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Algorithmen zur Verbesserung der Verkehrsbedingungen auf stark befahrenen Autobahnen

Die dynamische Verkehrssteuerung nutzt die verfügbare Verkehrsinfrastruktur besser aus und verringert die Überlastung der Autobahnen, hat jedoch mehrere Nachteile. Eine Initiative der Europäischen Union hat Lösungen für optimierte dynamische Verkehrssteuerungssysteme und wirksamere Maßnahmen vorgeschlagen.

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Verkehr und Mobilität

Die meisten dynamischen Verkehrssteuerungssysteme arbeiten nach linearen, lokalen oder heuristischen Regelalgorithmen. Die Verwendung geeigneter nicht-lokaler und multivariabler Techniken kann jedoch die von Fahrern sowie für andere Leistungskennzahlen im Straßenverkehr aufgewendete Gesamtzeit erheblich reduzieren. Methoden, die auf der Verwendung fortgeschrittener Regelungstechniken wie der modellprädiktiven Regelung für die Minimierung einer Kostenfunktion, beispielsweise der von Fahrern aufgewendeten Gesamtzeit basieren, tragen laut verschiedener Simulationsstudien zu einer erheblichen Leistungsverbesserung des Verkehrsleitsystems bei.

Dynamische Verkehrssteuerung zur Steigerung der Effizienz von Autobahnen

„Das Hauptproblem bei der modellprädiktiven Regelung besteht darin, dass die Rechenzeit mit der Größe des Netzes schnell zunimmt, wodurch die Anwendung einer zentralisierten modellprädiktiven Regelung auf große Netze erschwert wird“, so José Ramón Domínguez Frejo, Hauptforscher des EU-finanzierten Projekts ETC-VSL. „Eine vollständig zentralisierte Steuerung großer Netze wird von den meisten Fachleuten als unpraktisch und unrealistisch angesehen.“ Gefördert wurde diese Forschungsarbeit im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Programms. Das Projektteam entwickelte und testete einen Regelalgorithmus für variable Geschwindigkeitsbegrenzungen, der sich dem Verhalten eines optimalen Reglers annähert und in der Praxis auch auf große Verkehrsnetze angewendet werden kann. Variable Geschwindigkeitsbegrenzungen bezeichnen hierbei Geschwindigkeitsbegrenzungen, die sich je nach Straßen-, Verkehrs- und Wetterbedingungen ändern. Die dynamische Verkehrssteuerung verwendet Messungen der Verkehrsbedingungen im Laufe der Zeit und berechnet dynamische Steuersignale. Auf diese Weise soll das Verhalten der Fahrer so beeinflusst werden, dass eine Leistungsverbesserung der Netze durch Reduzierung von Verzögerungen, Emissionen und Kraftstoffverbrauch eintritt. Variable Geschwindigkeitsbegrenzungen, Zuflussregelungen und Fahrbahnen für beide Richtungen sind einige der am häufigsten genannten Beispiele für Maßnahmen zur dynamischen Verkehrssteuerung auf Autobahnen. In Ländern wie Deutschland, Spanien, Frankreich und den Niederlanden wurden diese Maßnahmen bereits erfolgreich umgesetzt.

Regler zur variablen Geschwindigkeitsbegrenzung für intelligentere Autobahnen

Das Projektteam schlug zwei Regler für variable Geschwindigkeitsbegrenzungen vor. Der erste ist ein auf Logik basierender Regelalgorithmus für variable Geschwindigkeitsbegrenzungen, der Verkehrsstaus während Engpässen reduzieren soll. Der zweite ist ein auf Logik basierender Algorithmus zur Verkehrsflusssteuerung, mit dem variable Geschwindigkeitsbegrenzungen sowie Zuflussregelungen gelenkt werden können. Dieser kann sich dem Verhalten und der Leistung eines zentralisierten Reglers annähern und Berechnungen fast verzögerungsfrei durchführen. Die Projektpartner testeten das Verhalten beider Regler in einem synthetischen Netz und auf einem Abschnitt der Autobahn SE-30 in Sevilla, Spanien. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistung des auf Logik basierenden Reglers zur Verkehrsflusssteuerung recht stabil ist, insbesondere im Vergleich zu dem weit verbreiteten PI-ALINEA-Algorithmus zur Verkehrsflusssteuerung, dem bekanntesten integrierten Regler für variable Geschwindigkeitsbegrenzungen und Zuflussregelungen. Außerdem schlugen die Teammitglieder von ETC-VSL zwei weitere Regler vor. Einen zur ordnungsgemäßen Steuerung variabler Geschwindigkeitsbegrenzungen bei regelmäßig wiederkehrenden Verkehrsstaus auf der Grundlage einer offline berechneten optimalen Lösung und einen zur Leistungsverbesserung eines zuvor vorgeschlagenen Reglers für Zuflussregelungen im Falle eines durch einen weit entfernten Engpass verursachten Verkehrsstaus. Darüber hinaus wurde ein neues makroskopisches Modell für variable Geschwindigkeitsbegrenzungen eingeführt, mit dem unterschiedliche Kapazitäten, kritische Dichten und Anforderungen bei der Rechtserfüllung für von Geschwindigkeitsbegrenzungen betroffene Abschnitte modelliert werden können. „ETC-VSL sollte die Kapazität der vorhandenen Verkehrsinfrastruktur durch eine verbesserte Betriebseffizienz und weniger Staus steigern“, so Domínguez Frejo abschließend. „Zukünftige Umsetzungen der Regler auf realen Autobahnen sollten die Verkehrsüberlastung erheblich reduzieren. Dies ist ein grundlegender Schritt zur Verwirklichung der Vision von Horizont 2020 für einen intelligenten, umweltfreundlichen und integrierten Verkehr.“

Schlüsselbegriffe

ETC-VSL, Verkehr, variable Geschwindigkeitsbegrenzungen, Stau, Überlastung, Autobahn, dynamische Verkehrssteuerung, Zuflussregelung, modellprädiktive Regelung

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