Attuning Transport Supply to Low Demand Conditions using Microscopic Models

Abstract

Aangezien technologie telkens weer evolueert, worden steeds meer en meer sectoren met elkaar gecombineerd om onderzoek uit te voeren. Elk jaar worden computers sneller en krachtiger en daarom ideaal om te gebruiken voor onderzoek. In deze thesis worden Computerwetenschappen en Mobiliteitswetenschappen met elkaar gecombineerd. De thesis is een bundeling van drie software tools die elk een afzonderlijke situatie behandelen. Het bevat tools voor simulaties, optimalisaties en data collectie. Sociale uitsluiting kan een groot probleem voor de maatschappij zijn. Deze thesis belicht mogelijke problematische situaties en onderzoekt de bijhorende gevolgen en oplossingen. Bijzondere aandacht zal besteed worden aan bepaalde situaties in Vlaanderen, België, namelijk (i) de evolutie van basismobiliteit naar basisbereikbaardheid (ii) de introductie van het compensatiedecreet en (iii) het reduceren van subsidies. Ondanks dat de focus van de thesis gevestigd is op de lokale situatie, kunnen de tools toch eenvoudig gebruikt worden voor andere regio’s. De geschikte data moet dan wel verzameld worden. In de mobiliteitssector is er altijd een vervoersvraag en een vervoersaanbod. Vervoersvraag wordt gebruikt voor de mensen die vervoer nodig hebben, terwijl vervoersaanbod gebruikt wordt voor entiteiten die vervoer aanbieden. In de thesis wordt het meeste aandacht geschonken aan het vervoersaanbod. Toch zal de vervoersvraag (in mindere mate) ook aan bod komen. De gebruikers van deze transportdiensten delen dezelfde kenmerken. Ze kunnen niet zelf met de auto rijden en daarenboven is het ook niet eenvoudig voor hen om gebruik te maken van Openbaar Vervoer (OV). Dit kan te maken hebben met hun mobiliteitsbeperking, met hun leeftijd of door het gebrek aan OV haltes in de buurt. De thesis kadert in het huidige mobiliteitslandschap in Vlaanderen, waarin er momenteel een overgang bezig is tussen het huidige model van basismobiliteit naar basisbereikbaarheid. Basismobiliteit zorgt ervoor dat alle inwoners van Vlaanderen toegang hebben tot OV. Mensen die niet over een auto beschikken of mensen die niet (meer) zelf kunnen rijden, moeten OV kunnen gebruiken. Dit model is duidelijk “aanbod gedreven”, wat wil zeggen dat bussen altijd bepaalde trajecten rijden, ook al is er op dat moment geen vraag naar. Regelgeving over locaties van de OV haltes, de frequentie, de amplitude (het tijdsvenster waarin OV wordt aangeboden) etc. werden ontwikkeld en neergeschreven, gebaseerd op de locatie (verstedelijkingsgraad) en tijd (daluren vs. piekuren). Dit soort van transport bleek zeer duur te zijn voor de Vlaamse Overheid. Sommige OV lijnen zijn succesvol en goed bezet, andere daarentegen zijn nauwelijks bezet; dit resulteert in een zeer inefficiënt gebruik van de buscapaciteit. Voor dit soort lijnen is het concept van de “belbus” bedacht. Dit is een soort van vraaggestuurd vervoer waarbij passagiers een dag op voorhand hun trips moeten aanvragen. De belbus zal enkel rijden als er tenminste één passagier vervoer heeft aangevraagd. De bus zal een vooropgelegde route afleggen en zal stoppen bij de OV haltes die voordien werden aangevraagd. Aangezien de Vlaamse OV aanbieder moet besparen en de kosten voor de belbussen zeer hoog zijn, is het concept van de belbus langzamerhand aan het verdwijnen. Het resultaat is dat een (klein) deel van de bevolking mogelijks problemen heeft om OV te gebruiken. Het unieke concept van basismobiliteit was (en is nog altijd) zeer duur. Naast de hoge kosten, worden de buscapaciteiten niet optimaal benut en “multi-modaliteit” zoals het combineren van OV trips met ander vervoer wordt niet aangemoedigd. Door al deze tekortkomingen werd het concept van basisbereikbaarheid geïntroduceerd. Met dit concept wil de Vlaamse Overheid al het beschikbare vervoer integreren in één geconnecteerd netwerk waarin passagiers zonder problemen kunnen overstappen van het ene vervoersmiddel naar het andere (combi-mobiliteit). Het belangrijkste uitgangspunt is hier dat mensen ergens moeten geraken en in vergelijking met basismobiliteit, is basisbereikbaarheid vraaggestuurd in plaats van aanbodsgestuurd. De Vlaamse Overheid wil een gelaagd netwerk introduceren dat bestaat uit (i) treinnet, (ii) kernnet, (iii) aanvullend net en (iv) vervoer op maat. Het treinnet is de ruggengraat