DE102009033431A1

DE102009033431A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage

Info

Publication number: DE102009033431A1
Application number: DE200910033431
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Wagner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: DE102009033431B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung (1, 1', 1'', 1''') zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steuereinheit (3) Phasen der Signalanlage (2) auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit (d) mindestens eines Fahrzeugs (5) steuert sowie Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrssteuerung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage, insbesondere einer Lichtsignalanlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verkehrssteuerung.
Zur Steuerung eines Verkehrsflusses von beispielsweise Fahrzeugen auf einer Straße werden u. a. Signalanlagen wie z. B. Ampeln eingesetzt. Das Steuern des Verkehrsflusses wird dabei über eine Steuerung von Phasen der Signalanlage erreicht. Beispielsweise können dabei der Umschaltzeitpunkt bzw. die Länge einer Rot-, Gelb- und/oder Grünphasen der Signalanlage gesteuert werden.
Die Verfahren zur Steuerung von Signalanlagen lassen sich dabei in drei Generationen einteilen. Verfahren der ersten Generation sind die so genannten Festzeitsteuerungen. Dabei wird die Signalanlage nach einem vorbestimmten Plan gesteuert, nach welchem die verschiedenen Phasen abgearbeitet werden. Diese Festzeitsteuerungen sind sehr robust, jedoch nicht flexibel. In der Praxis werden daher an einer Signalanlage meist mehrere Pläne vorgehalten. Diese sind beispielsweise an verschiedene Verkehrssituationen angepasst, wobei sich die Verkehrssituationen typischerweise an der Tageszeit orientieren.
Verfahren der zweiten Generation sind die so genannten verkehrsadaptiven oder dynamischen Steuerungen der Signalanlage. Die dynamischen Verfahren sind der Festzeitsteuerung deutlich überlegen, was ihre Effizienz bezüglich der so genannten Verlust- oder Wartezeit von Fahrzeugen im Zulauf der Signalanlage angeht. Die Verlustzeit bezeichnet dabei die Zeit, die ein Fahrzeug an einer Signalanlage gegenüber einem Idealfall verliert, wobei das Fahrzeug im Idealfall die Signalanlage ohne Geschwindigkeitsreduktion passieren kann. Dynamische Verfahren basieren zumeist auf Grundlage von Messgrößen, die über lokale Detektoren, z. B. über eine Induktionsschleife, einer Signalanlage erfasst werden. Ein weit verbreitetes Verfahren zur dynamischen Steuerung von Signalanlagen ist die so genannte Zeitlückensteuerung. Diese entscheidet anhand weniger, möglichst einfach zu erhebender Messgrößen, ob eine aktuelle Phase der Signalanlage verlängert wird oder ob eine neue Phase geschaltet wird. Die Messgröße ist dabei die aktuelle Zeitlücke, wobei die aktuelle Zeitlücke die Zeit bezeichnet, die seit der letzten Passage eines Fahrzeugdetektors durch ein Fahrzeug verstrichen ist. Wenn die Zeitlücke bzw. die verstrichene Zeit größer ist als eine kritische Zeitlücke, kann die aktuell laufende Phase abgebrochen werden und die Signalanlage wechselt in die nächste Phase. Auf diese Weise kann auf relativ einfache Weise die Steuerung beispielsweise der Grünphase auf Basis der aktuellen Verkehrslage erfolgen. Zusätzlich ist auch eine Auswertung der Belegung eines lokalen Detektors der Signalanlage möglich, wobei die Zeit, die sich Fahrzeuge über dem lokalen Detektor befunden haben, ausgewertet wird. Hierbei erfolgt also eine Steuerung der Signalanlage auf Basis der Zeitlücke und weiteren Daten zur Fahrzeugbelegung des Zulaufs der Signalanlage.
Die DE 10 2004 002 808 A1 offenbart ein Verkehrssteuerungssystem zum Steuern eines Verkehrsflusses von Fahrzeugen auf einer Straße mittels zumindest einer Signalanlage, wobei das Verkehrssteuerungssystem einen Verkehrsrechner zum Steuern der Signalanlage und einen Fahrzeugdetektor zum Detektieren eines Fahrzeugs auf der Straße, zum Zählen von Fahrzeugen oder zum Bestimmen der Anzahl von Fahrzeugen in einem Streckenabschnitt aufweist, wobei dem Verkehrssteuerungssystem ein Beobachtungsfahrzeug zur Übermittlung seiner Position auf der Straße an den Verkehrsrechner zugeordnet ist. Hierbei überträgt das Beobachtungsfahrzeug auch die Stillstandszeit des Beobachtungsfahrzeugs zwischen zwei Signalanlagen an den Verkehrsrechner. Die Signalanlage ist dabei u. a. in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und/oder der Stillstandszeit des Beobachtungsfahrzeugs steuerbar.
