Internationales Verkehrswesen (68) 1 | 2016 74 TECHNOLOGIE Angebotsplanung Verkehrsplanerische Nutzung von E-Ticketing-Daten CiCo-Fahrgeldsysteme liefern Grundlagen für die Planung von ÖV-Angeboten Elektronisches Ticketing, Analyse von Fahrgastwegen, Detailliertes Fahrgastaufkommen, Netz- und Angebotsplanung Elektronische Systeme zur Fahrgelderfassung erfahren im internationalen Bereich eine immer weitere Verbreitung, nicht nur wegen der Möglichkeiten zu einer flexibleren und gerechteren Tarifierung, sondern auch wegen sehr vielfältiger planerischer Nutzungsmöglichkeiten. Zu unterscheiden sind die Erfassungsmodi Check-in (Ci), Check-in-Check-out und Be-in-Be-out. Am Beispiel des Metronetzes in Washington DC wird vorgestellt, wie CiCo-Daten in ein Planungssystem importiert, mit Netz und Fahrplan verknüpft und für verschiedene Analyse- und Planungszwecke genutzt werden. Autor: Peter Mott E lektronische Systeme zur Fahrgelderfassung erfahren insbesondere im internationalen Bereich eine immer stärkere Verbreitung. Nicht nur die Möglichkeit einer flexiblen und angemessenen Tarifierung, sondern auch die planerischer Nutzung machen das elektronische Ticketing so attraktiv. Als angemessen können die Tarife bezeichnet werden, da der Preis entsprechend der tatsächlich zurückgelegten Strecke berechnet wird, als flexibel, da es einfach ist, tageszeit- und damit aufkommensabhängige Preise zu definieren. Nutzen elektronischer Ticketingsysteme Grundsätzlich sind bei einer Nutzungsanalyse der resultierenden Daten für planerische Zwecke zwei Fälle zu unterscheiden: • Reines Check-in (Ci) • Check-in-Check-out (CiCo) beziehungsweise Be-in, Be-out (BiBo) Ci-Systeme mit einem Einheitspreis werden beispielsweise in der Türkei, in den USA und Asien angewendet, CiCo-Systeme mit differenzierten Preisstufen finden sich beispielsweise in vielen Metrosysteme Europas, Amerikas und vor allem Asiens. Das vorliegende Papier zeigt, wie Daten aus elektronischen Fahrgeldsystemen offline in ein Planungssystem eingelesen und dort verarbeitet werden können. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Beispiel der SmarTrip-Card in Washington DC. Vorgehen Daten Bei einfachem Ci fallen Daten zur zeitlichen und räumlichen Verteilung der Ein- und gegebenenfalls Umsteiger an, je nachdem, ob die elektronische Fahrkarte beim Betreten der Station oder beim Betreten des Fahrzeugs erfasst wird. Bei CiCo fallen Daten zu Beginn und Ende einer Fahrt von der Quelle zum Ziel oder sogar jedes Teilweges an, je nachdem, ob die Karte beim Betreten der Station oder beim Betreten des Fahrzeugs erfasst wird. Durch den Bezug zum Fahrzeug werden alle Fahrtabschnitte einzeln und damit auch dazwischen liegende Umsteigevorgänge oder Aufenthaltszeiten aufgezeichnet. Bei BiBo werden alle Karten auf allen Abschnitten jedes Linienteilwegs von Haltestelle zu Haltestelle innerhalb des Fahrzeugs erfasst, so dass letztlich dieselben Informationen wie bei fahrzeugbezogenen CiCo zur Verfügung stehen. In der Regel sind die Datensätze wie folgt angelegt: 1. Bei Ci: Identifikation der Karte, Datum und Zeitpunkt des Ci, Ort des Ci 2. Bei CiCo: Identifikation der Karte, Datum und Zeitpunkt des Ci und des Co, Ort (Station oder Haltepunkt) des Ci und des Co BiBo-Daten können mit dem Fahrzeug-, d. h. linien- und haltepunktbezogenen Fall der CiCo-Daten verglichen werden. BiBo- Systeme ermöglichen so insbesondere bei komplexen Systemen mit zahlreichen Verbindungsoptionen und großem Umsteigeaufkommen an zentralen Stationen eine bei CiCo-Daten häufig nicht gegebene Differenzierung. Mit dem heute üblichen stationsbezogenen CiCo werden die Wegedetails der Fahrgäste komplexer U-Bahnsysteme nicht erfasst. Abhängig von den unterschiedlichen Verfahren zur Erfassung der elektronischen Fahrausweise entstehen auch verschiedene Datenformate: • Ein Datensatz pro Fahrt bei stationsbezogenem CiCo in geschlossenen Systemen, wie zum Beispiel Metros • Ein Datensatz pro Teilweg bei fahrzeugbezogener Erfassung, also bei vollständigem CiCo oder BiBo In der Praxis kommen in einem Verkehrsgebiet häufig Mischformen unterschiedlicher Verfahren vor. Aufbereitung von Wegeinformationen Die mit Ci erfassten Einsteigerdaten, die auch Umsteiger enthalten können, ermöglichen die unmittelbare Darstellung und Analyse der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Fahrgastaufkommens wie bei einer reinen Einsteigerzählung. Aussagen zu Besetzung der Fahrzeuge oder gar zu Quelle-Ziel-Relationen der Fahrgäste werden dabei nicht unterstützt. Erst wenn die erfassten Daten mit geeigneten Verfahren zur Korrektur modellbasierter Matrizen Internationales Verkehrswesen (68) 1 | 2016 75 Angebotsplanung TECHNOLOGIE oder stichprobenartig erhobener Quell- Ziel-Beziehungen verknüpft werden, können aus den aktuellen Zählungen belastbare Quelle-Ziel-Beziehungen abgeschätzt und damit für weitere detaillierte Analysen genutzt werden. Die mit CiCo erfassten Ein- und Aussteigervorgänge lassen wesentlich feinere Analysen zu, allerdings sind auch hier zusätzliche Aufbereitungsschritte notwendig: Werden alle Teilwege eines Fahrgastes einzeln erfasst, ist zunächst festzustellen, welche Teilwege zu einer gemeinsamen Quelle-Ziel-Beziehung gehören, d.h. zu einer bestimmten Fahrt mit mehreren Linien. Eine solche Prüfung kann zum Beispiel durch die Übereinstimmung oder räumliche Verknüpfung der Stationen und der Zeitpunkte zwischen Aus- und Wiedereinstieg erfolgen. Als Ergebnis werden die oben genannten Datensatzinhalte durch Nummern zusammenhängender Teilwege ergänzt. Werden im Falle eines stationsbezogenen CiCo nicht alle Teilwege eines Fahrgastes erfasst, wie beispielsweise in U-Bahnsystemen, müssen in der Aufbereitung der Daten ähnlich wie bei einer Umlegung Annahmen zum Verhalten des Fahrgastes getroffen und mit Hilfe geeigneter Verfahren mögliche Teilwege ermittelt werden. Dies ist dann möglich, wenn es der Hauptzweck der Fahrt ist, möglichst rasch von der Quelle zum Ziel zu gelangen. Schwieriger wird es, wenn der Fahrgast während der Gesamtreise beispielsweise in multifunktionalen Umsteigestationen zusätzliche Aktivitäten unternimmt (Einkaufen, Pausen für Erfrischungen oder Essen etc.), die die eigentliche ideale Fahrzeit deutlich verlängern. Grundsätzliches Ziel der Aufbereitung von CiCo-Daten ist es, den Gesamtweg von der Quellzur Zielhaltestelle einschließlich aller Teilwege detailliert zu rekonstruieren und so alle Wegelängen, Fahr- und Wartezeiten sowie Umsteigevorgänge und gegebenenfalls Tarifinformation zu ermitteln. Import der Wegedaten in ein Verkehrsplanungssystem Das von der PTV Group entwickelte Verkehrsplanungssystem PTV Visum bietet seit vielen Jahren ein Modul für den Import extern erhobener Fahrgastwegedaten [1]. Ursprünglich wurde das Verfahren zur rechnergestützten Plausibilisierung von Befragungsdaten aus konventionellen Fahrgasterhebungen entwickelt. Aufgrund der beschränkten Zeit, die für ein Interview zur Verfügung steht, aber auch weil der Fahrgast während der Befragung seinen Weg eventuell noch nicht detailliert angeben kann, können bei solchen Erhebungen in den Fahrzeugen nur Eckwerte erfragt werden. Aus diesen ist nach der Erhebung mit Hilfe rechnergestützter Verfahren der im Vergleich mit Liniennetz und Fahrplan wahrscheinlichste Gesamtweg zu rekonstruieren und das entsprechende Fahrgastaufkommen den betroffenen Linien zuzuweisen. Ist ein solches Verfahren flexibel hinsichtlich der Parameter und der erlaubten Datenformate, können damit auch die durch die CiCo-Daten beschriebenen Fahrgastwege genau rekonstruiert werden. In PTV Visum erfolgt der Import der externen