Was ist Verkehrsplanung? Prozesse, Probleme und Modelle

Transkript

1 Was ist Verkehrsplanung? Prozesse, Probleme und Modelle KW Axhausen IVT ETH Zürich Frühlingssemester 2017

2 Heute Übersicht über die Vorlesung und das Fach Motivation Unterrichtsbeispiel «Gotthard» Planung als Prozess Dynamik der verkehrlichen Entwicklung Planungsziel Maximierung Erreichbarkeiten Einführung des Verkehrsmodells 2

3 Leistungsnachweise Während des Semesters: Zwei benotete Zwischenprüfungen (je 20min) (nächste Slides) Besuch der Vorlesung und Lösen der Übungen empfohlen (gute Vorbereitung auf die Prüfung) Nach dem Semester: Schriftliche Sessionsprüfung (90min) Assistenten: Raphael Fuhrer Patrick Bösch 3

4 Zwischenprüfungen («zentrale Elemente») Form: Je 20 Minuten; Formelsammlung und einfacher Taschenrechner erlaubt; Prüfungsstil vergleichbar mit Hauptprüfung. Gewicht: Durchschnitt der Zwischenprüfungen zählt zu 20% zum Schlussergebnis von Verkehrsplanung (Verkehr I). Daten: Zwischenprüfung 1 (Umlegung, kürzeste Wege, Erreichbarkeit): Zwischenprüfung 2 (Entscheidungsmodelle, Verteilung, Erzeugung):

5 Zwischenprüfungen Anwesenheitspflicht Zwischenprüfungen sind Teil der offiziellen Leistungskontrolle und es besteht daher Anwesenheitspflicht; unentschuldigtes Nicht- Erscheinen führt zur Nicht-Zulassung zur Hauptprüfung. Absehbare Absenzen: Schriftliche Abmeldung mit Begründung muss bis spätestens Mittwoch vor der Prüfung durch den Dozenten bestätigt werden. Nicht-absehbare Absenzen: Schriftliche Begründung (bspw. Artztzeugnis) bis zwei Tage nach der Prüfung beim Dozenten. Rechtzeitig entschuldigte Absenzen: Keine Wiederholung der Zwischenprüfung. Eine Absenz: Die Note der anderen Prüfung zählt 10% zum Schlussergebnis. Zwei Absenzen: Kein Notengewicht der Zwischenprüfungen. 5

6 Webseite zur Vorlesung Über zu Studium zu Alle Verkehrsveranstaltungen zu Verkehrsplanung URL: 6

7 Themen der Vorlesung Netze Modelle des Verkehrsverhaltens Befragungen Statistische Modelle von Entscheidungen Gleichgewicht in der Verkehrsmodellierung Gesamtmodelle der Verkehrsnachfrage Bewertung von Massnahmen Planungsprozess 7

8 Bücher/Skript Schnabel, W. und D. Lohse (2011) Grundlagen der Strassenverkehrstechnik und der Verkehrsplanung, Band 2 - Verkehrsplanung, Beuth und Kirschbaum Verlag, Berlin und Bonn. Ortuzar, J. de. D. and L.G. Willumson (2011) Modelling Transport, 4. Ausgabe, Wiley, Chichester. (Download-Link ETH-Library auf Vorlesungshomepage) Axhausen, K.W. (2011) Transport modeling, in D. Robinson (eds.) Computer Modelling for Sustainable Urban Design: Physical Principles, Methods and Applications, , earthscan, London. und weitere Angaben zu jeder Vorlesung 8

9 Unterrichtsbeispiel «Gotthard» 9

10 Gotthard Nationale und internationale Bedeutung Anbindung des Tessins an Nord- und Westschweiz Teil des europäischen Verkehrskorridors «Rheingebiet Alpen» Abbildung: 10

11 Varianten zur Sanierung Gotthard-Strassentunnel Neubau 2. Röhre Fahrzeugverlad «Variante Menn» Bau einer zweiten Tunnelröhre Während der Sanierung der alten Röhre wird neue Röhre genutzt Anschliessend Nutzung beider Röhren je einspurig Fahrzeugverlad PKW Göschenen-Airolo Fahrzeugverlad LKW Erstfeld-Biasca Fahrzeugverlad während der Sanierung in Betrieb; wird anschliessend zurückgebaut Bau einer neuen Umfahrung mit zwei Scheiteltunneln Ersetzt Tunnel während der Sanierung Kann anschliessend ggf. weiter verwendet werden 11

