Entwicklung einer zeitbezogenen Navigation für den Straßenverkehr

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1 Entwicklung einer zeitbezogenen Navigation für den Straßenverkehr AGIP-Forschungsvorhaben F.A.-Nr. 24.8, Projektzeitraum bis Ausgangssituation Stand der Technik im Straßenverkehr sind heute dynamische On- und Off-Board Navigationssysteme, die den Fahrer zum gewünschten Ziel führen. Die Routenwahl erfolgt anhand unterschiedlicher Kriterien. Die Ankunftszeit ergibt sich allerdings abhängig von Abfahrtszeit, Route, Verkehrszustand und Fahrweise. In der Regel weicht die tatsächliche Ankunftszeit von der zu Beginn der Fahrt geplanten Ankunftszeit deutlich ab. Damit gilt der Straßenverkehr im Vergleich zu Luft- und Schienenverkehr als relativ unpünktlich. In vielen Anwendungen im Personen- und im Güterverkehr ist die Pünktlichkeit von großer Bedeutung, insbesondere die Ankunftspünktlichkeit, also eine Übereinstimmung zwischen geplanter und tatsächlicher Ankunftszeit. Im Personenverkehr erfordert der Wechsel auf andere Verkehrsmittel, zum Beispiel vom Auto auf das Flugzeug oder die Bahn, eine hohe Ankunftspünktlichkeit zur Anschlusssicherung. Im Güterverkehr sind es Just in Time Verkehre die eine hohe Ankunftspünktlichkeit voraussetzen. Dabei ist die Pünktlichkeit immer eine Frage der Planung. Zusätzlich sind geeignete Mittel und Maßnahmen notwendig, um Abweichungen vom Plan während der Fahrt auszugleichen. Ziel des Projekts und Durchführung Das Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung einer zeitbezogenen Navigation für den Straßenverkehr, mit der es zukünftig möglich ist Fahrzeuge im Verkehr derart zu führen, dass eine geplante Ankunftszeit eingehalten wird. Neben dem Routenverlauf ist die Geschwindigkeit ein wichtiger Freiheitsgrad, der sowohl vor der Fahrt bei der Routenplanung als auch während der Fahrt bei der Fahrzeugführung gewählt bzw. variiert werden kann. Hierbei sind Begrenzungen der Geschwindigkeit zu berücksichtigen; dies sind z.b. zulässige Geschwindigkeiten, fahrerabhängige Geschwindigkeiten, maximale Geschwindigkeiten aus Leistungsgründen oder Begrenzungen aufgrund des prognostizierten bzw. aktuellen Verkehrszustandes. Im Forschungsprojekt wurden die folgenden Arbeiten durchgeführt: Systematische Untersuchungen mit einer Verkehrssimulation zum Einfluss der Geschwindigkeitswahl auf die Ankunftspünktlichkeit, Überprüfung von konventionellen Routenplanern und Ermittlung realer Geschwindigkeitsprofile anhand von Testfahrten auf zwei Referenzstrecken, Entwicklung eines Algorithmus zur zeitbezogenen Navigation, Implementierung des Algorithmus in die Verkehrssimulation und Überprüfung der Anwendbarkeit der zeitbezogenen Navigation anhand von Simulationsrechnungen, Aufbau eines Experimentalsystems zum Einsatz der zeitbezogenen Navigation im Fahrversuch, Durchführung von Testfahrten auf zwei Referenzstrecken (Salzgitter-Hamburg und Salzgitter Berlin) Integration des Algorithmus in den Fahrsimulator des DLR (Virtual Reality Lab), Entwicklung einer Anzeige und Fahrversuche im Simulator. Projektergebnisse Um eine höhere Pünktlichkeit im Straßenverkehr zu erreichen ist zunächst die Routenplanung für eine Fahrt gegenüber den heutigen Verfahren der Navigationssysteme zu verbessern. Die Grundvoraussetzung für Pünktlichkeit ist eine realistische Planung, die gute Chancen hat entsprechend umgesetzt zu werden. Eine realistische Planung beinhaltet alle Geschwindigkeitsbegrenzungen entlang der Route, die mittleren Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von der 1 von 5