Die DE 100 22 812 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Verkehrslage auf der Basis von Verkehrsdaten, die durch sich im Verkehr mitbewegende Meldefahrzeuge gewonnen werden, für ein Verkehrsnetz mit verkehrsgeregelten Netzknoten und diese verbindenden Streckenkanten, wobei für die Reisezeiten auf den Streckenkanten indikative Verkehrsdaten durch die sich im Verkehr mitbewegenden Meldefahrzeuge gewonnen werden. Dabei wird u. a. auch die mittlere Wartezeit in einer Netzknoten-Warteschlange der jeweiligen Streckenkante und/oder die mittlere Dichte von Fahrzeugen auf der jeweiligen Streckenkante zwischen dem Streckenkantenanfang und dem Warteschlangenanfang bestimmt. Die Gewinnung von Verkehrsdaten durch sich im Verkehr mitbewegende Meldefahrzeuge wird dabei auch als die Gewinnung von Verkehrsdaten aus so genannten FCD (Floating-Car-Data) beschrieben.
Die EP 1 628 274 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln von Verkehrsinformationen in einem Straßennetz mit mindestens einer Straßenkreuzung, an welcher der Verkehrsfluss mittels einer Lichtsignalanlage geregelt wird, die ein Steuergerät zum Anschalten von Lichtzeichen darstellenden Signalgebern aufweist, wobei mit dem Verkehrsfluss korrelierende Verkehrsdaten erfasst und daraus Verkehrsinformationen, insbesondere eine Verkehrsnachfrage, für zumindest einen Teil des Straßennetzes, ermittelt werden. Dazu übertragen Fahrzeuge einer Stichprobenflotte, wenn sie sich der Straßenkreuzung nähern, fahrzeugspezifische Verkehrsdaten über eine lokale, um die Straßenkreuzung begrenzte, drahtlose Übertragung an das Steuergerät der Lichtsignalanlage. Weiter wird offenbart, dass als fahrzeugspezifische Verkehrsdaten die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs übertragen wird. Auch wird beschrieben, dass die sich im Verkehr mitbewegenden Meldefahrzeuge einer Stichprobenflotte als so genannte ”Floating Cars” bezeichnet werden.
Die EP 1 916 643 A1 offenbart ein Verfahren zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage an einem Verkehrsknotenpunkt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

1. Übertragen von knotenpunktspezifischen Geoinformationen von der Signalanlage an ein Fahrzeug, wenn das Fahrzeug den Bereich der Signalanlage erreicht,
2. Berechnen von Verkehrskenngrößen, basierend auf den empfangenen Geoinformationen in dem Fahrzeug,
3. Übertragen der berechneten Verkehrskenngröße von dem Fahrzeug an die Signalanlage, bevor das Fahrzeug den Bereich der Signalanlage verlässt und
4. Steuern der Signalanlage, basierend auf den empfangenen Verkehrskenngrößen.

Verkehrskenngrößen können z. B. aggregierte bzw. gemittelte Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitswerte, Wartezeiten, die Anzahl von Halten, die Zeitdauer von Halten, Haltepositionen, Fahrprofil der gesamten Route, Sättigungsabfluss, Rückstauende bzw. -länge usw. umfassen.
Verfahren der zweiten Generation nutzen auch stochastische Schwankungen im Verkehrsablauf, die beispielsweise durch Nachfrageschwankungen, unterschiedliche Reaktionszeiten und unterschiedlichen Fahrzeuglängen entstehen, zu einer Verbesserung des Verkehrsablaufes. Falls die Nachfrage an der betreffenden Kreuzung ihren Sättigungspunkt erreicht, wird aus der dynamischen Steuerung automatisch eine Festzeitsteuerung.
