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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfeinrichtung zum
Prüfen
eines Verkehrssteuerungssystems. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren
bzw. eine Prüfeinrichtung,
bei dem bzw. in der eine Verkehrssituation simuliert wird, hieraus
Verkehrssituationsdaten abgeleitet werden und in das Verkehrssteuerungssystem
als Eingangsdaten zurückgespeist
werden. Das Verfahren bzw. die Prüfeinrichtung bilden daher mit
dem Verkehrssteuerungssystem einen geschlossenen Regelkreis, weshalb
das Verfahren auch „closed-loop-Simulation" genannt werden kann.
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Verkehrssteuerungssysteme
der komplexeren Art werden heute auf vielbefahrenen Straßen, speziell
auf Autobahnen und in stark frequentierten innerörtlichen Strecken wie beispielsweise
Ring- und Einfallstraßen
von Großstädten, verwendet.
Sie weisen üblicherweise
eine Vielzahl von Verkehrssteuerungs-Aktuatoren auf. Hierunter werden
alle Verkehrsregelungsinstrumente verstanden, die durch Signalgebung
an Verkehrsteilnehmer Verkehrsregeln und Verkehrshinweise weitergeben.
Insbesondere fallen darunter also Verkehrszeichen, die variabel oder
statisch solche Regeln und Hinweise anzeigen, jedoch auch Instrumente
wie der Verkehrsfunk oder die Verkehrsregelung über Ferneinfluss auf Navigationssysteme.
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Zwischen
der innerörtlichen
Anwendung und der außerörtlichen
Anwendung ergeben sich hierbei deutliche Unterschiede. Städtische
Verkehrssteuerungssysteme stellen vor allem darauf ab, über eine Steuerung
von Lichtsignalanlagen durch ein urbanes Verkehrsmanagement-System
innerstädtische
Verkehrsflüsse
zu effektivieren und zu leiten. Dagegen weisen außerörtliche,
speziell Autobahnverkehrssteuerungssysteme, üblicherweise eine deutlich
größere Anzahl
unterschiedlicher Aktuatoren zur Steuerung von Verkehrsflüssen auf.
Hierunter zählen
unter an derem variable Verkehrsregelungsanzeigen, die Geschwindigkeitsbegrenzungen, Überholverbote, Geschwindigkeitsgebote,
Sicherheitswarnungen, Wetterinformationen und andere strecken- bzw.
umweltrelevante Anzeigen darstellen können.
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Inner-
wie außerstädtische
Verkehrsleitsysteme weisen außerdem
oft Richtungspfeile auf, die bestimmte Fahrstreifen für einen
Verkehr sperren bzw. freigeben können
oder einen notwendigen Fahrspurwechsel anzeigen. Zusätzlich hierzu
können Umleitungen
ausgeschildert und Staugefahren angezeigt werden, weshalb sie neben
fest installierten Anzeigetafeln auch mobile Anzeigen umfassen können.
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Verkehrssteuerungssysteme
können
daher als hochkomplexe Systeme ausgebildet sein. Entsprechend kompliziert
ist es, die Funktionsfähigkeit und
Effektivität
von Verkehrssteuerungssystemen zu ermitteln. Bisher konnte dies
nur durch eine Überprüfung im
Betrieb effektiv erfolgen, mit dem entscheidenden Nachteil, dass
damit Änderungen
am Verkehrssteuerungssystem schwieriger durchzuführen waren und selbst gravierende
Mängel
am System erst zu spät,
nämlich
nach seiner Implementierung überhaupt
auffielen.
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Um
diesen Problemen im Vorfeld zu begegnen können Simulationssysteme der
eingangs genannten Art genutzt werden. Sie basieren derzeit jedoch
auf Modelldaten, die nur eine relativ eingeschränkte Menge von Einflussfaktoren
berücksichtigen
und bei einer Vielzahl von Aktuatoren an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit
gelangen können. Die
Folge können
Simulationsergebnisse sein, die nicht genau genug und damit unrealistisch
sind. Im Endeffekt kann daher die Funktionsfähigkeit von Verkehrssteuerungssystemen
vorab nur grob mittels eines Simulationssystems abgeschätzt werden,
und es ist dann immer noch eine Überprüfung im
Betrieb erforderlich, was die zuvor erwähnten Nachteile hat.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Alternative
zu den bisherigen Verfahren und Prüfeinrichtungen zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Prüfen
eines Verkehrssteuerungssystems gelöst, bei dem auf Basis von Steuerungsdaten
des Verkehrssteuerungssystems eine Verkehrssituation simuliert wird
und dabei Verkehrssituationsdaten erzeugt werden, welche an das
Verkehrssteuerungssystem als Eingangsdaten übergeben werden, wobei auf
Basis zumindest eines Teils der Steuerungsdaten Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
von Verkehrsteilnehmern ermittelt werden und eine Simulation der
Verkehrssituation unter Verwendung der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
erfolgt. D. h. es werden verschiedenen Steuerungsdaten Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
zugeordnet, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Verkehrsteilnehmer
auf das betreffende Steuerungsdatum, beispielsweise eine vorgegebene Höchstgeschwindigkeit
oder ein Fahrspurempfehlung reagieren.
