Extended Floating Car Data Potenziale für die Verkehrsinformation und notwendige Durchdringungsraten

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1 Veröffentlichung Straßenverkehrstechnik Breitenberger, Susanne; Grüber, Bernhard; Neuherz, Martina Extended Floating Car Data Potenziale für die Verkehrsinformation und notwendige Durchdringungsraten Kurzfassung Aufgrund der hohen Auslastung des Straßennetzes steigen die Ansprüche an die Qualität der Verkehrsinformation. Voraussetzung für den Betrieb von Verkehrsinformationssystemen ist die Erfassung von aktuellen und zuverlässigen Daten. Diese Voraussetzung ist in weiten Teilen des Verkehrsnetzes nicht zufriedenstellend gegeben. Verkehrsstörungen werden häufig zu spät entdeckt, ungenau lokalisiert und zeitlich unpräzise erfasst. Zur Sicherung der Produktqualität Telematikdienste sah sich die BMW Forschung daher veranlasst, nach neuen Wegen zur netzweiten Verbesserung der Verkehrsdatenerfassung zu suchen. Der Ansatz im Verkehr mitschwimmende Fahrzeuge, sogenannte Floating Cars, als mobile Sensoren einzusetzen rückte dabei in den Vordergrund. Dieser Artikel zeigt die Potenziale der fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung für die Gewinnung von Verkehrsinformationen und für die lokale Gefahrenwarnung auf. Es wird ein Verfahren vorgestellt, das eine Abschätzung der notwendigen Durchdringungsraten von Floating Cars auf Basis von Verkehrsstärke und Ankunftswahrscheinlichkeiten ermöglicht. Als Diskussionsbeitrag werden abschließend drei auf den Betrachtungshorizont 2015 bezogene Szenarien für die Ausbreitung der fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung entwickelt. Abstract Increasing saturation of the roadway network requires more detailed traffic information for travellers. Network-wide, reliable traffic data detection in real time is scarcely available. Frequently, incidents are detected either too late or not at all. Spatial and temporal localization and duration are often quite inaccurate. To assure the quality of telematic services, BMW has investigated potential improvements by collecting data automatically from intelligent vehicles as mobile sensors, so-called floating cars. This article highlights the potential of Extended Floating Car Data (XFCD) for traffic information and local hazard warning. In particular, a method for estimating the required floating car penetration is described, based on traffic volume and arrival probabilities. As an illustration, three scenarios for the increased use of vehicle-based mobile traffic data detection are developed for the timeframe from today to

2 Einführung Der Autofahrer kann auf eine Vielzahl an Informationen im Fahrzeug zugreifen: Zielführung mit aktuellen Staumeldungen, Witterungsinformationen und Warnungen vor lokalen Gefahren gehören heute zur Standardausstattung der oberen Fahrzeugklassen. Die Qualität dieser Dienste ist in hohem Maße abhängig von der Erfassung aktueller und zuverlässiger Verkehrs- und Wetterdaten. Diese Voraussetzung ist in weiten Teilen des Verkehrsnetzes nicht zufriedenstellend gegeben, da die Verkehrsdatenerfassung im wesentlichen auf stationären Messschleifen und Sensoren beruht, die in ihrer Anzahl beschränkt sind und nur in ihrem unmittelbaren Umfeld zuverlässige Daten liefern. Die Verkehrssituation zwischen diesen Messstellen bleibt weitgehend unbekannt. Verkehrsstörungen werden daher oft zu spät entdeckt, ungenau lokalisiert und zeitlich unpräzise erfasst. Hinzu kommt, dass Strecken außerhalb des Autobahnnetzes kaum mit Erfassungseinrichtungen ausgestattet sind. Vor diesem Hintergrund sah sich die BMW Forschung zur Sicherung der Produktqualität Telematikdienste veranlasst, nach neuen Wegen zur netzweiten Verbesserung der Verkehrsdatenerfassung zu suchen. Die Technologie der Floating Car Data rückte dabei in den Vordergrund. Dieser Artikel zeigt zunächst die Potenziale der fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung für die Gewinnung von Verkehrsinformationen und für die lokale Gefahrenwarnung auf. Darauf aufbauend wird ein Verfahren vorgestellt, das eine Abschätzung der notwendigen Durchdringungsraten von Floating Cars auf Basis von Ankunftswahrscheinlichkeiten und relativer Verkehrsstärke ermöglicht. Es werden Flottenausstattungen für die mobile Datenerfassung auf Autobahnen, Bundesstraßen und für den Ballungsraum untersucht. Als Diskussionsbeitrag werden abschließend drei auf den Betrachtungshorizont 2015 bezogene Szenarien für die Ausbreitung der fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung entwickelt. Während das Szenario Business-Trend die bei trendmäßiger Extrapolation zu erwartende Entwicklung aufzeigt, gehen die Szenarien Stabiler Zuwachs und Optimistischer Zuwachs von einem deutlichen Kooperationswillen der Akteure und einer zielgerichteten Umsetzung des Floating Car Ansatzes aus. Fahrzeuge sammeln anonym Verkehrsdaten während der Fahrt Um ortsunabhängig aktuelle Verkehrsdaten aus dem gesamten Netz zu sammeln, werden durch die BMW Group seit 1999 im Verkehr mitschwimmende Fahrzeuge, sogenannte Floating Cars, als mobile Sensoren eingesetzt [1, 2, 3]. Dabei ist das teilnehmende Fahrzeug gleichzeitig Lieferant aktueller Zustandsdaten und Nutzer der im System gesammelten, verdichteten und aufbereiteten Informationen. Floating Cars verfügen über einen GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung des Fahrzeugs und nutzen die im Fahrzeug erhobenen Messdaten zur Generierung von Streckengeschwindigkeiten. Mit Hilfe eines Mobilfunk-Moduls werden die verkehrsflussrelevanten Fahrzeugdaten anonym an eine Verkehrsdatenzentrale versendet. Das Verfahren nach dem die Daten im Fahrzeug aggregiert werden, wurde von Mannesmann Autocom und TEGRAON Mitte der 90er Jahre entwickelt (GATS -Global Automotive Telematics Standard). Empfänger der GATS-FCD-Meldungen ist gegen- 2

