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Die Erfindung bezieht sich vor allem auf ein Verfahren zur Ermittlung von Reisezeiten und Verkehrsparametern in einem Strassennetz auf Basis der Positionsbestimmung mittels Mobilfunkzellen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein System gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 3. Insbesondere betrifft die Erfindung die Generierung von Reisezeiten in einem Strassennetz durch selektive Positionsmeldung aus Übergangsbereichen von Mobilfunkzellen.
Mobilfunkzellen haben in urbanen Gebieten eine Ausdehnung in der Grössenordnung von ca.
100 - 1000 m, im suburbanen Bereich ca. 1 -10 km und im ländlichen Raum bis zu 35 km. Durch die grossen Zellausdehnungen ist es schwierig bis unmöglich, eine ausreichend genaue Positionsbestimmung zur Generierung von Reisezeiten und daraus abgeleiteten Verkehrsinformationen zu erhalten.
Verschiedene Verfahren zur Positionsbestimmung von Mobiltelefonen sind als Stand der Technik anzusehen.
- In der Patentanmeldung EP 1 091 333 A2 wird ein System zur Ortung von Mobiltelefonen in einem Mobilfunknetz mittels Laufzeiten-Vergleich beschrieben. Dabei wird an mindestens zwei Funkmasten gleichzeitig eine bestimmte Bitfolge gesendet. Abhängig von der Distanz des Telefons zur Basisstation benötigt dieses eine gewisse Laufzeit, wodurch proportional dazu die Entfernung gegeben ist. Durch die Kenntnis zweier Entfernungen von den Basis- stationen sowie deren genaue Position kann mittels Hyperbelschnitt-Verfahren die Position des Mobiltelefones bestimmt werden.
- Die Patentanmeldung WO 9642179 A1 beschreibt eine Methode, mit der in definierten Zeit- intervallen oder auf Anforderung (z. B. einer Zentrale) die ungefähre Position von mobilen
Einheiten (Mobiltelefonen) bestimmt wird. Diese wird mit einer (elektronischen) Strassenkar- te, vorliegend als Knoten-Kanten-Model, verglichen und eine Reihe von möglich befahrenen
Strassenstücken ermittelt. In Abhängigkeit von der Dichte des Strassennetzes und der Ge- nauigkeit des Ortungsverfahrens ergeben sich auf diese Art mehr oder weniger verschiede- ne Möglichkeiten, für die Fahrtroute eines Fahrzeuges (sofern es sich um ein Fahrzeug han- delt). Für die weitere Entscheidungsfindung werden Informationen über eine Strasse (erlaub- te Geschwindigkeit, Verkehrslage) mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit, ermittelt aus der Zeit- und Wegdifferenz, verglichen.
Durch diesen Vergleich kann beispielsweise ent- schieden werden, ob sich ein Fahrzeug auf einer Autobahn oder der parallel verlaufenden
Feldstrasse befindet. Eine Anzahl von mehreren sich bewegenden mobilen Stationen können zu Gruppen zusammengefasst werden, unter der Annahme dass sich all diese Fahrzeuge auf derselben Strasse (Route) befinden. Diese Information wiederum wird mit der Kapazität einer Strasse verglichen und - so die richtige Route aus mehreren möglichen zu wählen. Sollte sich aber eine mobile Ein- heit nicht bewegen, kann auch mit dieser Methode die Position nicht genauer bestimmt wer- den, als mit den üblichen Ortungsverfahren mittels Mobilfunk (Phasenlage, Laufzeitmes- sung, usw.).
- In der Patentanmeldung EP 1 081 666 A2 wird ein System beschrieben, mit welchem die
Positionen von Fahrzeugen auf verschiedenen Verkehrswegen ermittelt werden können.
