Vorlesung Verkehrsmanagement WS 2015/16. V5 Verkehrserfassung und Steuerung

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1 Vorlesung Verkehrsmanagement WS 2015/16 V5 Verkehrserfassung und Steuerung

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3 Logischer Datenfluss Verkehrsbeeinflussung [Quelle: MARZ 1999]

4 Datenerfassung Messdaten v,q Rohdaten synchrone Messwerte Plausibilitätsprüfung, Messwertersetzung geprüfte, ersetzte Messwerte Synchronisation Umfelddaten Messwertaufbereitung Synchronisation der Zyklen Plausibilitätsprüfung, Messwertsetzung Aggregation, Berechung Kenngrößen, Glättung, Trend, Umfelddaten-Stufen

5 Datenerfassung Detektion Verkehrsdaten Periodische Detektion : 15 s - 5 min ; Standard: 1 min Doppel-Induktionsschleifen Radar Mikrowellen Kombination, überkopf q,v,s, v-geglättet, Belegung, Zeitlücken Verkehrszusammensetzung, Lkw-Anteil bis zu 8+1 Klassen Umfelddaten Nässe/Niederschlag Sichtweite Helligkeit Straßenzustand

6 Datenerfassung / Datenübernahme Übernahme der Daten der Außenanlagen Dekodierung der TLS-Telegramme und Weitergabe als Datenarten der Datenhaltung (Datenverteiler, Datenbank) Daten gemäß TLS Kurz- und Langzeitdaten Achslastdaten Wetter- und Umfelddaten Anzeigezustände WVZ, WWW, WTA Betriebsmeldungen sonstige

7 Datenerfassung Plausibilitätsprüfung Wertebereichsprüfung Messwertkorrektur Maximum bei Überschreitung Minimum bei Unterschreitung oder keine Veränderung sondern Kennzeichnung Logische Prüfungen Regeln für Kurz- und Langzeitdaten Umfelddaten Zeitliche Konsistenz Messwertschwankungen Differenz aufeinander folgender Werte Regeln für logisch/physikalische Prüfung Zeitabhängigkeit (Uhrzeit z.b. Helligkeit; Jahreszeit)

8 Datenerfassung Messwertersetzung Kurzzeitdaten Berechnung fehlender Werte innerhalb eines Querschnitts aus den Werten des Nachbarfahrstreifens (aktuelles und letztes Intervall) Kfz-Verkehrsstärke Pkw-Geschwindigkeit Berechnung fehlender Werte anhand einer zugeordneten Ersatzzählstelle (i.d.r. Nachbarzählstelle) (aktuelles und letztes Intervall) Lkw-Verkehrsstärke Lkw-Geschwindigkeit

9 Datenerfassung Messwertersetzung Umfelddaten Helligkeit räumlich nahe Ersatzmessstelle Nässe (Niederschlagsintensität, Niederschlagsart, Wasserfilmdicke) Verfahren je nach Messwertart Zeitlich Fortschreibung (3 Min.) Mittelwert der benachbarten MQ Ersatzquerschnitt (für parametrierbare Dauer)

10 Datenerfassung Messwertaufbereitung Zeitliche Aggregation von Kurzzeitdaten Berechung fahrstreifenbezogener Kenngrößen Pkw-Verkehrsstärke (Pkw/Intervall) mittlere Kfz-Geschwindigkeit (km/h) Lkw-Anteil (%) lokale Verkehrsdichte (Kfz/km) Berechung richtungsbezogener Kenngrößen Verkehrsstärken (Fzg. / h) für Pkw, Lkw, Kfz Mittlere Geschwindigkeiten für Pkw, Lkw, Kfz... Sonstige (Glättung und Trendprognose, Prognosedichte)

11 Zusammenhang Rohdaten, aufbereitete Werte, Prognose Vergleich Messwerte, aufbereitete Werte, Prognose QKfz [Kfz/h] :00 16: :4516: : : : :00 17: :00 17: :00 QKFZ, Prognose QKFZ, aufb. QKFZ, erf. VKFZ, Prognose VKFZ, aufb. VKFZ, erf.

