DE19907041A1 - Verfahren zur alternativen Routensteuerung als Netzbeeinflussung - Google Patents

Abstract

Bisherige Verfahren zur Alternativroutensteuerung von Fahrzeugströmen verwenden Modelle, um die Wirkung des Stelleingriffes zu berechnen. Da das menschliche Verhalten auf solche Stelleingriffe, zum Beispiel durch die Annahme von Akzeptanzraten, bisher nur unzureichend modelliert werden kann, werden Stelleingriffe geschalten, die zu viele oder zu wenige Fahrzeuge beeinflussen. DOLLAR A Die Modellierung der Wirkung einer Umleitungsempfehlung beispielsweise durch einen kollektiven Stelleingriff (a) wird im Normalbetrieb des Steuerungsverfahrens durch die Messung der Wirkung des Stelleingriffs, zum Beispiel durch die Meßquerschnitte b, c und d, und die Verwendung dieses Meßwertes in einem Reglermodul ersetzt. Die gemessene Wirkung kann zudem verwendet werden, um die Wirkung als Funktion des Stelleingriffes mit einem Verfahren der künstlichen Intelligenz zu approximieren. Dieses aus der Messung gewonnene Modellwissen kann in Ausnahmesituationen das Steuerungsverfahren verbessern. DOLLAR A Das beschriebene Steuerungsverfahren eignet sich insbesondere für den Straßenverkehr, sowohl zur individuellen Routenführung als auch zur Steuerung von kollektiven Verkehrsbeeinflussungsanlagen.

Description

Stand der Technik

Einfache Steuerungsalgorithmen für die Wechselwegweisung, zum Beispiel für Bundesautobahnen, basieren auf "wenn dann" Regelbasen mit Schwellwertabfragen. Die Regeln beziehen sich direkt auf das jeweilige Straßennetz und sind daher nicht übertragbar.

Durch die Unterteilung der Steuerungsaufgabe in ein Verkehrsmodell und Steuerungsmodell wird eine weitgehende Unabhängigkeit von der konkreten Netztopologie erreicht. Das Dernbach-Koblenzverfahren (FGSV, 1992) verwendet ein einfaches Verkehrsmodell zur Prognose der Reisezeiten; die Abbiegeraten werden als unabhängig von der aktuellen Verkehrssituation angenommen. Das Steuerungsmodell ermittelt den Schaltplan durch Minimierung der Reisezeiten.

CREMER (1993) ersetzt das einfache Verkehrsmodell durch ein dynamisches makroskopisches Modell. MESSMER (1994) erweitert das Steuerungsmodell, so daß anstatt eines Schaltplans eine optimale Sequenz von Schaltplänen berechnet wird. SACHSE (1998) definiert ein auf dem Dernbach-Koblenz Verfahren basierenden Rahmenplan für Steuerungsverfahren und erweitert diesen um eine Schätzung der Kordonmatrizen (PLOSS, 1993) der aktuellen Verkehrsbeziehungen.

Theoretische Überlegungen zum Zusammenspiel der Realdaten, der Matrixschätzung und der Prognose ergaben, daß die üblichen Verfahren und Modelle in ihrem Zusammenwirken neben den einfachen Schätzfehlern auch zu systematischen Fehlern neigen können. Diese Überlegungen wurden bei umfangreichen Datenanalysen im Projekt TABASCO (KELLER, 1998) und in SACHSE (1998) bestätigt. Es besteht daher die Notwendigkeit die klassischen Prognose- und Schätzverfahren zu erweitern oder verzichtbar zu machen.

PAPAGEORGIOU (1990) führt anstelle einer Verkehrsprognose einen Regler ein, der die Differenz der Reisezeit auf einem Alternativroutenpaar zu Null regelt. Er unterscheidet dabei ein "prädiktives" (Prädiktion der Reisezeit) und ein "reaktives" Nutzeroptimum, bei dem die Reisezeit aus den aktuellen Kantenreisezeiten aufaddiert wird. In beiden Ansätzen werden statische Sollwerte verwendet; diese erlauben jedoch keine Berücksichtigung an sich dynamischer Größen wie die Befolgungsrate.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde die fehlerhaften Modelle zur Wirkungsermittlung zu ersetzen. Dies geschieht durch die Verwendung gemessener Wirkungen in einem neuen Reglermodul des Steuerungsverfahrens. In diesem Papier wird daher die logische Systemarchitektur aus FGSV (1992) unter Nutzung dynamischer Sollwerte um ein Reglermodell erweitert. Dies ergibt eine Architektur für Verfahren, die "adaptiv" sind, sowohl bezüglich eines sich ändernden Systemzustandes, als auch bezüglich bisher als zeitinvariant modellierter Parameter wie zum Beispiel die Akzeptanzraten in Netzsteuerungen. Zusätzlich wird aus den gemessenen Wirkungen unter Nutzung von Methoden der künstlichen Intelligenz ein Wirkungsmodell abgeleitet, das sich zur Laufzeit an den gemessenen Wirkungen kalibriert. Die kombinierte Nutzung der gemessenen Wirkung und mit dem Modell anhand historischer Meßwerte geschätzten Wirkung erlaubt eine Erhöhung der technischen Zuverlässigkeit des Verfahrens durch Rückfallebenen aber auch eine erhöhte Systemgüte durch die Nutzung von modellbasierten Prognosen.