3 wärtig die DDG - Gesellschaft für Verkehrsdaten mbh. Sie ermittelt aus den empfangenen Daten die aktuelle Verkehrslage auf bestimmten Netzabschnitten. Gegenwärtig sind in Deutschland ca aktive FCD-Fahrzeuge (= 0,09% des Pkw - Bestands) im Straßennetz unterwegs. Darüber hinaus werden aktuelle Verkehrsdaten deutschlandweit im Fernstraßennetz über das privatwirtschaftliche Stationäre Erfassungssystem (SES) der DDG gesammelt. Gegenwärtig liegen Verkehrslageinformationen vorwiegend aus dem Autobahnnetz vor. Belastungsorientierte Streckeninformationen (Reisezeit auf einem Streckenabschnitt) bzw. die Erfassung von Gefahrensituationen mit entsprechendem Ortsbezug ist aufgrund unzureichender Dichte der Detektionseinrichtungen, insbesondere im nachgeordneten Netz, nicht möglich. Zunehmend mehr Fahrzeuge verfügen über Telematikanwendungen wie automatischer Notruf, Pannenhilfe oder dynamische Verkehrsinformationsdienste. Weil die dafür ins Fahrzeug integrierten elektronischen Komponenten für die FCD-Erfassung genutzt werden können, wird damit auch die Anzahl potenziell nutzbarer Floating Cars in Zukunft steigen. Verkehrszustandserfassung und lokale Gefahrenwarnung mit XFCD Da die durch FCD erfassbaren Parameter Position und Geschwindigkeit für eine umfassende Verkehrslage- und Witterungszustandsabbildung unzureichend sind, entwickelte BMW den FCD-Ansatz weiter zur erweiterten fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung Extended Floating Car Data - XFCD. Für XFCD werden die in den Steuergeräten und Subsystemen generierten und auf den Fahrzeugdatenbussen vorliegenden aktuellen Daten ausgelesen und aufbereitet [4, 5]. Die Algorithmen zur Auswertung und Weiterverarbeitung der relevanten Daten können in die vorhandene Telematikplattform des Fahrzeugs eingespielt werden. So lassen sich aus den Schaltzuständen von u.a. Abblend-, Fern- und Nebellicht, ABS, ASC, Außenthermometer, Klimaanlage, Navigationssystem, Bremse, Regensensor, Scheibenwischer und Warnblinker zusammen mit den aktuellen Geschwindigkeitswerten folgende Ereignis- und Zustandsdaten generieren: XFCD - Meldungsinhalte Verkehrszustand Staueinfahrten Stauausfahrten Staudurchfahrtsgeschwindigkeiten/ Stauqualitäten (zähfließend, stockend, stehend) Niederschläge, Aquaplaning Glätte, Eis Sichtbehinderungen, Nebel FCD - Meldungsinhalte Reisezeiten 3

4 Folgende Dienste können durch XFCD-Meldungsinhalte unterstützt werden: XFCD unterstützte Dienste Verkehrsinformationsdienste (Unterstützung netzweit) Dynamische Zielführung Lokale Gefahrenwarnung (Stauenden, Unfall, Nässe, Glätte, Nebel,...) Straßenwetterinformation Im Fernstraßennetz kann XFCD dazu beitragen, die aus ortsfesten Detektoren generierten Daten hinsichtlich Aktualität, Staulokalisierung, Geschwindigkeit im Stau, exakte Ermittlung der Stauein- und -ausfahrten zu vervollständigen. Im untergeordneten Netz dient XFCD vornehmlich zur lokalen Störungserkennung. XFCD aus Gründen der Wirtschaftlichkeit XFCD nutzt Mobilfunk, um verkehrliche Ereignisse (z. B. Stauein- und -ausfahrten) per SMS zu versenden. XFCD bietet zusätzlich die Möglichkeit der Rückkanalreferenzierung, d. h. ein Fahrzeug, das in einen Stau fährt und diesen bereits durch den Rundfunk via TMC (Traffic Message Channel) gemeldet bekam, registriert die Übereinstimmung und wird den Stau nicht mehr melden. Dieses Verfahren unterstützt die Kosteneffizienz von XFCD. Die BMW Forschung hat ermittelt, dass allein durch die Möglichkeit der Rückkanalreferenzierung bei Nutzung von XFCD gegenüber FCD ausgehend von den derzeit rd aktiven FCD-Fahrzeugen in Deutschland rd Euro/Jahr Kommunikationskosten eingespart werden können. Dieses Einsparpotenzial nimmt mit steigender Durchdringungsrate zu (Abb. 1). Durch die Nutzung des paketorientierten Datenübertragungsstandards GPRS 1 wird sich diese Einsparung zwar relativieren, XFCD ist allerdings gegenüber FCD weiterhin im Vorteil. Denn die mobile Datenkommunikation wird mit GPRS nicht mehr nach Online-Dauer, sondern nach Transfervolumen (bis zu 115 kbit/s) berechnet und XFCD-Meldungsinhalte sind i.d.r. kürzer als die durch FCD generierten Reisezeiten, die mittels aneinandergereihter Positionspunkte mit Zeitstempeln als sogenannte Perlenketten übermittelt werden. 1 GPRS (General Packet Radio Service). 4