van het vervoersnetwerk, zowel nationaal als internationaal en wordt verzorgd door treinen. Het kernnet connecteert belangrijke steden en andere belangrijke locaties. Dit vervoer wordt uitgevoerd door bussen, trams en metro’s. Het aanvullend net waarin bussen opereren, connecteert kleinere steden met het kernnet en/of treinnet. Het fungeert als een feederdienst voor de andere netten en het zorgt voor piekuurdiensten voor huis-werk en huis-school verplaatsingen. Ten slotte, zorgt het vervoer op maat voor het lokaal vervoersaanbod. Het bestaat uit allerlei vervoersinitiatieven om gebieden met een lage vervoersvraag te kunnen ondersteunen. Het hoofddoel is om te dienen als aanvoer naar het kernnet [Mobiel Vlaanderen, 2018]. Deze maatregelen worden ondersteund door het “decreet tot compensatie van de openbaredienstverplichting tot het vervoer van personen met een handicap of een ernstig beperkte mobiliteit” [Vlaams Parlement, 2012] (in Vlaanderen beter bekend als het compensatiedecreet). Dit decreet is van toepassing sinds december 2012 en zorgt voor een vervoerssysteem dat gesubsidieerd en aangepast vervoer aanbiedt voor gans Vlaanderen. Het decreet introduceert het Openbaar Aangepast Vervoer (OAV) (eerder gekend als Dienst Aangepast Vervoer (DAV)). De DAVs zijn operationeel in 27 vervoersgebieden. In elk vervoersgebied is er één vervoersaanbieder gecompenseerd. Deze vervoersaanbieder dient in het bezit te zijn van ten minste één aangepast voertuig. Hoeveel compensatie een vervoerder ontvangt, hangt af van de afstand en of de passagier in een rolstoel zit. Klanten kunnen OAV gebruiken als ze voldoen aan bepaalde eigenschappen. Naast OAV, zijn er ook nog de Minder Mobielen Centrales (MMC) met striktere regelgeving. Alleen mensen die een inkomen hebben dat lager ligt dan twee keer het huidige leefloon, dat afhankelijk van de gezinssituatie tussen de e 595,13 en e 1 190,27 ligt, mogen beroep doen op de MMC [POD Maatschappelijke Integratie, 2018]. De chauffeurs van de MMC zijn vrijwilligers die hun eigen wagen gebruiken. De karakteristieken van OAV zijn meer situatieafhankelijk; OAV aanbieders moeten voor elke passagier zelf bepalen of ze gebruik kunnen maken van de compensaties, gebaseerd op verschillende criteria zoals de persoonlijke situatie of zelfs het weer. MMC aanbieders daarentegen gebruiken enkel het objective criterium van het inkomen. Momenteel zijn voor elke vervoersregio gecomenpenseerde vervoerders aangeduid. In deze thesis wordt er onderzoek gedaan naar dunne stromen binnen het huidige mobiliteitslandschap in Vlaanderen. Een stroom wordt gedefinieerd als een route tussen een herkomst en een bestemming, samen met een periodieke sequentie. Voorbeelden van een periodieke sequentie zijn (i) elke maandag van september 2018 tussen 09:00u en 12:00u, (ii) elke dag van 12:00u tot 16:00u tussen 1 januari 2018 en 31 juli 2018. Een stroom ratio (intensiteit) kan vervolgens berekend worden door de grootte van de stroom te delen door de lengte van de periodieke sequentie. Vervolgens kan een stroom als “dun” worden beschouwd als deze ratio onder een bepaalde waarde ligt. Samenvattend kan er gesteld worden dat een dunne stroom, een bepaalde route in het wegennetwerk is waar er maar weinig vraag is naar vervoer op bepaalde tijdsstippen. Zoals reeds duidelijk werd, zijn dit soort stromen problematisch voor OV, aangezien het moeilijk is om dergelijke lijnen rendabel te houden. Deze thesis is een bundel van verschillende peer-reviewed artikels zowel in proceedings als in journals. De thesis bestaat uit vier delen. Deel I is het grootste deel en bestaat uit vijf hoofdstukken. In Hoofdstuk 2 wordt de netwerkvoorbereiding voor de simulatie besproken. Er wordt dieper ingegaan op de voorbereiding van OpenStreetMap (OSM) en General Transit Feed Specification (GTFS). OSM wordt gebruikt voor het netwerk en GTFS wordt gebruikt om OV te simuleren. GTFS is een dataset die informatie geeft over locaties van OV haltes, de dienstregeling, de routes etc. Aangezien het hier over open-source data gaat, is de kans groot dat de data niet altijd even correct is. Het doel van dit hoofdstuk is dan ook om anomalieën uit de OSM en GTFS dataset te halen en zo nodig om ze te corrigeren. Dit is een belangrijke stap gezien er microscopische simulaties gebruikt zullen worden en deze nood hebben aan zeer gedetailleerde en correcte data. De GTFS dataset