DE10136646A1

DE10136646A1 - Verfahren zur Flußbilanzierung von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE10136646A1
Application number: DE2001136646
Authority: DE
Inventors: Claudius Schnoerr; Alan Deckert
Original assignee: DDG Gesellschaft fuer Verkehrsdaten mbH
Current assignee: DDG Gesellschaft fuer Verkehrsdaten mbH
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flußbilanzierung von Fahrzeugen auf Streckenabschnitten einer Straße zur Ermittlung von Reisegeschwindigkeiten bzw. -zeiten und zur schnellen Störfallerkennung. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - aus allen gemessenen und/oder geschätzten Zu- und Abflüssen eines Streckenabschnitts die momentane Flußbilanz (u) je Zeiteinheit für einen Streckenabschnitt ermittelt wird, DOLLAR A - die momentanen Flußbilanzen (u) mit einer störungsbegrenzenden Integration zu einem Schätzwert für die Fahrzeugmenge y (KFZ) auf dem Streckenabschnitt aufintegriert werden, DOLLAR A - aus der ermittelten Fahrzeugmenge (y) eine Reisezeit, -geschwindigkeit oder ein Verkehrszustandsindikator bestimmt wird, DOLLAR A - aus den Reisezeiten, -geschwindigkeiten oder den Verkehrszustandsindikatoren der Streckenabschnitte einer Straße über Verkehrsinformationssysteme Informationen hinsichtlich der Verkehrssysteme erzeugt und den Verkehrsteilnehmern unmittelbar oder mittelbar über Informationsdienste mitgeteilt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flußbilanzierung von Fahrzeugen auf Streckenabschnitten einer Straße zur Ermittlung von Reisegeschwindigkeiten bzw. -zeiten und zur schnellen Störfallerkennung.
Im Straßenverkehr können sich Verkehrszustände aufgrund unterschiedlicher Einflüsse sehr schnell ändern. Resultierende Verkehrsstörungen, z. B. Staus, stellen dabei eine Gefahr für die nachfolgende Verkehrsteilnehmer dar. Über aktuelle Verkehrsmeldungen oder auf streckenbezogenen Reisezeitverlusten basierende Routenempfehlungen werden den Verkehrsteilnehmern solche Störungen, auch aus Sicherheitsgründen zur Unfallvermeidung, zur Kenntnis gebracht.
Neben der lokalen Interpretation von Meßwerten am Ort der Messung selbst können auch Aussagen über den Verkehrszustand oder die Reisezeit für Streckenabschnitte über Modellbildungen getroffen werden. Ein solches abschnittsbezogenes Modell ist die Betrachtung der Flußbilanz, d. h. die zeitliche integrale Betrachtung der Flußdifferenzen der Zu- und Abflüsse von Fahrzeugen für den Streckenabschnitt. Aus der Menge der auf dem Streckenabschnitt befindlichen Fahrzeuge kann dann auf den Verkehrszustand geschlossen werden.
Die Aktualität der daraus abgeleiteten Verkehrsinformationen, also der Reisezeiten oder Verkehrsmeldungen, kann dadurch erhöht werden, da auch Aussagen für Punkte innerhalb des Streckenabschnitts getroffen werden können, bevor die vorliegenden Meßwerte am Anfang oder Ende des Streckenabschnitts dies explizit anzeigen.
Bei der Realisierung dieser Zielsetzung bestehen allerdings folgende Probleme:

1. Nicht alle Zu- oder Abfahrten sind für einen Streckenabschnitt durch Detektoren überwacht. Die entsprechenden Zu- und Abflüsse können dann für die Flußbilanz nur geschätzt werden, z. B. aus historischen Datenverläufen über die Zeit.
2. Flüsse müssen zum Teil geschätzt werden, weil Detektoren nur eine von mehreren Fahrspuren einer Straße erfassen.
3. Einzelne Detektoren erfassen zufällig oder gar systematisch die Flüsse fehlerhaft. Die Flüsse fallen daher zu groß oder zu klein aus.
4. Die Fehler bei den Flußmessungen der Detektoren können abhängig vom jeweiligen Detektor sein.
5. Die Fehler bei den Flußmessungen sind abhängig von den absoluten Flüssen bzw. Geschwindigkeiten, bei denen sie gemessen werden.
6. Spurwechselnde Fahrzeuge werden von zwei nebeneinanderliegenden Schleifen gezählt statt nur von einer einzigen, also doppelt.