5 Abb. 1: Entwicklung des Meldungsaufkommens je Fahrzeug bei Substitution von FCD durch XFCD XFCD unterstützt das konventionelle Verkehrsmeldungsmanagement Die Rückkanalreferenzierung ermöglicht nicht nur den Abgleich der onboard errechneten Information mit den durch den Rundfunk via TMC gemeldeten Störungen, sie trägt auch zur Aktualitätsprüfung der ausgestrahlten Meldungen bei. So kann bei fehlender Übereinstimmung ein Hinweis an die Verkehrsdatenzentrale gesendet werden, der zur Berichtigung des Meldungsbestands z. B. bei Stauauflösung führt. Im Innerortsbereich ist die vorhandene ortsfeste online-verkehrsdatenerfassung oft lückenhaft und teilweise mit extrem hohen Ausfall- und Fehlerraten behaftet. XFCD kann dazu beitragen, vorhandene Erfassungssysteme zu ergänzen. Um eine befriedigende Qualität der Verkehrslagedetektion im gesamten Straßennetz durch XFCD zu erreichen, muss ein gewisser Anteil des Gesamtfahrzeugbestandes XFCD-fähig sein. Im Folgenden werden Verfahren vorgestellt, um die erforderliche Durchdringungsrate in Abhängigkeit von der zu erzielenden Informationsqualität zu ermitteln. Bestimmung von XFCD-Durchdringungsraten über Ankunftswahrscheinlichkeiten Die Qualität der erzeugten Informationen hängt von folgenden Faktoren ab Detektionsrate netzweite Vollständigkeit Detektionsverzögerung Aktualität 5

6 Zuverlässigkeit Funktionsfähigkeit der Informationserfassung und Meldungsübermittlung Verschiedene statistische Ansätze zur Dimensionierung der optimalen Durchdringungsrate geben Aktualitätszeiträume von 5 bis 10 Minuten vor und errechnen eine Ankunftswahrscheinlichkeit eines oder mehrerer XFCD-Fahrzeuge bei einem Ereignis (oder Querschnitt) für diesen Zeitraum (vgl. Ergebnisse der Projekte LISB, RHAPIT, VERDI). In dieser Untersuchung wird ein Detektionszeitraum von Δt = 10 Minuten gewählt. Mit diesem Wert kann vor dem Hintergrund der Kostenminimierung eine für eine attributive Verkehrsbeurteilung zufriedenstellende Aussagequalität erzielt werden. Wird eine höhere statistische Sicherheit gefordert, erhöhen sich die notwendigen Ausstattungsraten. Vereinfachende Annahme bei dem angewandten Verfahren ist die gleichmäßige Verteilung der XFCD-Fahrzeuge in dem jeweils im Straßennetz auftretenden Fahrzeugstrom, proportional zum Anteil am gesamten Fahrzeugbestand. Vereinfacht ausgedrückt: Wo viele fahren sind auch viele XFCD-Fahrzeuge beteiligt. HUBER [6] ermittelt die Ankunftswahrscheinlichkeit P [%] von X [Anzahl Fz] XFCD- Fahrzeugen bei einem Ereignisort (beliebiger Querschnitts punkt ) in Abhängigkeit von Verkehrsstärke und Detektionszeit Δt (Aktualitätszeitraum): mit μ = q XFC Δt / t x = Anzahl erwarteter XFCD-Fahrzeuge innerhalb Δt Wenn mindestens ein XFCD-Fahrzeug in einem Zeitintervall Δt eintreffen soll, kann nach HUBER die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens von einem oder mehreren Fahrzeugen aus der Summe aller Eintreffenswahrscheinlichkeiten P(1) bis P(n) abzüglich der Wahrscheinlichkeit des Eintreffens keines Fahrzeuges P(0) errechnet werden. Daraus folgt: Für die Δt = 10 Minuten späteste Ankunft eines XFCD-Fahrzeuges, also x = 1, ergibt sich aus obiger Formel folgender Graph für die Ankunftswahrscheinlichkeit P [%] in Abhängigkeit von der relativen Verkehrsstärke q XFCD [XFCD-Fzg/h]: 6

7 Abb. 2: Ankunftswahrscheinlichkeit für ein XFCD-Fahrzeug an einem Ereignisort innerhalb 10 Minuten Aus Abb. 2 lässt sich ablesen, mit welcher relativen Verkehrsstärke q XFCD die Ankunft eines XFCD-Fahrzeugs mit 95% Ankunftswahrscheinlichkeit innerhalb von 10 Minuten erwartet werden kann: q XFCD = 18. Allgemein formuliert errechnet sich die relative Verkehrsstärke q XFCD aus dem Produkt der Verkehrsstärke q und der Durchdringungsrate D XFCD [%] : Für die 95% Ankunftswahrscheinlichkeit innerhalb 10 Minuten ergibt sich damit für die Verkehrsstärken von q = 2000 [Fz/h] die erforderliche Durchdringungsrate zu Für die Ankunft von mehreren XFCD-Fahrzeugen legt man eine Poissonverteilung für die Auftretenswahrscheinlichkeit zugrunde. Für drei Fahrzeuge lässt sich demnach bei stationärem Verkehrsfluss q [Fz/h] die Auftretenswahrscheinlichkeit nach folgender Bedingung berechnen: 7

