Zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr

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1 Zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr Thomas M. Cerbe Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Karl-Scharfenberg-Str Salzgitter Kurzfassung Stand der Technik der Navigation im Straßenverkehr sind heute dynamische Navigationssysteme, die aktuelle Verkehrsinformationen in die Navigation einbeziehen. Hierbei wird unterschieden zwischen sogenannten On-Board-Systemen, die auf Basis einer digitalen Karte im Bordrechner des Fahrzeugs die beste Route bestimmen, und den Off-Board- Systemen, bei denen die Routenberechnung in einer Zentrale erfolgt und die Route an das Fahrzeug übertragen wird. Die Routenoptimierung erfolgt anhand wählbarer Kriterien, wie kürzeste, schnellste oder wirtschaftlichste Route. Der Fahrer wird durch Sprachausgabe und/oder optische Fahranweisungen auf einem Display an sein Ziel geführt. Die Ankunftszeit ist ergebnisoffen und ergibt sich aufgrund von Fahrweise und Verkehrssituation. Für viele Verkehre, nicht nur im gewerblichen Bereich, ist allerdings die Einhaltung der Ankunftszeit ein wichtiges Kriterium. Dies kann mit Hilfe einer zeitbezogenen Navigation erreicht werden, wobei ein Fahrzeug im Straßenverkehr derart geführt wird, dass die vorgegebene Ankunftszeit am Zielort eingehalten wird, also das Fahrzeug Just In Time seinen Zielort erreicht. Neben dem räumlichen Freiheitsgrad, der Route, ist die Geschwindigkeit ein weiterer Freiheitsgrad, der sowohl vor der Fahrt bei der Routenplanung und -optimierung als auch während der Fahrt bei der eigentlichen Fahrzeugführung variiert werden kann. Begrenzungen der Geschwindigkeit durch zulässige Geschwindigkeiten, max. Geschwindigkeiten aus Leistungsgründen und durch den prognostizierten bzw. aktuellen Verkehrszustand sind hierbei zu berücksichtigen. Neben Fragen der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der zeitbezogenen Navigation, wirft die Vorgabe einer variablen Sollgeschwindigkeit als Führungsgröße während der Fahrt eine Reihe von weiteren Fragen bezüglich Sicherheit, Fahrerverhalten, Mensch-Maschine- Schnittstelle, und Fahrerakzeptanz auf. Der Vortrag stellt die Ergebnisse erster Untersuchungen zur zeitbezogenen Navigation vor. Mit Hilfe des Simulationsmodells VISSIM wurden Verkehrssimulationen durchgeführt. VISSIM beinhaltet eine mikroskopische Verkehrssimulation mit einem Fahrzeugfolgemodell nach Wiedemann. Dieses Fahrzeugfolgemodell wurde für ein Einzelfahrzeug modifiziert, so dass die Wunschgeschwindigkeit variabel und in Abhängigkeit von der gewünschten Ankunftszeit gewählt werden kann. Damit wird es möglich, die geplante Ankunftszeit unter bestimmten Randbedingungen exakt einzuhalten. Erste Ergebnisse zeigen, dass bereits ohne eine detaillierte Prognose der Verkehrszustände recht gute Ergebnisse zu erzielen sind. Wesentlichen Einfuß auf die Genauigkeit der Ankunftszeit haben die Abschätzung der erzielbaren Geschwindigkeiten und die vorgehaltene Pufferzeit. Weitere Parameter, wie Beschleunigungsvermögen und max. mögliche Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, haben ebenso Einfluß auf die Ankunftszeit.

2 FH Braunschweig / Wolfenbüttel 1. Problemstellung und Motivation Zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr Prof. Dr.-Ing. Thomas M. Cerbe Pünktlichkeit ist ein wesentliches Kriterium der Verkehrsqualität sowohl im Personen- als auch im Güterverkehr. Hinsichtlich der Pünktlichkeit schneidet der Straßenverkehr im Vergleich zum Luft- und Schienenverkehr schlecht ab. Ursachen hierfür sind: Zahlreiche, z.t. unvorhersehbare Ereignisse und Einflüsse, Keine flächendeckenden Verkehrsinformationen, Bisher keine zuverlässige Verkehrsprognose, Keine oder unzureichende Routenplanung, Keine Unterstützung während der Fahrt in Bezug auf Pünktlichkeit. FH Braunschweig DGON /- Wolfenbüttel Symposium POSNAV 23 am 18. und 19. März 23, Prof. Dresden Dr. Thomas M. Cerbe 1 von 26 3 von 26 Gliederung 1. Problemstellung und Motivation Wie sieht heute eine Fahrt mit dem Pkw oder Lkw aus? 1. Problemstellung und Motivation 2. Prinzip der zeitbezogenen Navigation 3. Verkehrssimulation mit VISSIM 4. Referenzstrecke 6. Erste Fahrversuche 7. Weiteres Vorgehen und Ausblick 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. 2 von 26 4 von 26

