Vorlesung Verkehrsmanagement WS 2015 / 16. V6 Lichtsignalsteuerung und städtisches VM

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1 Vorlesung Verkehrsmanagement WS 2015 / 16 V6 Lichtsignalsteuerung und städtisches VM

2 Lichtsignalsteuerung

3 Lichtsignalsteuerung - Gesetzliche Grundlagen und Richtlinien StVO: Straßenverkehrsordnung gibt Vorschriften für Verkehrsteilnehmer RiLSA: Richtlinien für Lichtsignalanlagen Verkehrstechnische Bestimmungen für Einrichtung und Betrieb von LSA RAS-K-1: Richtlinien für die Anlage von Straßen Teil: Plangleiche Knotenpunkte HBS: Handbuch für die Bemessung von Straßen verkehrstechnische Bemessung von LSA VwV-StVO: Verwaltungsvorschrift zur StVO Vorschriften für Einrichtung und Betrieb DIN VDE 0832: Elektrotechnische Standards und Vorschriften für Straßenverkehrslichtsignalanlagen BO-Strab: Straßenbahn Bau- und Betriebsordnung Kreuzung mit SPNV

4 Einsatzkriterien von LSA Verkehrssicherheit Schutz nicht-motorisierter Verkehrsteilnehmer Unfallhäufung (Vorfahrt, Knoteneinsicht, Geschwindigkeit, ) Qualität des Verkehrsablaufs Reduktion von Wartezeiten für nachgeordnete Verkehre Kapazitätserhöhung für nachgeordnete Verkehre Kontinuität im Rahmen Grüner Wellen Lichtsignalanlagen sind das wichtigste und effizienteste Instrumentarium in der städtischen Verkehrstseuerung!

5 Einsatzkriterien von LSA Sonderanwendungen Pförtnern (Schutz vor Überlastung von Netzbereichen, Busschleusen/Abschnittsfreischaltung, Stauverlagerung) Zuflussregelung (Schnellstraßen) Störungsmanagement (Zufluss-/Abflussregelung) Richtungswechselbetrieb [Busch et. et al., 2014] Lichtsignalanlagen sind das wichtigste und effizienteste Instrumentarium in der städtischen Verkehrssteuerung!

6 Einsatzbereiche der LSA-Steuerung Lokale Auslastung, ÖPNV, Fußgänger,... Punktsteuerung Liniensteuerung Grüne Welle, Staumanagement,.. Netz-Auslastung, Stadtfahrplan, Störungsmanagement,... Netzsteuerung [Busch et. et al., 2014]

7 Herkömmliche Steuerung vs. adaptive Steuerung Jede Kreuzung steht sich für allein: Knotenpunkte wissen nichts voneinander Statische Koordinierung durch Hand-geplante Grüne Wellen Verkehrsabhängige Anpassungen nur an der Kreuzung Keine Reaktion auf wechselnden Verkehr im Netz [GEVAS software 2012]

8 Herkömmliche Steuerung vs. adaptive Steuerung Adaptive Steuerung beachtet den Netzzusammenhang: Dynamische Grüne Welle ohne weiteren Planungsaufwand Berechnet Rahmenparameter für die lokalen Steuerungen, welche ansonsten voll erhalten bleiben [GEVAS software 2012]

9 Begriffe, Definitionen Die Planung eines LSA-gesteuerten Knotenpunktes liefert als wesentliches Endergebnis ein sog. Signalprogramm Darstellung für Festzeitsteuerungen: als Signalzeitenplan Darstellung für verkehrsabhängige Steuerungen : als Kombination aus einem sog. Rahmensignalzeitenplan und Flussdiagramm [Busch et. et al., 2014]

10 Begriffe, Definitionen Signalzeitenplan: Stellt den zeitlichen Ablauf der Signalisierungszustände aller Signalgruppen eines Knotenpunktes grafisch dar. Zeitpunkte für Einschalten Ausschalten Umschalten [Busch et. et al., 2014]

11 Qualitätsbewertung einer LSA-Steuerung Festgelegt im Handbuch zur Bemessung von Straßen (HBS) übliche Kenngrößen: Wartezeit Anzahl der Fahrzeuge im Stau Anzahl der Haltevorgänge oder der Durchfahrten Sättigungsgrad Anteil überlasteter Umläufe [Busch et. et al., 2014]

