intelligente Lichtsignalsteuerung Prof. Dr.-Ing. Bernhard Friedrich, 18. Januar 2012
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1 intelligente Lichtsignalsteuerung Prof. Dr.-Ing. Bernhard Friedrich, 18. Januar 2012
2 Gliederung Herausforderungen im Stadtverkehr Lichtsignalsteuerung Grundlagen Verbesserungspotenziale Ansätze für kooperative Lösungen Bausteine des kooperativen Systems KOLINE 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 2
3 Herausforderungen im Stadtverkehr Mangelnde Effizienz Lange Wartezeiten, viele Halte, Hoher Kraftstoffverbrauch, Hohe Immissionsbelastung Quelle: ADAC-Motorwelt, Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 3
4 Herausforderungen im Stadtverkehr Mangelnde Effizienz Hohe Immissionsbelastungen NO 2, PM 10 Quelle: LfU Baden-Würtemberg 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 4
5 Reisezeiten (h:min:s) Herausforderungen im Stadtverkehr Mangelnde Verlässlichkeit Niedriger Komfort 0:08:00 Gemessene Reisezeiten Reisezeiten (ANPR) Hildesheimer Straße, Hannover 0:07:00 0:06:00 0:05:00 0:04:00 0:03:00 0:02:00 0:01:00 7:45:00 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00 Uhrzeit 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 5
6 Herausforderungen im Stadtverkehr Mangelnde Verkehrssicherheit Gefährdung an innerörtlichen Knotenpunkten 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 6
7 Gliederung Herausforderungen im Stadtverkehr Lichtsignalsteuerung Grundlagen Verbesserungspotenziale Ansätze für kooperative Lösungen Bausteine des kooperativen Systems KOLINE 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 7
8 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Knotenpunktgeometrie und Signalgruppeneinteilung Quelle: FGSV, Richtlinien für Lichtsignalanlagen (2010) 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 8
9 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Variable der Steuerung Konzept des Rahmensignalplans Variablen und Schritte Cliquen einschl. Information über - minimale Grünzeiten - Phasenübergänge Phasenschema und -folge I. II. III. IV. Umlaufzeit tu I. II. III. IV. tu Freigabezeitaufteilung und Pufferzeiten I. II. III. IV. tu Versatz I. II. III. IV. tu Koordinierungsfixpunkt der Phase I 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 9
10 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Signalzeitenplan mit zeitlichen Bedingungen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 10
11 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Erfassung ÖV / IV Regelbasierte Steuerung Situationsbestimmung Verknüpfung von - Messdaten (Verkehr, Umwelt) - Zeit (Kalendertag, Tageszeit) - ggf. Betriebsdaten (Störungen) Entscheidung (1) Steuerungsanpassung erforderlich? (Schwellenwerte) (2) Auswahl aus Handlungsalternativen (SP, t U, t V, ) Schaltbefehle nicht prognostizierbar!!! 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 11
12 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Erfassung ÖV / IV Modellbasierte Steuerung Verkehrsnachfragemodell Zustandsanalyse und Prognose Ermittlung der aktuellen und prognostizierten Verkehrsnachfrage im Steuerungsgebiet Verkehrsflussmodell Nachbildung des durch die Steuerung beeinflussten Verkehrsablaufs im Steuerungsgebiet Signalprogramm Verkehrswirkungsmodell Ableitung von verkehrsbedingten Wirkungen (Verkehr, Umwelt) in Folge des modellierten Verkehrsflusses Steuerungsmodell Schaltbefehle Ermittlung der LSA-Steuerungsgrößen unter Zugrundelegung einer Zielfunktion aus verkehrsbedingten Wirkungen vorhersagbar!!! 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 12
13 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Systematik der Steuerungsverfahren Knotenpunkt Makroanpassung zyklisch Zeit Regeln Modell azyklisch Mikroanpassung keine Regeln Modell Regeln Modell Netz keine Zeit Regeln Modell 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 13
14 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Beispiel Festzeitsteuerung Knotenpunkt Makroanpassung zyklisch Zeit Regeln Modell azyklisch Mikroanpassung keine Regeln Modell Regeln Modell Netz keine Zeit Regeln Modell 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 14
15 Steuerungsverfahren Beispiele Stadtfahrplan mit Grünen Wellen Knotenpunkt Makroanpassung zyklisch Zeit Regeln Modell azyklisch Mikroanpassung keine Regeln Modell Regeln Modell Netz keine Zeit Regeln Modell 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 15
