Methodik der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation 1 Anwendungsbereich Die Beurteilung verkehrstechnischer Details erfolgt auf Basis einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation. Dieses Verfahren ermöglicht überhaupt erst die realitätsnahe Modellierung von Verkehrsabläufen und ist besonders in Grenzbelastungssituationen die heute einzig verlässliche Methode, um zu aussagekräftigen Ergebnissen zu gelangen. Das im Jahr 2001 durch Runderlass zur Anwendung für Aufgaben der Dimensionierung von Straßenverkehrsanlagen eingeführte Handbuch definiert eindeutig die für die Bewertung heranzuziehenden Qualitätskriterien. Die zu sichernde Qualitätsstufe D gewährleistet eine akzeptable Verkehrsqualität und schließt eine Überdimensionierung von Knotenpunkten aus. Die Realisierung einer höherwertigen Qualitätsstufe durch Baumaßnahmen ist möglich, wenn Gründe hierfür vorliegen (z. B. deutliche Verbesserung der Verkehrssicherheit, geringfügige Mehrkosten bei deutlich verbesserter Qualität). Eine Bewertung der ermittelten Kenngrößen erfolgt nach den Qualitätskriterien des Handbuchs für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS) [FGSV 2001]. 2 Vorzüge gegenüber makroskopischen Verfahren (z. B. HBS) Die Ermittlung verkehrstechnischer Kenngrößen auf Basis eines mikroskopischen Verkehrsflussmodells löst eine Reihe von Problemen, die sich bei der Verwendung der HBS-Berechnungsformeln ergeben: Die Wartezeitgleichung kann nicht für koordinierte Lichtsignalzufahrten angewendet werden... (HBS, S. 6-21). Dies gilt natürlich auch für die erforderlichen Stauraumlängen. Unter koordinierten Lichtsignalzufahrten ist hier jede Form des Zusammenspiels zweier LSA zu betrachten. Wenn der gesamte Zufluss eines Knotenarmes auf Rot fährt, ergeben sich höhere Wartezeiten und Rückstaulängen im Vergleich zu den HBS-Ergebnissen. Lässt sich eine Fahrtrichtung voll koordinieren (kein Fahrzeug des Zuflusses erreicht den Knotenpunkt bei rotem Signalbild), so ergeben sich deutlich geringere Stauräume und Wartezeiten. Im Gegensatz zum HBS 2001 wird in der Simulation auch der Einfluss nichtsignalisierter Rechtsabbieger von der Hauptrichtung auf die Geradeausfahrer der Hauptrichtung berücksichtigt. Auch bei der Betrachtung von vorfahrtgeregelten Knotenpunkten ergeben sich Einschränkungen: Die Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens (Wartezeitermittlung d. R.) kann... eingeschränkt sein, wenn sich... in der Nachbarschaft... eine LSA befindet... Die Auswirkung von benachbarten LSA lassen sich... nur mit Hilfe eines geeigneten Simulationsverfahrens beurteilen. (HBS, S. 7-4) Methodik Stand März 2005 1
Es wird deutlich, dass es bei der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation nicht um eine Präzisierung und Verfeinerung der Ergebnisse der im HBS 2001 dokumentierten Algorithmen geht. Durch die Realitätsnähe der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation können sich neue Qualitäten (wie z. B. Verzicht auf LSA) einstellen. 3 Methodischer Hintergund Die mikroskopische Simulation basiert auf dem psycho-physischen Wahrnehmungsmodell von [WIEDEMANN 1974]. Fahrzeugführer beginnen in Abhängigkeit ihrer individuellen Wahrnehmungsschwelle bei der Annäherung an ein langsameres Fahrzeug zu bremsen. Die Geschwindigekeit des Vorausfahrenden wird dann als zu gering eingeschätzt, so dass nach Erreichen einer weiteren Wahrnehmungsschwelle beschleunigt wird. Bremsen und Beschleunigen wechseln so einander ab, wobei sich die einzelnen Fahrer (in Grenzen) unterschiedlich verhalten. Die implementierten Parameter wurden anhand zahlreicher Messungen geeicht. Das Fahrverhalten einer Fahrzeug-Fahrer-Einheit ist bestimmt durch die technische Spezifikation eines Fahrzeuges sowie die Spezifik des Fahrers. Bei der Modellierung der verschiedenen Simulationsläufe werden die Signalzeitenpläne den sich zeigenden Erfordernissen angepasst. Anteil (akk.) 100% i u rt e l ng ve s eit n di gk Wu n s ch g e sc h wi 0 v zul v Die Geschwindigkeit, die in makroskopischen Modellen bzw. bei konventionellen Leistungsfähigkeitsnachweisen zugrunde gelegt wird, berücksichtigt die mittlere Geschwindigkeit, nicht jedoch die tatsächliche Geschwindigkeit jedes einzelnen Fahrzeuges. Hierfür sind folgende Gründe zu nennen: - Die nach Einfahrt in einen neuen Straßenabschnitt angestrebte Geschwindigkeit wird erst nach einem Brems- bzw. Beschleunigungsmanöver erreicht. - Die angestrebte Wunschgeschwindigkeit wird aufgrund von Wechselwirkungen mit anderen Kfz (Behinderungen) oftmals nicht erreicht (Pulkbildung). Methodik Stand März 2005 2