Verfahren der dritten Generation steuern die Signalanlage nicht auf Basis lokaler Informationen, sondern auf Basis von Informationen über einen gesamten Strom von Fahrzeugen. Hierbei wird versucht, eine optimale Schaltsequenz zwischen den Phasen zu ermitteln, die den Verkehrsfluss optimiert. Solche Verfahren versprechen theoretisch hohe Effizienzgewinne, erweisen sich in der Praxis jedoch oft als nicht oder nur schwierig realisierbar. Dies liegt u. a. daran, dass adaptive Verfahren eine Prognose der Zukunft (zumindest der nächsten Minuten) benötigen, die meist einen Fehler in die Steuerung einbringt oder die Gewinne der Steuerung zumindest reduziert.
Daher werden vorzugsweise dynamische Steuerungen von Signalanlagen eingesetzt, die einerseits eine robuste Funktionsfähigkeit und andererseits Effizienzvorteile gegenüber den Festzeitsteuerungen aufweisen. Dabei ist insbesondere die Zeitlückensteuerung ein etabliertes Verfahren, um Verlust- bzw. Wartezeiten von Fahrzeugen an Signalanlagen zu minimieren. Trotz den Effizienzvorteilen, die die zeitlückenbasierte Steuerung gegenüber einer Festzeitsteuerung aufweist, ist es weiter wünschenswert, die Verlust- bzw. Wartezeit von Fahrzeugen an Signalanlagen weiter zu minimieren.
Ein Ansatz für eine alternative bzw. verbesserte Steuerung von Signalanlagen ist die Nutzung der Verlust- bzw. Wartezeiten der Fahrzeuge zur Steuerung der Signalanlage. Da genau diese Verlust- bzw. Wartezeiten minimiert werden sollen, stellen diese im Prinzip eine ideale Steuergröße für die Signalanlage dar.
Es stellt sich daher das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage zu schaffen, welches die Phasen einer Signalanlage direkt auf Grundlage von Verlustzeiten steuert. Das Verfahren soll dabei einerseits die genannten Verlustzeiten minimieren und weiterhin eine robuste Funktionsfähigkeit aufweisen. Weiter stellt sich das technische Problem, eine Signalanlage zu schaffen, deren Phasen auf Grundlage der Verlustzeiten gesteuert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einem Verfahren zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage steuert mindestens eine Steuereinheit Phasen der Signalanlage auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit mindestens eines Fahrzeugs. Die Signalanlage kann dabei eine Lichtsignalanlage, beispielsweise eine Ampel, sein. Durch das offenbarte Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die zu minimierende Verlust- bzw. Wartezeit des Fahrzeugs direkt zur Steuerung der Signalanlage verwendet wird. Es ist dabei unerheblich, aus welcher Quelle die Verlustzeiten der Fahrzeuge an das Steuergerät übermittelt werden. Da die Verlustzeit eines Fahrzeugs auf unterschiedliche Weise bestimmt werden kann, ist das offenbarte Verfahren unabhängig von lokalen Detektoren, welche beispielsweise zur Erfassung einer Zeitlücke benötigt werden. Durch die Möglichkeit, die Verlustzeit auf unterschiedliche Weise zu bestimmen, ermöglicht das offenbarte Verfahren weiterhin eine preiswertere Ausstattung oder Nachrüstung von Signalanlagen mit einer dynamischen Steuerung. Somit können dynamische Steuerungen von Signalanlagen in größerem Maßstab in der Praxis verwendet werden, was beispielsweise auch zu Einsparungen beim Energieverbrauch bzw. bei der CO₂-Emission von Fahrzeugen führt.
Dabei ist denkbar, dass die Steuerung der Signalanlage nicht nur auf Grundlage der Verlustzeit eines Fahrzeugs, sondern auf Grundlage der Verlustzeiten mehrerer Fahrzeuge basiert. Unter Fahrzeugen sind dabei Fahrzeuge zu verstehen, die sich im Zulauf der Signalanlage, also im Streckenabschnitt vor der Signalanlage, befinden oder die Signalanlage passieren.