16 Steuerungsverfahren Beispiele Stadtfahrplan mit Grünen Wellen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 16
17 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Beispiel Klassische Verkehrsabhängige Steuerung Knotenpunkt Makroanpassung zyklisch Zeit Regeln Modell azyklisch Mikroanpassung keine Regeln Modell Regeln Modell Netz keine Zeit Regeln Modell 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 17
18 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Beispiel Klassische Verkehrsabhängige Steuerung Start Phase 1 t minph1 AnforderungPh2 AbbruchPh1 PÜ1.2 AnforderungPh2 > t maxanfph2 PÜ1.2 AnforderungPh3 AbbruchPh1 PÜ1.3 AnforderungPh3 > t maxanfph3 PÜ1.3 Phase 2 t minph2 AnforderungPh3 AbbruchPh2 PÜ2.3 t maxph2 PÜ2.3 AbbruchPh1 = ZL (DK5) 3,0 s AbbruchPh2 PÜ2.1 AbbruchPh2 AbbruchPh3 = ZL (DK1) 3,0 s ZL (DK22) 2,0 s = ZL (DK32 DK42) 2,0 s t maxph2 PÜ2.1 AnforderungPh2 = A (DK21 DK31) Phase 3 t minph3 AnforderungPh3 = A (DK41 F2 F3) AbbruchPh2 PÜ3.1 t minph1 10 s t maxph2 30 s t maxph3 PÜ3.1 t minph2 4 s t maxph3 30 s t minph3 7 s t maxanfph2 = 30 s t maxanfph3 = 20 s Ende 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 18
19 Grundlagen der Lichtsignalsteuerung Erste modellbasierte Verfahren in Deutschland (BALANCE) Knotenpunkt Makroanpassung zyklisch Zeit Regeln Modell azyklisch Mikroanpassung keine Regeln Modell Regeln Modell Netz keine Zeit Regeln Modell 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 19
20 Gliederung Herausforderungen im Stadtverkehr Lichtsignalsteuerung Grundlagen Verbesserungspotenziale Ansätze für kooperative Lösungen Bausteine des kooperativen Systems KOLINE 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 20
21 Verstetigung des Verkehrsflusses Vermeidung von Stop & Go Verkehrssituation Innerortsstraßen bei Stop & Go Verkehrssituation Nebenstraßen /geschlossene Bebauung Verkehrssituation Hauptverkehrsstraße mit LSA / geringe Störungen Quelle: Umweltbundesamt: Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 21
22 Verstetigung des Verkehrsflusses Optimierung der LSA-Koordinierung CO 2 -Reduktion um 21,8 % im Idealfall Quelle: ADAC-Test Partikel-Emissionen, ADAC e.v. Juni Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 22
23 Versatzzeitoptimierung - Feldversuch Hannover Versatzzeitoptimierung: Feldversuch in einem realen Umfeld Vergleich vorher: regelbasierte verkehrsabhängige Steuerung nachher: Festzeitsteuerung mit optimierten Versatzzeiten Erfassungsmethoden: Automatische Kennzeichenerfassung (APNR) Befahrung mit GPS-Aufzeichnung 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 27
24 Reisezeit [min] Reisezeit [min] Verstetigung Verkehrsfluss: Beispiel Hannover Verkürzung der durchschnittlichen Reisezeiten stadteinwärts um 27 % Empirische Reisezeiten Hildesheimer Straße stadteinwärts (ANPR-Daten vom 09.,10. und ) 06:00 vorher: Ø 214 s 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 7:30 7:35 7:40 7:45 7:50 7:55 8:00 8:05 8:10 8:15 8:20 8:25 Startzeit nachher: Ø 157 s Simulierte Reisezeiten Hildesheimer Straße stadteinwärts (Koordinierte Festzeitsteuerungen) 06:00 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 7:30 7:35 7:40 7:45 7:50 7:55 8:00 8:05 8:10 8:15 8:20 8:25 Startzeit 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 29
25 Field Trial GPS-Tracks 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 30
26 Verstetigung Verkehrsfluss: Beispiel Hannover Emissionsmodellierung mit PHEM 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 31
27 Gliederung Herausforderungen im Stadtverkehr Lichtsignalsteuerung Grundlagen Verbesserungspotenziale Ansätze für kooperative Lösungen Bausteine des kooperativen Systems KOLINE 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 32
28 Lösungsansatz: Komfortsteigerung Vergangenheit Zukunft Wann geht es weiter??? t[s] 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 33
29 Lösungsansatz: Komfortsteigerung Kollektive Anzeigen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 34
30 Lösungsansatz: Komfortsteigerung Kollektive Anzeigen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 35
31 Lösungsansatz: Komfortsteigerung Vergangenheit Zukunft t[s] 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 36