zal voornamelijk gebruikt worden als input voor de OV router OpenTripPlanner. In Hoofdstuk 3 wordt een eerste design aanzet voor de agent-based software besproken. Hier wordt er voor het eerst kennisgemaakt met het agent-based framework SARL dat gebruikt zal worden voor de microscopische simulaties. Ook enkele belangrijke concepten van de simulaties worden hier besproken. In Hoofdstuk 4 wordt een uitbreiding op het bestaande agent-based framework SARL besproken. Aangezien SARL geen mogelijkheid heeft om gesimuleerde tijd te synchroniseren, werd er een conservatieve synchronisatie methode voorgesteld en geïmplementeerd. Dit was nodig omdat in de simulaties, de tijd minuut per minuut moet verder gaan en de communicatie tussen de verschillende vervoersaanbieders chronologisch correct moeten verlopen. Vervolgens wordt in Hoofdstuk 5 een belangrijke mogelijkheid van de software besproken, namelijk de koppeling met externe APIs. De mogelijkheid tot het integreren van externe APIs verlaagt het programmeerwerk van de programmeur van de applicatie. Complexe algoritmes zoals een Vehicle Routing Problem of een OV router moeten niet opnieuw ontworpen en ontwikkeld worden. Er moet enkel een connectie gemaakt worden tussen de applicatie en de gewenste API. Het gevolg is dat de onderzoeks- en ontwikkelingstijd drastisch zal dalen. In dit hoofdstuk wordt de integratie met het Multi-Agent Transport Simulation (MATSim) besproken. Hoofdstuk 6 combineert de kennis en technieken, ontdekt in dit deel, om een werkende simulator te ontwikkelen en experimenten uit te voeren. Een sensitiviteitsanalyse wordt uitgevoerd gebaseerd op de tarieven van vervoersaanbieders en de grootte van hun vloot. Deze verschillende experimenten geven inzichten in verschillende metingen zoals (i) het aantal verplaatsingen dat een klant niet kan volbrengen, (ii) de totale inkomsten en uitgaven van een aanbieder en (iii) het totaal aantal aanvragen, afwijzingen, aanvaardingen en voorstellen. Het uiteindelijke doel is om te onderzoeken of vervoersaanbieders in een vraaggestuurde transport context rendabel kunnen zijn gedurende een specifieke periode. Om deze resultaten te kunnen bekomen, zullen klanten en vervoersaanbieders met elkaar de dialoog aangaan om zo te onderhandelen over aanvragen en de bijhorende voorstellen. Vervoersaanbieders versturen voorstellen als ze de aanvraag kunnen behandelen en wijzen de aanvraag af als ze deze niet kunnen afhandelen. Bijgevolg kan het zijn dat in sommige gevallen, de klanten niet in staat zullen zijn om bepaalde trips te kunnen uitvoeren aangezien er geen aanbieder is die de aanvraag succesvol kan behandelen. Ten slotte wordt er in Hoofdstuk 7 een kritische reflectie gegeven over deze simulatie. Deel II bestaat uit één hoofdstuk. Hoofdstuk 8 beschrijft de optimalisatie algoritmes die gebruikt kunnen worden om transport te optimaliseren dat georganiseerd wordt door faciliteiten door gebruik te maken van carpoolen en vraaggestuurd vervoer. Het vervoer bestaat bijgevolg uit (i) vrijwilligers die faciliteitsbezoeker willen ophalen en afzetten bij de faciliteit of een andere gemeenschappelijke locatie en (ii) vraaggestuurde vervoersaanbieders. Door te carpoolen, moeten mogelijks minder faciliteitsbezoekers worden opgehaald door vraaggestuurde vervoersaanbieders of de routes van de vraaggestuurde vervoersaanbieders worden efficiënter aangezien faciliteitsbezoekers samengebracht worden bij een gemeenschappelijke locatie. Het resultaat is dat minder voertuigen gebruikt moeten worden en minder kilometers afgelegd moeten worden en dat er bijgevolg minder kosten zijn. Gegeven een reeks van deelnemers en bestuurders met bijhorende beperkingen zal de software proberen om een optimale oplossing te vinden. Deelnemers die geen deel uitmaken van de carpooloplossing, zullen nog steeds gebracht worden door een betaalde bus. Deel III bestaat uit één hoofdstuk. Hoofdstuk 9 stelt een methode voor die gebruikt kan worden om data te verzamelen van een zeer specifieke groep mensen. Een stop detectie algoritme wordt geïntroduceerd. Een sensitiviteitsanalyse is uitgevoerd en resultaten zijn vergeleken met een bestaand trip detectie algoritme. Deel IV beëindigt de thesis. In Hoofdstuk 10 wordt er een overzicht gegeven van mogelijk toekomstig onderzoek. Er wordt ook wat extra materiaal besproken. Ten slotte, wordt er een conclusie getrokken in Hoofdstuk 11.