05/06 - Verkehrserzeugung und Verkehrsverteilung - ethz.ch · Aggregat Klassifizierung Regression...
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Thomas Schatzmann
IVT
ETH
Zürich
Verkehrserzeugung und Verkehrsverteilung
Frühlingssemester 2019
Literaturhinweise
2
Schnabel / Lohse: Kapitel 10.7 und 10.8
Ortúzar/Willumsen: Kapitel 4 und 5
Vrtic, M. (2005) Anwendung von Vier-Stufen-Modellen,
Materialien zur Vorlesung Verkehrsplanung, IVT, ETH, Zürich
Themen Zwischenprüfung 1
3
• Rechenaufgaben, Single- und Multiple-Choice
• 20 Minuten
• Alles aus den Vorlesungen 1 – 3
• Slides, Literatur
• Erreichbarkeit
• Umlegung
• Dijkstra
• Method of Successive Averages (MSA)
• Anwendungsbeispiele AF’s
Verkehrserzeugung und –verteilung
• Verkehrserzeugung in einfachen Worten:
• Wo und wann wird räumlich und zeitlich Verkehrsnachfrage
erzeugt und angezogen (d.h. wo sind Wohngebiete,
Arbeitsplätze, Freizeitangebote etc.)?
• Verkehrsverteilung in einfachen Worten:
• Wie viel Verkehrsnachfrage besteht zu welcher Zeit von wo
nach wo (aber noch ohne Verkehrsmittel- und Routenwahl)?
Verkehrsplanung 6 4
Verkehrserzeugung und –verteilung mit AFs
Angewandt auf Autonome Fahrzeuge (AF): Sind mit der Einführung
von AFs Änderungen zu erwarten in
- der Raumstruktur (Wohn-, Arbeits-, Freizeitorte)?
- den Aktivitäten- und Wegeketten?
- der Ortswahl für Aktivitäten?
d.h. induziert die Einführung von AFs Verkehr?
Verkehrsplanung 6 5
AFs: Änderungen in der Raumstruktur
• Generalisierte Kosten für das Autofahren sinken (angenehmer,
sicherer, günstiger)
• Fahrzeit ist neu Aktivitäts- oder Schlafenszeit
Bereitschaft zu längeren Pendlerwegen?
Neue Zersiedelungswelle?
Verkehrsplanung 6 6
AFs: Änderungen in den Aktivitäts- und Wegeketten
• Anpassungen Aktivitätsketten Personen auf Grund Zeitgewinn
unwahrscheinlich
Grund: AFs reduzieren nicht primär Reisezeiten, sondern
generalisierte Kosten
• ABER: Neue, autonome Aktivitäten der Fahrzeuge
• Autonome Einkaufs-, Abhol- und Servicefahrten (in
Verbindung mit Online-Shopping)
• Autonomes Parken
• Autonomes Tanken
Verkehrsplanung 6 7
AFs: Änderungen in der Ortswahl für Aktivitäten
• Durch Reduktion der generalisierten Kosten verändert sich
Erreichbarkeit von Zielen
• Attraktive «Superziele» werden erreichbarer und verdrängen
weniger attraktive, aber näher gelegene Alternativen
«Winner-takes-all»-Effekt
• Beispiele:
• Shopping-Malls verdrängen Quartierlädeli
• Entertainment-Center verdrängen Dorfkino
• Restaurants in Zentren verdrängen Dorfbeizen
Verkehrsplanung 6 8
Relevante Parallelentwicklungen
• Automatisierung und Digitalisierung
• Home-Office
• Online-Shopping
• Sharing
• Teilen statt Besitzen einfacher den je mit autonomen Taxis
• Teilen im Haushalt: Privatwagen steht während Arbeitszeit
anderen Familienmitgliedern zur Verfügung, bedeutet aber
auch eine Verdoppelung des Pendlerverkehrs
• Alterung der Gesellschaft
• Unabhängiger Autoverkehr bis ins hohe Alter dank AFs
• Gleichzeitig Wunsch nach hoher Erreichbarkeit
Langsamverkehr
Verkehrsplanung 6 9
Heute
• Verkehrszonen
• Verkehrserzeugung
• Verkehrsanziehung
• Verkehrsverteilung
10
Zonen, Strecken, Knoten, Linien, Angebote
Beschreibung des Raums:
• Zonen, d.h. sich nicht überlappende Gebiete
• Schwerpunkte der Zonen
• Sozio-demographische und wirtschaftliche Variablen
Beschreibung der Netze:
• Knoten mit ihren Kostenfunktionen
• Strecken mit ihren Kostenfunktionen
Beschreibung des ÖV:
• Linien als Abfolge von Haltepunkten auf Strecken
• Angebote als (mittlere) Fahrpläne
11
12
Zonenbasierte Raumstrukturdaten
• Einwohner (E)
• Erwerbstätige (ET)
• Arbeitsplätze (AP)
• Kulturangebot (K)
Homogenität der Zonen ist
wichtig!
