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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren
zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit von mobilen technischen
Objekten entlang vorgegebener Bewegungsbahnen innerhalb eines im
Mobilfunkbereich durch ein GSM-Netz versorgten Gebietes.
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Ein solches Verfahren kann bevorzugter
Weise zur Erfassung der tatsächlichen
Reisegeschwindigkeit auf Straßen,
insbesondere der Verkehrsstockung dienen. Eines der gebräuchlichen
Verfahren zur Ermittlung von Verkehrsstockungen beruht auf Meldungen
von Privatpersonen oder durch Polizeibeamte und ist daher mit dem
Nachteil meist verspäteter
und ungenauer Meldungen behaftet, was erfahrungsgemäß auch bezüglich der
Auflösung
von Verkehrsstockungen gilt. In besonderen Fällen können Straßanbereiche auch durch Kameras überwacht
werden, was sich aber in der Hauptsache nur zur Überwachung von Kreuzungen und
Hauptverkehrsadern in Städten
durchführen
läßt und zudem
mit dem Nachteil eines entsprechenden Personalaufwandes für die Beobachtung
und Auswertung der Kamerabilder behaftet ist.
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Insbesondere im Fernverkehrsbereich
sind, beschränkt
auf Autobahnen, beispielsweise an Autobahnbrücken, Sensoren vorgesehen,
mittels derer die Anzahl oder die Geschwindigkeit den Sensarbereich
passierender Fahrzeuge erfaßt
werden kann. Besonders zur Erfassung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen
werden auch Meßfahrzeuge
eingesetzt, z.B. im Rahmen des FCD-Systems über GSM-Nachrichten. Im Rahmen
des FCD-Systems sind gegenwärtig
einige tausend Fahrzeuge mit dem Sensorsystem ausgerüstet. Für eine flächendeckende
Erfassung des Verkehrszustandes zumindest auf Hauptstraßen müßten aber
zumindest mehrere Millionen von Fahrzeugen entsprechend ausgerüstet sein.
Zudem erfordert diese Verfahrensweise eine spezielle Logistik.
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Ein weiteres bekanntes System zur
automatischen Feststellung von Verkehrsstockungen beruht auf der
Erfassung des Bewegungszustandes von Meßfahrzeugen im Rahmen des ITGS-Systems
durch Satelliten. Im Rahmen des ITGS-Systems werden mehrere geostationäre Satelliten
benötigt,
die Kosten für
dieses System sind beträchtlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 dahingehend zu verbessern, daß durch die Nutzung von durch
eine Vielzahl zu anderen Zwecken ohnehin vorhandener und sich in
Zeitabschnitten entlang vorgegebener Bahnen bewegender, signalgebender
oder -reflektierender mobiler Objekte erzeugten Daten, die Bewegungsgeschwindigkeiten
der mobilen Objekte, bezogen auf vorgebbare Streckenlängen automatisch
ermittelt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen
dadurch gelöst,
daß die
zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit erforderlichen Daten
von mobilen technischen Objekten innerhalb eines im Mobilfunkbereich
durch ein GSM-Netz versorgtes gebiet dem ohnehin vorhandenen Datenaustausch
zwischen dem mobilen Objekt und dem GSM-Netz entnommen werden.
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Das mobile technische Objekt sei
nachfolgend Handy genannt, wobei aber auch andere auf diesem Prinzip
funktionierende mobile technische Geräte oder Einrichtungen nicht
ausgeschlossen werden.
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Das GSM-Netz ist ein zellulares Netz.
Zellen werden in Zellbereiche zusammengefaßt. Jeder Zellbereich hat einen
Identifikator, der beim Datenaustausch verwendet wird, um ein geographisches
Gebiet eindeutig einem Zellbereich zuzuordnen. Nachfolgend sei das
GSM-Netz einfach
Netz genannt.
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Um dem Netz seinen aktuellen Aufenthaltsbereich
mitzuteilen, findet zwischen dem Handy und dem Netz ein Datenaustausch
statt. Im Verlaufe dieser Prozedur wird in einer Datenbank des Netzes
die Kennung des aktuellen Aufenthaltsbereiches des Objektes, genannt
Zellbereich, gespeichert. Diese Prozedur, genannt Aktualisierung
des Aufenthaltsbereiches, findet immer beim geographischen Wechsel
des Handys von einem Zellbereich in den nächsten statt.
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Das Verfahren zur Ermittlung von
Geschwindigkeiten von Handys in eingeschaltetem Zustand nutzt die
Schnittstelle zwischen dem nach ETSI spezifizierten Funkteil des
Netzes und dem Vermittlungsteil des Netzes, an welchem auch die
genannten Datenbanken angebunden sind.