Verfahren Nutzung der gemessenen Wirkung

Das Verfahren basiert auf einer Messung der Wirkung am Entscheidungspunkt, dem . Ausgangspunkt alternativer Routen. Der Stelleingriff kann dabei sowohl aus einem individuellen Informationssystem, als auch einem kollektiven Informationssystem, wie zum Beispiel ein Schild zur kollektiven Routenempfehlung (siehe (a) in Abb. 1) bestehen. Die Erfassung wird so gewählt, daß die Aufteilung der Verkehrsströme auf die linke und die rechte Kante gemessen werden kann. Dies kann zum Beispiel mit den in Abb. 1 gezeigten Meßquerschnitten b, c und d geschehen. Die Meßquerschnitte können zum Beispiel als Radardetektoren ausgebildet werden. Es wird vorgeschlagen, die Meßwerte durch Methoden der Automatisierungstechnik in das Steuerungsverfahren einzubinden. Hierzu wird die bisher bekannte Basisarchitektur für Steuerungsverfahren erweitert.

Erweiterung der Basisarchitektur

In der bisherigen Basisarchitektur für Verfahren zur Verkehrsbeeinflussung besteht das Steuererungsverfahren aus einem Verkehrsmodell und einem Steuerungsmodell. Das Verkehrsmodell dient zur örtlich-zeitlichen Erfassung und Prognose des Verkehrs. Das Steuerungsmodell setzt die verkehrlichen Vorgaben in einer Zielfunktion um und nutzt das Verkehrsmodell zur Ermittlung des Stelleingriffs.

Durch eine Erweiterung der Basisarchitektur (siehe Abb. 2) wird es ermöglicht, daß das Steuerungsmodell nicht mehr nur auf klassische modellbasierte Verfahren ohne Beachtung der Modellunsicherheiten zurückgreifen kann. Es wird die Möglichkeit geschaffen, die Schätzfehler des Verkehrsmodells zu berücksichtigen und die real gemessene Wirkung anstelle des fehlerbehafteten Modells zu verwenden.

Der Beobachter entspricht dem Verkehrsmodell. Im Beobachter wird das Verkehrsgeschehen mindestens zum aktuellen Zeitpunkt, oder auch in die Zukunft geschätzt. Der Beobachter liefert einen geschätzten Systemzustand (t), der auf Basis der Meßdaten y(t) ermittelt wird. Der Algorithmus entspricht dem Steuerungsmodell. Der Algorithmus liefert allerdings nicht sofort einen Schaltplan beziehungsweise den Stelleingriff, sondern zunächst dynamische Sollwerte s(t) für Größen, die möglichst gut meßbar oder beobachtbar sind. Innerhalb des Algorithmus können neben der klassischen Optimierung auch andere Ansätze aus der Regelungstechnik und/oder Heuristik verwendet werden.

Der Regler berechnet unter Nutzung der gemessenen Größen den Schaltplan beziehungsweise den Stelleingriff u(t) so, daß der Regelfehler möglichst klein bleibt. Auf diese Weise wird das Verkehrsmodell und die Realität (System) einander angepaßt. Explizit nicht modellierbare Störgrößen aus z(t) können damit implizit berücksichtigt werden. Diese zusätzliche Rückkopplung von Meßinformation ermöglicht schon bei einfachen Ansätzen in den Teilmodellen Beobachter, Algorithmus und Regler ein sehr gutes Systemverhalten. Dies wird durch eine simulative Valididierung der unten beschriebenen Netzsteuerung gezeigt.

Der zur Entkopplung von Algorithmus und Regler verwendete Ansatz der dynamischen Sollwerte kann nicht nur als Schnittstelle zwischen dem Algorithmus und dem Regler, sondern auch innerhalb eines Teilmodells verwendet werden; dies wird anhand eines heuristischen Algorithmus für die Netzsteuerung demonstriert. Zudem besitzt der Ansatz der dynamischen Sollwerte das Potential in einer Kaskadenstruktur zur Kopplung unterschiedlicher Steuerungsverfahren herangezogen werden zu können (POSCHINGER ET AL, 1997).