12
4
3
0
EET
1
APK
EET
AP
K
EET
AP
KE ET
AP
K
E
ET
APK
Verkehrsarten: Zoneneinteilung
13
Verkehrsarten: Binnenverkehr
14
Binnenverkehr
Verkehrsarten: Quellverkehr
15
Quellverkehr
Binnenverkehr
Verkehrsarten: Zielverkehr
16
Quellverkehr
Zielverkehr
Binnenverkehr
Verkehrsarten: Durchgangsverkehr
17
Quellverkehr
Zielverkehr
Binnenverkehr
Durchgangsverkehr
Alle Mengen sind eine
Funktion der Zonen-
einteilung !
18
Verkehrszonen im nationalen Personenverkehrsmodell
Verkehrserzeugung
19
Wo befinden wir uns thematisch?
Orientierung im Vier-Stufen-Modell
1) Verkehrs-Erzeugung (Einwohner, Arbeitsplätze)
2) Verkehrs-Verteilung (Quell-Ziel Matrix)
3) Verkehrs-Mittelwahl (Zu Fuss, PW, ÖV etc.)
4) Routenwahl, Umlegung (-> Belegung von Strassen/ÖV)
20
Verkehrserzeugung
Auflösung
Funktion von
Sozio-demografische
VariablenGeneralisierte Kosten
AggregatKlassifizierung
RegressionRegression
Agenten
Verteilung
(Diskrete Entscheidungs-
modelle)
Diskrete
Entscheidungs-
modelle
21
Abschätzung der Menge der erzeugten Wege (Quellverkehr Qi
bzw. produzierter Verkehr Pi) in einer Zone i als Funktion ihrer
Bevölkerung
Methoden
• Klassifizierung, bspw.
• Varianzanalyse
• CHAID (Regressionsbäume)
• Clusteranalyse
• Regression, bspw.
• Ordinary-Least-Squares (OLS)
• 𝑦 = 𝛽 ∗ 𝑋 + 𝜀
• Neurales Netzwerk
• Bayesianisches Netzwerk
• Diskrete Entscheidungsmodelle
22
Verkehrserzeugung - Aggregat
Makroskopisch: Regression
• eiz = f(Durchschnittliche Person, Haushalt)
• eiz = f(Durchschnittliche Person, Haushalt)
Mesoskopisch: Klassifizierung und/oder Regression
• eiz = g Egz * Aigz
Egz Erzeugungsrate der Gruppe g
Aigz Anteil von Gruppe g in Zone i
• egz = f(Gruppeg, GKgz)
• egz = f(Houshaltg, GKgz)
• Aufgabe: Identifikation der Gruppen mit signifikant unterschiedlichen Verkehrserzeugungsraten unter den Nebenbedingungen
23
Verkehrserzeugung - Agenten
Mikroskopisch: Klassifizierung
