DE19944077A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur VerkehrszustandsüberwachungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Verkehrszustands, bei dem an Meßstellen aufgenommene Verkehrsdaten, die wenigstens Informationen über die Verkehrsstärke und/oder die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen, zur Bestimmung des Verkehrszustands wenigstens in Form einer Klassifizierung desselben in verschiedene Zustandsphasen ausgewertet werden, zu denen mindestens die Phasen freien Verkehrs und synchronisierten Verkehrs gehören. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder eine Prognose der zukünftigen Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem Bereich synchronisierten Verkehrs vorgenommen, wobei als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrgeschwindigkeit im entsprechenden Zeitraum einerseits an einer Meßstelle im Bereich des freien Verkehrs und andererseits an einer Meßstelle im Bereich des synchronisierten Verkehrs herangezogen werden. Das Verfahren wird vorzugsweise von einer Recheneinheit einer Verkehrszentrale durchgeführt, insbesondere unter Verwendung eines Fuzzy-Logik-Systems. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Verkehrszustandsüberwachung in einem Straßenverkehrsnetz.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung des
Verkehrszustands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf
eine mit einem solchen Verfahren arbeitende Vorrichtung.
Verfahren zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands auf
einem Verkehrsnetz, z. B. einem Straßenverkehrsnetz, sind ver
schiedentlich bekannt und besonders auch für diverse Telematik
anwendungen in Fahrzeugen von Interesse. Ein Ziel dieser Verfah
ren ist es, aus den an Verkehrsmeßstellen erfaßten Verkehrsmeß
daten eine qualitative Beschreibung des Verkehrszustands an der
jeweiligen Meßstelle und deren Umgebung zu gewinnen. Meßstellen
in diesem Sinn sind vorliegend sowohl stationär wegenetzseitig
installierte Meßstellen als auch bewegliche Meßstellen, wie sie
beispielsweise von im Verkehr mitschwimmenden Stichprobenfahr
zeugen (sogenannten "floating cars") repräsentiert werden.
Zur qualitativen Beschreibung des Verkehrszustands ist es be
kannt, diesen in verschiedene Phasen einzuteilen, z. B. in eine
Phase "freier Verkehr", bei der schnellere Fahrzeuge problemlos
überholen können, eine Phase "synchronisierter Verkehr", bei dem
kaum Möglichkeiten zum Überholen bestehen und alle Fahrzeuge mit
sehr ähnlicher Geschwindigkeit fahren, jedoch noch eine hohe
Verkehrsstärke vorherrscht, und eine Phase "Stau", bei der die
Fahrzeuge nahezu stillstehen und auch die Verkehrsstärke auf
sehr niedrige Werte sinkt, siehe z. B. den Zeitschriftenaufsatz
B. S. Kerner und H. Rehborn, "Experimental properties of comple
xity in traffic flow", Physical Review E 53, R 4275, 1996. Der
Phaseneinteilung liegt die Idee zugrunde, die Phasen so zu wäh
len, daß jede von ihnen speziellen charakteristischen Eigen
schaften des Verkehrsablaufs entspricht, so daß die zeitliche
und örtliche Ausdehnung von Streckenabschnitten abgeschätzt wer
den kann, in denen sich der Verkehrszustand in einer bestimmten
Phase befindet. In dem Zeitschriftenaufsatz B. S. Kerner, "Expe
rimental Features of Self-Organization in Traffic Flow", Physi
cal Review Letters, Band 81, Nr. 17, Seite 3797 werden in der
Phase "synchronisierter Verkehr" Bereiche "gestauchter synchro
nisierter Verkehr" (sogenannte "pinch region") ausgewählt und
gesondert behandelt. Dies sind Bereiche innerhalb von synchroni
siertem Verkehr, in denen nur sehr niedrige Geschwindigkeiten
gefahren werden können und in denen sich spontan kurze Stauzu
stände bilden, die stromaufwärts wandern und dabei anwachsen
können, was dann eventuell zu einem bleibenden Stauzustand füh
ren kann.
Zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands "Stau" sind
bereits verschiedene Verfahren bekannt, siehe die in der Offen
legungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebene automatische Stau
dynamikanalyse und aus der dort genannten Literatur bekannte Me
thoden. In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Pa
tentanmeldung Nr. 198 35 979.9 ist des weiteren die Überwachung
und Prognose von synchronisiertem Verkehr beschrieben, insbeson
dere die Erkennung des Phasenübergangs zwischen freiem und syn
chronisiertem Verkehr und eine Prognose über die räumliche Aus
dehnung von synchronisiertem Verkehr, indem auf die Position der
stromaufwärtigen Flanke desselben dadurch geschlossen wird, daß
für eine entsprechende stromaufwärtige Meßstelle spezielle Be
dingungen für einen induzierten stromaufwärtigen Phasenübergang
vom freien zum synchronisierten Verkehr nicht mehr erfüllt sind
oder ein breiter Stau entstanden ist.
Verschiedentlich wurde für gewisse Problemstellungen der Ver
kehrstechnik auch schon die Verwendung von Fuzzy-Logik-Methoden
vorgeschlagen, so beispielsweise in der Patentschrift US 5.684.475
zur Erkennung von Verkehrsstörungen, die zu einer Unterbrechung
des Verkehrsflusses führen.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
eines Verfahrens der eingangs genannten Art und einer damit ar
beitenden Vorrichtung zugrunde, mit denen der aktuelle Verkehrs
zustand hinsichtlich unterschiedlicher Zustandsphasen und beson
ders hinsichtlich synchronisiertem Verkehr und dem Phasenüber
gang von freiem zu synchronisiertem Verkehr vergleichsweise
zuverlässig überwacht werden kann und auf dieser Basis bei Be
darf auch eine vergleichsweise zuverlässige Prognose des zukünf
tigen Verkehrszustands möglich ist.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines
Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vor
richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich unter anderem da
durch aus, daß laufend die aktuelle Position der stromaufwärti
gen Flanke eines jeweiligen Bereichs mit synchronisiertem Ver
kehr, d. h. der Grenze zwischen einem Bereich freien Verkehrs und
einem stromabwärts anschließenden Bereich synchronisierten Ver
kehrs, ermittelt und/oder laufend die zukünftige Position dieser
Flanke prognostiziert wird, jeweils anhand von Eingangsgrößen,
die zumindest Daten über den zeitlichen Verlauf der Verkehrs
stärken, d. h. der Verkehrsflüsse, und/oder der mittleren Fahr
zeuggeschwindigkeiten in einem jeweiligen vorgegebenen Zeitin
tervall einerseits an einer Meßstelle im Bereich des freien Ver
kehrs und andererseits an einer Meßstelle im Bereich des syn
chronisierten Verkehrs umfassen.
