DE102004009898B4

DE102004009898B4 - Verfahren zum Ermitteln des Verkehrszustandes auf einem Streckenabschnitt eines Straßennetzes sowie Verkehrsmanagementzentrale zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004009898B4
Application number: DE200410009898
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Sachse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: AT502459A1; DE102004009898A1; CH697821B1; AT502459B1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln des Verkehrszustandes auf einem Streckenabschnitt (10) eines Straßennetzes, wobei mittels dem Streckenabschnitt (10) zugeordneter, Messquerschnitte definierender Verkehrsdetektoren (12, 14) Verkehrsdaten repräsentierende Messwerte (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) erfasst und aus den Messwerten (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) mittels eines Analyseverfahrens (20) der Verkehrszustand ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Fehler in der Messwerterfassung mit Hilfe des Analyseverfahrens (20) erkannt werden, wobei das Analyseverfahren (20) aus den Messwerten (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) eine den Verkehrszustand charakterisierende Störgröße berechnet, deren Werte zur Fehlererkennung in der Messwerterfassung ausgewertet werden, wobei das Analyseverfahren (20) ein Kalman-Filterverfahren zur Berechnung einer Kalman-Störgröße (K) umfasst, und wobei das Verhalten der Kalman-Störgröße (K) hinsichtlich einer wenigstens abschnittsweisen, im wesentlichen konstanten Verschiebung (K_Shift) von einer Nulllinie (K₀) überwacht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln des Verkehrszustandes auf einem Streckenabschnitt eines Straßennetzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Verkehrsmanagementzentrale zur Verkehrsbeeinflussung in Straßennetzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
Die bei derartigen Verfahren eingesetzten Analyseverfahren, die unter dem Oberbegriff "Automatic Incident Detection (AID)" bekannt sind, dienen zur schnellen und sicheren Erkennung von Störfällen im Verkehrsablauf auf Schnellstraßen. Solche Analyseverfahren können zum einen auf der Bildauswertung von Videokameras und zum anderen auf Messwerten von Verkehrsdetektoren in oder über der Fahrbahn, wie z. B. Induktivschleifen, Radarsensoren, Infrarotsensoren oder Magnetfeld-Sensoren, basieren. Im Analyseverfahren, welches eine Aussage über den Verkehrszustand auf einem Streckenabschnitt ableitet, werden die Messwerte aufbereitet, verglichen und es werden Entscheidungsgrößen berechnet und bewertet.
Aus der EP 0 908 861 A2 ist ein Verfahren zur Ermittlung von auf Straßenstrecken, insbesondere Autobahnen, bezogenen Verkehrsinformationen bekannt, wobei mittels ortsfester Detektoren lokale Erfassungsquerschnitte gebildet, verkehrsbezogene Messwerte erfasst, mittels lokaler Rechner vorverarbeitet und auf ein vorgegebenes Datenprotokoll normiert, aggregiert und per drahtloser Übermittlung an eine übergeordnete Datenverarbeitungsanlage übertragen werden. Die übertragenen Daten werden in wenigstens einem Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Verkehrsinformationen bearbeitet, dessen Eingangsdaten wenigstens Fahrzeuggeschwindigkeit und Verkehrsstärke sind und das als Ausgangsdaten wenigstens Reisegeschwindigkeit und Verkehrsdichte an einem Erfassungsquerschnitt hervorbringen kann. Die Daten werden anschließend in wenigstens einem komplexen erweiterten Bearbeitungsverfahren, insbesondere einem Kalman-Filterschätzverfahren, zur Ermittlung von auf Strecken bezogenen Verkehrsinformationen weiterverarbeitet.
Die EP 1 056 063 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Verkehrszustandes innerhalb eines Verkehrsabschnittes mit einem auf einem Modell basierenden Kalman-Filter, durch das die Länge sowie die am Ein- und Ausgang des Verkehrsabschnittes gemessenen Verkehrsstärken berücksichtigt werden. Anhand eines einfachen transportorientierten Modells wird für wenigstens zwei Segmente des Verkehrsabschnittes anhand der Länge sowie der am Eingang des Verkehrsabschnittes gemessenen Verkehrsstärke und der Fahrzeuggeschwindigkeit in Abtastintervallen jeweils ein einen Korrekturwert sowie für jedes Segment einen Verkehrsstärkewert enthaltender Vektor gebildet, der durch Vergleich mit der am Ausgang des Verkehrsabschnittes gemessenen Verkehrsstärke anhand des Kalman-Filters korrigiert wird. Dadurch sind dem korrigierten Vektor präzisierte Schätzwerte für die Verkehrsstärke am Ausgang des Verkehrsabschnittes sowie ein Schätzwert für eine den inneren Zustand des Verkehrsabschnittes repräsentierende Differenzverkehrsstärke entnehmbar. Durch die vorteilhafte Wahl eines transportorientierten Modells für den störungsfreien Fall in Verbindung mit einem Kalman-Filter kann der Verkehrszustand jeweils schnell und präzise ermittelt werden. Insbesondere werden Verkehrsstörungen nahezu verzögerungsfrei erkannt, weshalb die notwendigen Maßnahmen (Stauwarnung, etc.) schnell abgegeben werden können.