Aufbau der Netzsteuerung

Die Netzsteuerung besteht entsprechend der Basisarchitektur aus einem Verkehrsmo­ dell (Beobachter), einem Steuerungsmodell (Algorithmus) und einem Regler. Der Beobachter liefert den aktuellen makroskopischen Verkehrszustand. Der Algorithmus liefert einen dynamischen Sollwert für den (meßbaren) Fahrzeugstrom auf der Hauptroute. Der Regler stellt durch Variation des Stelleingriffs sicher, daß der Sollwert so gut wie möglich eingehalten wird.

Das Verkehrsmodell

Das Verkehrsmodell (der Beobachter) muß sich den Möglichkeiten der Detektion anpassen. Der derzeitige Stand der Technik ist die Querschnitt bezogene Messung des Verkehrsflusses und der Geschwindigkeit. Zusätzlich werden in der Regel die Fahrstreifen sowie die Fahrzeugarten berücksichtigt.

Abschnitt- oder netzbezogene Meßverfahren zum Beispiel auf Basis einer Kennzeichenerfassung oder individueller fahrzeugbezogener Daten können noch nicht vorausgesetzt werden.

Der Beobachter wird aus einer Realdatenvorverarbeitung und einem Kalman Schätzverfahren nach CREMER (1979) aufgebaut. Das Kalman Filter stellt einen geschlossenen (sub-)optimalen Ansatz zur Schätzung von Modellzuständen dar.

Die Realdatenvorverarbeitung ist die Schnittstelle zum Steuerungssystem im online Betrieb beziehungsweise zur Simulation bei einer offline Validierung. Die Realdatenvor­ verarbeitung liefert TLS konform an jedem Meßquerschnitt den Verkehrsfluß q_m der vergangenen Minute hochgerechnet auf Fahrzeuge/h und die mittlere Geschwindigkeit v_m der vergangenen Minute in km/h.

Das Schätzverfahren basiert auf einer Ortsdiskretisierung durch die Segmentierung des Straßennetzes. Die Mindestsegmentlänge beträgt 200 m. Das Straßennetz wird zusätzlich in Teilnetze aufgeteilt, die durch Meßquerschnitte begrenzt werden. Innerhalb der Teilnetze gibt es keine Meßquerschnitte. Die Segmente werden so dimensioniert, daß die minimale Segmentlänge eingehalten und die Zahl der Segmente pro Meßquerschnitt drei nicht übersteigt. Damit ist die Beobachtbarkeit sichergestellt (CREMER, 1979). Die Verkehrsgrößen Geschwindigkeit v_i und Dichte k_i werden als örtlich konstante mittlere Größen des Segments i betrachtet. An Knoten werden zudem Abbiegeraten tr_mn eingeführt; diese Abbiegeraten beschreiben den Anteil der Dichte k_m des Segments vor dem Knoten, dessen Ziel das Segment n nach dem Knoten ist. Die in CREMER (1979) beschriebenen und in GR 97 P 8623 als Verfahren patentierte Formeln werden formal um die Abbiegeraten erweitert, die als weitere Systemzustände aufgefaßt werden. Die Größen v_i, k_i, und tr_mn werden geschätzt und stehen dem Steuerungsmodell zur Verfügung. Das beschriebene Schätzverfahren kann durch andere Schätzverfahren ersetzt werden; in Zukunft verfügbare streckenbezogene Meßdaten können das Schätzverfahren weitgehend ersetzen.

Das Steuerungsmodell (Algorithmus) Verkehrliche Zielsetzung

Die verkehrliche Zielsetzung kann unterschieden werden in den aus Sicht der Verkehrsteilnehmer möglichst ungehinderten Fahrtablauf in einem betrachteten Netzumgriff (Nutzeroptimum) und aus Sicht des Betreibers des Verfahrens in eine Optimierung der entstehenden globalen Kosten (Systemoptimum).

Die Formulierung der Verkehrsteilnehmer bezogenen Zielsetzung ist meßtechnisch und damit auch mathematisch nicht eindeutig erfaßbar, da dies vom Charakter der individuellen Verkehrsteilnehmer abhängt. Als internes Gütemaß des Verfahrens kann zum Beispiel die mittlere individuelle Reisezeit verwendet werden. In Abhängigkeit vom gewählten Verkehrsmodell können auch andere Gütemaße verwendet werden. Die Zielsetzung des Betreibers kann zum Beispiel in einer Kostenfunktion formuliert werden; diese besteht in der Regel aus der gewichteten Summe von Größen wie die summierte Reisezeit, der summierte Schadstoffausstoß, eventuell auch die Abnutzung des Straßennetzes etc. Die verkehrliche Zielsetzung soll durch die Nutzbarmachung von vorhandenen, ansonsten ungenutzten, Kapazitäten erreicht werden, indem Verkehrsströme auf Alternativrouten verlagert werden. Dies geschieht durch die Weitergabe von Verkehrszustandsinformationen oder durch direkte Angabe von Umleitungsempfehlung­ en. Die Informationen können entweder individuell (mittels fahrzeugseitigen Geräten) oder kollektiv (mittels Wechselverkehrszeichen) übermittelt werden. In beiden Fällen besitzt die Information nur empfehlenden Charakter; der Systembetreiber ist auf die freiwillige Befolgung angewiesen.