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Unter
Verkehrssteuerungssystemen werden hierbei Verkehrsmanagement- und/oder
Verkehrsleitsysteme verstanden. Sie umfassen üblicherweise zumindest eine
Steuerungszentrale, die beispielsweise auch als einfacher Schaltkasten
ausgebildet sein kann, und eine Sammlung von Aktuatoren, die auf Basis
von Steuerungsdaten, die aus dieser Zentrale versendet werden, den
Verkehr in einem Verkehrsbereich regeln. Ein Verkehrssteuerungssystem
kann auch mehrere Steuerungszentralen umfassen, die einander auch
in mehreren Hierarchieebenen zugeordnet sein können, beispielsweise in Form
von gleichwertig nebeneinander operierenden Verkehrsleitzentralen,
die alle mit einer eine Organisationsebene höher angesiedelten Verkehrsmanagementzentrale
verknüpft
sind. Des Weiteren weisen Verkehrssteuerungssysteme üblicherweise
Verkehrssensoren auf, die Verkehrssituationen sensorisch erfassen
und daraus Messdaten, meist in elektronischer Form, generieren und
den Steuerungszentrale zur Verfügung
stellen. Dazu zählen
zum Beispiel Induktionsschleifen unter dem Fahrbahnbelag zur Messung des
Verkehrsaufkommens an einem bestimmten Messpunkt, Video-, Infrarot-
und andere optische Überwachungssysteme,
Positionssysteme wie GPS bzw. Galileo und Funk-Informationssysteme,
beispielsweise auf Basis von Radio Frequency Identification (RFID)
Systemen. Ebenso wie den Verkehr selbst können Sensoren dazu verwendet
werden, Verkehrs-Rahmendaten wie Wettereinflüsse oder die Qualität des Fahrbahnbelags
zu ermitteln. Als Sensoren im weiteren Sinne werden auch einfache
menschliche Beobachtungen verstanden, beispielsweise von Verkehrshubschraubern
aus oder auf Basis von Meldungen von Verkehrsteilnehmern.
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Die
in der erfindungsgemäßen Simulation
erzeugten Verkehrssituationsdaten entsprechen solchen Daten, die üblicherweise
von Verkehrssensoren des Verkehrssteuerungssystems akquiriert würden. Die
Simulation generiert also aus den Steuerungsdaten des zu prüfenden Verkehrssteuerungssystems ein
möglichst
getreues Abbild einer Verkehrssituation und leitet daraus Verkehrssituationsdaten
ab. Sie werden als Eingangsdaten in das Verkehrssteuerungssystem
zurückgekoppelt.
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Als
Steuerungsdaten werden die Signale des Verkehrssteuerungssystems
verstanden, die im realen Betrieb dazu dienen würden, Verkehrssteuerungsaktuatoren
zu steuern. Im Rahmen der Erfindung werden sie stattdessen als Eingangsdaten
für die
Simulation verwendet. Grundsätzlich
können
jeder Art von Steuerungsdaten Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
zugeordnet werden. Insbesondere ist es jedoch im Rahmen der Erfindung
sinnvoll, solche Steuerungsdaten zu berücksichtigen, die die Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
von Verkehrsteilnehmern maßgeblich
beeinflussen, nicht jedoch praktisch zu 100% determinieren. Ein
Beispiel für
letztere Art von Steuerungsdaten sind Daten für eine Lichtsignalanlagen-Schaltung. Hier kann
davon ausgegangen werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Verkehrsteilnehmer
ein Rotsignal missachten, beinahe vernachlässigbar sind. Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
werden daher bevorzugt für
solche Steuerungsdaten herangezogen, die zwar einen sehr direkten
Ein fluss auf das Verkehrsverhalten haben, jedoch eine gewisse Verhaltensstreuung erwarten
lassen. Hierunter zählen
beispielsweise Gefahrenmeldungen, aufgrund derer Verkehrsteilnehmer
meist ihre Geschwindigkeit drosseln, nicht jedoch gleichförmig. Es
ergibt sich also eine Änderung
ihres Verkehrsverhaltens, die als Veränderung einer Verhaltenskurve
dargestellt werden kann.
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Auch
Steuerungsdaten, die die Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
nur geringfügig
beeinflussen oder deren Einfluss auf die Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
von Verkehrsteilnehmern in Abhängigkeit
von weiteren Randbedingungen stark variiert, werden erst in zweiter
Linie berücksichtigt.
Beispielsweise beeinflussen einfache Informationsbeschilderungen
zu Sehenswürdigkeiten am
Fahrbahnrand erfahrungsgemäß die Verkehrsteilnehmer
deutlich weniger als Verkehrszeichen oder Verkehrsanzeigetafeln.
Es ist also ein variierender Wirkungsgrad unterschiedlicher Aktuatoren
feststellbar, der als Berechnungsbasis in die Simulation einbezogen
werden kann.
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Zu
den Steuerungsdaten, denen Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
zugeordnet werden, gehören
daher vorteilhafterweise Parameter für solche Verkehrssteuerungaktuatoren,
die Verhaltensgebote und/oder -verbote anzeigen. Gemäß zweier
alternativer oder einander ergänzender
Weiterbildungen dieser Ausführungsform
können
die Steuerungsdaten Parameter für
solche Verkehrssteuerungsaktuatoren umfassen, die Verkehrsflüsse in ihrer
Höchstgeschwindigkeit
regulieren und Parameter für
solche Verkehrssteuerungsaktuatoren, die Verkehrsflüsse in ihrem
Streckenverlauf regulieren.