Die bekannten Verfahren zur Erkennung von Störungen im Verkehrsablauf setzen voraus, dass die erforderlichen Messwerte vorhanden und im Rahmen der zulässigen und erwarteten Messgenauigkeit sind. Der Qualität der Messwerte, auf welchen die Aussage über den Verkehrszustand beruht, kommt daher eine entscheidende Bedeutung zu. Es ist daher bekannt, die erfassten Messwerte einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen.
Nach dem "Merkblatt für die Ausstattung von Verkehrsrechnerzentralen und Unterzentralen (MARZ 99)", Ausgabe 1999, herausgegeben von der Bundesanstalt für Straßenwesen, Seiten 20 bis 23, sind für alle erfassten Daten Plausibilitätsprüfungen vorzunehmen und evtl. Ersatzwerte zu bestimmen, bevor sie den anderen Funktionen des Systems zur Verfügung gestellt werden. Wird eine der für die Verkehrsstärke bzw. die mittlere Geschwindigkeit je Fahrzeugart vorgegebenen Regeln nicht erfüllt, sind die geprüften Werte für die nachfolgenden Berechnungen als implausibel zu kennzeichnen und ggf. zu ersetzen. Bei jeder Berechnung ist darauf zu achten, dass die benutzten Werte erfasst, fehlerfrei und plausibel bzw. ersetzt sind. Weitere Plausibilitätsprüfungen z. B. mit Hilfe von Fuzzy-Logik müssen integriert werden können.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 740 280 A2 ist ein Verfahren zur Störungserkennung im Straßenverkehr bekannt. Dabei werden innerhalb eines zu überwachenden Sektors an je einem Messquerschnitt am Sektoranfang und Sektorende als Messdaten die Anzahl und die Geschwindigkeit der die Messquerschnitte passierenden Fahrzeuge kontinuierlich erfasst und zu Durchschnittswerten der Verkehrsstärke und der Geschwindigkeit verdichtet. Das Auswertungs- bzw. Analyseverfahren schlägt vor, dass aus den für den Sektoranfang ermittelten Durchschnittswerten zyklisch ein Prognosewert der Ver kehrsstärke für die das Sektorende passierenden Fahrzeuge berechnet wird. Der Prognosewert wird zyklisch mit den für das Sektorende ermittelten DurchschnittsWerten verglichen, um jeweils eine Differenzverkehrsstärke zu bestimmen. Schließlich wird daraus fortlaufend die Anzahl der im zu überwachenden Sektor zusätzlich verbleibenden Fahrzeuge bestimmt. Bei der Bestimmung des Prognosewertes auftretende, beschreibbare Unsicherheiten – etwa, wann Fehlerfassungen an einem Messquer schnitt auftreten – werden durch eine Fuzzy-Modellierung berücksichtigt.
Häufig sind jedoch die vorhandenen Plausibilitäts- und Fehlerkontrollen unzureichend oder können auch versagen. Darüber hinaus sind viele der eingesetzten Analyseverfahren nicht in der Lage zu erkennen, ob eine Veränderung der Messwerte – besonders wenn sie schleichend erfolgt – auf Fehlern in der Messwerterfassung oder auf einer Veränderung des Verkehrsablaufs beruhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Verkehrszustandes auf einem Streckenab schnitt eines Straßennetzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bereitzustellen, mit dem Fehler in der Messwerterfassung sicherer erkannt werden, bevor Aussagen über den Verkehrszustand gemacht werden. Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine Verkehrsmanagementzentrale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14 bereitzustellen, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 sowie durch eine Verkehrsmanagementzentrale der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 14. Indem Fehler in der Messwerterfassung mit Hilfe des Analyseverfahrens erkannt werden, wird in vorteilhafter Weise ein bereits zur Ermittlung des Verkehrszustandes verwendetes und damit vorhandenes Verfahren für einen zusätzlichen Zweck genutzt. Die Erfindung besteht dabei wesentlich in der Erkenntnis, dass sich Störungen im Verkehrsablauf und Fehler in der Messwerterfassung beim Analyseverfahren auf die gleiche Art und Weise bemerkbar machen. Diese Eigenschaft wird hier genutzt, um Störungen oder Ausfälle der Verkehrsdetektoren zu erkennen. Indem das Analyseverfahren zur Auswertung der Messwerte hinsichtlich Fehlern herangezogen wird, können Fehler in der Messwerterfassung sicherer als nur mit den herkömmlichen Plausibilitätskontrollen erkannt werden. Das Analyseverfahren berechnet aus den Messwerten eine den Verkehrszustand charakterisierende Störgröße, deren Werte zur Fehlererkennung in der Messwerterfassung ausgewertet werden. Wenngleich die Berechnung solcher Störgrößen bereits bekannt ist, wird hier mit Vorteil der Wert der Störgröße in die Beurteilung der Messwerte hinsichtlich Erfassungsfehlern einbezogen.