Wenn das Steuergerät der Signalanlage statt z. B. Zeitlückeninformationen die aktuellen Verlustzeiten der sie passierenden bzw. der sich im Zulauf der Signalanlage befindenden Fahrzeuge als Eingangsgrößen erhält, funktioniert die offenbarte Steuerung der Signalanlage wie folgt. Solange die Verlustzeiten, die als Eingangsgrößen an die Steuereinheit übermittelt werden, positiv sind, wird beispielsweise eine aktuelle Grünphase der Signalanlage nicht abgebrochen, es sei denn, eine maximal vorgegebene Grünphasendauer ist erreicht. Wenn die der Steuereinheit zur Verfügung gestellten Verlustzeiten den Wert 0 oder einen vorbestimmten kleinen Wert unterschreiten, dann hat sich ein im Zulauf der Signalanlage gebildeter Rückstau aufgelöst. Das Steuergerät kann also die aktuelle Phase abbrechen und in eine nächste Phase schalten. Die Bestimmung des vorbestimmten sehr kleinen Werts kann in der Praxis durch eine Kalibrierung mit Hilfe zur Verfügung stehenden Daten ermittelt werden. Zusätzlich ist vorstellbar, dass in dem Verfahren zur dynamischen Steuerung eine minimale Phasendauer eingehalten wird.
Das offenbarte Verfahren ermöglicht also, die Verlustzeiten der Fahrzeuge direkt für eine dynamische Steuerung verwendbar zu machen. Die Steuerung selbst ist dabei von ihrer Komplexität her genauso einfach wie bisher verwendete Zeitlückensteuerungen und kann daher einfach in entsprechend ausgestattete aktuelle und zukünftige Steuergeräte implementiert werden.
Darüber hinaus erreicht das offenbarte Verfahren eine ähnliche oder verbesserte Reduktion der Verlustzeiten gegenüber Festzeitsteuerungen wie die konventionelle Zeitlückensteuerung.
In einer weiteren Ausführungsform übermittelt das mindestens eine Fahrzeug die mindestens eine Verlustzeit direkt an die Steuereinheit und/oder weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen an mindestens eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen, wobei die mindestens eine Auswerteeinheit die mindestens eine Verlustzeit aus den weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt und an die Steuereinheit übermittelt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass Verlustzeiten direkt oder indirekt aus vom Fahrzeug übermittelten Daten gewonnen werden können. Die Übermittlung von Fahrzeugdaten geschieht dabei mittels einer Kommunikationsstruktur zwischen Fahrzeug und der Signalanlage, beispielsweise über eine drahtlose Kommunikation. Bei der direkten Übermittlung von Verlustzeiten an die Steuereinheit können auch weitere Daten direkt vom Fahrzeug an die Auswerteeinheit übertragen werden.
Die weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen umfassen dabei Werte, aus denen sich die Verlustzeit des Fahrzeugs bestimmen lässt. Beispielsweise umfassen diese Werte aggregierte bzw. gemittelte Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitswerte, die aktuelle Fahrzeugposition usw.
In einer weiteren Ausführungsform erfasst eine Einheit zur Verkehrslageerfassung Daten zur Verkehrslage und mindestens eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Verkehrslage ermittelt die mindestens eine Verlustzeit des mindestens einen Fahrzeugs aus den Daten zur Verkehrslage und übermittelt diese an die Steuereinheit. Hiermit wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass keine Kommunikationsstruktur zwischen Fahrzeug und Signalanlage benötigt wird, um die Verlustzeiten zu erfassen. Es ist vorstellbar, dass die Einheit zur Verkehrsiagenerfassung als lokaler Detektor der Signalanlage ausgebildet ist, wie sie z. B. auch in der Zeitlückensteuerung verwendet werden. Solch lokale Verkehrsdetektoren umfassen beispielsweise Induktionsschleifen, Radargeräte oder Infrarotsensoren.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Daten zur Verkehrslage videobasiert erfasst. Dabei dient vorzugsweise eine Videokamera zur Erfassung der Verkehrslage. Die Daten, die sich aus einer videobasierten Verkehrslagenerfassung ergeben, enthalten Informationen beispielsweise über die Geschwindigkeit eines jeden Fahrzeugs im Sichtbereich der Kamera. Daraus ist es möglich, zu jedem Zeitpunkt eine Verlustzeit des Fahrzeugs zu bestimmen. Beispielsweise kann eine aktuelle Verlustzeit pro Fahrzeug durch d_i = Δt(1 – v_i(t)/v_max) Formel 1 berechnet werden. Dabei bezeichnet Δt den Zeitschritt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, v_i die aktuelle Geschwindigkeit und v_max eine vorbestimmte Maximalgeschwindigkeit. Eine kumulierte Verlustzeit d_ges aller Fahrzeuge ergibt sich durch die Summe der Verlustzeiten pro Fahrzeug. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit können dabei optische Methoden der Bild- und Signalverarbeitung angewandt werden.
