Modelling departure time, destination and travel mode choices by using the generalized nested logit model: an example for discretionary trips

Elmorssy, Mahmoud Morssy Mohamed
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Nowadays, understanding the influences of different temporal and spatial factors on individuals' travel choices becomes essential especially after the pandemic of COVID-19 that invaded the world in 2020. Such an outbreak had its own influences on the future transportation planning studies. By words, policy makers have directed their interests toward newly emergency transportation policies that aim to distribute travels over wider time and space spans in accordance with precautionary and preventive measures to counteract Corona virus or any other similar future virus attacks. However, transportation planning studies still rely on traditional demand modelling approaches such as the four-step model. The four-step model is still exposed to considerable criticism for its shortages in representing the potential correlations between temporal, spatial factors and different travel dimensions which leads to inaccurate representations of individuals' actual travel behaviour. In order to overcome that, some researches have directed their interests toward using choice modelling approach as an alternative to some stages in four-step model. Even though these approaches show better performance in terms of goodness of fit and predictability power, most of them have represented travel dimensions individually rather than jointly. As there is a gap in literature about representing a unified choice model that connect different travel demand dimensions and consider various potential inter-correlation among them, this dissertation contributes filling this gap through introducing three research papers that employ various types of discrete choice models for jointly representing three major travel dimensions; destination, departure time and travel mode. Such models contribute more to mathematical modelling literature of transportation demand models that provide more detailed and specific micro-policy analyses where traditional four-step model cannot. The presented papers introduce three discrete choice models that differ in the level of accounting for correlation of error terms within elementary alternatives and therefore differ in cross-elasticity pattern while offering computational simplicity. In the first paper, limited number of correlation patterns is introduced by adopting the three-level Nested Logit (NL) models. In the second paper, opposite to traditional NL models that was introduced in previous paper, this paper assesses the effect of considering spatial correlation of adjacent discretionary destinations on the choice of the two other travel dimensions by using the Ordered Generalized Extreme Value (OGEV) approach. The third paper, introduces a novel modelling methodology for using the Generalized Nested Logit (GNL) model to represent multi-dimensional potential correlations; between different travel dimensions (inter-correlation), inside the same travel dimension (inner-correlation) and correlation due to ordered nature travel dimensions (e.g. spatial correlation among destinations and temporal correlation between departure times). Overall, in the published papers, different levels of correlation between departure time, destination and travel mode choices and within each travel dimension are represented through different assumed correlation structures according to the nesting structure limitations provided by each model. Moreover, the associated formulas for each proposed model that reflect different patterns of correlation (cross-elasticity) are explicitly introduced. From a policy implications standpoint, a calibrated version of departure time, destination and travel mode model will provide policy makers very detailed analyses about the inter-relationships