Die zeitabhängige Position dieser Flanke wird mit diesem Verfah
ren auch dann relativ zuverlässig aktuell geschätzt und für zu
künftige Zeitpunkte prognostiziert, wenn sie sich zum betreffen
den Zeitpunkt nicht an einer Meßstelle, sondern irgendwo zwi
schen zwei Meßstellen befindet. Denn anhand der Daten über die
Verkehrsstärken in dem vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktu
ellen Zeitpunkt bzw. bis zum Prognosehorizont, die zum einen an
der Meßstelle im Bereich freien Verkehrs und zum anderen an der
Meßstelle im Bereich synchronisierten Verkehrs aufgenommen wer
den, kann die Position der stromaufwärtigen Flanke des synchro
nisierten Verkehrs relativ gut ortsaufgelöst zwischen den beiden
Meßstellen aktuell geschätzt bzw. für die Zukunft prognostiziert
werden. Die Dichte der Meßstellen braucht daher nicht so groß
gewählt zu werden wie die gewünschte Ortsauflösung für die Er
kennung der Flanken der verschiedenen Verkehrszustände. Durch
Kombination der Fähigkeit zur Erkennung der Ausdehnung von syn
chronisiertem Verkehr mit einem der bekannten Verfahren zur Er
kennung der Lage von Staus läßt sich die Lage von Bereichen
freien Verkehrs, synchronisierten Verkehrs und Staus auf dem be
trachteten Verkehrsnetz vergleichsweise gut feststellen und prog
nostizieren, d. h. die verschiedenen Verkehrszustandsphasen kön
nen als verkehrliche Objekte in ihrer Ausdehnung und Dynamik auf
dem Verkehrsnetz gut verfolgt werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 2 ermöglicht zusätzlich die aktuelle Erkennung und zu
künftige Prognose des Zustands gestauchten synchronisierten Ver
kehrs, wiederum durch geeignete Auswertung von Eingangsgrößen,
die mindestens den zeitlichen Verkehrsstärkeverlauf und/oder den
zeitlichen Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in ei
nem vorgegebenen Zeitintervall umfassen. Zudem können dadurch
Staus prognostiziert werden, die sich eventuell aus solchen Be
reichen gestauchten synchronisierten Verkehrs bilden.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 erfolgt die
Erkennung der einzelnen Verkehrszustandsphasen sowie die Schät
zung und Prognose der zeitabhängigen Position von Flanken zwi
schen verschiedenen Verkehrszustandsphasen derselben mit Hilfe
einer Fuzzy-Logik-Methode. Bevorzugt bilden hierbei die zur Fuz
zifizierung der Eingangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunk
tionen adaptiv anpaßbare Parameter, die durch Abgleich der aktu
ell erfaßten Flankenposition mit der für diesen Zeitpunkt früher
prognostizierten Flankenposition angepaßt werden können.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch
4 beinhaltet den Einsatz einer geeigneten Fuzzy-Logik speziell
zur Erkennung von gestauchtem synchronisiertem Verkehr an einer
Meßstelle.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 5 beinhaltet einen geeigneten Einsatz einer Fuzzy-Logik
speziell zur Bestimmung, welcher der verschiedenen möglichen
Verkehrszustände an einer jeweiligen Meßstelle vorliegt.
Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Verfahren werden Meß
daten von im Verkehr mitschwimmenden Detektoren, wie z. B. die
eingangs erwähnten "floating car data" (FCD), speziell in der
Weise verwendet, daß daraus Mittelwerte gebildet werden und die
se als Meßdaten einer fiktiven Meßstelle behandelt werden, deren
Position in Abhängigkeit von den Positionen der im Verkehr mit
schwimmenden Detektoren ermittelt wird.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 7 werden als Eingangsgrößen zur Bestimmung des Verkehrs
zustands an einer Meßstelle neben der mittleren Fahrzeugge
schwindigkeit und/oder der Verkehrsstärke auch daraus geeignet
ermittelte zeitliche Änderungen wenigstens einer dieser Varia
blen herangezogen. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Maß
nahme wird gemäß Anspruch 8 der Quotient dieser zeitlichen Ände
rungen der beiden Größen als eine weitere Eingangsgröße zur Be
stimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle im Rahmen einer
Fuzzy-Logik-Methode herangezogen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 9 erfolgt eine Prognose darüber, ob ein momentan an einer
Meßstelle vorliegender Zustand freien Verkehrs in einen zukünf
tigen Zustand synchronisierten Verkehrs übergeht, durch eine ge
eignete Fuzzy-Logik, bei der als eine Eingangsgröße die Diffe
renz zwischen prognostizierter bei synchronisiertem Verkehr ab
fließender und prognostizierter zufließender Verkehrsmenge an
dieser Meßstelle herangezogen und in den zugehörigen Fuzzy-
Regeln neben der Verkehrsstärke als weitere Eingangsgröße zur
Entscheidung darüber verwendet wird, ob ein Phasenübergang von
freiem zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr während des Pro
gnosezeitraums zu erwarten ist.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 10 wird als eine der Eingangsgrößen zur Bestimmung der
Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts da
von liegendem synchronisiertem Verkehr die Differenz der Ver
kehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr liegende Meß
stelle seit des dortigen Auftretens des Zustands synchronisier
ten Verkehrs passiert hat, und der im gleichen Zeitraum in den
Bereich synchronisierten Verkehrs eingeströmten Verkehrsmenge
herangezogen, wie sie von einer im stromaufwärtigen freien Ver
kehr befindlichen Meßstelle erfaßt wird, wobei zusätzlich even
tuell vorhandene Zu- und Abfahrten zwischen den beiden Meßstel
len berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung dieser Verkehrs
mengendifferenz verbessert die Qualität der Prognose über die
zeitabhängige Flankenposition zwischen den beiden Meßstellen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 11 beinhaltet eine ähnliche Vorgehensweise für die pro
gnostische Bestimmung der Flankenposition für den Fall, daß sich
der synchronisierte Verkehr zurückbildet. Dazu wird wiederum ei
ne entsprechend ermittelte Verkehrsmengendifferenz als eine für
die Flankenposition relevante Eingangsgröße verwendet, wobei in
diesem Fall die Verkehrsmengenermittlung auf den Zeitraum seit
Übergang von synchronisiertem zu freiem Verkehr an der stromauf
wärtigen der beiden Meßstellen abstellt.
Wenn die so ermittelten Verkehrsmengendifferenzen Eingangsgrößen
einer Flankenpositionsbestimmung durch eine Fuzzy-Logik sind,
ist es zweckmäßig, bei der Fuzzifizierung der Eingangsgrößen für
den Fall der Rückbildung des synchronisierten Verkehrs andere
Parameter zu verwenden als für den Fall der Ausweitung des syn
chronisierten Verkehrs. In einer weiteren Ausgestaltung dieses
Aspekts der Erfindung wird gemäß Anspruch 12 die ermittelte Ver
kehrsmengendifferenz als jeweilige Eingangsgröße einer Fuzzy-
Logik herangezogen, die mindestens die Fuzzy-Regel umfaßt, wo
nach die zu bestimmende aktuelle Flankenposition zwischen freiem
Verkehr und stromabwärtigem synchronisiertem Verkehr bei kleiner
Verkehrsmengendifferenz nahe der stromaufwärigen Meßstelle im
freien Verkehr und bei großer Verkehrsmengendifferenz nahe der
stromabwärtigen Meßstelle im synchronisierten Verkehr liegt.
Diese Auswertung der besagten Verkehrsmengendifferenz im Rahmen
einer Fuzzy-Logik-Methode erlaubt eine vergleichsweise zuverläs
sige und genaue Bestimmung der Phasenübergangsflanke zwischen
freiem und synchronisiertem Verkehr zwischen zwei Meßstellen.
Ein nach Anspruch 13 weitergebildetes Verfahren erlaubt eine
Prognose, ob sich ein aktueller synchronisierter Verkehrszustand
ausdehnt oder ob er zurückgeht. Dazu wird als Eingangsgröße ei
ner entsprechenden Fuzzy-Logik die Verkehrsmengendifferenz zwi
schen dem bis zum Prognosezeitpunkt zu erwartenden Verkehrsmen
genabfluß und dem in diesem Zeitraum zu erwartenden Zufluß her
angezogen, wobei ein großer Differenzwert auf einen Rückgang und
ein kleiner Differenzwert auf eine Ausdehnung des synchronisier
ten Verkehrs hindeuten.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An
spruch 14 ist eine Reisezeitprognose für bestimmte Streckenab
schnitte des Verkehrsnetzes vorgesehen, welche auf der Prognose
des Verkehrszustands aufbaut, bei der im relevanten Prognose
zeitraum der Verkehrszustand danach klassifiziert wird, welche
der Zustandsphasen freier Verkehr, synchronisierter Verkehr und
Stau bzw. Bereiche sich bewegender breiter Staus an welchem Ort
mit welcher Ausdehnung und zu welchem Zeitpunkt auftreten. Die
beabsichtigte Fahrt wird dadurch in eine Abfolge von Fahrtab
schnitten in jeweils einer dieser Verkehrszustandsphasen bzw.