12 Varianten zur Sanierung Gotthard-Strassentunnel Neubau 2. Röhre Fahrzeugverlad «Variante Menn» Geschätzte Kosten: 2.8 Mrd. CHF Geschätzte Kosten: Mrd. CHF Geschätzte Kosten: 2.0 Mrd. CHF Achtung! Geschätzte Kosten enthalten nur die Bau- bzw. Betriebskosten Es müssten volkswirtschaftliche Kosten und Effekte auf das Verkehrssystem verglichen werden. Dazu gehören unter anderem: Verschiebungen der Verkehrsströme Zeitkosten durch Wartezeiten und höhere Reisezeiten Energieverbrauch, Schadstoffemissionen Unfälle, Gesundheitskosten... 12

13 Motivation Verkehrsplanung Im Laufe der Vorlesung: - Ist-Situation: Wer nutzt heute den Gotthard weshalb wofür? - Zukünftige Situation (Annahme: Entscheidung noch offen.)? - Erwartete Veränderungen in - Reiseentscheide (Verkehrserzeugung)? - Zielwahl (Verkehrsverteilung)? - Verkehrsmittelwahl? - Routenwahl? - Bedeutung dieser Veränderungen für Verkehrssystem? - Mögliche Massnahmen zur Beeinflussung Veränderungen? 13

14 Planung als Prozess 14

15 nach Heidemann (1985) Planungsprozess nach Heidemann, 1985 Variantenvergleich 15

16 Definition von Planung (Heidemann, 1992) Planung: Verfertigung von Anleitungen als Vorbereitung von Handlungen zur überlegten Beeinflussung von Angelegenheiten Plan: Zusammenstellung von Anleitungen zur überlegten Beeinflussung von Angelegenheiten 16

17 Beteiligte Akteure Nutzer und Nicht-Nutzer, insbesondere Anlieger Kunden (direkt, indirekt) Betreiber (Besitzer und Mitarbeiter) (öffentlich oder privat) Planer und Regulierer Politiker und Interessenvertreter Ersteller und Ausrüster (Inhaber und Mitarbeiter) 17

18 Planungsprozess Anforderungen während der verschränkten Planung Gesetzlichen Abläufe Politischen Abläufe Zentrale Idee: Abwägung aller Interessen bei den behördlichen Entscheidungen, insbesondere Interessenausgleich zwischen Gewinnern und Verlierern : Vermuteter Nutzen / Vermutete negative Wirkungen Politische Kompromisse oder Durchsetzungsstrategien 18

19 Planungsprozess Verkehrsplanung ist eingebettet in Raumplanung Umweltplanung Flächennutzungsplanung Offizielle Verfahren Zweckmässigkeitsprüfung mit KNA und/oder NWA Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) Andere ähnliche Verfahren Zentral ist Bürgerbeteiligung Vernehmlassung bei offiziellen oder anerkannten Stellen 19

20 Planungsprozess Probleme im gesetzlich geregelten Prozess durch: Technokratische Orientierung Verlust von Vertrauen der Betroffenen und Politiker Aufbau von fixen Fronten Gerichtsverfahren 20

21 Planungsprozess Lösungsansatz: Offene Planungsverfahren mit Bürgerbeteiligung bei der Gestaltung der Varianten Verschränkte offizielle und offene Verfahren Offenlegung der technischen Arbeiten Offizielle Entscheidungen als Austrag des offenen Prozesses Probleme: Selbstselektion der Teilnehmer Einbindung aller Interessierten 21

22 Kontext: Verkehrsingenieurwesen Wir planen projektieren bauen betreiben die verkehrliche Infrastruktur unserer Gesellschaften. 22

23 Infrastruktur(en) Technische Systeme oder Institutionen, die die Voraussetzungen für das gesellschaftliche Leben schaffen, z. B.: Strassen Eisenbahnen Flughäfen und Luftstrassen Wasserversorgung Abwasserversorgung Müllentsorgung Energieversorgung 23

24 Soziale Infrastrukturen Beispiele: Steuern, Recht und Justiz Gesetzgebung Bibliotheken, Museen Schulen, Hochschulen Gesundheitsversorgung Freizeiteinrichtungen Naturschutz 24

25 Tätigkeitsfelder von Verkehrsplanern & - ingenieuren Ingenieurbüros Öffentliche Verwaltung ÖV Verkehrsunternehmen, Verkehrsverbünde Mobilitätsdienstleister Forschungseinrichtungen Flughäfen, Airlines Fahrzeugindustrie Interessensverbände Datenproduzenten 25