12 Datenerfassung Messwertaufbereitung Umfelddaten Ermittlung von Messwertstufen durch Schwellwertanalyse mit Hysterese (Grenzewert ein in Klammern) Niederschlagintensitätsstufe 0 (0 mm/h) 4 (12 mm/h) Wasserfilmdickenstufe 0 (0 mm) 3 (1,7 mm) Nässestufe (trocken, nass1-nass4) in Abhängigkeit von Wasserfilmdicke und Niederschlagintensität Helligkeitsstufe 1 (5 Lux) 10 (10000 Lux) Sichtweitenstufen 1 (400m/450m) 5 (50m/60m) (für Tag / Nacht)

13 Datenfluss der Datenaufbereitung [Quelle: MARZ 1999]

14 Verkehrszustandsanalyse geprüfte Messwerte Algorithmen zur Verkehrszustandsanalyse Störfallindikatoren Stauobjektbestimmung Stauverlaufsanalyse Stauobjekte Meldungen

15 Verkehrszustandsanalyse / Ermittlung der Verkehrszustände Verkehrszustände Ermittlung des Verkehrszustands über unterschiedliche Algorithmen Abschließende Zusammenfassung der Ergebnisse der Algorithmen Darstellung als Verkehrslage in Anlagenbild und Karte Konsistenzcheck Prüfung der Baustellenmeldungen und Unfallmeldungen auf Konsistenz mit den im System vorhandenen Messdaten erzeugt Meldungen, wenn Inkonsistenzen erkannt werden

16 Stauanalyse Ermittlung von Stauobjekten auf Basis der Stauindikatoren Zusammenfassen - bei geringem Abstand Auftrennen - bei zu großem Abstand Verlängerung - bei speziellen Ereignissen Stauobjekte haben eine Ausdehnung und können dabei auch mehrere Abschnitte umfassen Stauobjekte biegen in Dreiecken/Kreuzen nicht ab

17 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Streckenbeeinflussung Knotenpunktbeeinflussung Netzbeeinflussung Helligkeitssteuerung Zuflussregelung

18 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Streckenbeeinflussung Automatikprogramme (1 / 2) Geschwindigkeitsbeschränkung auf Grund hoher Belastung Geschwindigkeitsbeschränkung aufgrund von Geschwindigkeitsdifferenzen benachbarter Fahrstreifen Stauwarnung Nebelwarnung Nässewarnung Glättewarnung

19 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Streckenbeeinflussung Automatikprogramme (2 / 2) LKW-Überholverbot auf Grund von Belastung LKW-Überholverbot auf Grund von Nässe LKW-Überholverbot auf Grund von Sichtbehinderung Abstandswarnung Geisterfahrerprogramm Seitenwindprogramm Lärmprogramm

20 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Streckenbeeinflussung Sonderprogramme vordefinierte Maßnahmen, die durch Wahl von Zeit und Ort je nach Bedarf zum Einsatz kommen Einsatzgebiet: Baustellen, Unfall/Panne, Lkw-Kontrolle, sonst. Fahrstreifensperrungen, Grundprogramme Handschaltungen Spezielle manuelle Eingriffe, die nicht vom Steuerungsmodell beeinflusst werden können Schaltung über externe Trigger

21 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Netzbeeinflussung Einsatz verschiedener Algorithmen basierend auf Grenzwertabfragen Geschwindigkeit Belegung Bemessungsverkehrsstärke Verkehrsstärke aktuelle Reisezeit Stausituation auf Basis der Staulängen auf Normal- und Alternativroute Stausituation auf einer definierbaren Menge von Abschnitten Schaltbildgenerierung auf Basis der Ergebnisse der Algorithmen

22 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Netzbeeinflussung Algorithmus Stausituation abschnittsbezogen logische Verknüpfung der Stauindikatoren (SI) der betrachteten Abschnitte ( SI(Abschn. 1)= Stau UND/ODER SI(Abschn. 2)= Stau UND/ODER SI(Abschn. <n>) Stau ) UND/ODER ( SI(Abschn. 1) Stau UND/ODER SI(Abschn. 2) Stau UND/ODER SI(Abschn. <n>)= Stau ) Steuerung der WTA

23 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Anforderungen an die Konfiguration Jedem AQ können ein oder mehrere MQ zugeordnet werden Für jeden verursachenden MQ (Verkehrsdaten, Nässe, Sichtweite) und für jeden Schaltgrund kann ein eigenes resultierendes Schaltbild (Anzeige oder Anzeigenfolge der Schilderbrücken) konfiguriert werden. In jedem Erfassungsintervall wird anhand der aufbereiteten Verkehrs- und Umfelddaten der einzelnen MQ zunächst eine Schaltanforderung für die einzelnen AQ zu ermitteln.

