics of bicycle is marginally affected by the presence of cars but on the contrary, the flow characteristics of the car is significantly affected by the presence of bicycles. Further, it has been shown that in a traffic stream, seepage is more effective for faster seep mode (e.g., motorbike) than slower seep mode (e.g., bicycle). Finally, in the second part, a comparison of the computational performances from the simulations using various traffic and link dynamics of the queue model is presented. An additional data structure to maintain the backward traveling holes, increases the average simulation time marginally for all three sample sizes (1%, 10%, 100%). However, the look up for seep mode on every link of the network is appeared to be resource intensive with respect to the other link dynamics of the queue model. The rate of increase in the average simulation time using the seepage link dynamics for different sample sizes is significantly higher than the rate of increase in the average simulation time of other link dynamics of the queue model. The third part integrates the two objectives and presents a real-world scenario of Patna, India with a goal of reduction in emissions externality towards sustainable transport. This part exhibits the steps for demand generation and calibration of the scenario. The urban demand is generated using the trip diaries whereas the external demand is generated using hourly trip counts. For the latter, Cadyts is extended to mixed traffic conditions. To include the diverse income effects in the behavioral decision making process of the individual, the individual income is included in the scoring function. The scenario is calibrated to evaluate the Alternative (mode) specific constants (ASCs) for different modes. The calibrated scenario is used for policy testing. Based on the traffic characteristics and composition, a bicycle superhighway is proposed along the existing railway line. An iterative process is proposed to identify the optimum locations of the connectors between bicycle superhighway and existing network. A whatif policy measure is considered in which motorbike is also allowed on the bicycle superhighway. Both policy measures increase the share of the bicycle significantly. To estimate the emissions for the two policy measures, the Emission Modeling Tool (EMT) is extended to mixed traffic conditions. It is shown that if only bicycle is allowed on the bicycle superhighway, significant reduction in emissions are observed in the inner city. However, as soon as the motorbike is also allowed on it, significant increase in the emissions are observed along the bicycle superhighway in the inner city of Patna which emphasizes the need of enforcements to stop motorbikes on the bicycle superhighway. With this, the third part demonstrates that significant reduction in emissions can be obtained in the situations where a pricing measure is difficult to implement. To summarize, this thesis focuses on the evaluation of policy measures in a simulation framework to extract the valuable information for the policy makers to tackle the problem of negative transport externality in the industrialized nations as well as industrializing nations. For the latter, this thesis also extends a computationally efficient traffic flow model to simulate the heterogeneous traffic conditions. Finally, with several case studies, the thesis shows the scope of devising policy recommendations based on the scenario specifications.