12 Arbeitsschritte bei der Bemessung einer LSA Festgelegt in den RILSA und dem HBS 1. Analyse der Knotenpunktgeometrie 2. Festlegung der Phaseneinteilung 3. Ermittlung von 1. Zwischenzeiten (Räum-/Einfahrweg, Überfahr-/Räum-/Einfahrzeit) 2. Sättigungsverkehrsstärke (Zeitbedarfswert, Korrekturfaktoren) 3. Maßgebender Verkehrsstärke (welcher Verkehrsstrom? Fahrstreifenanzahl?) 4. Wartezeitoptimierter Umlaufzeit 5. Erforderlicher Freigabezeit (Mindestfreigabezeit) 6. Verfügbarer Freigabezeit 7. Kapazität 8. Sättigungsgrad 4. Qualitätsnachweis 5. Aufstellung des Signalplans [Busch et. et al., 2014]

13 Koordinierung von Lichtsignalanlagen Unter Koordinierung von Lichtsignalanlagen versteht man die Abstimmung der Signalzeiten mehrerer Knotenpunkte eines Netzes aufeinander, so dass bestimmte Zielsetzungen erreicht werden. Der einfachste Fall: Grüne Welle. [Busch et. et al., 2014]

14 Koordinierung von LSA Grüne Welle Prinzip: Die LSA laufen in einer auf die Abstände zwischen den Knotenpunkten optimierten Versatzzeit. Dies bedeutet, dass der Großteil der Fahrzeuge ohne Halt die Knotenpunkte befahren können. Ziele: Verringerung der Wartezeiten Verringerung der Halte Erhöhung der Reisegeschwindigkeit Lärmminderungen Reduzierung der Schadstoffemissionen Reduzierung der Unfallgefahr Verbesserung des Fahrkomforts [Busch et. et al., 2014]

15 Bedingungen zur Einrichtung einer Grünen Welle Knotenpunktabstände < 750 m, da sonst Auflösung des Fahrzeugpulks (günstig 500 m), idealer Weise im Teilpunktabstand Gleiche Umlaufdauer an allen in die Koordinierung eingebundenen Knotenpunkten Progressionsgeschwindigkeit 0,85*V zul bis V zul Der Sättigungsgrad der zu koordinierenden Verkehrsströme soll 0,85 sein, für die übrigen Verkehre 0,90 etwa gleichmäßiger Abstand der Knotenpunkte untereinander je Richtung mehr als ein Fahrstreifen für den durchgehenden Verkehr Abbiegestreifen für Linksabbieger Ruhenden Verkehr im Fahrbahnbereich weitgehend einschränken (z.b. Halteverbot Uhr) [Busch et. et al., 2014]

16 Vorgehen zur Berechnung einer Grünen Welle 1. Festlegung der zu koordinierenden Knotenpunkte 2. Überprüfung der Randbedingungen 3. Ermittlung der erforderlichen Umlaufzeiten aller Knotenpunkte 4. Wahl der gemeinsamen Umlaufzeit 5. Berechnung der Signalpläne für alle Knotenpunkte 6. "Optimierung" von Progressionsgeschwindigkeit und Umlaufzeit mit Hilfe der Grundgleichung 7. Ggf. Anpassung der Signalzeiten (falls Umlaufzeit geändert) 8. Ermittlung der Versatzzeiten 9. Überprüfung der Qualität des Verkehrsablaufs [Busch et. et al., 2014]

17 Zeit Darstellung von Grünen Wellen als Zeit-Weg-Bänder Umlaufzeit [Busch et. et al., 2014] Weg

18 Berechnung der Grünen Welle Grundgleichung beschreibt Zusammenhang zwischen Teilpunktabstand, Umlaufzeit, Progressionsgeschwindigkeiten: l TP bei gleichen Progressionsgeschwindigkeiten: l TP t U 1 2 t ( V1 V2 ) /(3,6( V1 V2 )) U ( V P / 3,6) Ideale Grüne Welle nur dann, wenn Teilpunktabstand eingehalten wird! Kann Teilpunktabstand nicht eingehalten werden, so wird die stärker belastete Richtung bevorzugt. [Busch et. et al., 2014]