8 Fordert man eine Wahrscheinlichkeit von 95% für das Auftreten von drei Fahrzeugen innerhalb eines Zeitintervalls von 10 Minuten, ergibt sich eine erforderliche relative Verkehrsstärke von q XFCD = 38 [XFCD-Fz/h]. Durchdringungsraten in Abhängigkeit von der Verkehrsstärke Die Qualität der aus XFCD unterstützten Dienste hängt davon ab, wie schnell in einem Verkehrsstrom eine definierte Anzahl von Fahrzeugen ein Ereignis melden. Prinzipiell nimmt die Detektionszeit mit zunehmender Verkehrsstärke ab. Die folgende Tabelle zeigt die Berechnungsergebnisse für die XFCD- Durchdringungsrate D XFCD [%] für die Ankunft von einem und von drei XFCD- Fahrzeug(en) an einem beliebigen Querschnitt innerhalb von 10 Minuten mit 95% Ankunftswahrscheinlichkeit bei unterschiedlichen Verkehrsstärken q : Tab. 1: XFCD-Durchdringungsraten in Abhängigkeit von der Verkehrsstärke bei 10 min. Detektionszeit Durchdringungsraten D XFCD [%] bei 10 min XFCD- Fzg. Δt [min] q XFCD (P=95%) ,2 3,6 1,8 1,2 0,9 0,72 0,6 0,5 0,45 0, ,2 7,6 3,8 2,5 1,9 1,5 1,3 1,1 1,0 0,8 Wie aus Tab. 1 hervorgeht, erfordern durchschnittliche Pkw-Verkehrstärken von Pkw/h u. Richtung Durchdringungsraten von 3,8%, um innerhalb von 10 min. eine Störung mit drei XFCD-Fahrzeugen sicher zu detektieren. Bei einer Detektionszeit von 20 min. halbieren sich in etwa die erforderlichen Durchdringungsraten. Zu Anfang einer Implementation sind jedoch geringere Durchdringungsraten, z. B. 1% bis 2% üblich. Diese führen nur bei sehr hohen Verkehrsdichten (siehe Tab. 1) zu den gewünschten hochwertigen Informationen. Derart hohe Verkehrsdichten sind jedoch nicht ganztägig und nicht überall im Straßennetz vorhanden, d.h. geringe Durchdringungsraten stehen entweder langen Detektionszeiten oder nur bestimmten Zeiträumen (z.b. Berufsverkehr) bzw. nur bestimmten Netzteilen (z. B. Ballungsräumen) gegenüber. Verkehrsaufkommen und Fahrleistungen Um Aussagen über erforderliche Durchdringungsraten in Deutschland machen zu können, ist zunächst zu analysieren, wie häufig welche Verkehrsstärken im Straßennetz auftreten. Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen, wie die Straßenverkehrszählung 2000 [7], enthalten historische Verkehrsbelastungen als DTV- Werte (durchschnittlicher täglicher Verkehr für beide Richtungen [Kfz/d]). Der DTV-Wert der Autobahnen in Deutschland lag im Jahr 2000 im Mittel bei Kfz/d. Vereinzelte Autobahnabschnitte wiesen Extremwerte von weit über Kfz/d auf. Die durchschnittlichen täglichen Kfz-Verkehrsstärken auf den Bundesstraßen lagen im Jahr 2000 bei Kfz/d und auf Landstraßen bei 3920 Kfz/d [7], wo- 8

9 bei die Verkehrsstärken sowohl nach Wochentag als auch nach Tageszeit stark schwanken (Abb.3). Abb. 3: Verschiedene Tagesgangcharakteristika unterschiedlicher Verkehrsstärken q auf Autobahnen (Dienstag bis Donnerstag), Typ A G gemäß Typisierung nach [7] Da die Verteilung eines Mittelwertes über 24 Stunden keine Aussage über die tatsächliche Verkehrsbelastung während des Tages ermöglicht, werden im Folgenden die Spitzenstundenwerte betrachtet, und zwar die Hauptverkehrszeit (q HVZ, im Mittel 6-12% des DTV) sowie die mittlere Belastung über 20 Stunden des Tages (q d20 ). 9

10 Tabelle 2: Durchschnittliche Verkehrsstärken (DTV) und Pkw-Fahrleistungen nach Straßenkategorien; Außerortsstraßen aus 2000 [7], Innerortsstraßen aus 1993 [8, 9] (Umrechnung in stündliche Verkehrsstärken auf Basis von Spitzenstundenfaktoren bzw. Tagesdurchschnittswerten) Pkw 2000 BAB Bundesstraßen Landesstraßen Kreis- Straßen (nur ABL) Innerorts- Hauptstraßen Gefahrene km [MioFz-km] Netzlänge [km] DTV [Pkw/d] Spitzenstundenwerte [% des DTV je Ri.] 1 8,3% (aus SVZ 2000 [7] ermittelt) 9,2% (aus SVZ 2000 [7] ermittelt) 9,5% (aus SVZ 2000 [7] ermittelt) 10% (geschätzt) 10% (geschätzt) Spitzenverkehrsstärke q HVZ [Pkw/h u. Ri.] Tagesdurchschn ittsverkehrsstärk e q d20 [Pkw/h u. Ri.] Ermittlung der Spitzenstundenanteile q[fz/h] im Wochendurchschnitt über alle Zählstellen nach [8] aufgrund der strecken- und wochentagsspezifischen Tagesganglinien (Typ A G, Abb. 2) gemittelt über alle DTV-Werte auf den verschiedenen Straßenkategorien Aus den in Tab. 2 dargestellten mittleren Spitzenstundenverkehrsstärken (q HVZ ) und den Tagesdurchschnittsbelastungen (q d20 ) lassen sich in Verbindung mit den in Tabelle 1 ermittelten Durchdringungsanteilen die notwendigen Floating Car - Durchdringungsraten ableiten und auf die Straßennetzanteile spiegeln (Abb. 4). 10