Verkehrsbereiche zerlegt. Den Zustandsphasen bzw. Verkehrsberei
chen wird jeweils eine charakteristische mittlere Geschwindig
keit zugeordnet, so daß sich die prognostizierte Reisezeit als
Summe der prognostizierten Fahrtzeiten für das Durchfahren der
bis zum Erreichen des Zielpunktes auftretenden Zustandsphasen
bzw. Verkehrsbereiche ergibt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15 beinhaltet eine Verkehrszen
trale mit einer Recheneinheit, die charakteristischerweise zur
Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14
ausgelegt ist. Insbesondere kann sie bei Bedarf ein geeignetes
Fuzzy-Logik-System enthalten. Mit dieser Recheneinheit ist die
Verkehrszentrale in der Lage, aus den von den Meßstellen empfan
genen Verkehrsdaten sowohl den aktuellen Verkehrszustand zuver
lässig abzuschätzen und damit zu überwachen als auch vergleichs
weise zuverlässige Prognosen über zukünftige Verkehrszustände zu
gewünschten Prognosezeiten und für gewünschte Streckenabschnitte
des Verkehrsnetzes zu berechnen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich
nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Streckenabschnitts
eines Straßenverkehrsnetzes mit ortsfesten und im Ver
kehr mitschwimmenden Meßstellen und einer stationären
Verkehrszentrale zur Meßdatenauswertung zwecks Überwa
chung und Prognose von Verkehrszuständen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Funktionali
tät eines in der Verkehrszentrale implementierten Fuzzy-
Logik-Systems bezüglich Bestimmung des aktuellen und zu
künftigen Verkehrszustands an einer Meßstelle,
Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch zur Veranschau
lichung einer zweiten Funktionalität des Fuzzy-Logik-
Systems zur Positionsbestimmung der Flanke zwischen
freiem und synchronisiertem Verkehr zwischen zwei Meß
stellen,
Fig. 4A und 4B grafische Darstellungen des Zugehörigkeitsgrades
für die Fuzzifizierung der Eingangsgrößen Geschwindig
keit bzw. Verkehrsstärke für die Verkehrszustandsbestim
mung an einer Meßstelle durch das Fuzzy-Logik-System,
Fig. 5A und 5B grafische Darstellungen von vier unterschiedli
chen Fällen mit jeweils drei Verkehrsstärke-Meßpunkten
für eine spezielle Ermittlung zeitlicher Änderungen von
Verkehrsstärke und mittlerer Geschwindigkeit für abneh
mende und zunehmende Verkehrsstärken,
Fig. 6A bis 6E Diagramme des Zugehörigkeitsgrades für die Ein
gangsgrößen Geschwindigkeit, Verkehrsstärke, zeitliche
Änderung von Geschwindigkeit bzw. Verkehrsstärke und zu
gehörigem Quotient für eine verfeinerte Bestimmung des
Verkehrszustands an einer Meßstelle durch das Fuzzy-
Logik-System,
Fig. 7A und 7B Diagramme des Zugehörigkeitsgrades der Verkehrs
stärke und einer ermittelten Verkehrsmengendifferenz als
Eingangsgrößen zur Prognose eines zukünftigen Phasen
übergangs von freiem zu synchronisiertem Verkehr an ei
ner Meßstelle durch das Fuzzy-Logik-System und
Fig. 8A bis 8C schematische Darstellungen der Entwicklung einer
Phase synchronisierten Verkehrs und des zugehörigem
Zeitverlaufs der als eine Eingangsgröße für die Prognose
des Phasenübergangs zwischen freiem und synchronisiertem
Verkehr im Fuzzy-Logik-System verwendeten Verkehrsmen
gendifferenz.
Fig. 1 veranschaulicht beispielhaft einen Streckenabschnitt ei
ner zweispurigen Richtungsfahrbahn 1 eines Straßenverkehrsnet
zes, dessen Verkehrszustand von einer Verkehrszentrale 2 für den
aktuellen Zeitpunkt geschätzt, d. h. rechnerisch ermittelt, und
für zukünftige Zeitpunkte prognostiziert wird. Zur Erfassung von
hierfür dienenden Verkehrsmeßdaten sind zum einen streckenseitig
fest installierte Meßstellen MF1, MF2, MF3, . . . und zum anderen be
wegliche Detektoren vorgesehen, die in Stichprobenfahrzeugen S1,
S2, S3, S4, . . . installiert sind und sogenannte "floating car
data" (FCD) liefern. Die Meßdaten werden von der räumlich ent
fernten Verkehrszentrale 2 über eine drahtlose Datenübertra
gungsstrecke 3 empfangen, wobei die empfangenen Meßdaten von ei
nem Empfänger 2a einer Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2
zur Auswertung zugeleitet werden.
Für die Meßdatenauswertung der FCD ist vorgesehen, daß die Meß
daten von mehreren, dieselbe Strecke zwischen zwei Knoten des
Verkehrsnetzes befahrenden FCD-Fahrzeugen einer Mittelung zur
Bildung einer fiktiven, beweglichen Meßstelle MB unterzogen wer
den, wenn die Meßdaten einen genügend geringen Orts- und Zeitab
stand aufweisen, der durch entsprechende Schwellwerte definiert
werden kann. Dies ist beispielsweise für die in Fig. 1 gezeigten
vier Stichprobenfahrzeuge S1 bis S4 der Fall. Aus den FCD-Daten
dieser vier Stichprobenfahrzeuge S1 bis S4, die sich zu einem
jeweiligen Zeitpunkt t1 bis t4 an einem jeweiligen Ort x1 bis x4
befinden und mit einer jeweiligen Geschwindigkeit v1 bis v4 fah
ren, werden Schätzwerte für die mittlere Verkehrsstärke q(t0)
und/oder die mittlere Geschwindigkeit v(t0) für die fiktive, mit
einer gestrichelten Linie symbolisierte Meßstelle MB an einer
Stelle x0 gebildet. Die Stelle x0 der fiktiven Meßstelle MB kann
beispielsweise durch Mittelwertbildung, z. B. eine arithmetische
Mittelwertbildung, der von den Stichprobenfahrzeugen S1 bis S4
gemeldeten Fahrzeugpositionen x1 bis x4 bestimmt werden. In glei
cher Weise können der Gültigkeitszeitpunkt t0 der gemittelten
Meßdaten aus dem (z. B. arithmetischen) Mittelwert der von den
Stichprobenfahrzeugen S1 bis S4 gemeldeten Zeitpunkte t1 bis t4
und die geschätzte effektive mittlere Geschwindigkeit v(t0) aus
dem (z. B. arithmetischen) Mittelwert der gemeldeten Geschwindig
keiten v1 bis v4 gebildet werden. Die effektive mittlere Ver
kehrsstärke q(t0) kann beispielsweise anhand einer vorgegebenen
Beziehung der Verkehrsstärke in Abhängigkeit von der Geschwin
digkeit aus der geschätzten mittleren Geschwindigkeit v(t0) abge
leitet werden.
In der Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2 ist ein geeigne
tes Verfahren zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands
auf dem betrachteten Verkehrsnetz implementiert, mit dem der
Verkehrszustand unter Berücksichtigung von Daten über die mitt
lere Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder die mittlere Verkehrsstär
ke, d. h. den mittleren Verkehrsfluß, die von den verschiedenen
stationären und beweglichen Meßstellen geliefert werden, klassi
fiziert und zwischen den Zustandsphasen "freier Verkehr", "syn
chronisierter Verkehr", "gestauchter synchronisierter Verkehr"
("pinch region"), d. h. "gestauchter Bereich im synchronisierten
Verkehr", in dem schmale Staus entstehen, die aber nicht einzeln
verfolgt werden, und "Stau" unterschieden wird. Dabei erfolgt in
einem vorgebbaren Bereich kleiner Fahrzeuggeschwindigkeiten eine
Zuordnung des Verkehrszustands zu den Zustandsphasen "Stau" oder
"synchronisierter Verkehr" in Abhängigkeit von der Verkehrsstär
ke und bei hohen Geschwindigkeiten eine Zuordnung zur Zustands
phase "freier Verkehr". Unter der Zustandsphase "Stau" wird
stets eine sich stromaufwärts bewegende Struktur verstanden, bei
der sich beide Stauflanken entgegen der Fahrtrichtung bewegen.
Innerhalb der Zustandsphase "Stau" sind sowohl die mittlere
Fahrzeuggeschwindigkeit als auch der Verkehrsfluß sehr klein.
