DE102008024656A1

DE102008024656A1 - Bevorrechtigungssystem für Einsatzfahrzeuge an signalgeregelten Verkehrsknotenpunkte

Info

Publication number: DE102008024656A1
Application number: DE102008024656A
Authority: DE
Inventors: Ulrich STÄHLIN; Michael Stein
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Eine Fahrwegfreischaltung für Einsatzfahrzeuge an Ampelkreuzungen ermöglicht deren Fahrern kürzere Fahrzeiten bei geringerem Unfallrisiko für Fahrer, Insassen und zivilen Verkehr. Diese Arbeit stellt ein derartiges Bevorrechtigungssystem, basierend auf Fahrzeug-zu-Infrastruktur Kommunikation, vor. Das System zeichnet sich durch minimalen Einrichtungsaufwand bei sehr großer Zuordnungswahrscheinlichkeit aus und eignet sich daher besonders für mobile Ampeln. Um ein Einsatzfahrzeug auf einen Kreuzungsarm zuzuordnen, kommt vorerst ein richtungbasierter Algorithmus zum Einsatz. Parallel dazu läuft im Ampelrechner ein Lernalgorithmus, welcher durch Kommunikation mit zivilen Verkehrsteilnehmern eine digitale Umgebungskarte generiert. Nach dem Anlernvorgang erfolgt die Zuordnung auf Grundlage der gelernten Karte, womit eine korrekte Funktion auch bei sehr speziellen Kreuzungsszenarien ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bevorrechtigungssystem für Einsatzfahrzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1
1. Stand der Technik
Fahrer von Einsatzfahrzeugen des Rettungsdienstes, der Feuerwehr oder der Polizei erhalten durch Einschalten ihres Blaulichts und Martinshorns Sonderrechte, die es ihnen ermöglichen, schneller als normale Verkehrsteilnehmer an ihren Zielort zu gelangen. Die StVO (Straßenverkehrs-Ordnung) beinhaltet die Regularien, nach welchen sich Verkehrsteilnehmer in unmittelbarer Umgebung eines Einsatzfahrzeuges mit eingeschaltetem Blaulicht und Martinshorn verhalten sollen.
Eine erhöhte Gefahr während einer Einsatzfahrt ergibt sich, wenn zivile Verkehrsteilnehmer das Einsatzfahrzeug nicht oder zu spät bemerken. Derartige Situationen können auftreten, wenn das Signalhorn überhört wird – sei es wegen geschlossener Fenster, zu lauter Musik oder Ablenkung durch Mitfahrer. Ebenso kann es vorkommen, dass das Blaulicht des Einsatzfahrzeuges vom zivilen Verkehr nicht wahrgenommen wird – sei es wegen unzureichender Aufmerksam- und Konzentrationsfähigkeit, oder weil es durch einen LKW verdeckt wird.
Insbesondere an Straßenkreuzungen stellen solche Szenarien eine überhöhte Gefahr für die Sicherheit sowohl der zivilen Verkehrsteilnehmer als auch des Fahrers des Einsatzfahrzeuges samt seiner Insassen dar. An lichtsignalbasierten Straßenkreuzungen liegt es im Ermessensspielraum des Fahrers des Einsatzwagens, wie er sich verhält. Er muss das Risiko abwägen, eine solche Kreuzung auch bei Rotschaltung seines Fahrstreifens zu überqueren, um so zügig wie möglich an den Zielort zu gelangen. Da er aus o. g. Gründen nicht sicher damit rechnen kann, bei einem solchen Manöver von den zivilen Verkehrsteilnehmern rechtzeitig erkannt zu werden, bleibt ihm oftmals nur die Möglichkeit, sich an die Kreuzung heranzutasten, um einen Unfall zu vermeiden. Mit dieser Strategie wird einerseits die Gefahr eines Unfalls während der Einsatzfahrt reduziert, jedoch erhöht sich gleichzeitig die Fahrzeit des Einsatzwagens, was möglicherweise die Rettung eines Menschenlebens deutlich erschwert.
Dezentral gehaltene Bevorrechtigungssysteme, also Steuerungen von Lichtsignalanlagen, die nicht in das Netzwerk von Verkehrsleitsystemen großer Städte eingebunden sind, lassen sich auf unterschiedlichste Weise realisieren.
Eine der einfachsten Möglichkeiten wird in der DE 3300872 aufgezeigt. Die mit der Aktivierung des Martinshorns emittierten Schallwellen werden bei hinreichend kleinem Abstand des Einsatzwagens zur zu regelnden Kreuzung von einem ampelseitigen Mikrofon empfangen. Die Empfindlichkeit des Mikrofons kann je nach gewünschter Reichweite, also nach gewünschtem Abstand vom Einsatzfahrzeug, bei dem das Signal gerade noch empfangen werden kann, eingestellt werden. Nach Signalfilterung und Verstärkung wird über ein einstellbares Zeitglied die Ampelsteuerung zwischen Normal- und Sonderbetrieb geschaltet. Sonderbetrieb bedeutet hierbei das Rot-Schalten aller Kreuzungsarme. Wird das Signal schwächer oder bleibt es aus, so wird dem Zeitglied entsprechend in den Normalbetrieb zurückgeschaltet. Die Lösung besteht darin, dass fahrzeugseitig keine zusätzliche Hardware zur Kommunikation mit dem Ampelrechner installiert werden muss, keine direkte Sichtverbindung zur Kreuzung notwendig ist und Witterungsbedingungen keinen Einfluss auf die Funktionalität haben. Dass auf diese Weise kein Kreuzungsarm gegenüber den anderen bevorrechtigt wird, und der vor dem Einsatzfahrzeug befindliche zivile Verkehr wegen Beachtung der Rot-Schaltung keinen Verkehrsfluss aufkommen lassen kann, stellt einen verbesserungswürdigen Nachteil dar.
In der DE 20007451 wird unter anderem ein zur DE 3300872 ähnliches Verfahren vorgeschlagen. Hierbei wird fahrzeugseitig ein Sender benötigt, der ein geeignetes elektromagnetisches Funksignal in einem der Bereiche LW, MW, KW oder UKW abstrahlt. Ampelseitig kommt ein auf die Sendefrequenz abgestimmter Empfänger zum Einsatz. Eine nachgeschaltete Auswerteelektronik kann mittels Verfahren wie Frequenzvergleichsmethode oder Phasenvergleichsmethode aus dem empfangenen Signal rückschließen, ob sich das Einsatzfahrzeug auf die Kreuzung zu bewegt und wie weit es von dieser entfernt ist. Wenn bestimmte Kriterien, die die Bewegungsrichtung und den Abstand zur Kreuzung betreffen, erfüllt sind, wird die Ampelanlage in einen Warnzustand geschaltet. In diesem Zustand symbolisieren alle Ampeln, z. B. durch ein schnell blinkendes Rotlicht, dem zivilen Verkehr die Anfahrt eines Einsatzfahrzeuges. Nach erkanntem Entfernen des Einsatzfahrzeuges von der Kreuzung wird, wenn eine definierte Zeit abgelaufen ist, wieder in den Normalbetrieb geschaltet. Die Aussendung des Funksignals wird durch einen Mitfahrer im Einsatzfahrzeug aktiviert. Nachteilig ist, dass keine exklusive Bevorrechtigung ermöglicht wird, sowie die Tatsache, dass ein Mitfahrer im Einsatzfahrzeug nicht von der Aktivierung der Anforderung entlastet ist und zusätzliche Hardware am Einsatzwagen benötigt wird.
Die gleiche Funktionsweise kann nach der DE 20007451 auch durch ein optisches Verfahren erreicht werden. Dabei emittiert ein fahrzeugseitiger Sender im IR-Bereich ein codiertes Signal zur Anforderung der Bevorrechtigung. Ein mit der Senderfrequenz korrespondierender ampelseitiger Empfänger leitet die Signale zur Weiterverarbeitung an einen Ampelrechner. Auf diese Art kann ein Mitfahrer von der Aufgabe der Triggerung der Anforderung entbunden werden. Ein Nachteil gegenüber der Methode mit Funksignal besteht darin, dass eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Einsatzfahrzeug und der Kreuzung bestehen muss und die Signalübertragung durch ungünstige Witterungsverhältnisse beeinflusst werden kann.
In der DE 19508043 wird eine kartenbasierte Lösung unter Verwendung von Satellitennavigation vorgeschlagen. Dabei sendet das Einsatzfahrzeug kontinuierlich seine empfangenen GPS-Koordinaten per Funk an einen Ampelrechner, in dem alle Zufahrten zur Kreuzung zuvor im Rahmen der Einrichtung der Ampelanlage als Ortsdatenmuster abgelegt wurden. Mittels geeigneter Algorithmen kann aus dem Vergleich von empfangenen und bekannten Trajektorien eine sehr genaue Vorhersage getroffen werden, zu welchem Zeitpunkt und über welchen Kreuzungsarm das Einsatzfahrzeug die Kreuzung überqueren wird, sodass eine exklusive Bevorrechtigung eines Kreuzungsarms möglich wird. Die Signalübertragung zwischen Einsatzfahrzeug und Ampelrechner erfordert keine direkte Sichtverbindung und ist wetterunabhängig. Ein deutlicher Nachteil dieser Methode liegt im Mehraufwand, der bei der Einrichtung der Ampelanlage anfällt, da die Zufahrtswege zur Kreuzung mindestens einmal abgefahren und die dabei aufgenommenen Koordinaten im Ampelrechner abgespeichert werden müssen.
2. Beschreibung und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine Bevorrechtigungssystem für Einsatzfahrzeuge an signalgeregelten Verkehrsknotenpunkten anzugeben, mittels dieser der Fahrer des Einsatzfahrzeuges an signalgeregelten Kreuzungen unterstützt wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bevorrechtigungssystem für Einsatzfahrzeuge an signalgeregelten Verkehrsknotenpunkten kennzeichnet sich dadurch aus, dass ein an den signalgeregelten Verkehrsknotenpunkt Einsatzfahrzeug mit minimalen Verzögerungen an den Zielort gelangt und gleichzeitig das Unfallrisiko mit zivilem Verkehr verringert wird, wobei für einen Kreuzungsarm einer Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes auf dem sich das Einsatzfahrzeug der Kreuzung annähert, eine Grün-Schaltung erzeugt wird, während für alle übrigen Kreuzungsarme eine Rot-Schaltung ausgelöst wird und das Einsatzfahrzeug einem Kreuzungsarm zugeordnet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Bevorrechtigungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm durch eine Auswertung der Fahrtrichtung des Einsatzfahrzeuges relativ zum Kreuzungsmittelpunkt des signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes erfolgt, wobei zwei Abtastpunkte von Ortsinformationen ausgewertet werden und Regeln zur Zuordnung des Einsatzfahrzeuges bestimmt werden.
Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bevorrechtigungssystem in der Form, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm auf einem in mindestens einem Ampelrechner des signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes hin terlegten Modell erfolgt, welches die Kreuzungsgeometrie beschreibt und dass das hinterlegte Modell die Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes in Sektoren unterteilt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Bevorrechtigungssystems erfolgt die Zuordnung eines sich auf die Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes auf einen Kreuzungsarm mittels des hinterlegten Modells, wobei im Falle betragsmäßig kleiner Winkel α_g eine Information über die Sektoren ausgewertet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bevorrechtigungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass eine Optimierung der Regeln zur Zuordnung des Einsatzfahrzeuges dadurch erfolgt, dass eine Annäherungsrichtung des Einsatzfahrzeuges differenziert ausgewertet wird, wobei bei der Auswertung die Querkomponente der Geschwindigkeit als Maß der Zuordnung ermittelt und mindestens zwei Schwellwerte als Parameter bestimmt werden.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bevorrechtigungssystems ist dadurch kennzeichnet, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm auf einen bestimmten Knotenarm mittels einer digitalen Karte erfolgt, wobei die digitale Karte in einem Speicher mindestens eines Ampelrechner hinterlegt ist und mittels eines selbstständigen Anlernens, die digitale Karte durch Positionsdaten, die von an dem signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes entlang fahrenden Fahrzeugen durch eine Fahrzeug zu Infrastruktur Kommunikation in Form von Datenpaketen an den Ampelrechner übertragen werden und die von den Fahrzeugen übertragenen Datenpakete mindestens eine Information über eine Fahrzeugidentität, einen Zeitstempel, eine Ortsinformation in Form eines Längengrades und eines Breitengrades des jeweiligen Fahrzeuges umfasst und mittels durch die Übertragung übermittelten Ortsinformationen Trakjektorien ermittelt werden.
Eine weiter bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bevorrechtigungssystems ist kennzeichnet sich dadurch aus, dass eine Kreuzung durch ein Einsatzfahrzeug als Überquert gilt, sobald eine Trajektorie des Einsatzfahrzeuges innerhalb der digitalen Karte eine definierten Abstand r_K unterschreitet und danach ein Abtastpunkt registriert wird, welcher eine Abstand größer als r_K zur Fahrzeugmitte aufweist.
3. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben Es zeigen
1 Beziehung zwischen Welt- und Anwendungskoordinatensystem-Sicht auf y_wz_w-Ebene
2 Beziehung zwischen Welt- und Anwendungskoordinatensystem-Sicht auf x_wz_w-Ebene
3 Lookup-Table für d_lon
4 Lookup-Table für d_lat
5 Exklusives Grünschalten aller Fahrstreifen eines gemeinsamen Kreuzungsarms
6 Nummerierung der Kreuzungsarme bei einer vierarmigen Standardkreuzung
7 Zustandsdiagramm bei einer vierarmigen Standardkreuzung ohne Möglichkeit zur Bevorrechtigung
8 Signalplan für die bei der Bevorrechtigung zusätzlich benötigten Zustände
9 Zustandsdiagramm bei einer vierarmigen Standardkreuzung mit Möglichkeit zur Bevorrechtigung
10 Vier Sektoren als vereinfachtes Kreuzungsmodell
11 Anpassung des Kreuzungsmodells an die lokalen geometrischen Gegebenheiten durch Rotation um Winkel K
12 Rotation um Winkel Ψ_K und Auswahl des zufahrtsfreien Sek tors
13 Verzweigung eines Kreuzungsarms schneidet Vorhersageumkreis in fremdem Sektor
14 Aufteilung von v in Längs- und Querkomponente
15 Zuordnung an Hand von Halbsektor und Querkomponente der Geschwindigkeit
16 Querkomponente von v groß positiv, linker Halbsektor
17 Querkomponente von v groß positiv, rechter Halbsektor
18 v mit kleiner Querkomponente
19 Querkomponente von v groß negativ, rechter Halbsektor
20 Querkomponente von v groß negativ, linker Halbsektor
21 Zuordnung in Grauzone durch Geschwindigkeitsvektor v und Hilfsvektor hg
22 Berechnung von α_hg aus abgewähltem Sektor i und Rotationswinkel Ψ_K
23 Berechnung von α_hg für 0 ≤ β ≤ Π _
24 Berechnung von α_hg für Π ≤ β ≤ 2Π
25 Zuordnung an Hand des Vorzeichens von α_g
26 Winkel α_g groß positiv
27 Winkel α_g groß negativ
28 Zuordnung an Hand von Halbsektor
29 Winkel α_g betragsmäßig klein, linke Sektorhälfte
30 Winkel α_g betragsmäßig klein, rechte Sektorhälfte
31 Vollständiges Flussdiagramm zur erweiterten Methode
32 Variables Kreuzungsmodell mit den Einzelwinkeln Ψ_j der Asymptoten als Parameter
33 Variables Kreuzungsmodell mit regulären Sektoren und Grauzonen
34 Kleinster Abstand der Trajektorie von Kreuzungsmitte
35 Rudimentäre Karte, basierend auf Benutzereingaben
36 Trajektorien aus übermittelten Positionsdaten
37 Abschneiden der Trajektorie
38 Trajektorie mit interpolierten Stützstellen im Abstand Δs = 5 m
39 Steigungswinkel der Tangentenvektoren
40 Vergleich von gefilterten und ungefilterten Trajektorien bei vorübergehendem Fahrzeugstillstand
41 Trajektorien und Verlauf des Differenzwinkels aus Rohdaten
42 Trajektorien und Verlauf des Differenzwinkels aus vorverarbeiteten Daten
43 Trajektorien mit kleinen Differenzwinkeln Θ
44 Trajektorien mit stellenweise großen Differenzwinkeln Θ
45 Karte mit schematischem Raster
46 Ermittlung in Frage kommender Trajektorien durch Prüfen des Arrayeintrags und seiner 8-Nachbarschaft
47 Prinzip des Point-to-point Matching
48 Winkel zwischen Fahrzeugtrajektorie und Kartentrajektorie
49 Schema der kartenbasierten Zuordnung
Mit dem Global Positioning System als Beispiel für eine bekanntes Ortungssystem werden überall auf der Erde folgende zwei Werte ermittelt:

• der genaue Standort (Koordinaten: geographische Länge, Breite und Höhe)
• die genaue Zeit (Weltzeit: Universal Time Coordinated, UTC)

Koordinaten und Zeit werden mittels 29 Satelliten bestimmt, welche die Erde in einer Höhe von 20180 km auf sechs verschiedenen Orbits umkreisen. Die orbitalen Ebenen sind um 55 zum Äquator geneigt, womit von jedem Punkt der Erde eine Funkverbindung zu mindestens vier Satelliten gewährleistet wird.
Im Folgenden wird das Koordinatensystem, auf welches die vom GPS-Empfänger gelieferten Positionsdaten bezogen sind, sowie ein für das erfindungsgemäße Bevorrechtigungssystem besser geeignetes lo kales Koordinatensystem mit entsprechender Transformationsvorschrift beschrieben.
Die Angaben und Berechnungen eines GPS-Empfängers beziehen sich primär auf das Referenzsystem WGS-84 (World-Geodetic-System 1984). Dieses im Folgenden Weltkoordinatensystem genannte Koordinatensystem ist ein dreidimensionales, rechtsdrehendes, kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung im Massezentrum eines der gesamten Erdmasse angenäherten Ellipsoids und nimmt an der Drehung des Erdkörpers teil.
Der Erdkörper wird als Ellipsoid und nicht als Kugel angenähert, da sich der mittlere Erdradius am Äquator und an den Polen um ca. 21, 4 km unterscheidet. Das Ellipsoid entsteht, wenn man die Fläche einer Ellipse um ihre Symmetrieachse Nordpol-Südpol rotieren lässt, Das Ellipsoid ist bekannterweise bestimmt durch die zwei Parameter

• große Halbachse a_Ellipse (auf der Äquatorebene)
• kleine Halbachse b_Ellipse (auf der Achse Nordpol-Südpol)

Oft wird an Stelle der Parameter a_Ellipse und b_Ellipse auch nur einer der beiden zusammen mit der Abplattung angegeben. Die Abplattung dient als Maß für die Abweichung von der Form einer idealen Kugel.
Die positive x-Achse des Ellipsoids liegt auf der Äquatorebene und verläuft vom Massezentrum aus durch den Schnittpunkt von Äquator und Greenwich-Meridian (0-Meridian). Die y-Achse liegt ebenfalls in der Äquatorebene und ist 90° östlich zur x-Achse versetzt. Die z-Achse wiederum steht senkrecht auf der x- und y- Achse und verläuft durch den geographischen Nordpol. Anstelle von kartesischen Koordinaten (x, y, z) liefern GPS-Empfänger in der Regel ellipsoidische Koordinaten (η, λ, h), η entspricht dabei dem Breitengrad (Latitude), λ dem Längengrad (Longitude) und h der ellipsoidischen Höhe, d. h. der Länge des Lotes des Punktes P bis zum Ellipsoid. Kartesische und ellipsoidische Koordinaten können von einer Darstellung in die andere umgerechnet werden. Für das Bevorrechtigunggsystem ist die Umrechnung von ellipsoidischen in kartesische Koordinaten von Relevanz:
Es bietet sich ein kartesisches Koordinatensystem an, welches mit seinem Ursprung die Erdoberfläche tangiert. Das Anwendungskoordinatensystem ist ein Rechtssystem sein, dessen z-Achse mit der Lotrechten auf das Ellipsoid zusammenfällt und vom Ellipsoid weg zeigt. Die x- und y-Achse liegen folglich in der Tangentialebene. Dabei zeigt die y-Achse zum Schnittpunkt der Tangentialebene mit der y-Achse des Weltkoordinatensystems. Da es sich um ein Rechts system handelt, ergibt sich die x-Achse entsprechend. Die 1 und 2 zeigen das Weltkoordinatensystem (x_w, y_w, z_w) und ein im Punkt A₀ verankertes Anwendungskoordinatensystem (x_A, y_A, z_A).
Das Anwendungskoordinatensystem ergibt sich durch drei aufeinander folgende Transformationen aus dem Weltkoordinatensystem:

1. Translation um den Vektor t
2. Rotation mit Winkel Ψ um die z-Achse
3. Rotation mit Winkel Φ um die neue x-Achse

Den 1 und 2 lässt sich entnehmen, dass für t, Ψ und Φ gelten muss:
Die Transformation eines Punktes von Welt – in Anwendungskoordinaten geschieht – nach der Erhöhung der Dimension, um mit homogenen Koordinaten rechnen zu können in drei Schritten:
Die drei Transformationen lassen sich zu einer Transformationsmatrix T zusammenfassen,
so dass,
Die Koordinatentransformationen aus den angegebenen Gleichungen sind sehr rechenaufwändig. Da das erfindungsgemäße Bevorrechtigungssystem echtzeitfähig sind und neben ihr noch weitere Prozesse auf der TCU (Telematics Control Unit) als Ampelrechner abgearbeitet werden, wird als resourcenschonende Ausführungsform erfindungsgemäß eine Transformation auf Basis von Lookup-Tables durchgeführt.
Modelliert man die Erde als ideale Kugel, so sind die Oberflächenabstände der einzelnen Breitengrade d_lat konstant, während sich der Oberflächenabstand zwischen zwei Längengeraden d_lon zu den Polen hin verjüngt, d_lon = d_lon(η). Derartige Modelle verwenden zur schnelleren Berechnung Lookup-Tables, um den Abstand zweier Längengrade in Abhängigkeit des Breitengrades zu interpolieren. Erfindungsgemäß wird die Erde als Rotationsellipsoid angenähert, sodass auch der Oberflächenabstand d_lat zwischen den einzelnen Breitengraden nicht mehr als konstant angenommen werden kann – er ändert sich über die Breite, d_lat = d_lat(η). Daher wird eine zweite Lookup-Table eingeführt. Beide Lookup-Tables enthalten die zur Breite η korrespondierenden Werte für d_lon bzw. d_lat [0°.... 90°], aufgelöst in 1-Schritten. Die Tabelleneinträge werden vorab offline ermittelt. Die Lookup-Table für d_lon wird durch die Kennlinie in 3, die Lookup-Table für d_lat durch die Kennlinie in 4 repräsentiert.
Beliebige Werte λ und η lassen sich in das im Punkt A₀, welcher durch λ_A0 und η_A0 definiert ist, verankerte ebene Koordinatensystem x_A, y_A transformieren, indem zuerst der Abstand in Länge und Breite berechnet wird,
Die für die mittlere Breite
gültigen Werte für d_lon und d_lat werden den Lookup-Tables entnommen und anschließend mit Δλ und Δη multipliziert
Da der Unterschied der zwischen beiden Ausführungsformen in x_A-Richtung unterhalb von 2 mm und in y_A-Richtung unter 40 mm liegt wird im Folgenden in der Beschreibung auf die Transformation mit Lookup-Tables aufgesetzt. Da Verwechslungen ausgeschlossen sind, wird fortan der Index A für das Anwendungskoordinatensystem nicht mehr mitgeführt.
GPS-Empfänger werten ihre Position durch Laufzeitmessungen der von den Satelliten gesendeten Signale aus. Um eine Lage im Raum eindeutig zu bestimmen, reicht es nicht aus, nur die Signale von drei Satelliten zu verarbeiten. Grund hierfür ist, dass die Empfängeruhr in der Regel nicht zeitsynchron zu den Satellitenuhren – jeder Satellit ist mit vier Atomuhren ausgestattet – läuft. Dieser Sachverhalt stellt neben den drei unbekannten Positionskoordinaten eine vierte Unbekannte dar. Daher muss das Signal eines weiteren Satelliten hinzu genommen werden, um mindestens so viele Gleichungen wie Unbekannte als Berechnungsgrundlage zu erhalten.
Anhand der spezifischen Signallaufzeiten der für den Anwender sichtbaren Satelliten werden die spezifischen Abstände des Anwenders zu den Satelliten berechnet. Da die Standorte der einzelnen Satelliten bekannt sind, können die Koordinaten des Anwenders berechnet werden.
Die Positionsgenauigkeit wird durch mehrere unterschiedliche Effekte reduziert. Diese sind im Einzelnen:

• Satellitenuhren: Obwohl jeder Satellit vier Atomuhren mit sich führt, bewirkt ein Zeitfehler von nur 10 ns bereits einen Fehler in der Größenordnung von 3 m.
• Satellitenbahnen: Die Satellitenposition ist in der Regel nur bis auf Ca. 1 m ..... 5 m bekannt.
• Lichtgeschwindigkeit: Die Signale vom Satelliten zum Anwender breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Diese verlangsamt sich beim Durchqueren von Ionosphäre und Troposphäre und darf somit nicht mehr als konstant angenommen werden.
• Messung der Laufzeit: Der GPS-Empfänger kann den Zeitpunkt des ankommenden Satellitensignals nur mit einer beschränkten Genauigkeit bestimmen.
• Mehrwegempfang: Durch terrestrische Reflexionen (Multipath) wird der Fehleranteil erhöht.
• Satellitengeometrie: Die Positionsbestimmung verschlechtert sich, wenn die zur Messung verwendeten Satelliten nahe zusammenstehen.

Bekannt sind Ursachen und typische Werte für die in der Horizontalen entstandenen Fehler auf, wie in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Fehlerursache	Fehler	Fehler mit
	ohne
	DGPS [m]	DGPS [m]
Ephemeridendaten	2, 1	0, 1
Satellitenuhren	2, 1	0, 1
Einfluss der Ionosphäre	4, 0	0, 2
Einfluss der Troposphäre	0, 7	0, 2
Mehrwegempfang (Multipath)	1, 4	1, 4
Einfluss des Empfängers	0, 5	0, 5

Totaler RMS-Wert	5, 3	1, 5

Totaler RMS-Wert (gefiltert, d. h.	5, 0	1, 3
leicht gemittelt)

Durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. D-GPS (Differential GPS), ist es angedacht, dass einzelne Fehlereinflüsse deutlich reduziert werden.
Zweck des Bevorrechtigungssystems soll sein, den Fahrern von Einsatzfahrzeugen in Notfallsituationen ein zügiges und sicheres Überfahren von lichtsignalgeregelten Kreuzungen zu ermöglichen, ohne dass der Fahrer oder einer der Mitfahrer an entsprechenden Kreuzungen aktiv eine Anfrage zur Bevorrechtigung einleiten muss.
Mit Bevorrechtigung ist im Folgenden das Grünschalten aller Fahrstreifen einer gemeinsamen Annäherungsrichtung gemeint, also auch eventuell vorhandene Links- oder Rechtsabbiegestreifen. Damit das Kreuzen mit dem Gegen- oder Querverkehr ausgeschlossen wird, erfolgt für die Fahrstreifen aller anderen möglichen Annäherungs richtungen eine Rotschaltung, siehe 5. Es muss somit vor dem Eintreffen des Einsatzfahrzeuges an der betreffenden Kreuzung bekannt sein, aus welcher Richtung bzw. über welchen Kreuzungsarm das Einsatzfahrzeug die Kreuzung überqueren wird. Über welchen Kreuzungsarm das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, ist nach der Erfindung für die Bevorrechtigung ohne Bedeutung.
Die Möglichkeit bei erkannter Annäherung an die Kreuzung auf ein exklusives Grünschalten eines Kreuzungsarms zu verzichten und statt dessen alle Signale auf Rot zu schalten ist nicht vorteilhaft, da sich vor rot zeigenden Ampeln Fahrzeugschlangen bilden können, welche das zügige Überqueren der Kreuzung für den Fahrer des Einsatzfahrzeuges behindern. Verkehrsinseln können Ausweichmanöver von zivilen Verkehrsteilnehmern erschweren, die vor rot zeigenden Ampeln warten oder versuchen, eine Gasse für das Einsatzfahrzeug zu bilden.
Durch Einflussnahme in die Ampelsteuerung ist es erfindungsgemäß angedacht, dem Fahrer des Einsatzfahrzeuges die Möglichkeit zu geben, seinen Zielort mit möglichst hoher Durchschnittsgeschwindigkeit v zu erreichen. Daher soll gewährleistet sein, dass für seine Bevorrechtigung nicht erst zum Zeitpunkt des Eintreffens an der Kreuzung in die Grünphase geschaltet wird, sondern bereits eine geeignete Zeit T_Vorlauf zuvor. Dies ist dann von Vorteil, wenn sich an dem Kreuzungsarm, an dem eine Grün-Schaltung erfolgen soll, während der Rotphase bereits Fahrzeugschlangen gebildet haben und ein akzeptabler Verkehrsfluss auf Grund der Anfahrvorgänge der einzelnen Vorausfahrzeuge erst träge entsteht. Mit der Einführung der Vorlaufzeit wird diesem Aspekt Rechnung getragen, sodass der Fahrer des Einsatzfahrzeuges während der Anfahrt auf die Kreuzung möglichst wenig verzögern muss und sich die Durchschnittsgeschwindigkeit des Einsatzfahrzeuges kaum bis gar nicht verringert. Bei der Bevorrechtigung eines Kreuzungsarms werden im Rahmen des Phasenwechsels vorgeschriebene Zwischenzeiten T_Puffer für Gelb- bzw. Rot-Gelb-Phasen eingehalten werden, damit die Kreuzung rechtzeitig vom Quer-, Gegen- und Fußgängerverkehr geräumt wird, bis der bevorrechtigte Verkehrsstrom anläuft. Die Zwischenzeiten werden für jede Kreuzung individuell aus Verkehrszählungen oder Modellrechnungen ermittelt.
Folglich ist es vorgesehen, dass ein die Kreuzung anfahrendes Einsatzfahrzeug mindestens T_Puffer + T_Vorlauf vor dessen Ankunft in der Kreuzungsmitte zu einem der Kreuzungsarme zugeordnet werden kann. Abhängig von der für jede Kreuzung individuell anzunehmenden größten Geschwindigkeit v_max, mit der ein Einsatzfahrzeug die Kreuzung anfahren würde, ergibt sich der Abstand zur Kreuzungsmitte bei dem eine Vorhersage zur Zuordnung auf einen Kreuzungsarm abgegeben werden muss zu
Der letzte Summand aus dieser Gleichung kommt dadurch zu Stande, dass die Positionsdaten des Einsatzfahrzeuges nicht zeitkontinuierlich zur Verfügung stehen. Während zwei Abtastschritten des GPS-Empfängers könnte das Einsatzfahrzeug maximal die Strecke v_max T_GPS zurück legen und ohne die Korrektur eine Zuordnung erst innerhalb des Umkreises mit dem Radius v_max(T_puffer + T_Vorlauf) erfolgen.
Wie im Falle eines erkannten Einsatzfahrzeuges in die Ampelsteuerung eingegriffen wird, hängt vom Zustand zum Zeitpunkt der Zuordnung ab. Anhand einer einfachen Kreuzung mit vier Kreuzungsarmen ohne getrennte Abbiegestreifen wird das Prinzip verdeutlicht. Die Nummerierung der Kreuzungsarme zeigt 6 Ohne die erfindungsgemäße Eingriffsmöglichkeit käme die Ampelsteuerung des Bevorrechtigungssystems mit den sieben Zuständen N1 bis N7 aus. Das Zustandsdiagramm der Ampelsteuerung ohne Eingriffsmöglichkeit ist in 7 dargestellt. Als Transitionen werden ausschließlich Timer, die bei Eintritt in einen Zustand gestartet werden, sowie ein Merker-Flag verwendet.
Zum Zeitpunkt der Zuordnung eines sich nähernden Einsatzfahrzeuges befindet sich das Programm zur Ampelsteuerung in einem der sieben Zustände. Es wird daher für jeden Zustand eine Strategie erarbeitet, wie eine Bevorrechtigung am sinnvollsten eingeleitet wird. Im Folgenden wird aufgezeigt, wie in den unterschiedlichen Zuständen die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges auf einen Kreuzungsarm – exemplarisch wird Kreuzungsarm 1 gewählt – den Programmablauf beeinflussen soll. Hierzu werden weitere Zustände B_i.j (i, j 1, 2, 3, 4) eingeführt. Die in den zusätzlichen Zuständen aktiven Leuchtfelder zeigt 8. Angenommen, die Zuordnung findet statt in
• Zustand N_1:
Arm 1 bleibt grün. Die Arme 2 und 4 bleiben gesperrt, für Arm 3 wird nach einer Gelb- die Rotphase eingeleitet. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist (d. h. der Einsatzort liegt in der Zufahrt zur Kreuzung und diese muss nicht weiter für das Einsatzfahrzeug freigehalten werden), wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_1 → B_1.4 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_2:
Arm 1 wird sofort wieder grün geschaltet. Die Arme 2 und 4 bleiben gesperrt, für Arm 3 wird die Gelbphase beibehalten und danach die Rotphase eingeleitet. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_2 → B_1.4 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_3:
Arm 1 wird sofort wieder grün geschaltet. Die Arme 2, 3 und 4 bleiben gesperrt. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_3 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_4:
Arm 1 wird sofort wieder grün, Arm 2 und 4 sofort wieder rot geschaltet. Arm 3 bleibt rot. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_4 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_5:
Für Arm 2 und 4 wird sofort die Gelbphase eingeleitet, danach folgt die Rotphase. Arm 3 bleibt rot. Nach der für alle vier Arme gemeinsamen Rotphase wird Arm 1 zuerst rot-gelb, dann grün geschaltet. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_5 → N_6 → N_3 → B_1.1 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_6:
Für Arm 2 und 4 wird die Gelbphase abgewartet, danach folgt die Rotphase. Arm 3 bleibt rot. Nach der für alle vier Arme gemein samen Rotphase wird Arm 1 zuerst rot-gelb, dann grün geschaltet. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_6 → N_3 → B_1.1 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
• Zustand N_7:
Die Sperrung der Arme 2 und 4 wird beibehalten, zusätzlich wird Arm 3 sofort mit gesperrt. Arm 1 wird nach der Rot-Gelb-Phase grün geschaltet. Sobald erkannt wird, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung verlässt, spätestens aber nachdem der Timer T_B12 abgelaufen ist, wird Arm 1 erst gelb, dann rot geschaltet. Der normale Programmablauf geht in Zustand N_3 weiter. (Zustandsfolge N_7 → B_1.1 → B_1.2 → B_1.3 → N_3)
Wie die zur Bevorrechtigung benötigten zusätzlichen Zustände in das Zustandsdiagramm aus 7 integriert werden, zeigt 9. Die Variable arm stellt dabei die Vorhersage, dass das Einsatzfahrzeug die Kreuzung über den Kreuzungsarm arm anfährt, dar. Nach einer Erkennung eines Einsatzfahrzeuges bedeutet arm = 0, dass es die Kreuzung passiert oder sich mehr als s_Vorhersage von der Kreuzung entfernt hat.
Die nachstehenden Schritte ordnen ein sich annäherndes Einsatzfahrzeug einem Kreuzungsarm zu. Es wird dazu nur die Fahrtrichtung des Einsatzfahrzeuges relativ zum Kreuzungsmittelpunkt aus. Damit genügen diesem Verfahren zwei Abtastpunkte der GPS-Koordinaten – aus diesen kann die Fahrtrichtung errechnet werden.
Die Zuordnung eines sich der Kreuzung annähernden Einsatzfahrzeuges auf einen Kreuzungsarm basiert auf einem im Ampelrechner hinterlegten Modell, welches die Kreuzungsgeometrie beschreibt. In einer ersten Ausführungsform wird die Zuordnung basierend auf Kreuzungsmodellen unterschiedlicher Freiheitsgrade verglichen. Die Freiheitsgrade dienen dazu, ein Modell der Kreuzung bestmöglich an die lokalen geometrischen Gegebenheiten anzupassen. Es wird eine Ausführungsform vorgestellt, welches nur einen Freiheitsgrad besitzt – im Folgenden starres Kreuzungsmodell genannt. Des Weiteren wird eine zweite Ausführungsform vorgestellt, bei welchem die Anzahl der Freiheitsgrade der Anzahl der Kreuzungsarme entspricht. Diese Ausführungsform wird variables Kreuzungsmodell genannt. Für das starre Kreuzungsmodell wird zwischen einer einfachen Methode und einer erweiterten Methode unterschieden. Nachfolgend wird eine einfache Zuordnungsmethodik beschrieben
Es wird ein Umkreis mit dem Radius s_Vorhersage um den Kreuzungsmittelpunkt gelegt und dieser in vier gleich große Kreisausschnitte mit einem Öffnungswinkel von jeweils 90° unterteilt, wie in 10 dargestellt. Die Sektoren werden in mathematisch positiver Richtung durchnummeriert. Es wird vereinbart, dass Sektor 1 standardmäßig zur positiven x-Achse hin gerichtet ist. Seine Winkelhalbierende fällt mit der x-Achse zusammen. Der Freiheitsgrad dieser Methode liegt darin, den Umkreis mit seinen Sektoren um den Winkel ΨK im ebenen xy-Koordinatensystem zu rotieren, wie in 11 dargestellt. Für den Rotationswinkel gilt dabei
Somit ist es angedacht, da die Sektoranzahl nur auf Kreuzungen mit maximal vier Kreuzungsarmen anzuwenden. Im Falle einer dreiarmigen Kreuzung ist einer der vier Sektoren als „zufahrtsfrei” auszuwählen. Der Wertebereich für ΨK wird nicht erweitert. Bei spielsweise wird bei einer Straßengeometrie gemäß 12 Sektor 1 als zufahrtsfrei ausgewählt.
Der Rotationswinkel ΨK wird durch den Benutzer, der die Lichtsignalanlage einrichtet, unter zu Hilfenahme eines Kompasses messtechnisch ermittelt. Dieser Freiheitsgrad gewährleistet, dass die Sektoren an die in der Realität vorzufindende Kreuzungsgeometrie angepasst werden können, mit dem Ziel, dass alle Kreuzungsarme den Vorhersageumkreis – definiert durch s_Vorhersage – in einem unterschiedlichen Sektor schneiden. Es ist nicht notwendig, dass die Kreuzungsarme vollständig in unterschiedlichen Sektoren verlaufen.
Es wird angenommen, dass ein Einsatzfahrzeug jede Kreuzung mit V_max = 70 km/h anfahren soll. Die Zeit für den Phasenwechsel wird konstant angenommen zu T_Puffer = 2 s, als Vorlaufzeit wird T_Vorlauf = 3 s, als Abtastzeit TGPS = 1 s angesetzt. Es ergibt sich daraus ein Vorhersageumkreis mit S_Vorhersage ~120 m.
Vorteilhaft ist es, die Annahmen zu v_max, T_Puffer und T_Vorlauf von den örtlichen Gegebenheiten abhängig zu machen.
In der weiteren Ausführungsform wird eine Erweiterung vorgesehen, dass das Berechtigungssystem erkennt, ob sich ein Einsatzfahrzeug bei Einritt in den Vorhersageumkreis auf dem Kreuzungsarm des entsprechenden Sektors befindet oder auf einer Verzweigung eines benachbarten Kreuzungsarmes, wie in 13 angegeben. Es wird im Folgenden eine Möglichkeit dargestellt, zwischen der Zufahrt über den Kreuzungsarm des momentanen Sektors und der Zufahrt über eine Verzweigung des Kreuzungsarms des Nachbarsektors zu unterscheiden.
Aus den mit der Abtastzeit T_GPS am Übergang in den Vorhersageumkreis der letzten beiden abgetasteten Positionen des Einsatzfahr zeuges (x(k)|y(k)) und (x(k – 1)|y(k – 1)) wird ein Geschwindigkeitsvektor v(k) gebildet:
Im Folgenden werden die Komponenten von v(k) in Richtung der Verbindungsgeraden AB, siehe 14, und senkrecht dazu benötigt. Um eine solche Komponentenbildung vorzunehmen, wird zunächst ein Hilfsvektor h_r eingeführt, welcher auf dieser Verbindungsgeraden liegt und wie folgt definiert ist:
Für den Kosinus des Winkels α_r zwischen hr(k) und v(k) gilt dann im Folgenden der Einfachheit halber ohne Angabe des Zeitpunktes k
wobei der Zähler von dieser Gleichung ein Skalarprodukt darstellt.
Mit α_r kann v aufgespalten werden in Längs- und Querkomponente wie in 14 dargestellt:
Die Querkomponente von v_q wird nachfolgend normiert
und fortan als Maß zur Vorhersage benutzt, ob das Einsatzfahrzeug eine Kreuzung im eigenen Sektor oder im Nachbarsektor überqueren wird.
Da zu einer solchen Vorhersage das Vorzeichen von α_r maßgebend ist, kann auf Grund der y-Achsen-Symmetrie der cos-Funktion zur Berechnung von α_r nicht eigenständig angewendet werden.
Um einen vorzeichenrichtigen Wert für α_r zu erhalten, werden die Winkel von h_r und v – α_h und α_v – zur x-Achse bestimmt und die Differenz gebildet. Dabei wird α_r positiv von v nach h_r gezählt:
Da α_r im Wertebereich
liegen soll, muss ggf. korrigiert werden:
Die Winkel α_i, i {v, hr} werden dabei wie folgt berechnet:
wobei für Δx_v, Δy_v bzw. Δ_xhr, Δ_yhr die entsprechenden Komponenten aus den vorangegangenen Gleichungen eingesetzt werden.
Bevor eine Regel formuliert wird, die eine Zuordnung an Hand der normierten Querkomponente v_q,norm zulässt, wird eine weitere Unterteilung der Sektoren vorgenommen: Jeder Sektor wird entlang seiner Winkelhalbierenden in einen linken und einen rechten Halbsektor zerlegt. Dies ist deshalb sinnvoll, da eine Entscheidung alleine auf Basis von Betrag und Vorzeichen von v_q,norm eine korrekte Zuordnung nicht gewährleisten kann. 15 zeigt die Unterteilung eines Sektors und illustriert zwei mögliche Trajektorien, bei denen sich am Übergang in den Vorhersageumkreis gleiche Werte für v_q,norm ergeben. Es wird leicht deutlich, dass sich bei gleichen v_q,norm unterschiedliche Vorhersagen anbieten können:

• Trajektorie 1 wird den Sektor beibehalten und die Kreuzung über den dem momentanen Sektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass das Einsatzfahrzeug sich auf einem Kreuzungsarm wie in 16 gezeigt der Kreuzung annähert.
• Trajektorie 2 wird in den rechten Nachbarsektor laufen und die Kreuzung über den dem rechten Nachbarsektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass das Einsatzfahrzeug sich auf einer Verzweigung eines Kreuzungsarms wie in 17 gezeigt der Kreuzung annähert.

