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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung einer Staulänge eines
Fahrzeugstaus an einem lichtsignalgesteuerten Knotenpunkt nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie einen Videodetektor zur Durchführung des
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Durch
die steigende Belastung der Straßen aufgrund des Anwachsens
des innerstädtischen Kraftfahrzeugverkehrs
und der damit verbundenen Umweltbeeinträchtigung ist es im Interesse
des Verkehrsplaners, den vorhandenen Straßenraum sowie die Straßenleistungsfähigkeit
optimal auszunutzen. Die Forderung nach störungsfreiem Verkehrsablauf und
nach wirtschaftlicher und umweltverträglicher Nutzung der Straßen bzw.
des Straßennetzes
haben den Stellenwert der Optimierung von Lichtsignalanlagen erhöht. Im Hinblick
auf das steigende Verkehrsaufkommen und den begrenzten Raum, der
zur Verfügung
steht, ist die Optimierung von Lichtsignalanlagen als einzelne Komponente
und – was
eigentlich noch wichtiger ist – als
ein zusammenhängendes Netz
unabwendbar. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wurden schon
frühzeitig
verkehrsabhängige Steuerungen
entwickelt, die durch die raschen Fortschritte in der Rechnertechnologie
sowie der steigenden Anforderungen an Optimierungsverfahren zunehmend
komplexer wurden. Auf dem Gebiet der Lichtsignalsteuerung bedeutet
die Ermittlung einer optimalen Lösung
zum einen die Auswahl der optimalen Gestaltung von Straßenverkehrsanlagen
und Basiselemente der Signalprogramme, wie z. B. Phaseneinteilung
und Phasenfolge, zum anderen die Bestimmung der optimalen Parameter
für die
Signalsteuerung. Zur Optimierung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzen
werden nach vorwiegend als Optimierungskriterien die Wartezeiten,
die Anzahl der Halte, der Kraftstoffverbrauch, die Lärm- bzw. Schadstoffemissionen
minimiert und die Grünbandbreite auf
den Hauptverkehrsstraßen
maximiert. Hierbei kommen grund sätzlich
zwei verschiedene Strategien zum Einsatz: Die eine Strategie strebt
für ein
System von grünen
Wellen einen möglichst
guten Verkehrsfluss in den fest vorgegebenen Hauptrichtungen an. Dabei
liegen Festzeitprogramme für
die Signalisierungsgründe,
die für
die erwarteten Verkehrsbelastungen off-line optimiert und zeitplan-abhängig oder verkehrsabhängig gewählt werden.
Die andere Strategie muss sich laufend den Erfordernissen und Änderungen
des Verkehrs anpassen und möglichst
einige Zeit vorausdenken. Hierfür
sind On-line-Modelle erforderlich.
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Neben
den Verkehrsparametern Verkehrsstärke, Geschwindigkeit, Verkehrsdichte,
Fahrzeugart, Zeitlücke,
Fahrzeug- und Liniennummer beim öffentlichen
Personennahverkehr (ÖPNV)
stellt die Aufstelllänge
der aufgrund eines Sperrsignals von einer Haltelinie rückstauenden
Fahrzeuge einen wesentlichen Verkehrsparameter dar, der als Eingangswert
in ein Netzsteuerverfahren eingeht. Zur Erhebung der Verkehrsdaten
wird eine Vielzahl an Methoden bzw. Techniken eingesetzt, die von
der rein manuellen Zählung über Radar-
und Infrarot- bis hin zu Induktionsschleifen- und Lasertechnik reichen. Eine
weitere eingesetzte Technik stellt die Videotechnik dar. Die generelle
Aufgabe eines Video-basierten Verkehrserfassungssystems ist die
Ermittlung von Verkehrsflussparametern. Dazu ist eine Detektion der
Fahrzeuge in den Kreuzungszufahrten nötig. Dies geschieht mittels
einer Videokamera, die stationär
angebracht ist und den Straßenraum
beobachtet. In den meisten Fällen
werden Videodetektoren an Knotenpunktanlagen zur Präsenzerkennung
von Fahrzeugen verwendet. Sobald sich ein Fahrzeug in einer bestimmten
Detektionszone im Videobild befindet, wird der entsprechende Ausgang
des Videodetektors auf „belegt” geschaltet.