Erfindungsgemäß umfasst das Analyseverfahren ein Kalman-Filterverfahren zur Berechnung einer Kalman-Störgröße. Kalman-Filterverfahren beruhen auf einem transportorientierten Prognosemodell und sind besonders geeignet zur Beschreibung von Verkehrsflüssen. Es darf als bekannt vorausgesetzt werden, wie aus verkehrstechnischen Messwerten eines Messintervalls die Kalman-Störgröße berechnet wird, ihre Verwendung für eine Bewertung der von den Verkehrsdetektoren gelieferten Qualität der Messwerte ist jedoch der Erfindung zuzuschreiben. Ferner wird erfindungsgemäß das Verhalten der Kalman-Störgröße hinsichtlich einer wenigstens abschnittsweisen, im wesentlichen konstanten Verschiebung von einer Nulllinie überwacht. Hieraus lässt sich schließen, dass die Messwerte unvollständig oder fehlerhaft sind, was beispielsweise an fehlenden oder fehlerhaft angeschlossenen oder vertauschten Verkehrsdetektoren liegen kann. Bei fehlerfreier Messwerterfassung hingegen schwankt die Kalman-Störgröße bei ungestörten Verkehrsverhältnissen um die Nulllinie.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert das Analyseverfahren auf einem transportorientierten Prognosemodell und es verarbeitet Messwerte von mindestens zwei längs des Streckenabschnittes aufeinander folgenden Messquerschnitten. Hierdurch können Messquerschnitte mindestens an der Einfahrt und an der Ausfahrt des betrachteten Streckenabschnittes vorgesehen und damit eine größere Informationsmenge an Messwerten für deren Auswertung hinsichtlich Messfehlern vom Analyseverfahren berücksichtigt und in die Fehlerauswertung einbezogen werden. Durch die Verwendung eines einfachen transportorientierten Prognosemodells können auf der Basis der Messwerte am Einfahrtsmessquerschnitt Werte für den Ausfahrtsmessquerschnitt prognostiziert und mit den tatsächlich am Ausfahrtsmessquerschnitt erfassten Messwerten verglichen werden.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die auf ein Messintervall bezogene Differenz von in den Streckenabschnitt einfahrenden und aus dem Streckenabschnitt ausfahrenden Fahrzeugen über einen vorgebbaren Zeitraum bilanziert. Bei störungsfreiem Verkehr kann man davon ausgehen, dass je Messintervall die gleiche Anzahl von Fahrzeugen in einen Streckenabschnitt einfährt wie daraus ausfährt. Stellt man beispielsweise die Bilanz dieser Differenz über einen vollständigen Tag auf, so lassen sich aus dem Ergebnis Rückschlüsse auf eventuelle Fehler in der Messwerterfassung ziehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erfassten Messwerte und die Störgröße vor ihrer Auswertung geglättet. Hierdurch werden zufällige Schwankungen in den Messwerten eliminiert.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verhalten der Kalman-Störgröße hinsichtlich des Auftretens eines zeitlich begrenzten hohen Niveaus überwacht. Ein solches Verhalten wird beim Vergleich der Kalman-Störgrößen-Verläufe von vergleichbaren, etwa aufeinanderfolgenden Tagen erkennbar. Zum einen könnte daraus geschlossen werden, dass während des Auftretens des hohen Ni veaus Verkehrsdetektoren ausgefallen sind bzw. keine Daten liefern. Zum anderen können Verkehrsdetektoren ständig ausgefallen sein, jedoch den Verkehr auf Fahrstreifen detektieren, auf denen die Verkehrsstärke nur zeitweise ein höheres Niveau annimmt. Dies führt dazu, dass der Detektorausfall in verkehrsschwachen Zeiten sich nicht auf die Kalman-Störgröße auswirkt, während bei hohen Verkehrsstärken langsam ein Unterschied in der Fahrzeugbilanz auftritt, der zu dem hohen Niveau der Kalman-Störgröße führt.