• eiz = g k wk * AWkgz* Aigz
wkz Anzahl w in Kette k
AWkgz Anteil Kette k in Gruppe g
Mikroskopisch: Entscheidungsmodell
• ai,g P(s g) = f(Sozio-demografie, generalisierte Kosten)
ai,g Agent i von Gruppe g
s Tagesplan
g Gruppe g
f() Entscheidungsmodell
24
Verkehrserzeugung: Makroskopisch
25
Mittlere
Jahresfahrleistung
nach Kreisen
[km/Jahr]
Verkehrserzeugung: Mikroskopisch
26
Wegekette 1
Mit Fahrerlaubnis Ohne Fahrerlaubnis
Kein
PW
Ein
PW
Zwei
odermehr
PW
Kein
PW
Ein
PW
ZweiodermehrPW
eh 9,1 11,8 11,1 21,4 13,0 11,2
fh 8,1 12,0 11,8 18,4 14,6 12,1
ah 8,8 7,7 7,1 4,8 5,1 4,3
f 4,3 4,3 6,1 7,5 6,2 5,6
ffh 2,9 4,7 4,6 4,8 4,3 4,3
ehfh 4,0 5,1 4,1 5,7 3,4 1,6
fhfh 4,5 3,5 3,6 3,5 3,4 3,4
eheh 1,5 3,7 3,8 3,9 2,3 1,3
ahah 2,4 3,1 3,1 1,0 1,3 0,7
afah 4,0 2,8 2,5 1,0 0,8 1,1
1 e: Einkauf, f: Freizeit, a: Arbeit, s: Schule d: Dienstlich, h: Nach HauseSchweizer Mikrozensus 1994
Verkehrserzeugung: Ergebnis CH
Berechnete Wege in Mio. und [%] MZ 2000 [%]
Arbeit 7,96 Mio. [28.0 %] 28.2
Ausbildung 2,91 Mio. [10.3 %] 10.3
Nutzfahrt 1,78 Mio. [6.3 %] 5.1
Einkauf 4,91 Mio. [17.2 %] 17.9
Freizeit, Sonstiges 10,87 Mio. [38.2 %] 38.5
Total 28,45 Mio. [100 %] [100 %]
27
Verkehrsanziehung
28
Verkehrsanziehung
Auflösung
Funktion von
Sozio-demografische
VariablenErreichbarkeit
AggregatKlassifizierung
RegressionRegression
Parzelle/Adresse Regression Regression
29
Abschätzung der Menge der angezogenen Wege (Zielverkehr Zi
bzw. angezogener Verkehr Ai) in einer Zone i als Funktion ihrer
Angebote (Personen (Angestellte), Einrichtungen, Firmen)
Verkehrsanziehung
Aufgabe: Ermittlung der Anziehungsraten oder Gleichungen bei
• Maximierung der Präzision der Schätzung
• Angemessener Differenzierung der Typen
• Berücksichtigung der umliegenden Nutzungen
• Räumliche Struktur (Korrelationen)
30
Verkehrsanziehung
Makroskopisch:
• ajz = f(Personenj, m² Einkaufsflächej, Schulplätzej etc.)
