Kommunikationsdatenbasierte, dezentrale Lichtsignalsteuerung in städtischen Netzen

Die Zunahme der Verkehrsnachfrage im motorisierten Individualverkehr in urbanen Ballungsräumen in Verbindung mit restriktiven Flächenressourcen führt zu vielfältigen Verkehrsproblemen, die sich in verlängerten Reisezeiten, Anzahl an Halten und erhöhten Emissionen widerspiegeln. Die Qualität des Verkehrsflusses innerhalb städtischer Netze wird wesentlich von der Güte der Lichtsignalsteuerungen beeinflusst. Eine Möglichkeit, den negativen Auswirkungen entgegenzuwirken, besteht daher in der netzweiten Optimierung von signalisierten Knotenpunkten. Vor diesem Hintergrund werden weltweit zunehmend modellbasierte Netzsteuerungsverfahren eingesetzt. Die genaue Ermittlung bzw. Abschätzung der Verkehrslage in den einzelnen Zufahrten ist dabei Grundvoraussetzung für jedes Steuerungsverfahren.

Technische Fortschritte in den Bereichen der drahtlosen Kommunikation und GPS- Lokalisierung ermöglichen neue Möglichkeiten für die Detektion von Fahrzeugen innerhalb signalisierter Zufahrten. In Zukunft wird, basierend auf dem IEEE Standard 802.11p, eine Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander und mit Infrastrukturelementen möglich sein. Damit wird ein neues Datenpotential geschaffen, welches im Rahmen von Lichtsignalsteuerungen genutzt werden kann, um den Verkehrsfluss innerhalb städtischer Straßennetze zu verbessern. Wesentlicher Vorteil dieser Technologie ist die frühzeitige und kontinuierliche Detektion von kommunikationsfähigen Fahrzeugen in den Zu- und Abflüssen von Lichtsignalanlagen. Kontinuierlich übermittelte Positions- und Geschwindigkeitsdaten sowie ggf. Routeninformationen vom Fahrzeug zu einem Access Point an der Lichtsignalanlage (V2I-Daten) stellen einen signifikanten Informationsgewinn dar, der zur Optimierung von Steuerungsverfahren genutzt werden sollte.

Im Rahmen der vorgelegten Dissertationsschrift wurde ein azyklisches, dezentrales Steuerungsverfahren entwickelt, welches das neue Datenpotential an V2I-Daten nutzt und die Freigabezeitdauern entsprechend der augenblicklichen Verkehrsnachfrage in den einzelnen Zufahrten optimiert. Es erfolgt kein Austausch von Informationen zwischen benachbarten Knotenpunkten oder mit einer übergeordneten taktischen Ebene. Trotz des dezentralen Ansatzes können nachweislich Koordinierungs- und Priorisierungsstrategien mit Hilfe von Gewichtungsfaktoren für Fahrbeziehungen oder einzelne Fahrzeuge umgesetzt werden. Die Steuerung jedes Knotenpunkts erfolgt phasenbasiert. Die Zuordnung von Signalgruppen zu Phasen, die Bestimmung von Zwischenzeiten sowie die einzelnen Phasenübergänge werden im Vorhinein planerisch festgelegt. Die Anzahl der möglichen Phasen und Varianten an Phasenübergängen ist nicht beschränkt. Zu jedem Optimierungsintervall von Δt=5s werden anhand von V2I-Daten die entstehenden Warteschlangen für jede Phasenkombination für einen Optimierungshorizont von 4Δt=20s prognostiziert. Entsprechend der formulierten Zielfunktion wird diejenige Phasenfolge ausgewählt, welche die Gesamtrückstaulängen am Knotenpunkt minimiert.

Wesentlichen Einfluss auf die Qualität der neuen Lichtsignalsteuerung hat der Anteil an kommunikationsfähigen Fahrzeugen im betrachteten Netz, die so genannte Penetrationsrate. Daher wurde eine Methode entwickelt und in das Verfahren integriert, die anhand von wenigen kommunikationsfähigen Fahrzeugen in der Warteschlange eine zuverlässige Schätzung der Rückstaulängen anhand von V2I-Daten sicherstellt. Im Zuge geringer Penetrationsraten sinkt zudem die Wahrscheinlichkeit, dass ein kommunikationsfähiges Fahrzeug innerhalb der Warteschlange eintrifft, ehe die entsprechende Zufahrt mit nicht-kommunikationsfähigen Fahrzeugen überstaut ist. In der Folge entstehen Rückstaus in benachbarte Knotenpunkte, die zu einem netzweiten Verkehrzusammenbruch in Folge mangelnder Detektion führen können. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen des entwickelten Steuerungsverfahrens zusätzlich Daten von haltliniennahen Anforderungsschleifen in den Knotenpunktszufahrten verwendet. Hierdurch können zudem maximale Wartezeiten in den Nebenrichtungen überwacht und sichergestellt werden.

Das entwickelte Steuerungsverfahren wurde im Rahmen umfangreicher Simulationsuntersuchungen im Labor getestet. Als Wirkungsmodell dient der mikroskopische Verkehrsflusssimulator AIMSUN NG (TSS, 2007). Die Modellierung der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur sowie die Implementierung des neuen Steuerungsverfahrens (inkl. Methode zur Rückstauschätzung) erfolgt über die definierte, offene Schnittstelle AIMSUN API-Modul in der Programmiersprache C++. Als Referenzsteuerung dient eine mit TRANSYT-7F (HALE, 2005) optimierte Festzeitsteuerung.