Grundlage sind die einzelnen "Positions-Meldungen" von Mobiltelefonen und das Strassen- netz, dargestellt durch ein Knoten-Kanten-Modell. Die Positionen der Mobiltelefone werden mit einem "cellular phone location determining system" bestimmt. Da dieses System nicht näher beschrieben wird, handelt es sich vermutlich um eine Laufzeitmessung oder eine ähn- liche Methode, da mehrere Funkmasten für die Ortung benötigt werden. Diese Positions- meldungen werden nun mit einem, ebenfalls nicht beschriebenem System, den Kanten des
Strassennetzes zugeordnet. Eine weitere Systemkomponente prüft diese Distanz zwischen
Position des Mobiltelefones und Kante, um zu entscheiden, ob sich das Telefon auf einer
Strasse befindet oder nicht. Eine Information über die Bedeutung (Klasse) der Strasse fliesst in diese Entscheidung ein.
Ebenso wird über den Vergleich zweier aufeinander folgender Posi- tionsmeldungen die Richtung und Fahrstrecke bestimmt und diese Information ebenfalls für die Kantenzuordnung verwendet. Die erhaltenen Informationen sollen einerseits zur Ver- kehrs-Überwachung ("Traffic monitoring") und andererseits für die "Verbesserung" (genaue- re Knoten, Informationen über Restriktionen, u. s.w.) des Knoten-Kanten-Models des Stra- #ennetzes eingesetzt werden können.
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- In der EP00540611 wird ein Zusammenhang zwischen der Signalstärke und dem Abstand eines Mobiltelefones von der Basis-Station hergestellt. Der für ein definiertes Gebiet (z.B. eine Strasse) bekannte Zusammenhang wird für die Bestimmung der Position eines beliebi- gen Mobiltelefones eingesetzt.
- Wesentliche Aufgaben der Erfindung sind die Positionsfeststellung von Verkehrsteilnehmern sowie die Generierung von Reisezeiten in einem Strassennetz durch selektive Positionsmel- dung aus Übergangsbereichen von Mobilfunkzellen sowie die Erstellung eines dafür ein- setzbaren Systems.
Aus der DE 196 38 070 A1 ist ein Verfahren bekannt, das zur Erfassung von Verkehrsdaten von Fahrzeugen dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Fahrzeuge jeweils mit mindestens einer dezentralen Einheit ausgerüstet sind, die mindestens eine Funktion zur Mobilkommunikation sowie eine Funktion zum Erlangen einer Zeitfunktion und zur Speicherung aufweist, wobei mehreren dezentralen Einheiten mindestens eine Zentraleinheit mit Steuerungsfunktionen und Verarbeitungsfunktionen zugeordnet ist, und dass während der Fahrt mittels der dezentralen Einheit die Zellen charakterisierende Informationen und andere funk- und übertragungstechnische Informationen empfangen und ausgewertet werden und dass den Zellwechsel charakterisierende Informationen zusammen mit Zeitmarken aufgezeichnet werden.
Dabei ist vorgesehen, dass die in den dezentralen Einheiten gesammelten Daten an eine Zentrale übermittelt werden, und dass diese die übermittelten Daten unter Verwendung der die Zellen charakterisierenden Informationen sowie die die Zellen betreffende Funkversorgungsinformation den geographischen Informationen über das Wegenetz zuordnet und so eine Rekonstruktion des Fahrweges des Fahrzeuges durchführt. Ferner werden die Zeitmarkeninformationen aus den in die Zentraleinheit übermittelten Datensätzen mit Hilfe des rekonstruierten Fahrweges zur Bestimmung von Grössen, die den Verkehrsfluss auf den Fahrwegen charakterisieren, ausgewertet. Die Übermittlung der in den dezentralen Einheiten aufgezeichneten Daten zur Zentraleinheit unter Verwendung eines Mobilkommunikationssystems.
Dieses Verfahren bringt insofern Nachteile mit sich, als eine Auswertung der dezentral ermittelten Daten in der Zentrale erfolgt, womit eine rasche Verarbeitung der Daten und Ermittlung der Verkehrsparameter nur schwer möglich ist. Dies vor allem deshalb, weil die geografische Position zwischen dem Übergangsbereich zweier Mobilfunkzellen nicht a priori vorhanden ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch die in Anspruch 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet, das erfindungsgemässe System durch die im Anspruch 3 angeführten Merkmale.