24 Steuerung einer VBA Jedem AQ können ein oder mehrere MQ zugeordnet werden MQ1 NS1 MQ2 AQ2 MQ3 SW1 MQ4

25 Steuerung einer VBA Für jeden verursachenden MQ und für jeden Schaltgrund kann ein eigenes resultierendes Schaltbild konfiguriert werden. MQ Stau NS1 MQ Stau AQ2 MQ Stau SW1 MQ4

26 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Anforderungen an die Konfiguration Bei Verwendung von Kenngrößen, die einer Kurzzeitprognose (Glättung mit Trendextrapolation) unterzogen wurden, kann je Programm und je Messquerschnitt konfiguriert werden, welche der verfügbaren Werte (Ergebnisse aus der trägen, mittleren oder schnellen Trendprognose) zu Grunde gelegt werden sollen. Wenn für ein Automatikprogramm nicht alle benötigten Daten vorliegen (Daten im Zustand nicht ermittelbar ), wird keine Schaltbildanforderung erzeugt.

27 Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen Automatikprogramme Geschwindigkeit Bei der Geschwindigkeitsharmonisierung wird die anzuzeigende zulässige Höchstgeschwindigkeit anhand der für die Messquerschnitte ermittelten Verkehrskenngrößen gewählt. Falls mehrere Messquerschnitte für die Geschwindigkeitsanzeigen eines Anzeigequerschnitts maßgebend sind, ist der Richtungsquerschnitt mit den kritischeren Werten zu wählen.

28 Bemessungsverkehrsstärke Q B Als Bemessungsverkehrsstärke wird die Pkw-Einheiten- Verkehrsstärke herangezogen, die sich nach folgender Formel ergibt: QB(i) := QPkw(i) + [k1 + k2 * (VPkw(i) VLkw(i)] * QLkw(i) Wobei k1 und k2 Parameter darstellen, die im laufenden Betrieb für jeden Messquerschnitt getrennt parametrierbar sein müssen. Für die Grundversorgung der Steuerlogik ist für k1 ein Wert von 2,00 und k2 ein Wert von 0,01 einzustellen.

29 Steuerung einer VBA Bei mehreren MQs für Geschwindigkeitsanzeigen wird der mit den kritischeren Werten wird gewählt MQ NS1 MQ AQ2 MQ SW1 MQ4

30 Automatikprogramm Geschwindigkeit auf Grund hoher Belastung Einschaltbedingungen 120 (QB,P QB 120,ein ) oder (S Kfz (FS) s u,max und q Kfz (FS) q u,max ) 100 (QB,P QB 100,ein ) oder ((VPkw,P V 100,ein ) und (DP D 100,ein )) 80 (QB,P QB 80,ein ) oder ((VPkw,P V 80,ein ) und (DP D 80,ein )) 60 (QB,P QB 60,ein ) oder ((VPkw,P V 60,ein ) und (DP D 60,ein ))

31 Automatikprogramm Geschwindigkeit auf Grund hoher Belastung Ausschaltbedingungen 120 (QB,P < QB 120,aus ) und (S Kfz (FS) < s u,min ) und (q Kfz (FS) < q u,min ) 100 (QB,P < QB 100,aus ) und (VPkw,P > V 100,aus ) und (DP < D 100,aus ) 80 (QB,P < QB 80,aus ) und (VPkw,P > V 80,aus ) und (DP < D 80,aus ) 60 (QB,P < QB 60,aus ) und (VPkw,P > V 60,aus ) und (DP < D 60,aus )

32 Automatikprogramm Geschwindigkeit auf Grund Geschwindigkeitsdifferenzen Bei hohen Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen benachbarten Fahrstreifen steigt bei entsprechend hohen Verkehrsstärken die Gefahr von Störfällen. Dem soll durch eine Anpassung der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten vorgebeugt werden. Als Grundlage für diese Schaltmaßnahme ist zunächst die gewichtete Summe der Geschwindig-keitsdifferenzen der Fahrstreifen zu berechnen: v Delta = j=1 j=n-1 k j * v Kfz,j+1 v Kfz,j

33 Automatikprogramm Geschwindigkeit auf Grund Geschwindigkeitsdifferenzen Einschaltbedingungen (120, 100 oder 80) (Q B Q B, Delta,Ein ) und (v Delta v Delta,Ein ) und (Maximum (v Kfz,1... v Kfz,j ) > v minmax,ein ) und (Minimum (v Kfz,1... v Kfz,j ) < v maxmin,ein ) Ausschaltbedingungen (Q B < Q B, Delta,Aus ) oder (v Delta < v Delta,Aus ) oder (Minimum (v Kfz, 1... v Kfz,,j ) < v maxmin,aus )

34 Automatikprogramm Stauwarnung Belegung Einschaltbedingungen b(j) > b stau,ein und V Kfz,P (i) V b,stau,ein Ausschaltbedingungen b(j) < b stau,aus