All diese Fehler führen bei der Flußbilanzierung zu einer Aufintegration über der Zeit. Außer bei den zufälligen Schwankungen, die sich über die Zeit wegmitteln, führt dies unweigerlich mehr oder weniger schnell zu unreal kleinen (oder gar negativen) oder großen Fahrzeugmengen für einen betrachteten Streckenabschnitt.
In den Schriften US 5,684,475 "Method for Recognizing Disruptions in Road Traffic", EP 740280 A2: "Disturbance detection method for road traffic" und EP740280 B1: "Disturbance detection method for road traffic", wird aus den gemessenen Daten am Anfang eines Streckenabschnitts ein Fluß für das Ende des Streckenabschnitts prognostiziert. Die Differenz aus diesem prognostizierten Fluß und dem gemessenen Fluß am Ende wird aufsummiert und über einen Schwellwert dieser Differenz ein Störfallindikator gebildet.
Dieses Verfahren

- berücksichtigt keine Zu- und Abflüsse von Zu- und Abfahrten,
- summiert bzw. integriert insbesondere die Verkehrsflußdifferenzen lediglich auf,
- enthält keine Möglichkeit, plötzliche Änderungen, z. B. bei Unfällen, schnell zu detektieren.
- ist insbesondere nicht robust gegenüber etlichen Arten von Störeinflüssen.

Dieses bekannte Verfahren allein bietet daher keine Lösung für die dargestellten Probleme. Insbesondere ist es nicht flächendeckend auf Basis von Induktionsschleifendaten oder Flußschätzungen von Detektordaten, die lediglich eine Fahrspur erfassen, einsetzbar.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Flußbilanzierung von Fahrzeugen zu schaffen, das im Erfassungsbereich liegende Zu- und Abflüsse sowie aufgrund unterschiedlicher Einflüsse auftretende Änderungen der Verkehrsverhältnisse berücksichtigt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche geben zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung an.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine robuste Lösung zur stabilen Flußbilanzierung von Fahrzeugen auf Streckenabschnitten einer Straße. Es ist auf alle Sraßentypen, sowohl inner- als auch außerorts zur Prognose aktueller Verkehrsdaten einsetzbar. Es ist auch geeignet zur Erstellung von Reisezeiten und Verkehrsmeldungen sowie zur direkten Fahrzeugbeeinflussung und Verkehrslenkung sowie für zahlreiche andere Dienste.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 Schema eines Systems zur Berechnung der Fahrzeugmenge y auf einem Streckenabschnitt durch Integration der momentanen Flußbilanz u aus allen Zu- und Abflüssen q_Zu und q_ab,
Fig. 2 Berücksichtigung von z_Stör durch q_{ab m + 1} und/oder durch das Abschwächungsglied (VZ₁- Glied), das die Auswirkung von z_Stör bei der Integration begrenzt (vgl. Fig. 3),
Fig. 3 Innere Struktur eines VZ₁-Gliedes bestehend aus Integrations- und Proportionalitätsglied und einer Rückkopplungsschleife, seine Sprungantwort sowie das entsprechende Symbol mit 2 Parametern,
Fig. 4 Sprungantwort eines VZ₂-Gliedes sowie dessen Symbol mit 3 Parametern; angedeutet sind mögliche obere und untere Hysteresewerte zur schnellen Stauerkennung.
Die eingangs beschriebenen Probleme lassen sich bis zu einem gewissen Grad durch individuelle, Zeit- und flußabhängige Korrekturfaktoren für die einzelnen Fahrzeugflüsse mindern. Dies ist allerdings aufwendig und nicht zu 100 Prozent möglich. Die prinzipiellen Probleme des integrierenden Verfahrens werden dadurch aber nicht behoben.
In Fig. 1 ist die Wirkung einer z. B. konstanten Fehlmessung eines Zuflusses z_Stör bei der Integration skizziert. Die ermittelte Fahrzeugmenge KFZ_stör für diesen Abschnitt allein aus dieser Störgröße steigt unbegrenzt an. z_stör stehe dabei für alle Meßfehler, nicht überwachten Flüsse bzw. fehlerhaft geschätzten Flüsse sowie sonstige Störungen.
In Fig. 1 haben die Größen folgende Maßeinheiten:
[u] = Fahrzeuge pro Zeit
[y] = Fahrzeuge
[q] = Fahrzeuge pro Zeit.
Sie sind Funktionen der Zeit t, also u(t), y(t) und q(t).
Notwendig ist daher eine robuste und stabile Lösung, mit diesem Umstand umzugehen. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden daher zwei korrigierende, voneinander unabhängige Maßnahmen ergriffen (Fig. 2):