Das Verfahren und das auf dem Verfahren basierende System beruhen auf der Charakteristik von Geräten mit Mobilfunk-Komponente (z.B. Mobiltelefonen oder Kleincomputern), das Verlassen einer Mobilfunkzelle am Unterschreiten eines Mindest-Empfangspegels zu erkennen und sich in eine neue Zelle einzubuchen.
Typischerweise erfolgt diese Anmeldung in die neue MFZ immer in einem geographisch definierten Bereich, der im städtischen Bereich zwischen 50 und 500m liegt (siehe Zeichnung 2).
Fahrzeuge, die sich in Zelle A befinden, sind mit A bezeichnet. Fahrzeuge, die bereits im Bereich der Zelle B sich befinden, sind mit B bezeichnet. Sendet nun das Gerät genau zum Zeitpunkt des Einbuchens in die neue Zelle eine Nachricht (z. B. SMS) mit Timecode, Zellen-ID der vorherigen Zelle und Zellen-ID der neu eingebuchten Zelle, so kann die Fahrtrichtung und Position des Mobiltelefons und somit auch des Fahrzeuges bestimmt werden. Die Positionsbestimmung des Mobiltelefons erfolgt dabei mit einer viel grösseren Genauigkeit, als wenn nur die Zellen-ID bekannt ist.
Dies wirkt sich besonders im ländlichen Bereich aus, wo Zellgrössen bis 35km erreicht werden können und die damit erreichte Positionsermittlung für vekehrstechnische Zwecke völlig unzureichend wäre.
Voraussetzung dieses Verfahrens ist die Definition von virtuellen Baken, indem jeweils einer Position auf einem Strassenabschnitt Zellüberschneidungsbereiche mit derselben geographischen Position zugeordnet werden. Die Information über die Lage der Bereiche kann entweder von einem Mobilfunkbetreiber zur Verfügung gestellt werden, oder von einer eigenen Testflotte durch Auslesen der Zellen-ID und gleichzeitigem Georeferenzieren durch GPS-Koordinaten unabhängig von Betreibern ermittelt werden.
Aus den vorhandenen Übergangsbereichen werden Schlüssel- Übergangsbereiche mit einer sehr exakten Übergangscharakterisitik - d. h. mit möglichst kleinem geografischen Bereich und exakter Übereinstimmung mit der Position auf dem Strassenabschnitt herausgefiltert und in einer Liste unter Angabe der geografischen Koordinaten der Zellen-IDs und
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der zugeordneten Position auf dem Strassenabschnitt abgespeichert.
Die Liste der so definierten virtuellen Baken wird auf dem Speichermedium eines Gerätes mit Mobilfunk-Komponente (z. B. SIM-Karte eines Mobiltelefones oder Speichermedium eines Kleincomputers) gespeichert. Der Update dieser Daten kann durch eine online Verbindung (z.B. mittels Java Applet) oder SMS erfolgen, um Änderungen im Strassennetz oder Mobilfunknetz zu berücksichtigen.
Eine Vergleichseinheit des Gerätes erkennt einen Zellenwechsel und vergleicht die aktuelle Zellen-ID mit den gespeicherten Daten und sendet bei Erkennen einer der vorher definierten Zellen bzw. Zellabfolgen eine Nachricht an eine Zentrale (unmittelbar nach Einbuchen in die neue Mobilfunkzelle). Dies kann durch eine Übertragungseinheit (z. B. durch eine SIM-Toolkit Applikation oder durch eine WAP Applikation) erfolgen. Die Nachricht übermittelt dabei den Timecode, die vorhergehende Zelle und die neu verwendete Zelle. Durch die Angabe der Vorher- und Nachherzelle kann die Fahrtrichtung bestimmt werden.