2 Verkehrsdichte zu unterschiedlichen Wochentagen und Tageszeiten sowie die Fahrweise des Fahrers. Der Einfluss von Geschwindigkeitsbegrenzungen wird im Folgenden am Beispiel einer Route von Salzgitter nach Hamburg verdeutlicht. In der Abbildung 1 sind zwei Geschwindigkeitsprofile für die Strecke dargestellt. Durch Baustellen auf der Route ergeben sich zu verschiedenen Zeitpunkten (hier November 25 und Juli 26) auch unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile. In Streckenabschnitten ohne Geschwindigkeitsbegrenzung wurde zur Verdeutlichung dieser Bereiche in der Abbildung eine maximale Geschwindigkeit von 1 km/h gewählt. Auf innerörtlichen Straßen, wo in der Regel eine maximale Geschwindigkeit von 5 km/h erlaubt ist, wurde eine mittlere Geschwindigkeit angenommen, um später realitätsnahe Fahrzeiten zu ermitteln. 1 1 Geschwindigkeit [km/h] 8 2 Juli 26 November Abbildung 1 Geschwindigkeitsprofile zu unterschiedlichen Zeitpunkten Auf Basis dieser Geschwindigkeitsprofile lassen sich die Fahrzeiten für verschiedene maximale Geschwindigkeiten berechnen. Das Ergebnis ist in der Abbildung 2 dargestellt. 132 Fahrzeit [min] 18 5 min Juli 26 November Max. Geschwindigkeit [km/h] Abbildung 2 Fahrzeiten in Abhängigkeit der maximalen Geschwindigkeit Die Abbildung 2 zeigt den Einfluss der maximalen Geschwindigkeit, die in den Streckenabschnitten ohne Geschwindigkeitsbegrenzung gewählt wird, auf die Fahrzeit. Bei einer Geschwindigkeit von km/h, wie sie später auch in den Fahrversuchen vorgegeben wurde, erhält man zusätzliche Unterschiede von 5 min in der Fahrzeit aufgrund der jeweiligen Baustellensituationen. Dies erscheint zunächst gering. In Fahrversuchen traten allerdings auch 2 von 5

3 Unterschiede von bis zu 12 min aufgrund von Geschwindigkeitsbegrenzungen in Baustellen auf. Weiterhin sind für eine realistische Planung Annahmen über die mittleren Geschwindigkeiten bzw. Reisezeiten abhängig von der Tageszeit und dem Wochentag zu treffen. Diese wurden in eigenen Testfahrten für bestimmte Wochentage (Dienstag bis Donnerstag) und ausgewählte Tageszeiten für die Referenzstrecke Salzgitter-Hamburg und im Stadtgebiet von Hamburg ermittelt. Für Berlin verfügt das DLR in den innerstädtischen Bereichen über Verkehrsprognosen in Form von Reisezeiten, die für die Fahrversuche genutzt wurden. Die Verkehrsprognosen stehen einem eingeschränkten Nutzerkreis über das Internet zur Verfügung. Der so genannte Cityrouter liefert nach Eingabe von Start- und Zieladresse, Wochentag und Uhrzeit die Route, die Entfernung und die prognostizierte Fahrzeit. Ebenso lassen sich für eine Route und einen Wochentag Tagesganglinien darstellen. Liegt eine geeignete Planung der oben beschrieben Art vor, stellt sich die Frage nach der Durchführung der Fahrt, so dass das Fahrzeug zur geplanten Zeit sein Ziel erreicht. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Algorithmus für die zeitbezogene Navigation entwickelt. Kontrollpunkte werden entlang einer Fahrtroute bestimmt und mit entsprechenden Ankunftszeiten aus der Routenplanung versehen. Während der Fahrt erfolgt auf dieser Basis zu jedem Zeitpunkt die Berechnung einer optimalen Geschwindigkeit zum pünktlichen Erreichen der Kontrollpunkte. Diese Geschwindigkeit wird dem Fahrer angezeigt. Für Fahrversuche zur zeitbezogenen Navigation wurde ein Experimentalsystem entwickelt, das folgende Aufgaben ermöglicht: Messung und Aufzeichnung von Position, zurückgelegter Strecke und Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Vergleich von aktueller Route und geplanter Route, Darstellung der aktuellen Verspätung, Berechnung einer Geschwindigkeitsempfehlung und Übermittlung der Geschwindigkeit an den Fahrer. Die Ermittlung von Position, zurückgelegter Strecke und Geschwindigkeit erfolgt mittels GPS-Empfänger. Ein Bordrechner dient zur Aufzeichnung der Daten und beinhaltet den Algorithmus zur zeitbezogenen Navigation. In Abbildung 3 ist die grafische Oberfläche des Experimentalsystems dargestellt. Abbildung 3 Grafische Oberfläche des Experimentalsystems Die wichtigen Informationen für den Fahrer befinden sich im linken oberen Bereich der Anzeige: Die aktuelle Geschwindigkeit, die empfohlene Geschwindigkeit und die auf dem Streckenabschnitt gültige Geschwindigkeitsbegrenzung. Der Pfeil dient zusätzlich zur schnellen optischen Erfassung der Geschwindigkeitsempfehlung und weist den Fahrer an zu beschleunigen oder gegebenenfalls zu verzögern (Hinweis: Für spätere Anwendungen in 3 von 5

4 Navigationssystemen kann die Anzeige deutlich vereinfacht werden. Erste Untersuchungen wurden hierzu im Fahrsimulator des DLR, im so genannten HMILab getestet und durch Fahrer bewertet). Für die Durchführung der Fahrversuche zur zeitbezogenen Navigation wurden zwei Geschwindigkeitswerte festgelegt: Die Geschwindigkeit auf Routenabschnitten ohne Geschwindigkeitsbegrenzung mit km/h, dies ist die vom Fahrer bei freier Fahrt geplante Geschwindigkeit, und der Maximalwert für die Geschwindigkeit mit 1 km/h. Beide Werte beeinflussen die Pünktlichkeit insofern, dass damit der Geschwindigkeitsspielraum für den Ausgleich von Verspätungen festgelegt ist. Diese Geschwindigkeiten sind für Pkw und so genannte Sprinter realisierbar. Die durchgeführten Untersuchungen beschränkten sich zunächst auf diese Fahrzeugtypen. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen das Geschwindigkeitsprofil und das Weg-Zeit- Diagramm einer Fahrt mit zeitbezogener Navigation von Salzgitter nach Hamburg ExUm Uhr SZ-HH Geschwindigkeit [km/h] Abbildung 4 Testfahrt Salzgitter-Hamburg mit zeitbezogener Navigation 1 1 ExUm Uhr SZ-HH Plan ExUm Uhr SZ-HH 126 min 125 min Fahrzeit [min] Abbildung 5 Weg-Zeit-Diagramm für Testfahrt Salzgitter-Hamburg Die Kontrollpunkte in dem Weg-Zeit-Diagramm stellen die Planung dar. Das Fahrzeug erreicht das Ziel mit einer Verfrühung von nur 1 min. Auch während der Fahrt ergeben sich keine sichtbaren Abweichungen von der Planung. 4 von 5

5 In weiteren Fahrversuchen nach Hamburg und Berlin konnte gezeigt werden, dass die zeitbezogene Navigation im Straßenverkehr möglich ist und die Pünktlichkeit deutlich verbessert. In allen Testfahrten traten Verspätungen von weniger als 6 min auf. Bei Vergleichsfahrten, in denen ein zweites Fahrzeug mit einem Standard-Navigationssystem zeitgleich fuhr, traten demgegenüber Verspätungen von bis zu 23 min auf. Die Untersuchungen, insbesondere die Vergleichsfahrten mit zwei Fahrzeugen, haben darüber hinaus gezeigt, dass die zeitbezogene Navigation zu einer gleichmäßigeren Fahrweise führt. Sie dürfte damit auch indirekt einen