Die Sektorhälfte wird dann nicht zur Bildung einer Vorhersage mit einbezogen, wenn v_q,norm klein ist. In solchen Fällen bewegt sich das Einsatzfahrzeug annähernd geradewegs auf den Kreuzungsmittelpunkt zu. Es wird vorausgesagt, dass das Einsatzfahrzeug den Sektor beibehält. Es wird unterstellt, dass das Einsatzfahrzeug sich wie in 18 gezeigt über den dem aktuellen Sektor zugeordnetem Kreuzungsarm annähert.
Fasst man noch die entsprechenden Pendants der Trajektorien, die sich aus der Spiegelung an der Sektorhalbierenden ergeben, zu den bisherigen Beobachtungen hinzu, lässt sich die Regelbildung für die erweiterte Methode wie folgt aufstellen:

1. Für betragsmäßig kleine v_q,norm, die unter einem noch zu definierenden Schwellwert (cv) liegen, gilt: Sektor wird beibehalten, siehe 18
2. Für Werte von v_q,norm, die betragsmäßig den Schwellwert c_v überschreiten, findet eine Auswertung des Vorzeichens und der Sektorhälfte statt:
(a) Ist v_q,norm positiv (Querkomponente zeigt nach rechts) i. und befindet sich das Einsatzfahrzeug im linken Halbsektor, so gilt: Sektor wird beibehalten, siehe 16. ii. und befindet sich das Einsatzfahrzeug im rechten Halbsektor, so gilt: Rechter Nachbarsektor wird angefahren, siehe 17.
(b) Ist v_q,norm negativ (Querkomponente zeigt nach links) i. und befindet sich das Einsatzfahrzeug im rechten Halbsektor, so gilt: Sektor wird beibehalten, siehe 19 ii. und befindet sich das Einsatzfahrzeug im linken Halbsektor, so gilt: Linker Nachbarsektor wird angefahren, siehe 20.

Eine vorteilhafte Verbesserung gegenüber der einfachen Methode bestehen darin, vorkommende Fehler auszuschließen. Dies bedeutet, das Einsatzfahrzeug wird auch als solches erkannt werden, wenn es den Vorhersageumkreis durch einen abgewählten Sektor überquert. Im Folgenden wird ein abgewählter Sektor als Grauzone bezeichnet. Da Verzweigungen an Kreuzungsarmen durch Grauzonen verlaufen können, muss auch in einem solchen Fall eine Entscheidung bezüglich der Zuordnung auf einen möglichen Kreuzungsarm gefällt werden.
Bei Eintritt in eine Grauzone erfolgt das Überqueren der Kreuzung höchstwahrscheinlich durch den linken oder rechten Nachbarsektor. Es wird ein Kriterium eingeführt, um eine entsprechende Vorhersage abzuleiten. Hierbei wird wiederum ein Geschwindigkeitsvektor aufgestellt, um eine Richtungstendenz entweder zum linken oder rechten Nachbarsektor zu formulieren. Der Richtungsvektor v wird aus den beiden Positionswerten vor und nach Eintritt in den Vorhersageumkreis berechnet.
Zur Vorhersage wird ausgewertet, ob v zum linken oder zum rechten Nachbarsektor zeigt. Dazu eignet sich ein Vergleich mit einem Hilfsvektor hg, der parallel zur Winkelhalbierenden der Grauzone liegt und in den Vorhersageumkreis hinein zeigt, siehe 21.
Wie schon bei regulären Sektoren wird der Winkel α_g zwischen h_g und v berechnet:
Wie α_r soll auch α_g in einem Wertebereich
liegen, sodass ggf. Korrekturen notwendig sind:
Während der Winkel α_v wie für reguläre Sektoren berechnet wird, ist der Winkel α_hg durch Festlegen des Rotationswinkels Ψ_K und der Sektornummer i Grauzone implizit vorgegeben.
Der Winkel β zwischen der x-Achse und der Winkelhalbierenden der Grauzone (mathematisch positiv gezählt) ergibt sich gemäß 21 zu
Abhängig von β berechnet sich α_hg wie folgt (siehe 23 und 24):
Tritt ein Einsatzfahrzeug über eine Grauzone in den Vorhersageumkreis ein, so ist für die Zuordnung auf einen Kreuzungsarm zunächst α_g samt Vorzeichen maßgebend. In 25 sind zwei Trajektorien dargestellt, bei welchen sich am Übergang in die Grauzone zwei betragsmäßig ähnliche Winkel zwischen hg und v ergeben: Es bieten sich folgende Vorhersagen an:

• Trajektorie 1 wird in den Sektor rechts seitlich der Grauzone laufen und die Kreuzung über den dem rechten Nachbarsektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass sich das Einsatzfahrzeug auf einer Verzweigung eines Kreuzungsarms wie in 26 gezeigt der Kreuzung annähert.
• Trajektorie 2 wird in den Sektor links seitlich der Grauzone laufen und die Kreuzung über den dem linken Nachbarsektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass sich das Einsatzfahrzeug auf einer Verzweigung eines Kreuzungsarms wie in 27 gezeigt der Kreuzung annähert.

Ein Beispiel mit betragsmäßig deutlich kleinerem Winkel α_g stellen die Trajektorien in 28 dar. Am Übergang in die Grauzone ist der Winkel α_g jeweils 0. In diesen Fällen bieten sich folgende Vorhersagen an:

• Trajektorie 1 wird in den Sektor links seitlich der Grauzone laufen und die Kreuzung über den dem linken Nachbarsektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass sich das Einsatzfahrzeug auf einer Verzweigung eines Kreuzungsarms wie in 29 gezeigt der Kreuzung annähert.
• Trajektorie 2 wird in den Sektor rechts seitlich der Grauzone laufen und die Kreuzung über den dem rechten Nachbarsektor zugeordneten Kreuzungsarm passieren. Es wird unterstellt, dass sich das Einsatzfahrzeug auf einer Verzweigung eines Kreuzungsarms wie in 30 gezeigt der Kreuzung annähert.

Es wird deutlich, dass zur korrekten Zuordnung im Falle betragsmäßig kleiner Winkel α_g die Information über die Sektorhälfte mit ausgewertet wird. Für Grauzonen lassen sich im Rahmen der erweiterten Methode folgende Regeln aufstellen:

1. Für betragsmäßig große α_g, die einen noch zu definierenden Schwellwert cg überschreiten, wird das Vorzeichen geprüft: (a) Ist α_g positiv (v zeigt zum rechten Nachbarsektor), so gilt: Rechter Nachbarsektor wird angefahren, siehe 25. (b) Ist α_g negativ (v zeigt zum linken Nachbarsektor), so gilt: Linker Nachbarsektor wird angefahren, siehe 27.
2. Für betragsmäßig kleine α_g, die unter dem noch zu definierenden Schwellwert c_g liegen, wird die Sektorhälfte geprüft: (a) Erfolgt der Eintritt über die linke Sektorhälfte, so gilt: Linker Nachbarsektor wird angefahren, siehe 29. (b) Erfolgt der Eintritt über die rechte Sektorhälfte, so gilt: Rechter Nachbarsektor wird angefahren, siehe 30.

Ein Flussdiagramm, welches die Regeln der erweiterten Methode für reguläre Sektoren und Grauzonen zusammenfasst, zeigt 31.
Die Erfolgsquote ist von der Wahl der Schwellwerte c_v und c_g abhängig. Ein Einsatzfahrzeug wird folglich – unter der Annahme, dass es sich nicht schneller als v_max fortbewegt – aus jeder Annäherungsrichtung rechtzeitig erkannt; die Erfolgsquote bei der anschließenden Zuordnung auf einen Kreuzungsarm hängt jedoch von der Wahl des Schwellwertes c_g ab.
Es erfolgt auf diesem Zuordnungsprinzip aufgebaut und mit den Messdaten realer Versuchsfahrten eine Offline-Simulation, an Hand derer die Schwellwerte c_v und c_g so ermittelt werden, dass die Erfolgsquote maximal wird.
Ein erheblicher Anteil realer Straßenkreuzungen lässt sich nicht durch ein bereits beschriebenes starres Kreuzungsmodell abbilden. Dies gilt vorwiegend für innerstädtische Knotenpunkte, bei deren Entwurf eine symmetrische einheitliche Anordnung gegenüber städtebaulichen Aspekten in den Hintergrund rückt. Um auch an diesen Knotenpunkten vorteilhaft ein funktionsfähiges Bevorrechtigungssystem zu realisieren, erfolgt erfindungsgemäß der Übergang von einem Modell mit vier senkrecht aufeinander stehenden Armen zu einem Modell mit individuell parametrierbaren Winkeln zwischen einzelnen Kreuzungsarmen. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

• Funktion ist auch bei mehr als vier Kreuzungsarmen gewährleistet
• Kompliziertes Abschätzen des besten Rotationswinkels und des ggf. abzuwählenden Sektors entfällt

Im Folgenden werden die zusätzlichen Verfahrensschritte dargestellt, welches die zuvor genannten vorteilhaften Erweiterungen umsetzen. Für jeden Kreuzungsarm j misst der Benutzer im Rahmen der Einrichtung der Lichtsignalanlage unter Verwendung eines Kompasses den Winkel j zur definierten x-Achse-Richtung Osten – im mathematisch positiven Sinn aus. Als Winkel eines Kreuzungsarms wird fortan der Winkel zwischen der Asymptote eines Kreuzungsarms zur Kreuzungsmitte und der x-Achse verstanden, siehe 32 Jeder Winkel liegt in einem Wertebereich
Die Winkel j aller N Kreuzungsarme werden in aufsteigender Ordnung im Parametervektor zusammengefasst.
Abhängig vom Parametervektor wird eine Sektorisierung vorgenommen.
Dabei gilt:

• Um jeden Kreuzungsarm wird ein symmetrischer Sektor gelegt, dessen Winkelhalbierende mit dem korrespondierenden Steigungswinkel Ψ_j zusammenfällt. Die Winkelhalbierenden teilen die Sektoren in eine linke und eine rechte Hälfte.
• Alle Sektoren haben den gleichen Öffnungswinkel γ. Es gilt 0 < γ = 70.
• Der Öffnungswinkel γ ist die kleinste betragsmäßige Differenz der Steigungswinkel zweier benachbarter Kreuzungsarme Ψ_j+1, Ψ_j, jedoch maximal 70°.
• Sich ergebende Lücken zwischen zwei Sektoren werden als Grauzonen betrachtet.