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Die
Verkehrssteuerung durch Verhaltensgebote bzw. -verbote, insbesondere
durch Höchstgeschwindigkeitsvorschriften
und durch Streckenleitsysteme (beispielsweise durch Pfeile, die
Fahrstreifen freigeben oder sperren) stellen besonders wichtige
Einflussfaktoren auf das Verkehrsverhalten von Verkehrsteilnehmern
dar. Insofern ist ihre Berücksichtigung
von besonderem Vorteil bei der Simulation von Verkehrssteuerungs situationen.
Werden einzelne oder die Gesamtheit dieser Parameter berücksichtigt,
so kann mit großer
Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass die Genauigkeit
der Verkehrssimulation bereits einen Wert überschritten hat, ab dem man
von sehr realistischen Prüfbedingungen ausgehen
kann.
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Die
Erfindung führt
mit der Simulation auf Basis von Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen von
Verkehrsteilnehmern statistische Methoden ein, deren Datengrundlagen
in der Regel auf langjähriger Praxiserfahrung
aus Messreihen basieren. Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
beziehen sich dabei auf bestimmte Bezugsgrößen, die wiederum Einfluss
auf die Verkehrssituation haben, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit
von Fahrzeugen. Sie können
in einer Wahrscheinlichkeitskurve aufgetragen werden. Sie geben
Aufschluss darüber, mit
welcher Wahrscheinlichkeit ein bestimmtes, zufällig ausgewähltes Fahrzeug zum Beispiel
mit einer bestimmten Geschwindigkeit fährt. Per Zufallsprinzip können auf
Basis der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung Fahrzeugen Geschwindigkeiten
zugeordnet werden. Damit wird es möglich, in der Gesamtheit aller
Verkehrsteilnehmer sehr genau zu simulieren, was einzelne Verkehrssensoren
in einem realen Betrieb des Verkehrssteuerungssystems erfassen würden. Das
Verfahren weist damit unter anderem den Vorteil auf, dass es dynamisch
ausgebildet ist und auf Basis empirisch erhobener Daten und stochastischer Erfahrungswerte
ein möglichst
genaues Abbild von realen Verkehrssituationen gewährleisten
kann.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch eine Prüfeinrichtung zum Prüfen eines
Verkehrssteuerungssystems gelöst,
die mindestens aufweist:
- – eine Datenübernahmeschnittstelle
zur Übernahme
von Steuerungsdaten des Verkehrssteuerungssystems,
- – eine
Verkehrssituations-Simulationseinheit zur Simulation einer Verkehrssituation
auf Basis der Steuerungsdaten mit einer Verkehrssituationsdaten-Erzeugungseinheit
zur Erzeugung von Verkehrkehrssituationsdaten in Abhängigkeit
von einem Simulationsergebnis,
- – eine
Datenübergabeschnittstelle
für Verkehrssituationsdaten
an das Verkehrssteuerungssystem. Die Prüfeinrichtung umfasst dabei
erfindungsgemäß eine Verhaltenswahrscheinlichkeits-Ermittlungseinheit
zur Ermittlung von Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen von
Verkehrsteilnehmern, und die Verkehrssituations-Simulationseinheit
ist so ausgebildet, dass die Simulation unter Verwendung der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
erfolgt.
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In
einer derartigen Prüfeinrichtung
können die
Verkehrssituations-Simulationseinheit sowie die Verkehrssituations-Datenerzeugungseinheit
und die Verhaltenswahrscheinlichkeits-Ermittlungseinheit sowohl
als allein stehende Einzelkomponenten hardware- und/oder softwaretechnisch
ausgeführt
als auch gemeinsam innerhalb eines elektronischen Prozessorbausteins
integriert sein. Sie können
ganz oder teilweise auf einem Rechner des Verkehrssteuerungssystems
realisiert werden. Außerdem
können die
Datenübernahme-
bzw. die Datenübergabeschnittstelle
sowohl als Hardware in Form von Eingangs- bzw. Ausgangsbuchsen bzw.
drahtlose Schnittstellen eines Geräts ausgebildet sein als auch in
Form von Software bzw. als Kombination von Hard- und Software-Komponenten.
Schnittstellen können
beispielsweise in Form von reinen Software-Schnittstellen auch direkt
Daten von einem Verkehrssteuerungssystem übernehmen, wenn beispielsweise
die Prüfeinrichtung
auf dem gleichen Rechner wie das Verkehrssteuerungssystem angeordnet
ist. Die Schnittstellen können
weiterhin kombiniert gemeinsam als Input-/Output-Schnittstelle ausgebildet
sein.
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Ein
Aufbau der Prüfeinrichtung
in Form von Software hat den Vorteil einer schnellen und kostengünstigen
Realisierung. Daher wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bevorzugt ein Computerprogrammprodukt verwendet, welches direkt
in einen Prozessor einer Rechnereinrichtung ladbar ist, mit Programmcodemitteln,
um alle Schritte eines solchen Verfahrens auszuführen.
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Weitere
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich auch aus den abhängigen
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung
auch entsprechend den abhängigen
Ansprüchen
zum Verfahren weitergebildet sein.
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Vorteilhafterweise
wird die Verkehrssituation zusätzlich
zu den Steuerungsdaten des Verkehrssteuerungssystems auf Basis weiterer
Eingangsgrößen und/oder
-faktoren simuliert. Hierunter fallen sowohl langfristig konstante
als auch variierbare Größen und
Faktoren.