19 Zeit Darstellung von Grünen Wellen als Zeit-Weg-Bänder [Busch et. et al., 2014] [Busch et. et al., 2014] Weg

20 Koordinierung von LSA Grüne Welle Qualitätsbewertung Wirksamkeit der Koordinierung wird über Zählung der durchfahrenden und haltenden Fahrzeuge erreicht: D q D q D q 100[%] Zur praktischen Ermittlung sind Mindestens 5 Messfahrten durchzuführen! H QSV A B C D Prozentsatz der Durchfahrten ohne Halt [%] E 50* F <50* * Koordinierung unwirksam [Busch et. et al., 2014]

21 Koordinierung von LSA in einer Masche Vorgehen Hauptrichtungen ermitteln Rangfolge der Linienkoordinierungen ermitteln (Kriterien: q, Funktion der Streckenzüge, Ausbauzustand, Streckenlänge) Berechnen der Linienkoordinierungen Verknüpfung der Linienkoordinierungen zu einer Masche ggf. Anpassung der Progressionsgeschwindigkeit entsprechend der Rangfolge Ggf. Zuweisung nicht vermeidbarer Wartezeit an den schwächsten Strom [Busch et. et al., 2014]

22 Verkehrsabhängige LSA-Steuerung Verkehrsverhältnisse verändern sich langfristig (Saison, Tagesart, Uhrzeit) kurzfristig (Zufall, Fußgänger, ÖPNV) großräumig (Straßenzüge, Netze) lokal (Knotenpunkt) deshalb: verkehrsabhängige Steuerung der LSA netzorientiert knotenpunktorientiert Beeinflussbare Steuerungsgrößen: Umlaufzeit (Cycle) Versatzzeit (Offset) Phasenfolge Phasenanzahl Grünzeitaufteilung (Split) [Busch et. et al., 2014]

23 Verkehrsabhängige LSA-Steuerung Steuerungsverfahren statisch dynamisch zeitabhängig verkehrsabhängig Signalprogramm- Auswahl Signalprogramm- Modifikation Signalprogramm- Bildung modellbasiert oder regelbasiert [Busch et. et al., 2014]

24 Verkehrsabhängige LSA-Steuerung Steuerungssystem Strategische Ebene Taktische Ebene Operative Ebene Mikro- Makro- Steuerung Datenerfassung Signalisierung Ziele der Handlungsebenen: Verkehrsablauf strategische Ebene: Anpassung des Verkehrs an Netzstruktur und VM taktische Ebene: Anpassung der Steuerung an die Variation des Verkehrs operative Ebene: Anpassung an kurzfristige Verkehrsschwankungen (Anfordern gesperrter Ströme, Bemessen freigegebener Ströme) [Busch et. et al., 2014]

25 Verkehrsabhängige LSA-Steuerung Makrosteuerung: längerfristige Gültigkeit (15 min.. Tagesbereiche) (teil-)netzorientiert Strategie, Aktion Auswahl von Signalprogrammen oder Verfahrensparametern regel- und modellbasierte Methoden Mikrosteuerung mittel- und kurzfristig (<15 min.. Umlauf.. Sekunde) Teilnetz / Streckenzug, Knotenpunkt Taktik, operative Reaktion Modifikation und Bildung von Signalprogrammen überwiegend regelbasierte Methoden [Busch et. et al., 2014]

26 Steuerung: Phase oder Signalgruppe oder Verkehrsstrom? Signalgruppensteuerung jede einzelne Signalgruppe wird individuell gesteuert + höchstmögliche Flexibilität der Steuerung + bestmögliche Anpassung an Variabilität des Verkehrs Verkehrsstromsteuerung Steuerung bestimmter Verkehrsteilnehmergruppen (Kfz, Bus,..) + optimale Anpassung an Bedürfnisse einzelner Verkehrsströme Phasensteuerung nur zu Phasen gruppierte Signalgruppen werden gesteuert + übersichtliche Abläufe der Steuerung + leichte Planbarkeit der Steuerung + nur vorab definierte Signalisierungszustände treten auf In der Praxis setzt sich zunehmend die Phasensteuerung durch [Busch et. et al., 2014]