11 Durchdringungsraten auf Bundesautobahnen Bei einer Detektionszeit von 10 min. und einer Spitzenverkehrsstärke q HVZ von Pkw/h u. Ri. (vgl. Tab. 2) kann mit einer XFCD-Durchdringungsrate von knapp 2,4% der Fahrzeugpopulation eine Störung auf 50% des BAB-Netzes ortsgenau und hochaktuell detektiert werden (95% Ankunftswahrscheinlichkeit durch Ankunft von drei XFCD-Fahrzeugen abgesichert). Zur Nebenverkehrszeit q d20 mit einer Verkehrsstärke von durchschnittlich 960 Pkw/h u. Ri. kann die gleiche Erfassungsqualität mit einer Durchdringungsrate von 3,9% erreicht werden. Damit kann eine Netzabdeckung von rd. 80% auf BAB erzielt werden (Abb. 4). Abb. 4: XFCD-Durchdringungsraten auf BAB, differenziert nach verschiedenen Verkehrsstärken (Pkw/h zu Spitzenstunden aufsummiert) und Erfassungsqualitäten Auf großen Teilen des hochbelasteten BAB-Netzes, insbesondere im Einzugsbereich der Ballungsräume, sind Informationen aus ortsfesten Detektoren oder von Staumeldern verfügbar. Daher werden hier nicht unbedingt drei Fahrzeuge für die Detektion einer Störung benötigt, sondern es reicht vielfach schon die Meldung eines XFCD- Fahrzeuges aus, um einen Stau zu verifizieren. Geht man von der Erfassung durch ein XFCD-Fahrzeug aus, so können bereits mit einer innerhalb von wenigen Jahren erreichbaren Durchdringungsrate von 2,5% auf 90% des BAB-Netzes Verkehrsstörungen zufriedenstellend detektiert werden (q=720, 95% Ankunftswahrscheinlichkeit durch ein XFCD-Fahrzeug abgesichert, Abb. 4) 11

12 Bundesstraßen Bei den Außerortsstraßen wird hier bevorzugt auf die Bundesstraßen eingegangen, da diese als Backbone-Netz die Bundesautobahnen ergänzen und im Verhältnis zu Kreis- und Landesstraßen mehr durch Staus belastet werden. Bundesweit treten zu Hauptverkehrszeiten q HVZ durchschnittliche Belastungen von ca. 367 Kfz/h u. Richtung auf Bundesstraßen auf. Damit würden ab einer XFCD- Durchdringungsrate in Höhe von rd. 10% (Detektionszeit von 10 min., durch drei Fahrzeuge gemeldet) zuverlässige XFCD-Daten aus dem Bundesstraßenetz geliefert. Wie aus Abb. 5 ersichtlich, ließen sich bei q HVZ 367 Kfz/h und einer XFCD- Ausstattung von 10% rund 65% des Bundesstraßennetzes zuverlässig erfassen. Zur Nebenverkehrszeit q d20 mit einer Verkehrsstärke von durchschnittlich 200 Kfz/h u. Richtung kann die gleiche Erfassungsqualität erst bei einer Durchdringungsrate von knapp 19% erreicht werden, womit dann bereits 80% des Bundesstraßennetzes mit der angegebenen Qualität detektiert werden (Abb. 5). Abb. 5: XFCD-Durchdringungsraten auf Bundesstraßen, differenziert nach verschiedenen Verkehrsstärken (Pkw/h zu Spitzenstunden aufsummiert) Innerortsstraßen Innerorts wird die Betrachtung auf das Geschehen auf Hauptstraßen fokussiert, die im Durchschnitt zu den Hauptverkehrszeiten mit 373 Pkw/Stunde belastet sind (Tab. 2, [9]). Analog zu dem Vorgehen auf BAB und Bundesstraßen ist für die Hauptverkehrszeit q HVZ eine XFCD-Druchdringungsrate in Höhe von 10,2% bezogen auf den 12