Alternativ zur videobasierten Verkehrslagenerfassung ist es auch vorstellbar, die Verlustzeit mit Hilfe einer Kennzeichenerfassung zu berechnen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die mindestens eine Verlustzeit von einer zentralen Auswerteeinheit an die Steuereinheit übermittelt, wobei die zentrale Auswerteeinheit die mindestens eine Verlustzeit weiterleitet und/oder aus weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt, wobei die mindestens eine Verlustzeit und/oder weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen von dem mindestens einen Fahrzeug an die zentrale Auswerteeinheit übermittelt werden. Hiermit wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Verlustzeit durch Floating-Car-Daten bzw. die Auswertung von Floating-Car-Daten an die Steuereinheit übermittelt wird. Hierbei bezeichnet die zentrale Auswerteeinheit eine Floating-Car-Data-Zentrale, an die die Verlustzeiten und/oder weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen von im Verkehrsfluss befindlichen Fahrzeugen (Floating Cars) übermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform steuert die Steuereinheit die Phasen auf Grundlage von minimalen und/oder maximalen Phasendauern und/oder dem Zeitabstand zwischen übermittelten Verlustzeiten. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die dynamische Steuerung der Signalanlage durch eine Festzeitsteuerung ergänzt werden kann, beispielsweise wenn eine Sättigungsgrenze der dynamischen Steuerung erreicht ist.
Eine Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage umfasst mindestens eine Steuereinheit, wobei die mindestens eine Steuereinheit Phasen der Signalanlage auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit mindestens eines Fahrzeugs steuert.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Steuerung eine Empfangseinrichtung. Die Empfangseinrichtung kann dabei beispielsweise eine Empfangseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation zwischen Fahrzeug und Signalanlage sein, wobei das Fahrzeug eine entsprechende Sendeeinrichtung aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen, die mindestens eine Verlustzeit aus weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt und an die Steuereinheit übermittelt. Dabei ist es vorstellbar, dass die Auswerteeinheit in die Steuereinheit integriert ist.
In einem Verfahren zur Verkehrssteuerung mittels mindestens einer Signalanlage steuert mindestens eine Steuereinheit Phasen der mindestens einen Signalanlage auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit mindestens eines Fahrzeugs. Dabei ist vorstellbar, dass bei einer mehrspurigen Straße der Verkehrsfluss von einer Signalanlage gesteuert wird, wobei die Signalanlage Verlustzeiten aller Fahrspuren auswertet. Alternativ ist vorstellbar, dass die Signalanlage nur auf Grundlage von Verlustzeiten der jeweiligen Fahrspur geregelt wird.
Die Erfindung wird anhand von vier Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3 schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
4 schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
5 Prinzipskizze einer untersuchten Kreuzung,
6 Ablaufplan der dynamischen Steuerung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
7 Ablaufplan der dynamischen Steuerung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels,
8 Ablaufplan der dynamischen Steuerung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels und
9 Ergebnisse der dynamischen Steuerung.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Steuerung einer Signalanlage 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 zur Steuerung einer Signalanlage 2 umfasst dabei eine Steuereinheit 3 und eine Empfangseinrichtung 4. Die Signalanlage 2 ist dabei datentechnisch mit der Steuereinheit 3 und die Steuereinheit 3 ist datentechnisch mit der Empfangseinrichtung 4 verbunden. Die Signalanlage 2 kann eine Lichtsignalanlage, beispielsweise eine Ampel, sein, die über die Lichtsignale Rot, Gelb und Grün verfügt. Die Lichtsignale werden in einer Grünphase bzw. einer Gelbphase bzw. einer Rotphase angezeigt. Die Steuereinheit 3 steuert dabei die Phasen bzw. die Phasendauer der Lichtsignale der Signalanlage 2. Weiterhin zeigt 1 ein Fahrzeug 5 und eine Sendeeinrichtung 6 des Fahrzeugs 5. Die Sendeeinrichtung 6 sendet Daten des Fahrzeugs 5 an die Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 empfängt die gesendeten Daten über die Empfangseinrichtung 4. In 1 ist ein Kommunikationskanal zwischen der Empfangseinrichtung 4 und der Sendeeinrichtung 6 als gestrichelte Linie dargestellt. Diese kann beispielsweise als drahtloser Kommunikationskanal ausgebildet sein. Das Fahrzeug 5 sendet über die Sendeeinrichtung 6 z. B. eine Verlustzeit des Fahrzeugs 5, die z. B. über die Auswertung von Fahrzeugsensoren, z. B. eines Geschwindigkeitssensors und/oder eines Beschleunigungssensors, im Fahrzeug bestimmt wird. In dieser Ausführungsform übermittelt die Empfangseinrichtung 4 die Verlustzeiten des Fahrzeugs 5 direkt an die Steuereinheit 3. Die Steuereinheit 3 führt dann ein Verfahren zur Steuerung der Signalanlage 2 aus, welches später näher beschrieben wird.