32 Lösungsansatz: Individuelle Anzeige Vergangenheit Zukunft t[s] Optimale Geschwindigkeit? Bekannt!??? 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 37
33 Lösungsansatz: Vorsignal Vermeidung von Anfahrverlusten Anfahrverlust 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 38
34 Lösungsansatz: Signaltrichter Pulkverdichtung schafft Zeitlücken für Querverkehr 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 39
35 Lösungsansatz: Signaltrichter Pulkverdichtung schafft Zeitlücken für Querverkehr Mound Road Detroit General Motors 1961 Zeit: 6:30 9:00 Länge: 6,5 km 10 Knotenpunkte Halte je Durchfahrt [-] Mittlere Zeitverzögerung [s] Mittlere Geschwindigkeit [km] Rückstau [Fz/tu] Kraftstoffverbrauch [%] Past System Simultan 2,35 35,25 51,0 6, % Progressiv System 0,41 6,15 60,0 4, % Platoon-System 0,23 3,45 59,0 0,80 + 3, % 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 40
36 Gliederung Herausforderungen im Stadtverkehr Lichtsignalsteuerung Grundlagen Verbesserungspotenziale Ansätze für kooperative Lösungen Bausteine des kooperativen Systems KOLINE 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 41
37 Kooperatives -System Grundidee für ein Kooperationsmodell im Stadtverkehr Kooperatives -System Adaptive strategische Anpassung der LSA-Steuerung Daten der LSA für Annäherungsstrategie Fahrzeugdaten als virtueller Detektor Fahrzeuge reagieren taktisch mittels Fahrstrategie Erhöhung von Leistungsfähigkeit und Verkehrssicherheit im Stadtverkehr Verringerung von Fahrzeughalten, Kraftstoffverbrauch, Emissionen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 42
38 Projektpartner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Institut für Verkehrssystemtechnik Institut für Automation und Kommunikation e. V. Magdeburg Technische Universität Braunschweig Institut für Regelungstechnik Technische Universität Braunschweig Institut für Verkehr und Stadtbauwesen TRANSVER GmbH Volkswagen AG 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 43
39 Kooperatives -System Systemarchitektur Teilsystem KOLINE-Fahrzeug Teilsystem KOLINE-LSA Teilsystem KOLINE-Zentrale SIGNOS Verkehrsassistenzsystem Kommunikationseinheit Schaltgerät Modellbasierte LSA-Optimierung Fahrzeugdatenbasierte Rückstauschätzung Detektor Rückstauschätzung mittels Detektoren Fusionierte Rückstauschätzung Steuergerät 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 44
40 Modellbasierte LSA-Optimierung Optimierung der Lichtsignalsteuerung Gütemaß für die Optimierung der Lichtsignalsteuerung im Netz: Anzahl der Halte Wartezeiten Wirkungsmodell zur online Bestimmung der Gütekriterien: Cell Transmission Model (CTM) Optimierungsgrößen: Versatzzeiten Freigabezeiten Algorithmus für NP-vollständiges Optimierungsproblem: Aufteilung in Teilprobleme Genetische Algorithmen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 46
41 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 RMSE [veh/h] Modellbasierte LSA-Optimierung Verkehrsnachfragemodellierung Beispiel Hannover 8 signalisierte Knotenpunkte 2 Fußgängersignalanlagen 55 Induktivschleifendetektoren RMSE for estimated traffic volumes on routes time interval (start time) 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 47
42 Modellbasierte LSA-Optimierung -6,3% -11,4% -8,6% 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 48
43 Verkehrsassistenzsystem Konzept sim TD -kompatible Telegramme: - LSA-Information (Signal State - Knotenpunkttopologie (Intersection) - NEU: Lokale Verkehrsinformation WLAN p sim TD -kompatibles Telegramm: Aktuelle Fahrzeugzustandsdaten (CoopAwareness) WLAN p Quelle: Volkswagen AG 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 49
44 s[m] Verkehrsassistenzsystem Optimierte Längssteuerung (Volkswagen AG) 0 v[km/h] t[s] 0 Reduktion Anzahl der Halte: % (Strategie 4) bis zu 30 % (Strategie 2 und 4) Reduktion Kraftstoffverbrauch: 3-5 %. 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 50
45 Verkehrsassistenzsystem Optimierte Längs- und Quersteuerung (TU Braunschweig, IfR) Potential (Streckenlänge 10 km): ohne Fahrstreifenwechsel mit Fahrstreifenwechsel 22:26 min 26,8 km/h 18:43 min 32,1 km/h 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 51
46 Rückstauschätzung Konzept Virtuelle Detektoren Fahrzeugdatenbasierte Rückstauschätzung Quelle: Siemens AG Halteliniennahe Detektoren Rückstauschätzung je Umlauf Aktualisierung Basis Fusionierte Rückstauschätzung 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 52