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Auf genannter Schnittstelle finden
parallel viele Aktualisierungsprozeduren statt, sodaß eine eindeutige
Zuordnung von Anforderung und zeitversetzter Antwort (hier: Bestätigung)
erforderlich ist.
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Um in diesem vermischten Datenfluß die Kommunikation
eines einzelnen Handys mit dem Netz' eindeutig zu identifizieren,
wird seitens des Netzes auf dieser Schnittstelle eine lokale Referenz
verwendet, die während
des gesamten Kommunikationsprozesses dieses einzelnen Handys unverändert bleibt.
Nachfolgend sei sie lokale Referenznummer genannt.
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Beim Eintritt in einen Zellbereich 1 (Stelle
x1 entsprechend Bild 1) teilen Handy und Funkteil des Netzes in
einer Nachricht der Datenbank mit, daß der Aufenthaltsbereich aktualisiert
werden muß.
Erfaßt
wird der Zeitpunkt des Transfers dieser Nachricht (t1 entsprechend
Bild 1). Die entsprechende Nachricht enthält sowohl die alte Kennung
des Handys (a entsprechend Bild 1), wie auch die des Zellbereiches
(1 entsprechend Bild 1). Zur Identifizierung ist sie mit
einer lokalen Referenznummer (Y entsprechend Bild 1) versehen.
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Wird dem Handy wegen des Vorhandenseins
von Sicherheitsprozeduren eine neue temporäre Kennung (b entsprechend
Bild 1) zugewiesen, kann diese anhand der lokalen Referenznummer
(Y entsprechend Bild 1) des Datenaustausches in Richtung Netz zu
Handy als Antwort auf die Mitteilung der Aktualisierung des Aufenthaltsbereiches
eindeutig erkannt und dem Handy zugeordnet werden.
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Beim Eintritt in einen neuen Zellbereich 2 (x2
entsprechend Bild 1) wird die gleiche Prozedur angestoßen. Anhand
der Kennung des Handys (b entsprechend Bild 1) ist eine eindeutige
Zuordnung Handy zu Prozedur (über
Z entsprechend Bild 1) möglich.
Erfaßt
wird der Zeitpunkt des Beginns dieser Prozedur (t2 entsprechend
Bild 1). Durch die neue Zellbereichskennung (2 entsprechend
Bild 1) ist eine geographische Zuordnung möglich.
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Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, daß die Kennung
des Handys (in diesem Beispiel b), und sei sie auch temporär, während des
gesamten Zeitraumes unverändert
sein muß.
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Durch das Verhältnis der geographischen Differenz
(d(x2,x1)), bedingt durch Zellbereichskennung und ihrer Zuordnung
zur Netztopographie, zu zeitlicher Differenz der jeweiligen Erfassung
der relevanten Nachricht der Aktualisierungsprozeduren (t2 – t1), ist
es möglich,
eine Geschwindigkeit zu bestimmen. Durch die (auch temporäre) Kennung
(hier b) ist sie eindeutig einem Handy zuzuordnen. Somit kann die
Geschwindigkeit des Handys erfaßt
werden (v = d (x1,x2)/(t2 – t1)).
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Nachfolgend wird anhand einer Zeichnung
in Bild 1 ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen erläutert.
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Sie zeigt die schematische Darstellung
des zellularen GSM-Netzes sowie die schematische Darstellung des
Datenaustausches zwischen GSM-Netz und Handy.
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Zusammenwirken der Parameter:
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Zeitpunkt t1 in der Anforderung 1 an
der Stelle x1 ist über
lokale Referenznummer Y mit der lokalen Kennung b des Handys und
der Zellbereichskennung 1 in der Bestätigung 1 verknüpft. Über b läßt sich
in der Anforderung 2 an der Stelle x2 der Zeitpunkt t2
und die lokale Referenznummer Z erkennen, über welche dann in der Bestätigung 2 der
Zellbereich 2 identifiziert wird.
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Bild 1:
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schematische Darstellung
des zellularen GSM-Netzes sowie die schematische Darstellung des
Datenaustauches zwischen GSM-Netz und Handy
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Die Erfindung zeichnet sich besonders
dadurch aus, daß sie
für die
Bereitstellung der zur Beurteilung der Verkehrssituation, insbesondere
Verkehrsstockungen, erforderlichen Daten keine besonderen, zusätzlichen
Einrichtungen benötigt,
da sie diese dem Betriebssystem des GSM-Netzes entnimmt. Zugleich
ist es vorteilhaft, daß die
erforderlichen Daten auch in ausreichend großer Menge und vor allem flächendeckend
anfallen.