associated with the three travel dimensions (while traditional four-step model cannot provide at micro-level). That leads to more certain, specific, efficient and precise policy decisions. Thus, developing these models can be considered as a significant milestone toward obtaining a consistent, efficient and integrated full-scale model that can lie in all travel demand dimensions (e.g. number and duration of activities for activity and tour-based models). The developed models have been estimated and calibrated by using shopping and entertainment trips data of Eskisehir city, Turkey. The data have been collected through a household survey that was conducted in 2015 in the context of Eskisehir strategic master plan project which was operated by Eskisehir Metropolitan Municipality. Eskisehir is a city in north-western Turkey. It is considered as a medium sized city with a population of 799724 (2013 census) distributed over about 2678 km2 area. The collected data include variables that represent attributes of alternatives and individuals' characteristics to be used in models' utility functions. The first group of alternatives' attributes is travel time related attributes where, in vehicle time and out of vehicle time (egress time, at stop waiting time and access time) for each individual trip have been obtained. Moreover, related to travel cost, the fare of public transportation modes (for public transportation users), trip cost for private cars as well as parking fees (for private car users) have been observed for each individual trip. Within the collected revealed data, a good portion of socio-economic individual characteristics related observations are presented. These data include car ownership, individual's age, monthly income and student status (if respondent is a student or not). The total number of observations related to the determined alternatives has been found to be 529. The estimation results of each model have been explicitly interpreted in each paper and logical as well as statistical comparisons between pairs of models have been conducted in order to ensure the superiority of more advanced approaches (OGEV and GNL) over the lesser ones (NL). In the light of the estimation results, generally, individuals have been found to jointly decide on "at which departure time", "to which destination" and "by which mode" rather than doing this separately as assumed by traditional four-step model. Neglecting the potential correlation among alternatives of the three travel dimensions has led to inaccurate estimates of measurements' indicators such as Value of Time (VOT) which results finally in incorrect and improper policy decisions. From another hand gradual improvements in predictability have been observed as the level of the represented correlation increases. That is, three-level NL model was found to offer improvements over Multinomial Logit (MNL) model, OGEV model is prominent over NL model and GNL is superior over all models. It is possible to argue that the proposed GNL approach has distinct improvements over all other proposed approaches. Its simplicity along with the incomparable flexibility in representing a lot of correlation patterns within and among three vital travel dimensions all of that under a unified modest model qualify it to be prominent. The proposed GNL model has provided very detailed analyses about the inter-dependencies associated with various departure times, travel modes and discretionary destinations where other models cannot. The estimation results have expressed the powerful analytical ability of the proposed GNL approach where it has the power of capturing unusual correlation patterns. These patterns are thoroughly specific, unexpected, and very difficult to be observed in the market. By words, the dissertation argues that there is no other approach as simple as the proposed GNL and leads to such temporal and spatial specific analyses. The