Bei der Verwendung des Systemoptimums als Schaltkriterium wird das Nutzeroptimum in der Regel verletzt (WARDROP, 1952); es ist daher mit geringen, wenn nicht verschwindenden Akzeptanzraten zu rechnen. Die systemoptimale Zielfunktion führt sich somit ad absurdum, da aufgrund der verschwindenden Wirkung das Nutzer­ optimum auch bezüglich des Systemoptimums bessere Ergebnisse liefert als der "systemoptimale" Ansatz. Deshalb wird im weiteren als Beispiel das Nutzeroptimum betrachtet.

Eine individuelle Netzsteuerung kann das individuelle Nutzeroptimum beachten; es besitzt daher ein größeres Potential bezüglich der Akzeptanz als die kollektive Netzsteuerung. Eine individuelle Netzsteuerung erlaubt prinzipiell eine fein dosierbare Wirkung, indem die Information nur an ausgewählte Fahrzeuge übertragen wird.

Demgegenüber kann mit einer kollektiven Netzsteuerung nur ein sehr grober stufenförmiger Zusammenhang zwischen dem Stelleingriff und der Wirkung erreicht werden. In dieser Arbeit werden die dadurch auftretenden besonderen Schwierigkeiten. der kollektiven Netzsteuerung berücksichtigt, indem das Steuerungsverfahren ohne Einschränkung der Übertragbarkeit am Beispiel der kollektiven Netzsteuerung entwickelt wird.

Ansatz

Der Algorithmus basiert auf einfachen heuristischen Annahmen sowie der Nutzung klassischer Regelungstechnik. Das zu regelnde Straßennetz wird in Alternativrouten­ paare eingeteilt. Auf jedem Routenpaar wird die mittlere individuelle Reisezeit beziehungsweise eine dazu proportionale Größe betrachtet. Zur Vermeidung von Überlastungen werden zudem die Verkehrsnachfrage und die Kapazität der Routen berücksichtigt. Basierend auf einer Untersuchung der möglichen Betriebszustände werden Formeln zur Berechnung des dynamischen Sollwertes für den Fahrzeugstrom auf der Hauptroute erarbeitet.

Mögliche Betriebszustände

Das Verkehrsgeschehen auf den Routenpaaren kann abhängig von der Auslastung und der Längendifferenz der Routen in zwei oder vier Bereiche eingeteilt werden, siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.

• - Im Bereich 1 ist keine Umleitung erforderlich.
• - In den Bereichen 2 und 3 kann eine Überlastung durch Umleitung vermieden werden. Bei Beachtung des Nutzeroptimums können die Bereiche 2 und 3 nur dann wirksam werden, wenn die Alternativ- und Hauptroute in etwa die selbe Reisezeit bei freiem Verkehr besitzen. Bei einer längeren Alternativroute wird das Nutzeroptimum erst erfüllt, wenn auf der Hauptroute bereits gebundener Verkehr auftritt; in diesem Fall werden nur die Bereiche 1 und 4 genutzt.
• - Der Bereich 4 gilt nicht nur bei völliger Überlastung, sondern auch wenn auf einer Route Stau auftritt. Im Bereich 4 werden die Reisezeiten von einem Stauausgleichsalgorithmus einander angepaßt.

In den Bereichen 1-3 gilt:

q_d1 + q_d2 < c₁ + c₂

q_di Nachfrage Route i
c_i Kapazität Route i

Die Gesamtnachfrage muß kleiner sein als die Gesamtkapazität beider Routen; zudem darf auf keiner der Routen gebundener Verkehr (Stau) auftreten. Für die Bereiche 1-3 berechnet sich der Sollwert für die umzuleitenden Fahrzeuge zu:

q_iS Sollwert Verkehrsfluß Route i

Der Stauausgleichsalgorithmus

Im Bereich 4 der Betriebszustände wird entsprechend dem Nutzeroptimum versucht, die Reisezeit auf der Haupt- und Alternativroute anzugleichen. Nach PAPAGEORGIOU (1990) ist die aus den aktuellen Kantenreisezeiten berechnete "reaktive" Reisezeit in etwa proportional zur "prädiktiv" geschätzten tatsächlichen Reisezeit. Die Kantenreise­ zeiten können direkt aus den mittleren Geschwindigkeiten der Kanten errechnet werden. Im gebundenen Verkehr ist die Kantenreisezeit von der mittleren Dichte im Stau, dessen Länge sowie von der Abflußverkehrsstärke abhängig (CREMER ET AL, 1993). Unter der Annahme, daß sich die Reisezeit aus einer von der Routenlänge abhängigem Anteil und der Reisezeit im gebundenen Verkehr zusammensetzt, kann die Reisezeit daher durch eine beobachtbare Staulänge plus einem von der Routenlänge abhängigen Offset ersetzt werden.