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Als
langfristig konstante Größen können beispielsweise
die konstruktiven Gegebenheiten der Fahrbahn, das Vorhandensein
von natürlichen
Verkehrshindernissen oder das kulturelle Umfeld des jeweiligen Landes,
angesehen werden. Variierbare Größen betreffen
beispielsweise Verkehrsstörungen, die
Entwicklungen der Verkehrsdichte, die Tageszeit, Wettereinflüsse und
Umwelteinflüsse.
Durch Berücksichtigung
solcher weiterer relevanter Eingangsgrößen bzw. Faktoren im Simulationsprozess
erhält
das Verkehrssteuerungssystem eine umfassende Datenbasis für die Simulation,
aufgrund derer es ein differenziertes Simulationsbild entwerfen
kann. Bei einer derartigen Simulation können langfristig konstante Größen wie
die konstruktiven Gegebenheiten oder das kulturelle Umfeld als eine
Art Basisgröße in die Simulation
einfließen,
während
zur Bestimmung eines bestimmten Verkehrsszenarios und eines daraus abzuleitenden
Verkehrssteuerungsablaufs durch das Verkehrssteuerungssystem die
variierbaren Größen üblicherweise
bei jeder Simulation neu definiert werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass
den Steuerungsdaten in Abhängigkeit
von den weiteren Eingangsgrößen und/oder
-faktoren eine Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung zugeordnet
wird. Die oben näher
ausgeführten
zusätzlichen
Parameter gehen also direkt in die Bestimmung der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
mit ein und erhalten daher vorteilhafterweise eine ausreichende Gewichtung
bei der Simulation und bei der von den Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
abhängigen
Gewinnung der Verkehrssituationsdaten. Z. B. kann so berücksichtigt
werden, dass Höchstgeschwindigkeitsgebote bei
sehr schlechtem Wetter in der Regel eher befolgt werden als bei
schönem
Wetter.
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Besonders
bevorzugt werden den Steuerungsdaten und/oder weiteren Eingangsgrößen und/oder
-faktoren und/oder Kombinationen hiervon Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
aus einem Datenbanksystem zugeordnet. Dies bedeutet, dass in oder
in Verbindung mit der Verhaltenswahrscheinlichkeits-Ermittlungseinheit
eine Zuordnungsdatenbank vorgesehen ist, in der z. B. matrizenartig bestimmten
Steuerungsdaten bzw. Eingangsgrößen bzw.
bestimmten Kombinationen dieser Steuerungsdaten und Eingangsgrößen Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen,
beispielsweise in Form von Wahrscheinlichkeitskurven zugeordnet
sind. Im Betrieb sucht die Verhaltenswahrscheinlichkeits-Ermittlungseinheit
in dieser Datenbank bzw. Matrix jeweils die Konstellation von Eingangsgrößen bzw.
Steuerungsdaten oder Kombinationen davon, die einer definierten
Datenbankangabe am nächsten
kommt und speist die dieser Datenbankangabe zugeordnete Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung
in die Verkehrssituationssimulations-Einheit ein. Eine derartige datenbankbasierte
Zuordnung von Konstellationen zu Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
bewirkt unter anderem vorteilhafterweise, dass das System im Betrieb
nicht mit unnötigen
Berechnungsaufgaben von Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
belastet wird, sondern auf vorab generierte, empirisch und systematisch
akquirierte Daten zu Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen zurückgreifen
kann. Damit werden das System und das Verfahren effektiviert und
speziell bei einer Vielzahl von berücksichtigten Einflussfaktoren
trotzdem betriebsfähig
gehalten.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden bestimmten Steuerungsparametertypen bestimmte
Basis-Verhaltenwahrscheinlichkeitskurven zugeordnet und die Basis-Verhaltenwahrscheinlichkeitskurven
in Abhängigkeit
eines Steuerparameterwerts und/oder von weiteren Parametern gemäß einer
vorgegebenen Regel verändert.
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Üblicherweise
verändert
sich eine Verhaltenwahrscheinlichkeitsverteilung bei Änderung
von Steuerungsdaten nicht nur hinsichtlich eines Kurvenparameters
der Wahrscheinlichkeitskurve, sondern hinsichtlich mehrerer solcher
Parameter. Würde
beispielsweise die zulässige
Höchstgeschwindigkeit
von 100 km/h auf 160 km/h heraufgesetzt, so würde sich die Wahrscheinlichkeitskurve
nicht formgleich von einem Geschwindigkeitsbereich um die 100 km/h
in Richtung eines Geschwindigkeitsbereichs um die 160 km/h verschieben.
Vielmehr ist zu erwarten, dass bei einer Geschwindigkeitsbeschränkung auf
100 km/h zahlreiche Verkehrsteilnehmer tendenziell leicht mehr als
diese Höchstgeschwindigkeit
fahren würden
und sich daher eine hohe Wahrscheinlichkeit im Bereich in etwa von
100 km/h ergibt. Dagegen ist bei einer Beschränkung auf 160 km/h davon auszugehen,
dass zahlreiche Verkehrsteilnehmer weniger als diese Geschwindigkeit
fahren möchten
und sich daher eine ausgeglichenere Kurve ergibt, die eher langgestreckt
und weniger bauchig ist als die vorher erwähnte, und dass eine deutlich
geringere Anzahl von Verkehrsteilnehmern die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 160
km/h überschreiten
wird. Dies ist damit zu erklären,
dass die Wunschgeschwindigkeit vieler Verkehrsteilnehmer, also die
Geschwindigkeit, die sie unter den durch Fahrzeug und Fahrweg gegebenen
Bedingungen zu fahren wünschen,
tendenziell unterhalb der angegebenen zulässigen Höchstgeschwindigkeit liegt,
so dass die Verkehrsteilnehmer einfach diese Wunschgeschwindigkeit
anstreben und jedenfalls keinen Grund dafür sehen, eine Geschwindigkeitsübertretung
zu riskieren.