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform als Vorrichtung 1' zur Steuerung der Signalanlage 2. Dabei umfasst die Vorrichtung 1' die Steuereinheit 3, eine Auswerteeinheit 7 und die Empfangseinrichtung 4. Das Fahrzeug 5 sendet über die Sendeeinrichtung 6 weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen an die Empfangseinrichtung 4. Die Empfangseinrichtung 4 übermittelt diese Daten an die Auswerteeinheit 7 zur Auswertung von Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen. Aus diesen Größen ermittelt die Auswerteeinheit 7 die Verlustzeit des Fahrzeugs 5 und übermittelt diese an die Steuereinheit 3, die auf Grundlage der Verlustzeit eine Steuerung der Signalanlage 2 durchführt.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in 3 dargestellt. Dabei ist, im Unterschied zu 1 und 2, keine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug 5 und der Vorrichtung 1 bzw. 1' notwendig. Die Vorrichtung 1'', die in 3 dargestellt ist, umfasst die Steuereinheit 3, eine Auswerteeinheit 8 zur Auswertung der Verkehrslage und eine Einheit 9 zur Verkehrslagenerfassung. In bevorzugter Weise ist die Einheit 9 zur Verkehrslagenerfassung eine Kamera. Die Kamera nimmt dabei Bilder vom Zulauf der Signalanlage 2 auf. Aus den aufgenommenen Bildern bestimmt die Auswerteeinheit 8 die Verlustzeiten von Fahrzeugen im Zulauf der Signalanlage 2 und übermittelt diese an die Steuereinheit 3. Dabei bedient sich die Auswerteeinheit 8 z. B. bekannter Methoden der Bildverarbeitung, insbesondere der Bildfilterung, der Bildsegmentierung und der Objektklassifikation. Die Verlustzeit wird dabei aus einer Sequenz von mindestens zwei Bildern der Kamera ermittelt, die mit einer Zeitdifferenz Δt aufgenommen werden. Hierbei kann für jedes der beiden Bilder in einem ersten Schritt eine Bildfilterung beispielsweise zur Reduktion eines Bildrauschens durchgeführt werden. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Objekterkennung bzw. Segmentierung von Fahrzeugen im Blickfeld der Kamera. In einem dritten Schritt erfolgt eine Klassifikation der erkannten Fahrzeuge, wodurch ein Fahrzeug, welches in dem ersten Bild erkannt wurde, im zweiten Bild identifiziert wird. Über die Zeitdifferenz Δt und eine Wegstreckenbestimmung aus der Bewegung des Fahrzeugs im Zeitraum Δt zwischen den beiden Bildern, kann eine Geschwindigkeitsbestimmung des Fahrzeugs durchgeführt werden. Hierzu ist eine Kalibration der Kamera notwendig, um Objekt- bzw. Fahrzeugverschiebungen im Bild zu einem zurückgelegten Weg des Fahrzeugs in Beziehung zu setzen. Somit lässt sich die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs v_i bestimmen. Die Verlustzeit d_i des Fahrzeugs wird dann gemäß Formel 1 berechnet. Eine kumulierte Verlustzeit d_ges lässt sich als Summe aller Verlustzeiten der einzelnen Fahrzeugen berechnen.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Dabei umfasst eine Vorrichtung 1''' die Steuereinheit 3 und die Empfangseinrichtung 4. Ein Fahrzeug 5 sendet über eine Sendeeinrichtung 6 Daten an eine zentrale Auswerteeinheit 10. Weiter sendet ein weiteres Fahrzeug 5' über eine weitere Sendeeinrichtung 6' ebenfalls Daten an die zentrale Auswerteeinheit 10. Die Fahrzeuge 5, 5' können dabei beispielsweise so genannte Floating Cars sein, die so genannte Floating-Car-Data an die zentrale Auswerteinheit 10 bzw. die Floating-Car-Data-Zentrale senden. Die zentrale Auswerteeinheit 10 sendet die von den Fahrzeugen 5, 5' übermittelten Daten an die Empfangseinrichtung 4 der Vorrichtung 1'''. Sind die von den Fahrzeugen 5, 5' gesendeten Daten die Verlustzeiten der Fahrzeuge 5, 5', so führt die Steuereinheit 3 eine Steuerung der Signalanlage 2 auf Basis dieser Verlustzeiten durch. Ebenfalls ist vorstellbar, dass die zentrale Auswerteeinheit 10 die Verlustzeiten der Fahrzeuge 5, 5' aus weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt, wobei die weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen über die Sendeeinrichtungen 6, 6' an die zentrale Auswerteeinheit 10 gesendet werden.
