Kopplung makroskopischer Wirtschaftsverkehrsmodelle mit System Dynamics: Modellierung der Auswirkungen von Umweltzonen auf Fahrzeugflotten

397 Pages·2019·59.867 MB·German

by  Benjamin Dahmen

Benjamin Dahmen
Kopplung makrosko-
pischer Wirtschafts-
verkehrsmodelle mit
System Dynamics
Modellierung der Auswirkungen von
Umweltzonen auf Fahrzeugflotten
Kopplung makroskopischer
Wirtschaftsverkehrsmodelle mit
System Dynamics
Benjamin Dahmen
Kopplung makrosko-
pischer Wirtschafts-
verkehrsmodelle mit
System Dynamics
Modellierung der Auswirkungen von
Umweltzonen auf Fahrzeugflotten
Benjamin Dahmen
Düsseldorf, Deutschland
Die vorliegende Arbeit wurde von der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwe-
sen der Bergischen Universität Wuppertal als Dissertation zur Erlangung des akade-
mischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) im Jahr 2018
angenommen.
ISBN 978-3-658-27547-1 ISBN 978-3-658-27548-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-27548-8
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"Stillstand ist der Tod, geh voran, bleibt alles anders.
Der erste Stein fehlt in der Mauer. Der Durchbruch ist nah."
Herbert Grönemeyer, Bleibt alles anders
Danksagung
Mein Projekt "Promotion" nahm mehrere Jahre in Anspruch und begleitete mich
noch berufsbegleitend, nachdem ich von der Bergischen Universität Wuppertal
bereits in die Privatwirtschaft gewechselt hatte. Eine Reihe von Personen hat auf
meinem Weg direkt oder indirekt zum Erfolg des Projektes beigetragen. An dieser
Stelle spreche ich ihnen meinen Dank aus.
Prof Dr.-Ing. Bert Leerkamp danke ich für die Betreuung meiner Arbeit. Er
und Prof Dr.-Ing. Uwe Clausen, der meine Arbeit als Zweitgutachter betreute,
lieferten stets konstruktive Anregungen und wertvolle Hinweise.
Man.fred Gabrief und dem Team vom Fachbereich Statistik der Stadt Dort
mund danke ich für den Zugang zum Dortmunder Fahrzeugregister, mit dessen
Daten ich mein Modell parametrisieren und kalibrieren konnte.
Für die professionelle Zusammenarbeit danke ich den Kollegen des Arbeits
kreises 1.8.4 der FGSV und meinen Projektpartnem, insb. Carina Thaller.
Den Kollegen am Lehr-und Forschungsgebiet fLir Güterverkehrsplanung und
Transportlogistik danke ich fLir die Mithilfe in Lehre und Forschung, die Diskus
sionen und die gemeinsame Zeit außerhalb der Universität: Florian Fiedler, Tim
Holthaus, Thomas und Jeanette Klemmer, Olivia Spikerund unseren Hiwis und
Studierenden. Besonderer Dank gilt Claus Goebels, der Inhalt und besonders die
mathematischen Formeln meiner Arbeit einem detailliertem Stresstest unterzog
und der auch nach meiner beruflichen Tätigkeit in Wuppertal als kompetenter Dis
kussionspartner zur Seite stand.
Für die Zeit am Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und Operations Rese
arch, die meinen Wunsch zu promovieren bestärkte, danke ich Prof Dr. Stefan
Bock, Rudo!f Bauer, Francesco Ferrucci, Paul Göpfert, Torben Kusche/ und
Christian Rathjen.
Meiner Frau Hannah Dahmen danke ich für ihre Hilfe, Rücksichtnahme und
insb. das "Rücken freihalten" als Arbeit, Familie und Promotion zum Drei
Schicht-Betrieb wurden. Für die Unterstützung im Studium und sein Vertrauen in
mich danke ich meinem Großvater und größtem Fan Kurt Dahmen.
Zum Schluss danke ich meinen Eltern Ramona und Lothar Dahmen, die mir
ein sorgenfreies Leben ermöglicht und mich gefordert und gefördert haben. Sie
brachten mir die wichtigsten Lektionen im Leben bei. Ihr Fleiß und ihre Beharr
lichkeit waren mir ein Vorbild und gaben mir in schwierigen Zeiten die Motiva
tion, meine Promotion zu einem Ende zu bringen. Ihnen widme ich diese Arbeit.