Durch die definierten virtuellen Baken (Zellübergangsbereiche), deren Position bekannt ist und der Zeitinformation zwischen zwei Meldungen kann über ein herkömmliches Routing-Verfahren die gefahrene Route ermittelt und die Reisezeit zwischen den virtuellen Bakenstandorten errechnet und auf die zugehörigen Strassenabschnitte umgerechnet werden. Durch die Definition von Schlüssel-Übergangsbereichen wird auch eine Reduzierung der zu übertragenden Nachrichten erreicht, da nur dann eine Positionsinformation gesendet wird, wenn der Übergangsbereich auf dem Speichermedium des Gerätes registriert wurde.
Aus der Kenntnis des zeitlichen Verlaufes der Reisezeiten in einem Strassensegment kann durch ein herkömmliches statistisches Verfahren der Zeitreihen-Analyse, durch den Vergleich von Reisezeit-Ganglinien oder durch Methoden der künstlichen Intelligenz (z. B. neuronale Netze) die Entwicklung der Reisezeit in den einzelnen Segmenten prognostiziert werden. Wenn die gewählte Route bekannt ist, kann die Reisezeit aus der Summe der einzelnen Reisezeiten der Segmente errechnet werden.
Aus den erfassten Fahrtrouten von Fahrzeugen lassen sich Informationen über die Start-ZielMatrix (O-D-Matrix) in einem Strassennetz gewinnen (siehe Zeichnung 3). Die Erfassung wird bis zur vollständigen Erfassung der wichtigsten Segmente eines Strassennetzes durchgeführt (in Abhängigkeit von der Fahrleistung der Fahrzeugflotte mehrere Tage bis Wochen). Diese Informationen (häufigste Fahrtrouten, Aufteilung der Verkehrsströme an Knotenpunkten,...) werden in einer geographischen Datenbank gespeichert und können von einem (herkömmlichen) Routenplaner zur Empfehlung der Fahrrouten-Wahl verwendet werden. Nach Wahl der Route (meistens auf Basis der Kriterien kürzeste Route, schnellste Route oder kostengünstigste Route) kann die Reisezeit mit geringem rechentechnischem Aufwand aus der Summe der Reisezeiten in den einzelnen Segmenten ermittelt werden.
Weiters kann die Information als Grundlage für flächendeckende Verkehrsprognosen und/oder verkehrstechnische Analysen eingesetzt werden.
Das Verfahren eignet sich besonders für die flächendeckende Verkehrsdatenerfassung auf höherrangigen Verkehrswegen im überregionalen Bereich, ist aber auch sehr gut für urbane Gebiete geeignet.
Das erfindungsgemässe System, das auf der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beruht, ist schematisch in Zeichnung 1 dargestellt. Es besteht aus einem mobilen Gerät (M) und einer Zentrale (Z). Der zeitliche Ablauf der Systemschritte wird durch eine Steuereinheit auf dem mobilen Gerät (8) und eine Steuereinheit in der Zentrale (9) gesteuert.
Durch eine in der Zentrale befindliche Einheit zur Definition von virtuellen Baken (1) werden virtuellen Baken definiert, indem jeweils einer Position auf einem Strassenabschnitt Zellüberschneidungsbereiche mit derselben geographischen Position zugeordnet werden. Aus den vorhandenen Übergangsbereichen werden Schlüssel-Übergangsbereiche mit einer sehr exakten Übergangscharakterisitik - d. h. mit möglichst kleinem geografischen Bereich und exakter Übereinstimmung mit der Position auf dem Strassensegment - herausgefiltert und in einer Liste unter Angabe der geografischen Koordinaten der Zellen-IDs und der zugeordneten Position auf dem Strassenabschnitt abgespeichert. Diese Liste liegt vorteilhafterweise in der Zentrale auf.
Durch eine vorteilhafterweise in der Zentrale befindliche Einheit zur Registrierung (2) wird die Liste der so definierten Schlüsselübergangsbereiche auf die Geräte mit Mobilfunk-Komponente (M) übertragen und dort gespeichert. Der Update dieser Daten kann durch eine online Verbindung (z.B.
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mittels Java Applet) oder SMS erfolgen, um Änderungen im Strassennetz oder Mobilfunk-Netz zu berücksichtigen.
