Collective Dynamics in Formal and Informal Public Transport Systems

Human mobility is central to socioeconomic interactions in modern society. Unprecedented reliance on individual transportation has resulted in widespread challenges globally, including congestion, emissions, and socioeconomic inequalities. These issues are anticipated to worsen with climate change, presenting a significant risk to human civilization. Notably, human mobility accounts for over 15% of total carbon emissions, with the bulk stemming from private transportation. Therefore, there is a pressing need to transition to sustainable alternatives like public transport to address these challenges effectively. Public transport comprises a complex system with multiple interacting parts, including users, drivers, service providers, and evolving urban infrastructure. The interactions among these elements give rise to multiple self-organized states, which play a pivotal role in determining the attractiveness and efficiency of public transport systems. In this thesis, we combine tools from network dynamics, statistical physics, nonlinear dynamics, transport science, and data analysis to understand emergent behavior in public transport worldwide. Public transport infrastructure highlights the disparities in cities across the globe. Developed countries in the Global North generally feature centrally organized formal transport systems, while developing nations in the Global South are served by informal transport operated by private individuals. In our study of complex self-organized states within both formal and informal transport, we explore how self-organization enhances mode attractiveness in some contexts whereas it may reduce ridership in others. We find that in urbanizing cities with formal transport, the interaction between users and service providers can lead to sub-optimal transport outcomes. With the rise of app-based technologies, on-demand transport services like bike taxis are becoming increasingly popular within cities in the Global South. Our results suggest
Die menschliche Mobilität ist für die sozioökonomischen Interaktionen in der modernen Gesellschaft von zentraler Bedeutung. Die beispiellose Abhängigkeit vom Individualverkehr hat weltweit zu weitreichenden Problemen geführt, darunter Verkehrsstaus, Emissionen und sozioökonomischen Ungleichheiten. Es wird erwartet, dass sich diese Probleme mit dem Klimawandel noch verschärfen werden, was ein erhebliches Risiko für die menschliche Zivilisation darstellt. Vor allem die menschliche Mobilität ist für über 15% der gesamten Kohlenstoffemissionen verantwortlich, wobei der Großteil auf den Individualverkehr entfällt. Daher besteht die dringende Notwendigkeit, auf nachhaltige Alternativen wie den öffentlichen Verkehr umzusteigen, um diesen Herausforderungen wirksam zu begegnen. Der öffentliche Verkehr ist ein komplexes System mit zahlreichen interagierenden Komponenten, darunter Nutzer, Fahrer, Dienstleister und die sich entwickelnde städtische Infrastruktur. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Elementen führen zu zahlreichen selbstorganisierten Zuständen, die eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Attraktivität und Effizienz von öffentlichen Verkehrssystemen spielen. In dieser Arbeit kombinieren wir Werkzeuge aus der Netzwerkdynamik, der statistischen Physik, der nichtlinearen Dynamik, der Verkehrswissenschaft und der Statistik, um das emergente Verhalten im öffentlichen Verkehr weltweit zu verstehen. Die Infrastruktur des öffentlichen Verkehrs verdeutlicht die Ungleichheiten in den Städten der Welt. In den Industrieländern des globalen Nordens gibt es in der Regel zentral organisierte formale Verkehrssysteme, während in den Entwicklungsländern des globalen Südens der informelle Verkehr von Privatpersonen betrieben wird. In unserer Studie über komplexe selbstorganisierte Zustände sowohl im formellen als auch im informellen Verkehr untersuchen wir, wie die Selbstorganisation die Attraktivität der Verkehrsmittel in einigen Kontexten erhöht, während sie in anderen die Fah