Zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr

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1 Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Fachbereich Transport- und Verkehrswesen Zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr Prof. Dr.-Ing. Thomas M. Cerbe Dipl.-Ing. Adam Giszczak Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Braunschweiger Verkehrskolloquium am 05.Februar 2004Prof. Dr. Thomas M. Cerbe 1 von 30

2 Überblick 1. Motivation 2. Was ist zeitbezogene Navigation? 3. Verkehrssimulation mit VISSIM 4. Referenzstrecke 5. Simulationsergebnisse 6. Testfahrten und Ergebnisse 7. Zukünftige Arbeiten und Trends 2 von 30

3 1. Motivation Pünktlichkeit ist ein wichtiges Kriterium bei der Beförderung von Personen und Gütern. Der Straßenverkehr ist im Vergleich zum Schienen- und Luftverkehr relativ unpünktlich. Gründe sind: Zahlreiche z.t unvorhersehbare Ereignisse und Einflüsse Keine flächendeckenden Verkehrsinformationen, Verkehrsprognosen bisher kaum verfügbar, Keine oder unzureichende Routenplanung, Keine Unterstützung während der Fahrt in Bezug auf Pünktlichkeit. 3 von 30

4 1. Motivation Wie sieht heute eine Fahrt mit dem Pkw oder Lkw aus? Planung von Route und Fahrzeit mit Karte, digitalem Routenplaner oder Navigationssystem. Festlegung der Abfahrtszeit entsprechend der gewünschten Ankunftszeit unter Berücksichtigung von geschätzter Fahrzeit und gegebenenfalls Pufferzeit. Während der Fahrt erfolgt Geschwindigkeits- und Routenwahl mit oder ohne (dynamischem) Navigationssystem. Die Ankunftszeit ergibt sich in der Regel abweichend von der geplanten Ankunftszeit. 4 von 30

5 1. Motivation Das Ziel: Im Straßenverkehr eine Übereinstimmung von geplanter und tatsächlicher Ankunftszeit zu ermöglichen, und zwar mit Hilfe einer zeitbezogenen Navigation. Auf diese Weise wird der Straßenverkehr planbarer, pünktlicher, attraktiver und sicherer. Das Ziel geht konform mit einem starken Trend zur weiteren Automatisierung bzw. Unterstützung des Fahrers durch Fahrerassistenzsysteme. 5 von 30

6 2. Was ist zeitbezogene Navigation? Ein Fahrzeug wird unter Berücksichtigung einer vorgegebenen und festzuhaltenden Ankunftszeit an sein Ziel geführt. Der Fahrer benötigt hierzu Informationen über die Route und die Geschwindigkeit, d.h. gezielte Fahranweisungen wie z.b. Richtungswechsel und Geschwindigkeitsvorgaben. Ankunftszeit = Geplante Ankunftszeit V = V Vorgabe Ziel Start 6 von 30

7 2. Was ist zeitbezogene Navigation? Voraussetzung für eine zeitbezogene Navigation ist die Planung realistischer Fahrzeiten und realistischer Geschwindigkeitsprofile. Beispiel: Geplantes (idealisiertes) Geschwindigkeitsprofil Geschwindigkeit Mittlere Geschwindigkeit Stadt Autobahn Landstraße Stadt Wegstrecke Routenplaner und Navigationssysteme liefern Geschwindigkeitsprofile. 7 von 30

8 2. Was ist zeitbezogene Navigation? Das geplante Geschwindigkeitsprofil wird in der Realität nicht eingehalten. Vergleich: Geplantes / Realisiertes Geschwindigkeitsprofil Geschwindigkeit Stadt Autobahn Landstraße Stadt Wegstrecke Aufgrund von Geschwindigkeitsabweichungen kommt es zu einer Verspätung. 8 von 30