Unter der Annahme, daß die Dichte in einem Stau konstant ist kann das Gütemaß berechnet werden als:

i_iIst Iststaulänge auf Route
ls_i Länge des Segments i

Die Formel

k_i Dichte des Segments i
k_max Maximal auftretende Dichte (ca. 100 Fzg/(km*Spur))
berücksichtigt zudem unterschiedliche Dichten, die jeweils auf die maximale Dichte bezogen werden. Das Gütemaß

v_i Geschwindigkeit des Segments i
verwendet eine Summe der abschnittsbezogenen Reisezeit. Daneben können je nach verwendeter Zustandsbeobachtung auch andere Ansätze zur Ermittlung eines Gütemaßes verwendet werden.

Der dynamische Sollwert für den Fahrzeugstrom auf der Hauptroute wird aus einem Regler für das Gütemaß also zum Beispiel die Staulänge auf der Hauptroute berechnet. Das Sollmaß für den Stau auf der Hauptroute berechnet sich aus der Summe aus dem Stau auf der Alternativroute und einer Offsetstaulänge zur Berücksichtigung unterschiedlicher Routenlängen und sonstigen Parametrisierung:

l_1S = L₀ + l_2Ist

l_1S Sollwert für Staulänge auf Route 1,
l_2Ist Iststaulänge auf Route 2,
L₀ Anpassung für unterschiedliche Routenlängen

Der Sollwert für das Gütemaß ist damit ebenfalls ein dynamischer Sollwert.

Der Sollwert für den Fahrzeugstrom auf der Hauptroute wird von einem Proportional­ regler unter Nutzung der Regeldifferenz und einer Störgrößenaufschaltung geliefert:

q_1S(t) = K(t).(l_1S (t)-l_1Ist(t)) + S(t)

q_1S Sollwert für den Fahrzeugstrom auf der Hauptroute
K Reglerverstärkung
l_1Ist Iststaulänge auf Route 1
S Störgrößenaufschaltung

Unter der vereinfachten Annahme, daß nur ein Stau pro Route auftritt, besteht die Störgrößenaufschaltung aus dem Fahrzeugstrom, der diesen Stau verläßt; ohne zusätzliche Störungen ist dies genau der in die Hauptroute einzuleitende Fahrzeitstrom, bei dem die Staulänge konstant ist. Für den Fall, daß mehrere voneinander getrennte Bereiche mit gebundenem Verkehr auftreten, errechnet sich die Störgrößenaufschaltung aus einer Bilanz der Teilbereiche.

Der Regler Ansatz

Im Reglermodell können beliebige Ansätze der Regelungstechnik verwendet werden. Nachfolgend werden drei mögliche Ansätze skizziert. Diese lassen sich wie folgt klassifizieren:

• - Ein Zweipunktregler benutzt den Regelfehler, wobei nur zwei verschiedene diskrete Stelleingriffe (Schaltpläne, Zielpläne) genutzt werden.
• - Eine Mehrpunktsteuerung kann alle möglichen Stelleingriffe nutzen greift aber nicht auf den Regelfehler, sondern nur den Sollwert zurück.
• - Ein Mehrpunktregler nutzt sowohl alle möglichen Stelleingriffe, als auch den Regelfehler; dieser Regler nutzt den Mehrwert der erweiterten Architektur.

Zweipunktregler

Überschreitet die Differenz aus Sollwert für den Fahrzeugstrom und tatsächlichem Fahrzeugstrom auf der Hauptroute einen Schwellenwert, so wird der maximal mögliche Fahrzeugstrom umgeleitet. Dieser Regler basiert auf der in vielen Veröffentlichungen enthaltenen Annahme, daß bei kollektiven Netzsteuerungen für ein Alternativroutenpaar nur zwei verschiedene Schaltpläne (nicht geschaltet und Umleitung empfohlen) existieren (z. B. PAPAGEORGIOU, 1990; MESSMER, 1994). Der Zweipunktregler folgt der Gleichung:

D Gewählter Zielplan
d_i Zielplan i

Der Zweipunktregler kann als Zweipunktsteuerung ohne Nutzung des Regelfehlers auch in der bisherigen Basisarchitektur (FGSV, 1992) direkt in einem Stauausgleichs­ algorithmus verwendet werden (PAPAGEORGIOU, 1990).