26 Dynamik des Verkehrssystems 26

27 Galor und Weil (2000), Abbildung 1 Wachstumsrate [%/Jahr] Wachstumsraten in Westeuropa seit Produktivität Bevölkerung Malthus: Bevölkerung und Produktivität wachsen gleich schnell Moderne: Produktivität wächst wesentlich schneller Jahr 27

28 Dynamik der Verkehrsentwicklung Skalengewinne und Spezialisierung + - Elastizität > 0 Elastizität < BIP Aktivitäten - Flottenkomfort slots - vtts et al. + + Touren vkm t/pkm k + - Energiepreise Marktgrösse/ Aktivitätenraum Legende im Anhang 28

29 Dynamik der Verkehrsentwicklung seit 1950 Dramatische Beschleunigung der internationalen Arbeitsteilung Spezialisierung und Produktivitätssteigerung Wachsende Realeinkommen weltweit Reduktion der Lebensarbeitszeit Vollmotorisierung innerhalb einer Generation Volle Telekom-Ausstattung innerhalb einer Generation Expansion der Wegenetze und Verkehrsdienstleistungen Verfall der Kosten der Verkehrsteilnahme Wachstum der Verkehrsleistung 29

30 Quelle: Milanovic, B (2013) Aber, reales Einkommenswachstum ( ) weltweit 30

31 Frankreich: Nachfrage nach Verkehrsleistung km/person und Tag Gruber (1998) IV ÖV Zu Fuss

32 Axhausen (2001) Trend der Systemgeschwindigkeit, z.b. Frankreich 100 Systemgeschwindigkeit [km/h] Einschliesslich Fernflüge Hohe Annahmen Niedrige Annahmen Jahr 32

33 Ciari und Axhausen (2015) Anteil Fahrausweisbesitz [%] Langfristige Entscheide: Fahrausweisbesitz Mittleres Alter der Kohorte 33

34 BFS/ARE (2012) Kurzfristige Entscheide: Tagesdistanz und Verkehrsmittelwahl 34

35 Scherer (2004) Schrumpfende Strassen - Schweiz (1950) 35

36 Scherer (2004) Schrumpfende Strassen Schweiz (2000) 36

37 Scherer (2004) Schrumpfende Schienen Schweiz (1950) 37

38 Scherer (2004) Schrumpfende Schienen Schweiz (2000) 38

39 Botte (2002) Schweizer Pendlereinzugsbereiche seit

40 Warum planen? (Hier weitermachen) 40

41 Ziele staatlicher Planung/Eingriffe (Nachhaltige) Maximierung der gesellschaftlichen Wohlfahrt Erschliessung eines Territoriums Maximierung der Erreichbarkeiten Reduktion der Transportkosten Bei Einhaltung von Umweltverträglichkeit (Minimum) Sicherheitszielen (Minimum) Gleichbehandlung aller (Minimum) Kapitalverfügbarkeit Betriebskostendeckung 41

42 Kriterien für den einzelnen Eingriff Pareto-Optimum: Eine Massnahme sollte durchgeführt werden, wenn sie die Wohlfahrt mindestens einer Person erhöht und die Wohlfahrt aller anderen Personen nicht schmälert. Kaldor-Hicks-Kriterium: Eine Massnahme sollte durchgeführt werden, wenn aus den Gewinnen der Gewinner alle Verluste der Verlierer erstattet werden könnten und ein Überschuss verbleibt. 42

43 Ziele privater Planung/Eingriffe Maximierung der Wohlfahrt der Unternehmung Maximierung des Kapitalwerts (Strom aller zukünftigen Überschüsse) Optimaler Interessenausgleich der Beteiligten (Eigner, Mitarbeiter, Kunden, Umfeld) Bei Einhaltung von Ausreichender Kapitalverzinsung Aufrechterhaltung der Produktion Angemessene Vergütung der Mitarbeiter Erhalt des Marktanteils Sicherheits- und Umweltstandards 43

44 Ziel: Maximierung der Erreichbarkeiten Definition Erreichbarkeit: (Gewichtete) Anzahl aller Gelegenheiten zur Teilnahme am gesellschaftlichen (wirtschaftlichen) Leben, die in für den jeweiligen Zweck angemessener Zeit (generalisierten Kosten) erreicht werden können. Logik: Grössere Auswahl (Arbeitgeber, Arbeitnehmer) Besserer und schnellerer Abgleich zwischen Angebot und Nachfrage (Arbeitsplätze, Ausbildungsmöglichkeiten, Gütern und Dienstleistungen) Höhere Produktivität durch Spezialisierung Ermöglichung innovativer Güter und Prozesse

