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Contribution Details

Type Dissertation
Scope Discipline-based scholarship
Title An Agent-based Model of Wood Markets in Switzerland
Organization Unit
Authors
  • Stefan Holm
Supervisors
  • Lorenz Hilty
Language
  • English
Institution University of Zurich
Faculty Faculty of Business, Economics and Informatics
Number of Pages 145
Date 2018
Abstract Text The sustainable potential of the resource wood is currently not tapped in Switzerland, as the amount of wood harvested is smaller than the amount that regrows. There are many possible reasons for this, such as the fine-grained supply structure: in Switzerland, there are approximately 250'000 private forest owners who own on average a forest area of approximately 1.5 ha. This makes the sale of wood financially not very attractive for them. Also, public forest enterprises in Switzerland manage rather small forest areas compared to other European countries. Personal relationships play an important role in the Swiss wood markets, so potential business transactions are not solely evaluated based on economic criteria. In alpine areas, harvesting wood is associated with high costs. At the same time, wood prices are largely determined by international wood prices, which comes along with a dependency of the Swiss wood markets on the exchange rate EUR-CHF. Computer simulation is one possibility to examine how these and other characteristics of the Swiss wood markets influence the availability of wood. The development of a computer model allows the simulation of different scenarios in order to gain insights that are otherwise difficult to gain. For example, the impact of the market participants' decision-making behavior on the quantities of wood available on the market can be investigated, i.e. which market participants can get what amount of wood at what time, and what prices they have to pay for it. The influence of the market structure, such as the existence of intermediaries or potential consequences of combining smaller forest enterprises to larger ones, can also be examined. The characteristics of these markets make agent-based modeling a promising approach to simulate these markets. In an agent-based model (ABM), a system is modeled by describing its constituting entities, referred to as agents. In the given case, these agents represent the market participants. Each agent can be attributed with individual characteristics and behavior. When these agents are simulated, the aggregate behavior can be observed, e.g. the quantities traded on the market and the corresponding prices. This aggregate behavior emerges from the many interactions and decisions of the individual agents. The behavior of the entire system is often unpredictable, sometimes even counterintuitive, if only the behavior of the individual elements of the system is considered. It is only the interplay of these elements which makes emergent phenomena observable. The ability to observe emergent phenomena is a central strength of agent-based simulation. The bottom-up description of the system also allows the modeling of the structures and relationships at the level of individual market participants. These play an important role in the Swiss wood markets. This dissertation was conducted according to the design science research paradigm. Concerning the specific requirements of this thesis, this means that the aim was to create a model that represents the Swiss wood markets with sufficient accuracy, so that it can be used to gain new insights into these markets. This cumulative PhD thesis comprises four peer-reviewed journal publications, three of them are already published, the fourth is submitted. Each of these publications deals with a central step towards the overall goal: the first shows a simplified agent-based model of the sawlogs and energy wood market in the canton of Aargau. Simple scenarios demonstrate the suitability of the approach, but also reveal issues which need further research. The second publication focuses on how discrete choice experiments can be used to enhance the empirical foundation of the agents' decision-making behavior. The third publication describes the validation of the model, which now represents the sawmill, energy wood and industrial wood markets (all three further divided into one market for softwood and one for hardwood). Validating the model is an important prerequisite to use it for scenario analysis. The last publication in this thesis finally shows the simulation and analysis of various politically relevant scenarios. This includes an analysis of how the market is influenced by the presence of intermediaries or by the intensity of profit orientation of forest owners. The developed model can be parameterized for different Swiss regions in order to simulate the regional wood markets. The necessary empirical data was gathered for the cantons of Aargau, Bern and Grisons. Currently, the model is parameterized and validated for the canton of Grisons. Particularly the last publication demonstrated that the model can be used to provide insights into these markets by simulating and analyzing different scenarios. However, the model itself is not the only contribution of this thesis. On the one hand, to develop this model, several problems had to be solved that could be of interest to modelers of other markets. One example is the problem of defining the geographical model boundaries in a market that is heavily influenced by the surrounding international markets. On the other hand, the creation of such a model already provides many valuable insights into the markets under study, since knowledge about them must be gathered and interpreted. This makes the journey a considerable part of the reward.
