A multi-agent planning support system for assessing externalities of urban form scenarios : development and application in an Israeli case study

Modellen van grondgebruikpatronen hebben de laatste decennia een sterke ontwikkeling doorgemaakt. Vooral cellulaire automaten en integrale grondgebruik-verkeersmodellen zijn in dat kader van belang. Cellulaire automaten gaan uit van gridcellen. De geschiktheid van een cel voor een bepaald type grondgebruik wordt bepaald als een gewogen functie van de inherente geschiktheid van de cel (bijv. bodem, wettelijke beperkingen), de toegankelijk tot ander grondgebruik, wegen, stations e.d., en de ruimtelijke nabijheid van een bepaald type grondgebruik. De ruimtebehoefte voor bepaalde vormen van grondgebruik wordt dan verdeeld op basis van deze geschiktheidsmaat. Op deze manier zijn verschuivingen in grondgebruik in de tijd eenvoudig te simuleren. Hoewel cellulaire automaten een snelle ontwikkeling hebben doorgemaakt, zijn ze ook onderhevig geweest aan veel kritiek. Van belang voor deze dissertatie is dat er een pleidooi is gehouden cellulaire automaten te complementeren of te vervangen door agent-gebaseerde modellen. Cellen nemen namelijk geen beslissingen, en bovendien kan een stad veranderen zonder dat grondgebruikpatronen veranderen, maar huishoudens en individuen wel. Daarnaast staat de koppeling van cellulaire automaten aan verkeersmodellen op de internationale onderzoeksagenda. Integrale grondgebruik-vervoersmodellen gaan uit van een ruimtelijke verdeling van grondgebruik, die bepaalde verkeersstromen genereert. Op hun beurt leiden deze verkeersstromen tot ruimtelijke verschillen in toegankelijkheid (bijv. gemeten in termen van reistijd of in termen van bepaalde toegankelijkheidsmaten). Verondersteld wordt vervolgens dat deze toegankelijkheid een belangrijke vestigingsplaatsfactor is, zodat veranderingen in toegankelijkheid zullen leiden tot veranderingen in grondgebruik. Dit leidt dan weer tot veranderingen in verkeersstromen, etc. Hoewel dit soort modellen vaak in de praktijk worden gebruikt, is er ook veel kritiek uitgeoefend op dit soort modellen. Van belang voor dit onderzoek is de kritiek op de vaak verouderde verkeersmodellen, die worden gebruikt en de suggestie die vele malen is geuit deze te vervangen door zogenaamde activiteitgebaseerde modellen. In dit proefschrift worden de eerste stappen gezet naar een integratie van deze ontwikkelingen. Principes achter cellulaire automaten worden gekoppeld aan een agent-gebaseerd model voor locatiebeslissingen van voorzieningen, gebaseerd op een vraag die wordt voorspeld op grond van een activiteiten-gebaseerd model. Uitgaande van een minimaal ontwerp van een stad (bijv. alleen wegenstructuur en de locatie van een centrum), worden de geschiktheidsmaten gebruikt om een ruimtelijk patroon van grondgebruik te genereren, Vervolgens wordt een synthetische populatie van huishoudens en individuen gecreëerd en de activiteitenpatronen van deze huishoudens worden gesimuleerd met behulp van een aangepaste versie van Albatross, een activiteiten-gebaseerd verkeersmodel (Arentze & Timmermans, 2000). De hieruit resulterende vraag naar voorzieningen wordt geconfronteerd met een locatie model voor de aanbieders van voorzieningen die evenals de bevolking door middel van agents in het systeem worden gerepresenteerd. Deze confrontatie van vraag en aanbod leidt dan tot aanpassingen in de omvang en locatie van voorzieningen dat op zijn beurt weer leidt tot verschuivingen in activiteitenpatronen, totdat uiteindelijk een evenwichtssituatie zal ontstaan. Het multi-agent systeem wordt geïllustreerd in de context van de ontwikkeling van nieuwe steden in Israël tegen de achtergrond van de discussie over duurzaamheid. Ontwerpers en planners hangen de mening aan dat hoge dichtheid en gemengd grondgebruik leiden tot een duurzame stedelijke ontwikkeling. Teneinde deze opvattingen theoretisch te beoordelen zijn drie stedelijke vormen bestudeerd: (i) een basic form met twee radiale wegen, (ii) een corridor city met een verdubbeling van deze wegen, en (iii) een