45 Generalisierte Kosten des Verkehrs Summe der risiko- und komfort-gewichteten Ressourcenverbräuche der Fahrt: Aufgewendete Zeit (in ihren Elementen) (für den jeweiligen Zeithorizont entscheidungsrelevante) Monetäre Kosten Also besser: Summe der risiko- und komfort- gewichteten entscheidungsrelevanten Ressourcenverbräuche der Fahrt des Einzelnen

46 Messung der Erreichbarkeit E i = k < k ij max k ij =0 X j f( k ij ) E i i j X j k f() Erreichbarkeit von Ort i aus Ausgangsort i Zielort j Gelegenheiten am Ort j Generalisierte Kosten des Widerstands zwischen i und j Gewichtungsfunktion

47 Berechnung der Erreichbarkeit: Schritt Gelegenheiten X Erreichbarkeitsbeitrag Entfernung

48 Berechnung der Erreichbarkeit: Schritt 2 Erreichbarkeitsbeitrag Gelegenheiten X Gewichtungsfunktion Entfernung

49 Berechnung der Erreichbarkeit: Schritt 3 Erreichbarkeitsbeitrag Gelegenheiten X Gewichtungsfunktion Beiträge für Ort bei Entfernung(0) Entfernung

50 Berechnung der Erreichbarkeit: Schritt 4 Erreichbarkeitsbeitrag Gelegenheiten X Gewichtungsfunktion Beiträge für Ort bei Entfernung(0) Erreichbarkeit Ort bei Entfernung(0) Entfernung

51 Fröhlich (2005) Absolute Erreichbarkeiten Strasse (1950)

52 Fröhlich (2005) Absolute Erreichbarkeiten Strasse (2000)

53 Fröhlich (2005) Absolute Erreichbarkeiten Schienennetz (1950)

54 Fröhlich (2005) Absolute Erreichbarkeiten Schienennetz (2000)

55 Verkehrsmodelle Ein Teil der Aufgaben der Verkehrsplanung ist die Erstellung, Nutzung und Interpretation eines Verkehrsmodells: Werkzeug zur Unterstützung der Bewertung der Massnahmen

56 Eine Beispielauswertung: Verkehrsmengenkarte

57 Was wollen wir wissen? Veränderung im Verkehrsgeschehen als Funktion von Veränderungen: Der Infrastruktur Des Angebots und der Preise Der Haltungen der Nutzer Der Struktur der Nachfrage Der Struktur der Nutzer

58 Dimensionen der Nutzergruppen Sozio-Demographie: Wohnstandort und Arbeitsplatz Geschlecht Alter Einkommen PW-Besitz Quelle, Ziel Verkehrsmittel Route Uhrzeit

59 Dimensionen der Veränderung Mengen der Nachfrage (Betriebsqualität) auf jedem Teil der Infrastruktur, respektive für jede Dienstleistung zu jedem Zeitpunkt Auswirkungen dieser Nachfrage (Umwelt, (generalisierte) Kosten) Erreichbarkeiten Nutzen

60 Was heisst nun Gleichgewicht im Verkehrsmodell? Konsistenz von den generalisierten Kosten und der zugehörigen Nachfrage Eigenschaften: Nutzenmaximierende Reisende Mathematisch beschreibbarer Zustand, der exakte Vergleiche erlaubt Idealisierung der Realität, da das tatsächliche System sich nie in einem (vollständigen) Ruhezustand befindet

61 Aber Probleme: Realität verändert sich kontinuierlich Dauer des Ausschwingens des Systems nach einer Massnahme/Veränderung ist unbekannt, respektive variabel (siehe Diskussion über Gewohnheit und Lernen)

62 Vier-Stufen-Ansatz Vier-Stufen Ansatz implementiert Teilmodelle zur Berechnung von k tsmgz = q tsmgz (k tsmgz, B igz, A tsmz ) k : Geschätzte generalisierte Kosten k : Annahmen zu den generalisierten Kosten q : Geschätzte Verkehrsmenge A : Angebot (Infrastrukturen, Dienstleistungen und Ziel) B : Bevölkerung (natürliche und legale Personen) t : Tageszeit t i : Quelle i s : Strecke s j : Ziel j r : Route r g : Gruppe g m : Verkehrsmittel m z : Jahr z