9 2. Was ist zeitbezogene Navigation? Ausgleich der Zeitverluste durch höhere Geschwindigkeiten in Bereichen der Wegstrecke, wo es die Verkehrssituation erlaubt. Vergleich: Geplantes / Zeitbezogenes Geschwindigkeitsprofil (Idealisiert) Geschwindigkeit Stadt Autobahn Landstraße Stadt Wegstrecke Das Fahrzeug erreicht wie geplant pünktlich sein Ziel. 9 von 30

10 3. Verkehrssimulation mit VISSIM Für die Untersuchungen wird das Simulationsmodell VISSIM 3.60 verwendet: Mikroskopische, zeitschrittorientierte und verhaltensbasierte Simulation Nachbildung von Stadt- und Außerortsverkehren Bildung beliebiger Straßennetze mit mehreren Fahrstreifen Simulation von Einzelfahrzeugen nach Fahrzeugklassen und -typen Stochastische Verteilungen für die Verkehrszusammensetzung Fahrzeugfolgemodell nach Wiedemann (Psycho-Physisches Modell) Spurwechselmodell für Überholvorgänge Individuelle Zuflußsteuerungen durch Verkehrsstärke-Verteilungen Zahlreiche Auswertungsmöglichkeiten VISSIM 3.60 ist ein Softwaresystem der Firma PTV AG 10 von 30

11 3. Verkehrssimulation mit VISSIM An dem Simulationsmodell VISSIM wurden geringfügige Modifikationen vorgenommen: Einführung einer individuelle Steuerung für ein Einzelfahrzeug Berechnung einer optimalen Wunschgeschwindigkeit S Streckenlänge T Fahrzeit V Wunsch = (S-s) / (T-t) Ziel Start t, V(t), s(t) 11 von 30

12 4. Referenzstrecke Erzeugung einer Referenzstrecke in VISSIM: Länge 300 km Gerade Strecke ohne Kurven und Steigungen Überwiegend 2-spurig Kurze 1-spurige Streckenabschnitte Baustellen durch sogenannte Langsamfahrbereiche Zufahrten in größeren Abständen Keine Ausfahrten 12 von 30

13 4. Referenzstrecke 13 von 30

14 4. Referenzstrecke Darstellung der Fahrzeuge in einem Streckenabschnitt Pkw Einzelfahrzeug Pkw Fahrzeugtypen Lkw bzw.. Busse Fahrzeugklasse und Fahrzeugtypen unterscheiden sich hinsichtlich: Beschleunigungs- und Verzögerungsvermögen Wunschgeschwindigkeit 14 von 30

15 5. Simulationsergebnisse Speed Profile (Without Just in Time Navigation) Speed V [km/h] st Traffic Jam Distance S [km] 15 von 30

16 5. Simulationsergebnisse Speed Profile (Route Section 1st Traffic Jam) 150 Speed V [km/h] Stop and Go Distance S [km] 16 von 30

17 5. Simulationsergebnisse Time vs Distance (Without Just in Time Navigation) Time T [h] 4,0 3,0 Delay: 29 min Simulation with Traffic 2,0 Simulation without Traffic 1,0 0, Distance S [km] 17 von 30

18 5. Simulationsergebnisse Zwei Fahrstrategien für die zeitbezogene Navigation. Frage: Was ist die optimale Geschwindigkeit um pünktlich anzukommen? Fahrstrategie 1: Berechnung der optimalen Geschwindigkeit auf Basis von verbleibender Strecke und Zeit bis zum Ziel. Zeitverzögerungen werden zum Ende der Strecke hin reduziert. Fahrstrategie 2: Es werden Wegpunkte entlang der Strecke festgelegt. Die optimale Geschwindigkeit wird auf Basis der Wegpunkte ermittelt. Zeitverzögerungen werden an Wegpunkten reduziert. Ein Vergleich von realem und geplantem Fahrprofil (Weg-Zeit-Diagramm) ist erforderlich. 18 von 30