Zusammenfassung Das nachhaltige Potential der Ressource Holz wird aktuell in der Schweiz nicht ausgeschöpft, da weniger Holz geerntet wird, als nachwächst. Dafür kommen viele Gründe in Frage, beispielsweise die feinkörnige Angebotsstruktur: in der Schweiz gibt es ca. 250'000 Privatwaldbesitzer, die durchschnittlich eine Waldfläche von ca. 1.5 ha besitzen, was für diese den Holzverkauf finanziell nicht sehr attraktiv macht. Auch die öffentlichen Forstbetriebe bewirtschaften im Vergleich zu anderen europäischen Ländern eher kleine Flächen. Persönliche Beziehungen spielen eine wichtige Rolle auf den Schweizer Holzmärkten, was dazu führen kann, dass mögliche Holzverkäufe nicht alleine aufgrund ökonomischer Kriterien beurteilt werden. In alpinen Gebieten ist die Ernte zudem mit hohen Kosten verbunden. Gleichzeitig werden die Schweizer Holzpreise weitgehend durch die internationalen Holzpreise bestimmt, was auch eine Abhängigkeit des Holzmarktes vom Wechselkurs EUR-CHF zur Folge hat. Computersimulation ist eine Möglichkeit, um zu untersuchen, welche dieser und weiterer Eigenschaften der Schweizer Holzmärkte welchen Einfluss auf die Verfügbarkeit von Holz haben. Die Erstellung eines Computermodells ermöglicht die Simulation von unterschiedlichen Szenarien, um damit Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nicht gewonnen werden können. So können zum Beispiel die Auswirkungen des Entscheidungsverhaltens der Marktteilnehmer auf die auf dem Markt verfügbaren Holzmengen untersucht werden, d.h. welche Akteure zu welcher Zeit wie viel Holz erhalten können, und welche Preise sie dafür bezahlen müssen. Auch der Einfluss der Marktstruktur, wie zum Beispiel das Vorhandensein von Intermediären oder mögliche Auswirkungen von Zusammenschlüssen von kleineren Forstbetrieben, können damit untersucht werden. Ein agentenbasiertes Modell (ABM) eignet sich aufgrund der genannten Eigenschaften dieser Märkte besonders, um sie zu modellieren. In einem ABM wird ein System modelliert, indem die einzelnen Einheiten, die dieses System bilden, beschrieben werden. Diese Einheiten werden Agenten genannt und entsprechen im vorliegenden Fall den einzelnen Marktteilnehmern. Jedem Agenten können dabei individuelle Eigenschaften und Verhaltensweisen zugewiesen werden. Werden diese Agenten dann simuliert, kann das aggregierte Gesamtverhalten beobachtet werden, also zum Beispiel welche Mengen insgesamt auf dem Markt gehandelt werden und zu welchen Preisen. Dieses Gesamtverhalten emergiert aus den vielen Interaktionen und Entscheidungen der einzelnen Agenten. Das Verhalten des Gesamtsystems ist oft nicht vorhersehbar, und widerspricht teilweise sogar der Intuition, wenn ausschliesslich das Verhalten der einzelnen Elemente dieses Systems betrachtet wird. Erst durch das Zusammenspiel dieser Elemente können emergente Phänomene auf Ebene des Gesamtsystems beobachtet werden. Die Möglichkeit des Beobachtens von emergenten Phänomenen ist eine zentrale Stärke der agentenbasierten Simulation. Durch die Bottom-up-Beschreibung des Systems können ausserdem die Strukturen und Beziehungen auf der Ebene der einzelnen Marktteilnehmer, die auf den Schweizer Holzmärkten eine wichtige Rolle spielen, besonders gut abgebildet werden. Diese Dissertation wurde anhand des Design Science Research Paradigmas durchgeführt. In Bezug auf die konkrete Problemstellung der vorliegenden Arbeit heisst das, dass es das Ziel war, ein Modell zu erstellen, das die Schweizer Holzmärkte in einer ausreichenden Genauigkeit abbildet, damit es dazu genutzt werden kann, neue Erkenntnisse über diese Märkte zu gewinnen. Diese kumulative Dissertation umfasst vier peer-reviewte Journal-Publikationen, von welchen drei bereits veröffentlicht sind, die letzte befindet sich im Review-Prozess. Jede dieser Publikationen behandelt einen zentralen Schritt auf dem Weg zum Gesamtziel: Die erste zeigt ein vereinfachtes ABM des Rundholz- und Energieholzmarktes des Kantons Aargau. Einfache Szenarien zeigen die Funktionstauglichkeit des Ansatzes, jedoch auch Punkte, die noch verbessert werden müssen. Die zweite Publikation zeigt, wie Choice Experimente genutzt werden können, um das Entscheidungsverhalten der Agenten empirisch besser abzustützen. Die dritte Publikation zeigt schliesslich die Validierung des Modells, das nun die Märkte für Sägeholz, Energieholz, und Industrieholz (alle drei jeweils noch unterteilt in einen Markt für Nadelholz und einen für Laubholz) abbildet. Diese Validierung ist eine wichtige Voraussetzung, um das Modell anschliessend zur Szenarienanalyse nutzen zu können. Die vierte Publikation dieser Arbeit zeigt schliesslich die Simulation und Analyse verschiedener politisch relevanten Szenarien. Dies umfasst u.a. eine Analyse der Auswirkungen auf den Markt durch die Präsenz von Intermediären oder durch die Ausprägung der Profitorientierung von Waldbesitzern. Das erstellte Modell kann für verschiedene Regionen der Schweiz parametrisiert werden, um die Holzmärkte dieser Regionen zu simulieren. Die dazu notwendigen empirischen Daten wurden für die Kantone Aargau, Bern und Graubünden erhoben. Aktuell ist das Modell für den Kanton Graubünden parametrisiert und validiert. Insbesondere die letzte Publikation hat gezeigt, dass das Modell zur Erkenntnisgewinnung genutzt werden kann, indem Szenarien simuliert und analysiert werden. Das Modell selbst ist jedoch nicht das einzige Ergebnis der vorliegenden Arbeit: Einerseits mussten bei der Erstellung des Modells einige Probleme gelöst werden, die auch für Modellierer anderer Märkte interessant sein können. So zum Beispiel das Problem der geographischen Modellabgrenzung auf einem Markt, der stark von den umliegenden, internationalen Märkten beeinflusst wird. Andererseits liefert bereits die Erstellung eines solchen Modells viele wertvolle Erkenntnisse über die abzubildenden Märkte, da Wissen über diese gesammelt und geordnet werden muss. Der Weg zum Ziel, ein solches Modell zu erstellen, ist also bereits ein beträchtlicher Teil des Ziels selbst.
Other Identification Number merlin-id:16278
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