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Aus den ermittelten Geschwindigkeiten
vieler derartiger Objekte können
Kennwerte für
die Reisegeschwindigkeit im Zellbereich bestimmt werden, z.B. durch
Bestimmung der Verteilungsfunktion der Anzahl der Handys n über der
Reisegeschwindigkeit, bzw. von Clustern in denen Gruppen von Handys
mit ähnlicher
Reisegeschwindigkeit zusammengefaßt werden. Im Bild 2 wird ein
mögliches
Vorgehen veranschaulicht. Im Cluster 0 werden z.B. die
Handys zusammengefaßt
werden, die im betrachteten Zeitraum den Zellbereich nicht verlassen
und die Handys, die ihn zwar verlassen, die jedoch zwischenzeitlich
aktiviert werden und dadurch ihre temporäre Kennung ändern. Solange das Cluster 0 klein
ist im Vergleich zur Anzahl der Objekte, deren Geschwindigkeiten
in Clustern liegen, die höheren
Geschwindigkeiten zugeordnet sind (z.B. Cluster 1 bis Cluster 3)
bzw. dazwischen angeordnet sind, sind die letzteren Cluster kennzeichnend
für charakteristische
Reisegeschwindigkeiten im Zellbereich im betrachteten Zeitraum.
Je größer Cluster 0 wird,
bezogen auf die Anzahl der in den Zellbereich eintretenden Objekte,
desto wahrscheinlicher handelt es sich um einen Stau.
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schematische
Darstellung des Auswerteschemas Bild
2:
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Nachfolgend wird anhand einer Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen erläutert.
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In der Zeichnung zeigt die
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1 eine
schematische Darstellung eines zellularen GSM-Netzes;
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2 eine
schematische Darstellung des Datenaustausches zwischen GSMNetz und
mobilem Objekt;
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3 eine
gleichfalls schematische Darstellung eines von vielen möglichen
Auswerteschemata's.
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Ein GSM-Netz 1 umfaßt eine
Vielzahl von zumindest annähernd
flächendeckend über das
Netzgebiet hin verteilt angeordneten Zellbereichen 2, 3,4 und 5,
wobei jeder Zellbereich 2 bis 5 jeweils aus einer
Anzahl von untereinander gleichen Zellen 6 besteht. Ferner
sind die einzelnen Zellbereiche 2 bis 5, wie nur
bezüglich der
Zellbereiche 3 und 4 vollständig gezeigt, räumlich ziemlich
exakt gegeneinander abgegrenzt Wie aus der Darstellung der 1 ferner deutlich ersichtlich
durchquert eine vorgegebene Bewegungsbahn für mobile Objekte, insbesondere
eine durch einen Pfeil 7 dargestellte Verkehrsstraße 7 die
Zellbereiche 2 bis 5. Dabei sind die Streckenlängen über welche
hin die Bewegungsbahn 7 im jeweiligen Zellbereich 2 bzw. 3 bzw. 4 bzw. 5 verläuft feststehende
und veränderliche
Größen.
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Bewegt sich ein eingeschaltetes mobiles
Objekt, beispielsweise in einem Fahrzeug, auf der Bewegungsbahn 7 aus
dem Zellbereich 2 heraus in den Zellbereich 3 hinein
wird beim Übergang
von einem Zellbereich 2 in Zellbereich 3 hinein,
so wird automatisch eine Aktualisierungsprozedur ausgelöst. Dabei
werden mehrere Daten zwischen dem mobilen Objekt und einer Funkfeststation
des neuen Zellbereiches ausgetauscht. Eine schematische Darstellung
der Aktualisierungsprozedur ist in der 2 gezeigt. Demgemäß fordert das jeweilige mobile
Objekt beim Eintritt in einen Zellbereich eine Aktualisierung an,
welche als Parameter unter anderem die Bestätigung des aktuellen Zeitpunktes
des Überganges
(im Mikrosekundenbereich), die Kennung des mobilen Objekts, die
Kennung des Herkunftszellbereiches 2 bzw. 3 bzw. 4 bzw. 5 umfaßt. Diese Anforderung
einer Aktualisierung des Aufenthaltsbereiches wird unter Bestätigung der
Parameter Bestätigung des
aktuellen Zeitpunktes des Überganges
(im Mikrosekundenbereich), die Kennung des mobilen Objektes, lokale
Referenznummer und Mitteilung der Kennung des neuen Zellbereiches
bestätigt.
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Beim Übertritt eines mobilen Objekt's
im Punkt x1 aus dem Zellbereich 2 in den Zellbereich 3 werden im
Rahmen der vorstehend dargelegten Aktualisierungsprozedur unter
anderem die Übertrittszeit
t1 und die Kennung des Zellbereiches 3 dokumentiert. Bewegt
sich das mobile Objekt entlang der Bewegungsbahn 7 und tritt
zu in gendeinem Zeitpunkt bei x2, den Zellbereich 21 verlassend
in den Zellbereich 3 ein erfolgt eine neue Aktualisierungsprozedur
und es werden unter anderem der aktuelle Zeitpunkt t2 des Überganges
(im Mikrosekundenbereich) und die Mitteilung der Kennung des Zellbereiches 3 bestätigt. Alle
Bestätigungen
werden in einer Datenbank des GSM-Netzes niedergelegt.