Für die einzelnen Straßenabschnitte und Knotenpunktbereiche wurde die zulässige Höchstgeschwindigkeit von n km/h als Basis für die Wahl der Wunschgeschwindigkeiten angesetzt. Die gegenseitige Beeinflussung der Kfz untereinander (und die sich daraus ergebenen realisierten Geschwindigkeiten) wurden darauf aufbauend simuliert. Für die wird die Software VISSIM (ptv Karlsruhe) eingesetzt. Für die Bewertung von Knotenpunktvarianten werden in Anlehnung an das HBS 2001 [FGSV 2001] die Wartezeiten und Rückstaulängen ausgewertet. Maßgebend für die Ermittlung der Verkehrsqualität sind die mittleren Wartezeiten. Häufige, starke Abweichungen vom Mittelwert können zu Problemen hinsichtlich der Verkehrssicherheit führen. Um den Nachweis für den Ausschluss starker Schwankungen um diesen Mittelwert zu führen, werden die 95-Perzentile der Wartezeiten dargestellt. Für die Bewertung der Verkehrsqualität werden die Qualitätsstufen des Verkehrsablaufes in Anlehnung an das Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS 2001, Köln: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V., 2001) verwendet. 4 Kopplung makroskopisches/mikroskopisches Modell (Umlegung/Verkehrsflusssimulation) Verkehrsmengen in Form von Herkunfts-Ziel-Matrizen stellen eine wesentliche Eingangsgröße der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation dar. In der verkehrsplanerischen Praxis werden diese Daten meist als fix angenommen. Zwischen Angebot (Netz, Widerstände) und Verkehrsnachfrage besteht jedoch eine enge Wechselbeziehung, so dass ein sehr großzügiger Ausbau eines Untersuchungsobjektes zu mehr Verkehr führt als ein weniger qualitätsvoller Ausbau. In der Folge stellen sich Verlagerungswirkungen in größerräumigem Zusammenhang ein. Mit Hilfe einer Kopplung von Umlegungs- und Verkehrsflussmodell wird dieser Zusammenhang realitätsnah modelliert: Die Routenwahl der Verkehrsteilnehmer wird in entscheidendem Maße durch die Widerstände an den Knotenpunkten beeinflusst. Hohe Knotenpunktwiderstände führen zu einer geringen Attraktivität bei der Routenwahl, diese führt wiederum zu einer geringen Belastung des Knotenpunktes und damit zu geringeren Knotenpunktwiderständen. Die Abbildungsgenauigkeit von Knotenpunktwiderständen ist in makroskopischen Umlegungsmodellen bei Kreisverkehren begrenzt. Aus den genannten Gründen ist ein iteratives Vorgehen bei der verkehrstechnischen Bewertung der betrachteten Netzelemente sinnvoll: Methodik Stand März 2005 3
Verkehrsumlegung Verkehrsmodell Fahrtenmatrizen Widerstände Eine Konvergenz ist erreicht, wenn die Unterschiede der Umlegungsergebnisse der Iterationsschritte i und i 1 kleiner sind als die zu definierende Konvergenzschranke. Dies bedeutet, dass zunächst Fahrtenmatrizen aus dem Umlegungsmodell in das Verkehrsflussmodell übertragen werden. Ergebnis des mikroskopischen Verkehrsflussmodells sind u. a. die mittleren Wartezeiten für die einzelnen Abbiegebeziehungen. Diese stellen die Basis einer erneuten Umlegung mit dem makroskopischen Verkehrsmodell dar. Aus den Ergebnissen werden wiederum Fahrtenmatrizen als Grundlage einer weiteren Verkehrsflusssimulation abgeleitet. q [Kfz/h] Konvergenzschranke 100 Kfz Iteration Als Konvergenzschranke wird eine Belastungsänderung von < n Kfz/h, Richtung angesetzt. Ändern sich die Verkehrsbelastungen im i-ten Iterationsschritt der Umlegung um mehr als n Kfz/h, Richtung, so werden aus dem Umlegungsmodell erneut Fahrtenmatrizen erzeugt, die einer i+1ten Simulation zugrunde gelegt. Sind die Belastungsdifferenzen geringer als n Kfz/h, Richtung, so stellen die Ergebnisse der vorangegangenen Simulation das (End-) Ergebnis dar. Methodik Stand März 2005 4
5 Dokumentation und Visualisierung Aus der Simulation des Verkehrsablaufs für das maßgebende Zeitintervall werden die Verkehrskennziffern herausgefiltert und in grafischer sowie tabellarischer Form dokumentiert. Wartezeit [s] Zufahrt/Signalgruppe QSV Rückstau [m] Halte mittl. 95 % mittl. max. Zufahrt A, Geradeausfahrer 1,0 2,8 A 0 0 0 Zufahrt A, Linksabbieger 15,5 17,5 A 4 75 155 Zufahrt B, Rechtsabbieger 27,0 62,5 B 12 100 200 Zufahrt B, Linksabbieger 28,5 64,0 B 5 35 80 Zufahrt C, Geradeausfahrer 14,5 68,0 A 10 140 195 Zufahrt C, Rechtsabbieger 4,5 10,5 A 0 15 3 Momentaufnahmen der Simulation helfen spezifische Verkehrsituationen zu verdeutlichen. Eine Visualisierung des Verkehrsablaufes in Form eines Videoclips kann im Rahmen der Ergebnispräsentation das Verständnis für Problem und Lösungsweg vereinfachen. Methodik Stand März 2005 5
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