positiven Einfluss auf die Verkehrssicherheit und den Treibstoffverbrauch haben. Der Verbrauch wurde allerdings bisher messtechnisch nicht erfasst. Der Einsatz eines Tempomaten erleichtert die Einhaltung der Geschwindigkeit, hat aber keinen Einfluss auf die Pünktlichkeit. Die zeitbezogene Navigation gleicht ungeplante Verkehrsstörungen zu Beginn der Fahrt besser aus, als ungeplante Verkehrsstörungen kurz vor dem Ziel. Daraus folgt auch, dass die Genauigkeit der Planung in Zielnähe besonders gut sein muss. Die innerstädtischen mittleren Geschwindigkeiten auf Stadtstrassen und Stadtautobahnen am Zielort sind in Abhängigkeit von Wochentag und Tageszeit möglichst genau zu berücksichtigen. Auf Stadtstrassen ist eine Abweichung zwischen Planung und ausgeführter Fahrt durch die zeitbezogene Navigation praktisch nicht mehr zu beeinflussen. Auch die Berücksichtigung der innerstädtischen Verkehrsverhältnisse ist in dem Forschungsprojekt gelungen. Die Berücksichtigung dynamischer Geschwindigkeitsbegrenzungen ist bisher nicht möglich. In den durchgeführten Fahrversuchen wurden aber Verspätungen, die durch dynamische Geschwindigkeitsbegrenzungen hervorgerufen wurden, immer ausgeglichen. Wenn dynamische Begrenzungen einer Regelmäßigkeit unterliegen und prognostizierbar sind, können sie in der Planung berücksichtigt werden. Zukünftig wird die Übertragung einer dynamischen Geschwindigkeitsbegrenzung in das Fahrzeug möglich sein, so dass diese Informationen im Navigationssystem berücksichtigt und zur Anzeige gebracht werden. Weitere Entwicklung und Nutzen Eine erste Weiterentwicklung von Navigationssystemen besteht in der Berücksichtigung von Geschwindigkeitsbegrenzungen und deren Anzeige auf dem Navigationsdisplay. Zusätzlich sollte der Fahrer die Möglichkeit haben, eine von ihm für Autobahnen bevorzugte Geschwindigkeit einzugeben, die er bei freier Fahrt wählen würde. Die Berechnung der Fahrzeiten auf Basis der Geschwindigkeitsbegrenzungen und dieser bevorzugten Geschwindigkeit lässt sich mit geringem Aufwand realisieren und verbessert die geplanten Ankunftszeiten und damit die Pünktlichkeit erheblich. Der nächste konsequente Schritt ist die Integration der zeitbezogenen Navigation in die Navigationssysteme, so dass die Systeme dem Fahrer aktiv eine geeignete Geschwindigkeit empfehlen. Die Kopplung eines zeitbezogenen Navigationssystems mit einem ACC-System (Active Cruise Control, Tempomat mit automatischem Abstandsregler) ist eine sehr interessante weitere Möglichkeit und hat folgenden großen Vorteil: Die Einhaltung der vom Navigationssystem empfohlenen Geschwindigkeit übernimmt das ACC-System und berücksichtigt dabei durch die Anpassung der Geschwindigkeit an ein vorausfahrendes Fahrzeug indirekt die aktuelle lokale Verkehrssituation. Darüber hinaus ließen sich Geschwindigkeitsbegrenzungen im ACC-System berücksichtigen. Der direkte Nutzen der zeitbezogenen Navigation liegt in der Steigerung der Pünktlichkeit im Straßenverkehr. Darüber hinaus haben die Versuche gezeigt, dass der Fahrer entspannter und gleichmäßiger fährt, so dass Sicherheitsgewinne möglich sind und eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs erwartet werden kann. Die zeitbezogene Navigation lässt sich prinzipiell mit geringen Modifikationen und Erweiterungen, wie z.b. der Berücksichtigung von Lenk- bzw. Pausenzeiten, auf schwere Nutzfahrzeuge übertragen. 5 von 5