27 Steuerung: regelbasiert oder modellbasiert? Steuerungsverfahren statisch dynamisch zeitabhängig verkehrsabhängig Signalprogramm- Auswahl Signalprogramm- Modifikation Signalprogramm- Bildung modellbasiert oder regelbasiert Regelbasierte Steuerung stufenweiser Vergleich von Verkehrskenngrößen mit vordefinierten zeitlichen und logischen Bedingungen hauptsächlich für lokale Steuerungen am Knotenpunkt Modellbasierte Steuerung Zwischenschaltung eines Verkehrsmodells sowie Optimierung von Zielgrößen hauptsächlich für adaptive Netzsteuerungen [Busch et. et al., 2014]

28 Steuerung: regelbasiert oder modellbasiert? Regelbasierte Steuerung stufenweiser Vergleich von Verkehrskenngrößen mit vordefinierten Bedingungen Unterscheidung in freie Programmierung: Formulierung mit Hilfssprachen Teil-Standardisierung: Grundlogik und/oder Grundfunktionen festgelegt Voll-Standardisierung: Verhalten wird nur durch Parameter festgelegt [Busch et. et al., 2014]

29 Erfassung ÖV / IV Steuerung: regelbasiert Situationsbestimmung Verknüpfung von - Messdaten (Verkehr, Umwelt) - Zeit (Kalendertag, Tageszeit) - ggf. Betriebsdaten (Störungen) Parameter Schwellenwerte Entscheidung (1) Steuerungsanpassung erforderlich? (Schwellenwerte) (2) Auswahl aus Handlungsalternativen (SP, t U, t V, ) Schaltbefehle [Busch et. et al., 2014]

30 Steuerung: regelbasiert oder modellbasiert? Erfassung ÖV/IV Auswertung Entscheidung Logische Bedingung Zeitliche Bedingung Zustandsbedingung Erfassung ÖV/IV Verkehrsnachfragemodell Zustandsanalyse und Prognose Signalprogramm Verkehrsflussmodell Optimierung Steuerungsmodell Verkehrswirkungsmodell Schaltbefehle überwiegend eingesetzt für lokale Steuerungen Schaltbefehle überwiegend eingesetzt für Netzsteuerungen [Busch et. et al., 2014]

31 Netzorientierte LSA-Steuerungsverfahren - Überblick Verfahren seit Systemarchitektur Installationen PLIDENT (Miller, Holroyd) 1963 Online England (F&E-Prototyp) TRANSYT (Robertson) 1969 Offline Planungs-Tool USA, England OPAC (Gartner) 1979 Online, zentral / dezentral Arlington, Tucson (USA) TASS 1980 Online, zentral weltweit SCOOT (Hunt, et al.) 1981 Online, zentral weltweit SCATS (Lowrie) 1982 Online, zentral / dezentral weltweit, Schwerpunkt Asien PRODYN (Henry et al.) 1983 Online, dezentral Frankreich UTOPIA (Donati et al.) 1987 Online, zentral / dezentral Italien, Europa SIGMA (Garben et al.) 1988 Offline Planungs-Tool Deutschland MONARC 1990 Online, zentral USA ADONIS (Busch et al.) 1990 Online, dezentral Deutschland (F&E-Prototyp) MOTION (Busch et al.) 1993 Online, zentral / dezentral Deutschland, Europa RHODES (Head et al.) 1994 Online, zentral / dezentral USA BALANCE (Friedrich et al.) 1994 Online, zentral / dezentral Deutschland, England TRACON, TRASSIS 1995 Online Deutschland GERTRUDE 1995 Online Frankreich, Portugal TUC (Diakaki et al.) 1999 Online, zentral / dezentral Griechenland ADAPT2 (Zackor et al.) 2001 Online, dezentral Deutschland (F&E-Prototyp) LAATCS 2001 Online, zentral / dezent USA LISA / ADANTES 2002 Offline Deutschland (F&E-Prototyp) GALOP (Braun, Weichenmeier) 2005 Offline (Weiterentwicklung zu online) Deutschland (F&E-Prototyp) MOTION 4 (Mück) 2007 Online (neues Verkehrsmodell) weltweit [Busch et. et al., 2014]