advantages associated with the proposed GNL approach qualify it to be a strong peer to the traditional four-step model in micro-disaggregate modelling scopes if applied for medium and small-scale planning studies that involve limited number of alternatives in each travel dimension. It may be used with a large number of alternatives in each travel dimensions as well, however, through stratifying the whole population to small segments based on one or more travel dimensions to produce small segments suitable for readily estimation process. Finally, the proposed GNL methodology represents a time of day-based trip-end distribution model that can reproduce a considerably more accurate transportation mode based origin-destination matrix dependent on time of day. Moreover, unlike traditional four-step models, parameter estimates produced from the GNL model can provide significant indications which precisely reflect the individuals' actual behaviour. Obviously, that can enormously help policy makers to reach a solid perception about the effects of applying various strategies to manage demands through different times of day and towards different destinations.
Özellikle 2020 yılı başlarından itibaren ortaya çıkan KOVİD-19 (koronavirüs) küresel salgını sonrasında, bireylerin yolculuklarla ilgili seçimleri üzerinde farklı zamansal ve mekânsal faktörlerin etkilerini anlamak önem kazanmıştır. Bu salgının gelecekteki ulaşım planlama çalışmaları üzerinde önemli etkileri olacağı açıktır. Bu etkilerin arasında, ulaşım sisteminin mevcut salgın ve gelecekte yaşanması muhtemel başka salgınlarda, gerekli önleyici tedbirlere uygun olarak daha geniş zaman ve mekân aralıklarında hizmet vermesini sağlayacak düzenlemeler yapılması da yer almaktadır. Ancak, bu planlamanın hangi yöntemle yapılacağı henüz belirsizdir ve halen yalnızca geleneksel dört aşamalı model kullanılmaktadır. Dört aşamalı model ise bireylerin zaman, mekân ve tür tercihlerini, ortak olarak değerlendirebilmek ve buna bağlı olarak politikalar ortaya koyabilmek açısından yetersiz bir modeldir. Bu çalışmada; kent içi ulaşım talebinin analizinde, yolculuğa başlangıç zamanı, yolculuğun son noktası ve tür seçimlerinin aralarındaki ilişkileri dikkate alan ve bu seçimlerin beraber olarak değerlendirilebilmesine olanak tanıyan bir model geliştirilmiştir. Bu amaçla üç farklı ayrık seçim modeli tahmin edilmiş ve bu modeller sınanmıştır. Önerilen modeller ve bunların yöntemleri, üç yayın ile açıklanmıştır. Bu üç yayında, söz konusu üç seçim, basitten karmaşığa doğru olacak şekilde, Çok Terimli Lojit (Multinomial Logit, ÇTL) Hiyerarşik Lojit (Nested Logit, HL), Genelleştirilmiş Sıralı Uç Değer (Ordered Generalized Extreme Value, GSUD) ve Genelleştirilmiş Hiyerarşik Lojit (Generalized Nested Logit, GHL) modelleri kullanılarak incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Bu tez çalışmasının amacı, bireylerin zorunlu olmayan yolculuklarında yaptıkları başlangıç zamanı, son nokta ve tür seçimleri arasındaki ilişkilerin tek bir model yapısı ile incelenmesi ve değerlendirilmesidir. Bu üç seçim birbirleriyle ilişkili olmalarına ve birbirlerinden etkilenmelerine rağmen, literatürde üçü arasındaki ilişkileri yeterli düzeyde açıklayan modeller sınırlı sayıdadır ve pratik kullanım alanı bulamamaktadır. Literatürde, bu üç seçim için genellikle ÇTL modeli kullanılmakta ancak bu yaklaşımda, seçimler ayrı ayrı, ikili veya üçlü gruplar halinde incelenebilmektedir. Örneğin; üçlü gruplama yapılan bir ÇTL modelinde her bir seçenek, zaman, son nokta ve tür için üç ayrı seçeneğin bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Ancak, bu tip bir gruplamada birkaç temel eksiklik bulunmaktadır: (1) Üç farklı seçimin tek bir seçenek haline getirilmesi gerçekçi bir gruplama yaklaşımı değildir. Seçeneklerin birbirleriyle çeşitli düzeyde ilişkileri bulunmakla birlikte, bireyler seçimlerini bu ilişkiden etkilenerek ayrık (bağımsız) olarak