Besonders bevorzugt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Verhalten der Kalman-Störgröße hinsichtlich ihres Anstiegs auf ein hohes Niveau überwacht. Wenn der Anstieg der Kalman-Störgröße schnell erfolgt, so kann auf das Vorliegen einer verkehrsbedingten Störung geschlossen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Summe der über einen vorgebbaren Zeitraum aufaddierten Kalman-Störgrößen überwacht. Da im Falle eines ungestörten Verkehrsablaufs die Zahl der in einen Streckenabschnitt einfahrenden Fahrzeuge gleich der Zahl der daraus ausfahrenden Fahrzeuge ist, sollte über einen Zeitraum von beispielsweise 24 Stunden die Zahl der Fahrzeuge im Streckenabschnitt weder zu- noch abnehmen. Zu hohe positive oder negative Summen der Kalman-Störgröße lassen auf systematische Fehler in der Messwerterfassung schließen, je nach dem, ob die Verkehrsdetektoren im Ein- oder Ausfahrtsmessquerschnitt fehlerhaft arbeiten.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Offset der Kalman-Störgröße zwischen schwacher und störungsfreier starker Verkehrsnachfrage durch Glättung bestimmt. Bedingt durch die auf ein Messinter vall bezogene Differenz der Fahrzeuge an zwei aufeinander folgenden Messquerschnitten besteht ein Unterschied in den Werten der Kalman-Störgröße, die in der Nacht bei schwachem Verkehr gering positiv oder negativ ist und während des Tages höhere Werte annimmt. Dieser Offset wird durch Glättung der Kalman-Störgröße bestimmt, wobei ein konkreter Wert nur dann in die Glättung eingeht, wenn in diesem Messintervall keine Störung vorlag. Für diese Bedingung kann ein Grenzwert von beispielsweise 200 für den Betrag der Kalman-Störgröße angesetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere der gemessenen und berechneten überwachten Größen zur Fehlererkennung der Messwerterfassung miteinander verknüpft. Durch die Berücksichtigung der Information mehrerer Größen wird in vorteilhafter Weise die Sicherheit der daraus abgeleiteten Aussage erhöht. Zur Verknüpfung mehrerer Größen bietet sich beispielsweise ein an sich bekannter Fuzzy-Ansatz an.
Vorzugsweise wird jedoch die auf ein Messintervall bezogene Differenz von in den Streckenabschnitt einfahrenden und aus dem Streckenabschnitt ausfahrenden Fahrzeugen gebildet und geglättet und durch Multiplikation mit der berechneten Kalman-Störgröße zu einem Kalman-Qualitätsindikator verknüpft. Geglättet wird jedoch nur dann, wenn sichergestellt ist, dass keine Störung vorliegt. Durch die Verknüpfung wird erreicht, dass die Reaktion beider Größen in die Aussage eingeht, da eine Größe allein nicht ausreichend aussagekräftig sein kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei konstant hohen oder langsam ansteigenden Werten des Kalman-Qualitätsindikators oder anderer Größen ei ne Warnmeldung zur Überprüfung der dem Streckenabschnitt zugeordneten Verkehrsdetektoren ausgegeben. Eine solche Meldung könnte einen darauf ausgerichteten Wartungsgang auslösen, damit mögliche Fehler in der Messwerterfassung abgestellt werden.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei schnell ansteigenden Werten des Kalman-Qualitätsindikators oder anderer Größen eine Warnmeldung über das Vorliegen einer Verkehrsstörung auf dem Streckenabschnitt ausgegeben. In diesem Fall könnte über Elemente der Verkehrsbeeinflussung, wie z. B. Wechselverkehrszeichen, auf die Verkehrsteilnehmer entsprechend dem Verkehrsaufkommen eingewirkt werden.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die insbesondere als Verkehrsmanagementzentrale zur Verkehrsbeeinflussung in Straßennetzen ausgestaltet ist. Solche Verkehrsmanagementzentralen umfassen eine übergeordnete Datenverarbeitungseinrichtung, in der die von den straßenseitig angeordneten Verkehrsdetektoren erfassten Verkehrsdaten mittels eines Analyseverfahrens verarbeitet werden, um eine Aussage über den Verkehrszustand auf dem Streckenabschnitt zu ermitteln, dem die Verkehrsdetektoren zugeordnet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert, in deren
1 das Arbeitsprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Tagesganglinie der Kalman-Störgröße mit er kannter Störung,
3 ein Detail aus 2 im Bereich der erkannten Störung,
4 eine Ganglinie der Kalman-Störgröße mit Detektormessfehler,
5 Ganglinien des Kalman-Qualitätsindikators und anderer Größen bei ausreichender Datenqualität und ungestörtem Verkehrsablauf,
6 den Verlauf des Kalman-Qualitätsindikators und anderer Größen bei ausreichender Datenqualität und erkannter Verkehrsstörung,
7 den Verlauf des Kalman-Qualitätsindikators und anderer Größen bei Detektorausfall eines Fahrstreifens
dargestellt ist.