Der Zweipunktregler führt aufgrund der Systemtotzeiten zu großen (von den Totzeiten abhängigen) oszillierenden Arbeitsbewegungen. Es ist daher ein Ansatz unter Nutzung eines Mehrpunktreglers beziehungsweise einer Mehrpunktsteuerung sinnvoll.

Mehrpunktsteuerung

Der Einsatz einer Mehrpunktsteuerung ist möglich, da pro Alternativroutenpaar an einem Autobahnkreuz zwei Entscheidungspunkte existieren und ein Wechselwegweiser mit mehreren unterschiedlichen Zielströmen (z. B. drei in Prismentechnik) ausgestattet werden kann. Es ergeben sich also bis zu neun verschiedene Zielpläne.

Unter Nutzung der Kordonmatrix der Verkehrsbeziehungen (VAN ZUYLEN ET AL, 1980; PLOSS, 1993) und unter der Annahme einer Befolgungsrate kann der Zielplan bestimmt werden, bei dem der errechnete Strom auf der Hauptroute möglichst wenig vom Sollstrom abweicht.

D(n + 1) = d_i mit i,| Effekt(d_i)-q_1S |= min

Effekt(d_i) Wirkung des Zielplans i als Fluß auf der Hauptroute 1

Es wird davon ausgegangen, daß die Ströme ohne Schaltung immer die kürzeste Route wählen und sich die Kordonmatrix bei einer Schaltung nicht ändert. Während der erste Punkt in einem Netz mit großen Längenunterschieden wie zum Beispiel im Autobahnteilnetz München Nord realistisch ist wird der zweite Punkt in der Realität oft nicht eingehalten, da ortskundige Fahrer das Sekundärnetz nutzen (siehe SACHSE, 1998). Die klassischen Schätzverfahren müssen daher erweitert werden; zudem muß die Akzeptanzrate mit hinreichender Güte vorliegen, um diese Mehrpunktsteuerung nutzen zu können.

Die Mehrpunktsteuerung benötigt den Regelfehler beziehungsweise den realen Verkehrsstrom nicht. Sie kann daher auch dem Algorithmus zugeordnet werden. Dies findet sich im Kontext einer Prognose basierten Optimierung zum Beispiel bei SACHSE (1998). Dieses Beispiel demonstriert, daß im erweiterten Steuerungsverfahren auch bisherige Steuerungsmodelle und Methoden verwendet werden können.

Mehrpunktregler

Dieser Regler nutzt den Mehrwert des Verfahrens. Für diesen Ansatz wird eine Sortierung der Zielpläne bezüglich ihrer Wirkung an umgeleiteten Fahrzeugen vorausgesetzt beginnend bei dem Schaltplan ohne einem umgeleiteten Fahrzeugstrom, bis hin zu dem Schaltplan mit dem maximal umleitbaren Fahrzeugstrom:

Effekt(d_i) < Effekt(d_j), wenn i < j

In individuellen Steuerungsverfahren können die Schaltpläne durch eine kontinuierliche, aber ganze Zahl von Fahrzeugen ersetzt werden, denen die Information mitgeteilt wird. Die individuellen Fahrzeuge könnten über die Güte der Erfüllung des individuellen Nutzeroptimums ausgewählt werden. Das Schaltverfahren ist folgendes:

• - es wird der Regelfehler zwischen Sollwert und Istwert berechnet
• - überschreitet der Fehler einen bestimmten Betrag, so wird bei positivem Fehler der nächste Schaltplan mit größerer Wirkung genommen bei negativem Fehler der nächste Schaltplan mit kleinerer Wirkung
• - ist eine Schaltung erfolgt, so wird die Berechnung für eine bestimmte Zeitdauer (z. B. 1 Minute) gesperrt, so daß sich die Wirkung an den Meßquerschnitten einstellen kann.

Ist der aktuelle Schaltplan d_i geschaltet, so bestimmt sich der Schaltplan im nächsten Schritt zu:

Existiert der so errechnete Schaltplan nicht (d_-1, d_N+1) so wird der bisherige Schaltplan verwendet (d₀, d_N). Der Umleitungsregler kann als Integralregler mit Verzögerungsglied und Beschränkung interpretiert werden.

Mehrpunktregler mit Modellwissen

Der Mehrpunktregler kann mit einer Mehrpunktsteuerung kombiniert werden. Der Mehrwert ergibt sich bei einer sprungförmigen Änderung des dynamischen Sollwertes für die Verkehrsstärke, wobei es unerheblich ist, ob dieser Sprung durch eine sprungförmige Störgröße oder der Änderung des Betriebsbereiches verursacht wird.