yapmaktadır. Bahsedilen yöntemle yapılan bir gruplama, zaman/son nokta/tür seçenek paketleri oluştururken, bireylerin bunları böyle paketler şeklinde değerlendirmesi gerçekte söz konusu değildir. (2) Özellikle seçenek sayısının fazla olduğu durumlarda, bahsedilen üçlü gruplama modellenemeyecek kadar çok sayıda seçeneğin ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. Örneğin; İstanbul'daki alışveriş yolculukları için yapılacak bir çalışmada, yalnızca kentteki alışveriş merkezlerinin sayısı bile modelin oluşturulmasını olanaksızlaştıracaktır. Buna, olası bütün ulaşım türleri ile çok sayıda farklı yolculuk başlangıç zamanlarının eklenmesi çalışmanın karmaşıklık düzeyin fazlasıyla büyütecektir. (3) Hesaplamada kullanılan ÇTL modeli, her bir seçeneğin hata terimlerinin varyanslarının dağılımının bağımsız ve aynı olduğunu kabul etmektedir. Bunun pratik anlamı, her bir seçeneğin seçimine etkisi olan ancak ölçülemeyen faktörlerin aynı olmasıdır. Bu benzerliğin, zaman, son nokta veya tür seçeneklerinin birbiri arasında var olabileceği kabul edilse bile, bahsedilen seçenek paketleri için böyle bir benzerlikten söz etmek mümkün değildir. Bu tip bir yaklaşımla üretilen modeller tahmin hataları içermektedir (Wen ve Koppelman 2001; Pinjari and Bhat 2010). ÇTL'nin aksine, üç seçimin bir arada incelenmesine olanak tanıyan HL modelleme yaklaşımı ise, hiyerarşik yapı için çeşitli kısıtlar içermesi nedeniyle, daha gerçekçi bir tercih yapısı sunsa da istenilen sonuçları vermemektedir. Literatürde, ayrıca, daha gelişmiş modeller yer almasına rağmen, bu modeller pratik olarak uygulanabilirlikten uzaktır Tez kapsamında üretilen tüm yayınlarda, Eskişehir Ulaşım Ana Planı Revizyonu işi kapsamında 2015 yılında Eskişehir'de toplanan hane halkı anketinden, zorunlu olmayan yolculuklara ait veriler kullanılmıştır. Zorunlu olmayan yolculuklara ait verilerin kullanılmasının temel nedeni, yolculuğa başlangıç zamanı, son nokta ve tür açısından tercih yapabilecekleri bir durumun incelenmesinin sağlanmasıdır. Ev-iş yolculukları gibi zorunlu yolculuklarda, değerlendirmeye alınan üç farklı konunun birkaçı veya tamamı için tercih yapılabilmesi söz konusu değildir. Hane halkı anketlerinde, bireyler ve/veya haneler ile ilgili, aralarında gelir, yaş, hane büyüklüğü vb. çeşitli bilgilerin yer aldığı sosyo-ekonomik özellikler ve bireyler veya hanelerin, ulaşım türü seçimleri, seçtikleri türün yolculuk süresi ve maliyeti vb. günlük ulaşım alışkanlıklarına ait bilgiler toplanmaktadır. Hane halkı anketinde yer alan tüm farklı bilgiler, bu çalışmada bağımsız değişken olarak kullanılmak üzere değerlendirilmiştir. Tahmin edilen modellerdeki bağımlı değişkenler; ulaşım türü için özel otomobil, toplu taşıma ve yürüme, yolculuğa başlangıç zamanı için sabah zirve, zirve dışı ve akşam zirve saatler, son nokta için ise Eskişehir'de zorunlu olmayan yolculuklar için çekim noktası özelliği taşıyan, Espark ve Özdilek alışveriş merkezleri ile Arifiye Mahallesi'ndeki pazar seçilmiştir. Çalışmanın kapsamını oluşturan, zorunlu olmayan yolculuklar ile ilgili olan ve tezde incelenen başlıca araştırma konuları aşağıda sıralanmıştır: (1) Yolculuğa başlangıç zamanı, yolculuğun son noktası ve tür seçimleri hangi düzeyde ilişkilidir? Örneğin; belirli bir başlangıç zamanı ve/veya son nokta seçimi için bireylerin türlerle ilgili algıları nasıl şekillenmektedir? (2) Bu üç seçimin arasındaki çapraz esneklik nedir/ne durumdadır? Örneğin; bir fiyatlandırma uygulaması ile ulaşım türü seçimine etkileyen unsurlardan birinin değiştirilmesi durumunda başlangıç zamanı ve/veya son nokta seçimleri nasıl değişmektedir? (3) Kesikli olarak ifade edilen ve modellenen bu üç seçim için oluşturulan en iyi seçenek düzeni nasıl olmalıdır? Örneğin; birbirine yakın iki son nokta seçeneği gruplanmalı mıdır veya yolculuğa başlangıç zamanı için hangi saat aralıkları alınmalıdır? Her bir modelin tahmin sonuçları her bir makalede irdelenmiş ve daha az gelişmiş