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Ausgehend von der Tatsache, daß die Kennung
des mobilen Objekt's und die lokale Referenznummer ihrerseits unveränderliche
Merkmale sind kann eine Verwechslung unterschiedlicher mobilen Objekten
ausgeschlossen werden und ergibt sich die Durchlaufgeschwindigkeit
des mobilen Objekts, beispielsweise für den Zellbereich 3 aus
v = d(x1, x2)/(t2 – tl
). Wie weiter oben dargelegt ist hierbei die Größe d die Wegstrecke zwischen
den Eintrittsstellen x1 und x2 eine unveränderlich feststehende Größe.
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Aus den ermittelten Durchlaufgeschwindigkeiten
vieler mobiler Objekte, beispielsweise durch den Zellbereich 3 können Kennwerte
für die
Reisegeschwindigkeiten bzw. den Verkehrszustand im jeweiligen Zellbereich 3 bestimmt
werden.
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In der praktischen Anwendung ergeben
sich noch allerdings einige Besonderheiten, z.B.: werden mobiles
Objekte auf dem Weg zwischen den Punkten x1 und > ⎕ benutzt, ändert sich mit jeder Nutzung
deren temporäre
Kennung. Ein benutztes mobiles Objekt kann am Ort x2 nicht mehr
dem mobilen Objekt am Ort x1 zugeordnet werden. In diesem Fall kann
keine Geschwindigkeit ermittelt werden, da die ursprüngliche
temporäre
Kennung verschwunden und eine neue erschienen ist. Ähnliche
Verhältnisse
ergeben sich, wenn ein mobiles Objekt zwischen den Punkten x1 und
x2 ein- oder ausgeschaltet
wird.
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Aus diesen Gründen ist eine Auswertung notwendig,
die sich auf viele bis sehr viele Einzelmessungen stützt. Die
Auswertung lässt
sich grob in folgender Form beschreiben: Solange sich eine größere Anzahl
von mobilen Objekten mit den 'normalen' Bewegungsgeschwindigkeiten
zwischen den Punkten x1 und x2 bewegt liegt ein 'normaler' Verkehrszustand
vor, d.h. es ist keine oder zumindest keine auffällige Verkehrsstockung vorhanden.
Werden die Bewegungsgeschwindigkeiten der mobilen Objekte zwischen
den Punkten x1 und x2 mehrheitlich geringer, deutet dies auf einen
sich verändernden
Verkehrszustand mit niedrigerer Bewegungsgeschwindigkeit hin. Bei
einem Stau, gibt es nahezu keine mobiles Objekte mit 'normalen'
Bewegungsgeschwindigkeiten zwischen den Orten x1 und x2 mehr.
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Eine andere Auswertung sieht eine
Verteilungsfunktion der Anzahl der mobilen Objekte über der
Bewegungsgeschwindigkeit vor, insbesondere die Aufteilung der Bewegungsgeschwindigkeiten
in Cluster, beispielsweise in Cluster 0 bis 3,
wie dies in der Figur schematisch dargestellt ist. Dabei ergibt
sich, wenn die Anzahl der mobilen Objekte im Cluster 0 klein
ist im Vergleich zur Anzahl der mobilden Objekte, deren Geschwindigkeiten
in den den höheren
Geschwindigkeiten zugeordneten Clustern 1 bis 3 liegen
bzw. dazwischen angeordnet sind, sind die letzteren Cluster kennzeichnend
für charakteristische
Bewegungsgeschwindigkeiten im Zellbereich im betrachteten Zeitraum.
Je größer die
Anzahl der mobilen Objekte im Cluster 0 wird, bezogen auf
die Anzahl der in den Zellbereich eintretenden mobilen Objekte,
desto wahrscheinlicher handelt es sich um eine Verkehrsstokkung.
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In einer verfeinerte Auswertung können die
bekannten Statistiken des von Datum und Uhrzeit abhängigen Konsumentenverhaltens
der mobilen Objekt-Besitzer berücksichtigt
werden, bis hin zur Generierung von Warnmeldungen bereits vor einem
Stau, die sich aus dem ermittelten Verkehrszustand prognostizieren
lassen. Mit statistischen Auswertungen ist das Verfahren ferner
auch dann anwendbar, wenn sich der Weg innerhalb eines Zellbereiches
aufteilt, und die in den ersten Zellbereich 2 eintretenden
mobilen Objekte nachfolgend in 2 oder mehrere andere Zellbereiche 3 bzw. 4 bzw.
5 eintreten.