3 1. Problemstellung und Motivation 2. Prinzip der zeitbezogenen Navigation Voraussetzung für eine zeitbezogene Navigation ist die Planung realistischer Fahrzeiten und realistischer Geschwindigkeitsprofile. Das Ziel: Im Straßenverkehr eine Übereinstimmung von geplanter und tatsächlicher Ankunftszeit zu ermöglichen, und zwar mit Hilfe einer zeitbezogenen Navigation. Beispiel: Geplantes (idealisiertes) Geschwindigkeitsprofil Geschwindigkeit Auf diese Weise wird der Straßenverkehr planbarer, pünktlicher, attraktiver und sicherer. Mittlere Geschwindigkeit Das Ziel geht konform mit einem starken Trend zur weiteren Automatisierung bzw. Unterstützung des Fahrers durch Fahrerassistenzsysteme. Autobahn Landstraße Wegstrecke Routenplaner und Navigationssysteme liefern Geschwindigkeitsprofile. 5 von 26 7 von Prinzip der zeitbezogenen Navigation 2. Prinzip der zeitbezogenen 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. Das geplante Geschwindigkeitsprofil wird in der Realität nicht eingehalten. Vergleich: Geplantes / Realisiertes Geschwindigkeitsprofil Geschwindigkeit Ankunftszeit = Geplante Ankunftszeit V = V Vorgabe Ziel Autobahn Landstraße Wegstrecke Start Aufgrund von Geschwindigkeitsabweichungen kommt es zu einer Verspätung. 6 von 26 8 von 26

4 2. Prinzip der zeitbezogenen Navigation 3. Verkehrssimulation mit VISSIM Ausgleich der Zeitverluste durch höhere Geschwindigkeiten in Bereichen der Wegstrecke, wo es die Verkehrssituation erlaubt. Vergleich: Geplantes / Zeitbezogenes Geschwindigkeitsprofil (Idealisiert) Geschwindigkeit An dem Simulationsmodell VISSIM wurden geringfügige Modifikationen vorgenommen: Einführung einer individuelle Steuerung für ein Einzelfahrzeug Berechnung einer optimalen Wunschgeschwindigkeit S Streckenlänge T Fahrzeit Autobahn Landstraße V Wunsch = (S-s) / (T-t) Ziel Wegstrecke Das Fahrzeug erreicht wie geplant pünktlich sein Ziel. Start t, V(t), s(t) 9 von von Verkehrssimulation mit VISSIM 4. Referenzstrecke Für die Untersuchungen wird das Simulationsmodell VISSIM 3.6 verwendet: Mikroskopische, zeitschrittorientierte und verhaltensbasierte Simulation Nachbildung von - 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 Erzeugung einer Referenzstrecke in VISSIM: Länge 3 km Gerade Strecke ohne Kurven und Steigungen Überwiegend 2-spurig Kurze 1-spurige Streckenabschnitte Baustellen durch sogenannte Langsamfahrbereiche Zufahrten in größeren Abständen Keine Ausfahrten VISSIM 3.6 ist ein Softwaresystem der Firma PTV AG 1 von von 26

5 4. Referenzstrecke Streckenabschnitt als Beispiel: Die letzten 74 km einer 3 km - Strecke Geschwindigkeitsprofil (Ohne zeitbezogene Navigation) Stau 13 von von Referenzstrecke Darstellung der Fahrzeuge in einem Streckenabschnitt Geschwindigkeitsprofil (Streckenausschnitt 1. Stau) 15 Pkw Einzelfahrzeug Pkw Fahrzeugtypen Lkw bzw.. Busse Fahrzeugklasse und Fahrzeugtypen unterscheiden sich hinsichtlich: Beschleunigungs- und Verzögerungsvermögen Wunschgeschwindigkeit Stau 14 von von 26

6 4, Weg-Zeit-Diagramm (Ohne zeitbezogene Navigation) 4, Weg-Zeit-Diagramm (Ohne / mit zeitbezogener Navigation) 3, Verspätung: 39 min Geplante Ankunftszeit 3, Zeit T [h] 2, Zeit T [h] 2, 1, 1,, , von von Geschwindigkeitsprofil (Ohne / mit zeitbezogener Navigation) Das Problem der bisherigen Vorgehensweise ist die ansteigende Geschwindigkeit gegen Ende Geschwindigkeitsprofil der Fahrt von 26 2 von 26

7 6. Erste Fahrversuche Strategie 1: Höhere Wunschgeschwindigkeit zu Beginn der Fahrt. Dies führt zu Zeitgewinnen gegenüber dem geplanten Fahrtverlauf. 2,2 2, Testfahrt am Salzgitter nach Hamburg (GPS Daten) Geschwindigkeit km/h 1,8 Strategie 2: Entstehende Zeitverluste werden so schnell wie möglich ausgeglichen. 1,6 1,4 Vergleich von tatsächlichem und geplantem Fahrtverlauf an Wegpunkten. Strategie 3: Wie Strategie 2, plus zukünftige Zeitverluste werden ausgeglichen. Vergleich von tatsächlichem und geplantem Fahrtverlauf an Wegpunkten. Die zukünftigen Zeitverluste müssen bekannt sein (Verkehrsprognose). Zeit T [h] 1,2 1,,8,6,4,2, von von Erste Fahrversuche 7. Weiteres Vorgehen und Ausblick 2 Testfahrt am Salzgitter nach Hamburg (GPS Daten) 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 von von 26

8 7. Weiteres Vorgehen und Ausblick Ausblick: 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. 25 von 26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! DGON - Symposium POSNAV 23 am 18. und 19. März 23, Dresden 26 von 26