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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Störfalles
auf einem Streckenabschnitt eines Straßennetzes nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1, einen Verkehrsrechner zur Durchführung des
Verfahrens, einen maschinenlesbaren Programmcode für den Verkehrsrechner,
auf ein Speichermedium mit darauf gespeichertem Programmcode, sowie
auf eine Anlage zur Beeinflussung des Verkehrs auf dem Streckenabschnitt.
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Die
wesentlichen Aufgaben von Streckenbeeinflussungsanlagen sind die
Harmonisierung des Verkehrsflusses und die rechtzeitige Warnung
des Kraftfahrers vor plötzlich
auftretenden Ereignissen. Aus der DE-Produktschrift „SITRAFFIC
CONDUCT M/T: Verkehrsrechner zur Autobahn- und Tunnelsteuerung”, herausgegeben
04/2003 von Siemens AG unter der Bestell-Nr. A24705-X-A311-*-04, ist eine Verkehrsbeeinflussungsanlage
für Autobahnen
und Schnellstraßen
bekannt. An Streckenstationen sind Fahrzeugdetektoren zur Aufnahme
von Verkehrsdaten sowie Wechselverkehrszeichen oder Wechselwegweiser
zur Darstellung von Verkehrszeichen oder Wegweisungen angeschlossen.
Bis zu 50 Streckenstationen können
an eine Unterzentrale und bis zu 10 Unterzentralen an eine Verkehrsrechnerzentrale
angeschlossen werden. Ein in der Unter- oder Verkehrsrechnerzentrale
angeordneter Verkehrsrechner erhält
die aufgenommenen Daten und bereitet diese auf. Je Messintervall
werden aus den Messwerten die Werte von Verkehrskenngrößen, wie
Verkehrsstärken,
mittlere Geschwindigkeiten, Bemessungsverkehrsstärken, lokale Verkehrsdichten,
Belegungsgrade und Lkw-Anteile berechnet. Es werden Umfelddaten,
wie Nässe,
Sichtweite, Helligkeit oder Windgeschwindigkeit erfasst und klassifiziert.
Die Verkehrsdaten werden einer Plausibilitätsprüfung unterzogen und im Fall
von unplausiblen Werten gegebenenfalls ersetzt. Die Messdaten werden
geglättet. Auf
der Basis der vorbereiteten Messwerte arbeiten verkehrstechnische
Analysemodelle unterschiedlicher Komplexität zur Interpretation der Situation
und zur Entscheidung über
die auszuwählenden
Steuereingriffe. Die Analysemodelle dienen der Beurteilung des Verkehrszustandes
in einem Streckenabschnitt und als Grundlage für Beeinflussungsmaßnahmen.
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Nach
dem „Merkblatt
für die
Ausstattung von Verkehrsrechnerzentralen und Unterzentralen (MARZ
99)”,
herausgegeben 1999 von der Bundesanstalt für Straßenwesen, ist die Verkehrsstufe – freier,
dichter und zähfließender Verkehr
sowie Stau – zu ermitteln
und die Verkehrssituation darzustellen. Ferner wird ermittelt, ob
Unruhe im Verkehrsfluss vorliegt. Schließlich soll eine Störfallerkennung
zur Anwendung kommen, und zwar sowohl aufgrund lokaler Verkehrsdaten
als auch auf einen Streckenabschnitt bezogen. Um zu entscheiden,
ob ein Störfall
vorliegt, müssen
die Werte der betrachteten lokalen oder streckenbezogenen Verkehrskenngröße mit vorher
festgelegten Schwellenwerten verglichen werden. Bei Überschreitung
eines oberen Schwellenwertes oder bei Unterschreitung eines unteren
Schwellenwertes wird ein Alarm ausgelöst. Der Alarm wird umso früher ausgelöst, je eher
die Entscheidung getroffen werden kann, ob es sich bei der aktuellen
Situation um einen Zustand handelt, in dem alarmiert werden muss,
oder ob es sich nur um einen innerhalb der normalen Schwankungsbreite
liegenden Kennwertausreißer handelt.
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Nach
MARZ 99 müssen
die Parameter der Verkehrskenngrößen und
auch die Schwellenwerte vom Bediener vorab und im laufenden Betrieb über eine
Bedienoberfläche
vorgegeben werden können. Die
feste Vorgabe von Parametern und Schwellenwerten ist insbesondere
dann problematisch, wenn die Kennwerte der Verkehrskenngröße keine
gleichmäßige Streuung
bzw. Standardabweichung über den
Tag aufweisen oder auch unterschiedliche Niveaus annehmen können. In
der Nacht können
bei Verkehrskenngrößen starke
Schwankungen auftreten, die beispielsweise durch stark unterschiedliche Geschwindigkeiten
einzelner Fahrzeuge bedingt sind und nicht durch eine Störung des
Verkehrsablaufes. Bei der Verwendung von nur einem Schwellenwert für alle Verkehrssituationen
besteht die Gefahr, dass bei zu klein gewählten Schwellenwerten häufig Fehlalarme
ausgelöst
werden, während
bei zu groß gewählten Schwellenwerten
die Reaktionszeit zu lang ist. In der Praxis sind im Verkehrsrechner
standardmäßig versorgte
Analysemodule für
Verkehrskenngrößen häufig nicht
aktiviert, da sie aufgrund der geschilderten Problematik sehr sensibel
reagieren und deren Parameter und Schwellenwerte ständig manuell
an wechselnde Randbedingungen angepasst werden müssen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Störfallerkennung
auf Streckenabschnitten eines Straßennetzes sowie einen Verkehrsrechner
zur Durchführung
des Verfahrens bereitzustellen, welche während des Betriebes eine schnelle
und sichere Alarmentscheidung ohne großen Versorgungsaufwand erlauben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Erkennung eines Störfalles
auf einem Streckenabschnitt eines Straßennetzes, wobei an wenigstens
einem Messquerschnitt des Streckenabschnittes von einem Fahrzeugdetektor
Messwerte aufgenommen werden, wobei aus den Messwerten je eines
zeitlichen Messintervalls ein Kenngrößenwert einer Verkehrskenngröße ermittelt
wird, wobei mindestens ein der Verkehrskenngröße zugeordneter Schwellenwert
vorgegeben wird, wobei die Kenngrößenwerte zur Störfallerkennung
auf Überschreiten
eines oberen Schwellenwertes und/oder auf Unterschreiten eines unteren
Schwellenwertes überwacht
wird, gelöst,
indem der mindestens eine Schwellenwert automatisch an ein aktuelles
Verhalten der Kenngrößenwerte
angepasst wird. Eine Anpassung der Schwellenwerte an das Niveau und/oder
die Bandbreite der Kennwerte kann durch Auswertung der aktuellen
Kennwerte ohne persönliche Überprüfung und
ohne manuellen Eingriff erreicht werden – und zwar im laufenden Betrieb
des Verfahrens. Dadurch liefert die Verkehrskenngröße nur in
den Fällen
plötzlicher
Störungen im
Verkehrfluss einen Alarm zur Auslösung eines Steuerungseingriffs.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird für
eine vorgebbare Anzahl von zurückliegenden
Messintervallen ein Mittelwert der Kenngrößenwerte gebildet und dieser
dann geglättet,
wobei der obere bzw. untere Schwellenwert durch Addition bzw. Subtraktion
eines Schwellenabstandes vom geglätteten Mittelwert gebildet
wird. Indem als Ausgangsbasis für
die dynamische Festlegung der Schwellenwerte der geglättete Mittelwert
der jeweils betrachteten Verkehrskenngröße herangezogen wird, wird
eine gewisse Trägheit
in der Änderung
der angepassten Schwellenwerte erreicht. Es kann durch exponentielle
Glättung
oder durch gleitende Mittelwertbildung geglättet werden, wobei der Glättungsfaktor
so niedrig zu wählen
ist, dass sowohl eine starke Glättung
erreicht wird, als auch eine angemessene Reaktionszeit auf sich
verändernde
Verkehrszustände,
welche eine Niveauänderung
der Verkehrskenngröße bedingen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird als Schwellenabstand die Standardabweichung der Kenngrößenwerte
verwendet. Hierdurch geht in die Festlegung der Schwellenwerte die
aktuelle Schwankungsbreite der Kenngrößenwerte ein, so dass auf natürliche Weise der
Schwellenabstand mit zunehmender Bandbreite wächst.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird als Schwellenabstand eine Summe aus der Standardabweichung und
einer Sicherheitskonstanten verwendet. Über die statische Sicherheitskonstante
kann die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellt werden.
Je größer die
Sicherheitskonstante gewählt wird,
desto größer sind
die tolerierten Schwankungen der Verkehrskenngröße, ohne Alarm auszulösen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei einer um eine Nulllinie schwankenden Ver kehrskenngröße zu den
Kenngrößenwerten
vor Mittelwertbildung ein Konstantwert hinzuaddiert wird, welcher
anschließend
wieder subtrahiert wird, um den geglätteten Mittelwert der Kenngrößenwerte
zu erhalten. Durch diesen Kunstgriff können die zur Schwellenwertanpassung
erforderlichen statistischen Größen auch
für um den
Wert Null schwankende Verkehrskenngrößen ermittelt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden extreme Kenngrößenwerte
bei der Bildung des Mittelwertes und der Standardabweichung nicht
berücksichtigt. Extremwerte
der Verkehrskenngröße, die
aus einer Störung
resultieren, gehen nicht in die Bildung von Mittelwert und Standardabweichung
ein, da diese deren Werte verfälschen
würden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bzw. werden als Verkehrskenngröße eine Verkehrsstärke und/oder
ein Belegungsgrad und/oder eine Geschwindigkeit an dem wenigstens
einen Messquerschnitt betrachtet. Hierdurch ist die Erfindung vor
allem für
die lokale Situations- bzw. Störfallerkennung an
einem Messquerschnitt anwendbar.
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In
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Messwerte von Fahrzeugdetektoren an wenigstens zwei den Streckenabschnitt
begrenzenden Messquerschnitten aufgenommen, und als Verkehrskenngröße eine
Geschwindigkeitsdichtedifferenz und/oder eine Geschwindigkeitsbelegungsdifferenz
betrachtet. Hierdurch ist die Erfindung vorzugsweise für die abschnittsbezogene
Situations- bzw. Störfallerkennung zwischen
zwei aufeinander folgenden Messquerschnitten anwendbar. In dieser
Anwendung ist von besonderem Vorteil, dass Unterschiede an den Messquerschnitten,
die durch den Einfluss von dynamischen Geschwindigkeitsbeschränkungen
hervorgerufen werden, automatisch berücksichtigt werden. Dies entspricht
einer automatischen Kalibrierung der Pa rameter der Verkehrskenngröße, beispielsweise der
mittleren freien Geschwindigkeit an den Messquerschnitten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Messwerte von Fahrzeugdetektoren an einer Vielzahl an Messquerschnitten
längs des
Streckenabschnittes aufgenommen, und als Verkehrskenngröße ein Verkehrsflussindikator
und/oder ein Geschwindigkeitsindikator betrachtet. Hierdurch ist
die Erfindung vorzugsweise für
die abschnittsbezogene Situations- bzw. Störfallerkennung auf Streckenabschnitten
mit einer Vielzahl an aufeinander folgenden Messquerschnitten anwendbar.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch einen Verkehrsrechner zur Erkennung eines Störfalles
auf einem Streckenabschnitt eines Straßennetzes, der mit einem Programmcode
versehen ist, welcher Steuerbefehle enthält, die den Verkehrsrechner
zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 veranlassen. Hierzu
weist der Verkehrsrechner entsprechend ausgebildete Datenverarbeitungsmittel,
Schnittstellen für
Datenein- und -ausgabe sowie eine Visualisierungseinheit zur Bedienung
und Beobachtung für
Bedienpersonal.
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Des
Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen maschinenlesbaren
Programmcode für
einen Verkehrsrechner, welcher Steuerbefehle enthält, die den
Verkehrsrechner zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 veranlassen.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten
maschinenlesbaren Programmcode gemäß Anspruch 11.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auf eine Anlage zur Beeinflussung des Verkehrs
auf einer Streckenabschnitt eines Straßennetzes, mit wenigstens einem
am Streckenabschnitt angeordneten, einen Messquerschnitt definierenden
Fahrzeugdetektor zur Aufnahme von Messwerten, mit mindestens einem
am Streckenabschnitt angeordneten, einen Anzeigequerschnitt definierenden
Zeichengeber zur Darstellung von Verkehrs- und/oder Wegweisungszeichen, und mit
einem mit dem wenigstens einen Fahrzeugdetektor und dem mindestens
einen Zeichengeber jeweils zur Datenübertragung verbundenen Verkehrsrechner
nach Anspruch 10, der dazu ausgebildet ist, nach Erkennung eines
Störfalles
auf der Streckenabschnitt ein entsprechendes Verkehrs- und/oder
Wegweisungszeichen auszuwählen
und den mindestens einen Zeichengeber zu dessen bzw. deren Darstellung
zu veranlassen.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel, in deren
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1 eine
erfindungsgemäße Streckenbeeinflussungsanlage,
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2 ein
Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitsdichtedifferenz
eines Streckenabschnittes mit Störfall,
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3 ein
Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Verkehrsfluss- und des Geschwindigkeitsindikators
eines Streckenabschnittes,
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4 ein
Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitsdichtedifferenz
eines Streckenabschnittes mit Störfall,
schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt
einen Streckenabschnitt s12 eines Straßennetzes,
beispielsweise eines Autobahn- oder Schnellstraßennetzes, mit Fahrzeugen F,
etwa Personen- und Lastkraftwagen, mit Bewegungsrichtung von rechts
nach links. Zur Beeinflussung des Fahrzeugverkehrs auf dem Streckenabschnitt
s12 weist eine erfindungsgemäße Anlage
zwei Messquerschnitte bildende, den Streckenabschnitt s12 begrenzende
Fahrzeugdetektoren 1 bzw. 2 auf. Die Fahrzeugdetektoren 1 bzw. 2 sind
beispielsweise als doppelte Induktionsschleifen je Fahrspur ausgebildet und
nehmen Messwerte von passierenden Fahrzeugen F auf. Aus den Messwerten
eines zeitlichen Messintervalls wird in einem Verkehrsrechner 3 der
Beeinflussungsanlage, der zur drahtlosen oder leitungsgebundenen
Datenübertragung
mit den Fahrzeugdetektoren 1 bzw. 2 verbunden
ist, jeweils der Wert einer Verkehrskenngröße berechnet, die zur Erkennung
eines Störfalles
auf dem Streckenabschnitt s12 herangezogen
wird. Hierzu wird der Kenngrößenwert jeweils
mit Schwellenwerten verglichen, deren Über- bzw. Unterschreitung einen
Alarm auslöst
und auf das Vorliegen eines Störfalles
hindeutet. Der Verkehrsrechner 3 zur Störfallerkennung ist mit einem Programmcode 4 versehen,
welcher Steuerbefehle enthält,
die den Verkehrsrechner 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
veranlassen. Der maschinenlesbare Programmcode 4 kann dem Verkehrsrechner 3 beispielsweise
mittels eines Speichermediums 5, etwa eines scheibenförmigen Datenträgers (engl.
Digital Versatile Disk), auf welchem der Programmcode 4 gespeichert
ist, zugeführt
werden. Der Verkehrsrechner 3 ist in einer Streckenstation,
einer Unterzentrale oder einer Autobahnzentrale angeordnet und mit
einem streckenseitigen, einen Anzeigequerschnitt definierenden Zeichengeber 6 verbunden.
Der Zeichengeber 6 ist als Wechselverkehrszeichen oder
als Wechselwegweiser ausgebildet und stellt je nach festgestellter
Verkehrslage ein geeignetes Verkehrszeichen, beispielsweise eine Geschwindigkeitsbeschränkung, oder
einen Wegweiser, beispielsweise eine Umleitungsempfehlung, dar.
Mittels des dargestellten Verkehrszeichen bzw. der Wegweisung wird
auf die Fahrzeugführer
steuernd Einfluss genommen, um geeignet auf eine erkannte Störung zu
reagieren.
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Ein
Beispiel für
eine zur abschnittsbezogenen Störfallanalyse
verwendete Verkehrskenngröße ist die
Geschwindigkeitsdichtedifferenz Δvk12 (vgl. hierzu 4), die
sich aus den aktuellen Geschwindigkeiten und Verkehrsdichten am
Ein- und Ausfahrtsmessquerschnitt des betrachteten Streckenabschnittes
s12 ergeben; zusätzlich gehen als Parameter
die mittlere freie Geschwindigkeit und die Fahrzeugdichte bei maximaler
Verkehrsstärke
auf dem Streckenabschnitt s12 in die Berechnung
ein. Zur Definition der Geschwindigkeitsdichtedifferenz Δvk12 wird auf MARZ 99 verwiesen. Alternativ
kann auch Geschwindigkeitsbelegungsdifferenz Δvb12 betrachtet
werden, falls die Verkehrsdichtewerte nicht, dafür aber die Belegungswerte der
Fahrzeugdetektoren 1 bzw. 2 vorliegen. Die Geschwindigkeitsbelegungsdifferenz Δvb12 ist eine um den Wert Null schwankende Größe, deren
Verlauf über
einen Tag in 2 dargestellt ist. In der dargestellten
Simulation schwanken die Kenngrößenwerte
zwischen +0,200 und –0,200, solange
keine Störung
vorliegt. Zwischen den Zeitintervallen t = 4 und t = 8 treten extrem
kleine Kenngrößenwerte
von bis zu –0,9
auf, was auf unterschiedliche Verkehrssituationen an den Messquerschnitten und
damit auf eine Verkehrsstörung
im Streckenabschnitt s12 schließen lässt. Unterschiedliche
Verkehrszustände
an den Messquerschnitten ergeben sich aufgrund von Instationaritäten oder
Störungen im
Verkehrsablauf, von Stauungen im Streckenabschnitt s12 oder
an den Messquerschnitten, von Unfällen oder Baustellen im Streckenabschnitt
s12, von unterschiedlichen, durch bauliche,
togologische oder verkehrsrechtliche Gegebenheiten verursachte Geschwindigkeiten
oder Verkehrsdichteniveaus, oder aufgrund einer fehlerhaften Parametrierung.
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Bei
der Analyse von Verkehrszuständen
werden auch andere Verkehrskenngrößen eingesetzt, welche ebenfalls
um den Wert Null schwanken und in entsprechender Weise auf Änderungen
des Verkehrszustandes reagieren. In 3 zeigt
die dunkle Linie den Verlauf des Verkehrsflussindikators Qnk und die helle Linie den des Geschwindigkeitsindikators Vnk. Diese Verkehrskenngrößen beziehen die kumulierten
Verkehrsstärken
bzw. Geschwindigkeiten der k letzten und vorletzten vor dem Messquerschnitt
n liegenden, aufeinander folgenden Messquerschnitten ein.
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Um
Aussagen über
den Zeitpunkt einer Störung
machen zu können,
müssen
Schwellenwerte definiert werden. Erfindungsgemäß werden nun nicht fest parametrierte
Schwellenwerte vorgegeben, sondern dynamisch adaptierte Schwellenwerte,
wie durch die gestreiften Linien in 4 dargestellt. 4 zeigt
ei nen oberen Schwellenwert to und einen unteren
Schwellenwert tu, der mit dem aktuellen
Verlauf der Geschwindigkeitsdichtedifferenz Δvk12 automatisch
anpasst. Da die Geschwindigkeitsdichtedifferenz Δvk12 um
den Wert Null schwankt, werden die Kenngrößenwerte in einem ersten Schritt
durch Addition eines Konstantwertes ins Positive verschoben. In einem
zweiten Schritt werden über
eine definierbare Anzahl an Messintervallen der Mittelwert und die Standardabweichung
der Verkehrskenngröße berechnet.
Dabei bleiben Extremwerte, die aus einer Störung herrühren, unberücksichtigt. Der Mittelwert wird
in einem dritten Schritt geglättet,
wobei der Glättungsfaktor
so niedrig zu wählen
ist, dass sowohl eine starke Glättung
als auch eine angemessene Reaktionszeit auf sich ändernde
Verkehrszustände, welche
ein anderes Niveau der Kenngrößenwerte bedingen,
erreicht wird. In einem vierten Schritt wird der geglättete Mittelwert
um den Konstantwert wieder vermindert. Die Schwellenwerte werden
nun in einem festen Schwellenabstand vom geglätteten Mittelwert definiert,
der sich aus der Summe der Standardabweichung und einer Sicherheitskonstanten
zusammensetzt.
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Somit
erhält
man dynamisch an das Verhalten der betrachteten Verkehrskenngröße angepasste Schwellenwerte,
wobei plötzliche
Störungen – etwa ein
Unfall –,
die eine Reaktion der Verkehrskenngröße bedingen, aufgrund der Trägheit der
Glättung
immer größer sind
als die geglätteten
Kenngrößenwerte
inklusive der Sicherheitskonstanten. Neben der Online-Anpassung
der Schwellenwerte an die Schwankungsbreite der Kenngrößenwerte
werden mit der Erfindung auch dynamische Geschwindigkeitsbeschränkungen
berücksichtigt.
Gemäß 4 ist
an einem der beiden Messquerschnitte die Geschwindigkeit gegen 20
Uhr auf 80 km/h beschränkt worden,
was zu einer Verschiebung der Kenngrößenwerte nach unten führt. Erfindungsgemäß werden
die Schwellenwerte automatisch an diese Verschiebung angepasst,
was ansonsten durch eine manuelle Veränderung der Parameter in der
Geschwindigkeitsdichtedifferenz Δvk12 berücksichtigt
werden müsste.