Wegedaten in drei Teilschritten: dem Einlesen der externen Daten, der Plausibilitätsprüfung und der sogenannten Direktumlegung. Beim Einlesen werden im Wesentlichen die Vollständigkeit und die formale Richtigkeit überprüft. Schon nach diesem ersten Schritt ist eine graphische Darstellung der Ein- und Ausstiegshaltestelle und bei mehreren Teilwegen der Umsteigehaltestellen möglich. Bei der Plausibiltätsprüfung wird mit Hilfe eines Algorithmus aus den eingelesenen Informationen der vom Fahrgast realisierte Weg rekonstruiert. Dabei werden alle vorhandenen Merkmale je Teilweg wie Ein- und Ausstiegshaltestelle, Zeitpunkt des Eincheckens und - soweit vorhanden - Bezeichner von Linie und Richtung berücksichtigt. Über zusätzliche Parameter steuert der Planer, inwieweit von eingelesenen Daten abgewichene oder unvollständige Eingaben ergänzt werden können. So ist beim stationsbezogenen Check-in eine Differenz zwischen dem Zeitstempel des elektronischen Tickets und der Abfahrtszeit sinnvoll. In geschlossenen Systemen mit nur einem Check-in und einem Check-out wird geprüft, ob ein oder mehrere Umstiege zwischen Quelle und Ziel notwendig sind, und bei Bedarf Teilwege ergänzt. Ist im Netzmodell ein Tarifsystem definiert, kann zusätzlich auch die Anzahl der durchfahrenen Zonen und der Fahrpreis ermittelt werden. Je Teilweg werden alle erhobenen und vom Verfahren ergänzten Informationen gespeichert, so dass eine detaillierte tabellarische und grafische Darstellung des Gesamtwegs möglich ist. Im dritten Schritt, der sogenannten Direktumlegung, werden alle plausiblen Teilwege auf Netz- und Fahrplan so abgebildet, dass anschließend alle auch bei einer klassischen Umlegung möglichen Auswertungen erfolgen können. Erfahrungen mit Datensätzen aus bestehenden E-Ticket-Systemen zeigen, dass dieser dreistufige Prozess bis zu eine Million Datensätze in deutlich weniger als einer Stunde importieren kann, so dass reale Aufkommen von mehreren Millionen Transaktionen pro Tag zu verarbeiten sind. Analyse des Fahrgastaufkommens am Beispiel der Washington Metro Überblick über das Beispiel Die hier beschriebene Anwendung wurde durch einen Blog der Washington Metropolitan Area Transit Authority (WMATA) initiiert. Die WMATA wurde 1967 gegründet, um in der Hauptstadtregion ein ausgewogenes regionales Transportsystem zu planen, zu entwickeln, aufzubauen, zu finanzieren und zu betrieben [2]. Auf PlanItMetro, dem so genannten Metro’s Planning Blog, wurde Anfang 2015 dazu eingeladen, dort bereitge- Bild 1: Netz der Washington Metro mit Linien und Endhaltestellen Internationales Verkehrswesen (68) 1 | 2016 76 TECHNOLOGIE Angebotsplanung stellte Nachfragedaten herunterzuladen und zu zeigen, wie diese im Rahmen von Planungssystemen genutzt werden können. Die mit dem SmarTrip-System erfassten Fahrgastdaten wurden in Form aggregierter Quelle-Ziel-Matrizen mit Angaben zu Monat und Jahr, der Tagesart, vorgegebenen Verkehrszeiten und einem Viertelstunden- Intervall sowie den Stationen des Check-in und des Check-out und der Fahrgastzahl bereitgestellt [3]. Auf Nachfrage stellte WMA- TA PTV zu einem späteren Zeitpunkt zusätzlich eine Stichprobe zur Verfügung, die knapp 240 000 zufällig ausgewählte Einzelwege mit den Merkmalen „anonymisierte Karten-ID“ sowie „Stationsname“ und „Zeitpunkt von Check-in und Check-out“ umfasste. Das für die Analyse und Darstellung notwendige Netz und der Fahrplan des Metrosystems ließen sich über das sogenannte General Transit Format Specification (GTFS)-Format ebenfalls sehr einfach aus dem Internet herunterladen [4] und mit Hilfe einer Standardschnittstelle ins Planungssystem importieren. Das für die Analyse verwendete Metronetz umfasst 91 Stationen, davon 22 Endhaltestellen, 6 Metrolinien mit insgesamt 34 Linienrouten und 1640 Zugfahrten an einem durchschnittlichen