Gemäß 1 sind längs eines Streckenabschnittes 10 eines Straßennetzes Verkehrsdetektoren 12, die einen Einfahrtsmessquerschnitt in den Streckenabschnitt 10 bilden, und Verkehrsdetektoren 14, die einen Ausfahrtsmessquerschnitt aus dem Streckenabschnitt 10 bilden, angeordnet. Die Verkehrsdetektoren 12 bzw. 14 sind beispielsweise als in die Fahrbahn eingebettete Induktivschleifen ausgebildet und erfassen die Verkehrsstärke q_ein bzw. q_aus und die Geschwindigkeit v_ein bzw. v_aus von in den Streckenabschnitt 10 einfahrenden Fahrzeugen 30 bzw. daraus ausfahrenden Fahrzeugen 30. Die erfassten Messwerte werden an eine übergeordnete, nicht dargestellte Verkehrsmanagementzentrale übertragen und dort mittels eines Analyseverfahrens 20 verarbeitet. Mit Hilfe einer Streckenprognose durch ein einfaches Prognosemodell 22 wird auf der Basis der Messwerte q_ein, v_ein des Einfahrtsmessquerschnitts eine Vorhersage über die Verkehrsstärke q ^_aus und/oder die Ge schwindigkeit v ^_aus am Ausfahrtsmessquerschnitt durchgeführt.
Zur Erhöhung der Stabilität und Sicherheit können auch die Messwerte von drei Messquerschnitten genutzt werden. Die Prognose wird dann mit den tatsächlichen Messwerten q_aus, v_aus des Ausfahrtsmessquerschnitts verglichen. Mittels eines Kalman-Filterverfahrens wird die Abweichung der räumlichzeitlich prognostizierten Messwerte q ^_aus, v ^_aus von den realen Messwerten q_aus, v_aus bestimmt. Das Kalman-Filter erkennt, ob eine Abweichung zwischen Prognose und Messung auf das normale stochastische Rauschen in den Messwerten oder auf eine Verkehrsstörung innerhalb des Streckenabschnittes 10 zurückzuführen ist. Hierfür werden Rauschparameter für die Messgrößen definiert, welche die zulässige normale Bandbreite der Schwankungen dieser Messgrößen definieren. Auftretende Überschreitungen der Bandbreite sind dann nicht mehr auf die natürlichen Veränderungen im Verkehrsablauf zurückzuführen, sondern auf Verkehrsstörungen durch externe Einflüsse. Das Ergebnis dieses Prozesses ist eine Kenngröße, im weiteren Kalman-Störgröße K genannt, die proportional zum Ausmaß der Störung ist. Der Einsatz des Verfahrens auf mehreren Streckenabschnitten 10 einer Verkehrsbeeinflussungsanlage hat gezeigt, dass das Kalman-Analyseverfahren sehr sensibel reagiert, so dass Störungen schnell erkannt werden.
Der Verlauf der in 2 dargestellten Kalman-Störgröße K schwankt bei ungestörten Verkehrsverhältnissen um die Nulllinie K₀. Bei geringer Verkehrsnachfrage und entsprechend geringem absoluten Fehler in der Messwerterfassung ist das Rauschen der Kalman-Störgröße K gering und liegt beispielsweise zwischen +50 und –50. Bei hohen Verkehrsstärken, beispielsweise in Stoßzeiten zwischen 07:00 und 08:00 Uhr sowie zwischen 17:00 und 20:00 Uhr, schwankt die Kalman-Störgröße K zwischen +200 und –200. Bei einer vorhandenen Verkehrsstörung nimmt die Kalman-Störgröße K jedoch hohe positive oder negative Werte an, beispielsweise größer als +400 und kleiner als –400, wie in 2 zwischen etwa 17:15 und 19:15 Uhr erkennbar.
Der Zeitraum dieser verkehrsbedingten Störung ist in 3 noch einmal vergrößert dargestellt. Störungen im Verkehrsablauf, die nicht aus einer hohen Verkehrsnachfrage resultieren, sind demnach im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie plötzlich und schnell auftreten. Die Kalman-Störgröße K weist innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes einen starken Anstieg K . auf.