Häufig bilden sich im Laufe der Zeit mehrere voneinander beab
standete Staus stromaufwärts des Bereiches "gestauchter synchro
nisierter Verkehr". Der Bereich, wo sich die bewegenden breiten
Staus stromaufwärts des Bereiches "gestauchter synchronisiserter
Verkehr" bilden, wird als der Bereich "sich bewegende breite
Staus" bezeichnet. Außerhalb von jedem "Stau" im Bereich "sich
bewegende breite Staus", d. h. zwischen den Staus in diesem Be
reich, kann sich sowohl die Zustandphase "freier Verkehr" als
auch "synchroniserter Verkehr" bilden.
Bestandteil dieses Verfahrens ist sowohl eine laufende Schätzung
der aktuellen Position als auch eine Prognose der zukünftigen
Position der Flanke, d. h. der Grenze, zwischen einem jeweiligen
Bereich freien Verkehrs und einem daran stromabwärts angrenzen
den Bereich synchronisierten Verkehrs, d. h. der stromaufwärtigen
Flanke des Bereichs synchronisierten Verkehrs. Als Eingangsgrö
ßen für diese Berechnungen durch die Recheneinheit 2b werden zu
mindest der zeitliche Verlauf der Verkehrsstärken in einem vor
gegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt bzw. bis zum
Prognosehorizont einerseits für eine Meßstelle im Bereich des
freien Verkehrs und andererseits für eine Meßstelle im Bereich
des synchronisierten Verkehrs herangezogen. Charakteristisch ist
hierbei, daß die Flankenposition mit Hilfe dieser Eingangsgrößen
ortsaufgelöst auch in den Zeiträumen ermittelt wird, in denen
sie sich nicht auf Höhe einer Meßstelle, sondern zwischen zwei
benachbarten Meßstellen befindet.
Darüber hinaus ist unter Heranziehung dieser Eingangsgrößen zu
sätzlich die Erkennung von gestauchten Bereichen im synchroni
sierten Verkehr vorgesehen, in denen die mittlere Fahrzeugge
schwindigkeit typischerweise wesentlich niedriger ist als im üb
rigen synchronisierten Verkehr. Um laufend eine aktuelle Schät
zung der zeitabhängigen Position der Flanken, welche einen je
weiligen Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs an beiden
Seiten begrenzen, durchzuführen, werden als Eingangsgrößen zu
mindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitli
che Verlauf der mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in
einem vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Berechnungs
zeitpunkt verwendet. Zur laufenden Prognose der zeitabhängigen
Position dieser beiden Flanken eines Bereichs gestauchten syn
chronisierten Verkehrs für zukünftige Zeitpunkte werden als Ein
gangsgrößen zumindest der prognostizierte zeitliche Verkehrs
stärkeverlauf und/oder der prognostizierte zeitliche Verlauf der
mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in einem vorgegebe
nen Zeitintervall bis zum Prognosehorizont, d. h. dem Endzeit
punkt der Prognose, verwendet. Bei entsprechendem Verkehrsauf
kommen kann sich vor allem an der stromaufwärtigen Flanke eines
Bereichs gestauchten synchronisierten Verkehrs ein breiter,
bleibender Stau bilden, d. h. ein Übergang der Zustandphase "ge
stauchter synchronisierter Verkehr" in die Zustandsphase "Stau"
auftreten. Als weitere Funktionalität des in der Verkehrszentra
le 2 implementierten Verkehrsüberwachungsverfahrens wird ein
solcher Stau mit Hilfe eines geeigneten automatischen Stauerken
nungs- und Stauverfolgungsverfahrens prognostiziert bzw. ver
folgt, z. B. unter Einsatz des in der oben genannten Offenle
gungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebenen Verfahrens. Dazu
wird die Staudynamikanalyse speziell auf den stromaufwärts an
den Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs angrenzenden
Bereich angewendet, wo sich ein breiter Stau bilden kann.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung dieser verschie
denen Funktionalitäten der Verkehrsüberwachung und Verkehrspro
gnose besteht in der Implementierung eines entsprechenden Fuzzy-
Logik-Systems in der Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2.
Das Fuzzy-Logik-System ist bevorzugt so ausgelegt, daß es eine
Zuordnung des aktuellen bzw. prognostizierten Verkehrszustands
in die verschiedenen Zustandsphasen "freier Verkehr", "synchro
nisierter Verkehr", "gestauchter synchronisierter Verkehr" und
"Stau" sowie die Schätzung und Prognose der zeitabhängigen Posi
tion der Flanken zwischen bestimmten Zustandsphasen ermöglicht.
Der Verlauf der zur Fuzzifizierung der berücksichtigten Ein
gangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunktionen ist hierbei ein
Parameter, der durch Einsatz eines adaptiven Verfahrens automa
tisch angepaßt werden kann. So kann zur Prognose für zukünftige
Zeitpunkte der zeitabhängigen Position der Flanke zwischen ver
schiedenen Zustandsphasen ein adaptives Verfahren verwendet wer
den, bei dem die zu einem Berechnungszeitpunkt t0 für einen Pro
gnosezeitpunkt tp ≧ t0 prognostizierte Flankenposition später mit
der zum Berechnungszeitpunkt tp aktuell ermittelten Flankenposi
tion verglichen wird und die Verfahrensparameter in Abhängigkeit
von diesem Vergleich so angepaßt werden, daß die mit den Ein
gangsgrößen des Zeitpunkts t0 für den Zeitpunkt tp prognosti
zierte Flankenposition besser als ursprünglich mit der zum Zeit
punkt tp aktuellen Flankenposition übereinstimmt.
Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel einer Klassifikation des ak
tuellen und zukünftigen Verkehrszustands an einer Meßstelle M
der Richtungsfahrbahn 1 z. B. einer Autobahn oder Schnellstraße.
An der Meßstelle M werden laufend, d. h. zeitabhängig die Ver
kehrsstärke q(t) und die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit v(t)
gemessen und der Verkehrszentrale 2 zur Auswertung durch das
Fuzzy-Logik-System zugeführt. Wie gezeigt, beinhaltet das Fuzzy-
Logik-System eine Einheit 3 zur Fuzzifizierung der Eingangsgrö
ßen, ein Fuzzy-Inferenzsystem 4 zur Ableitung unscharfer Ergeb
niswerte durch die Anwendung von vorgebbaren Fuzzy-Regeln auf
die fuzzifizierten Eingangsgrößen und eine Einheit 5 zur Defuz
zifizierung der unscharfen Ergebniswerte, d. h. zur Bildung eines
scharfen Ergebniswertes. Als Ergebnis der Defuzzifizierung wird
für den aktuellen Verkehrszustand an der betrachteten Meßstelle
M genau einer der Werte "freier Verkehr", "synchronisierter Ver
kehr", "gestauchter Bereich im synchronisierten Verkehr" oder
"Stau" ausgegeben, siehe Block 6 von Fig. 2. Wenn anstelle der
aktuellen Daten über die Verkehrsstärke q(t) und die mittlere
Geschwindigkeit v(t) von der Meßstelle 2 für einen zukünftigen
Zeitpunkt tp prognostizierte Werte q(tp), v(tp) verwendet werden,
so gibt das Fuzzy-Logik-System als Ergebnis den für diesen Zeit
punkt tp prognostizierten Verkehrszustand an der Meßstelle M aus,
wiederum als Information, welche der vier Zustandsphasen dann
voraussichtlich vorliegt, siehe Block 7 von Fig. 2.