Düsseldorf im Mai 2019 Benjamin Dahmen
Vorbemerkung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des von 2014 bis 2017 durchgeftihr
ten Forschungsprojektes "Nachhaltiger Güterverkehr in urbanen Räumen- Wir
kungsabschätzung verkehrspolitischer und logistischer Maßnahmen durch sys
temdynamisch basierte Güterverkehrsmodelle". Dieses Forschungsvorhaben
wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG) unter den Projekt
nummern LE 288111-l und CL 318115-1 gefördert. Es wurde gemeinsam vom
Lehr- und Forschungsgebiet ftir Güterverkehrsplanung und Transportlogistik
(GUT, Prof. Dr.-Ing. Bert Leerkamp) der Bergischen Universität Wuppertal und
vom Institut für Transportlogistik (ITL, Prof. Dr.-Ing. Uwe Clausen) der Techni
schen Universität Dortmund bearbeitet.
Für die Projektleitung und-bearbeitungwaren seitens des GUT der Autor der
vorliegenden Arbeit und seitens des ITL Dipl.-Geogr. Carina Thaller verantwort
lich. Das Forschungsprojekt war so konzipiert, dass beide Projektleiter ihre jewei
ligen Arbeitspakete eigenständig bearbeiten konnten. Dadurch konnten aus dem
Projekt zwei voneinander inhaltlich getrennte und eigenständige Promotionen ent
stehen.
An zwei Stellen des Projektes überschnitt sich die inhaltliche Bearbeitung
vom GUT und vom ITL. Im Rahmen der gemeinsamen Antragsstellung wurde
eine Klassifikation von Verkehrsplanerischen Maßnahmen erstellt, die auch in die
ser Arbeit Verwendung findet. Zudem wurden im Rahmen des DFG-Projektes
durch das GUT und das ITL gemeinsame Expertengespräche mit Vertretern der
kommunalen Verkehrsplanung und der Transportwirtschaft durchgeführt. In die
sem Zusammenhang wurden mit den Experten auch die Ursache-Wirkungszusam
menhänge von Verkehrsplanerischen Maßnahmen diskutiert. Die gemeinsam be
arbeiteten Arbeitspakete und Inhalte sind in die Ergebnisse des Kapitels 3 dieser
Arbeit eingeflossen und wurden dort entsprechend kenntlich gemacht. Alle sons
tigen Kapitel und Inhalte dieser Arbeit wurden eigenständig vom Autor der vor
liegenden Arbeit bearbeitet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ..................................................................................................... I
2 Ausgangslage, Zielsetzung und Aufbau der Arbeit .................................. 3
3 Maßnahmen der kommunalen Verkehrsplanung .................................... 9
3.1 Klassifikation verkehrsplanerischer Maßnahmen ............................... 10
3.2 Exemplarische Ursache-Wirkungszusammenhänge relevanter
Maßnahmen ........................................................................................ 18
3 .2.1 Lieferzeitfenster ....................................................................... 20
3.2.2 City-Maut ................................................................................ 21
3.2.3 Umweltzonen und Null-Emissionszonen ................................ 23
4 Kleinräumige Wirtschaftsverkehrsmodelle ............................................ 27
4.1 Übersicht makroskopischer, kleinräumiger
Wirtschaftsverkehrsmodelle ............................................................... 28
4.2 KWM .................................................................................................. 30
4.3 Maßnahmensensitivität kleinräumiger
Wirtschaftsverkehrsmodelle ............................................................... 3 7
5 System Dynamics ....................................................................................... 43
5.1 Allgemeiner Aufbau von SD-Modellen .............................................. 43
5.2 Unterschiede zwischen SD-Modellen und makroskopischen,
kleinräumigen Wirtschaftsverkehrsmodellen ..................................... 45
6 SD-Modelle im Verkehrsbereich .............................................................. 47
6.1 Kleinräumige SD-Modelle mit Bezug zum Personenverkehr ............ 47
6.1.1 Übersicht... ............................................................................... 4 7
6.1.2 MARS ...................................................................................... 48
6.1.3 Fazit ......................................................................................... 50
6.2 Großräumige SD-Modelle mit Bezug zum Güterverkehr ................... 50
6.2.1 Übersicht.. ................................................................................ 50
6.2.2 System Dynamics Transport Master Modell ........................... 51
XII Inhaltsverzeichnis
6.2.3 ASTRA .................................................................................... 54
6.2.4 Fazit ......................................................................................... 58
6.3 Sonstige SD-Modelle mit Bezug zum Güterverkehr .......................... 59
6.3 .1 Übersicht .................................................................................. 60
6.3.2 Fazit ......................................................................................... 62