Es ist anzunehmen, dass die aktuell stattfindende globale Urbanisierung negative externe Effekte des Verkehrssektors wie z.B. Stau, Luftverschmutzung sowie den Klimawandel verstärkt. Die Situation ist besonders schwerwiegend in aktuell stark wachsenden Städten, in denen auch die Verkehrsnachfrage steigt. Somit steigt der Druck auf politische Entscheidungsträger Maßnahmen zu ergreifen, um den genannten Problemen entgegenzuwirken. Ausgehend von diesem Spannungsfeld, verfolgt die vorliegende Dissertation folgende Ziele: 1. Die Untersuchung von Maßnahmen in einem Simulationsmodell a) zur Verringerung der negativen externen Effekte unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten der verschiedenen externen Effekte sowie b) zum Erreichen politisch motivierter Ziele. 2. Entwicklung eines laufzeiteffizienten Modells zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen. In Bezug auf das erste Ziel, werden zunächst Maßnahmen im Kontext industrialisierter Länder untersucht; dies stellt den ersten Teil der Dissertation dar. Hierfür wird ein Simulationsmodell verwendet, in welchem eine Bepreisung auf Basis marginaler sozialer Kosten eine Korrektur der Ineffizienzen, die aufgrund der Nichtberücksichtigung von externen Kosten in Entscheidungsprozessen entstehen, ermöglicht und somit die Ableitung von Maßnahmenempfehlungen erlaubt. In diesem ersten Teil der Dissertation wird die Auswirkung von Staubepreisung auf Emissionen sowie die Auswirkung von Emissionsbepreisung auf Stau untersucht und verglichen, wobei die Heterogenität in den Attributen der Individuen sowie in deren Entscheidungsverhalten in Betracht gezogen wird. Auf Basis der beiderseitigen Abhängigkeit zwischen den genannten externen Effekten, wird eine gleichzeitige Internalisierung von Stau- und Emissionseffekten vorgeschlagen. Diese Maßnahme wird in einem realistischen Simulationsszenario für die Metropolregion München angewendet. Es kann gezeigt werden, dass die vorgeschlagene gleichzeitige Internalisierung das Verkehrssystem des motorisierten Individualverkehrs in Richtung des Systemoptimums bewegt, was durch einen starken Rückgang in Stau- und Emissionskosten charakterisiert ist. In diesem Zusammenhang wurde für analytische Modelle, die mehr als einen externen Effekt betrachten, gezeigt, dass die Korrelation zwischen den externen Effekten berücksichtigt werden muss. Um eine Überbepreisung zu vermeiden, werden typischerweise Korrekturfaktoren verwendet, die den Korrelationseffekt aufgreifen. Die Korrelationsstruktur zwischen Emissions- und Stauexternalitäten ändert sich jedoch für jede bestaute Infrastruktur im Laufe des Tages. Weiterhin hängen mögliche Effizienzgewinne stark von der impliziten Preiselastizität der Nachfrage ab, welche wiederum von der Verfügbarkeit von Alternativen zur Fortbewegung mit dem Auto abhängt. Für das München-Szenario wird gezeigt, dass die iterative Berechnung von Preisen auf Basis von Kostenschätzungen aus der Literatur eine Bestimmung des Ausmaßes der Korrelation der beiden berücksichtigten externen Effekte erlaubt. In einer disaggregierten Betrachtung zeigen die Ergebnisse weiterhin, dass eine Emissionsbepreisung die Verkehrsteilnehmer dazu veranlasst kürzere Routen zu wählen, während eine Staubepreisung zur Wahl längerer Routen bewegt. Dies bedeutet, dass trotz der Korrelation beider externer Effekte, isolierte Bepreisungsstrategien das Routenwahlverhalten tendenziell in gegensätzliche Richtungen beeinflussen. In realer Politik basiert die Festlegung von Maßnahmen häufig auf sogenannten Backcasting-Ansätzen, bei denen im Voraus Ziele definiert und Maßnahmen in Kraft gesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Im ersten Teil der Dissertation wir ferner ein parametrischer Ansatz vorgestellt, mit dem der Unterschied zwischen der nötigen Mauthöhe zur Internalisierung der Umweltschadenskosten und der nötigen Mauthöhe zum Erreichen des politischen Ziels einer 20-prozentigen Reduktion von Treibhausgasemissionen (GHG) des Verkehrssektors bis 2020 gegenüber dem Niveau von 1990 ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke wir die Internalisierung der Schadenskosten abermals auf das Szenario