Fig. 3 veranschaulicht eine Funktionalität des Fuzzy-Logik-
Systems zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen einem
Bereich freien und einem Bereich synchronisierten Verkehrs. Die
se Funktion wird aktiviert, wenn die Klassifikation des Ver
kehrszustands gemäß der oben zu Fig. 2 beschriebenen Vorgehens
weise ergibt, daß an einer ersten Meßstelle A freier Verkehr und
an einer stromabwärts davon gelegenen zweiten Meßstelle B syn
chronisierter Verkehr vorliegt. Zur Bestimmung der Position der
Flanke zwischen dem Bereich freien und dem Bereich synchroni
sierten Verkehrs werden die aktuell gemessenen Verkehrsstärken
qA(t0), qB(t0) und Geschwindigkeiten va(t0), vB(t0) beider Meßstel
len A, B im Fuzzy-Logik-System verwendet, das wiederum aus Fuz
zifizierung 3, Fuzzy-Inferenzsystem 4 und Defuzzifizierung 5 be
steht. Als Ergebnis wird die Position xF,S der Flanke F zwischen
dem Bereich freien Verkehrs BF und dem Bereich synchronisierten
Verkehrs BS ausgegeben, siehe Block 2 von Fig. 3 und die darunter
dargestellte Verkehrssituation. Die Fuzzy-Logik kann hierzu bei
spielsweise so gewählt sein, daß der Ergebniswert eine Zahl zwi
schen null und eins ist, wobei der Ergebniswert null bedeutet,
daß sich die Flanke F an der Meßstelle A befindet, während ein
Ergebniswert von eins bedeutet, daß sich die Flanke F an der
Meßstelle B befindet, und ein beliebiger Ergebniswert E zwischen
null und eins allgemein bedeutet, daß sich die Flankenposition
xF,S um den mit dem Faktor E multiplizierten Abstand der beiden
Meßstellen A, B von der Meßstelle A entfernt befindet. Unter
Kenntnis der aktuellen Flankenposition xF,S lassen sich in einem
weiteren Schritt mit Hilfe von Prognosen des zukünftigen Ver
laufs der Verkehrsstärke und der mittleren Geschwindigkeit an
den beiden Meßstellen A, B Prognosen für die zukünftige Flanken
position zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr erstellen,
siehe Block 8 von Fig. 3.
In den Fig. 4A und 4B ist eine beispielhafte Möglichkeit der
Fuzzifizierung der Eingangsgrößen Geschwindigkeit bzw. Verkehrs
stärke für die Bestimmung des Verkehrszustands hinsichtlich der
Frage, ob freier Verkehr, synchronisierter Verkehr oder Stau
vorliegt, anhand von hierzu vorgegebenen Zugehörigkeitsgrad-
Diagrammen veranschaulicht. Die in Fahrzeugen pro Minute gemes
sene Verkehrsstärke bezieht sich hierbei wie auch in den noch
folgenden Beispielen auf einen dreispurigen Staßenabschnitt. Wie
aus Fig. 4A ersichtlich, wird in diesem Beispiel die mittlere
Fahrzeuggeschwindigkeit in die Fuzzy-Mengen "klein", "mittel"
und "groß" und die Verkehrsstärke in Fuzzy-Mengen "klein" und
"groß" fuzzifiziert. Zur Verkehrszustandsbestimmung an einer
Meßstelle werden dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln verwen
det:
- a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
- b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr);
- c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr); und
- d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrszustand ist freier Verkehr).
In ähnlicher, nicht gezeigter Weise können zur Erkennung von Be
reichen gestauchten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle
folgende Fuzzifikationen vorgenommen werden. Zum einen wird die
Varianz der Fahrzeuggeschwindigkeit in die Fuzzy-Mengen "klein"
und "groß" fuzzifiziert. Zum anderen wird die Dauer des Zeit
raums, während dem die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein
vorgegebener Schwellwert ist, in die Fuzzy-Mengen "klein" und
"groß" fuzzifiziert. Zur Erkennung von Bereichen gestauchten
synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle wird dann minde
stens die Fuzzy-Regel verwendet, wonach ein solcher Bereich vor
liegt, wenn die Varianz der Geschwindigkeit groß und die Dauer
des Zeitraums niedriger Geschwindigkeiten klein ist.
In einer verfeinerten Realisierung der Verkehrszustandsbestim
mung an einer Meßstelle wird zusätzlich zu der zur Zeit t0 an der
jeweiligen Meßstelle gültigen mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit
v(t0) und Verkehrsstärke q(t0) eine zeitliche Änderung dv(t0) der
mittleren Geschwindigkeit v(t0) und eine zeitliche Änderung
dq(t0) der Verkehrsstärke q(t0) berücksichtigt. Dazu werden diese
zeitlichen Änderungen dv, dq in spezieller Weise je nach Ver
kehrsstärkeverlauf berechnet, wie in den Fig. 5A und 5B anhand
von vier Fällen F1, F2, F3, F4 mit jeweils drei zuletzt in einem
Zeitabstand Δt aufgenommenen Verkehrsstärke-Meßpunkten veran
schaulicht. Dabei entspricht der jüngste, aktuelle Meßzeitpunkt
t0 jeweils dem aktuellen Meßpunkt und der davor liegende Meßzeit
punkt t* dem mittleren Meßpunkt als letztem Meßpunkt vor dem ak
tuellen Meßpunkt. Die in Fig. 5A dargestellten Fälle F1, F2 ent
sprechen einer abnehmenden Verkehrsstärke, d. h. q(t*) ≧ q(t0), wäh
rend die Verkehrsstärke in den in Fig. 5B gezeigten Fällen F3, F4
ansteigt, d. h. q(t0) < q(t*). Abhängig von der Verkehrsstärke wird
dann für die verschiedenen Fälle F1 bis F4 die zeitliche Ver
kehrsstärkeänderung dq(t0) für den aktuellen Zeitpunkt t0 durch
die Beziehungen
dq(t0) = (q(t0) - maxt(q(t)))/maxt(q(t)), falls q(t*) ≧ q(t0), und
dq(t0) = (q(t0) - mint(q(t)))/q(t0), falls q(t0) < q(t*),
und die zeitliche Änderung dv(t0) der mittleren Geschwindigkeit
zum aktuellen Zeitpunkt t0 durch die Beziehungen
dv(t0) = (v(t0) - maxt(v(t)))/maxt(v(t))), falls v(t*) ≧ v(t0), und
dv(t0) = (v(t0) - mint(v(t)))/v(t0), falls v(t0) < v(t*),
ermittelt, wobei mit maxt bzw. mint jeweils der Maximalwert bzw.
Minimalwert der. Verkehrsstärke q bzw. der mittleren Geschwindig
keit v für das gewählte Zeitintervall Δt vor dem aktuellen Zeit
punkt t0 bezeichnet sind. Für den Fall F1 von Fig. 5A, bei dem
die Verkehrsstärke q während der letzten drei Messungen monoton
gefallen ist, bedeutet dies, daß der verwendete Maximalwert
maxt(q(t)) dem ersten dargestellten Meßpunkt entspricht. Hingegen
ist im zweiten Fall F2 die Verkehrsstärke nur vom vorletzten zum
letzten Meßpunkt gefallen, so daß maxt(q(t)) dem mittleren Meß
punkt entspricht. Analog dazu entspricht in dem in Fig. 5B dar
gestellten dritten Fall F3, bei dem die Verkehrsstärke während
der letzten drei Messungen monoton gestiegen ist, mint(q(t)) dem
ersten dargestellten Meßpunkt, während im vierten Fall F4, bei
dem die Verkehrsstärke q nur von der vorletzten zur letzten Mes
sung angestiegen ist, der mittlere Meßpunkt diesem Minimumwert
entspricht. Entsprechendes gilt für die Ermittlung der zeitli
chen Änderung dv der mittleren Geschwindigkeit.