connected city, met als toevoeging ook nog een cirkelweg aan de rand van de stad. Op grond van een serie geschiktheidsfuncties en een allocatie algoritme zijn grondgebruikskaarten gegenereerd, die vervolgens dienden als input voor het acrtiviteiten-gebaseerde verkeersmodel en het locatie model. De geschiktheidsparameters werden gedeeltelijk gebaseerd op de resultaten van een conjunct meetmodel dat werd geschat op grond van een specifieke steekproef in Israël, aangevuld met expert kennis. Voor het afleiden van regels achter activiteitenpatronen is gebruikt gemaakt van het Tijdsbestedingsonderzoek in Israël. Omdat de locatie-dimensie in deze dataset zeer globaal is weergegeven, waren aanvullende operationele beslissingen nodig en werd de potentie van Albatross slechts gedeeltelijk gerealiseerd. De andere parameters en settings van het modelsysteem zijn gebaseerd op normgetallen en richtlijnen in Israël. Het model resulteert uiteindelijk (naast een ontwikkelingspad) in een evenwichtssituatie. Voor de beoordeling van de effecten op externaliteiten van stedelijke vormen is een serie performance indicatoren opgesteld, gecentreerd rondom toegankelijkheid, mobiliteit en levensvatbaarheid. Ze vertegenwoordigen de belangen van de consument, de maatschappij en de ondernemers (aanbieders van voorzieningen). De resultaten geven aan dat de Connected City resulteert in de beste resultaten voor toegankelijkheid en mobiliteit. Echter, deze vorm resulteert ook in een grotere spreiding van voorzieningen, waardoor verschillen in levensvatbaarheid kleiner worden. Dit is positief te beoordelen in termen van de efficiëntie van het voorzieningsaanbod, maar betekent ook een grotere mate van concurrentie tussen aanbieders. De resultaten geven de potentie van het model aan. Het kan worden gebruikt zoals cellulaire automaten vooral om snel in globale termen de effecten van voorgenomen beleid te simuleren. Het systeem dient dan primair als een plannings-ondersteunend systeem om beter inzicht te krijgen in mogelijke stedelijke ontwikkelingen of om alternatieve plannen op hoofdlijnen, en consistent met de ingevoerde (expert) kennis te genereren. In principe kan het echter ook verder worden uitgewerkt tot een meer volwaardig agent-gebaseerd systeem met een grotere nadruk op de betrouwbaarheid van de voorspellingen. Vooral in het laatste geval dienen enkele aspecten nader uitgewerkt te worden. Op de eerste plaats dient ook het gedrag van andere agents gesimuleerd te worden zodat een vollediger systeem gaat ontstaan. Op de tweede plaats dient de dynamiek in de bevolking (demografische processen, lange termijn keuzen zoals residentiele locatie, werklocatie keuze, keuzen vervoerwijze) uitgewerkt worden. Dat geldt ook voor de interactie tussen de stad onder studie en de externe omgeving (migratie, algemene economische situatie, etc.). Voor een deel kunnen hiertoe de benaderingen worden gebruikt zoals die ook in andere modellen worden toegepast, voor een ander deel gaat het hierbij om de grens van bestaande modellen. Samenvattend, het model dat in dit proefschrift wordt gepresenteerd en geïllustreerd vormt een mogelijke oplossing voor de in de internationale literatuur gesuggereerde ontwikkeling van agentgebaseerde modellen, en de geuite noodzaak tot een activiteitengebaseerd model als basis. Het is de eerste studie waarin een dergelijke koppeling wordt gemaakt. De ervaring met de ontwikkeling van het model en de illustratie geven de potentie van een dergelijk model weer. Voordat echter van een volwaardig agent-gebaseerd model sprake is dient dit prototype op de genoemde punten nog drastisch te worden uitgebreid en dient het model ook empirisch getoetst te worden. Als planningsondersteunend systeem, vooral gericht op exploratie van trends, globale inschatting van effecten van ruimtelijk beleid en de ontwikkeling van alternatieve grondgebruiksalternatieven, in belangrijke mate steunend op expert-kennis, is het systeem al behoorlijk ontwikkeld en vormt het een belangrijke verrijking van de meeste, bestaande cellulaire automaten die voor dit doel worden toegepast.