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A paratransit-inspired evolutionary process for public transit network design
Neumann, Andreas
Der Erfolg eines öffentlichen Verkehrssystems hängt entscheidend von dessen Netzstruktur ab. Dabei dürfen die Verkehrsunternehmen nicht nur hinsichtlich der damit verbundenden Kosten optimieren, sondern müssen gleichfalls die Belange der Nachfrage berücksichtigen. Eine gute Kostenstruktur allein ist langfristig nicht tragfähig, wenn die Nachfrage auf andere Verkehrsangebote wie den motorisierten Individualverkehr ausweicht. Das Netzwerk muss dahingehend geplant werden, dass sowohl kundenfreundliche wie auch tragfähige Verkehrsangebote gefunden werden.
Im Kern stehen sich dabei zwei gegensätzliche Ziele gegenüber
- Die Nachfrageseite sucht schnelle und möglichst direkte Verbindungen.
- Die Angebotsseite sucht nach profitabel zu betreibenden Linien.
Beispiele für marktorientierte und selbstorganisierende Verkehrssysteme finden sich weltweit in den sogenannten informellen Paratransitsystemen. Obwohl Paratransit z.B. in Südafrika den formalen öffentlichen Nahverkehr hinsichtlich Marktanteil und Verkehrsleistung übertrifft, wird Paratransit nicht subventioniert und ist daher gezwungen seine Kosten vollständig über die Fahrpreise zu decken. Die dem Paratransit inne liegende Fähigkeit Angebotslücken zu finden und kostendeckend auszufüllen liefert einen interessanten Ansatz für die Netzplanung eines formalen Nahverkehrsanbieters.
Die vorliegende Arbeit behandelt daher die folgenden drei Ziele:
1. Die dem Paratransit zu Grunde liegenden Gesetzmäßigkeiten zu identifizieren, insbesondere die der dabei beteiligten Akteure, der Preisstruktur, der Routengestaltung und -funktion.
2. Ein Modell zu entwickeln welches in der Lage ist Minibusse als dominante Form des Paratransits zu simulieren und damit in Zusammenhang stehende Maßnahmen vor deren Umsetzung in ihren Auswirkungen zu bewerten.
3. Das Modell auf ein Planungsproblem eines formalen Nahverkehrsanbieters anzuwenden.
Das Minibusmodell ist integriert in eine multimodale Multi-Agenten-Simulation. Im Modell konkurrieren verschiedene Minibusunternehmen um die Nachfrage. Während erfolgreiche Unternehmen expandieren und weniger erfolgreiche Unternehmen sukzessive vom Markt verdrängt werden entsteht ein nachhaltiges Netz von Minibusrouten. Die Arbeit beinhaltet mehrere illustrative Szenarien um die Sensitivität des Modells hinsichtlich verschiedener Nachfrageströme, dem Umsteigeverhalten und der Interaktion der Minibusse mit dem Schienenangebot eines formalen Nahverkehrsanbieters zu demonstrieren.
In der Arbeit wird das Modell für zwei verschiedene Arten von Verkehrsplanungsproblemen eingesetzt. Zum Einen wird das Modell verwendet um richtige Minibussysteme in Südafrika zu simulieren und realistische Minibusnetze zu generieren. Zum Anderen wird der nachfragesensitive Charakter des Modells zur Netzgestaltung und Angebotsoptimierung eines formalen Nahverkehrsanbieters genutzt. Das Modell kann einzelne Linien oder ganze Netze betrachten. Beispielhaft werden in der Arbeit zwei Planungsprobleme des Berliner Nahverkehrsunternehmens BVG behandelt. Im ersten Beispiel wird ein Busnetz für den Bezirk Steglitz-Zehlendorf von grundauf neu gestaltet. Das zweite Bespiel behandelt die Schließung des Flughafens Tegels und dessen Einfluss auf das Busnetz der BVG. Das Modell lokalisiert die Einflusssphäre dabei nicht nur auf die unmittelbare Umgebung des Flughafens sondern generiert auch ein der ursprünglichen BVG-Planung für die Flughafenschließung entsprechendes Busangebot.