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Um
die zahlreichen Veränderungen
der Verhaltenswahrscheinlichkeitskurven bei Variierung nur eines
Steuerungsparameterwerts, also beispielsweise eines Steuerungsdatums,
abzubilden, nutzt die Ausführungsform
also Basis-Verhaltenswahrscheinlichkeitskurven und vorgegebene Regeln
zur Veränderung
dieser Kurven. Hierdurch wird unter anderem vorteilhafterwei se erreicht,
dass für
einen variierbaren Steuerungsparameter bereits eine Berechnungsgrundlage
besteht, die dann nur noch in begrenzterem Umfang je nach Steuerungsparameterwert
variiert werden muss, um zu der gewünschten konkreten Verhaltenswahrscheinlichkeitskurve
zu gelangen. Hierdurch wird die Kapazität der Prüfeinrichtung effektiver ausgenützt. Besonders
deutlich kommt der Vorteil dieser Ausführungsform dann zum Tragen,
wenn bei den Steuerungsparametertypen unterschieden wird zwischen
Geboten und Verboten. Bei Geboten wird die Basis-Verhaltenswahrscheinlichkeitskurve
tendenziell eine breitere Ausdehnungsform annehmen als bei Verboten.
Besteht zum Beispiel ein Geschwindigkeitsgebot von 130 km/h, so werden
sich weniger Verkehrsteilnehmer daran halten als wenn es sich bei
den 130 km/ um eine zulässige
Höchstgeschwindigkeit
handelt. Es ist daher zu erwarten, dass mehr Verkehrsteilnehmer
auch deutlich schneller als 130 km/h fahren, während sich bei der Höchstgeschwindigkeit
die Ausreißer
nach oben in engen Grenzen halten.
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Diese
Ausführungsform
kann alleine oder in Kombination mit der vorher dargelegten datenbank-basierten
Ausführungsform
angewandt werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Simulation eine mikroskopische Simulation,
die das Verhalten einzelner Verkehrsteilnehmer und/oder einzelner
Kleingruppen von Verkehrsteilnehmern simuliert, wobei auf Basis
der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen jedem der Verkehrsteilnehmer
und/oder jeder der Kleingruppen eine Verhaltensweise in Bezug zu einzelnen
Steuerungsdaten zugeordnet wird.
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Zum
besseren Verständnis
wird der Begriff der Kleingruppe von Verkehrsteilnehmern als eine Gruppe
von Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrsbereich definiert, welche
nicht die Gesamtheit aller Verkehrsteilnehmer umfasst, sondern in
einem mikroskopischen Sinnzusammenhang zueinander steht. Beispielsweise
können
dies Fahrzeuge einer bestimmten Fahrzeugklassifika tion sein oder
Fahrzeuge, die einem bestimmten Zweck dienen, wie beispielsweise
Lieferfahrzeuge oder Fahrzeuge einer Fahrzeugflotte, oder Fahrzeuge,
die in einem bestimmten Teilabschnitt eines Verkehrsbereichs verkehren.
Als Basis für
eine Fahrzeugklassifikation kann beispielsweise die sogenannte 8
+ 1-Klassifizierung verwendet werden: Sie unterscheidet zwischen Motorrädern, PKW,
Lieferwagen, PKW mit Anhängern,
LKW, LKW mit Anhängern,
Sattelschleppern, Bussen und sonstigen Kfz. Andere Klassifizierungsarten
sind jedoch auch möglich.
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In
der Kombination einer mikroskopischen Simulation mit der Ermittlung
von Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen, die sich dann auf
Mikroeinheiten wie Verkehrsteilnehmer bzw. Kleingruppen im Verkehrsbereich
beziehen, entfaltet die Erfindung in ganz besonderer Art und Weise
ihre Vorteile. Es wird nämlich
durch die Verwendung von Verhaltenswahrscheinlichkeiten als Basis
für die
Simulation des Verhaltens der einzelnen Einheiten möglich, eine
um mehrere Grade genauere Simulation von Verkehrsabläufen zu
ermöglichen.
Hinzu kommt, dass durch Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
eine derartige Vielzahl von Verkehrseinflussfaktoren berücksichtigt
werden kann, dass auch die Mikrosimulation selbst auf eine neue
Qualitätsstufe
gehoben wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform werden den einzelnen
Verkehrsteilnehmern und/oder den einzelnen Kleingruppen jeweils
Einzel-Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen zugeordnet. Auf
Basis dieser Einzel-Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen wird dann
den jeweiligen Verkehrsteilnehmern bzw. Kleingruppen ein konkretes
Verkehrsverhalten für
eine bestimmte Situation zugeordnet.