35 Automatikprogramm Stauwarnung Prognosegeschwindigkeit Einschaltbedingungen V Kfz,P V stau,ein und Q Kfz Q Kfz,stau und V Pkw,P - V Lkw,P V diff,stau wenn Q Pkw 0 und Q Lkw 0 Ausschaltbedingungen V Kfz (i) V stau,aus

36 Automatikprogramm Stauwarnung Prognosegeschwindigkeit Bei Überschreiten des Grenzwertes Q Kfz,stau,schnell,ein werden automatisch die Ergebnisse der schnellen Trendprognose verwendet Bei Unterschreiten des Grenzwerts Q Kfz,stau,träge,ein werden automatisch die Ergebnisse der trägen Trendprognose verwendet

37 Automatikprogramm Stauwarnung Verkehrsstufe 4 Es liegt Verkehrsstufe 4 vor. k [Kfz/km] v KFZ [km/h]

38 Automatikprogramm Stauwarnung abschnittsbezogene Störfallerkennung Einschaltbedingungen ( Vk diff Vk grenz,ein ) und (Q kfz Q KfzDiffEin ) Ausschaltbedingungen ( Vk diff < V kgrenz, aus ) oder (Q kfz < Q kfzdiffaus ) Vk diff = dfsfdfsdfsf

39 Vk Diff Algorithmus Vor dem Stau Bei Stau MQ i+1 Gemessene Werte: V = 100 km/h Q = Kfz/h MQ i+1 Gemessene Werte: V = 100 km/h Q = Kfz/h vkdiff = 0 vkdiff >> 0 MQ i Gemessene Werte: V = 100 km/h Q = Kfz/h MQ i Gemessene Werte: V = 100 km/h Q = Kfz/h

40 Standardtrichter Stauwarnung AQ (i) AQ (i-1) AQ (i-2) 80 80

41 Automatikprogramm Nebelwarnung Stufe S min,tag,ein S min,tag,aus S min,nacht,ein S min,nacht,aus m 425 m 450 m 500 m m 275 m 300 m 330 m m 145 m 140 m 170 m 4 80 m 95 m 95 m 110 m 5 50 m 60 m 60 m 70 m

42 Standardprogramm Sichtweitenstufe SWS 1 SWS 2 NEBEL SWS 3 NEBEL SWS 4 NEBEL SWS NEBEL

43 Automatikprogramm Nässewarnung NI 0 NI 1 NI 2 NI 3 NI 4 n.v. WFD 0 trocken trocken nass 1 nass 2 nass 2 trocken WFD 1 nass 1 nass 1 nass 2 nass 3 nass 4 nass 1 WFD 2 nass 2 nass 2 nass 2 nass 3 nass 4 nass 2 WFD 3 nass 2 nass 2 nass 3 nass 3 nass 4 nass 3 n.v. trocken nass 1 nass 2 nass 3 nass 4

44 Standardprogramm Nässestufen Nass 1 Nass 2 Nass 2 + MQ Nass 3 Nass 2 + MQ Ein: vpkwp < 70 Aus: vpkwp > 80 AQ (i-1)

45 Standardprogramm Nässestufen Nass MQ Nass 4 Nass 2 oder Nass 3 + MQ Ein: vpkwp < 50 Aus: vpkwp > 60 AQ (i-1) AQ (i-2)

46 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Belastung Als zusätzliche Harmonisierungsmaßnahme wird ab einem bestimmten LKW-Anteil, bezogen auf den Gesamtquerschnitt, und bei hoher Verkehrsbelastung ein Überholverbot für Lkw über 7,5 t angeordnet. Das Überholverbot wird in der Defaultversorgung am zugeordneten Anzeigequerschnitt und am nächsten Anzeigequerschnitt stromabwärts angezeigt werden.

47 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Belastung Einschaltbedingungen (Q B,P Q ÜV,ein ) und (A Lkw A ÜV,ein ) Ausschaltbedingungen (Q B,P Q ÜV,aus ) oder (A Lkw A ÜV,aus )

48 Standardprogramm LKW Überholverbot AQ (i+1) 7,5 t AQ (i) 7,5 t

49 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Nässe Bei Nässestufe 3 oder 4 wird Ab einer vorgegebenen prognostizierten Bemessungsverkehrsstärke Q B,P und prognostizierte richtungsbezogene Lkw-Verkehrsstärke Q Lkw,P anstelle Schleudergefahr ein Überholverbot für Lkw angezeigt. Die Nässewarnung muss in diesem Fall einen Anzeigequerschnitt weiter stromaufwärts verschoben werden.

