Schutzblech oder Regenschirm?

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1 Schutzblech oder Regenschirm? Wetterbereinigte Zeitreihen des Veloaufkommens im Kanton Basel-Stadt Statistiktage 2016, Neuenburg Lukas Mohler, des Kantons Basel-Stadt

2 Warum wetterbereinigte Zeitreihen des Veloverkehrs? Motivation: Im Verkehrsleitbild des Kantons Basel-Stadt ist festgehalten: dass steigender Veloverkehr einerseits die öffentlichen Verkehrsmittel zu Spitzenzeiten entlasten und andererseits einen Teil des motorisierten Individualverkehrs ersetzen soll. Das Amt für Mobilität hat die Entwicklungen im Bereich Verkehr zu überprüfen und dem Regierungsrat Bericht zu erstatten. Das bedingt eine entsprechende vorausgehende Informationsgewinnung, z.b. die Messung der Verkehrszahlen Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 2

3 Warum wetterbereinigte Zeitreihen des Veloverkehrs? Motivation: Im Bereich des Veloverkehrs wird dafür unter anderem auf ein Netz von über 20 fest installierten Velozählstellen im ganzen Kantonsgebiet zurückgegriffen. Induktionsschlaufen Zählgerät Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 3

4 Warum wetterbereinigte Zeitreihen des Veloverkehrs? Motivation: Das Amt für Mobilität erstellt daraus einen jährlichen Index der Velofrequenzen. Allerdings wurde folgendes festgestellt: Der Indexstand schwankt von Jahr zu Jahr stark. Eine Betrachtung von Wetterdaten weist darauf hin, dass diese Schwankungen wetterbedingt sein könnten. Es resultierte das Bedürfnis mehr über den Wettereinfluss auf die Velofrequenzen zu erfahren und einen Velo-Index konstruieren zu können, welcher bei einem «gleich bleibenden» Wetterverhalten zustande kommen würde. Auftrag an das Statistische Amt Basel-Stadt Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 4

5 Analysestrategie Regressionsanalyse mit geeignetem Schätzer, welcher separat für jede Zählstelle und jede Fahrtrichtung die täglichen Velofrequenzen mittels Wettervariablen und anderen erklärenden Faktoren zu beschreiben versucht. Es resultieren geschätzte Koeffizienten, welche die Stärke des Wettereinflusses beschreiben sowie Voraussagen, wie die Velofrequenz mit «konstantem» Wetter ausgesehen hätte Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 5

6 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Datengrundlage Abhängige Variable: Velofrequenzen an über 20 Zählstellen. Grafik: Abbildung der Tagesfrequenzen (Wettsteinbrücke, Fahrtrichtung 1): Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 6

7 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Datengrundlage Jahresganglinien: Wochenganglinien: : Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 7

8 Datengrundlage Tagesganglinien Mo-Fr: Tagesganglinien Sa-So: Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 8

9 Datengrundlage Erklärende Variablen: Verfügbare Wetterdaten für Basel-Stadt: Typ Sonnenscheindauer Regenmenge Mittlere Temperatur Maximale Temperatur Minimale Temperatur Maximale Windstärke Schneehöhe morgens Schneehöhe abends Frequenz stündlich stündlich stündlich stündlich stündlich stündlich täglich täglich Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 9

10 Datengrundlage Erklärende Variablen: Eigene «Veranstaltungsdatenbank» Basel-Stadt (Auswahl): Feiertage, Messen Feiertage Ferien Semesterferien Grosse Messen und Kongresse Sport Fussballspiele, Eishockeyspiele Swiss Indoors, TopVolley, Badminton, CSI Stadtlauf, Marathon, Birslauf, Bruggelauf Quer durch Basel, Waldlauf Lange Erlen Rheinschwimmen, SlowUp Kultur Tattoo, Baloise Session, Bscene Grosse Konzerte (St.Jakob) Summerblues, Bebbi si Jazz, Jazzfestival Imagine, JKF, Im Fluss, Basel Open Air Fasnacht, Schulfasnacht, Bummelsonntage Sonstiges Herbstmesse, Weihnachtsmarkt Verkaufsoffene Sontage Feuerwerke (Silvester, August) Sportnacht, Museumsnacht Vogel Gryff, Klosterbergfest, Hafenfest Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 10

11 Methodisches Vorgehen Variablen für das Modell zur Erklärung der Velofrequenzen: Abhängige Variable: Tägliche Velofrequenz Erklärende Variablen: Tagesmerkmale: Wochenende, Monat, Feiertag, Ferien, Veranstaltungen Wetterdaten: Sonnenscheindauer, Regenmenge, mittlere Temperatur, maximale Windgeschwindigkeit, Schneehöhe morgens und abends Transformationen von / Interaktionsvariablen zwischen Wetterdaten sowie zwischen Wetterdaten und Tagesmerkmalen: Beispiele: Interaktion mittlere Temperatur mit Sonnscheindauer, Interaktion Regenmenge mit Wochenend-Dummy, Temperatur im Quadrat, Wetter am frühen Morgen, gelaggte Werte von Wettervariablen usw Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 11