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Dies
bedeutet, dass auf einer Mikrobetrachtungsebene nochmals statistische
und stochastische Methoden verwendet werden, um Verkehrsteilnehmern
bzw. Kleingruppen bestimmte Verhaltensweisen zuzuordnen bzw. die
Wahrscheinlichkeit einer Verhaltensweise in einer bestimmten Situation
zu definieren. Unter anderem ergibt sich daraus der Vorteil der
nochmals deutlich tiefer gehenden Detaillierung, aufgrund derer
das erfindungsgemäße System
nach dieser vorteilhaften Weiterbildung eine kaum zu überbietende
Realitätsnähe der Simulation
bietet.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Verkehrssimulation für einen begrenzten Verkehrsbereich,
zum Beispiel für
einen Streckenabschnitt oder ein Stadtgebiet, durchgeführt. Gemäß besonders
vorteilhaften Weiterbildungen umfasst dieser Verkehrsbereich Verkehrsstrecken,
die für
hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind und/oder er umfasst mehrheitlich
außerörtliche
Verkehrsstrecken. Die Simulation innerhalb eines definierten Verkehrsbereichs
stellt vorteilhafterweise sicher, dass eine Vielzahl von Einflussfaktoren
und Steuerungsdaten nur in Bezug auf diesen Verkehrsbereich erfasst
werden müssen
und zusätzliche
Fremdeinwirkungen aus anderen Verkehrsbereichen bei der Simulation
unberücksichtigt
bleiben können.
Dies erhöht
insbesondere die Effektivität bei
der Prüfung
des Verkehrssteuerungssystems, da bei uneingegrenzten Datenmengen
sowohl die Berechnungskapazitäten
des Systems an ihre Grenzen gelangen als auch Einflussgrößen in ihrer
Gewichtung sehr leicht falsch bewertet werden könnten. Für die in den Verkehrsbereich
einfahrenden und ausfahrenden Fahrzeuge können pauschale Werte auf Basis
von statistischen Erfassungen angenommen werden. Ebenso können reale
Werte aus eventuell bereits für
angrenzende Verkehrsbereiche installierten oder simulierten Verkehrssteuerungssystemen übernommen
werden.
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Besonders
für Verkehrsstrecken,
die für hohe
Geschwindigkeiten, das heißt
solche Verkehrsstrecken, die ihrer ursprünglichen oder tatsächlichen Bestimmung
nach für
Geschwindigkeiten >=
60 km/h ausgelegt sind, und speziell für mehrheitlich außerörtliche
Verkehrsstrecken, entfaltet die Erfindung ganz besonders ihre Vorteile,
da sich mit der Geschwindigkeit der Einfluss externer Einflussfaktoren auf
das Verkehrsgeschehen erhöht,
und da im außerörtlichen
Bereich beispielsweise spezielle Einflussfaktoren wie die Wetterlage
oder die Regulie rung der Geschwindigkeit eine deutlich größere Rolle
spielen als im innerörtlichen
Bereich. Außerdem
sind erfahrungsgemäß, wenn
die Möglichkeit
zum Fahren höheren
Geschwindigkeiten gegeben ist, die Verhaltensabweichungen von unterschiedlichen
Verkehrsteilnehmern trotz Verkehrssteuerungsmaßnahmen zumindest in absoluten
Werten gerechnet größer als in
einem Bereich, in dem nur niedrigere Geschwindigkeiten gefahren
werden können.
Eine ganz besonders vorteilhafte Wirkung entfaltet sich daher bei Hochgeschwindigkeitsstrecken
wie Schnellstraßen, im
Speziellen mehrspurigen Schnellstraßen, und Autobahnen bzw. bei
kreuzungsfreien bzw. höhenfreien Strecken.
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Die
Erfindung entfaltet in besonders vorteilhafter Weise ihre Wirkung,
wenn der Detaillierungsgrad der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen in
Abhängigkeit
von der zur Verfügung
stehenden Rechnerkapazität
der Prüfeinrichtung
und/oder der zur Verfügung
stehenden Datenbasis, insbesondere an Steuerungsdaten, gewählt wird.
Ziel einer entsprechenden Einschränkung des Detaillierungsgrades
ist es, eine schnelle und effektive Simulation bei gleichzeitig
größtmöglicher
Detaillierungstiefe der Basis für
die Simulation zu erreichen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren
anhand von Ausführungsbeispielen
noch einmal näher
erläutert.
Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit
identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Blockdarstellung eines Verkehrssteuerungssystems gemäß dem Stand der
Technik zur Erläuterung
des Ablaufs einer Verkehrssteuerung,
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2 eine
vereinfachte Blockdarstellung eines Verkehrssteuerungssystems mit
einem Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung
zur Erläuterung
eines möglichen
Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Prüfen
des Verkehrssteuerungssystems,
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3 ein
Beispieldiagramm für
Verhaltenwahrscheinlichkeitsverteilungen bei unterschiedlichen Verkehrssteu erungsdaten
und für
unterschiedliche Verkehrsmittelarten,
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4 ein
detailliertes Ablaufschema einer Simulation im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 eine
schematische Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung.
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In 1 ist
ein Verkehrssteuerungssystem VSS mit folgenden Komponenten dargestellt:
einem Detektionssystem DE, einem Analyse- und Vorhersagemodul AN,
einem Response-Plan-Modul RP, einem Kontrollmodellmodul CM, einem
Verkehrsaktuatorensystem VA und einer graphischen Benutzeroberfläche GUI.
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Das
Detektionssystem DE umfasst mehrere Sensoren S1,
S2, S3, S4, die an unterschiedlichen Stellen im Verkehrsbereich
aufgestellt sind. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Video-Überwachungskameras, Infrarotkameras,
RFID-Empfängersysteme
und Induktionsschleifen. Analog umfasst das Verkehrsaktuatorensystem
VA mehrere Aktuatoren A1, A2,
A3, beispielsweise in Form von variablen Geschwindigkeitsanzeigen,
variabel adaptierbaren Richtungspfeilen für Fahrbahnen und Anzeigen für Warnhinweise
in einem Verkehrsbereich, z. B. einem Autobahnabschnitt.