50 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Belastung Einschaltbedingungen nass 3 oder nass 4 (Q B,P Q B,ÜV,N,ein ) und (Q Lkw,P Q Lkw,P,ein ) Ausschaltbedingungen trocken oder nass 1 oder nass 2 (Q B,P Q B,ÜV,N,aus ) oder (Q Lkw,P Q Lkw,P,aus )

51 Standardprogramm LKW-Überholverbot wegen Nässe AQ (i+1) 7,5 t Nass 3 7,5 t AQ (i-1)

52 Standardprogramm LKW-Überholverbot wegen Nässe AQ (i+1) 7,5 t Nass 4 7,5 t AQ (i-1) AQ (i-2)

53 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Sicht Bei Sichtweitenstufe 4 oder 5 wird Ab einer vorgegebenen prognostizierten Bemessungsverkehrsstärke Q B,P und prognostizierte richtungsbezogene Lkw-Verkehrsstärke Q Lkw,P anstelle Andere Gefahren ein Überholverbot für Lkw angezeigt. Das Gefahrenzeichen ( Andere Gefahren ) muss in diesem Fall einen Anzeigequerschnitt weiter stromaufwärts verschoben werden.

54 Automatikprogramm LKW-Überholverbot wegen Sichtweite Einschaltbedingungen Sicht 4 oder Sicht 5 (Q B,P Q B,ÜV,N,ein ) und (Q Lkw,P Q Lkw,P,ein ) Ausschaltbedingungen Sicht 0 oder Sicht 1 Sicht 2 oder Sicht 3 (Q B,P Q B,ÜV,N,aus ) oder (Q Lkw,P Q Lkw,P,aus ) Anmerkung. Bei Sicht 4 oder 5 wird immer LKW-Überholverbot geschaltet.

55 Standardprogramm Sichtweitenstufe SWS 4 NEBEL SWS NEBEL

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57 Zwei Arten von Verkehrsstrukturen [Kerner, B. S., 2002]

58 Geschwindigkeit v [km/h] Drei-Phasen-Theorie nach Kerner S F S F J S S J Verkehrsdichte k [Kfz/km] [Kerner, B. S. et al., 2005]

59 Drei Phasen des Verkehrs auf Schnellstraßen [Kerner, B. S., 2000]

60 Makroskopisches Modell Initialisierung: Stau bzw. synchronisierter Verkehr muss zunächst an einem MQ erkannt werden Zeitliche und räumliche Verfolgung des Staus, auch dann, wenn sich das Stauobjekt gerade von keinem Sensor erfasst wird Stau charakterisiert durch Konstante Staufront-Geschwindigkeit Konstante Geschwindigkeit im Stau Synchronisierter Verkehr charakterisiert durch Staufront fix an der Engstelle [Kerner, B. S. et al., 2001]

61 Verfolgung und Vorhersage zeitlich-räumlicher Verkehrsmuster mit ASDA/FOTO [Kerner, B. S. et al., 2001]

62 Auswahl der Methode zur dynamischen Verkehrsprognose [Kerner, B. S. et al., 2001]

63 Eingangs- und Ausgangsgrößen der Verfahren ASDA und FOTO Zyklische Messungen der Fahrzeug- Geschwindigkeiten und Verkehrsflüsse mit stationären Detektoren oder anderen Sensoren (FCD, Kameras, etc.) Lkw-Anteil Eingangsgrößen Informationen über die Infrastruktur (Zu-, Abfahrten, Knoten, Anzahl Fahrstreifen, Fahrstreifenaddition, -substraktion) Zur Prognose: Ganglinien der Verkehrsdaten (min. Verkehrsmengen, zur Qualitätssteigerung zusätzlich Fahrzeuggeschwindigkeiten und Lkw- Anteile) [Kerner, B. S. et al., 2001] Ausgangsgrößen Positionen der stromab- und stromaufwärtigen Fronten von sich bewegenden langen Staus und Staulänge und Kurzzeitprognose der Stauposition Positionen der Fronten von Mustern des synchronisierten Verkehrs Positionen von Engstellen im synchronisierten Verkehr Geschwindigkeiten der stromab- und stromaufwärtigen Fronten der sich bewegenden langen Staus Prognose der Abschnitts-Reisezeit Fahrlinien und Verlustzeiten für jedes verkehrliche Objekt und auf der Gesamtstrecke Prognose der Auflösung des Staus oder des synchronisierten Verkehrs

64 Weg/Zeit-Diagramme [Kerner, B. S. et al., 2001]

65 Weg/Zeit-Diagramm A9 Richtung München ( :30 10:30) [Kerner, B. S. et al., 2003]