Die Vergleichseinheit (3) der Geräte vergleicht die aktuelle Zelle, in der sich das Gerät befindet, mit der Liste auf dem Speichermedium des Gerätes (M).
Bei Erkennen einer der vorher definierten Zellabfolgen sendet eine Übertragungseinheit (4) des Gerätes eine Nachricht an eine Zentrale (unmittelbar nach Einbuchen in die neue Mobilfunkzelle).
Dies kann z. B. durch eine SIM-Toolkit Applikation oder durch eine WAP Applikation erfolgen. Die Nachricht übermittelt dabei den Timecode, die vorhergehende Zelle und die neu verwendete Zelle.
Durch die Angabe der Vorher- und Nachherzelle kann die Fahrtrichtung bestimmt werden.
Aufgrund der definierten virtuellen Baken (Zellübergangsbereiche), deren Position bekannt ist, und der Zeitinformation zwischen zwei Meldungen kann von einer vorteilhafterweise in der Zentrale befindlichen Einheit zur Routen- und Reisezeit-Berechnung (5) über ein herkömmliches RoutingVerfahren die gefahrene Route ermittelt und die Reisezeit zwischen den virtuellen Bakenstandorten errechnet und auf die zugehörigen Strassenabschnitte umgerechnet werden.
Aus der Erfassung der Fahrtrouten von Fahrzeugen wird durch eine vorteilhafterweise in der Zentrale befindliche Einheit zur Ermittlung der Start-Ziel-Matrix (6) die Start-Ziel-Matrix (O-DMatrix) im Strassennetz gewonnen (siehe Zeichnung 3). Diese Informationen (häufigste Fahrtrouten, Aufteilung der Verkehrsströme an Knotenpunkten,...) werden in einer geographischen Datenbank gespeichert und können von einem (herkömmlichen) Routenplaner zur Empfehlung der Fahrrouten-Wahl verwendet werden. Nach Wahl der Route wird die Reisezeit aus der Summe der Reisezeiten in den einzelnen Segmenten ermittelt.
Weiters kann durch eine vorteilhafterweise in der Zentrale befindliche Schnittstelle zu Simulationswerkzeugen (7) die Information in ein Simulationswerkzeug (10) übertragen und als Grundlage für flächendeckende Verkehrsprognosen und/oder verkehrstechnische Analysen eingesetzt werden.
Die erforderlichen Einheiten werden von entsprechenden Hardware-Bauteilen und/oder der Software bzw. von Programmen realisiert, die in einer Rechnereinheit integriert sein können, die jeweils am Gerät und/oder in der Zentrale vorhanden ist.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Ermittlung und/oder Auswertung der Position von Geräten mit Mobilfunk-
Komponente, insbesondere Mobiltelefonen, die in Kraftfahrzeugen mitgeführt werden, wo- bei basierend auf der Feststellung von Zellübergängen und gemessene Zeitmarken die
Ermittlung bzw.
Auswertung vorgenommen wird und in einer Zentrale, insbesondere über ein herkömmliches Routing-Verfahren, die gefahrene Route ermittelt und aus der Zeitdiffe- renz der Meldungen die Reisezeit und weitere Verkehrsparameter auf einem Strassenseg- ment berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass - jeweils einer Position auf einem Strassenabschnitt der Übergangsbereich zweier Mobil- funkzellen mit derselben geographischen Position zugeordnet und als virtuelle Bake de- finiert wird, dass - eine Liste der definierten Baken auf dem Speichermedium des Gerätes mit Mobilfunk-
Komponente gespeichert und gegebenenfalls im Falle einer Änderung des Mobilfunknet- zes oder Strassennetzes aktualisiert wird,
dass - durch einen in dem jeweiligen Gerät erfolgenden Vergleich der aktuellen Zellen-ID mit der gespeicherten Liste der virtuellen Baken das Erreichen der entsprechenden Position auf einem Strassenabschnitt erkannt wird, und dass - beim Erreichen der virtuellen Bake die Position des Gerätes und der Zeitpunkt der Über- tragung über Mobilfunk zu der zentralen Einheit übertragen werden.