Die so ermittelten zeitlichen Änderungen dq, dv von Verkehrsstär
ke q und mittlerer Fahrzeuggeschwindigkeit v werden dann im Fuz
zy-Logik-System zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer
Meßstelle herangezogen, wobei der Quotient c(t0) = dv(t0)/dq(t0) der
zeitlichen Änderung dv der Geschwindigkeit dividiert durch die
zeitliche Änderung dq der Verkehrsstärke zusätzlich zu den zeit
lichen Änderungen dv, dq selbst als weitere, zu fuzzifizierende
Eingangsgröße verwendet wird. Beispielhaft können für diese ver
feinerte Zustandsbestimmung folgende Fuzzifizierungen vorgenom
men werden. Die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit wird, wie in
Fig. 6A dargestellt, in die Fuzzy-Mengen "winzig", "klein",
"mittel" und "groß" fuzzifiziert. Die Verkehrsstärke wird in die
Fuzzy-Mengen "winzig", "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie in
Fig. 6B veranschaulicht. Die zeitliche Änderung dv der mittleren
Geschwindigkeit wird, wie in Fig. 6C veranschaulicht, in die
Fuzzy-Mengen "negativ" und "positiv" fuzzifiziert. Die zeitliche
Änderung dq der mittleren Verkehrsstärke wird, wie in Fig. 6D
veranschaulicht, ebenfalls in die Fuzzy-Mengen "negativ" und
"positiv" fuzzifiziert. Der Quotientenparameter c wird, wie in
Fig. 6E veranschaulicht, in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß"
fuzzifiziert. Die Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meß
stelle beinhaltet dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln:
- a) wenn (Geschwindigkeit ist winzig), dann (Verkehrszustand ist Stau);
- b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist winzig), dann (Verkehrszustand ist Stau);
- c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Ver kehr);
- d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrszustand ist freier Verkehr);
- e) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t0) ist groß) und (dv(t0) ist negativ) und (dq(t0) ist negativ), dann (Verkehrszustand ist synchro nisierter Verkehr);
- f) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t0) ist klein) und (dv(t0) ist negativ) und (dq(t0) ist negativ), dann (Verkehrszustand ist Stau);
- g) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t0) ist klein) und (dv(t0) ist positiv) und (dq(t0) ist positiv), dann (Verkehrszustand ist synchro nisierter Verkehr); und
- h) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t0) ist groß) und (dv(t0) ist positiv) und (dq(t0) ist positiv), dann (Verkehrszustand ist Stau).
Dabei werden zweckmäßigerweise die Fuzzy-Regeln (v) und (vi) nur
dann verwendet, wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t*) vor dem aktu
ellen Zeitpunkt (t0) der Verkehrszustand an der betreffenden Meß
stelle als freier Verkehr, synchronisierter Verkehr oder ge
stauchter synchronisierter Verkehr klassifiziert wurde. Analog
werden die Fuzzy-Regeln (vii) und (viii) nur dann verwendet,
wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t*) vor dem aktuellen Zeitpunkt
(t0) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als Stau
klassifiziert wurde. Je nach dem, ob zum letzten Meßzeitpunkt
(t*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t0) der Verkehrszustand an der
betreffenden Meßstelle als Stau klassifiziert wurde oder nicht,
werden die Eingangswerte unterschiedlich fuzzifiziert. Des wei
teren erlaubt diese Systemauslegung eine Verkehrzustandsprognose
in Form einer Zuordnung zukünftiger Verkehrszustände zu den mög
lichen Zustandsphasen "Stau", "synchronisierter Verkehr", "ge
stauchter Bereich im synchronisierten Verkehr" und "freier Ver
kehr" dadurch, daß anstelle der zum aktuellen Zeitpunkt (t0) gül
tigen Werte für zukünftige Zeitpunkte t < t0 gültige, prognosti
zierte Werte der mittleren Geschwindigkeit v(t) und der Ver
kehrsstärke q(t) verwendet werden.
Als weitere Funktionalität kann von der Verkehrszentrale durch
das Fuzzy-Logik-System eine Prognose eines zukünftigen dauerhaf
ten Phasenübergangs von freiem zu synchronisiertem Verkehr vor
genommen werden, wenn zu einem Zeitpunkt (t0) an einer Meßstelle
freier Verkehr gemessen wird. Dazu wird die zum aktuellen Zeit
punkt (t0) gemessene Verkehrsstärke in die Fuzzy-Mengen "klein"
und "groß" fuzzifiziert, wie im Zugehörigkeitsgrad-Diagramm der
Fig. 7A veranschaulicht. Außerdem wird die Differenz ΔMP der für
einen gewissen Zeitraum tp in der Zukunft an der betreffenden
Meßstelle bei synchronisiertem Verkehr zu erwartenden, abflie
ßenden Verkehrsmenge und der im gleichen Zeitraum prognostizier
ten, zufließenden Verkehrsmenge aus der Beziehung
ermittelt, wobei qab,syn(t) den zeitabhängigen prognostizierten
Abfluß bei synchronisiertem Verkehr und qzu(t) den zeitabhängigen
prognostizierten Zufluß für die betreffende Meßstelle bezeich
nen. Diese Verkehrsmengendifferenz ΔMP wird dann in die Fuzzy-
Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie im entsprechenden
Zugehörigkeitsgrad-Diagramm von Fig. 7B angegeben. Zur Prognose
eines dauerhaften Phasenübergangs vom aktuellen freien Verkehr
zu einem zukünftigen synchronisierten Verkehrszustand werden
dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln verwendet:
- a) wenn (Verkehrsstärke ist groß) und (ΔMP ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist wahrscheinlich); und
- b) wenn (Verkehrsstärke ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist unwahrschein lich).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens wird als eine Eingangsgröße für die Bestimmung
der Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts
davon liegendem synchronisiertem Verkehr die Differenz ΔM aus
der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befind
liche Meßstelle B in einem Zeitraum tsyn,B-t0 passiert hat, und
der Verkehrsmenge verwendet, die im gleichen Zeitraum in den Be
reich synchronisierten Verkehrs einströmt. Dabei bezeichnet tsyn,B
den Zeitpunkt, zu dem an der Meßstelle B der Verkehrszustand von
freiem zu synchronisiertem Verkehr gewechselt hat. Die einströ
mende Verkehrsmenge ergibt sich hierbei aus der Verkehrsmenge,
die eine stromaufwärts der Meßstelle B im freien Verkehr befind
liche Meßstelle A im gleichen Zeitraum passiert hat, zuzüglich
der Verkehrsmenge, die im gleichen Zeitraum netto über Zu- und
Abfahrten zwischen der Meßstelle A und der Meßstelle B zufließt.
Für diese Verkehrsmengendifferenz ΔM ergibt sich folglich die
Beziehung
wobei qA und qB die zeitabhängigen Verkehrsstärken an der Meß
stelle A bzw. B und qzu sowie qab die zeitabhängigen Verkehrsstär
ken an Zu- bzw. Abfahrten zwischen Meßstelle A und Meßstelle B
bezeichnen. Die Berücksichtigung dieser Verkehrsmengendifferenz
ΔM kann insbesondere wieder in Form einer Eingangsgröße für das
Fuzzy-Logik-System erfolgen, wozu sie in die Fuzzy-Mengen
"klein" und "groß" in gleicher Weise wie die oben erläuterte
Verkehrsmengendifferenz ΔMP gemäß dem Diagramm von Fig. 7B fuzzi
fiziert wird. Mit Hilfe dieser Eingangsinformation kann dann die
aktuelle Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Ver
kehrs, in welchem die Meßstelle A liegt, und einem stromabwärti
gen Bereich synchronisierten Verkehrs, in welchem die Meßstelle
B liegt, unter Anwendung mindestens folgender Fuzzy-Regeln durch
die Fuzzy-Logik bestimmt werden:
- a) wenn (ΔM ist klein), dann (Flankenposition ist nahe Meß stelle A); und
- b) wenn (ΔM ist groß), dann (Flankenposition ist nahe Meß stelle B).
Eine analoge Vorgehensweise ist zur Bestimmung der Position der
Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts davon liegendem
synchronisiertem Verkehr für eine Verkehrssituation möglich, bei
der sich der synchronisierte Verkehr zurückbildet. Statt der
oben erläuterten Verkehrsmengendifferenz ΔM ist dann eine modi
fizierte Verkehrsmengendifferenz ΔM* gemäß folgender Beziehung
heranzuziehen, bei der die diversen Verkehrsflüsse qA, qB, qzu und
qab ab dem Zeitpunkt tfree,A, zu dem an der stromaufwärtigen Meß
stelle A der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr überge
gangen ist, bis zum aktuellen Bestimmungszeitpunkt t0 für die Be
stimmung der zugehörigen Verkehrsmengen in diesem Zeitraum inte
griert werden. Vorzugsweise werden für die Fuzzifizierung der
Eingangsgrößen im Fall des sich rückbildenden synchronisierten
Verkehrs andere Parameter als für die Situation bei sich auswei
tendem synchronisiertem Verkehr verwendet, während im Grundsatz
die Fuzzifizierung der Verkehrsmengendifferenz ΔM* in die Fuzzy-
Mengen "klein" und "groß" beibehalten wird.