Werktag in der Zeit von 5 Uhr morgens bis 0: 30 Uhr nachts (siehe Bild 1). Die Nachfragedaten konnten in beiden Formaten eingelesen und dargestellt werden. Insbesondere war es nach geringer Vorverarbeitung möglich, die Transaktionsdaten aus dem SmarTrip-System zu importieren. Die im Folgenden vorgestellten Analysen wurden zur besseren Vollständigkeit mit den zu Viertelstundenintervallen aggregierten stationsbezogenen Matrizen zwischen 6: 30 Uhr und 8: 30 Uhr morgens erstellt. Netzweites Fahrgastaufkommen Für die betrachtete morgendliche Spitzenzeit wurden rund 138 000 Fahrgäste ermittelt. Die Differenzierung nach Direktfahrern und Umsteigern zeigt, dass der Anteil der Direktfahrer mit rund 31 % deutlich kleiner ist als der der Einmalumsteiger (65 %). Nur ein sehr kleiner Teil steigt mehr als einmal um (4 %). Der hohe Umsteigeanteil lässt erwarten, dass in zahlreichen Stationen eine leistungsfähige Infrastruktur für die reibungslose Bewältigung dieser Ströme notwendig ist. Eine Übersicht der Umsteiger je Haltestelle, von Linie und Richtung zu Linie und Richtung, kann für Hinweise zur Fahrgastlenkung in den Stationen sowie die Dimensionierung der Wege, Rolltreppen und Aufzüge genutzt werden - Bild 2 zeigt für eine ausgewählte Station die Umsteiger zwischen den einzelnen Zügen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls hilfreich, diese Anlagen ebenso wie Stärke und zeitliche Verteilung der Fußgängerströme in einem mikroskopischen Simulationsmodell nachzubilden und für verfeinerte Analysen, wie zum Beispiel Evakuierungsszenarien, detailliert zu simulieren. Aufkommen und Auslastung nach Strecken, Linien und Fahrten Das aus der Rekonstruktion der Fahrgastwege bekannte Aufkommen kann nach Strecken und Linien dargestellt und analysiert werden. Entscheidend für ein zumindest zeitweise an der Kapazitätsgrenze operierendes Hochleistungssystem sind neben der räumlichen Verteilung vor allem Informationen über die genaue zeitliche Verteilung des Fahrgastaufkommens. Deshalb ist es sehr wichtig, sowohl in der konventionellen Umlegung zeitlich sehr differenzierter Quelle-Ziel.Matrizen als auch bei der Nutzung von CiCo-Daten den Zeitbezug zu erhalten. Aufkommen und Auslastung können in PTV Visum ebenso wie andere Kenngrößen für vom Benutzer definierte Analyseintervalle von beispielsweise 15 oder 30 Minuten berechnet und dargestellt werden. Die Auslastungsanalyse kann insbesondere durch klassifizierende Darstellungen unterstützt werden. Werden nur drei Fälle Bild 2: Umsteiger von Fahrt zu Fahrt innerhalb einer Stunde an einer ausgewählten Metro-Station Bild 3: Auslastung in der Morgenspitze von 7: 30 bis 8: 00 Uhr Internationales Verkehrswesen (68) 1 | 2016 77 Angebotsplanung TECHNOLOGIE - wie die Auslastung der Gesamtkapazität bis zu 65 %, zu 85 % und zu mehr als 95 % - berechnet und farblich unterschieden, wird schnell klar, auf welchen Strecken oder Linien in welchen Zeiträumen kritische Situationen zu erwarten sind (siehe Bild 3) 1 . So kann im strategischen Planungssystem geprüft werden, ob gegebenenfalls größere Fahrzeuge oder kürzere Fahrzeugfolgezeiten Abhilfe schaffen können. Liegen über die Ticketing-Daten die Ein- und Ausstiegzeiten für jeden einzelnen Fahrgast(teil)weg vor, kann jeder Fahrzeugfahrt das daraus resultierende Aufkommen zugeordnet werden. Dies erlauben in PTV Visum sowohl die fahrplanfeine Umlegung als auch die sogenannte Direktumlegung. Deshalb können im Zeit-Weg-Diagramm des grafischen Fahrplans das Fahrgastaufkommen oder die resultierende Auslastung zwischen den einzelnen Haltestellen veranschaulicht werden (siehe Bild 4). Mit Hilfe dieser Darstellung kann der Planer leicht erkennen, welche der Fahrten als kritisch anzusehen sind und wie viele Fahrgäste von einer Änderung des Angebots betroffen wären. Weitere