Implementation, validation and application of an activity-based transportation model for Flanders

Abstract

This dissertation describes the development and application of two software packages that can be used to assist transport researchers and practitioners. The first software package, PARROTS, is an electronic survey tool that enables traffic researchers to carry out surveys yielding activity-travel diary data of a higher quality than traditional paper-and-pencil surveys. Furthermore, as this electronic tool is a GPS-enabled PDA data collection tool, it also provides the researcher with a rich GPS data set at the same time. To judge the effect of the PARROTS tool on the quality of activity-travel diaries, a paper-and-pencil diary was designed and deployed as well. Based on the analyses between the PARROTS survey tool and the paper-and-pencil survey, it could be concluded that PARROTS provides both high quality activity-travel diary data and GPSbased location information while keeping the burden for the respondents at an acceptable level. The second software package, FEATHERS, is a modeling framework specifically designed for implementing activity-based transport models. As this framework became operational after a substantial development period, an already existing and proven activity-based model, namely ALBATROSS, was reverse engineered and re-implemented from the bottom up into the FEATHERS framework in order to prove this framework’s right to exist. As this process proved to be successful, following on the implementation phase of this activity-based model, a validation was performed on this model in order to demonstrate its capability to represent an activity-based model for Flanders, which was the study area of interest. The validation of the activity-based transport model inside FEATHERS was split up according to different dimensions. In a first part, a validation on the level of the model components, i.e. decision trees was performed. This validation indicated that the decision trees of the activity-based model inside FEATHERS were capable of capturing people’s travel behavior in a decent way. Moreover, based on some data-mining criteria, it could also be concluded that the decision trees were capable of predicting travel behavior of unseen test cases when compared with the cases of the model’s training data set. In a second part, a validation of the FEATHERS model according to the activity-time travel time dimension was worked out. Here it was demonstrated that the model was able to replicate the so called “camelback” curve when compared with the same kind of curve stemming from the Onderzoek Verplaatsingsgedrag (OVG) survey. The third part of the validation comprehended a model validation according to the activity-travel space dimension. For this purpose, a completely independent census data set was chosen in order to see whether or not the prediction data set within FEATHERS matched with this census data set. As it turned out, a very high correlation was found between both data sets indicating that the model inside FEATHERS was able to pick up the observed spatial travel patterns of the OVG survey respondents nicely. The fourth and last part of the validation was carried out in terms of comparing traffic counts and vehicle kilometers travelled of all predicted diaries with official governmental reports on those same kind of figures. To this end, within FEATHERS, activity-travel schedules were simulated for all the individuals of the Flemish population. Next, the predicted trips for the entire population were assigned to a road network and traffic flows were determined so that traffic counts and vehicle kilometers could be calculated. Also in this case, the model inside FEATHERS showed a very good correspondence with what can be seen in reality. Now that the model inside FEATHERS was accepted, based on the detailed validation, two scenario’s were implemented so that FEATHERS could be brought into service. The first scenario comprehended the calculation of the total vehicle travel reduction in the case of telecommuting. To this end, also a more conventional method for calculating the total vehicle travel reduction was adopted. As became clear, both FEATHERS and the conventional method showed exactly the same reduction of travel in the case of the same telecommuting scenario. This similarity in figures therefore proved that FEATHERS can be used for modeling scenario’s such as the telecommuting scenario. The second scenario comprehended the assessment of the spatial and temporal electrical vehicle power demand for Flanders under 4 different electrical vehicle charging scenario scripts. To this end, FEATHERS was first used in order to predict activity-travel schedules so that in a second step, those schedules could be used in order to evaluate the charging power demand under 4 different scenario scripts. The results of those 4 scenario scripts revealed that most predicted trips can be performed by a battery-only electrical vehicle. Moreover, it could also be concluded that replacing battery-only electrical vehicles by pluggable-hybrid electrical vehicles might increase electric energy consumption as pluggablehybrid electrical vehicles can exploit their full electric range. Overall, this electrical vehicle scenario proved that, next to the telecommuting scenario, FEATHERS can also be used for more specific and detailed scenario’s, paving the way for even more detailed future scenario’s. In summary, this dissertation demonstrated that both software packages, namely PARROTS and FEATHERS, can be a true aid for traffic researchers and practitioners. As demonstrated, PARROTS can be used as an electronic state-ofthe-art activity-travel survey tool, yielding data of high quality. FEATHERS, on his turn, can easily be used for implementing activity-based models for a specific study area and secondly, for working out scenario’s that can be employed for predicting different kinds of changes in the travel behavior of the Flemish citizen.