Zur Prognose darüber, ob ein zum aktuellen Zeitpunkt t0 festge
stellter synchronisierter Verkehr für einen vorgebbaren Zeitraum
tp in der Zukunft zurückgeht oder sich ausdehnt, kann das Fuzzy-
Logik-System so ausgelegt sein, daß es wiederum die für den
festgelegten Zeitraum tp zukünftig erwartete Verkehrsmengendiffe
renz ΔMP in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" entsprechend dem
Zugehörigkeitsgrad-Diagramm von Fig. 7B fuzzifiziert. Als Fuzzy-
Regeln werden dann zur Bestimmung der Prognose über eine Ausdeh
nung oder einen Rückgang des zum Zeitpunkt t0 ermittelten syn
chronisierten Verkehrs mindestens die folgenden verwendet:
- a) wenn (ΔMP ist groß), dann (synchronisierter Verkehr geht zurück); und
- b) wenn (ΔMP ist klein), dann (synchronisierter Verkehr dehnt sich aus).
In den Fig. 8A, 8B und 8C sind entsprechende Verkehrssituationen
für eine typische Entwicklung eines Bereichs synchronisierten
Verkehrs zusammen mit einem zugehörigen, typischen Zeitverlauf
der Verkehrsmengendifferenz ΔM bzw. ΔMP veranschaulicht. In der
Verkehrssituation von Fig. 8A breitet sich ein Bereich synchro
nisierten Verkehrs BS, dessen stromaufwärtige Flanke F zu einem
Zeitpunkt tsyn,B an der stromabwärtigen Meßstelle B lag, in einen
stromaufwärts davon gelegenen Bereich freien Verkehrs BF aus, in
welchem zunächst noch die stromaufwärtige Meßstelle A liegt.
Durch die Ausweitung des synchronisierten Verkehrs BS fällt die
Verkehrsmengendifferenz ΔM im Zeitraum von dem Zeitpunkt tsyn,B
des Übergangs zum synchronisierten Verkehr an der Meßstelle B
bis zum Zeitpunkt tsyn,A, zu dem die stromaufwärtige Flanke F des
synchronisierten Verkehrs BS die Meßstelle A erreicht, ab, weil
der Zufluß zum synchronisierten Verkehr größer als der Abfluß
aus demselben ist. In der Situation von Fig. 8B halten sich Zu
fluß und Abfluß in bzw. aus dem Bereich synchronisierten Ver
kehrs BS, der sich inzwischen über beide Meßstellen A, B hinweg
erstreckt, etwa die Waage, bis dann durch abnehmenden Zufluß
und/oder durch zunehmenden Abfluß eine Rückbildung des Bereichs
synchronisierten Verkehrs BS einsetzt. Diese hat zur Folge, daß
zu einem gewissen Zeitpunkt tfree,A die stromaufwärtige Stauflanke
F des synchronisierten Verkehrs BS wieder die Meßstelle A er
reicht und weiter stromabwärts wandert. Diese Rückbildung des
synchronisierten Verkehrs BS ist in Fig. 8C veranschaulicht. Sie
ist von einer Zunahme der Verkehrsmengendifferenz ΔM begleitet,
bis dann zu einem Zeitpunkt tfree,B die stromaufwärtige Flanke F
des synchronisierten Verkehrs BS die stromabwärtige Meßstelle B
erreicht hat, wonach beide Meßstellen A, B wieder in einem Be
reich freien Verkehrs BF liegen.
Die erfindungsgemäße, oben beispielhaft beschriebene Art der
Überwachung und Prognose des Verkehrszustands hinsichtlich des
Auftretens und der Ausdehnung unterscheidbarer Verkehrszustands
phasen, wie freier Verkehr, synchronisierter Verkehr, gestauch
ter synchronisierter Verkehr und Stau, durch laufende Schätzung
für den aktuellen Zeitpunkt und laufende Prognose für zukünftige
Zeitpunkte ist die Verkehrszentrale in der Lage, darauf aufbau
ende Verkehrsinformationen zu generieren, beispielsweise eine
laufende Prognose über Reisezeiten vorzunehmen, die für Fahrten
entlang vorgebbarer Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes bzw.
von einem vorgebbaren Startort zu einem vorgebbaren Zielort zu
erwarten sind. Dazu kann das oben beschriebene Verfahren über
die Erkennung und Verfolgung der zeitlichen Entwicklung von Be
reichen freien Verkehrs und synchronisierten Verkehrs sowie ge
stauchten synchronisierten Verkehrs mit einem bekannten Verfah
ren zur automatischen Staudynamikanalyse (Staudynamikprognose)
kombiniert werden, mit dem eine Prognose von stromaufwärtigen
und stromabwärtigen Stauflanken erfolgt. Darauf aufbauend kann
dann die Geschwindigkeit v(t, x) zu einem Zeitpunkt t an einer
Position x des Verkehrsnetzes dergestalt festgelegt werden, daß
sie für Streckenabschnitte innerhalb eines Staus als eine vorge
gebene mittlere Geschwindigkeit im Stau (alternativ dazu kann
die mittlere Geschwindigkeit für einen jeweiligen gesamten Be
reich "sich bewegende breite Staus" als eine vorgegebene mittle
re Geschwindigkeit im Bereich "sich bewegende breite Staus" an
genommen werden), für Streckenabschnitte innerhalb eines Be
reichs synchronisierten Verkehrs als eine vorgebbare mittlere
Geschwindigkeit im synchronisierten Verkehr und für Streckenab
schnitte mit freiem Verkehr als eine vorgegebene mittlere Ge
schwindigkeit im freien Verkehr angenommen wird. Auf dieser Ba
sis ist dann eine laufende Prognose über Reisezeiten entlang
einzelner Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes dadurch möglich,
daß nacheinander die Positionen xi, i = 1, 2 . . ., innerhalb des be
trachteten Streckenabschnitts berechnet werden, zu denen das
Fahrzeug während der zu prognostizierenden Fahrt voraussichtlich
Flanken, d. h. Grenzen, zwischen je zwei verschiedenen Verkehrs
zustandsphasen passiert, woraus dann die zur Durchquerung der
jeweils vorangegangenen Zustandsphase benötigte Reisezeit Ti er
mittelt werden kann. Die prognostizierte Gesamtreisezeit ergibt
sich dann aus der Summe dieser einzelnen Reisezeiten Ti für das
Passieren der während der Fahrt aufeinanderfolgenden verschiede
nen Verkehrszustandsphasen.
Die obige Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen macht
deutlich, daß durch die erfindungsgemäße Verkehrszentrale, in
der das erfindungsgemäße Verkehrsüberwachungsverfahren implemen
tiert ist, eine vergleichsweise zuverlässige Klassifikation des
Verkehrszustands in verschiedene unterscheidbare Zustandsphasen
und eine Überwachung und Prognose der zeitabhängigen Positionen
der diese Zustandsphasen voneinander trennenden Flanken möglich
ist und dabei eine vergleichsweise realitätsnahe Abbildung des
tatsächlichen Verkehrsablaufs verwendet wird. Bevorzugt, aber
nicht zwingend, wird hierzu von einer geeignet ausgelegten Fuz
zy-Logik Gebrauch gemacht. Alternativ kann eine andere, äquiva
lente herkömmliche Auswertemethode verwendet werden.