Mesoskopisch:
• ajz = n Anz * Ajnz
Anz Anziehungsrate von Variable n
Ajnz Anzahl/Umfang von Variable n in Zone j
Mikroskopisch:
• Herunterbrechen auf die Einzelparzelle
31
Verkehrsanziehung: ITE trip generation manual
32
y = 2.5722x
0
2'000
4'000
6'000
8'000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Anzahl Bewohner
Erz
eu
gte
un
d a
ng
ezo
ge
ne
We
ge
Einfamilienhausgebiete
am Samstag
ITE
(1995)
Verkehrsanziehung: ITE trip generation manual
33
y = 3.8279x
0
2'000
4'000
6'000
8'000
10'000
0 500 1000 1500 2000 2500
1000 ft2 Brutto-Betriebsfläche
Erz
eu
gte
un
d a
ng
ezo
ge
ne
We
ge Gewerbebetriebe
am Wochentag
ITE
(1995)
Verkehrserzeugung: Migros-Filialen in Zürich
34
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Verkaufsfläche [m2]
[Mittlere
Fre
que
nz/T
ag]
Verkehrsanziehung: Hessisches Landesamt
Gewerbe: Kunden/ mIV- Besetzungs-
m² Verkaufs- Anteil grad
fläche [%] [P/Fz]
Aldi 2.00-2.50 10-60 1.2
SB-Läden < 400 m² 1.90-2.40 10-60 1.2
Supermärkte 800 m² 1.40-2.40 10-60 1.2
Supermarkt > 800 m² 1.00-1.20 40-60 1.2-1.4
Getränkemarkt 0.66-0.75 - -
Waren/Kaufhaus 0.60-1.00 30-60 1.4-1.6
Einkaufszentrum 0.50-0.80 50-95 1.4-1.6
Factory-Outlet-Center 0.30-0.50 80-100 2.0-2.9
Bau/Gartenmarkt 0.15-0.45 65-100 1.2-1.5
35
Bosserh
off (
2000)
Vor- und Nachteile des Regressionsansatz
+ Extrapolation möglich
+ Einfache Schätzung
Keine Variationen (Null Zonen) & Intra-zonale
Verkehrsproduktion
Einfluss der Aggregation / Zonengrösse
Beispiel: Inter-zonale persönliche Verkehrsproduktion
36
Zonensystem
Durchschn. Anzahl
Wege/Haushalt/Zone
Inter-zonale
Varianz
75 small zones 8.13 5.85
23 large zones 7.96 1.11
Quelle
: O
rtuzar
un
d W
illum
sen
(2011)
S.1
53
Abgleich
37
𝑖
𝐸𝑖 =
𝑗
𝐴𝑖
• Stimmt grundsätzlich nicht überein, wird aber für die
Verkehrsverteilung vorausgesetzt
• Verkehrserzeugungsmodelle generell besser als jene der
Verkehrsanziehung
• darum: Korrekturfaktor f
𝑓 = 𝑇/
𝑗
𝐴𝑖
Ausgleich Quellen ausserhalb Untersuchungsgebiet
Ausgleich durch Ausgleichsfaktor, z , unter Berücksichtigung des
Zielverkehrs z von Quellen ausserhalb des Untersuchungs-
gebiets
zz + i eiz = z * j ajz
38
Verkehrsverteilung
39
Wo befinden wir uns thematisch?
Orientierung im Vier-Stufen-Modell
1) Verkehrs-Erzeugung (Einwohner, Arbeitsplätze)
2) Verkehrs-Verteilung (Quell-Ziel Matrix)
3) Verkehrs-Mittelwahl (Zu Fuss, PW, ÖV etc.)
4) Routenwahl, Umlegung (-> Belegung von Strassen/ÖV)
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Verkehrsverteilung
Berechnung der Verkehrsmengen zwischen zwei Zonen
(Zuordnung der erzeugten und angezogenen Verkehre)
q‘ijz = f(e‘iz, a‘jz, k‘‘ij,(m),z)
Methoden:
• Makroskopisch: Maximale Entropie (Gravitationsansatz)
• Meso/mikroskopisch: Entscheidungsmodelle
41
Verkehrsverteilung: Ausgangslage
k‘‘ijz Ziel j
Quelle i 1 2 n e‘iz
1 k‘‘11z k‘‘12z k‘‘1nz e‘1z
2 k‘‘21z k‘‘22z k‘‘2nz e‘2z
n k‘‘n1z k‘‘n2z k‘‘nnz e‘nz
a‘jz a‘1z a‘2z a‘nz W‘z =
i a‘iz = i e‘jz
42
Verkehrsverteilung: Ziel
q‘ijz Ziel j
Quelle i 1 2 n e‘iz
1 q‘11z q‘12z q‘1nz e‘1z= j q‘1jz
2 q‘21z q‘22z q‘2nz e‘2z = j q‘2jz
n q‘n1z q‘n2z q‘nnz e‘nz = j q‘njz
a‘jz a‘1z
= i q‘i1z
a‘2z
= i q‘i2z
a‘nz
= i q‘inz
W‘z =
i a‘iz = i e‘jz
43
Gravitationsansatz
Physik:
Verkehr: 𝑞′𝑖𝑗 =𝑄𝑖 ∗ 𝑍𝑗
𝑘𝑖𝑗𝛼 ∗ 𝑔𝑖 ∗ 𝑔𝑗
Q: Produktion
Z: Attraktion
kij: Aufwand zwischen i und j
α: Parameter zur Bewertung des Aufwands
g: Konstanten zum Abgleich der Randsummen
44
Gr
mmFij
2
21
Quelle
: S
chnabel &
Lo
hse (
1997)
S.2
04
45
Herleitung über maximale Entropie
Verschiedene Kombinationen von individuellen Verhalten können
gleiche QZ-Matrix erzeugen.