63 Vier-Stufen-Ansatz: Mögliche Teilmodelle Motorisierungs- und Zeitkartenbesitzprognose Verkehrserzeugung e iz = f(b igz ) Verkehrsanziehung a jz = f(b jgz, A jz ) Verkehrsverteilung q ijz = f(e iz, a jz, k ij,(m),z ) Verkehrsmittelwahl q ijmz = f(q ijz, k ijm,z ) Zeitpunkt q tijmz = f(q ijmz ) (z.b. Spitzenstunde) Umlegung q tsrijmz = f(q tijmz, k tsrijmz ) k tsrijmz = f(q tsrijmz )

64 Vier-Stufen-Ansatz: Standard -Teilmodelle Motorisierungs- und Zeitkartenbesitzprognose 1. Verkehrserzeugung e iz = f(b igz ) Verkehrsanziehung a jz = f(b jgz, A jz ) 2. Verkehrsverteilung q ijz = f(e iz, a jz, k ij,(m),z ) 3. Verkehrsmittelwahl q ijmz = f(q ijz, k ijm,z ) Zeitpunkt q tijmz = f(q ijmz ) (z.b. Spitzenstunde) 4. Umlegung q tsrijmz = f(q tijmz, k tsrijmz ) k tsrijmz = f(q tsrijmz )

65 Vier-Stufen-Ansatz: Mögliche Probleme Theoretische Konsistenz der Teilmodelle Fehlende Abhängigkeit der Erzeugung, Anziehung von den generalisierten Kosten im Netz Fehlende Rückkopplungen zwischen den Teilschritten Beschränkte Anwendbarkeit in überlasteten Netzen bei fehlender Rückkopplung Verzicht auf Gleichgewichtsberechnung

66 Zusammenfassung Planung zur Optimierung der Infrastruktur Erreichbarkeit als Mass in der Verkehrsplanung Idee des Gleichgewichts Verkehrsmodell als Mittel der Planung Vier-Stufen-Modell Nächste Vorlesung: Netze und Leistungsfähigkeit

67 Literaturhinweise Vorlesung 1 Schnabel und Lohse: Kapitel 7, 8.2, , , Ortúzar und Willumsen: Kapitel 1, 15.2 Tschopp, M., P. Fröhlich and K.W. Axhausen (2005) Accessibility and spatial development in Switzerland During the last 50 years, in D.M. Levinson and K.J. Krizek (eds.) Access to Destinations, , Elsevier, Oxford.

68 Literaturhinweise Vorlesung 2 (nächste Vorlesung) Schnabel / Lohse: Kapitel 9 Ortúzar / Willumsen: Kapitel 3.5

69 Quellen Axhausen, K.W. (2001) Sechs Fragen zur Mobilität der Zukunft, Forum des Schweizer Verkehrs, Bern, November BFS/ARE (2012) Mobilität in der Schweiz, Ergebnisse des Mikrozensus Mobilität und Verkehr 2010, Bundesamt für Statistik / Bundesamt für Raumentwicklung, Neuchâtel und Bern. Botte, M. (2003) Strukturen des Pendelns in der Schweiz, Diplomarbeit, Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme (IVT), ETH Zürich. Ciari, F. und K.W. Axhausen (2015) Insights on the Swiss way to «Peak Car», Bericht präsentiert an der 14th International Conference on Travel Behaviour Research (IATBR), Windsor, April Fröhlich, Ph., M. Tschopp und K.W. Axhausen (2005) Entwicklung der Erreichbarkeit der Schweizer Gemeinden: , Raumforschung und Raumordnung, 63 (6) Galor, O. und D. Weil (2000) From Malthusian Stagnation to Modern Growth, CEPR Discussion Papers 20 82, C.E.P.R. Discussion Papers. Gruber, A. (1998) Technology and Global Change, Cambridge University Press, Cambridge. Milanovic, B. (2013) Global income inequality in numbers: In history and now. Global Policy, 4 (2) Scherer, M. (2004) Erreichbarkeitsveränderungen in der Schweiz: Eine kartographische Darstellung, Semesterarbeit, IVT ETH Zürich. 69

70 Anhang: Legende Slide «Dynamik der Verkehrsentwicklung» vkm t/pkm Flottenkomfort vtts k Slots BIP Fahrzeugkilometer (vehicle kilometer) Tonnen- oder Personenkilometer Komfort der benutzten Fortbewegungsmittel Zahlungsbereitschaft für Reisezeiteinsparung (value of travel time savings) Generalisierte Kosten der Raumüberwindung Fahrtgelegenheiten, die mit der vorhandenen Infrastruktur und kommerziellen Flotten möglich sind Nationale Wirtschaftsleistung (Bruttoinlandprodukt) 70