47 Rückstauschätzung Fahrzeugdatenbasierte Rückstauschätzung s[m] Rückstau a b t[s] Zeitpunkt der freien Passierbarkeit Anstieg a = Ankunftsrate Anstieg b = Abflussrate 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 53
48 Rückstaulänge [m] Rückstauschätzung Fahrzeugdatenbasierte Rückstauschätzung Rückstau, geschätzt 40 Fahrzeugmessung Simulationssekunde [s] Rückstau, real Sperrzeit 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 54
49 Nachweis der Funktion, Leistung und Wirkung Zusammenwirken spezialisierter Testfelder Virtuelles Testfeld Technisches Prüffeld Demonstrationsfeld Quelle: Bing, bearbeitet 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 55
50 Virtuelles Testfeld Ausrichtung Inhaltlicher Umfang Abbildung des Demonstrationsfeldes Berücksichtigung der optimierten Fahrzeugannäherung 14 Szenarien Ist-Zustand Konventionelle LSA-Optimierung (TRANSYT) Variation des Ausstattungsgrads kommunikationsfähiger Fahrzeuge Art der Rückstauschätzung 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 56
51 Technisches Prüffeld Übersicht der Heinrich-der-Löwe-Kaserne A39, Abfahrt BS-Rautheim Knotenpunkt 3 Knotenpunkt 2 10m Knotenpunkt 3 Streckenlänge ca. 400 m m 10m Knotenpunkt 2 Knotenpunkt 1 10m Knotenpunkt 1 Quelle: Bing, bearbeitet 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 57
52 Technisches Prüffeld Einrichtung der Knotenpunkte Beispiel Knotenpunkt Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 58
53 Technisches Prüffeld Testprogramm Komponententests Bilaterale Schnittstellentests KOLINE-LSA KOLINE-Zentrale KOLINE-LSA KOLINE-Fahrzeug Integrationstests Demonstration von Szenarien mit einzelnen/allen Testträgern - Rückstauschätzung: mittels Detektordaten und/oder Fahrzeugzustandsdaten - Annäherung: mit/ohne Halt, mit/ohne Rückstau Dauertest mit realitätsnaher Verkehrsstärke Schwerpunkt: Güteuntersuchung der Optimierung 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 59
54 Technisches Prüffeld Testdurchführung : Annäherung mit Halt und Rückstau 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 60
55 Technisches Prüffeld Ergebnis: Funktionsnachweis des KOLINE-Systems wurde erbracht Rückstauschätzung Die Komponenten der Rückstauschätzung liefern einzeln und kombiniert plausible Werte. KOLINE-Fahrzeug Die Annäherung der Testträger erfolgt optimiert unter Berücksichtigung der Rückstauschätzung. KOLINE-Zentrale Durch die Erfassung der Verkehrsstärke im betrachteten Netz wird eine plausible LSA-Steuerung berechnet. Die berechneten Signalprogramme werden erfolgreich an den Knotenpunkten umgesetzt. 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 61
56 Demonstrationsfeld Übersicht Quelle: Google Maps, bearbeitet 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 62
57 Demonstrationsfeld Übersicht Knotenpunkt 1 Knotenpunkt 1 Knotenpunkt 2 Verkehrsstärke (Querschnitt) ca Fz/24h Teststrecke des Projekts Stadtpilot Quelle: Google Maps, bearbeitet 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 63
58 Demonstrationsfeld Anpassung der Systemarchitektur Teilsystem KOLINE-Fahrzeug Teilsystem KOLINE-LSA Teilsystem KOLINE-Zentrale AIM AU Verkehrsassistenzsystem Kommunikationseinheit (AIM) Schaltgerät Modellbasierte LSA-Optimierung Fahrzeugdatenbasierte Rückstauschätzung Phase 1: Offline optimierte Signalprogramme Detektor Rückstauschätzung mittels Detektoren Fusionierte Rückstauschätzung Phase 2: Verkehrsabhängige Signalprogrammauswahl Phase 3: Online optimierte Signalprogramme Steuergerät 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 64
59 Demonstrationsfeld Vorgehen: Beispiel Phase 1 Ziele Nachweis der verkehrlichen Wirksamkeit des Gesamtsystems Demonstration der Fahrzeugfunktionen im realen Straßenverkehr Zeitabhängige Schaltung von 4 Signalprogrammen für Hauptverkehrszeit Morgen Nebenverkehrszeit Definition der Zeiträume je Wochentag: Hauptverkehrszeit Abend entsprechend Analyse durch KOLINE Schwachlastzeit Umsetzung März/April 2012 Sukzessive Schaltung der Signalprogramme über mehrere Wochen 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 65
60 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 18. Januar 2012 B. Friedrich KOLINE intelligente Lichtsignalsteuerung Seite 66
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