1. Durch einen fiktiven Abfluß je Streckenabschnitt q_{ab m + 1} kann der Einfluß von z_stör kompensiert werden. Ein fiktiver Zufluß wäre durch ein negatives q_{ab m + 1} auch einstellbar.
2. Der Einfluß von z_stör wird bei der Integration durch ein Abschwächungsglied, z. B. ein sogenanntes VZ₁-Glied (Verzögerungsglied erster Ordnung) begrenzt. Die berechnete Fahrzeugmenge y kann dann nicht mehr unbegrenzt anwachsen.

Das VZ₁-Glied (Fig. 3) hat dabei eine exponentielle Sprungantwort h(t) mit der Laplace- Übertragungsfunktion H(s) = K/(1 + Ts).
Die Einheit von K und T sind, dabei gleich der Einheit der Zeit t. Es kann auch diskret durch

y_{k + 1} = (1 - 1/T)_yk + K/T u_k

realisiert werden mit k als diskreter Zeiteinheit. Es gilt z. B. u_k = u(k.dt) mit dt gleich dem diskreten Zeitintervall von beispielsweise einer Minute.
u_k steht nun für die Fahrzeugmenge im Zeitintervall [(k - 1)dt, k dt]. Im einfachsten Fall z. B. mit
T = 1/(1 - a), K = a/(a - 1) und 0 < a < ist das

y_k + 1 = a(y_k + u_k).
Besonders vorteilhaft ist beim VZ₁-Glied, daß sich der Amplitudenwert über K und das Zeitverhalten über T völlig unabhängig voneinander einstellen lassen.
Beide Maßnahmen führen allerdings dazu, daß die ermittelten Fahrzeuge zu klein geschätzt werden. Auch zeigt der Stauindikator bei einer Vollsperrung nicht zeitlich unbegrenzt diese Störung an.
Auf der anderen Seite ist das Überschreiten gewisser Werte der Fahrzeugmenge bzw. der Fahrzeugdichte trotz dieser Maßnahmen dann gerade ein signifikantes Signal für eine Verkehrsstörung auf einem Streckenabschnitt.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen daher dazu, daß

- hohe Fahrzeugdichten signifikant eine Verkehrsstörung anzeigen,
- niedrige Fahrzeugdichten lediglich aussagen, daß auf diesem Streckenabschnitt momentan besser auf Ergebnisse anderer Verfahren zurückzugreifen ist,
- eine Flußbilanzierung robust, stabil und damit dauerhaft für diese Zwecke eingesetzt werden kann.

Nachfolgend wird die ermittelte Fahrzeugmenge über einen festgelegten Schwellwert oder über eine Fuzzy-Logik zu einem Stauindikator weiterverarbeitet, woraus Verkehrsmeldungen erzeugt werden (siehe dazu das Verfahren in der Patentanmeldung 198 16 585.4).
Aus der Fahrzeugmenge wird auch mit der Länge L des betrachteten Streckenabschnitts eine mittlere Dichte auf diesem Streckenabschnitt d = KFZ/L berechnet.
Über die Fundamentaldiagrammbeziehung v = q/d wird daraus mit den Flüssen auf diesem Streckenabschnitt eine Geschwindigkeit berechnet, die einen Schätzwert für die Reisezeit auf diesem Streckenabschnitt liefert. v bezeichnet die Geschwindigkeit und q steht für den Verkehrsfluß auf der Strecke.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das für jeden betrachteten Abschnitt ausgeführt wird, ist folgendermaßen gegliedert:

1. Start der fortlaufenden Flußbilanzierung z. B. nachts mit einer Vorbelegung von 0 Fahrzeugen auf den betrachteten Abschnitten.
2. Betrachtung aller gemessenen oder geschätzten Zu- und Abflüsse [KFZ/Zeit] für einen Streckenabschnitt. Dabei können die Entfernungen der Meßstellen dieser Flüsse vom Ort des Zuflusses zum betrachteten Streckenabschnitt entsprechend den gleichzeitig gemessenen oder geschätzten Geschwindigkeiten zeitlich verzögert bei der Bilanzierung berücksichtigt werden.
3. Berechnung der momentanen Flußbilanz je Zeiteinheit, z. B. minütlich, d. h. die Summe aller vorzeichenbehafteten Zu- und Abflüsse von Fahrzeugen für den Streckenabschnitt.
4. Dabei Berücksichtigung von fiktiven Zeit- und flußabhängigen Kompensationsflüssen (q_{ab m + 1}(t,. . .) in Fig. 2) und individuelle Zeit- und flußabhängige Korrekturfaktoren je erfaßtem Fluß (in Fig. 2 nicht gezeigt). Im einfachsten Fall können diese auch weggelassen bzw. auf 1 ( = keine Korrektur) gesetzt werden.
5. Integration dieser momentanen Flußbilanzen u mit störungsbegrenzen der Eigenschaft zu einem Schätzwert für die Fahrzeugmenge y [KFZ] auf dem Streckenabschnitt (Fig. 2).
6. Berechnung, einer Reisezeit bzw. eines Verkehrszustandsindikators wie oben beschrieben.
7. Erzeugung von Verkehrsmeldungen und Routenplanungen und direkte oder mittelbare Information von Verkehrsteilnehmern bzw. Steuerung des Verkehrs.

Die Zeitkonstanten T_i/K_i werden dabei für jeden betrachteten Streckenabschnitt mit Index i individuell eingestellt, je nach Stärke der Störeinflüsse auf dem jeweiligen Streckenabschnitt und je nach der notwendigen Zeitkonstanten.
Vorteilhaft ist es auch, statt des VZ₁-Gliedes ein VZ₂-Glied zusammen mit einem Hysteresemechanismus zu verwenden (Fig. 4). Es liefert auch eine störungsbegrenzende Integration der Fahrzeugbilanzen. Im Falle einer Vollsperrung, z. B. durch einen Unfall, steigt die Flußbilanz plötzlich sehr schnell an. Das VZ₂-Glied zeigt eine solche Situation durch das Überschwingverhalten schneller an. Zum Beispiel wird ein oberer Schwellwert größer K schneller erreicht und deutlicher überschritten. Durch eine Hysterese, z. B. durch eine untere Schwelle kleiner K kann verhindert werden, daß eine Signal, ausgelöst durch das Überschreiten der Schwelle beim folgenden Unterschwingen, gleich wieder zurückgenommen wird. Die beiden anderen Parameter e und T bestimmen zusammen mit K das Einschwingverhalten.
Die so störungsbegrenzend aufintegrierten Fahrzeugmengen y eines Streckenabschnittes können vorteilhaft auch direkt verwendet werden zur Erzeugung von historisch gemittelten tageszeitabhängigen Ganglinien für die segmentbezogenen Fahrzeugmengen oder zur Eingabe in Flußsimulationsmodelle, die durch partielle Differentialgleichungen zwischen den Größen Fahrzeugfluß ([q(x, t)] = Fahrzeuge/Zeit), -geschwindigkeit ([v(x, t)] = km/h) und -dichte ([d(x, t)] = Fahrzeuge/Strecke) in Abhängigkeit von Ort x und Zeit t gekennzeichnet sind.