Der meßwertbasierte Mehrpunktregler kann nur iterativ auf eine solche Störung reagieren, während eine Steuerung als Störgrößenaufschaltung sofort, wenn auch nicht optimal, reagieren kann. Die verbleibende Abweichung zwischen Soll und Istwert der Verkehrsstärke wird vom Mehrpunktregler unter Verwendung der Realdaten iterativ ausgeglichen. Der zeitliche Ablauf dieser Ausprägung des Steuerungsverfahrens ist in . . . dargestellt.

Validierung Methodik

Die Validierung erfolgt anhand einer makroskopischen Verkehrsflußsimulation. Die Eingänge der Simulation bestehen aus den Kordonströmen, die aus einer Schätzung der Kordonmatrix und den Realdatenganglinien gewonnen werden, sowie des vom Steuerungsverfahren ermittelten Stelleingriffs. Die Wirkung der Zielpläne wird anhand einer getrennten Simulation der Verkehrsströme und angenommenen Akzeptanzraten berücksichtigt. Die Simulation liefert ihrerseits virtuelle Meßdaten, die dem Steuerungsverfahren zur Verfügung gestellt werden. Somit kann der geschlossene Regelkreis nachgebildet werden.

Das Modells muß die Realität nicht quantitativ sondern nur qualitativ möglichst genau nachbilden, um das Verhalten des geregelten Systems beurteilen zu können. Eventuell vorhandene Prognoseungenauigkeiten des Verkehrsflußmodells sind somit nicht störend.

Durch Verwendung unterschiedlicher makroskopischer Gleichungen in der internen und externen Bewertung wird sichergestellt, daß die Ergebnisse nicht aufgrund von Modellähnlichkeiten verfälscht werden.

Testszenarium

Das Steuerungsverfahren wird am Autobahnteilnetz München Nord, bestehend aus der A9, der A92 und der A99, getestet (siehe Abb. 5). Das Netz kann in zwei Alternativroutenpaare eingeteilt werden. Betrachtet wird im folgenden das Alternativroutenpaar mit der dreistreifigen Hauptroute A9 von dem AK Neufahrn bis zum AK München Nord und der zweistreifigen Alternativroute A92, A99. Es sind sechs verschiedene Zielpläne mit unterschiedlichen Wirkungen schaltbar (SACHSE, 1998):

Je größer die Nummer des Schaltplans ist, umso größer ist die Wirkung in Form der Zahl der umgeleiteten Fahrzeuge. Die genaue Zahl der Fahrzeuge muß nicht bekannt sein; diese wird zur Laufzeit des Verfahrens gemessen.

Die Verkehrsdaten stammen vom 29.4.97 ab 7 : 00 Uhr. Das Modell wird so para­ metrisiert, daß ein tatsächlich vorhandener Überlastungsstau am AK München Nord nachgebildet wird. Ohne Alternativroutensteuerung würde sich dieser bis zum AK Neufahrn ausdehnen.

Ergebnisse

Abb. 6 zeigt die Reisezeiten von Haupt- und Alternativroute bei Verwendung der Mehrpunktsteuerung. Die sich ergebende Abweichung zwischen Soll- und Istwert der Verkehrsstärke bewirkt über den Gütemaßregler eine große Abweichung zwischen den Reisezeiten beider Routen.

Abb. 7 zeigt die Ergebnisse der Mehrgrößenregelung, die mit dem hier beschriebenen Verfahren eingeführt wurde. Lediglich um 7 : 20 ergibt sich eine größere Abweichung der Reisezeit in Folge einer 5 minütigen Abweichung der Soll- und Istverkehrsstärke ab 7 : 16 Uhr. Dies resultiert aus einer Änderung des Betriebsbereiches um 7 : 16 Uhr und dem daraus sprungförmig sich ändernden Sollwertes.

Abb. 8 zeigt die Ergebnisse der Mehrgrößenregelung mit Modellwissen. Das ungünstige Verhalten bei der Änderung des Betriebsbereiches kann vermieden werden. Diese Kopplung der Benutzung von gemessenen Realdaten und Modellwissen ist ebenfalls ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens.

Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. 9 zeigt die sich ergebende räumlich zeitliche Stauausbreitung. Das Segment 0 befindet sich kurz nach dem AK Neufahrn, das Segment 30 kurz vor dem AK München Nord. In den Höhenlinien sind die Schaltvorgänge deutlich erkennbar. In der Regel gibt es keinen Schaltplan, dessen Wirkung genau dem aktuellen Sollwert entspricht. Aus diesem Grund schaltet der Umleitungsregler zwischen zwei Schaltplänen automatisch hin und her, um im Mittel den Sollwert einzustellen.