Das Kalman-Analyseverfahren reagiert allerdings auch dann, wenn die Messwerte q, v fehlerhaft sind. Für diese Fehler gibt es unterschiedliche Gründe, wie z. B. falsch angeschlossene, fehlerhaft justierte, fehlende oder gestörte Verkehrsdetektoren 12, 14 sowie Ausfälle in der Datenübertragung. Für einen solchen Fall ist die Ganglinie der Kalman-Störgröße K in 4 dargestellt. Zu erkennen ist hier, dass zu Zeiten geringer Verkehrsnachfrage etwa zwischen 23:00 und 06:00 Uhr die Kurve der Kalman-Störgröße K leicht in den negativen Bereich verschoben ist. Zu Zeiten hoher Verkehrsnachfrage steigt diese Verschiebung der Kalman-Störgröße K etwa zwischen 07:00 und 20:00 Uhr stark an. Dieses Verhalten lässt auf einen Ausfall eines Verkehrsdetektors für einen Fahrstreifen schließen.
Fehler in den Messwerten sind in vielen Fällen durch ihr permanentes Vorhandensein gekennzeichnet. Temporäre oder zufällig auftretende Fehler werden dagegen seltener festgestellt. In diesen Fällen zeigt das Ergebnis des Kalman-Analyseverfahrens einen langsamen Anstieg bzw. ein gleichbleibendes hohes Niveau der Kalman-Störgröße K. Im folgenden sollen einige Aussagen getroffen werden, die aus der Datenreihe eines Kalman-Analyseverfahrens abgeleitet werden können.
Aus einer wenigstens abschnittsweisen, im wesentlichen konstanter Verschiebung K_Shift der Kalman-Störgröße K von einer Nulllinie K₀ kann gefolgert werden, dass die Datenbasis unvollständig oder fehlerhaft ist. Dies kann bedeuten, dass Verkehrsdetektoren 12, 14 fehlen, fehlerhaft angeschlossen, fehlerhaft arbeiten oder vertauscht sind. Da die bereits in Streckenstationen und in der Plausibilitätskontrolle vorhandenen Überprüfungsmechanismen nicht alle Fehler – etwa ein systematisches Zählen von zu vielen oder zu wenigen Fahrzeugen 30 an einem Messquerschnitt – entdecken können, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens für den betroffenen Streckenabschnitt 10 eine Warnmeldung ausgegeben werden und die erforderliche Überprüfung der diesen Streckenabschnitt 10 zugeordneten Verkehrsdetektoren 12, 14 in die Wege geleitet werden.
Wenn das Verhalten der Kalman-Störgröße K das Auftreten eines zeitlich begrenzten hohen Niveaus K_Max zeigt, können daraus unterschiedliche Schlussfolgerungen getroffen werden. Standardwerte werden immer wieder erreicht, vor allem in verkehrsschwachen Zeiten. Ein entsprechendes Verhalten zeigt sich auch an aufeinander folgenden Tagen. Zum einen besteht die Möglichkeit, dass Verkehrsdetektoren zeitweise ausgefallen sind bzw. temporär keine Daten liefern. Zum anderen besteht die Möglichkeit, dass Verkehrsdetektoren ständig ausgefallen sind, jedoch den Verkehr auf Fahrstreifen detektieren, auf denen die Verkehrsstärke nur zeitweise ein höheres Niveau annimmt. Dies führt dazu, dass die Kalman-Störgröße K zu verkehrsschwachen Zeiten mit geringer bis keiner Belastung des fehlerhaften Verkehrsdetektors keine wesentliche Abweichung von der Standardsituation aufweist. Bei hohen Verkehrsstärken entsteht jedoch langsam ein Unterschied in der Fahrzeugbilanz Δz, welcher zu einer Reaktion in der Kalman-Störgröße K führt (vergleiche 4).
Wenn die Kalman-Störgröße K schnell auf ein hohes Niveau K_Max ansteigt, kann auf eine verkehrsbedingte Störung geschlossen werden, falls die beiden in den vorangehenden Absätzen geschilderten Kriterien ausgeschlossen werden können (vergleiche 2 und 3).
Weitere Rückschlüsse können aus der auf ein Messintervall bezogenen Differenz Δz von in den Streckenabschnitt 10 einfahrenden und aus dem Streckenabschnitt 10 ausfahrenden Fahrzeugen 30 gezogen werden. Stellt man die Bilanz dieser Differenzen Δz etwa über einen vollständigen Tag auf, so sollte im Falle eines ungestörten Verkehrsablaufs bei korrekter Detektion die Ergebnissumme etwa Null betragen, da im Fall des ungestörten Verkehrsablaufs die Zahl der in einen Streckenabschnitt 10 einfahrenden und der daraus ausfahrenden Fahrzeugen 30 gleich sein sollte.