Nutzungsmöglichkeiten Ist das Fahrgastaufkommen pro Fahrt, genauer pro Fahrtabschnitt, bekannt, kann es auch im Rahmen der Umlaufplanung genutzt werden. In modernen leistungsfähigen Verfahren ist es möglich, den im Fahrplan definierten Fahrzeugfahrten statt nur eines vorbestimmten Fahrzeugtyps eine Gruppe austauschbarer Fahrzeugtypen zuzuordnen und es dem Optimierungsverfahren zu überlassen, die kostengünstigste Alternative auszuwählen. Im strategischen Planungssystem PTV Visum kann diese Vorgehensweise sogar um die Berücksichtigung des Fahrgastaufkommens erweitert werden. Es ist also möglich, aus modellbasierten Nachfrageberechnungen erwartete oder aus Fahrgastzählungen oder Ticketingdaten bekannte Fahrgastaufkommen mit der Kapazität der einsetzbaren Fahrzeugtypen zu vergleichen. So kann nicht nur der aus Kostengesichtspunkten günstigste Typ gewählt werden, sondern auch der, der dem Aufkommen am ehesten gerecht wird. Dabei kann fahrtabschnittsweise sogar zwischen dem Vergleich mit der Sitzplatzkapazität beziehungsweise der Gesamtkapazität gewechselt werden. Auf diese Weise kann versucht werden, in Abschnitten mit geringerem Aufkommen und größeren Haltestellenabständen ausreichend Sitzplätze vorzuhalten, während in zentralen Abschnitten mit häufigerem Fahrgastwechsel die Gesamtplatzkapazität dem Aufkommen entsprechen sollte. Zusammenfassung Schon seit einigen Jahren gibt es elektronische Zahlungssysteme, die detaillierte Informationen über das Fahrgastaufkommen oder sogar die von den Fahrgästen realisierten Quell-Ziel-Beziehungen bereitstellen. Leistungsfähige Werkzeuge zur Darstellung und planerischen Nutzung solcher Daten stehen ebenfalls zur Verfügung. Insbesondere die Verarbeitung von Quelle-Zieldaten aus einem CiCo-System bietet sehr vielfältige Möglichkeiten, da jede einzelne Fahrgastfahrt detailliert nachvollzogen werden kann. Durch die Verknüpfung von Angebot und Nachfrage werden so vielfältige, zeitlich und räumlich sehr differenzierte Informationen zur Verfügung gestellt. Beispielhaft seien genannt: • Fahrgastaufkommen nach Haltestellen, Strecken oder Linien • Auslastung der Fahrzeuge • Fahrgelderlöse nach Strecken, Linien oder Betriebszweigen Bei der Optimierung des Fahrzeugeinsatzes ist mit den Ticketingdaten eine kapazitätsabhängige Auswahl geeigneter Fahrzeugtypen möglich. Die Analyse von E-Ticketing-Daten wird derzeit vor allem in Asien genutzt. Hier sind zahlreiche elektronische Ticketsysteme im Einsatz, die mehrere Millionen Transaktionen pro Tag erfassen. Ein aktuelles Ziel ist es, die von den Fahrgästen tatsächlich realisierten Wege zu analysieren, um so geeignete Parameter für die Simulation zukünftiger Szenarien zu ermitteln. Neben der Offline-Verarbeitung für planerische Zwecke ist vorstellbar, die Information über die Verteilung der Fahrgäste innerhalb eines Fahrzeugs oder Zugs sogar online für die Fahrgastinformation zu nutzen, beispielweise um Empfehlungen zum Einsteigen in weniger besetzte Fahrzeugteile zu geben. ■ 1 Im vorliegenden Fall lagen im GTFS-Format keine Angaben zum Fahrzeugeinsatz vor, so dass nach Rücksprache mit WMATA Annahmen zu Wagengröße und Zugbildung für die Abschätzung der Auslastung getroffen werden mussten. QuEllEN [1] http: / / vision-traffic.ptvgroup.com/ fileadmin/ files_ptvvision/ Downloads_N/ 0_General/ 2_Products/ 1_PTV_Visum/ Module_ PTVVisum_DE.pdf [2] http: / / www.wmata.com/ about_metro/ [3] http: / / planitmetro.com/ , die Nachfragedaten stehen dort derzeit nicht mehr zur Verfügung [4] http: / / www.wmata.com/ rider_tools/ developer_resources.cfm, siehe auch http: / / www.gtfs-data-exchange.com/ agency/ wmata/ Bild 4: Fahrgastaufkommen pro Fahrt im grafischen Fahrplan einer Linie Peter Mott, Dr. Ing. Solution Director Public Transport, PTV Group, Karlsruhe peter.mott@ptvgroup.com