Die Sektorbildung mit variablem Kreuzungsmodell wird exemplarisch in 33 aufgezeigt. In diesem Beispiel beträgt der kleinste Winkel zwischen den Asymptoten zweier benachbarter Kreuzungsarme 90°, folglich haben alle Sektoren den maximalen Öffnungswinkel γ = 70°.
In Verbindung mit den Regeln für Sektoren und Grauzonen stellt das variable Kreuzungsmodell vorteilhaft die Gesamtlösung eines richtungsbasierten Ansatzes dar. Die Wahl der hierfür benötigten Schwellwerte c_v und c_g wird nachfolgend beschrieben.
Erfindungsgemäß ist es notwendig Versuchsfahrten durchzuführen. Die dabei gesammelten GPS-Koordinaten werden nachträglich am Rechner offline ausgewertet, um geeignete Schwellwerte c_v und c_g zu ermitteln.
Für jede überfahrene Kreuzung wird ein Parametervektor definiert und die Reihenfolge der Kreuzungsarme, über die die einzelnen Kreuzungen tatsächlich passiert werden, abgespeichert. Die beiden Parameter c_v und c_g werden in 1/100-Schritten variiert – c_v von 1/100 bis 1, c_g von (1/100·Π/2) bis Π/2, sodass der Reihe nach 10000 Simulationen durchgeführt werden, in denen jeweils für jede Kreuzung beim Übergang in den Vorhersageumkreis s_Vorhersage = 120 m eine Vorhersage basierend auf dem aktuellen Parametertupel (c_v, c_g) errechnet wird. Für jede Parameterkombination werden die zur Vorhersage errechneten Kreuzungsarme mit den tatsächlich angefahrenen Kreuzungsarmen verglichen und die Parameterkombination ausgewählt, für welche die größte Übereinstimmung beobachtet werden kann.
Nachdem der Fahrer eines Einsatzfahrzeuges für eine Kreuzung bevorrechtigt wird, ist es notwendig, eine Entscheidung zu fällen, wann der Bevorrechtigungszustand zu beenden ist und die Lichtsignalanlage wieder ihren normalen Schaltzyklus aufnimmt. Als Krite rien, einen Bevorrechtigungszustand zu beenden, werden eingeführt.

• Hat das Einsatzfahrzeug den Vorhersageumkreis passiert, während es sich von der Kreuzung entfernt hat?
• Ist eine zu definierende Zeit abgelaufen?

Eine Möglichkeit das Überqueren zu erkennen wird im Folgenden erläutert.
Es wird angenommen, dass eine Kreuzung als überquert gilt, sobald die Trajektorie des Einsatzfahrzeuges einen definierten Abstand r_K unterschreitet und danach ein Abtastpunkt registriert wird, welcher einen Abstand größer als r_K zur Kreuzungsmitte aufweist.
Da es möglich ist, dass beim Überqueren der Kreuzung kein Abtastpunkt anfällt, der in dem durch r_K definierten Umkreis liegt, wird zwischen jeweils zwei Abtastpunkten eine Gerade gelegt und von dieser der kleinste Abstand d zur Kreuzungsmitte berechnet. Dabei gilt der kürzeste Abstand d nur dann, wenn der entsprechende Punkt (x_d|y_d) auf der Geraden zwischen den die Gerade definierenden Punkten (x(k)|y(k)), (x(k – 1)|y(k – 1)) liegt. Ansonsten hat einer der beiden Randpunkte selbst den kürzesten Abstand zur Kreuzungsmitte. Die Gerade G(k), welche durch die beiden aufeinander folgenden Abtastpunkte (x(k)|y(k)) und (x(k – 1)|y(k – 1)) verläuft, wird beschrieben durch
mit der Steigung
Und dem y-Achsenabschnitt
34 zeigt exemplarisch eine Geometrie, bei der der kleinste Abstand der Geraden zum Ursprung im zweiten Quadranten liegt.
Der Schnittpunkt x₀ der Geraden mit der x-Achse liegt bei
Der Anstiegswinkel θ ist durch die Steigung m gegeben:
Der kleinste Abstand d zwischen dem Ursprung und der Geraden stellt die Gegenkathete des in 34 eingezeichneten großen Dreiecks dar:
Um auch für die drei übrigen Quadranten positive Werte für d zu erhalten, ist in vorhergehende Gleichung θ durch |θ| zu ersetzen. Die x-Koordinate des zum Ursprung nächsten Punktes läßt sich aus dem in 34 klein eingezeichneten Dreieck ablesen:
Für alle vier Sektoren ergibt sich x_d vorzeichenrichtig zu
Liegt der Wert x_d in dem Bereich zwischen x(k) und x(k – 1), so war die Ermittlung von d für das aktuelle Geradenstück zulässig. Ist dies nicht der Fall, so liegt der Punkt mit dem kleinsten Abstand dieser Geraden vom Ursprung nicht auf der Fahrtrajektorie.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Zuordnung der Position des Einsatzfahrzeuges auf einen bestimmten Knotenarm durch Einsatz einer digitalen Vektorkarte. Eine solche Karte wird im Speicher des Ampelrechners hinterlegen. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist es das eine alternative Lösung zur dem Einsatz kommerzieller Kartendaten vorgestellt wird, um diese zur Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu benutzen. Die Vorteile, die sich bieten, wenn man die Zuordnung kartenbasiert erfolgt, sind:

• die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zuordnung richtig ist, ist größer
• die Entscheidung der Zuordnung erfolgt nicht an einem bestimmten Luftlinienabstand um Kreuzungsmitte, sondern die Zuordnung muss somit erst bei einem bestimmten Streckenabstand zur Kreuzungsmitte – also später – getroffen werden
• unnötige Eingriffe in die Ampelsteuerung lassen sich besser unterdrücken, da Straßen, die nicht über die zu regelnde Kreuzung führen, zur Bevorrechtigung ausgeschlossen sind.

Hierzu wird erfindungsgemäß eine digitale Karte aufgebaut und die Positionsdaten des Einsatzfahrzeuges in diese digitale Karte zu einzubinden.
Der Kartenaufbau setzt auf den Benutzereingaben, die bei der Installation der Ampelanlage gemäß dem richtungsbasierten Verfahren gemacht werden, auf. Aus den Benutzereingaben ist der Ursprung η_A0, λ_A0 eines ebenen xy-Koordinatensystems in Kreuzungsmitte festgelegt. Die Endstücke der Kreuzungsarme übergibt der Benutzer als Winkel der Asymptoten an die Kreuzungsarme zur Kreuzungsmitte ebenfalls. Somit liegt mit den Ursprungskoordinaten und dem Parametervektor eine rudimentäre Karte der Kreuzungsumgebung vor – diese kann z. B. wie in 35 dargestellt aussehen.
Mittels Anlern-Verfahrensschritte wird die vorliegende digitale Karte, durch Sammeln von Positionswerten sinnvoll erweitert.
Das Sammeln von Positionsdaten wird dadurch gewährleistet, dass der Rechner, welcher die Lichtsignalanlage steuert, in einen Lern-Modus gesetzt wird, in welchem er die aktuellen Positionsdaten von Fahrzeugen im Empfangsbereich übermittelt bekommt. Die Informationen, die ein fahrzeugseitig gesendetes Datenpaket mindestens enthalten muss, sind

• Fahrzeug-ID (temporär)
• Zeitstempel
• Längengrad (Longitude)
• Breitengrad (Latitude)

