Different strategies for modelling and simulation of regional population development

Abstract

Bevölkerungsentwicklungen bilden schon lange einen sehr wichtigen globalen und lokalen Faktor. Zuverlässige Prognosen können für soziale, wirtschaftliche und politische Entscheidungen, wie zum Beispiel in Bezug auf Standortentwicklungen im Gesundheitssystem, von großem Nutzen sein. Sowohl auf nationaler als auch auf subnationaler Ebene ist die Einschätzung demographischer Veränderungen von Interesse. Durch das Fehlen von harten Grenzen, welche Bewegungsfreiheiten zwischen Regionen einschränken, sind regionale Migrationsraten üblicherweise weitaus höher als internationale Wanderungsraten. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Weiterentwicklung eines bereits existierenden Agenten-basierten Populationsmodells. Während das als Ausgangspunkt dienende Modell lediglich die Vorhersage von demographischen Entwicklungen eines Gebietes erlaubt, können durch die im Zuge dieser Arbeit entwickelten Erweiterungen derartige Veränderungen für eine beliebige Anzahl verschiedener Regionen, die durch Migration verbunden sind, simulieren. Dieser Prozess erfordert die Entwicklung von Gleichungen, die Migrationsströme zwischen den jeweiligen Gegenden beschreiben. Auf der Suche nach Gründen für interne Migration stößt man auf viele verschiedene, teils widersprüchliche, Motive. Nichtsdestotrotz ist quer durch die Literatur der Einfluss von Alter und Geschlecht eines Individuums auf dessen Mobilität ein wichtiger und unbestrittener Faktor. Aus diesem Grund konzentrieren sich die erstellten Modelle hauptsächlich auf diese Parameter. Mehrere verschiedene Ansätze werden vorgestellt und implementiert. Die ersten Modelle basieren auf einem entkoppelten Migrationsprozess. Um die Umzugshistorie einer Person realistischer nachzubilden und sie nicht zufällig, unabhängig von ihrer Herkunft, einer Region zuzuordnen, wird ein zusätzliches Modell präsentiert, welches diesen Anspruch erfüllt. Außerdem werden alle Modelle mit regionsspezifischer Migration in Bezug auf das Ausland mittels zusätzlicher Parametrisierungsdaten weiterentwickelt. Sämtliche Modelle werden mit der objektorientierten Programmiersprache Python 3 implementiert. Die Validierung wird mit öffentlich zugänglichen Daten für die österreichischen Bundesländer durchgeführt. Für alle umgesetzten Versionen bestätigt sie durchgängig gute Resultate. Insbesondere die zusätzliche Erweiterung mit regionsspezfischer externer Migration führt zu nochmals deutlich verbesserten Simulationsergebnissen. Abschließend wird der Versuch unternommen regionale Bevölkerungsentwicklungen zu prognostizieren.

Population dynamics have always been a very important global and local issue, therefore reliable predictions can be useful for social, economical and political decisions, such as strategies in the health-care system. Demographic developments are not only a point of interest on a national but also on a sub-national level. Without real borders separating regions, migration rates between them are typically much higher compared to international movements. The goal of this diploma thesis is the further upgrade of an existing agent-based population model: Whereas the basic population model only allows the prediction of demographic changes for one area, the upgrades presented in this thesis enhance the original model with the ability of simulating the local population development for an arbitrary number of regions, which are connected trough migration. Therefore it is necessary to develop equations describing population movements between these regions. Doing research on reasons for internal migration leads to many, partly contradictory, motives. None the less the inuence of an individual's age and sex on its mobility is a common feature discussed in literature. Therefore the models developed in this thesis manly focus on these inuences. Several dierent approaches are presented and implemented. The rst models use decoupled migration processes. To take into account an individual's wish of moving to a particular place and not being distributed to a random region, one additional approach is designed to simulate this situation. All models are further enhanced with a region-specic external migration tool, hence additional parametrisation data are needed. The object-oriented programming language Python 3 is used for the implementation of the models.Public migration data for the Austrian federal states has been used for the validation process. The results of all implemented versions t the data well. Especially the additional enhancement with region-specic external migration leads to improved results of the simulations. In addition, forecasting future regional population developments has been attempted.