Zusammenfassend passt das in dieser Arbeit vorgestellte Modell das Angebot automatisch an die Nachfrage an. Das Modell kann dabei nicht nur Busnetze von grundauf neu gestalten sondern auch bestehende Angebote in ihrer Nachhaltigkeit testen und hinsichtlich der Angebotsfrequenz, Betriebszeit und Route weiter optimieren. Die Optimierung ist dabei in eine verhaltensbasierte Multi-Agenten-Simulation eingebettet. Diese erlaubt es auf die Reaktion sämtlicher beteiligter Akteure wie Passagieren, konkurrierender Verkehrsunternehmen und anderer Nutzer der Infrastruktur zu testen. Das Modell kann daher auch für komplexere Untersuchungen wie die Einführung einer City-Maut oder Umweltanalysen eingesetzt werden.
The success of a public transport system highly depends on its network design. When transport companies try to optimize a line with respect to running costs there is also the demand to be taken into consideration. The best cost structure will not be sustainable if potential customers leave the system and opt for alternatives like private cars. The basic problem to solve is to find sustainable transit lines which offer the best service possible for the customer.
More specifically
- The demand side of the customers asks for direct hassle-free connections.
- The supply side of the operators asks for profitable lines to operate.
Examples of a market-oriented and moreover self-organizing public transport system are informal public transit systems around the world. These services are often referred to as paratransit. Despite the great importance of this transport mode it is mainly unsubsidized and only relies on the collected fares. Thus, the knowledge on paratransit and its ability to identify and fill market niches with self-supporting transit services provides an interesting approach to solve the network design problem of a formal public transit company.
Accordingly, the following three objectives are treated in the thesis:
1. Provide an understanding of the underlying principles of paratransit services, namely minibus services, its stakeholders, fares, route functions, and patterns.
2. Develop a model to simulate paratransit, in particular minibus services as the most important type, that allows policymakers to assess the impact of actions before they are implemented.
3. Apply this model to the network planning of formal public transit. The underlying demand-responsive algorithm adopted from paratransit needs to respect the requirements of both the supply and demand side.
The minibus model is integrated in a multi-modal multi-agent simulation. In the model, competing minibus operators start exploring the public transport market offering their services. With more successful operators expanding and less successful operators going bankrupt, a sustainable network of minibus services evolves. The model is verified through multiple illustrative scenarios that analyze the model’s sensitivity towards different demand patterns, transfers, and the interactions of minibuses and a formal operator’s fixed train line.
The minibus model can be applied to two different fields of transport planning. First, there is the simulation of real paratransit that aims to help understand the implications that lie within the relationship of the different paratransit stakeholders. The model is able to create “close-to-reality” minibus networks in a South African context. Second, the same model provides a demand-driven approach to solve the network design problem of a formal transit authority. Thus, it can be used as a planning tool for the optimization of single lines or networks. In the thesis, the model is applied to two different planning problems of the public transit authority of Berlin, BVG. In the first scenario, the model constructs a transit system from scratch for the district of Steglitz-Zehlendorf. The second scenario analyzes the impact of the closure of Tegel airport on BVG’s bus network. Apart from Tegel itself, the rest of the bus network is found to be unaffected by the closure of the airport. The resulting transit system of the minibus model resembles the changes BVG had scheduled for the closure of Tegel.
In conclusion, the minibus model developed in the thesis automatically adapts the supply to the demand. The model does not only grow networks from scratch but can also test for an existing transit line's sustainability and can further optimize the line regarding its frequency, its time of operation, its length, and its route. Again, the optimization process is fully integrated into the behavior-rich environment of a multi-agent simulation reflecting the reactions from the passengers as well as from competing transit services and other road users. Thus, the minibus model can be used along with more complex scenarios like city-wide tolls or pollution analyses.