Wenn der Ampelrechner an ein in der Umgebung befindliches Fahrzeug eine Anforderung zur Übermittlung der Positionsdaten stellt, werden fahrzeugseitig definierte Datenpakete ausgesendet, aus denen der Ampelrechner durch Transformation von Längengrad λ und Breitengrad η die entsprechende Fahrtrajektorie im ebenen xy-Koordinatensystem berechnen kann. Werden aus den empfangenen Datenpakteten N_i Positionsdaten (x(k)|y(k)), k∊{1, 2, ..., Ni} des i-ten Fahrzeugs empfangen, so ist dessen Trajektorie T_i eindeutig beschrieben durch die Punkte (x(1)|y(1)), (x(2)|y(2)), ..., (x(Ni)|y(Ni)).
Ein übertragenes Positionsdatum gehört solange zur aus den voran übermittelten Positionsdaten erzeugten Trajektorie, bis die Kommunikation nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. Sollte die Kommunikation kurz darauf wieder möglich sein, werden die Positiondaten fortan als neue Trajektorie gespeichert, um keinen Sprung in der Trajektorie zu erhalten, welcher eine in der Realität nicht vorhandene Straßenverbindung suggeriert.
Die Karte soll einen Umkreis mit dem Radius s_Vorhersage + v_max T_GPS um den Kreuzungsmittelpunkt abdecken. Damit ist sicher gestellt, dass die zwei Koordinaten, aus denen am Übergang in den Vorhersageumkreis ein Richtungsvektor gebildet wird, auf jeden Fall in der Karte enthalten sind. Um den gewünschten Bereich abzudecken, müssen die einzelnen Trajektorien folglich ab einschließlich dem letzten Positionsdatum vor Eintritt in den durch s_Vorhersage + v_max T_GPS definierten Umkreis vom Ampelrechner aufgezeichnet werden.
36 zeigt exemplarisch zwei Trajektorien, die sich der Ampelrechner nach Übermittlung von Positionsdaten von Fahrzeugen im Kommunikationsbereich, berechnen kann. Wenn eine Trajektorie vollständig erbgespeichert ist, wird sich zur Weiterverarbeitung die ein Verfahrensschritt durchgeführt, mittel dem überprüft wird ob, die Trajektorie über die zu regelnde Kreuzung führt oder nicht.
Um diesbezüglich eine Unterscheidung vornehmen zu können, wird die Trajektorie daraufhin überprüft, ob sie mindestens einen Punkt enthält, welcher einen definierten Abstand zur Mitte der zu regelnden Kreuzung unterschreitet. Für Knotenpunkte mit einstreifigen Fahrbahnen hat sich als Abstandsmaß die Einführung eines Umkreisradius von r_K = 15 m bewährt. Dieser ist im Falle eines großflächigen Knotenpunktes den örtlichen Gegebenheiten entsprechend zu erweitern. Am Beispiel von 36 ist dieser Umkreis ebenfalls eingezeichnet; im konkreten Fall würde Trajektorie T1 im Gegensatz zu Trajektorie T2 als über die Kreuzung führende Trajaktorie identifiziert werden. Um sicher zu stellen, dass auch bei großen Fahrgeschwindigkeiten erkannt wird, ob eine Trajektorie durch den definierten Umkreis führt oder nicht, reicht es nicht aus, nur die abgetasteten Positionswerte daraufhin zu untersuchen, ob sie in dem Umkreis enthalten sind oder nicht. Hierzu ist es erforderlich, auch die Punkte zwischen den abgetasteten Positionen zu prüfen.
Um die einzelnen Trajektorien, die zu einem gemeinsamen Kreuzungsarm gehören, später untereinander vergleichen zu können, wird ein annähernd gleicher Bezugspunkt vereinbart. Dazu werden die Trajektorien, die über die Kreuzung führen, ab dem Eintritt in den Umkreis, der durch
beschrieben wird, abgeschnitten.
Die Schnittpunkte einer durch die Parameter m und b beschriebenen Geraden mit dem Kreis aus der vorhergehenden Gleichung erhält man durch Auflösen der quadratischen Gleichung
Diese Gleichung kann reelle oder komplexe Lösungen besitzen. Im Falle komplexer Lösungen besteht kein Schnittpunkt, im Falle reeller Lösungen lauten die x-Komponenten der Schnittpunkte
Schneidet eine Trajektorie diesen Kreis mit dem Geradenstück G(k*), welches aus den Punkten (x(k*)|y(k*)) und (x(k* – 1)|y(k* – 1)) gebildet wird, so stellt der Punkt (x(k* – 1)|y(k* – 1)) das letzte Positionsdatum dar, welches in der Trajektorie unverändert erhalten bleibt. Der Punkt (x(k*)|y(k*)) wird mit den Koordinaten des Schnittpunktes mit dem Kreis aus Gleichung
belegt.
Die y-Komponente des Schnittpunktes ergibt sich zu
Für den Fall, dass zwei reguläre Schnittpunkte entstehen, also die Punkte (x_SP1|y_SP1) und (x_SP2|y_SP2) beide auf einer Geraden zwischen den Punkten (x(k*)|y(k*)) und (x_K(k* – 1)|y(k* – 1)) liegen, wird der Punkt (x(k*)|y(k*)) mit demjenigen der beiden Schnittpunkte belegt, welcher zuerst abgefahren wurde, also zum Punkt (x(k* – 1)|y(k* – 1)) den kleineren euklidischen Abstand hat. Wenn dieser Punkt die Koordinaten (x_SP|y_SP) hat, gilt also
Aus der zur ursprünglichen Trajektorie gehörenden Anzahl von Koordinaten N_i wird N_i* = k*, wie in 37 angegeben.
Wird die Trajektorie auf oben genannte Weise als zur Kreuzung gehörender Kreuzungsarm erkannt und entsprechend gekürzt, folgt im Anschluss die Einbettung in die bereits existierende Karte, indem überprüft wird, zu welchem der vorab durch den Benutzer definierten zur Kreuzungsmitte hin asymptotischen Kreuzungsarme die Trajektorie am besten passt.
Um die Zuordnung zu einem der definierten Knotenarme zu finden, wird die gekürzte Trajektorie bis zu dem Punkt rückwärts durchlaufen, an dem eine definierte Wegstrecke s_Asympt erreicht wird. Dieser Punkt habe die Koordinaten (x_Asympt|y_Asympt). Durch die Punkte (x(k*)|y(k*)) und (x_Asympt|y_Asympt) wird eine Gerade gelegt, deren Steigung ermittelt und diese mit den Steigungen der vorgegebenen Knotenarme verglichen. Die Trajektorie ist dann dem Knotenarm zuzuordnen, bei dem die kleinste Abweichung zwischen Trajektoriensteigung und Knotenarmsteigung vorliegt.
Um den Punkt, bei dem die Strecke s_Asympt gerade endet, möglichst exakt zu treffen, bietet es sich an, zwischen jedem der verbleibenden Positionswerte jeweils linear zu interpolieren und dabei eine Schrittweite Δs = 5 m anzusetzen. Auf dieser feiner aufgelösten Trajektorie lässt sich das Positionsdatum, bei welchem die Strecke s_Asym überschritten wird, genauer finden und Verfälschungen aus Abtastwerten mit großen Abständen lassen sich ausschließen. 36 zeigt eine Trajektorie samt interpolierten Zwischenstellen. Zwischen zwei aufeinander folgenden Positionswerten liegt stets eine konstante Wegstrecke Δs = 5 m.
Für die Wegstrecke s_Asympt hat sich ein Wert von s_Asympt = 20 m als geeignet erwiesen. Bei größeren Werten können Fehler bei der Berechnung der Geradensteigung der Asymptoten an die Kreuzungsarme entstehen.
Wird durch den Vergleich von Asymptotensteigung und Knotenarmsteigung eine Zuordnung der Trajektorie auf einen bestimmten Knotenarm vorgenommen, werden nach hinreichend langer Messzeit in der Regel mehrere Trajektorien zur Verfügung stehen, die einem gemeinsamen Knotenarm zugeordnet wurden. Um möglichst viel Speicher- und bei dem späteren Matching Rechenkapazität einzusparen, ist es angedacht, keine redundanten Daten in die Karte mit aufzunehmen. Das bedeutet, bevor eine Trajektorie letztendlich in die Karte eingebettet und somit als möglicher Zufahrtsweg zu einem bestimmten Knotenarm gespeichert wird, erfolgt eine Überprüfung, ob die betreffende Trajektorie mit einer bereits gespeicherten Trajektorie zusammen fällt. Ist dies der Fall, werden beide Trajektorien fusioniert und die fusionierte Trajektorie, samt einer Variablen, welche ihre Gewichtung angibt, gespeichert. Die Einzeltrajektorien werden verworfen. Die Gewichtung bedeuted dabei, aus wievielen Einzeltrajektorien eine fusionierte Trajektorie gebildet wurde.
Eine einfache Möglichkeit zu prüfen, ob zwei Trajektorien T1 und T2 fusioniert werden können, besteht darin, eine Map-Matching-Methode einzusetzen. Map-Matching hat primär das Ziel, aus gemessenen Positionsdaten, welche per Odometer, Gyroskop, GPS-Empfänger oder per Sensorfusion ermittelt werden, die genaue Position basierend auf einer vorhandenen digitalen Karte zu finden. Hierbei ist zu unterscheiden