32 ÖPNV-Priorisierung an LSA

33 Historie 1980: Erste beschleunigte Straßenbahnlinie in Deutschland: Krefeld Uerdingen Linie : Erste Busbeschleunigung Solingen ca. 1985: Gemeinde-Verkehrs- Förderungs-Gesetz GVFG 1987: Erste Schnellbahn in der Stadt Darmstadt Schnelle : Erste beschleunigte Straßenbahnlinie in München Linie 20 ab 1995 bis heute: Beschleunigungsprogramme für Straßenbahn und Bus in allen Städten ab Einwohner [Quelle: GEVAS software]

34 München - Straßenbahn-Linie Lichtsignalanlagen Reisezeit vorher: 54 Minuten Reisezeit nachher: 45 Minuten minus 17% [Quelle: GEVAS software]

35 Resultate in München Vorteile für die Verkehrsbetriebe: 4 Straßenbahnzüge weniger im Umlauf weniger neue Straßenbahnzüge notwendig im Austauschprogramm Vorteile für die Fahrgäste: Wesentlich verkürzte Reisezeiten Attraktivitätsgewinn und Anschlusssicherung Lichtsignaltechnik: Verlustzeit je Straßenbahn an LSA: durchschnittlich 1 sec [Quelle: GEVAS software]

36 Technische Realisierung Bevorrechtigung des ÖV-Fahrzeuges: Zentrale oder dezentrale Lösung? Prognose des Fahrtverlaufs Verkehrsrechner Stadt Berechnungsmodul Verkehrs- management- System Schnittstelle RBL VMZ Zentrale Lösung Betriebs- Leitsystem RBL Übermittlung von An-/Abmeldungen an die VLSA ÖV-Position an RBL Haltelinie [Quelle: GEVAS software]

37 Technische Realisierung Dezentrale Lösung Verkehrsrechner Stadt Dezentrale Lösung Zentrale Qualitätssicherung Übermittlung von An-/Abmeldungen an die VLSA Haltelinie Abmeldung Hauptanmeldung Voranmeldung [Quelle: GEVAS software]

38 Lichtsignalsteuerung adaptive Netzsteuerung BALANCE SCOOT

39 Grundsätzlicher Aufbau einer adaptiven Netzsteuerung [Quelle: GEVAS software]

40 Verkehrs- und Wirkungsmodelle 1. Quelle-Ziel-Schätzung 3. Warteschlangenmodell Wer fährt von wo nach wo auf welchem Weg? 2. Verkehrsflussmodell q(t) t = 0 Segment 1 Segment 2 Segment 3 T Messung D1 vertical queue Messung D2 Prognose Nachbar-LSA T1 T2 t D1 Wie fließt der Verkehr durchs Netz? D2 Was passiert an der Signalanlage? cf. Hunt, Robertson et.al. (SCOOT)

41 Steuerungsmodell: Grünzeitmodifikation Erlaubnisbereich für die lokale Steuerung Grünzeitmodifikation T1 T2 T3 T4 T5 T6 Phasenübergang 4-1 Phase 1 Phasenübergang 1-2 Phase 2 Phasenübergang 2-4 Phase 4 K1 K2 K3 K4

42 Optimierung: Problemstellung Die netzweite Optimierung der Grünen Wellen ist sehr komplex analytisch nicht lösbar Lösungsraum Wartezeitsumme Der Lösungsraum enthält zahlreiche lokale Optima ( Gipfel ). Versatzzeit j Versatzzeit i [Quelle: GEVAS software]

43 Optimierung: Problemstellung Gipfel [Quelle: GEVAS software]

44 Idee: Genetischer Algorithmus Trial and Error -Suchverfahren, das den biologischen Evolutionsprozess nachahmt Gute Signalschaltungen pflanzen sich fort, schlechte sterben aus Schnelles Durchsuchen großer Lösungsräume (z.b ) Funktioniert auch bei unschönen Lösungsräumen Falle des lokales Optimums wird vermieden Globales Optimum wird gut angenähert [Quelle: GEVAS software]

