이 프로젝트는 현재와 대안적인 교통 계획 절차 하에서 미래의 네트워크를 예측할 수 있는 정량적인 모델을 개발하는 가능성을 검증함. 현재의 교통 계획 절차는 핵심적인 교통기관들과의 인터뷰와, 이들 기관에 의해 발간된 계획 관련 문헌에서 수집된 경험적인 정보에 근거하여 모델이 만들어졌음. 주와 지역의 교통 기관들간의 투자 결정 규칙과 상호작용/협상은 제안된 대리인 기반의 모델(agent-based model)에서 명확히 고려됨. 테스트 네트워크에 대한 결과에 의하면, 현재의 교통 계획 절차는 여러 다른 방법으로 개선될 수 있음. 더 중앙집중적이거나 더 분권적인 계획 절차는 투자 결정을 개선하고, 미래의 교통 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있음.
 

교통 네트워크의 성장과 쇠퇴는 이동 수요와 기술의 변화에 따른, 시간적으로 그리고 공간적으로 상호 의존적인 시스템 관리 의사 결정(예, 운영, 가격, 투자, 소유주)들에 의한 일련의 결과임. 예를 들어, 미국에 있는 전체 포장도로의 총 길이는 1900년에는 240 Km에서 2000년에는 6,400,000 Km로 증가하였음. 이러한 기간 동안 철도와 대중교통은 전반적으로 쇠퇴하는 추세임. 연방, 주, 그리고 지역 레벨의 정부 기관 뿐만 아니라 민간 도로 공단은 이동성, 접근성, 복지 그리고 수익성을 목표를 달성하기 위한 일상적인 교통 공급 결정(예를 들어, 세금, 통행료, 유지보수 , 그리고 증설)을 함. 이러한 노력은 경제와 삶의 질의 향상을 위해 기여하는 주요 요소임.

주와 연방 정부는 교외 도시 교통과 도시간의 주요 고속도로 건설에 자금을 지원했음. 이용자 요금은 이용자들이 이동하면서 받는 서비스에 직접적으로 부과하였음. 그리고 이러한 이용자 요금 수익은 시스템 유지와 건축비용으로 재투자함. 이러한 이용자 요금은 통행료와 요금 메커니즘, 모터 연료 세금(motor fuel taxes), 차량 등록세, 트럭 중량 수수료 등을 포함한 광범위한 형태로 나타남. 모터 연료 세금으로부터의 수익은 일반적으로 "신탁 기금(trust funds)"으로 되어있고, 그 다음에 주 또는 지역 정부에 분배됨.

이용자 요금 모델(user fee model)은 여전히 미국의 교통 기금의 중요한 부분임을 정확하게 설명하고 있음. 그러나 이용자 요금 모델에 대하여 많은 주에서는 가장 크고 중요한 새로운 투자가 자본화되는지에 대한 설명을 더 이상 하지 않고 있음. 이용자 요금은 중요하기는 하지만, 지난 20년에 걸쳐 서서히 교통 재정에서 차지하는 비중이 변화하고 있음. 국가적인 광대한 고속도로 교통망의 완성과 성숙으로, 시스템 유지비용과 보수 비용이 꾸준히 증가하고 있음. 연료세와 다른 이용 요금이 자금의 큰 부분을 차지하며 지속적으로 자금을 제공하고 있지만, 증가하는 비용과 지출의 속도를 맞추는 것에는 실패하였음.

그 결과, 주요한 새로운 이니셔티브를 위한 교통신탁기금의 가용성은 점차 부족해지고 있음. 이러한 전체 환경 시스템은 책임 있는 교통 기관의 조정 작업을 필요로 함. 이 연구 분야의 교통 시스템이 중앙 집권적인 후생 복지 극대화를 추구하는 기관(centralized welfare-maximizing agency)에 의해 완벽하게 통제될 때 최고의 성과를 얻을 수 있음. 그러나 실제적으로는, 많은 의사결정 기관들은 서로 차이가 있고 때로는 목적을 위한 경쟁을 하기도 함.

현재는, 지역 교통 투자 절차를 발전하기 위한 대부분의 노력은 연방 정부의 대도시 계획 모델을 기반으로 하여, 21세기를 위한 1998년 교통 형평법(Transportation Equity Act)으로 구현되었음. 이 프레임워크는 기존의 재정 자원 맥락에서의 투자 후보를 선택하기 위한 다중 목표(효율적인 시스템 관리, 복합 운송 연계, 환경적인 보호, 그리고 지역 경제 목표)를 고려하도록 "담당" 기관들에게 권장하였음. 그러나 많은 경우 계획 조치는 교통 기금의 간단한 할당 수준을 넘어서지 않음.

이 연구에서는 현재와 미래의 투자 결정을 통한 교통 계획 프로세스가 미래 교통망 형성과 미래 교통망 성능의 결정을 하게 된다는 것을 알게 되었음. 이 보고서의 목적은 미래 교통망과 기존의 교통 계획 프로세스와 대안 교통 프로세스의 성능 예측을 위한 정량적 모델을 개발하는 것임. 교통 투자 결정은 의회와 재정이 결합되어 있기 때문에, 지역과 주 정부는 지역 교통 계획과 투자에 대한 혁신의 주요한 힘임. 대안 투자 의사 결정 프로세스를 검토하고 기존의 결정을 수정하여, 교통 기관은 기존 프로세스의 비효율성을 파악하고 제거할 수 있게 됨.
 

교통망의 성장은 지난 몇 십 년간 지속한 복잡하고 다차원 프로세스임. 이러한 교통망 성장은 투자 의사 결정에 의해 정해짐. 만약 특정 도로에 자금 지원을 하지 않는다면, 그 도로의 건설이나 유지보수와 같은 성장 효과는 발생하지 않을 것임. 그러므로, 많은 이들은 투자 결정 절차에 영향을 미침으로써 교통망 성장 절차의 예측과 안내가 가능하다고 믿음.

1950년대에서 1980년대에 걸쳐, 주와 지역의 교통기관들은 미국의 주간 고속도로 시스템(US Interstate Highway System)의 건설에 참여하였음. 모든 교통 인프라 자금원은 고속도로 건설 프로젝트에 집중하였음. 1980년대 중반에, 이러한 중점은 관리 투자 -- 유지관리와 운영 -- 로 이동하였고, 오늘날에도 이러한 프로젝트가 연방정부와 주의 자금 대부분을 가져감. 그때 이후로, 교통 네트워크의 성장에 대한 모델링과 분석에 많은 노력이 이루어졌음.

이전의 연구는 여러 다른 분야의 학자들에 의해 수행되었음. Xie와 Levinson은 다섯 가지의 주요 흐름에 대하여 종합적인 검토를 수행하였음. 최초의 연구는 1960년대로 거슬러 올라가는데, 그 때 최초의 네트워크 성장 모델이 개발되었음. 그 당시 연구자들은 계산능력의 단순함과 데이터 가용성의 제한으로 네트워크의 성장에 대한 휴리스틱(heuristic)과 직관적인 의사결정 규칙에 의존하였음. 특히, Taaffe et al.은 후진국에서 인프라의 확장 뒤에 있는 경제적, 정치적, 그리고 사회적 힘을 연구하였음. 그들의 연구에 의하면, 초기의 도로는 경제적으로 개발된 지역들을 연결하기 위해 개발되었고, 시골지역의 도로는 이러한 초기의 도로 주변에 건설되었음.

1970년대에, 교통 계획가들과 경제학자들은 예측 절차를 넘겨받아, 네트워크에 대한 변화를 모델링하기 위해 교통 수요 모델(traffic demand models)을 사용하기 시작하였음. 그들의 가정은 네트워크 성장이 시장의 상황과 정책적 이니셔티브에 대응하여 정부기관, 자산 소유자, 개발자가 내린 합리적 의사결정의 결과라는 것이었음. 교통 데이터에 대한 통계적 분석은 새로운 교통 데이터 관리 도구가 이러한 기법을 지원함으로써 나중에 인기를 얻게 되었음.

지난 20년간, 동적인 교통 할당 도구(dynamic traffic assignment tools)는 복잡한 교통 시스템을 분석하기 위해 매우 보편화되었음. 선호(preference)나 자기조정(self-organization)의 개념이 동시적인 절차로써 네트워크의 동학을 이해하기 위해 소개되었음. 연구 중점의 한 줄기는 네트워크의 성장을 단계별로 서술하는 것이었고, 두 번째 줄기는 관측된 네트워크의 패턴을 재현할 수 있는 모델을 구축하는 것이었음.
 