19 5. Simulationsergebnisse Speed Profile (Without / with Just in Time Navigation - Strategy 1) Speed V [km/h] Distance S [km] 19 von 30

20 5. Simulationsergebnisse Time vs Distance (Without / with Just in Time Navigation - Strategy 1) Time T [h] 4,0 3,0 Still a Time Delay 2,0 1,0 0, Distance S [km] 20 von 30

21 5. Simulationsergebnisse Speed Profile (Without / with Just in Time Navigation - Strategy 1) Problem of strategy 1 is the ever increasing speed towards the end. Speed V [km/h] Distance S [km] 21 von 30

22 5. Simulationsergebnisse Speed Profile (Without / with Just in Time Navigation - Strategy 2) Speed V [km/h] Distance S [km] 22 von 30

23 5. Simulationsergebnisse Time vs Distance (With Just in Time Navigation - Strategy 2) Time T [h] 4,0 3,0 Arriving on Time! 2,0 1,0 0, Distance S [km] 23 von 30

24 6. Testfahrten und Ergebnisse Erste Fahrversuche wurden durchgeführt: Salzgitter nach Hamburg an einem normalen Werktag Entfernung: 213 km Routenplanung mit Map&Guide (PTV AG) Maximale Geschwindigkeit 140 km/h, Beachtung von Geschwindigkeitsbegrenzungen Geschwindigkeitsbegrenzungen manuell erfasst Positionsbestimmung mit GPS-Empfänger Zeit, Geschwindigkeit und Entfernung mit GPS Keine zeitbezogene Navigation Ziel: Realistische Geschwindigkeitsprofile bei realen Verkehrszuständen 24 von 30

25 6. Testfahrten und Ergebnisse Driving Test Salzgitter to Hamburg (GPS Data) Speed V [km/h] 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Planned Speed Profile (Speed Limits included) Speed Profile from Driving Test Distance S [km] 25 von 30

26 6. Testfahrten und Ergebnisse Driving Test Salzgitter to Hamburg (GPS Data) Time T [h] 2,40 2,20 2,00 1,80 Delay: 7 min 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Planned (With 140 km/h at no speed limit) Driving Test Distance S [km] 26 von 30

27 6. Testfahrten und Ergebnisse Driving Times for Planning Salzgitter - Hamburg Driving Time T [h] 2,4 2,2 Map&Guide Driving Test 2 Planned 1,8 1, Maximum Speed [km/h] 27 von 30

28 7. Zukünftige Arbeiten und Trends Weiteres Vorgehen: Untersuchungen zur optimalen Geschwindigkeitsstrategie Testfahrten: Aufzeichnung von Geschwindigkeitsprofilen Einbeziehung der Routenwahl Auswahl von Kenngrößen für Planungsqualität / Stauwahrscheinlichkeit Maßnahmen zur Steigerung der Planungsqualität Testfahrten zur zeitbezogenen Navigation mit experimentellem Navigationssystem Zukünftige Arbeiten werden in Kooperation mit dem Institut für Verkehrsführung und Fahrzeugsteuerung des DLR durchgeführt. 28 von 30

29 7. Zukünftige Arbeiten und Trends Trends: Trend zu weiteren Automatisierung im Straßenverkehr. Zahlreiche Fahrerassistenzsysteme sind bereits eingeführt und werden weiterentwickelt: Dynamische Navigationssysteme, Active Cruise Control. Informationen digitaler Karten nehmen zu: z.b. zulässige Höchstgeschwindigkeiten, Baustelleninformationen (Off-Board Navigation). Verkehrsprognosen werden besser (Neuralgische Staupunkte, Tagesganglinien). Die zeitbezogene Navigation läßt sich mit relativ wenig Aufwand in zukünftige Assistenzsysteme integrieren. 29 von 30

30 Fachbereich Transport- und Verkehrswesen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Braunschweiger Verkehrskolloquium am 05.Februar 2004Prof. Dr. Thomas M. Cerbe 30 von 30