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Im
Betrieb des Verkehrssteuerungssystems VSS ergibt sich folgender
prinzipieller Ablauf: Die aktuelle Verkehrssituation VSI im Verkehrsbereich
wird mit Hilfe der Sensoren S1, S2, S3, S4 des
Detektionssystems DE erfasst. Die Sensoren S1,
S2, S3, S4 generieren Messdaten MD in Form von Rohdaten
oder aufbereiteter Rohdaten, die an das Analyse- und Vorhersagemodul
AN weitergeleitet werden. Rohdaten können beispielsweise einfache
Signale für
jedes Fahrzeug sein, das über
den Sensorbereich einer Induktionsschleife fährt oder in sonstiger Weise
von einem Sensor detektiert wird. Aufbereitete Rohdaten wären in diesem
Beispiel Informationen über
die Verkehrsdichte, die darauf basieren, dass eine Schaltung durch
Zählen
der erwähnten
Signale über
eine Messzeit einen Wert bildet. Das Analyse- und Vorhersagemodul
AN generiert aus den Messda ten MD Analyse- und Vorhersagedaten AD,
die einerseits zur graphischen Darstellung an die graphische Benutzeroberfläche GUI
und andererseits an das Response-Plan-Modul RP weitergeleitet werden.
Das Response-Plan-Modul RP erarbeitet auf dieser Basis unter Verwendung
von hinterlegten Regeln R1 eine Response-Plan-Eingabe
RE und gibt diese an das Kontrollmodellmodul CM weiter. Die Regeln
R1 und/oder die Response-Plan-Eingabe RE kann sich ein Operator
OP über
die graphische Benutzeroberfläche
GUI anzeigen lassen und ggf. auch verändern. Das Kontrollmodellmodul
CM erhält
weiterhin optional über
die graphische Benutzeroberfläche
GUI von einem Operator OP Eingabebefehle ME. Auf Basis der Response-Plan-Eingabe RE und der
Eingabebefehle ME und mit Hilfe hinterlegter Regeln R2 generiert
das Kontrollmodellmodul CM Steuerungsdaten SD für das Verkehrsaktuatorensystem
VA bzw. für dessen
Aktuatoren A1, A2,
A3. Die graphische Benutzeroberfläche GUI
kommuniziert sowohl mit dem Response-Plan-Modul RP als auch mit
dem Kontrollmodellmodul CM und bereitet deren Informationen bzw. Daten
graphisch auf. Durch die Aktuatoren A1,
A2, A3 des Verkehrsaktuatorensystems
VA nimmt das Verkehrssteuerungssystem VSS steuernd Einfluss auf die
Verkehrssituation VSI im Verkehrsbereich. Es entsteht ein geschlossener
Regelkreis, da die veränderte
Verkehrssituation VSI wiederum über
das Detektionssystem DE zurück
in das Verkehrssteuerungssystem VSS rückgekoppelt wird.
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In 2 ist
das selbe Verkehrssteuerungssystem VSS gezeigt, mit dem Unterschied,
dass das Detektionssystem DE und das Verkehrsaktuatorensystem VA
hier nicht verwendet werden. Stattdessen finden die Steuerungsdaten
SD des Kontrollmodellmoduls CM Eingang in eine Simulation SIM, in
der virtuell Aktuatoren A1', A2', A3' eines virtuellen
Verkehrsaktuatorensystems VA' entsprechend
gesteuert werden. Das aktuelle Ergebnis einer Simulation ist dann jeweils
eine virtuelle Verkehrssituation, aus der Verkehrssimulationsdaten
VSD hervorgehen, die virtuellen Messdaten MD' eines virtuellen Detektionssystems
DE' mit Sensoren
S1',
S2',
S3',
S4' entsprechen. Die
Verkehrssimulationsdaten VSD gehen direkt in das Analyse- und Vorhersagemodul
AN ein. Die Simulation erfolgt dabei erfindungsgemäß auf der
Basis von Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV.
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Graphen
für solche
Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV1,
VWV2 sind unter anderem in 3 für das Geschwindigkeitsverhalten
von Verkehrsteilnehmern dargestellt. Aufgetragen ist in 3 die
Wahrscheinlichkeit N (in willkürlichen
Einheiten), dass ein Verkehrsteilnehmer mit einer bestimmten Geschwindigkeit
fährt.
Dabei bezieht sich eine erste Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung VWV1 auf die Verhaltenswahrscheinlichkeit von
allen Verkehrsteilnehmern in einem Verkehrsbereich unter der Prämisse einer
ersten zulässigen
Höchstgeschwindigkeit
vmax1 und eine zweite Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung
VWV2 auf die Verhaltenswahrscheinlichkeit
von allen Verkehrsteilnehmern unter der Prämisse einer zweiten zulässigen Höchstgeschwindigkeit
vmax2. vmax2 ist
größer als
vmax1. In diesem Beispiel variieren die
Kurven der beiden Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV1, VWV2 deutlich
in ihrer Form, was der Realität
in den meisten Fällen
entspricht. Dies hängt
damit zusammen, dass bei einer höheren
zulässigen
Höchstgeschwindigkeit
andere Verhaltensmuster greifen als bei einer niedrigeren. Zur näheren Betrachtung
sind in Bezug auf die erste Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung
VWV1 zwei verkehrsmittelartbezogene Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV1PKW und VWV1LKW dargestellt,
die sich auf das Verhalten von PKW-Fahrern und von LKW-Fahrern beziehen.