Zusammenfassung und Ausblick

Am Beispiel einer Netzbeeinflussung konnte gezeigt werden, daß die Erweiterung der Basisarchitektur die Implementierung einfacher aber wirkungsvoller Steuerungsver­ fahren erlaubt.

Das beschriebene Netzsteuerungsverfahren basiert aus Sicht des Steuerungsmodells auf einfachen heuristischen Ansätzen, mit denen die Nutzer bezogene Zielfunktion der kürzest möglichen individuellen Reisezeit optimiert wird. Das Steuerungsverfahren benötigt weder eine Schätzung der Kordonmatrix, noch eine Annahme von Befolgungsraten, noch Querschnitt bezogene Prognosen des Verkehrsflusses, noch eine räumlich-zeitliche Prognose des Verkehrsflusses. Trotzdem, oder gerade deshalb, weil vielfach Fehlerquellen ausgeschlossen werden, werden gute Ergebnisse erzielt.

Das als Beobachter des aktuellen Verkehrszustandes verwendete Kalman Filter kann gegebenenfalls durch andere Verkehrsmodelle ersetzt werden. Das Steuerungsmodell kann von Modellwissen unterstützt werden. In Zukunft etwa verfügbare Kordonmatrizen können so zum Beispiel berücksichtigt werden. Im Regler wurden bereits mehrere Ansätze demonstriert; natürlich können auch hier weitere Ansätze, zum Beispiel für ein individuelles Steuerungsverfahren, verwendet werden. Aufgrund der zugrundeliegenden Basisarchitektur liegt ein modulares Steuerungsverfahren vor, dessen Module weitgehend voneinander unabhängig sind.

Literatur

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Wechselwegweisung A9/A92/A99 des Verkehrsleitsystems München-Nord - Justierung und Optimierung der Parameter für den Automatikbetrieb der Wechselwegweisung. Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen
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vAN ZUYLEN, H. J.; WILLUMSEN (1980): The Most Likely Trip Matrix Estimation from Traffic Counts. Transportation Research, Vol. 14B, pp. 281-293

Claims (13)

1. Verfahren zur Ermittlung von Stelleingriffen bei Alternativroutensteuerungen auf Straßennetzen, wobei mittels ortsfester Detektoren lokale Erfassungsquerschnitte gebildet, verkehrsbezogene Meßwerte erfaßt und zur Ermittlung von Verkehrsinformation bearbeitet werden, aus diesen in wenigstens einem komplexen Verfahren der Stelleingriff abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Daten in einem Bearbeitungsschritt nichtstatische Sollwerte für beobachtbare Verkehrsgrößen, insbesondere meßbare Verkehrsgrößen ermittelt werden, aus denen in wenigstens einem weiteren Bearbeitungsschritt unter Nutzung der beobachteten Verkehrsgrößen der Stelleingriff ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Straßennetz in Alternativroutenpaare eingeteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hauptroute eines Routentupels in einem Bearbeitungsverfahren ein Sollwert für die primäre Wirkung, insbesondere den Verkehrsfluß der Alternativroutensteuerung ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3. Dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Sollwertes Bewertungskriterien wie zum Beispiel Reisezeiten und/oder Staulängen und/oder Emissionen auf den Alternativrouten in Beziehung gesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Bewertungskriterien mittels eines Verkehrsflußmodells geschätzt werden, dessen Zustandsvariablen min­ destens die Geschwindigkeit, die Dichte, die Verkehrsflüsse und die Abbiegeraten an Entscheidungspunkten sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verkehrsflußmodell unter Anwendung eines um die Abbiegeraten erweiterten Korrekturverfahrens, insbesondere nach Wiener und Kalman, anhand von Meßwerten korrigiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Straßennetz in längenbehaftete Segmente und virtuelle Segmente an Knoten eingeteilt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der Bewertungskriterien auf den Routenpaaren durch einen Regler durchgeführt wird, wobei die Wirkungskriterium der Hauptroute und der Alternativrouten als Sollwert, beziehungsweise Istwert verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungskriterien im Sinne eines Nutzeroptimums verwendet werden, um hohe Akzeptanzraten zu erhalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Sollwerten für beobachtete Verkehrsgrößen und den tatsächlich beobachteten Verkehrsgrößen mittels eines Reglers, insbesondere unter Nutzung von Ansätzen der linearen und nicht linearen Regelungstechnik der Schaltplan ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in Anspruch 10 beschriebene komplexe Verfahren der Realdatennutzung von mindestens einem weiteren Verfahren unter Nutzung von Modellwissen zur Verbesserung unterstützt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Alternativroutentupel Schaltpläne gebildet werden, die sich dadurch auszeichnen unterschiedliche Wirkungen in Form von umgeleiteten Fahrzeugen zu besitzen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielpläne entsprechend ihrer Wirkung geordnet werden.