제안된 모델 구조가 실제 네트워크에서 대부분의 투자 시나리오를 평가할 수 있지만, 이 보고서는 해석의 용이함을 위해 그리드 네트워크(grid network)를 가진 가상의 도시를 고려하고, 현재의 투자 체제와 대안적인 중앙집중적 주 체제(이 체제 하에서는 모든 도로가 주 정부에 의해 통제됨), 분권화된 지역 체제(이 체제 하에서는 각 지역 정부가 그들 자신의 도로에 대한 투자를 통제함)간의 비교에 중점을 둠. 가상 도시 네트워크는 10x10 그리드 도로와 2마일 길이의 링크(link)로 구성되어, 각 링크에 대해 시간 당 775.5대의 차량을 수용할 수 있음. 도시의 초기에는 균일한 토지 사용 패턴이 가정되고, 각 노드(node)는 100명의 거주민과 100개의 일자리가 있음. 각각의 네트워크 링크는 주 대리인(State Agent)이나 다섯 명의 지역 대리인(Local Agents) 중의 하나에 할당됨. 기존의 계획 절차에 근거하여, 주 대리인은 모든 주요 주 고속도로를 통제함. 다른 모든 링크는 다섯 명의 지역 대리인에 할당됨.

대리인 기반의 시뮬레이션이 실행될 때, 이동 수요 모델(travel demand model)은 링크 차원의 흐름을 예측함. 수요 예측에 근거할 때, 주와 지역 대리인에 가용한 수익은 기존의 수익 정책 -- 연료세, 등록세, 그리고 일부의 일반 펀드 -- 에 근거하여 계산됨. 그 후, 투자 모델은 주와 지역 대리인에 의해 채택된 현재의 계획 절차에 근거하여 투자 결정을 운영하고 예측함. 각 투자 결정 후에, 투자를 위해 선정된 링크에 대한 개선된 용량으로 네트워크가 업데이트됨. 네트워크 성능 측정치 -- 전체 이동시간, 전체 이동거리, 평균 속도, 전체 수익, 사용자 편익, 그리고 전체 사회적 편익 -- 도 각 투자 주기에 대해 계산됨.
 

이 프로젝트는 현재와 대안적인 교통 계획 절차 하에서 미래의 네트워크를 예측할 수 있는 정량적인 모델을 개발하는 가능성을 검증함. 현재의 교통 계획 절차는 핵심적인 교통기관들과의 인터뷰와, 이들 기관에 의해 발간된 계획 관련 문헌에서 수집된 경험적인 정보에 근거하여 모델이 만들어졌음. 주와 지역의 교통 기관들간의 투자 결정 규칙과 상호작용/협상은 제안된 대리인 기반의 모델(agent-based model)에서 명확히 고려됨. 테스트 네트워크에 대한 결과에 의하면, 현재의 교통 계획 절차는 여러 다른 방법으로 개선될 수 있음. 더 중앙집중적이거나 더 분권적인 계획 절차는 투자 결정을 개선하고, 미래의 교통 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있음.

현재의 교통 계획 절차에 대한 주요 개혁이 항상 곧 일어날 것이라고 믿는 것은 순진한 것임. 결국, 이는 정치적 고려, 공기질에 대한 우려, 경제적 개발, 안전 및 공학적 효율성에 의해 이끌어지는 절차임. 대안적인 계획 절차를 평가하기 위해 제안된 모델을 채택하는 것이 확실히 실현가능하지만, 이러한 타입의 모델을 실제적으로 적용하는 것은 미래의 네트워크 성능에 대한 투자 프로젝트의 영향을 평가하는 것임. 또 다른 적용은 장기적인 교통 계획과 정책 시나리오 분석에 대한 미래의 네트워크를 예측하는 것임. 현재, 지금으로부터 30년에서 50년 이후의 미래 교통 네트워크를 생성하기 위한 일반적인 방법이 없음. 이러한 계획의 시간대는 토지 사용, 온실가스, 그리고 지속가능성의 정책 분석을 위해 종종 요구됨. 이 프로젝트에서 개발된 모델은 이러한 방법적 격차를 채울 수 있음.

제안된 대리인 기반의 모델의 여러 측면은 미래의 연구에서 개선될 수 있음. 실제의 네트워크에 대한 모델의 검증이 있어야 하고, 이 임무는 메릴랜드 주 전반의 고속도로 네트워크에 대해 진행중임. 관측된 투자 결정과 모델이 추정한 투자 결정 사이에 비교를 통하여 계획 절차 모델(planning process model)이 검증될 필요가 있음. 다른 지역에서 현재의 교통 계획 절차도 연구되고 모델링될 수 있음.