Auch wenn es heute technisch möglich
ist, weitere Verkehrsdaten wie zum Beispiel die Anzahl der Fahrzeuge,
deren Klasse (LKW oder PKW), deren Geschwindigkeit sowie den Zeitabstand
aufeinander folgender Fahrzeuge an einem Querschnitt zu beobachten,
werden diese Daten nur in seltenen Fällen für die lokale Kreuzungssteuerung
herangezogen. Der große
Vorteil der Videotechnik ist die Reproduzierbarkeit des Verkehrsablaufs.
Während
andere Detektionsarten nur ein Ergebnis liefern, welches nicht bzw.
schwer zu kontrollieren ist, bietet die Videotechnik den Vorteil, dass
ein Videofilm oder Einzelbilder für spätere Zwecke als Beweismaterial
oder zur Nachbearbeitung archiviert werden können.
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Die
Diplomarbeit „Die
Verwendung von Verkehrsdaten aus Videoerfassung als Steuerungsgrundlage
von verkehrsabhängigen
Netzsteuerungen”,
abgegeben am 11.09.2000 von Tsatalpasidis beim Institut für Straßen- und
Verkehrswesen, Universität
Stuttgart, offenbart in Kapitel 6.2.8, Seiten 65 bis 66, ein Video-basiertes
Verfahren zur Bestimmung der Staulänge eines sich während der
Sperrzeit vor einer Haltelinie bildenden Verkehrsstaus. Bei guten
Verkehrsverhältnissen
löst sich
der Stau während
der Freigabezeit auf. In der darauffolgenden Sperrzeit bildet sich
der Stau erneut, usw. Zur exakten Ermittlung der Staulänge werden
die Anzahl und die Klasse der Fahrzeuge und damit die Summe der Länge aller
einfahrenden Fahrzeuge erfasst. An der Lichtsignalanlage kann über Videodetektoren
die Anzahl und Klasse der Fahrzeuge erfasst werden, die während der
Grünphase
die Haltelinie passieren. Durch Subtraktion der Summe der Länge der
Fahrzeuge, welche die Haltelinie überquert haben, von der einfahrenden
Gesamtlänge
erhält
man die Staulänge
bei Grünende.
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Dieses
bekannte Verfahren leidet unter dem Nachteil, dass Videodetektoren
sowohl an der Haltelinie der Zufahrt zum lichtsignalgesteuerten
Knotenpunkt als auch an der Einfahrt in diese Zufahrt erforderlich
sind. Der Einsatz eines einzigen am Knotenpunkt angeordneten Videodetektors
zur Abschätzung
der Staulänge
vor der Haltelinie ist jedoch durch die flache Beobachtungsgeometrie
ausgeschlossen, da sich Fahrzeugabstände in einer Entfernung von 30
m bis 60 m vor der Haltelinie nicht mehr messen lassen, insbesondere
ist ein Abstand eines Personenkraftwagens zu einem diesem vorausfahrenden Lastkraftwagen
nicht mehr sichtbar.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art sowie einen Videodetektor zur Durchführung des Verfahrens
bereitzustellen, der den Aufwand an eingesetzter Videotechnik reduziert.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Schätzung
einer Staulänge gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Videodetektor zur Durchführung des Verfahrens
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Hierzu werden in einem
von der Videokamera erfassbaren Bildausschnitt der Zufahrt wenigstens
eine Detektionszone definiert, wobei die aufgenommenen Videobilder
daraufhin ausgewertet werden, ob in dieser Detektionszone ein Fahrzeug
zum Stillstand gekommen ist. Durch diese Auswertungsmöglichkeit
unterscheidet sich der erfindungsgemäße Videodetektor von bislang
bekannten Detektoren, bei welchen lediglich die Präsenz eines
Fahrzeugs unabhängig
von dessen Bewegungszustand erfassbar war. Erfindungsgemäß wird nun
aus dem Zeitpunkt des Phasenbeginns eines Sperrsignals der Lichtsignalanlage,
aufgrund dessen die auf die Haltelinie zufahrenden Fahrzeuge hintereinander
aufgereiht zum Stillstand kommen, und dem Detektionszeitpunkt des
ersten Fahrzeugstillstands in der Detektionszone auf die Staulänge geschlossen.
Insbesondere wird hierfür
die Zeitspanne zwischen Phasenbeginn und Detektionszeitpunkt gemessen.
Da die zeitliche Entwicklung des Aufstellvorgangs sehr eng mit der
sich vergrößernden
Staulänge
korreliert, ergibt sich aus der gemessenen Zeitspanne die zu schätzende Staulänge. Mit
Vorteil ist hierfür
lediglich der am Knotenpunkt angeordnete Videodetektor erforderlich,
so dass zusätzliche
Videodetektoren oder andere Fahrzeugdetektoren, die von der Haltelinie beabstandet
anzuordnen wären,
nicht nötig
sind, was eine erhebliche Kosteneinsparung mit sich bringt.
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Mit
Vorteil wird die Detektionszone durch einen Abschnitt definiert,
der zwischen 30 m und 60 m vor der Haltelinie liegt. Die sich in
diesem Abschnitt erstreckenden Staulängen sind von besonderem Interesse
für die
Netzsteuerungsverfahren, die Lichtsignalanlagen an Knotenpunkten
koordinieren, zwischen welchen dieser Abschnitt liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in dem erfassbaren Bildausschnitt der Zufahrt mehrere Detektionszonen
auf einer Fahrspur der Zufahrt definiert, wobei die Zeitdifferenz
zwischen einer ersten Detektion eines in einer ersten Detektionszone
zum Stillstand gekommenen Fahrzeugs und einer ersten Detektion eines
in einer von der Haltelinie weiter als die erste Detektionszone
entfernten, zweiten Detektionszone zum Stillstand gekommenen Fahrzeugs
erfasst wird. Beispielsweise könnten
drei aufeinander folgende Detektionszonen für die Abschnitte 15 m bis 30
m, 30 m bis 45 m und 45 m bis 60 m vor der Haltelinie definiert
werden. Gemessen werden dann die Zeitdifferenzen zwischen dem Beginn
der Sperrphase und den Detektionszeitpunkten des ersten Fahrzeugstillstands
in der ersten, zweiten und dritten Detektionszone. Aus dieser zeitlichen
Entwicklung der Entstehung des Rückstaus
vor der Haltelinie kann die Geschwindigkeit der Aufstellvorgänge mit
einer Genauigkeit gemessen werden, die höher im Vergleich zu Füllzeitmessungen
ist, was wiederum eine genauere Abschätzung der entstehenden Staulänge ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die aufgenommenen Videobilder daraufhin ausgewertet, ob in
die wenigstens eine Detektionszone ein Fahrzeug einfährt und
ob ein Fahrzeug aus der wenigstens einen Detektionszone ausfährt. Durch
Kombination dieser auswertungstechnisch einfacheren Präsenzdetektion
eines Fahrzeugs innerhalb der Detektionszone mit der erfindungsgemäßen Detektion
eines Fahrzeugstillstands innerhalb der Detektionszone ergeben sich
zusätzliche
Vorteile, wenn diese Verfahren beispielsweise für unterschiedliche Detektionszonen der
Zufahrt angewendet werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Videodetektors
sowie weitere Vorteile und Eigenschaften des erfindungs gemäßen Verfahrens werden
nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, in deren
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1 eine
videoüberwachte
Zufahrt zu einem lichtsignalgesteuerten Knotenpunkt,
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2 ein
auszuwertendes Videobild des erfindungsgemäßen Videodetektors
schematisch
veranschaulicht sind.
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Gemäß 1 wird
der Verkehr an einem Knotenpunkt K etwa eines innerstädtischen
Straßennetzes
durch eine Lichtsignalanlage 10 gesteuert. Die Lichtsignalanlage 10 weist
Signalgeber 12 zur Abgabe von Lichtsignalen an Fahrer von
Fahrzeugen auf, die sich auf einer Zufahrt Z auf den Knotenpunkt K
zubewegen. Die Signalgeber 12 werden durch ein Steuergerät 11 der
Lichtsignalanlage 10 nach einem Signalzeitenplan angesteuert,
der aufeinander folgende Freigabe- und Sperrphasen zeitlich vorgibt. Mit
Phasenbeginn ts einer Sperrphase, die der
Signalgeber 12 durch ein Sperrsignal S in Form eines roten
Lichtzeichens anzeigt, werden zuströmende Fahrzeuge F vom Passieren
einer Haltelinie H der Zufahrt Z abgehalten. Es bildet sich vor
der Haltelinie H eine Reihe hintereinander zum Stillstand kommender
Fahrzeuge F, die einen Sperrsignalbedingten Fahrzeugstau einer mehr
oder weniger großen
Staulänge
l bilden. Die Staulänge
l des Fahrzeugstaus stellt eine wesentliche Verkehrsgröße dar,
die in Optimierungsverfahren adaptiver Netzsteuerungen eingeht.
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Erfindungsgemäß wird die
Staulänge
l mittels eines einzigen am Knotenpunkt K angeordneten Videodetektor 20 abgeschätzt. Der
Videodetektor 20 umfasst eine Videokamera 21,
die derart angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie einen Bildausschnitt
B (vgl. 2) der Zufahrt Z erfasst. Die
von der Videokamera 21 aufgenommenen digitalen Videobilder
bi der Zufahrt Z werden in einer Auswertungseinrichtung 22 des
Videodetektors 20 digital ausgewertet. Hierzu steht die
Auswertungseinrichtung 22 mit dem Steuergerät 11 der
Lichtsignalan lage 10 in Verbindung, damit ein zeitlicher
Bezug bestimmter Detektionsereignisse zu dem Phasenbeginn ts der Sperrphase möglich ist.
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2 zeigt
ein digitales Videobild bi des Bildausschnitts
B zu einem bestimmten Detektionszeitpunkt ti.
Erfindungsgemäß wird in
dem erfassbaren Bildausschnitt B der Zufahrt Z eine Detektionszone
D definiert, die beispielsweise einen Abschnitt der Zufahrt zwischen
30 m und 60 m vor der Haltelinie H darstellt. Mit Hilfe von Bildauswertungsalgorithmen wird
nun festgestellt, zu welchem Zeitpunkt ti erstmals
ein Fahrzeug F innerhalb der Detektionszone D zum Stillstand kommt.
Es wird nun die Zeitspanne vom Phasenbeginn ts des
Sperrsignals S bis zum Detektionszeitpunkt ti des
ersten Fahrzeugstillstands in der Detektionszone D gemessen. Aufgrund
einer bekannten zeitlichen Entwicklung des Aufstellvorgangs bei
der Ausbildung des Fahrzeugstaus kann aus der Zeitspanne ts die Staulänge l des Fahrzeugstaus sehr genau
abgeschätzt
werden.
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Es
können
auch zwei oder mehrere Detektionszonen in dem von der Videokamera 21 erfassbaren
Bildausschnitt B der Zufahrt Z definiert werden. Durch Festhalten
der Detektionszeitpunkte des jeweils ersten Fahrzeugstillstands
innerhalb der jeweiligen Detektionszone wird die zeitliche Entwicklung des
Aufstellvorgangs des Fahrzeugstaus erfasst. Durch die Erfassung
der Zeitreihe von Detektionszeitpunkten in Bezug auf den Phasenbeginn
ts des Sperrsignals S kann die Genauigkeit
der Abschätzung
der Staulänge
l verbessert werden, da dieses Verfahren eine höhere Messgenauigkeit im Vergleich zu
herkömmlichen
Füllzeitmessungen
aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Videodetektor 20 weist
also eine Auswertungseinrichtung 22 auf, mit der es möglich ist,
bewegte und stehende Fahrzeuge in einer Detektionszone zu unterscheiden.
Die Detektionszonen werden bei der Inbetriebnahme im Bildausschnitt
festgelegt. Sie werden im Betrieb des Videodetektors 20 jedoch
nur dann aktiviert, wenn ein Fahrzeug F dort zum Stehen kommt. Bewegen
sich die Fahrzeuge F durch die Detekti onszone, erfolgt keine Aktivierung
des entsprechenden Ausgangspunkts. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Videodetektor 20 jedoch
auch die Präsenz
von Fahrzeugen F in einer Detektionszone D messen. Der entsprechende
Ausgang des Videodetektors 20 wird aktiv geschaltet, wenn
sich ein Fahrzeug F in dieser Detektionszone D befindet und wird
deaktiviert, wenn das Fahrzeug F die Detektionszone D verlässt. So kann
beispielsweise für
eine oder mehrere Detektionszonen D erfasst werden, ob sich Fahrzeuge
F in die Detektionszone D hineinbewegen, daraus herausbewegen oder
darin zum Stillstand kommen.