Bsp: Wenn Individuen A und B ihre Ziele tauschen, führt
dies zu selber QZ-Matrix.
Annahme, dass alle diese Verhaltenskombinationen gleich
Wahrscheinlich.
Ziel: Diejenige QZ-Matrix, die am meisten dieser Kombinationen
abdeckt (maximale Entropie).
D.h. wahrscheinlichste Verknüpfung aller Zonen.
Lösung mit Maximaler Entropie
Ausgangslage (ohne Berücksichtigung von Jahr z):
𝑞 𝑖𝑗′ = 𝛼𝑖 𝑒𝑖
′ 𝛼𝑗 𝑎𝑗′ 𝑒−𝛽𝑘𝑖𝑗
46
Randbedingungen:
• Gesamtmenge Wz
• Zeilensumme e‘nz = j q‘njz
• Spaltensumme a‘nz = i q‘inz
Iterative Lösung
Ausgleichsfaktoren:
47
i iji
k
i
k
j
j
j ijj
k
j
k
i
kfe
jallefürkfa
)''('
1
,1)''('
1
1
1
01
Bis:
j k
j
k
j
k
j
1
Verschiedene Widerstandsfunktionen
48
Furness-Prozedur
Situation:
Neue Randverteilungen wegen einer Änderung der räumlichen
Struktur (neue Siedlung, Umzug einer Fabrik)
Ziel:
Einfache Prozedur zur Aktualisierung der q‘ij
49
Furness-Prozedur
Ansatz:
50
MatrixBestehende
ijijk
j
Neu
jk
ij
k
ijk
i
Neu
ik
ij
k
ij qqa
aqq
e
eqq ''
'
'''
'
''' 0
1
121
Bis:
i Neu
i
Neu
i
k
i
e
ee 2
Zusammenfassung
• Verkehrserzeugung, -anziehung
• Regressionsansatz
• Verkehrsverteilung mit maximaler Entropie
• Furness Prozedur
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Literaturhinweise Vorlesung 7 (nächste Vorlesung)
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Schnabel / Lohse: Kapitel 8.4 bis 8.6
Ortúzar / Willumsen: Kapitel 3.1 bis 3.4 und 14.2
Schlich, R. (2005) Ergebnisse des Mikrozensus zum
Verkehrsverhalten 1994, Materialien zur Vorlesung
Verkehrsplanung, IVT, ETH, Zürich
Axhausen, K. W. and M. Frick (2005) Nutzungen, Strukturen,
Verkehr, in G. Steierwald, H.-D. Künne and W. Vogt (eds.)
Stadtverkehrsplanung: Grundlagen, Methoden, Ziele, 61-79,
Springer, Heidelberg
Quellen
• BFS/ARE (1994) Mikrozensus Mobilität und Verkehr, Bundesamt für
Statistik / Bundesamt für Raumentwicklung, Neuchâtel und Bern.
• Bosserhoff, D. (2000) Integration von Verkehrsplanung und räumlicher
Planung, in Schriftenreihe der Hessischen Strassen- und
Verkehrsverwaltung, Wiesbaden.
• ITE (2012) Trip Generation Manual, 9th Edition, Institute of
Transportation Engineers, Washington.
• Wootton, H.J. and G.W. Pick (1967) A model for trips generated by
households, Journal of Transport Economics and Policy, 1 137-153.
53