13 DTV Pkw -Wert erforderlich (Detektionszeit 10 min, dreifach gemeldet). Während der Nebenverkehrszeit q d20 wird im Innerortsbereich eine Flottendurchdringung von 20,3% notwendig. XFCD - Durchdringung am Beispiel des Ballungsraums München Die Landeshauptstadt München stellt mit Ihren rd. 1,3 Millionen Einwohnern einen bedeutenden europäischen Verkehrsknotenpunkt dar. Im Hauptstraßennetz nimmt der Mittlere Ring mit einer Verkehrsbelastung von bis zu Kfz/24 Std. eine dominierende Rolle ein. Am Beispiel der Landeshauptstadt München werden im Folgenden die für eine zufriedenstellende Verkehrslageerfassung in stark belasteten Ballungsräumen erforderlichen XFCD-Durchdringungsraten erläutert. In Abb. 6 ist das Verkehrsaufkommen im Hauptstraßennetz München im 20-Stunden Tagesmittel q d20 (DTV-Werte 2003 [11]) differenziert für das Primär- und Sekundärnetz 2 sowie den Mittleren Ring dargestellt. Während im Primärnetz (ohne BAB) zur Nebenverkehrszeit (q d20 ) Verkehrsstärken von durchschnittlich 814 Pkw/h u. Richtung bewältigt werden, treten im Sekundärnetz im Mittel Verkehrsstärken von 425 Pkw/h u. Richtung auf. Der Mittlere Ring nimmt mit seinen rd. 19 km Länge zur Nebenverkehrszeit q d20 rd Pkw/h u. Richtung auf, in den Spitzenstunden wesentlich mehr. Abb. 6: XFCD-Durchdringungsraten auf dem Hauptstraßennetz der Landeshauptstadt München (Pkw/h zu Spitzenstunden aufsummiert) 2 Primärnetz: Hauptverkehrsstraßen mit überregionaler und regionaler Verbindungsfunktion (hier ohne BAB, aber mit B304, B13-N, B11-S, B2-W, Mittlerer Ring, div. Radialen und Tangentialen); Sekundärnetz: alle weiteren Hauptverkehrsstraßen mit überwiegend örtlicher Verbindungsfunktion gemäß Entwurf Verkehrsentwicklungsplan

14 Bei einer Durchdringungsrate von knapp 9% wird der Verkehrsablauf auf über 50% des Sekundären Netzes, das vornehmlich der Aufnahme des Binnenverkehrs und der Verteilung des Quell-/Zielverkehrs dient, nach den geforderten Qualitätsmerkmalen erfasst. Betrachtet man lediglich das für Störungen besonders anfällige Primärnetz, dann reicht eine XFCD-Flottenrate von knapp 5% bereits aus, um innerhalb von 10 min. eine Störung mit drei XFCD-Fahrzeugen auf Zweidritteln des Netzes sicher zu detektieren. Auf dem Mittleren Ring ist dies zur Nebenverkehrszeit (q d20 ) bereits bei einer Durchdringungsrate von rd. 2% erreichbar. Abb. 7: Erforderliche XFCD - Durchdringungsraten für den Nordwest-Sektor des Münchener Stadtbereichs [11] Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass für die Landeshauptstadt München bereits eine XFCD - fähige Fahrzeugflotte in der Größenordnung von 7,3% des gesamten Pkw-Aufkommens hinreichend ist, um den Verkehrszustand auf über 80% des Hauptstraßennetzes (Primärnetz ohne BAB, Sekundärnetz und Mittlerer Ring) zu detektieren. Eine effektive Störungsdektektion auf besonders staugefährdeten Streckenabschnitten kann mit weit geringeren Durchdringungsraten erreicht werden. Zusammenfassung der erforderlichen Durchdringungsraten Bei Betrachtung der Verkehrsstärken aus Tab. 2 sind vor allem die für fahrerassistierende Dienste wichtigsten Straßentypen zu fokussieren, also Bundesautobahnen, Bundesstraßen und das innerörtliche Hauptverkehrsstraßennetz, auf denen fast 80% der gesamten Fahrleistung stattfindet. In Abb. 8 sind die für diese Netzbereiche erforderlichen Mindest - Durchdringungsraten zusammenfassend dargestellt. 14

15 Abb. 8: Zusammenfassung der erforderlichen XFCD-Durchdringungsraten für unterschiedliche Straßennetzkategorien Problem der Durchschnittsbetrachtungen Bei der Ermittlung der angeführten Durchdringungsraten konnten folgende Faktoren nicht berücksichtigt werden: a) die Tatsache, dass nicht alle 45 Millionen in Deutschland zugelassenen Pkw gleich viel unterwegs sind, b) die zusätzliche Erhöhung der Detektionsrate und Aussagekraft jeder XFCD- Meldung durch: - zentralenseitige Fusion der FCD- / XFCD-Informationen mit Daten anderer Erfassungseinrichtungen - Meldungen mehrerer FCD- / XFCD-Fahrzeuge zur gleichen Störung oder Gefahrenstelle - Verteilung des Verkehrsaufkommens (Gleichverteilung oder Vielfahrer) - Detektionssensibilität und sicherheit von XFCD, c) das Phänomen, dass sich die Fahrzeuge nicht gleichverteilt im Straßennetz aufhalten, sondern oft dort gehäuft sind, wo Staus auftreten. Bezogen auf Stauereignisse stellt die Gleichverteilung eine ungünstige Annahme dar, weil die Wahrscheinlichkeit von 95% innerhalb von 10 Minuten einen Stau durch ein XFCD-Fahrzeug zu detektieren häufig schon bei sehr viel geringeren Durchdrin- 15

