Adding transit to an agent-based transportation simulation [Elektronische Ressource] : concepts and implementation / vorgelegt von Marcel Rieser

A dding T ransit t o an
Ag ent -Based T ransporta tion Simula tion
C onc ep ts and Implementa tion
v or g elegt v on
Dipl. Inf .-Ing. ETH Mar c el Rieser
aus A ff eltrang en (T G ), Sch w eiz
v on der F akultä t V , V erk ehrs - und Maschinens y st eme
der T echnischen Univ ersitä t Berlin
z ur E rlangung des akademischen Grades eines
D okt or -Ing enieurs (Dr .-Ing.)
g enehmigt e Disserta tion
Pr omo tionsausschuss:
V orsitz ende: Pr o f . Dr .-Ing. Chr . Ahr end
Gutach t er: Pr o f . Dr . r er . na t . K ai Nag el
Gutach t er: Pr o f . Dr .-Ing. K a y W . Axhausen
T ag der wissenscha ftlichen A ussprache: 10. Juni 2010
Berlin 2010
D 83C ont ents
A bstrac t ix
K urzfassung xi
1 Intr oduc tion 1
2 Public T ransporta tion S y st ems 5
2.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Public T ransporta tion in Dev eloped C ountries . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 D a ta R equir ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Public T ransporta tion in Dev eloping C ountries . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 D a ta R equir ements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 R ela t ed W ork 11
3.1 T ransporta tion Simula tion in General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Multi-Modal and T ransit Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 T ransit Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 Multimodal R out e Choic e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 Opera tional Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.4 Multi-Modal Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Ag ent -Based T ransporta tion Simula tion 19
4.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 C ontr oler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3 Initial Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4 T ra ffic Flo w Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
iC ont ents
4.4.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2 Flo w Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.3 Int erac tion o f V ehicles, P ersons and Ne tw ork . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.4 Gridlock Pr ev ention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Ev ents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 Sc oring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.7 R eplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7.2 Plan Selec t ors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7.3 R eplanning Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.7.4 T y pical Usag e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.8 Analy ses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.9 Op timiza tions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.9.1 Simula tion o f Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.9.2 Simula ting A c tiv e R egions Only . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.9.3 Multi- T hr eading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.9.4 C ompr essing R out e Inf orma tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 R oad Pricing C ase St udy 49
5.1 Intr oduc tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Sc enario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 R esults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 C onclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6 Simple T ransit Int egra tion 55
6.1 Mode Choic e Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.1.1 Genera ting Non-C ar Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.1.2 Handling Non-C ar Plans in the T ransporta tion Simula tion . . . . . . . . 56
6.1.3 Sc oring Non-C ar Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.1.4 R eplanning With Non-C ar Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 T est Sc enario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.1 Ne tw ork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.2 Initial Plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.3 Behavioral P arame t ers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2.4 Simula tion R esults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 T heor e tical C alcula tions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3.1 T he Non-C ar Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3.2 T he C ar Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
iiC ont ents
6.3.3 T he C omple t e Mode Choic e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.4 L ar g e- Scale Applica tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.5 F urther St eps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.6 C onclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7 Design o f the Ag ent -Based T ransit Simula tion 69
7.1 Goals and F ea t ur es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 D a ta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.1 Ne tw ork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.2 P opula tion and R out es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.3 T ransit Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4 A dditional T ransit D a ta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3 T ra ffic Flo w Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.2 Initializa tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.3.3 Handling St ops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3.4 T ransit Rides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.4 T ransit R out er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.4.1 Ov ervie w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.4.2 T ransit Ne tw ork Genera tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.4.3 L east -C ost P a th C alcula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.4.4 Int egra tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.5 Mode Choic e During R eplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.6 T ransit C ontr oler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.7 T ransit Analy ses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8 Applica tions 93
8.1 Illustra tiv e E x amples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.1.1 A c c essEgr essDemo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.1.2 BlockingSt opDemo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1.3 T w oLinesDemo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.1.4 PseudoNe tw orkDemo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.2 L ar g e-scale Applica tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2.1 T he Z urich Sc enario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2.2 D a ta Pr ep ara tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.2.3 Running the Simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.4 T ransit Simula tion Out c ome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.5 Sensitivity St udy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