12 Methodisches Vorgehen Verschiedene Herausforderungen: 1. Spezifikation der Schätzgleichung: Separate Schätzung für jede Zählstelle: Immer die gleiche Spezifikation? Verschiedenste Möglichkeiten bei der Auswahl der erklärenden Variablen (Interaktionen, Terme höherer Ordnung) Verschiedene Transformationsmöglichkeiten der Variablen (log, sqrt, ) Für jede Zählstelle werden Dutzende verschiedene Spezifikationen geschätzt mit unterschiedlichen erklärenden Variablen und unterschiedlicher Transformation der abhängigen Variable Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 12

13 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Methodisches Vorgehen Verschiedene Herausforderungen: 2. Der Datensatz enthält viele potentielle Ausreisser. Lösungsansätze: Zusätzliche erklärende Variablen! (=> insb. Veranstaltungen) Wahl der Schätzmethode: OLS plus Ausreisser-Identifikation und -Eliminierung Robuste Regression (MM-Estimation) Poisson-Regression, robuste Poisson-Regression 0 Diagnostik: Residual plots, Q-Q-Plots, Adj. R 2, AIC, Vergleich Koeffizienten und Voraussagen Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 13

14 Methodisches Vorgehen Finale Schätzspezifikation: «so simpel wie möglich, so komplex wie nötig» OLS mit Ausreisser-Eliminierung: Diagnostische Tests i.o. Resultierende Koeffizienten und Predictions sehr nahe an robuster Regression- und Poisson-Regression, keine Konvergenzprobleme Einfachste Interpretation der Koeffizienten Relativ «einfache» Schätzspezifikation: Log-linear-Modell erfüllt Verteilungsannahmen; Resultate sind einfach interpretierbar. Interaktionen bringen kaum Verbesserung, Beurteilung des Wettereinflusses wäre aber komplizierter Terme höherer Ordnung bringen keine Verbesserung, auch diese würden Interpretation erschweren Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 14

15 Resultate Einfluss des Wetters auf die Velobewegungen Über 20 Zählstellen, meist zwei Richtungen: Resultate variieren, Muster ist aber überall ähnlich: Sonne +, Temperatur +, Regen -, Schnee - Mittelwerte und Mediane der wichtigsten Wetterkoeffizienten über alle Zählstellen und Fahrtrichtungen: Koeffizient Mittelwert Median Regen in mm -1.6% -1.6% Sonnenscheindauer in Stunden 1.6% 1.5% Mittlere Temperatur in C 0.2% 1.0% Schneemenge morgens in cm -3.0% -1.7% Schneemenge abends in cm -2.3% -1.8% Maximale Windstärke in km/h 0.0% 0.0% Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 15

16 Jan 06 Jul 06 Jan 07 Jul 07 Jan 08 Jul 08 Jan 09 Jul 09 Jan 10 Jul 10 Jan 11 Jul 11 Jan 12 Jul 12 Jan 13 Jul 13 Jan 14 Jul 14 Jan 15 Jul 15 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Resultate Voraussagen des Modells Voraussage mit den tatsächlich beobachteten Originaldaten: Wie gut kann unser Modell die beobachteten Werte abbilden? => R 2 > 90% Voraussage Modell mit Originaldaten Originalreihe Wettsteinbrücke, Fahrtrichtung Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 16

17 Jan 06 Jul 06 Jan 07 Jul 07 Jan 08 Jul 08 Jan 09 Jul 09 Jan 10 Jul 10 Jan 11 Jul 11 Jan 12 Jul 12 Jan 13 Jul 13 Jan 14 Jul 14 Jan 15 Jul 15 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Resultate Voraussagen des Modells Voraussagen des Modells mit «künstlichen» Wetterdaten? => Wetterdaten 2008 für alle Jahre, Wetterverhalten bleibt «konstant» Voraussage Modell mit Wetterdaten 2008 Originalreihe Wettsteinbrücke, Fahrtrichtung Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 17

18 Jan 06 Jul 06 Jan 07 Jul 07 Jan 08 Jul 08 Jan 09 Jul 09 Jan 10 Jul 10 Jan 11 Jul 11 Jan 12 Jul 12 Jan 13 Jul 13 Jan 14 Jul 14 Jan 15 Jul 15 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Resultate Voraussagen des Modells Wetterbereinigte Daten = Originalwerte (Voraussage Originalwetter Voraussage Wetter 2008) Wetterbereinigte Reihe Originalreihe Wettsteinbrücke, Fahrtrichtung Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 18

19 Präsidialdepartement des Kantons Basel-Stadt Resultate Voraussagen des Modells Jahresaggregate der wetterbereinigten Zahlen: Wetterbereinigte Reihe Originalreihe Wettsteinbrücke, Fahrtrichtung Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 19

20 Resultate Wetterbereinigter Velo-Index Verschiedene Zählstellen zu einem Index zusammengefasst: 130 Index Velo Index Velo wetterbereinigt Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 20

21 Zusammenfassung und Schluss Bedürfnis des Amts für Mobilität nach: Informationen über den Wettereinfluss auf die Velofrequenzen und Velo-Index, der nicht vom Wetter beeinflusst wird. Lösungsansatz: Regressionsanalyse, welche die Velofrequenzen mit Wetterdaten sowie Tagesmerkmalen und Veranstaltungen zu erklären versuchen. Resultat: Mittlerer Einfluss der Wettervariablen für jede Zählstelle Wetterbereinigte Zeitreihen für jede Zählstelle Statistiktage 2016 / Neuenburg Schutzblech oder Regenschirm? 21