Eine weitere Möglichkeit der Erkennung eines dauerhaft vorhandenen Messfehlers besteht in der Summenbildung der Kalman-Störgröße K über einen vorgebbaren Zeitraum, beispielsweise einen kompletten Tag. Da im Fall des ungestörten Verkehrsablaufs die Zahl der Fahrzeuge 30 über 24 Stunden hinweg im Streckenabschnitt 10 weder zu- noch abnehmen sollte, wird bei korrekter Detektion auch die Tagessumme der Kalman-Störgröße K etwa Null betragen, weil Zählfehler direkt proportional zur Kalman-Störgröße K sind. Durch systematische Fehler in den Messwerten können sich hier zu hohe positive als auch negati ve Summen ergeben, je nachdem ob die Verkehrsdetektoren im Ein- oder Ausfahrtsmessquerschnitt fehlerhaft arbeiten.
Aus einer Differenz Δz der Fahrzeuge 30 an zwei aufeinander folgenden Messquerschnitten ergibt sich eine Reaktion der Kalman-Störgröße K. Dieser Zusammenhang ist direkt proportional, wobei die absolute Größe des Unterschieds maßgebend ist. Dies führt dazu, dass in der Nacht bei schwachem Verkehr die Kalman-Störgröße K einen geringen positiven oder negativen Wert annimmt und während des Tages einen höheren Wert. Der Offset K_Offset kann folgendermaßen bestimmt werden: Die Kalman-Störgröße K wird geglättet, wobei nur in dem Fall ein Wert in die Glättung eingeht, wenn sichergestellt ist, dass keine Verkehrsstörung vorhanden ist, wenn also gilt |K| < K_Grenz. Die Glättung erfolgt aufgrund folgender Formeln: KOffset(t) = α·K(t) + (1 – α)·KOffset(t – 1) K(t) = K(t) + KOffset(t),wobei als Grundversorgung für den Grenzwert K_Grenz = 200 und für den Glättungsparameter α = 0,005 gesetzt werden kann.
Da die oben beschriebenen Möglichkeiten für sich allein betrachtet nur eine noch zu unsichere Aussage zulassen, ist eine Verknüpfung mehrerer Größen sinnvoll. Dies ist einerseits durch einen Fuzzy-Ansatz mit der Verknüpfung mehrerer Eingangsgrößen als auch durch Produktbildung zweier Eingangsgrößen möglich.
Eine weitere Größe zur Beurteilung der Qualität von Messwerten ist das Produkt aus der stark geglätteten Differenz Δz der Fahrzeuge 30 an Ein- und Ausfahrtsmessquerschnitt in ei nem Messintervall mit der ebenfalls stark geglätteten Kalman-Störgröße K. Hierbei ist zu beachten, dass nur dann geglättet werden darf, wenn sichergestellt ist, dass keine Verkehrsstörung vorliegt. Die Glättung wird entsprechend der vorstehend beschriebenen Offset-Kalibrierung durchgeführt. Durch die Verknüpfung der beiden Größen wird erreicht, dass die Reaktion beider Größen in die Aussage eingeht, was vorteilhaft ist, wenn eine Größe allein nicht ausreichend aussagekräftig ist. Für diesen derart gebildeten Kalman-Qualitätsindikator KQI werden im folgenden drei charakteristische Fälle beschrieben.
In den nachfolgend beschriebenen 5 bis 7 ist jeweils die Fahrzeugdifferenz Δz (dargestellt als schwarze Säulen je Messintervall und geglättet als weiße Linie mit schmalen schwarzen Schrägstreifen), die Kalman-Störgröße K (geglättet dargestellt als graue Linie) und der Kalman-Qualitätsindikator KQI (dargestellt als schwarze Linie mit schmalen weißen Schrägstreifen) aufgetragen.
Im ersten, in 5 dargestellten Fall handelt es sich um einen Streckenabschnitt 10, bei dem alle Verkehrsdetektoren 12, 14 Messwerte q, v in der erwarteten Qualität liefern. Der Kalman-Qualitätsindikator KQI weicht über den gesamten Tagesverlauf nicht wesentlich von der Nulllinie ab.
Im zweiten, in 6 dargestellten Fall liegen fehlerfreie Messwerte q bzw. v vor, allerdings ist um etwa 13:30 Uhr eine Verkehrsstörung an einem Messquerschnitt eingetreten. In den abgebildeten stark geglätteten Kurven ist diese kurzzeitige Reaktion des Kalman-Qualitätsindikators KQI jedoch nicht zu erkennen.
Ein gänzlich anderes Verhalten zeigt der in 7 dargestell te Fall eines Streckenabschnittes 10, bei dem ein Fahrstreifen im Einfahrtsmessquerschnitt nicht detektiert wurde. Hier ergeben sich sehr große Abweichungen des Kalman-Qualitätsindikators KQI von der Nulllinie.