Dit proefschrift beschrijft de ontwikkeling en de toepassing van twee software pakketten die gebruikt kunnen worden door transport onderzoekers en technici. Het eerste software pakket, PARROTS, is een electronisch instrument dat onderzoekers kan ondersteunen om transport enquetes uit te voeren waarbij de activiteiten-verplaatsingen data van een hoger niveau is dan het geval is bij de traditionele papier-en-potlood enquetes. Bovendien, aangezien het PDA data collectie instrument ook een GPS bevat, levert dit instrument de onderzoeker ook tegelijkertijd een rijke GPS data set. Om de kwaliteit van het PARROTS instrument te beoordelen wat betreft de verzamelde activiteiten-verplaatsingen dagboekjes, werd er ook een papier-en-potlood enquete samengesteld en ingezet. Op basis van de daarop volgende analyses van beide data sets, kan geconcludeerd worden dat PARROTS een hoog kwalitatieve activiteitenverplaatsingen data set verschaft samen met GPS-gebaseerde locatie informatie, terwijl tegelijkertijd de belasting van de respondent op een acceptabel niveau gehouden kon worden. Het tweede software pakket, FEATHERS, levert een geraamte voor het ontwikkelen van activiteiten-gebaseerde modellen. Nadat het raamwerk na een substantiële ontwikkelingsperiode operationeel werd, werd een reeds bestaand en beproefd activiteiten-gebaseerd model, namelijk ALBATROSS, zorgvuldig doorzocht en opnieuw geïmplementeerd in het FEATHERS raamwerk. Na het succesvol uitwerken van het activiteiten-gebaseerd model ALBATROSS, werd een validatie uitgevoerd op dit model zodanig dat de capaciteit om een volwaardig activiteiten-gebaseerd model voor Vlaanderen te kunnen zijn, kon worden aangetoond. De validatie van het activiteiten-gebaseerd transport model in FEATHERS werd uitgesplitst volgens verschillende dimensies. In het eerste deel, werd er een validatie uitgevoerd op de model componenten, namelijk de beslissingsbomen. Dit deel van de validatie toonde aan dat de beslissingsbomen van het activiteiten-gebaseerd model in FEATHERS in staat waren om het verkeersgedrag van de burgers vast te leggen. Bovendien, was het op basis van data-mining criteria ook mogelijk om vast te stellen dat de beslissingsbomen in staat bleken te zijn om het verkeersgedrag te voorspellen van nieuwe test records. In een tweede deel werd de validatie van het FEATHERS model volgens de tijdsdimensie uitgewerkt. Hier werd aangetoond dat het model in staat is om de zogenaamde “kamelenrug curve” te voorspellen zoals ze voorkomt in de Onderzoek Verplaatsingsgedrag (OVG) enquete. Het derde gedeelte van de validatie behelsde aan model validatie volgens de ruimtelijke dimensie. Hiervoor werd een volledig onafhankelijke census data set gebruikt om te zien of de voorspelde data set in FEATHERS overeen zou komen met de census data set. Uit deze analyse bleek dat er een heel hoge correlatie bestond tussen beide data sets waaruit geconcludeerd kon worden dat het model in FEATHERS in staat was om de geobserveerde ruimtelijke verkeerspatronen van de OVG enquete op een ordentelijke wijze op te nemen. Het vierde en laatste gedeelte van de model validatie betrof een vergelijking van verkeerstellingen en totaal aantal voertuigkilometers tussen de voorspelde FEATHERS dagboekjes en officiële reporten van de overheid. Hiervoor