[논문 리뷰] Economies and Diseconomies of Scale in Segmented Mobility Sharing Markets

Hongmou Zhang, Xiaotong Guo외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Transportation and Mobility Innovations인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 경쟁하는 이동망 기업(TNC) 간의 시장 분할로 인한 분할 이동 공유 시장에서의 효율성 손실을 정량화하기 위해 폐쇄형 모델을 개발한다. 맨해튼 택시 데이터를 사용하여 독점 및 이자율 조건 하에서 차량 주행 마일리지(VMT)를 모델링하며, 이로 인해 발생하는 비효율성은 승객 밀도, 돌아가기 수용 능력, 시장 점유율 불균형, 공간적 분리로 인해 발생하며, 도착 지연 한도와 VMT 사이에는 비단조화적인 관계가 존재한다. 이 관계는 분자물리학의 레너드존슨 포텐셜과 유사하다.

ABSTRACT

On-demand mobility sharing, provided by one or several transportation network companies (TNCs), is realized by real-time optimization algorithms to connect trips among tens of thousands of drivers and fellow passengers. In a market of mobility sharing comprised of TNCs, there are two competing principles, the economies of network scale and the healthy competition between TNCs, which can lead to "segmentation" of market. To understand the substantiality and relationship of the two competing principles, we need to answer how much efficiency loss is generated due to the segmentation of market, and which factors are related to it. Here we show how four critical factors of market structure and characteristics of mobility sharing services -- density of trips (thickness), maximum detour allowed for sharing (tightness), market shares (unevenness), and spatial segregation of the TNCs (dissolvedness) -- are associated with the efficiency loss, represented as the difference in vehicle miles traveled (VMT) under different market structures. We found that 1) while VMT shows a simple power function with thickness, the corresponding exponent term can be expressed as a non-monotonic function with tightness -- essentially showing how economies and diseconomies of scale in this market arise, and appearing a very similar form to the Lennard--Jones model in inter-molecular potentials; and 2) the efficiency loss is higher when unevenness is closer to 0.5 (50-50 market share) and dissolvedness is larger. Our results give a comprehensive analysis of how the inefficiency of market segmentation is generated, and how potentially it may be avoided through market mechanism design.

연구 동기 및 목표

• 중앙집중식 이동 공유의 규모의 경제와 다수의 경쟁 TNC로 인한 시장 분할로 인한 비규모 경제 사이의 상충 관계를 이해하기 위해.
• 즉각적인 이동 플랫폼에서의 시장 분할로 인한 차량 주행 마일리지(VMT)의 효율성 손실을 정량화하기 위해.
• 승객 밀도, 도착 지연 수용 능력, 시장 점유율 불균형, 공간적 분리의 네 가지 구조적 요인이 이 비효율성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 형식적이고 해석 가능한 분석 프레임워크를 사용하여 규모의 경제와 비규모 경제의 상충하는 힘을 설명하는 기계적 모델을 제안하기 위해.

제안 방법

• 100m 공간 해상도를 가진 도로 네트워크에서 최단거리 거리 계산을 통해 맨해튼 택시 데이터(301,430건의 승객 운행)에서 완전한 공유 가능성 네트워크를 구축하였다.
• 최대 10분 이내로 공유가 가능한 경우(Δ = 600초) 승객 간에 간선을 연결하여 공유 가능성 네트워크를 정의하였다.
• 승객 밀도(ν), 도착 지연 수용 능력(δ), 시장 점유율(σ), 공간 분리도(ρ)를 기반으로 노드와 간선을 샘플링하여 독점 및 이자율 시장 조건을 시뮬레이션하는 서브네트워크를 생성하였다.
• 다항식 시간 알고리즘을 사용하여 총 운행 거리(VMT₀)에서 최대 무게 매칭의 절감량을 빼어 독점 조건(VMT₁)과 이자율 조건(VMT₂) 하에서의 VMT를 계산하였다.
• 최대 무게 매칭을 사용하여 최적의 공유 효율성을 계산하였으며, 간선의 가중치는 공유 운행으로 인한 VMT 절감량을 나타내었다.
• 효율성 손실을 ℓ = VMT₂ − VMT₁로 모델링하고, ν, δ, σ, ρ에 대한 함수적 의존성을 유도하여 도착 지연 한도 δ에 대해 비단조화적인 거듭제곱 법칙 관계를 밝혀냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 TNC 간의 시장 분할은 차량 주행 마일리지(VMT)로 측정된 이동 공유 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 VMT와 승객 밀도(ν), 도착 지연 수용 능력(δ), 시장 점유율 불균형(σ), 공간 분리도(ρ) 등의 핵심 시장 매개변수 간의 기능적 관계는 무엇인가?
• RQ3 규모의 경제와 비규모 경제가 어떻게 상호작용하여 분할된 이동 시장의 전체 효율성을 결정짓는가?
• RQ4 효율성 손실은 시장 점유율의 균형과 TNC 서비스 영역의 공간적 겹침 정도에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• VMT와 승객 밀도(ν) 사이의 관계는 거듭제곱 법칙을 따르며, 그 지수는 도착 지연 수용 능력(δ)에 따라 비단조화적으로 변한다. 이는 규모의 경제와 비규모 경제가 복잡한 방식으로 공존하고 경쟁하고 있음을 시사한다.
• 효율성 손실(ℓ = VMT₂ − VMT₁)은 시장 점유율이 극도로 불균형한 경우(σ ≈ 0 또는 1)에서 최소가 되고, 점유율이 균형을 이루는 경우(σ ≈ 0.5)에 최대가 된다. 이는 50-50 경쟁이 가장 높은 비효율성을 초래함을 의미한다.
• 공간 분리도(ρ)는 효율성 손실에 대해 양의 증가적 영향을 미치며, TNC 간의 공간적 분리가 높을수록 VMT 비효율성이 커진다.
• δ에 대한 VMT의 기능 형태는 비단조화적인 곡선을 보이며, 분자 간 힘의 레너드존슨 포텐셜과 매우 유사하다. 이는 사회적 시스템과 물리적 시스템 간의 깊은 유사성을 시사한다.
• 모델은 플랫폼 간 협력(예: 중앙 브로커 또는 상호 운행 거래)을 통해 최대 30–40%의 효율성 손실을 복구할 수 있음을 시사한다. 이는 시장 구조에 따라 달라진다.
• 이 모델은 네트워크 규모의 경제와 경쟁적 분할 간의 상충 관계를 정량화하는 폐쇄형 분석 프레임워크를 제공하며, 이동 외의 다른 공유 시장에도 적용 가능하다.