16 gungsraten als 2% erreicht wird. Schließlich entstehen die meisten Staus auf Streckenabschnitten mit hohem Verkehrsaufkommen, d. h. wo Verkehrsstärken von 3000 Fahrzeuge pro Stunde und mehr über zwei Spuren feststellbar sind. Für q= 3000 Fz/h wird bereits bei einer Durchdringungsrate 0,6% des Verkehrsstroms ein Ereignis innerhalb 10 Minuten von einem XFCD-Fahrzeug detektiert. XFCD stellt nicht nur ein vielversprechendes Verfahren zur Dektektion von Verkehrsflussstörungen dar, auch die kleinräumige witterungsbezogene Situationserkennung kann mit XFCD verbessert werden. Vor allem im untergeordneten Netz, das kaum mit Erfassungseinrichtungen ausgestattet ist, kann XFCD auch bei unterdurchschnittlicher Durchdringungsrate dazu beitragen, dass Gefahren erkannt und Warnungen im Fall von Nebel, Rutschgefahren etc. erzeugt werden. Wie schnell können Durchdringungsraten von 2%, 4% und 10% erreicht werden? Derzeit sind rd FCD-fähige BMW - Fahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs. XFCD - Versuchsfahrzeuge befinden sich bei BMW in der Erprobungsphase. Auf der Grundlage von drei unterschiedlichen Zukunftsszenarien werden im Folgenden denkbare Trends für die Durchdringung von XFCD-Flotten aufgezeigt: Im Szenario "Business-Trend " wird unterstellt, dass die Automobilhersteller telematikfähige Fahrzeugflotten mit Ortungsfunktionalität aufbauen und stetig ausbauen. Die neuen deutlich leistungsfähigeren Mobil- und Rundfunktechnologien (GPRS, UMTS, DAB, DVB-T) erweitern das Spektrum zukünftiger Telematikapplikationen. Die Kosten für Multimedia-Systeme mit Mobilfunkschnittstelle sinken, so dass ein Massenmarkt entsteht. In Deutschland werden in diesem Jahr ca. 5 Mio. Fahrzeuge mit Navigationssystem ausgerüstet sein; nach Angaben des ADAC wird der Zuwachs in den nächsten Jahren zwischen 15-19% / Jahr liegen [10]. Es zeichnet sich ein Trend zu durchgängigen und personalisierten Anwendungen ab, bei denen das Internet mit Navigationssystem und portablen Endgeräten vernetzt sein wird. Die für die dynamische Navigation vorhandene Technologieausstattung im Fahrzeug wird für die Einführung von XFCD genutzt. Basierend auf der zu erwartenden Marktdurchdringung von Navigationssystemen wird davon ausgegangen, dass bis 2015 rd. 15% der Fahrzeuge der Mittelklasse, Oberen Mittelklasse und Oberklasse XFCD senden. Dies entspricht mit Pkw 3 einer Durchdringungsrate von 4,3% am Fahrzeugbestand (Prognose 49,8 Mio. Pkw-Bestand in 2015 nach BVWP). Im Szenario Stabiler Zuwachs wird unterstellt, dass sich die deutschen Automobilhersteller (OEM 4 ) in Form eines Memorandums of Understanding dahingehend verständigen, die Schaffung von XFCD-fähigen Fahrzeugflotten zielstrebig voranzutreiben. Die Verbesserung der Datenerfassung stellt eine zentrale Aufgabe der Marktführer im Automobilbereich dar. Durch Kooperation mit Service Providern soll Premiumqualität auf Ebene der Telematikdienste, insbesondere hinsichtlich dynamischer Zielführung, erzielt werden. Die OEM schaffen eine übergreifende, europaweite Technologieplattform und ermöglichen somit die Realisierung von Economies of Scale. Es wird unterstellt, dass bis 2015 Eindrittel aller Fahrzeuge der Mittelklasse, Obe- 3 Fortschreibung 30% Anteil Mittelklasse, Obere Mittelklasse und Oberklasse am Pkw-Bestand zum OEM Original Equipment Manufacturer 16

17 ren Mittelklasse und Oberklasse über eine XFCD-Funktionalität verfügen werden. Dies entspricht mit Pkw einer Durchdringungsrate von rd. 10% am Fahrzeugbestand. Im Szenario Optimistischer Zuwachs wird zusätzlich zu den im Szenario Stabiler Zuwachs unterstellten Durchdringungsraten davon ausgegangen, dass die XFCD- Fähigkeit der Pkw mit staatlicher Unterstützung vorangetrieben wird. Der Staat unterstützt die XFCD-Fähigkeit, da XFCD aktiv zur Erhöhung der Verkehrssicherheit beiträgt (Detektion Stauenden, Gefahrenwarnung, Einsparungen bei konventioneller Erfassung). Die Integration der Daten aus öffentlichen und privaten Dateneinrichtungen wird angestrebt. Durch die staatliche Unterstützung kann die Durchdringungsrate auf 20% des gesamten Pkw-Bestands ausgeweitet werden. Diese Penetration entspricht mit knapp 10 Mio. Pkw der zu erwartenden Sättigungsrate. Eine Ausstattungsrate in dieser Höhe ermöglicht nicht nur eine deutlich verbesserte flächenhafte Datenerfassung in Deutschland, sondern bildet vor dem Hintergrund der EU- Erweiterung ein wesentliches Standbein zur Verbesserung der Verkehrsinformation in Europa. Mit den vorgestellten Szenarien wird das Ziel verfolgt noch nicht erreichte Zustände denkbar und daran geknüpfte Erwartungen Diskussionsprozessen zugänglich zu machen. Die in diesem Beitrag vermittelten Durchdringungsraten und Technologietrends sollen dazu anregen, die Auseinandersetzung mit dem Thema XFCD zu intensivieren, die vorhandenen Ansätze zu konkretisieren und fortzuentwickeln. Fazit Nur mit dem Daten - Content aus XFCD können aus heutiger Sicht die gewünschten Qualitäten für verschiedene Dienste wie Verkehrsinformation, Dynamisches Routing, Straßenwetter und Gefahrenwarnung erreicht werden. So kann der Dienst Lokale Gefahrenwarnung mit der Applikation Erkennung von Stauenden bereits bei einer Durchdringungsrate von 1% auf Autobahnen zufriedenstellend versorgt werden. Für weitergehende Qualitätsverbesserungen sind Durchdringungsraten von wenigstens 2% erforderlich. Damit wird das BAB-Netz zu Hauptverkehrszeiten gut erfasst. Mit Durchdringungsraten von rd. 4% können auf 80% des Autobahnnetzes aktuelle Verkehrs- und Straßenzustandsinformationen generiert werden. Für eine gute Informationsqualität in Ballungsräumen und auf Bundesstraßen werden bundesweit 7-10% Bestandsdurchdringung benötigt. Es ist zu bedenken, dass die ermittelten Durchdringungsraten einen höheren Wirkungsgrad erzielen können, da zunächst Fahrzeuge mit 50% höheren Jahresfahrleistungen (X)FCD-fähig sein werden. Vereinfacht kann man sagen, dass bei 2% Anteil (~ 1 Mio. Pkw) 5, dargestellt durch Premiumfahrzeuge, ihre Wirkung wie 3% Durchdringungsrate beträgt. Für eine zügige Umsetzung des XFCD-Verfahrens spricht aber nicht nur das damit verbundene Informationspotenzial, sondern auch dessen Wirtschaftlichkeit, auch wenn anfangs noch nicht flächendeckend Informationen generiert werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich auf europäischer Ebene. Mit Hilfe von XFCD kann 5 Fahrzeugausstattungen für FCD bezeihen sich auch hochwertige Fahrzeuge, vereinfacht Fahrzeuge mit 2l Hubraum und mehr. Diese haben zwar nur einen Anteil von ca. 20% an den Zulassungen, sie haben dafür aber eine höhere durchschnittliche Jahresfahrleistung (1990 war diese rund 50% höher als die durchschnittliche [4]. 17

