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PArtial Differential Equation model-based COntrol of Traffic flow

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Mathematische Lösung für den Fahrzeugverkehr

Per Feedback in Echtzeit gesteuerte Verkehrsflüsse sind ein wirksames Mittel, um Reisezeiten zu verkürzen sowie die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und auch die Sicherheit und den Komfort der Reisenden zu erhöhen. Das EU-finanzierte Projekt PADECOT konzentrierte sich auf die Entwicklung, Validierung und Implementierung moderner Algorithmen zur Steuerung und Überwachung von Fahrzeugverkehrsflüssen.

Sicherheit
Energie

Ist es möglich, mit modernen mathematischen Werkzeugen den Fahrzeugverkehr zu optimieren? Ein über Rückkopplungen geregelter Verkehrsfluss, ermöglicht durch die Entwicklung innovativer Algorithmen und umgesetzt in Echtzeit, könnte eine positive Antwort liefern. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Projekt PADECOT entwickelte einen Werkzeugkasten mit Steuerungsalgorithmen auf Basis partieller Differentialgleichungen, der sich den wichtigsten Herausforderungen der Verkehrsflussoptimierung widmet und dabei gleichzeitig Einblick in die Mechanismen bestimmter unerwünschter Verkehrsphänomene wie etwa des „Stop-and-Go“-Verkehrs in Wellen verschafft.

Mathematisch an den Verkehr herangehen

Heutzutage können Staus allen richtig konzipierten Verkehrssteuerungsmaßnahmen zum Trotze dennoch unvermeidlich sein. Die damit verbundenen Folgen können jedoch dadurch gemildert werden, dass zusätzlich zu den üblichen Maßnahmen der Verkehrsregelung (z. B. unterschiedlich lange Ampelphasen und Geschwindigkeitsbegrenzungen) auf die Möglichkeiten der vernetzten und automatisierten Fahrzeuge zugegriffen wird. „Jeder hat schon einmal die Effekte von Stop-and-Go-Verkehr in Wellen erlebt, die für die negativen Auswirkungen von Verkehrsstaus auf den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen sowie den Komfort und die Sicherheit der Fahrenden verantwortlich sind“, sagt Nikolaos Bekiaris-Liberis, leitender Forscher des Projekts. „Betrachtet man den Verkehrsfluss als ‚fließend‘ und werden dabei die wesentliche Verkehrsphänomene erfasst, so entstehen auf ganz natürliche Weise partielle Differentialgleichungen, d. h. Systeme, welche die wichtigen Verkehrskennzahlen (z. B. die Geschwindigkeit) in Zeit und Raum beschreiben“, erklärt er.

Proaktiv regeln

Ein wichtiges Ziel eines Verkehrsflussregelungsalgorithmus ist es, den Durchsatz an Engpassstellen, etwa in einem Tunnel, in dem sich die Fahrzeuge mit geringerer Geschwindigkeit bewegen können, zu maximieren. „Der Verkehrsfluss in Engpassbereichen kann bereits durch Manipulation an einer Stelle weit vor dem Engpass gesteuert werden. Jedoch kann die verzögerte Beeinflussung des Flusses im Engpassbereich, die je nach Verkehrsbedingungen sogar variieren kann, dort zu einem völlig anderen Verkehrsverhalten als erwartet führen. Der Schlüssel zum Ausgleich dieses verkehrsabhängigen Verzögerungseffekts ist der Einsatz einer Strategie, welche die Verkehrsbedingungen in den Engpassbereichen vorhersagt und auf Basis dieser Prognose die passenden Maßnahmen ergreift“, stellt Bekiaris-Liberis fest. PADECOT entwickelte Rückkopplungsalgorithmen mit Einflussvariablen, bei denen sich in der Simulation zeigte, dass sie die Verkehrseffizienz ungeachtet vorhandener Verzögerungseffekte deutlich verbessern. „Stellen Sie sich eine Autobahn vor, die durch Manipulation der Geschwindigkeitsbegrenzungen an den beiden Autobahnenden geregelt werden kann. Eine robuste Regelstrategie würde beide Stellglieder richtig betätigen, um bei Ausfall von einem der beiden einen ordnungsgemäßen Betrieb zu garantieren“, erläutert Bekiaris-Liberis. PADECOT konzipierte zudem Algorithmen zur effizienten Koordinierung verschiedener Stellglieder/Sensoren, die für eine robuste und fehlertolerante Verkehrsflussregelung sorgen. Nicht nur Anlagen zur adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregelung (Abstandsregeltempomat), sondern auch Anlagen zur kooperativen adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregelung bergen großes Potenzial. Um das Potenzial der vernetzten und automatisierten Fahrzeuge vollständig auszuschöpfen, sollten bei der Nutzung jedoch keine Vereinfachungen oder Näherungen ihrer Dynamik zum Einsatz kommen, da dies Sicherheit und Effizienz gefährden könnte. Bekiaris-Liberis erklärt: „Zum Beispiel kann ein ignorierter Verzögerungseffekt (z. B. bei drahtloser Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation) auf Verkehrsschwankungen mit schwerwiegenden Folgen in Bezug auf Emissionen und Sicherheit hinauslaufen.“

Forschung vorantreiben und nutzen

Die laufende Forschungsarbeit widmet sich mit der Entwicklung von Steuerungsalgorithmen für Fahrzeug-Platooning mit kooperativer adaptiver Abstands- und Geschwindigkeitsregelung, von denen alle wesentlichen dynamischen Phänomene in Bezug auf ein umweltfreundliches und effizientes Verkehrssystem berücksichtigt werden. Die Implementierung und experimentelle Validierung mit Fahrzeug-Platoons lautet ein nächstes Ziel. Das Forschungsteam erkundet gegenwärtig die Möglichkeit einer Zusammenarbeit mit Automobilunternehmen in einem gemeinsamen Projekt, damit die entwickelten Entwürfe in die Praxis umgesetzt werden können.

Schlüsselbegriffe

PADECOT, Verkehr, Fahrzeug, Engpass, Sicherheit, Fahrzeugverkehr, Emissionen, Verzögerungseffekt, Stop-and-Go-Verkehr in Wellen, Autobahn

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