Claims

1. Verfahren zur Flußbilanzierung von Fahrzeugen auf Streckenabschnitten einer Straße zur Ermittlung von Reisegeschwindigkeiten bzw. -zeiten und zur schnellen Störfallerkennung, dadurch gekennzeichnet, dass
aus allen gemessenen und/oder geschätzten Zu- und Abflüssen eines Streckenabschnitts die momentane Flußbilanz (u) je Zeiteinheit für einen Streckenabschnitt ermittelt wird,
die momentanen Flußbilanzen (u) mit einer störungsbegrenzenden Integration zu einem Schätzwert für die Fahrzeugmenge y [KFZ] auf dem Streckenabschnitt aufintegriert werden,
aus der ermittelten Fahrzeugmenge (y) eine Reisezeit, -geschwindigkeit oder ein Verkehrszustandsindikator bestimmt wird,
aus den Reisezeiten, -geschwindigkeiten oder den Verkehrszustandsindikatoren der Streckenabschnitte einer Straße über Verkehrsinformationssysteme Informationen hinsichtlich der Verkehrssysteme erzeugt und den Verkehrsteilnehmern über Informationsdienste mitgeteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reisezeit, -geschwindigkeit oder der Verkehrszustandsindikator aus der Fahrzeugmenge (y) direkt ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reisezeit, -geschwindigkeit oder der Verkehrszustandsindikator aus der Fahrzeugmenge (y) indirekt ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsinformationen Verkehrsmeldungen betreffen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsinformationen auf Reisezeiten oder -geschwindigkeiten basierende Routenempfehlungen betreffen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsinformationen den Verkehrsteilnehmern unmittelbar mitgeteilt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsinformationen den Verkehrsteilnehmern mittelbar mitgeteilt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiteinheit für die Ermittlung der momentanen Flußbilanz (u) eine Minute beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als störungsbegrenzende Integration ein VZ₁-Glied mit unabhängigen Parametern K und T für den Schwellwert und die eingestellte Zeltkonstante verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, als störungsbegrenzende Integration eine diskrete Realisierung des VZ₁-Gliedes mit y_{k + 1} = (1 - 1/T)y_k + K/T u_k mit k als diskreter Zeiteinheit verwendet wird,

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als störungsbegrenzende Integration eine Vereinfachte diskrete Realisierung des VZ₁-Gliedes mit y_{k + 1} = a(y_k + u_k) und 0 < a < 1 verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als störungsbegrenzende Integration ein VZ₂-Glied zusammen mit einer Hysteresebewertung der so aufintegrierten Fahrzeugmenge y verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysteresebewertung zusammen mit der störungsbegrenzenden Integration über ein VZ₁-Glied erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als störungsbegrenzende Integration ein Regelungsglied mit einer Sättigungskennlinie ähnlich der in den Fig. 3 oder 4 verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ein zusätzlicher fiktiver Zu- oder Abfluß q_{ab m + 1}(t, q_zu,i, q_ab,j) mit einer zeit- und flußabhängigen Charakteristik berücksichtigt oder mit der störungsbegrenzenden Integration kombiniert wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Reisezeit aus der ermittelten Fahrzeugmenge des Streckenabschnitts über
v = q/d = q/(KFZ/L) bestimmt wird, wobei bedeuten:
d = Fahrzeugdichte für den Streckenabschnitt,
q = ein aus den Flüssen der Zu- und Abflüsse berechneter Fahrzeugfluß,
KFZ = die Fahrzeugmenge und
L = Länge des Streckenabschnittes.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die störungsbegrenzend aufintegrierten Fahrzeugmengen y eines Streckenabschnittes direkt zur Bildung von historisch gemittelten tageszeitabhängigen Ganglinien für die segmentbezogenen Fahrzeugmengen verwendet werden.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die störungsbegrenzend aufintegrierten Fahrzeugmengen y eines Streckenabschnittes direkt oder indirekt zur Eingabe in makroskopische Flußsimulationsgleichungen verwendet werden, über die dann Reisezeiten oder -geschwindigkeiten für den Streckenabschnitt berechnet werden.