6.4 Kopplung von SD-Modellen mit Verkehrsnachfragemodellen .......... 62
6.4.1 Kopplung des System Dynamics Transport Master Modells .. 63
6.4.2 Kopplung von ASTRA mit VACLAV .................................... 63
6.4.3 Kopplungen von ASTRA im Projekt STEPs ........................... 65
6.4.4 Kopplung von ASTRA im Projekt Renewbility ...................... 66
6.4.5 Fazit ......................................................................................... 66
6.5 Schlussfolgerung ................................................................................. 68
7 Flottenentwicklungsmodelle ..................................................................... 71
7.1 Systemdynamische Flottenentwicklungsmodelle ............................... 71
7.1.1 Pkw-Flottenentwicklungsmodelle ........................................... 71
7 .1.2 Lkw-Flottenentwicklungsmodelle ........................................... 73
7.2 Nicht SD-basierte Flottenentwicklungsmodelle ................................. 74
7.2.1 Flottenentwicklungsmodul in TREMOD ................................ 74
7.2.2 Flottenentwicklungsmodul in TREMOVE .............................. 77
7.3 Fazit .................................................................................................... 78
7.3.1 Anforderungen an Flottenentwicklungsmodelle für die
Modeliierung kommunaler Umweltzonen ............................... 78
7.3 .2 Defizite existierender Flottenentwicklungsmodelle ................ 82
7.3 .3 Weiterentwicklungsbedarf existierender
Flottenentwicklungsmodelle .................................................... 86
8 Entwicklung eines SD-Modells zur Abbildung
kommunaler Umweltzonen ...................................................................... 89
8.1 Teilmodul Gewerblicher Kfz-Bestand ................................................ 91
8.1.1 Merkmale des gewerblichen Kfz-Bestands ............................. 91
8.1.2 Formalisierung des gewerblichen Kfz-Bestands ..................... 94
8.2 Teilmodul Neuzulassungen ................................................................. 96
8.2.1 Formalisierung des maximal neuzugelassenen Anteils
einer Emissionsklasse ............................................................ 101
Inhaltsverzeichnis XIII
8.2.2 Umschichtung rückläufiger Neuzulassungen auf die
Emissionsklassen ................................................................... 111
8.3 Teilmodul Ummeldungen ................................................................. 115
8.3 .1 F ormalisierung der Altersklassenverteilung .......................... 117
8.3.2 Formalisierung des Finanzierungsmodellanteils ................... 119
8.3.3 Umschichtung der rückläufigen Ummeldungen auf die
Emissionsklassen ................................................................... 121
8.4 Teilmodul Wachstumsprognose ....................................................... 125
8.4.1 Formalisierung der exponentiell beschränkten
Wachstumsraten .................................................................... 127
8.4.2 Anpassung der Wachstumsraten zur Abbildung
exponentiell beschränkten Wachstums .................................. 130
8.5 Teilmodul Unfall- und altersbedingte Abmeldungen ....................... 132
8.5.1 Formalisierung der unfallbedingten Abmeldungen ............... 133
8.5.2 Formalisierung der altersbedingten Abmeldungen ............... 135
8.6 Teilmodul Umweltzonenbedingte Abmeldungen ............................. 137
8.6.1 Formalisierung der von der Umweltzonenregelung
nicht direkt betroffenen Fahrzeuge ........................................ 141
8.6.2 Formalisierung der Ausnahme-
und Übergangsgenehmigungen ............................................. 146
8.7 Teilmodul Korrekturen des kommunal gemeldeten Kfz-Bestands ... 149
8.8 Teilmodul Anschaffungswahrscheinlichkeit
und Gesamtkosten (TCO) ................................................................. 152
8.8.1 Formalisierung der Gesamtkosten ......................................... 157
8.8.2 Formalisierung der Fixkosten ................................................ 160
8.8.3 Formalisierung der variablen Kosten .................................... 167
8. 9 Teilmodul Technisch-operative Einsatzrestriktionen
batterieelektrischer Fahrzeuge .......................................................... 172
8.9.1 Formalisierung des praxisrelevanten
Reichweitennachteils ............................................................. 17 6
8.9.2 Formalisierung des praxisrelevanten Nutzlastnachteils ........ 180
8.10 Teilmodul Konvertierung Verkehrsnachfrage in Fahrzeugbedarf.. .. 183
8.10.1 Fortschreibung und inhaltliche Differenzierung der KWM
Bindungsraten ........................................................................ 184
8.10.2 Ableitung des Fahrzeugbedarfs und der Wachstumsraten
aus der Verkehrsnachfrage .................................................... 185