für die Metropolregion München angewendet. Es wird gezeigt, dass die gewünschte Reduktion der CO2-Emissionen nicht erreicht wird. Eine weitere Anwendung des parametrischen Internalisierungsansatzes mit Schadenskostenschätzungen aus der Literatur führt zu Mauthöhen, die um einen Faktor 5 zu niedrig sind, um das gesetzte Ziel zu erreichen. Um Reduktionen der Emissionskosten von 20% zu erreichen, sind die Schadenskostenschätzungen sogar um einen Faktor 10 zu niedrig. Es wird gezeigt, dass der Hauptbeitrag zur Emissionsreduktion eher auf Verhaltensänderungen der Auspendler als auf jenen der innerstädtischen Verkehrsteilnehmer basiert; unter bestimmten Umständen erhöht sich sogar der CO2-Ausstoß der Letzteren. Eine ökonomische Untersuchung deutet darauf hin, dass eine Maut, die dem Fünffachen der Maut auf Basis der Schadenskosteninternalisierung entspricht zu einer sechsfachen Steigerung der Wohlfahrt im Gesamtsystem führt. Im zweiten Teil der Dissertation wird das zweite Ziel (Entwicklung eines laufzeiteffizienten Modells zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen) hauptsächlich im Kontext von Entwicklungsländern behandelt, in denen häufig heterogene Verkehrsverhältnisse vorherrschen. Diese Bedingungen erfordern die Entwicklung eines heterogenen Verkehrsflussmodells, um alle Fahrzeugklassen einschließen zu können, während die rechentechnische Effizienz des Modells erhalten bleibt. Daher wird im zweiten Teil der Dissertation ein schnelles Spatial Queue Model (SQM) vorgestellt, mit dem realistische Verkehrsflussdynamiken durch Berücksichtigung sich rückwärtsbewegender Lücken unter heterogenen Verkehrsbedingungen produziert werden. In diesem Ansatz steht der Raum, der frei wird, wenn sich ein Fahrzeug Richtung Ende der Netzwerkkante bewegt, nicht unmittelbar für nachfolgende Fahrzeuge zur Verfügung, sondern hängt vielmehr von der Geschwindigkeit der sich rückwärts bewegenden Lücken ab. Dies führt zu dreiecksförmigen Fundamentaldiagrammen Fundamentaldiagrammen (FDs) des Verkehrsflusses, sodass die Steigung des linken Asts näherungsweise gleich dem Minimum aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Netzwerkkantengeschwindigkeit ist, während die Steigung des rechten Asts näherungsweise gleich der Geschwindigkeit der sich rückwärts bewegenden Lücke ist. Mit Hilfe der FDs der Simulation verschiedener Fahrzeugklassen wird gezeigt, dass mit abnehmender Höchstgeschwindigkeit der Fahrzeugklasse die Dichte, bei der der höchste Verkehrsfluss erreicht wird, steigt und der maximale Verkehrsfluss sinkt. Mit einem ähnlichen Ziel werden im zweiten Teil der Disseration ferner sog. Seepage Link Dynamics in das SQM integriert. Seepage (Durchschlängeln) ist ein typisches Phänomen auf urbanen Straßen in den meisten Entwicklungsländern. Seepage beschriebt das Phänomen, dass sich kleinere Fahrzeuge wie bspw. Fahrräder oder Motorräder aufgrund ihrer höheren Manövrierbarkeit und ihrer geringeren Größe kontinuierlich durch die Lücken zwischen stehenden oder fast stehenden anderen Fahrzeugen bewegen und somit zum Ende der Warteschlange vorrücken und diese vor den anderen Fahrzeugen verlassen. Die FDs von Simulationen mit gleichem Modal Split von Autos und Fahrrädern zeigen, dass die Flusseigenschaften der Fahrräder nur marginal durch das Vorhandensein von Autos beeinflusst werden, während die Flusseigenschaften von Autos signifikant durch das Vorhandensein von Fahrrädern beeinflusst werden. Weiterhin wurde für einen Verkehrsstrom gezeigt, dass Seepage effizienter für schnellere Verkehrsmittel wie z.B. Motorräder ist als für langsamere. Schließlich wird im zweiten Teil der Dissertation ein Vergleich der rechentechnischen Performanz aus verschiedenen Simulationen, in denen die unterschiedlichen Verkehrs- und Kantendynamiken des Queue-Modells verwendet werden, gezogen. Die