Da LKWs in der Regel mit einem Fahrtenschreiber ausgestattet sind,
halten sich die LKW-Fahrer statistisch betrachtet – bis auf
eine geringe Überschreitung
in einem noch straffreien Bereich – deutlich gewissenhafter an
zulässige
Höchstgeschwindigkeiten
als PKW-Fahrer.
Daraus ergibt sich ein Maximum der auf die LKW bezogenen Kurven
VWV1LKW kurz oberhalb der zulässigen Höchstgeschwindigkeit
vmax1, während
die Bandbreite der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung VWV1PKW der PKW-Fahrer beidseitig der Höchstgeschwindigkeit
vmax1 größer ist.
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Solche
Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen für Steuerungsparameter wie die
Geschwindigkeitsbegrenzung und im Detail heruntergebrochen auf einzelne
Kategorien von Verkehrsteilnehmern bilden die Basis für die in 2 dargestellte
Simulation SIM.
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Im
Detail wird ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf
in 4 dargestellt. In eine Verkehrssituations-Simulationseinheit 5 werden
Steuerungsdaten SD aus einem zu prüfenden Verkehrssteuerungssystem
VSS und optional zusätzliche
Eingangsdaten ED wie Wetterinformationen von weiteren Informationsquellen
IQ eingespeist. Eine Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungs-Ermittlungseinheit 9 wählt aus
einer Datenbank DB, in der Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen
VWV1, VWV2, VWV3 enthalten sind, die Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung
VWV2 aus, die den Steuerungsdaten SD und
den zusätzlichen
Eingangsdaten ED entspricht. Sie weist aus dieser Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilung
VWV2 heraus den Fahrzeugkategorien Personenkraftwagen
PKW, Lastkraftwagen LKW, Busse BUS und Krafträder KRAD jeweils fahrzeugkategoriebezogene
Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV2PKW,
VWV2LKW, VWV2BUS,
VWV2KRAD zu. Hieraus wird für Einzelfahrzeuge
jeweils ein Verkehrsverhalten VV2PKW1, VV2PKW2, VV2PKW3, VV2KRAD1, VV2KRAD2 nach
dem Zufallsprinzip zugeteilt. Daraus ergibt sich in der Simulation
eine simulierte Verkehrssituation VSI, die sich beispielsweise in
der aktuellen Verkehrsdichte VD, dem Verkehrsfluss VF, Verkehrsproblemen
VP und der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Verkehrs VG manifestiert.
Basierend auf diese Verkehrssituation VSI generiert die Verkehrssituations-Simulationseinheit 5 Verkehrssimulationsdaten
VSD, entsprechend der Messdaten MD des Verkehrssteuerungssystems VSS,
die sie zurück
in das Verkehrssteuerungssystem einspeist, um den Regelkreis zu
schließen.
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Die
Funktionstüchtigkeit
und Qualität
des Verkehrssteuerungssystems VSS erweist sich dann, wenn die Simulation
SIM bei unterschiedlichen Steuerungsdaten SD bzw. der zusätzlichen
Eingangsdaten ED zeigt, dass keine erheblichen Verkehrsstö rungen generiert
werden, sondern im Gegenteil tendenziell eine Optimierung von Verkehrsflüssen und Emissionen
sowie eine Reduzierung von Verkehrsrisiken erreicht wird.
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5 zeigt
schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 1. Sie
weist eine Datenübernahmeschnittstelle 3,
eine Verkehrssituations-Simulationseinheit 5, eine Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungs-Ermittlungseinheit 9,
eine Analyseeinheit 13 und eine Datenübergabeschnittstelle 11 auf.
Innerhalb der Verkehrssituations-Simulationseinheit 5 ist
eine Verkehrssimulationsdaten-Erzeugungseinheit 7 angeordnet.
Die Prüfeinrichtung 1 erhält von einem
Verkehrssteuerungssystem VSS Steuerungsdaten SD über die Datenübernahmeschnittstelle 3.
In der Verkehrssituations-Simulationseinheit 5 wird auf
Basis von durch die Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungs-Ermittlungseinheit 9 ermittelten
Verhaltenswahrscheinlichkeitsverteilungen VWV eine Verkehrssituation
simuliert und werden daraus durch die Verkehrssimulationsdaten-Erzeugungseinheit 7 Verkehrssimulationsdaten
VSD erzeugt. Diese Verkehrssimulationsdaten VSD gelangen über die
Datenübergabeschnittstelle 11 zurück in das
Verkehrssteuerungssystem VSS. Die Analyseeinheit 13 analysiert
die Qualität
der Verkehrssteuerung des Verkehrssteuerungssystems VSS auf Basis
der oben genannten Kriterien und liefert somit das Prüfergebnis
für das
Verkehrssteuerungssystem VSS.
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend
detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei der dargestellten
Prüfeinrichtung
lediglich um Ausführungsbeispiele
handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert
werden können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung
der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht aus, dass
die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Außerdem können „Module" und „Einheiten" aus einer oder mehreren,
auch räumlich
verteilt angeordneten, Komponenten bestehen.