Anhand der beschriebenen Figuren wurde gezeigt, dass für eine endgültige Aussage, ob es sich bei der betrachteten Reaktion um einen Fehler in der Messwerterfassung oder um einen verkehrlichen Störfall handelt, es sinnvoll ist, mehrere Größen zur Absicherung der Aussage einzubeziehen. Aus der Bandbreite des Kalman-Qualitätsindikators KQI von +1600 bis –1600 können die folgenden Grenzwerte abgeleitet werden:

Werte für KQI			Wahrscheinlichkeit für Messfehler
–50 < KQI < +50			sehr gering
–200 < KQI < –100 oder +100 < KQI < +200			gering
–500 < KQI < –200 oder +200 < KQI < +500			mittel
KQI < –500 oder +500 < KQI			hoch

Im Fall von konstant hohen Werten des Kalman-Qualitätsindikators KQI, der anderen beschriebenen Indikatoren oder bei langsam ansteigenden Analyseergebnissen wird eine Warnung an den Operator ausgegeben, die Verkehrsdetektoren des betreffenden Streckenabschnittes zu überprüfen. Im Fall von schnell ansteigenden Werten wird eine Störfallwarnung ausgegeben.

Claims

Verfahren zum Ermitteln des Verkehrszustandes auf einem Streckenabschnitt (10) eines Straßennetzes, wobei mittels dem Streckenabschnitt (10) zugeordneter, Messquerschnitte definierender Verkehrsdetektoren (12, 14) Verkehrsdaten repräsentierende Messwerte (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) erfasst und aus den Messwerten (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) mittels eines Analyseverfahrens (20) der Verkehrszustand ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Fehler in der Messwerterfassung mit Hilfe des Analyseverfahrens (20) erkannt werden, wobei das Analyseverfahren (20) aus den Messwerten (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) eine den Verkehrszustand charakterisierende Störgröße berechnet, deren Werte zur Fehlererkennung in der Messwerterfassung ausgewertet werden, wobei das Analyseverfahren (20) ein Kalman-Filterverfahren zur Berechnung einer Kalman-Störgröße (K) umfasst, und wobei das Verhalten der Kalman-Störgröße (K) hinsichtlich einer wenigstens abschnittsweisen, im wesentlichen konstanten Verschiebung (K_Shift) von einer Nulllinie (K₀) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyseverfahren (20) auf einem transportorientierten Prognosemodell (22) basiert und Messwerte (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) von mindestens zwei längs des Streckenabschnittes (10) aufeinanderfolgenden Messquerschnitten verarbeitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf ein Messintervall (t, t–1) bezogene Differenz (Δz) von in den Streckenabschnitt (10) einfahrenden und aus dem Streckenabschnitt (10) ausfahrenden Fahrzeugen (30) über einen vorgeb baren Zeitraum bilanziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messwerte (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus) und die Störgröße vor ihrer Auswertung geglättet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhalten der Kalman-Störgröße (K) hinsichtlich des Auftretens eines zeitlich begrenzten hohen Niveaus (K_Max) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhalten der Kalman-Störgröße (K) hinsichtlich ihres Anstiegs (K .) auf ein hohes Niveau (K_Max) überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der über einen vorgebbaren Zeitraum aufaddierten Kalman-Störgrößen (K) überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Offset (K_Offset) der Kalman-Störgröße (K) zwischen schwacher und störungsfreier starker Verkehrsnachfrage durch Glättung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der gemessenen und berechneten überwachten Größen zur Fehlererkennung in der Messwerterfassung miteinander verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen durch einen Fuzzy-Ansatz miteinander verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf ein Messintervall (t, t–1) bezogene Differenz (Δz) von in den. Streckenabschnitt (10) einfahrenden und aus dem Streckenabschnitt (10) ausfahrenden Fahrzeugen (30) gebildet und geglättet wird und durch Multiplikation mit der berechneten Kalman-Störgröße (K) zu einem Kalman-Qualitätsindikator (KQI) verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstant hohen oder langsam ansteigenden Werten des Kalman-Qualitätsindikators (KQI) oder anderer Größen eine Warnmeldung zur Überprüfung der dem Streckenabschnitt (10) zugeordneten Verkehrsdetektoren (12, 14) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei schnell ansteigenden Werten des Kalman-Qualitätsindikators (KQI) oder anderer Größen eine Warnmeldung über das Vorliegen einer Verkehrsstörung auf dem Streckenabschnitt (10) ausgegeben wird.
Verkehrsmanagementzentrale zur Verkehrsbeeinflussung in Straßennetzen, die dazu eingerichtet ist, aus Verkehrsdaten repräsentierenden Messwerten (q_ein, v_ein, q_aus, v_aus), die von Streckenabschnitten (10) des Straßennetzes zugeordneten, Messquerschnitte definierenden Verkehrsdetektoren (12, 14) erfasst werden, mittels eines Analyseverfahrens (20) den Verkehrszustand auf dem Streckenabschnitt (10) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsmanagementzentrale zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.