• point-to-point matching
• point-to-curve matching
• curve-to-curve matching

Point-to-point bedeuted dabei, dass an Hand nur eines gemessenen Positionsdatums die entsprechende Position in der Karte bestimmt wird, indem der Kartenpunkt mit dem kleinsten euklidischen Abstand zum Messpunkt gefunden wird.
Point-to-curve matching funktioniert ähnlich wie point-to-point matching, hierbei werden allerdings auch die Segmente zwischen den Kartenpunkten ausgewertet, so dass der nächste Punkt nicht unbedingt ein Kartenpunkt sein muss, sondern auf einem Segment zwischen zwei Kartenpunkten liegen kann.
Curve-to-curve matching wertet dagegen mehrere Messpunkte – also eine Fahrtrajektorie aus. Dabei werden entweder die Abstände mehrere Messpunkte zu mehreren Kartenpunkten, die Winkel zwischen mehreren Segmenten aus Messpunkten und Kartenpunkten oder eine Gewichtung aus beidem als Zuordnungsmaß benutzt.
Mittels des curve-to-curve matchings ist ein Vergleich zweier Trajektorien durchführbar. Demnach werden die Steigungswinkel der Tangentenvektoren beider Trajektorien jeweils miteinander vergleichen. 39 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt einer Trajektorie mit Tangentenvektoren und entsprechenden Steigungswinkeln θ(k).
Grundlage dafür, dass ein solcher Vergleich als Entscheidungsmerkmal herangezogen werden kann, ist die Tatsache, dass die Trajektorien vorab mit gleichmäßig verteilten Stützstellen aufgefüllt wurden, damit die Tangentenvektoren, deren Steigung verglichen wird, sich auch tatsächlich entsprechen können.
Um die Güte der Messwerte zu erhöhen wird folglich wird eine Filterung benötigt, die gewährleistet, dass Positionsdaten, welche im Stillstand aufgenommen wurden, nicht in die weitere Auswertung mit eingehen. Eine einfache Möglichkeit dazu besteht darin, nur die Positionen (x(k)|y(k)) beizubehalten, für die v(k) ≥ vmin gilt. Es wird vorgeschlagen als Schwelle v_min = 3 m anzusetzen.
46 zeigt einen Ausschnitt, der den Unterschied einer diesbezüglich ungefilterten und gefilterten Trajektorie verdeutlicht. Zwei zu prüfende Trajektorien haben in der Regel eine unterschiedliche Anzahl von Koordinaten. Weil immer zwei Tangentenvektoren miteinander verglichen werden, hängt die Anzahl der zu bildenden Differenzwinkel Δθ von der Anzahl der Elemente der kürzeren Trajektorie ab. Da auf Grund des Abschneidens der Trajektorien in Kreuzungsnähe gewährleistet ist, dass sich die Trajektorien zu ihren Enden hin – also in Richtung der Kreuzung – entsprechen, müssen von der längeren Trajektorie vom Start an soviele Elemente abgeschnitten werden, dass beide Trajektorien die gleiche Anzahl an Elementen besitzen.
Hat beispielsweise die Trajektorie T1 nach dem Kürzen N₁* Elemente und die Trajektorie T2 nach dem Kürzen N₂* Elemente, so werden |N₁* – N₂ ^| vom Beginn der längeren der beiden Trajektorien abgeschnitten. Es können folglich min (N₁*, N₂*) – 1 Differenzwinkel
gebildet werden.
41 zeigt oben zwei Trajektorien mit original aufgenommenen Positionsdaten – unten ist der Verlauf der Differenzwinkel θ über den Abtastschritten, zur Kreuzung hin positiv gezählt, dargestellt. Zum Vergleich zeigt 42 oben die aus den Rohdaten generierten Trajektorien mit regelmäßigem Abstand Δs zwischen zwei Positionswerten.
An Hand des Verlaufs des Differenzwinkels Δ lässt sich ablesen, ob zwei Trajektorien ein gemeinsames Straßensegment repräsentieren oder nicht. Wenn θ in einem schmalen Band um 0 verläuft, wird davon ausgegangen, dass bei beiden Trajektorien der gleiche Zufahrtsweg abgefahren wurde. Einen solchen Fall zeigt 43. Wenn θ einen Sprung wie in 44 enthält, lässt dies auf unterschiedliche Zufahrtswege schließen, welche jeweils einzeln abgespeichert werden müssen. Da der Verlauf von θ mit impulsartigen Sprüngen behaftet sein kann, welche aus Messfehlern resultieren, ist es nicht angedacht, ein Toleranzband um 0 einzuführen. Stattdessen wird der mittlere quadratische Fehler zwischen θ_(k) und θ_soll = 0
eingeführt. Falls
eine Schwelle
nicht überschreitet, wird angenommen, dass die Trajektorien ein gleiches Straßensegment repräsentieren. räsentieren.
Mit der Wahl der Schwelle
soll primär erreicht werden, dass Trajektorien nicht fälschlicherweise fusioniert werden. Die Tatsache, dass zwei eigentlich zu fusionierende Trajektorien nicht fusioniert werden und damit höherer Speicher- und Rechenbedarf entsteht, wird im Zweifelsfall in Kauf genommen. Folglich wird
gewählt.
Zwei Trajektorien T1 und T2, für die
<
gilt, werden fusioniert, indem jeweils die Mittelwerte der sich entsprechenden x- und y-Werte gebildet werden. Die Koordinaten der resultierenden Trajektorie T_Fusion,2 lauten folglich
Sollte im weiteren Programmablauf eine dritte Trajektorie T₃ mit T_Fusion,2 fusioniert werden, so wird die höhere Gewichtung von T_Fusion,2 beachtet:
Allgemein gilt also mit dem Gewichtungsfaktor g
Der Anlernvorgang ist beendet, wenn zu jedem der N Kreuzungsarme i eine vorab definierte Anzahl M an Trajektorien j gefunden wurden. Sofern mehrere Trajektorien T_ij eines gemeinsamen Kreuzungsarms i fusioniert wurden, stehen fortan M_i < M zum Kreuzungsarm i führende Trajektorien T_ij zur Verfügung.
Bevor die Zuordnungsproblem mit der gewonnenen Karte gelöst werden kann, ist eine weitere Aufbereitung der Kartendaten angedacht, um möglichst wenig Rechenaufwand während der Laufzeit der Anwendung zu erzeugen. Dies erfolgt in zwei Schritten:
Zuerst wird ein quadratisches Raster, welches an seinen vier Rändern den Umkreis mit dem Radius S_Vorhersage + v_max T_GPS tangiert, über die Karte gelegt. Die Rasterelemente werden dabei zweckmäßigerweise der GPS-Positionsgenauigkeit entsprechend dimensioniert, im konkreten Fall hat eine Zelle die Fläche 5 m × 5 m. Dem Raster entsprechend wird in 2D-Array mit den Zeilen r und Spalten c angelegt, in dessen Elemente die Informationen gespeichert werden, welche der Trajektorien T_ij durch die dem Array-Element [r] [c] entsprechende Raster-Zelle verläuft. 45 zeigt exemplarisch eine Karte samt Raster mit zwei Trajektorien T_1,1 und T_1,2 – dabei sind die Arrayelemente, deren Rasterzellen von T_1,1 durchlaufen werden, markiert.
Zweitens wird jede Trajektorie T_ij rückwärts durchlaufen, bis der Punkt (x|y)_{Vorhersage,ij} gefunden wird, bei dem der Streckenabstand s_Vorhersage von der Kreuzungsmitte erreicht ist. In der Trajektorie wird der Index k_{Vorhersage,ij} des letzten Positionsdatums, welches in Fahrtrichtung unmittelbar vor dem Punkt (x|y)_{Vorhersage,ij} liegt, vorgemerkt.
Das Matching der gemessenen Koordinaten des Einsatzfahrzeuges in die Karte findet statt, sobald das Einsatzfahrzeug in den Vorhersageumkreis eintritt. Aus der aktuellen Position im xy-Koordinatensystem werden die korrespondierende Zeile r und Spalte c des 2D-Arrays ermittelt. Neben dem Eintrag an der Stelle [r] [c] werden zusätzlich die Einträge in der Acht-Nachbarschaft – also [r – 1] [c – 1], [r – 1] [c], [r – 1] [c + 1], [r] [c – 1], [r] [c + 1], [r + 1] [c – 1], [r + 1] [c], [r + 1] [c + 1], – auf Trajektorien geprüft, wie 46 zeigt. Die auf diese Weise ermittelten Trajektorien T_ij repräsentieren mögliche Straßensegmente, auf denen sich das Einsatzfahrzeug befinden kann. Für die beiden gemessenen Koordinaten des Einsatzfahrzeuges wird für jede dieser Trajektorien ein Point-to-point Matching samt Winkelvergleich durchgeführt. Da die in der Karte hinterlegten Trajektorienverläufe auf Grund des vorab durchgeführten Oversamplings gut aufgelöst sind, würde ein Point-to-curve Matching anstatt eines Point-to-point Matching lediglich einen höheren Rechenaufwand bei vergleichsweise gleicher Genauigkeit liefern.
Bei Point-to-point Matching eines Messpunktes (x|y) in eine Trajektorie Tij wird als wahrer Punkt (x|y)MM genau der Punkt (x|y)_ij der Trajektorie T_ij angenommen, welcher den kleinsten euklidischen Abstand zum Messpunkt (x|y) hat, wie in 47 angegeben.
Wenn die Referenzpunkte (x(k)|y(k))_MM und (x(k – 1)|y(k – 1))_MM in den in Frage kommenden Trajektorien T_ij bestimmt sind, wird über prüft, ob bei einer der Trajektorien T_ij der kritische Punkt (x|y)_{Vorhersage,ij} bzw. Index k_{Vorhersage,ij} überschritten wurde.
Wenn dies bei keiner der Trajektorien der Fall ist, findet mindestens solange wie keine aktualisierten Koordinaten übermittelt werden kein Eingriff in die Steuerung der Lichtsignalanlage statt.
In dem Fall, dass bei einer Trajektorie T*_ij der kritische Punkt (x|y)_{Vorhersage,ij} bzw. Index k_{Vorhersage,ij} überschritten wurde, findet ein Vergleich zwischen dem Steigungswinkel der Verbindungsgraden der Messpunkte (x(k)|y(k)), (x(k – 1)|y(k – 1)) – (k) – und der Verbindungsgraden der Referenzpunkte (x(k)|y(k))*_MM,ij, x(k – 1)|y(k – 1))*_MM,ij – θ_MM,ij(k)* statt, siehe 48:
Bekannt ist das, dass bis Δθ_max = 30 davon ausgegangen werden kann, dass das Matching korrekt war. Sobald in einem Zeitschritt das erste
gefunden wird, erfolgt eine Zuordnung des Einsatzfahrzeuges auf die Trajektorie T*_ij und eine Bevorrechtigung des Kreuzungsarms i. 49 illustriert das Zuordnungsverfahren der kartenbasierten Lösung. Der Wechsel vom Bevorrechtigungszustand in den Normalzustand der Ampelsteuerung wird gemäß der richtungsbasierten Lösung eingeleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist es angedacht, die Genauigkeit der Zuordnung weiter verbessern, wenn anstatt einer pauschal angenommenen Maximalgeschwindigkeit des Einsatzfahrzeuges eine für jeden Kreuzungsarm individuell anzunehmende Maximalgeschwindigkeit eingeführt wird. Dabei lässt ließe sich ggf. der Abstand von der Kreuzungsmitte, ab dem eine Entscheidung bezüglich der Zuordnung getroffen werden muss, verkürzen.
In einer weiteren Ausführungsform ist es angedacht, nicht strikt zwischen Anlernmodus und Betriebsmodus zu unterscheiden, sondern auch nach dem Umschalten von richtungsbasierter Methode zu kartenbasierter Methode parallel zum Betrieb Lernschritte zu durchlaufen, welche fortwährend die Kartendaten überprüfen und ggf. erweitern oder korrigieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3300872 [0006, 0007]
- DE 20007451 [0007, 0008]
- DE 19508043 [0009]

Claims

Bevorrechtigungssystem für Einsatzfahrzeuge an signalgeregelten Verkehrsknotenpunkten dadurch kennzeichnet, dass ein an den signalgeregelten Verkehrsknotenpunkt Einsatzfahrzeug mit minimalen Verzögerungen an den Zielort gelangt und gleichzeitig das Unfallrisiko mit zivilem Verkehr verringert wird, wobei für einen Kreuzungsarm einer Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes auf dem sich das Einsatzfahrzeug der Kreuzung annähert, eine Grün-Schaltung erzeugt wird, während für alle übrigen Kreuzungsarme eine Rot-Schaltung ausgelöst wird und das Einsatzfahrzeug einem Kreuzungsarm zugeordnet wird.
Bevorrechtigungssystem nach Anspruch 1 dadurch kennzeichnet, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm durch eine Auswertung der Fahrtrichtung des Einsatzfahrzeuges relativ zum Kreuzungsmittelpunkt des signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes erfolgt, wobei zwei Abtastpunkte von Ortsinformationen ausgewertet werden und Regeln zur Zuordnung des Einsatzfahrzeuges bestimmt werden.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm auf einem in mindestens einem Ampelrechner des signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes hinterlegten Modell erfolgt, welches die Kreuzungsgeometrie beschreibt.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass das hinterlegte Modell die Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes in Sektoren unterteilt.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass die Zuordnung eines sich auf die Kreuzung eines signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes auf einen Kreuzungsarm mittels des hinterlegten Modells erfolgt, wobei im Falle betragsmäßig kleiner Winkel α_g eine Information über die Sektoren ausgewertet wird.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass eine Optimierung der Regeln zur Zuordnung des Einsatzfahrzeuges dadurch erfolgt, dass eine Annäherungsrichtung des Einsatzfahrzeuges differenziert ausgewertet wird, wobei bei der Auswertung die Querkomponente der Geschwindigkeit als Maß der Zuordnung ermittelt und mindestens zwei Schwellwerte als Parameter bestimmt werden.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass die Zuordnung des Einsatzfahrzeuges zu einem Kreuzungsarm auf einen bestimmten Knotenarm mittels einer digitalen Karte erfolgt, wobei die digitale Karte in einem Speicher mindestens eines Ampelrechner hinterlegt ist und mittels eines selbstständigen Anlernens, die digitale Karte durch Positionsdaten, die von an dem signalgeregelten Verkehrsknotenpunktes entlang fahrenden Fahrzeugen durch eine Fahrzeug zu Infrastruktur Kommunikation in Form von Datenpaketen an den Ampelrechner übertragen werden.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass die von den Fahrzeugen übertragenen Datenpakete mindestens eine Information über eine Fahrzeugidentität, einen Zeitstempel, eine Ortsinformation in Form eines Längengrades und eines Breitengrades des jeweiligen Fahrzeuges umfasst.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass durch die Übertragung übermittelten Ortsinformationen Trakjektorien ermittelt werden.
Bevorrechtigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass eine Kreuzung durch ein Einsatzfahrzeug als Überquert gilt, sobald eine Trajektorie des Einsatzfahrzeuges innerhalb der digitalen Karte eine definierten Abstand r_K unterschreitet und danach ein Abtastpunkt registriert wird, welcher eine Abstand größer als r_K zur Fahrzeugmitte aufweist.