werd eerst op basis van FEATHERS activiteiten-verplaatsingen patronen gesimuleerd voor al de Vlaamse burgers. In een volgende stap werden al de verplaatsingen van de Vlamingen toegekend aan een netwerk zodat verkeersstromen konden worden bepaald op basis waarvan verkeerstellingen en totaal aantal voertuigkilometers konden berekend worden. Op basis van deze analyse kon nogmaals worden aangetoond dat de voorspellingen op basis van FEATHERS een heel goede overeenkomst tonen met de werkelijkheid. Nudat het model in FEATHERS op basis van de validatie geaccepteerd kon worden, werden er twee scenario’s geselecteerd om uitgewerkt te worden wat de uiteindelijke doelstelling van FEATHERS is. Het eerste scenario betrof een berekening van de totale voertuigkilometer reductie in het geval een deel van de bevolking zou telewerken. Om in te kunnen schatten of FEATHERS juiste resultaten zou opleveren werd er ook een conventionele berekeningswijze uitgevoerd en vergeleken met de berekeningen op basis van FEATHERS. Uit de vergelijking tussen beide berekeningen kon worden geconcludeerd dat FEATHERS exact dezelfde reductie in totaal aantal voertuigkilometers berekende als het geval is met de conventionele berekeningswijze. De sterke overeenkomst tussen beide resultaten toonde aan dat FEATHERS in staat is om scenario’s uit te werken vergelijkbaar met dit telewerken scenario. Het tweede scenario betrof een inschatting van de ruimtelijke en temporale component van de electrische voertuig energie vraag voor Vlaanderen gegeven 4 verschillende electrische voertuig oplading scenario scripts. Hiervoor werd FEATHERS eerst toegepast om activiteit-trip dagboekjes te voorspellen om dan vervolgens, in een tweede stap, deze dagboekjes te gebruiken om de energie oplading vraag te evalueren, gegeven de 4 verschillende scenario scripts. De resultaten van deze 4 scenario scripts onthulden dat de meeste trips uitgevoerd kunnen worden door een ‘battery-only’ electrisch voertuig. Verder kon er ook afgeleid worden dat het vervangen van ‘battery-only’ electrische voertuigen door ‘pluggable-hybrid’ electrische voertuigen het electrische ernergieverbruik zou kunnen verhogen aangezien ‘pluggable-hybrid’ electrische voertuigen hun volledige capaciteit kunnen benutten. Alles samen beschouwd, heeft het electrische voertuig scenario kunnen aantonen dat, naast het telewerken scenario, FEATHERS ook gebruikt kan worden voor meer specifieke en gedetailleerde scenario’s, waardoor de weg gebaand kon worden voor nog meer gedetailleerde toekomst scenario’s. Kort samengevat kan worden gesteld dat dit proefschrift heeft kunnen aantonen dat de beide software pakketten, namelijk PARROTS en FEATHERS, een ware hulp kunnen betekenen voor verkeerskundige onderzoekers en technici. Zoals aangetoond kon worden, kan PARROTS gebruikt worden als een electronische state-of-the-art activiteiten-verplaatsingen enquete instrument waarmee data van een hoge kwaliteit mee verzameld kan worden. FEATHERS, op zijn beurt, kan gebruikt worden om activiteiten-gebaseerde transport modellen te implementeren voor een specifiek studie gebied en bijkomend, voor het uitwerken van scenario’s die kunnen worden ingezet voor het voorspellen van allerhande veranderingen in het verplaatsingspatroon van de Vlaamse burger.