Claims (15)
1. Verfahren zur Überwachung des Verkehrszustands in einem
Verkehrsnetz, insbesondere einem Straßenverkehrsnetz, bei dem
- - an stationären und/oder beweglichen Meßstellen Verkehrsmeß daten aufgenommen werden und
- - der Verkehrszustand unter Berücksichtigung der aufgenomme nen Verkehrsmeßdaten, die wenigstens Informationen über die Ver kehrsstärke und/oder die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit umfas sen, in jeweils eine von mehreren Zustandsphasen klassifiziert wird, die mindestens die Zustandsphasen "freier Verkehr" und "synchronisierter Verkehr" umfassen,
- - laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder ei ne Prognose der zukünftigen Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs (BF) und einem stromabwärts liegenden Be reich synchronisierten Verkehrs (BS) vorgenommen wird, wobei als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwin digkeit in einem vorgebbaren Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt (t0) oder bis zum Prognosehorizont (tp) einerseits an einer im Bereich freien Verkehrs liegenden Meßstelle (A) und an dererseits an einer im Bereich synchronisierten Verkehrs liegen den Meßstelle (B) herangezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
- - Bereiche synchronisierten Verkehrs hinsichtlich Auftretens der Zustandsphase "gestauchter synchronisierter Verkehr" über wacht werden und
- - für einen detektierten Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder eine Prognose der zukünftigen Position der diesen Bereich beid seits begrenzenden Flanken vorgenommen wird, wobei als Eingangs größen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in einem jeweils vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeit punkt (t0) oder bis zum Prognosehorizont (tp) an einer Meßstelle verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Klassifizierung des Verkehrszustands in einen der vorgebba
ren, unterscheidbaren Zustandsphasen sowie die Ermittlung
und/oder Prognose der Position von Flanken, welche je zwei un
terschiedliche Zustandsphasen trennen, unter Verwendung einer
Fuzzy-Logik erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die verwendete Fuzzy-Logik zur Erkennung von Bereichen gestauch
ten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle die Varianz der
Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die Dauer des Zeitraums, in denen
die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein vorgebbarer Schwell
wert ist, jeweils in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und
"groß" fuzzifiziert und mindestens die Fuzzy-Regel verwendet,
daß dann ein Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs vor
liegt, wenn die Varianz der Geschwindigkeit groß und die Dauer
des Zeitraums niedriger Geschwindigkeiten klein ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fuzzy-Logik zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer
Meßstelle die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit mindestens in die
Fuzzy-Mengen "klein", "mittel" und "groß" und die Verkehrsstärke
mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert
und mindestens folgende Fuzzy-Regeln beinhaltet:
- a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
- b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Ver kehr);
- c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr);
- d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrszustand ist freier Verkehr).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
aus Verkehrsdaten, die durch mehrere, im Verkehr mitschwimmende
Detektoren (S1, S2, S3, S4) aufgenommen werden, ein Schätzwert
für die mittlere Geschwindigkeit und/oder die Verkehrsstärke für
einen fiktiven, aus den zum Meßzeitpunkt gültigen Detektorposi
tionen abgeleiteten Meßstellenort und für einen fiktiven, aus
den Detektormeßzeitpunkten abgeleiteten Meßzeitpunkt gebildet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle als zu
sätzliche Eingangsgrößen eine zeitliche Änderung (dv) der mittle
ren Geschwindigkeit (v) und/oder eine zeitliche Änderung (dq) der
Verkehrsstärke (q) herangezogen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
der Quotient (c = dv/dq) der zeitlichen Änderung (dv) der mittleren
Geschwindigkeit und der zeitlichen Änderung (dq) der Verkehrs
stärke gebildet und als weitere Eingangsgröße zur Bestimmung des
Verkehrszustands an einer Meßstelle durch eine Fuzzy-Logik her
angezogen wird, bei der die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit in
wenigstens vier Fuzzy-Mengen, die Verkehrsstärke in wenigstens
drei Fuzzy-Mengen sowie die zeitlichen Änderungen der mittleren
Geschwindigkeit und der Verkehrsstärke ebenso wie der Quotient
(c) derselben in jeweils wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifi
ziert werden und der Verkehrszustand durch entsprechende Fuzzy-
Regeln in wenigstens die Zustandsphasen "Stau", "synchronisier
ter Verkehr" und "freier Verkehr" klassifiziert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
für den Fall eines an einer Meßstelle zu einem bestimmten Zeit
punkt (t0) vorliegenden Bereichs freien Verkehrs eine Prognose
über einen zukünftigen Phasenübergang zu synchronisiertem Ver
kehr durch eine Fuzzy-Logik vorgenommen wird, die eine Fuzzifi
zierung der aktuellen Verkehrsstärke in wenigstens zwei Fuzzy-
Mengen "groß" und "klein" sowie eine Fuzzifizierung einer pro
gnostizierten Verkehrsmengendifferenz (ΔMP) für die betreffende
Meßstelle in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" um
faßt und wenigstens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach ein Pha
senübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr wahrschein
lich ist, wenn die Verkehrsstärke groß und die Verkehrsmengen
differenz klein ist, und wonach ein solcher Phasenübergang un
wahrscheinlich ist, wenn die Verkehrsstärke klein ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flan
ke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem stromabwärts
davon liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs die Differenz
(ΔM) aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr
befindliche Meßstelle (B) seit dem Zeitpunkt (tsyn,B) des dortigen
Auftretens von synchronisiertem Verkehr passiert hat, und der
Verkehrsmenge herangezogen wird, die im gleichen Zeitraum in den
Bereich synchronisierten Verkehrs zuströmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flan
ke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem sich rück
bildenden stromabwärts davon liegenden Bereich synchronisierten
Verkehrs die Differenz (ΔM*) aus der Verkehrsmenge, die eine im
synchronisierten Verkehr befindliche Meßstelle (B) seit einem
Zeitpunkt (tfree,A), zu dem an einer stromaufwärtigen Meßstelle
(A) der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr übergegangen
ist, passiert hat und der im gleichen Zeitraum in den Bereich
synchronisierten Verkehrs einströmenden Verkehrsmenge herangezo
gen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verkehrsmengendifferenz (ΔM, ΔM*) als Eingangsgröße einer
Fuzzy-Logik verwendet wird, welche sie in wenigstens zwei Fuzzy-
Mengen fuzzifiziert und zur Bestimmung der aktuellen Flankenpo
sition mindestens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach die Flan
kenposition nahe der stromaufwärtigen Meßstelle (A) liegt, wenn
die Verkehrsmengendifferenz klein ist, und die Flankenposition
nahe der stromabwärtigen Meßstelle (B) liegt, wenn die Verkehrs
mengendifferenz groß ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Prognose über ein Ausdehnen bzw. ein Zurückbilden eines Be
reichs synchronisierten Verkehrs durch eine Fuzzy-Logik vorge
nommen wird, welche die für den Prognosezeitraum (tp) prognosti
zierte Verkehrsmengendifferenz zwischen der aus dem Bereich syn
chronisierten Verkehrs abfließenden und der ihm zufließenden
Verkehrsmenge in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifiziert und
mindestens die Fuzzy-Regeln beinhaltet, wonach sich der synchro
nisierte Verkehr zurückbildet, wenn die Verkehrsmengendifferenz
groß ist, und sich der synchronisierte Verkehr ausdehnt, wenn
die Verkehrsmengendifferenz klein ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verkehrszustand wenigstens hinsichtlich der Zustandsphasen
freier Verkehr, synchronisierter Verkehr und Stau bzw. Verkehrs
bereichen sich bewegender breiter Staus prognostiziert wird, je
der dieser Zustandsphasen bzw. Verkehrsbereichen eine eigene
mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordnet wird und eine Reise
zeitprognose durchgeführt wird, wonach sich die zu erwartende
Reisezeit als Summe der Reisezeiten für das Durchfahren der ver
schiedenen aufeinanderfolgenden Verkehrszustandsphasen bzw. Ver
kehrsbereiche ergibt.
15. Vorrichtung zur Überwachung des Verkehrszustands in einem
Verkehrsnetz, insbesondere einem Staßenverkehrsnetz, mit
- - mehreren stationären und/oder beweglichen Verkehrsmeßstel len (MF1, MF2, MF3, S1 bis S4) zur Aufnahme von Verkehrsmeßdaten und
- - einer Verkehrszentrale (2) mit einer Recheneinheit (2b) zur Auswertung der aufgenommenen Verkehrsmeßdaten zwecks Verkehrszu standsermittlung,
- - die Recheneinheit (2b) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999144077 DE19944077C2 (de) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung |
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---|---|---|---|
DE1999144077 DE19944077C2 (de) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung |
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Family Applications (1)
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