zusätzliche Datenstruktur zur Behandlung der sich rückwärts bewegenden Lücken erhöht die durchschnittliche Simulationszeit nur marginal in allen drei verwendeten Simulationssamples (1%, 10%, 100%). Die nötigen Zwischenspeicherung zur Berücksichtigung von sich durchschlängelnden Fahrzeugen auf den einzelnen Kanten (Seepage) hingegen stellt sich als ressourcenintensiv im Vergleich zu den sonstigen Kantendynamiken des Queue-Modells dar. Die Steigerungsrate der durchschnittlichen Simulationszeit bei Berücksichtigung von Seepage Link Dynamics ist signifikant höher als die Steigerungsraten der durchschnittlichen Simulationszeit der anderen Linkdynamiken des Queue-Modells. Im dritten Teil der Dissertation werden die beiden Ziele zusammengeführt und anhand eines realistischen Simulationsszenarios für Patna in Indien veranschaulicht mit dem Ziel externe Effekte durch Emissionen zu reduzieren und ein nachhaltiges Verkehrssystem zu erreichen. In diesem Teil der Dissertation werden die Schritte zur Generierung der Verkehrsnachfrage sowie zur Kalibrierung des Szenarios dargelegt. Die städtische Verkehrsnachfrage wird auf Basis von Reisetagebüchern erstellt, während der Pendlerverkehr auf Basis stündlicher Verkehrszählungen generiert wird. Für Zweiteres wird das Kalibrierungstool Calibration od dynamic traffic assignments (Cadyts) zur Berücksichtigung heterogener Verkehrsbedingungen angepasst. Um unterschiedliche Einkommenseffekte in den verhaltensbasierten Entscheidungsprozess der Verkehrsteilnehmer einzubeziehen, wird das individuelle Einkommen in die Bewertungsfunktion integriert. Das Szenario wird kalibriert, um die alternativenspezifische (verkehrsmittelspezifische) Konstante Alternative (mode) specific constants (ASCs) für verschiedenen Verkehrsmittel auszuwerten. Das kalibrierte Szenario wird zur Maßnahmenuntersuchung verwendet. Ausgehend von den Charakteristika des Verkehrsgeschehens und der Zusammensetzung der Verkehrsmittel, wird ein Fahrradschnellweg (Bicycle Superhighway) entlang einer existierenden Eisenbahnlinie vorgeschlagen. Ein iterativer Prozess wird verwendet, um die optimalen Orte für Verbindungen zwischen dem Fahrradschnellweg und der existierenden Infrastruktur zu bestimmen. Dies wird mit einem Alternativszenario, in dem auch Motorräder auf dem Fahrradschnellweg zugelassen sind, verglichen. Beide Maßnahmen tragen zu einer signifikanten Erhöhung des Fahrradanteils bei. Um die Emissionen unter beiden Maßnahmen abzuschätzen wird das Emission Modeling Tool (EMT) für heterogenen Verkehrsbedingungen erweitert. Es wird gezeigt, dass signifikante Reduktionen der Emissionen in der Innenstadt zu verzeichnen sind, falls Fahrräder als einziges Verkehrsmittel auf den Fahrradschnellwegen erlaubt sind. Sobald jedoch auch Motorräder auf dem Fahrradschnellweg zugelassen werden, ist ein signifikanter Anstieg der Emissionen entlang des Fahrradschnellwegen in der Innenstadt von Patna zu beobachten, was die Notwendigkeit solche Verkehrsmittel von Fahrradschnellwegen zu verbannen verdeutlicht. Hierdurch wird im dritten Teil der Dissertation gezeigt, dass signifikante Emissionsreduktionen auch unter Bedingungen, in denen die Umsetzung von Bepreisungsmaßnahmen schwierig ist, erreicht werden können. Zusammenfassend liegt der Schwerpunkt dieser Dissertation auf der Bewertung von Bepreisungsmaßnahmen mittels eines Simulationsmodells mit dem Ziel nützliche Informationen für Entscheidungsträger abzuleiten, die geeignet sind, um negativen externen Effekten des Verkehrs sowohl in Industrie- als auch Entwicklungsländern entgegenzuwirken. Für letztere wird in dieser Arbeit ein effizientes Verkehrsflussmodell zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen vorgestellt. Schließlich wird in mehreren Fallstudien das Spektrum möglicher Maßnahmen auf Basis verschiedener Szenarien gezeigt.