yaklaşımlar (ÇTL ve HL) ile daha gelişmiş yaklaşımların (GSUD ve GHL) karşılaştırılması amacıyla model çiftleri arasında mantıksal ve istatistiksel değerlendirmeler yapılmıştır. Bu değerlendirmeler sonucunda; HL modellerin ÇTL modeline göre daha gerçekçi sonuçlar verdiği, GSUD modelinin HL modellerine göre, GHL modelinin ise tüm modellere göre daha üstün olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Yayınlar ile ortaya konulan bu değerlendirme sonuçlarına göre, bu tez çalışması kapsamında geliştirilen GHL modeli, hem gerçek seçimleri ve davranışları daha iyi yansıtan sonuçlar vermesi hem de model performansı açısından en üstün model olarak belirlenmiştir. GHL modelinin geliştirilmesi aşamasında; hiyerarşik bir yapıda olan söz konusu üç seçim için nasıl bir sıralama yapılacağı, diğer bir deyişle, hiyerarşinin farklı seviyelerinde hangi değişkenlerin yer alacağı ve hiyerarşinin farklı seviyeleri için farklı matematik bağıntılar gerekip gerekmediği konuları araştırılmıştır. Bu araştırma için seçimlerin hiyerarşisinin değişik şekillerde oluşturulduğu, hiyerarşinin seviyelerinin eksiltildiği (iki seçimin gruplanması yolu ile) veya hiyerarşiye seviye eklendiği (yeni bir seçimin eklenmesi veya üç ana seçimden birinin iki aşamalı olarak tanımlanması yoluyla) farklı model yapıları denenmiş ve bu yapılar sınanmıştır. Yapılan bu sınamalar ile gerek önerilen GHL modeli için ve gerekse hiyerarşik yapıda olan diğer tercih modelleri için kullanılabilecek sistematik bir yaklaşım ortaya konulmuştur. Tahmin sonuçları ışığında, genellikle, bireylerin "hangi hareket saati", "hangi varış yeri" ve "hangi tür" kararlarını ortak bir değerlendirme sonucu aldığı belirlenmiştir. Buna karşılık, geleneksel dört aşamalı model, bu kararların tamamının ayrı ayrı alındığı varsayımını yapmaktadır. Öte yandan, ortak olarak alınan kararlar arasındaki bu ilişkinin göz ardı edilmesi durumunda, zaman değeri vb. sosyo-ekonomik göstergelerin hatalı olarak tahmin edildiği de görülmüştür. Bu durumun, yanlış ve uygun olmayan politika kararlarına yol açacağı açıktır. Önerilen GHL modelleme yaklaşımı başlangıç zamanı, son nokta ve tür açısından sınırlı sayıda seçenek içeren orta ve küçük ölçekli planlama çalışmaları için uygundur. Bu yöntemin daha fazla sayıda seçenek içeren çalışmalarda da kullanılması mümkündür, ancak bu durumda modelin kullanılabilmesi için, kentte alt analiz bölgeleri oluşturulması ve GHL modelinin her alt bölge için ayrı ayrı hesaplanması daha sağlıklı sonuçlar verecektir. Ayrıca, önerilen yöntemin, günün farklı saatleri için daha gerçekçi başlangıç-son matrisleri vermesi de söz konusudur. Bu çalışmanın sağlaması amaçlanan diğer katkıları aşağıda sıralanmıştır: (1) Bu çalışma ile talebin ve tercihlerin incelenmesi konusunda, yeterli düzeyde bilinmeyen ve/veya kullanılmayan, sistematik ve mevcutlardan daha gerçekçi bir modelleme yaklaşımı sunulmuştur. (2) Sunulan modelleme yaklaşımı, karar vericilerin ürettikleri ulaşım politikaları için de değerli girdiler sağlayabilecektir. Bu yaklaşım sayesinde, ulaşım darboğazları için üretilen seçenekler ve politikalar, makro ölçekten çok daha ayrıntılı olarak ele alınabilecektir. (3) Birçok disiplinde de kullanım alanı bulan, özellikle fizibilite çalışmalarının önemli bir girdisi olan zaman değeri vb. ulaşım ile ilgili ekonomik büyüklükler, önerilen modelleme yaklaşımı ile daha doğru ve hassas olarak hesaplanabilecektir.
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Anahtar kelimeler
Ulaşım talep yönetimi -- Türkiye -- Eskişehir, Transportation demand management -- Turkey -- Eskişehir, Kent ulaşımı -- Türkiye -- Eskişehir, Urban transportation -- Turkey -- Eskişehir, Kent ulaşımı -- Planlama -- Türkiye -- Eskişehir -- Vaka çalışmaları, Urban transportation -- Planning -- Turkey -- Eskişehir -- Case studies, Ulaştırma -- Planlama -- Türkiye -- Eskişehir -- Vaka çalışmaları, Transportation -- Planning -- Turkey -- Eskişehir -- Case studies