45 Prinzip des Genetischen Algorithmus Erste Generation [Quelle: GEVAS software]

46 Prinzip des Genetischen Algorithmus Zweite Generation [Quelle: GEVAS software]

47 Prinzip des Genetischen Algorithmus Dritte Generation [Quelle: GEVAS software]

48 Prinzip des Genetischen Algorithmus BESTE LÖSUNG Vierte Generation [Quelle: GEVAS software]

49 Fitness: Verbesserung der Wartezeiten Fitnessentwicklung (GALOP) Beste Fitness Mittlere Fitness Standardabweichung Fitness Generation [Quelle: GEVAS software]

50 Systemaufbau Verkehrsrechner mit BALANCE Messdaten Optimierte Steuerungsparameter Detektoren (20-60m vor der Haltelinie) [Quelle: GEVAS software]

51 SCOOT = Split, Cycle and Offset Optimization Technique Green Split Start of Cycle Start of Cycle Time now Offset Time now Split Freigabezeit für jede signalisierte Zufahrt Cycle Umlaufzeit Offset Versatzzeit [Busch et. et al., 2014]

52 SCOOT Detektorlage Standardkonfiguration ein Detektor pro Verkehrsstrom alle Zuflüsse Zählung und Belegung [Busch et. et al., 2014]

53 SCOOT Verkehrsmodell für die Optimierung verwendete Maße: Stop Line Flow Rate CONGESTION (Stau): als Maß dient der mittlere Belegungsgrad DELAY (Wartezeitsumme) STOPS (Anzahl Halte) Red time Green time Cruise speed + Dispersion Saturation flow rate Cyclic Flow Profile [Busch et. et al., 2014]

54 Netzsteuerungen: Einsatzbereiche FZS: Festzeitsteuerung LRS: Lokale regelbasierte Steuerung LMS: Lokale Modelbasierte Steuerung NRS: Netzweite regelbasierte Steuerung NMSA: Netzweite modellbasierte Signalprogramm Auswahl NMS: Netzweite modellbasierte Steuerung [AMONES, 2010]

55 Aktuelle Diskussion 'Grüne Welle Netzoptimierung' Grüne Wellen optimieren den Verkehrsfluss auf ausgewählten Strecken des Netzes ein vordefiniertes, strategisches Hauptstraßennetz kann so bevorzugt werden ('Stadtfahrplan') die Verkehre der übrigen Straßen erleiden Nachteile, unabhängig von ihrer aktuellen Stärke Netzorientierte Verfahren optimieren den Verkehrsfluss in einem definierten (Teil-)Netz für das Netz wird ein Gesamt-Optimum erreicht die jeweils dominierenden Verkehrsbeziehungen werden bevorzugt die Struktur des bevorzugten Netzes ist veränderlich [Busch et. et al., 2014]

56 städtische Verkehrssteuerung und Emissonen

57 EU-Grenzwerte Schadstoff Stickstoffdioxid NO 2 Stickstoffdioxid NO 2 schutzverordnung Mittelungs- Zeitraum Perzentil der SMW Grenzwert [µg/m³] Toleranzmarge Alt Neu lineare Reduzierung über 10 Jahre Kalenderjahr lineare Reduzierung über 10 Jahre Ruß/Partikel Kalenderjahr 10 Partikel PM10 Partikel PM10 Partikel PM10 1 Tag 50 lineare Reduzierung über 5 Jahre Kalenderjahr 40 lineare Reduzierung über 5 Jahre Kalenderjahr 20 lineare Reduzierung über 5 Jahre Zeitpunkt der Einführung Benzol Kalenderjahr In Deutschland: 22. Bundesimmissions- Kohlenmonoxid 8-Stunden Mittel Diskussion über Maßnahmen in Deutschland Dauerhafte oder befristete Fahrverbote für Schwerverkehr Einführung der Rußfilter-Pflicht bei Diesel-Kraftwagen Optimierung der Verkehrssteuerung

58 Quelle: ADAC-Studie zum Nutzen grüner Wellen Zeitersparnis ca. 2,5 min

59 ADAC-Studie zum Nutzen grüner Wellen Quelle: