459 Kooperative Systeme fahrstreifenspezifische Floating-Car-Data-Analyse Stefan KRAMPE und Jörg PFISTER Zusammenfassung Im vorliegenden Beitrag wird ein Verfahren beschrieben, mit dem kooperative Systeme (Car-2-X) hinsichtlich ihrer verkehrlichen Wirkungen analysiert werden können. Kooperative Systeme haben zum Ziel, moderne Kommunikationstechniken für Fahrzeuge und Straßeninfrastruktur aufzubauen, um so Autofahrer besser zu informieren, den Verkehrsfluss zu harmonisieren und die Verkehrssicherheit zu erhöhen. Das BMVIT hat die Studie IMAPKT Indikatoren zur multikriteriellen Parameteranalyse kooperativer Transportsystem in Auftrag gegeben, in der die Wirksamkeit kooperativer Dienste nach den Aspekten Verkehrssicherheit, Effizienz im Sinne des Verkehrsflusses, Klimawirkung (Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen) und Nutzerakzeptanz allgemeingültig ermittelt werden soll. Am Beispiel des Testfeldes Telematik der ASFINAG in Wien wird die Methodik erprobt. Ein Aspekt dabei ist die fahrstreifenspezifische Ermittlung des Fahrverhaltens, auf den im vorliegenden Beitrag näher eingegangen wird. 1 Ausgangslage 1.1 Kooperative Systeme und Dienste Kooperative Systeme haben zum Ziel, moderne Kommunikationstechniken für Fahrzeuge und Straßeninfrastruktur aufzubauen, um so Autofahrer besser zu informieren, den Verkehrsfluss zu harmonisieren und die Verkehrssicherheit zu erhöhen. Eine Effizienzsteigerung soll durch eine ausgeglichene genutzte Infrastruktur erreicht werden. Die Entwicklung konzentriert sich derzeit auf kooperative Systeme, die einzelne Fahrzeuge sowohl untereinander als auch mit den Komponenten der Straßeninfrastruktur (Lichtsignalanlagen, Verkehrszeichen, Streckenstationen,...) kommunizieren lässt. Car-to-Car, Car-to-X sind Schlagworte, hinter denen sich hochkomplexe Technologien verbergen, die in jüngster Vergangenheit erfolgreich in unterschiedlichen EU-Forschungsprojekten (COOPERS, SIMTD, SAFESPOT, CIVIS) erprobt wurden. Weitestgehend unerforscht blieb bislang die Ermittlung der verkehrlichen Wirkungen infolge kooperativer Systeme und der verbesserten Informationen. Strobl, J., Blaschke, T. & Griesebner, G. (Hrsg.) (2012): Angewandte Geoinformatik 2012. Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-520-1.
460 S. Krampe und J. Pfister Abb. 1: Fahrstreifengenauer Warnhinweis mit kooperativen Systeme (PANAGIOTIS) Im Projekt Testfeld Telematik (TT) in Wien erprobt ein Konsortium aus Forschung, Industrie und öffentlichen Unternehmen, wie solche kooperativen Dienste gestaltet und eingesetzt werden müssen, damit sie optimal zu mehr Sicherheit, Effizienz und umweltverträglicher Mobilität im Verkehrsnetz beitragen. Die Federführung im Projekt hat die ASFINAG- Maut Service GmbH. Das Vorhaben wird aus dem Klima-und Energiefonds (KLIEN) gefördert und soll zum ITS-World Congress 2012 in Wien (ITS-2012) der Öffentlichkeit präsentiert werden. Das BMVIT Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie hat sich dazu entschlossen, in einer Begleitstudie die Wirksamkeit kooperativer Dienste nach den Aspekten Verkehrssicherheit, Effizienz im Sinne des Verkehrsflusses, Klimawirkung (Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen) und Nutzerakzeptanz zu untersuchen. Die Untersuchung führt ein international zusammengesetztes Konsortium von Verkehrswissenschaftlern im Projekt IMAPKT Indikatoren zur multikriteriellen Parameteranalyse kooperativer Transportsystem in enger Abstimmung mit den Partnern des Testfeldes Telematik durch. Dazu soll das Fahrverhalten (Beschleunigungen, Verzögerungen, Fahrstreifenwechsel) infolge von Verkehrsinformationen erfasst werden. Grundlage der Auswertungen sind GPS-Positionsdaten, die während der Einzelfahrten gespeichert und anschließend ausgewertet werden. Da durch kooperative Dienste im Testfeld Telematik fahrstreifenbezogene Informationen ins Fahrzeug übertragen werden, sollen in IMPAKT auch fahrstreifenbezogene Analysen mit Einzelfahrzeugerkennungen des Fahrverhaltens durchgeführt werden. Abbildung 1 zeigt das prinzipielle Vorgehen zur Ermittlung des Fahrverhaltens und die beteiligten Projektpartner. Verzögerung (bremsen) infolge Warnung Änderung des Fahrverhaltens infolge Information im Fahrzeug? I MPA KT Benutzerakzeptanz Zielsetzung: Erkennung der Fahrverhaltensänderung infolge kooperativer Dienste: Beschleunigungen Fahrstreifenwechsel gleichförmige Bewegung Analyse Testfeldaten (GPS/FCD/xFCD) Wirkungsanalyse Verkehrsfluss Umweltauswirkungen Wirkungsanalyse Sicherheit Abb. 2: Exemplarische Darstellung des Fahrverhaltens infolge von Informationen im Fahrzeug (links), Vorgehen und Partner zur Verhaltensanalyse (rechts)
Kooperative Systeme fahrstreifenspezifische Floating-Car-Data-Analyse 461 Für die Analyse der fahrstreifengenauen Testfelddaten mit GPS und Floating-Car-Daten haben die Projektpartner TraffiCon/Salzburg und PWP-Systems/Bad Camberg die Federführung. 1.2 Fehlende fahrstreifengenaue Straßengraphen Eine wesentliche Grundlage für die in IMAPKT geplanten Wirkungsermittlungen ist ein fahrstreifengenauer Straßengraph. Das bislang am Markt verfügbare digitale Kartenmaterial von Navteq und Teleatlas bildet auf Autobahnen bislang ein geographisches Objekt je Richtungsfahrbahn ab. Ein Beispiel zeigt Abbildung 3: Abb. 3: Autobahn mit mehreren Fahrstreifen (fehlende fahrstreifengenaue Netzmodellierung) Deutlich ist zu erkennen, dass für jede Richtungsfahrbahn nur ein geographisches Objekt modelliert ist (siehe Pfeile in Abb. 3). Für die im Projekt IMPAKT angestrebte Wirkungsermittlung des Fahrverhaltens (z. B. Fahrstreifenwechselverhalten auf Autobahnen) ist die fahrstreifengenaue Modellierung des Straßennetzes erforderlich. 2 Vorgehen zur Wirkungsermittlung kooperativer Dienste 2.1 Hochgenaue Erfassung einzelner Fahrstreifen In einem ersten Bearbeitungsschritt ist die exakte Lage der Fahrstreifenmittelachsen im betrachten Untersuchungsgebiet zu ermitteln. Hierzu wurden mit dem Versuchsfahrzeug von pwp-systems Messfahrten durchgeführt, dass mittels hochwertiger Ausrüstung eine zuverlässige Ermittlung der gefahrenen Trajektorie mit 100-prozentiger Verfügbarkeit liefert. In das Versuchsfahrzeug wurde ein Zweifrequenzempfänger zur exakten Verarbeitung von GPS-Daten mit Phasenauswertung im Post-Processing-Verfahren integriert, zusammen im einer dreiachsigen, inertialen Navigations-Einheit und einem hochauflösenden, externen Radimpulsgeber. Abb. 4: Concept-Car, Navigations-Ausrüstung zur Vermessung der Fahrstreifen
462 S. Krampe und J. Pfister Während der Radimpulsgeber (Corrsys) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit hoher Güte ermittelt (Auflösung von ca. 2 Millimeter), werden durch eine intertiale Navigationseinheit (INU), wie sie in Abbildung 4 dargestellt ist, alle 6 Freiheitsgrade der kinematischen Bewegung gemäß ihrem physikalischen Prinzip erfasst. Dafür sind in dieser INU 6 unabhängige Sensoren enthalten, welche die zugrunde liegende Beschleunigung und Drehraten in allen 3 Bewegungsachsen messen. Durch dieses Verfahren ist die INU nahezu immun gegen jegliche Störeinflüsse, die von der Umgebung herrühren können. Diese Unempfindlichkeit gegenüber Störungen ermöglicht eine 100-prozentige Verfügbarkeit, da mithilfe dieser Sensordaten die Positionen auch an abgeschatteten Orten, wie Tunneln, sicher ermittelt werden. Die Technologie der Satellitennavigation eröffnet Genauigkeitspotenziale bis in den Zentimeterbereich. Um dieses Leistungspotenzial zur Ermittlung der Referenz-Trajektorie zu nutzen müssen spezielle GPS-Empfänger eingesetzt werden, wie sie für wissenschaftliche Anwendungen verwendet werden. Im Versuchsfahrzeug (siehe Abbildung 4) ist ein geeigneter GPS-Receiver abgebildet. Im Gegensatz dazu sind handelsübliche GPS-Empfänger wie sie in Fahrzeugen zur Navigation zum Einsatz kommen relativ ungenau. Positionsungenauigkeiten von mehr als 10 Meter sind dabei keine Seltenheit, weshalb solche Module nicht für die Ermittlung der Referenz-Trajektorie geeignet sind. Zusammen mit dem Radimpulsgeber und der INU stellt der hochwertige GPS-Empfänger ein essenzielles Werkzeug dar, zur Analyse und Bewertung der Fahrstreifenerfassung mittels kartografischer Verfahren. Streckenbefahrungen mit Referenzeinheiten für alle Fahrstreifen ist aufwendig und kostenintensiv. Alternativ können Luftbilder als Grundlage für die digitale Modellierung genutzt werden. Dabei ist allerdings zu prüfen, ob die Orthophotos genau verortet sind und nur geringe Verzerrungen aufweisen (<1 m). Daher wird empfohlen eine Kombination aus Referenzfahrten und der Digitalisierung mit Luftbildern vorzusehen. Bei den Referenzfahrten mit einer hochgenauen Positionierungseinheit, bei der nur ein Fahrstreifen befahren wird, wird die Genauigkeit der Luftbilder analysiert. Abbildung 5 zeigt Beispiele mit Krümmungen der Orthophotos, aus denen die exakte Lage der Fahrstreifen nicht hervorgeht. 2.2 Modellierung einzelner Fahrstreifen in einem Datenmodell Konnte durch die Referenzmessung ein Fahrstreifen exakt verortet und damit nachgewiesen werden, in welchen Bereichen Orthophotos hinreichend genau sind, können auf dieser Grundlage einzelne Fahrstreifen in einem Datenmodell abgebildet werden (vgl. Abb. 3). Für die Abbildung der Daten wurden ein lokaler OpenStreetMap-Datenserver (OSM-API) eingesetzt. Unter Verwendung von OSM-Technologien wurde der fahrstreifengenaue Straßengraph als auch die Einzelfahrzeugdaten während der Messfahrten im Testfeld Telematik mit folgenden Informationen hinterlegt: Abb. 5: Fahrstreifenfeine Modellierung in Wien (A23) [Orthophoto-Quelle: geoland.at, eigene Netzmodellierung]
Kooperative Systeme fahrstreifenspezifische Floating-Car-Data-Analyse 463 Einzelfahrzeugpositionen (GPS-Tracks / FC-Daten), im Fahrzeug angezeigte Information aus kooperativen Diensten (Nachrichten-ID, Zeitstempel). 2.3 Ermittlung des Fahrverhaltens und des Fahrstreifenwechselverhaltens Durch die Aufzeichnung von Fahrten im Testfeld Telematik mit genauen GPS-Empfängern kann das Fahrverhalten analysiert werden. Dazu werden die Fahrzeug-Daten durch einen neu entwickelten MapMatching-Algorithmus den einzelnen Fahrstreifen zugeordnet. Ein Beispiel einer GPS-Erfassung mit 1 Hz und 10 Hz zeigt (Abb. 6 links) sowie das Ergebnis eines MapMatchings bei einem Fahrstreifenwechsel (Abb. 6 rechts) GPS-Track spurgenauer Straßengraph Fahrstreifenwechsel rechts zugeordnetes nicht matchingfähiger zugeordnetes Tracksegment potenzieller Fahrstreifenwechsel Tracksegment Abb. 6: Ergebnis eines fahrstreifengenauen MapMatchings 2.4 Wirkungsermittlung Zur Wirkungsermittlung kooperativer Dienste auf das Fahrverhalten der Verkehrsteilnehmer werden die Einzelfahrzeugdaten mit den GPS-Positionen (FCD) und den Informationen, die im Fahrzeug in Abhängigkeit der Verkehrssituation angezeigt werden, ausgewertet. Dazu werden alle Daten, wie zuvor beschrieben, einem fahrstreifengenauen Straßengraphen zugeordnet (MapMatching). Zusätzlich ist im Datenmodell hinterlegt, wie lange es von der Anzeige der Verkehrsinformation im Fahrzeug bis zur Verkehrsverhaltensänderung infolge der kooperativen Dienste gedauert hat. Dadurch wird es möglich, Fahrverhaltensänderungen (z. B. Beschleunigungen, Verzögerungen, Fahrstreifenwechsel) in Abhängigkeit der Informationszustände im Fahrzeug zu verorten. Darauf aufbauend werden die Wirkungen kooperativer Dienste aus Einzelfahrzeugbeobachtungen über die Gesamtheit aller Fahrten im Testfeld Telematik statistisch ausgewertet. Das Verfahren wird für Datenerhebungen im Testfeld Telematik im Zeitraum April bis November 2012 angewendet. Zum aktuellen Zeitpunkt (April 2012) kann noch keine Aussage über die Wirkungen kooperativer Systeme und Dienste getroffen werden.
464 S. Krampe und J. Pfister 3 Fazit Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, kooperative Systeme und Dienste durch die Auswertung von Floating-Car-Data und Informationszuständen im Fahrzeug hinsichtlich ihrer Wirkungen auf das Fahrverhalten zu bewerten. Folgende Empfehlungen können zusammenfassend gegen werden: Entwicklung eines fahrstreifengenauen Straßengraphen, hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung der Fahrzeuge (< 3 m), Positionsbestimmung und Speicherung der Fahrzeugpositionen mit mindestens 1 Hz besser 5 Hz bzw. 10 Hz. Die entwickelte Methodik ist übertragbar und schafft die Rahmenbedingen für weitere verkehrstelematische Anwendungen. Als Beispiele sind die fahrstreifengenaue Verkehrslage (z. B. an Lichtsignalanlagen, oder Rampen) oder Fahrstreifenassistenten in Fahrzeugen zu nennen. Literatur CIVIS COOPERATIVE VEHICLE-INFRASTRUCTURE SYSTEMS, http://www.cvisproject.org/ COOPERS CO-OPERATIVE SYSTEMS FOR INTELLIGENT ROAD AND SAFTY, http://www.coopers-ip.eu/ HALKIDIS, P., JOSKOWSKI, R., MAGERA, M.: Potenziale von Connected Cars aus Fahrersicht. http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/potenziale_von_connected_cars_aus_fahrersicht ITS-2012, ITS-WORLD-CONGRESS 2012, WIEN, http://www.itsworldcongress.at/ KLIEN KLIMA- UND ENERGIEFONS, http://www.klimafonds.gv.at/ OSM OPENSTREETMAP, www.optenstreetmap.org SAFESPOT COOPERATIVE VEHICLES AND ROAD INFRUSTRUCTURE FOR ROAD SAFETY, http://www.safespot-eu.org SIMTD SICHERE UND INTELLIGENTE MOBILÄT TESTFELD DEUTSCHLAND, http://www.simtd.de TT TESTFELD TELEMATIK, http://www.testfeld-telematik.at/