iiiC ont ents
8.2.6 P erf ormanc e analy sis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.3 C onc ep t ual Applica tions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.3.1 P ara transit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.3.2 Ride Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.3 C ar Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.3.4 A ut oma tic T ransporta tion S y st ems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9 C onclusion 119
9.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A ckno wledg ements 125
Bibliograph y 140
Appendic es 141
A Files in MA TSim 143
B T ransit Schedule 145
B .1 transitSchedule_ v1. dt d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
B .2 E x ample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
C Maps 149
C .1 S witz erland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
C .2 Ar ea o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
C .3 South o f City o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
D ZVV Maps 153
D .1 C omple t e Ar ea o f Opera tions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
D .2 City o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
ivList o f Figur es
1.1 R oad inf rastruc t ur e in P ortland, OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4.1 Mental and ph y sical w orld must be c onsider ed in a transporta tion simula tion . . 20
4.2 An e x ample o f a person and its da y plan, enc oded in a MA TSim-specific XML f orma t 21
4.3 T he building blocks o f the Multi- Ag ent T ransporta tion Simula tion (MA TSim ) . . . 22
4.4 E x t ension points o ff er ed by the MA TSim-C ontr oler . . . . . . . . . . . . . . 24
4.5 UML sequenc e diagram o f the messag es p assed be tw e en QueueSimula tion and
Driv erAg ent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.6 Messag es p assed f or a single st ep o f the simula tion . . . . . . . . . . . . . 32
4.7 Ev ents cr ea t ed by the tra ffic flo w simula tion when e x ecuting a single ag ent 's da y
plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.8 Only links devia ting f r om the f ollo w -up link ar e st or ed in c ompr essed r out es . . 48
5.1 S witz erland ne tw ork and t oll links f or Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 T rav el spe eds a t 5:30pm during the t oll time on the ne tw ork . . . . . . . . . 51
5.3 T rav el spe eds a t 8am when no t oll has t o be p aid . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 Number o f dep art ur es and trav elers on the r oad . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1 T he links o f the t est ne tw ork with their c or r esponding ids and a t tribut es . . . . 57
6.2 C ar shar e v s. non-car trav el mar ginal disutilities . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 C omp arison o f simula t ed tra ffic v olumes with r eal- w orld c ounts . . . . . . . . 64
6.4 C ar en r out e in lar g e-scale sc enario o v er time o f da y with diff er ent mar ginal disu-
tilities f or trav eling with non-car modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.5 Number o f ag ents dep arting per 15 min o v er time o f da y . . . . . . . . . . . 66
7.1 E x ample, ho w a ph y sical int ersec tion c ould be enc oded in the ne tw ork model. . . 71
7.2 Entity -R ela tionship (ER) model o f the transit schedule da ta struc t ur e . . . . . . 74
7.3 Sequenc e diagram o f the r elev ant p arts f or handling transit st ops . . . . . . . 78
vList o f Figur es
7.4 Sequenc e diagrams o f the r elev ant p arts f or handling transit rides . . . . . . . 81
7.5 Genera tion o f the T ransit R out er Ne tw ork . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.6 Modifica tion o f a plan by the transit r out er . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.1 R out e- T ime diagram o f the transit v ehicles in the ac c ess -egr ess demo . . . . . 95
8.2 Ne tw ork and st op loca tions f or the blocking-st op e x ample . . . . . . . . . . 96
8.3 Scr e ensho t f r om the visualiza tion o f the blocking-st op e x ample . . . . . . . . 96
8.4 T rav el times f or each link o v er the lapse o f time . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.5 Ne tw ork and st op loca tions f or the tw o-lines e x ample . . . . . . . . . . . . 98
8.6 Number o f p asseng ers trav eling be tw e en the st ops along the tw o transit lines . 99
8.7 Genera t ed Pseudo-Ne tw ork f r om a transit schedule c ontaining tw o uni-dir ec tional
lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.8 Home loca tions o f the 1.8 million ag ents used in the simula tion . . . . . . . . 102
8.9 R oad ne tw ork used in lar g e-scale applica tion . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.10 T ransit ne tw ork used in lar g e-scale applica tion . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.11 C ut outs o f the diff er ent ne tw orks used t o g enera t e the ne tw ork used f or simula tion 104
8.12 Chosen mode o f transporta tion o f all ag ents with the de tail transit simula tion model 107
8.13 Chosen mode o f tion o f ag ents living in the lar g er Z urich ar ea . . . . 107
8.14 Chosen mode o f transporta tion o f all ag ents in the simple model . . . . . . . 109
8.15 Chosen mode o f tion and loca tion o f transit st ops . . . . . . . . . 109
8.16 C omp arison o f simula t ed tra ffic v olumes with r eal- w orld c ounts . . . . . . . . 110
8.17 A bsolut e chang e in the shar e o f transit users per municip ality in per c entag e a ft er
train line S7 is r emo v ed f r om the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.18 T ime f or c omputa tion per it era tion and simula tion p art . . . . . . . . . . . . 114
B .1 V ery simple e x ample o f a r oad ne tw ork and loca tion o f bus st ops. . . . . . . . 147
C .1 Map o f S witz erland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
C .2 Ar ea o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
C .3 South o f Z urich, including st op loca tions o f trains . . . . . . . . . . . . . . 152
D .1 T rain lines in the ar ea o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
D .2 T ransit lines in the city o f Z urich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
viList o f T ables
2.1 D a ta f or opera ting public transporta tion s y st ems in dev eloped c ountries o f int er est
f or transporta tion simula tions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.1 Diff er ent ty pes o f ev ents g enera t ed by the tra ffic flo w simula tion . . . . . . . 34
7.1 A dditional ty pes o f ev ents g enera t ed by the transit simula tion . . . . . . . . 90
8.1 P erf ormanc e c omp arison be tw e en the simple mode choic e model and the de tailed
public transit simula tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A.1 C ommon standar diz ed input da ta files f or MA TSim . . . . . . . . . . . . . . 143
viiList o f T ables
viii