18 kurzfristig die Datenerfassung auf den Fernstraßen vor allem auch in den neuen EU- Ländern ausgebaut und entsprechende Servicequalität geschaffen werden. Zur Erzielung signifikanter XFCD-Flotten ist die Kooperation zwischen den Automobilherstellern und der TK/IT-Industrie erforderlich. Nur durch Zusammenarbeit mit starken Marktteilnehmern und Kooperationspartnern sind qualitativ hochwertige Verkehrsinformationen kostengünstig generierbar. Des weiteren können folgende Maßnahmen den Durchbruch von XFCD unterstützen Zunehmende Wahrnehmung der XFCD-Potenziale Abnehmende Preise für onboard Telematik-Hardware, vor allem bei den OEM OEM-übergreifende, offene und mobilfunkbetreiberunabhängige Technologieplattformen Staatliche Förderung der Datenerfassung mit XFCD Voraussetzung für ein beschleunigtes Durchdringen von Fahrzeugbeständen ist aber nicht nur das Engagement der OEM, sondern auch eine verstärke Zusammenarbeit mit dem Kunden. Neben der (X)FCD-Fähigkeit auf Fahrzeugebene, zählt vor allem die Partizipationsbereitschaft der Kunden. Hier sind verstärkt Marketingmaßnahmen erforderlich, um die Freischaltungsquote zu erhöhen. 18

19 Quellen: [1] HUBER, W.; LÄDKE, M.; OGGER, R.: Extended Floating Car Data for die Acquisition of Traffic Information. 8_2_mobilitaet_verkehr/pdf/XFCD_englisch.pdf [2] BREITENBERGER, S. (1997): Einschätzung aktueller Verkehrszustände aus fahrzeuggenerierten Daten, Diplomarbeit. München [3] BMW AG: Erkennung von Verkehrszuständen auf Bundesautobahnen. Patentschrift PA DE. [4] HAUSCHILD, M. (2003): Echtzeit-Verarbeitung von Fahrzeug-Bus-Daten zur Verkehrszustandserkennung im öffentlichen Verkehrsnetz, Diplomarbeit. München [5] BMW AG: Multimodales XFCD Schwellenwertverfahren. WO Patentschrift PCT/EP03/ [6] HUBER, W. (2001): Fahrzeuggenerierte Daten zur Gewinnung von Verkehrsinformationen. Dissertation. TU München Fachgebiet Verkehrstechnik und Verkehrsplanung, München [7] BUNDESANSTALT FÜR STRAßENWESEN (BAST): Straßenverkehrszählung (SVZ) 2000, Bergisch-Gladbach, Februar 2003 [8] HAUTZINGER, H., HEIDEMANN, D. KRÄMER, B.: Fahrleistungserhebung Kurzbericht zum Forschungsprojekt 8902 der Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, Juli 1992 [9] PALM, I., REGNIET, G., SCHMIDT, G. (1996): Ermittlung der Pkw- und Nutzfahrzeug- Jahresfahrleistungen 1993 auf allen Straßen in der Bundesrepublik Deutschland, FE-Nr /94, Aachen März 1996 [10] ADAC (2002): Marktentwicklung für Kfz-Navigation. ADAC Schätzung und Prognose bis Daten basieren auf interner Aktualisierung durch den ADAC. [11] LH München, Planungsreferat (2003): Durchschnittlicher Täglicher Verkehr (DTV) Werte Stadtgebiet München, Stand: Jan München Autoren: Susanne Breitenberger Verkehrstechnik BMW Group München Tel Bernhard Grüber, BMW Group Martina Neuherz, i. A. BMW Group 19