In jedem der vier Ausführungsformen steuert die Steuereinheit 3 die Phasen bzw. die Phasendauer der Signalanlage 2 auf Grundlage der Verlustzeiten mindestens des Fahrzeugs 5. Das Verfahren zur Steuerung der Signalanlage 2 wird mit Hilfe eines Simulationsmodells demonstriert. Das Simulationsmodell ist dabei in 5 dargestellt. Hierbei wird eine Kreuzung betrachtet, an der vier Verkehrsströme fließen. Die vier Verkehrsströme sind dabei in einen Haupt- und einen Nebenstrom unterteilt. Der Hauptstrom hat in beide Richtungen die gleiche Stromstärke q1, der Nebenstrom hat in beide Stromrichtungen die Stromstärke q2. Eine typische Festzeitsteuerung an einer solchen Kreuzung wird dann so ausgelegt, dass sie für eine zu erwartende mittlere Verkehrsstärke (Stromstärke q1, Stromstärke q2) eine bestmögliche Reduktion der Verlustzeiten der Fahrzeuge der Verkehrsströme bereitstellt. Eine solche Festzeitsteuerung lässt sich beispielsweise mit Hilfe einfacher Beziehungen für die Bemessung von Straßen- und Verkehrsanlagen parametrieren.
Ein wesentlicher Vorteil des offenbarten Verfahrens zur Steuerung der Signalanlage 2 im Vergleich zur Festzeitsteuerung ist, dass es sich zum einen an die Änderung in den Stromstärken q1, q2 anpassen kann, zum anderen aber auch, dass es sich die natürlichen Schwankungen im Verkehrsablauf zu nutze macht. Somit ist das offenbarte Verfahren zur Steuerung auch einer optimal eingestellten Festzeitsteuerung überlegen, wenn es darum geht, die Summe der Verlustzeiten aller Fahrzeuge im Zulauf der Signalanlage 2 zu minimieren. Wie groß dieser Vorteil ist, hängt dabei von den Stromstärken q1, q2 ab. Bei geringen Stromstärken ist naturgemäß mit Hilfe des offenbarten Verfahrens keine bedeutsame Reduktion im Vergleich zur Festzeitsteuerung zu erreichen. Ähnliches gilt bei sehr hohen Stromstärken q1, q2, weil das offenbarte Verfahren dann an eine Kapazitätsgrenze stößt. Jedoch wird im Bereich zwischen sehr kleinen und sehr großen Stromstärken q1, q2 eine verbesserte Reduktion der Verlustzeiten der Fahrzeuge erreicht.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Steuerung der Signalanlage 2 entsprechend der in 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. 6 zeigt dabei ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Signalanlage 2, wie es z. B. durch die Steuereinheit 3 im ersten Ausführungsbeispiel (1) durchgeführt wird. Dabei führt die Steuereinheit 3 folgende Schritte aus: In einem ersten Schritt 11 überprüft die Steuereinheit 3, ob eine aktuelle Phasendauer, beispielsweise eine Dauer einer Grünphase g kleiner ist als eine minimale Phasendauer, beispielsweise eine minimale Dauer der Grünphase g_min. Ist dies der Fall, so verbleibt die Signalanlage 2 in der Grünphase. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem zweiten Schritt 12 überprüft, ob die aktuelle Grünphasendauer g größer ist als eine maximale Grünphasendauer g_max. Ist dies der Fall, so wechselt die Steuereinheit 3 in eine nächste Phase 13 und steuert die Signalanlage 2 dementsprechend. Ist die aktuelle Grünphasendauer g kleiner als die maximale Grünphasendauer g_max, so prüft die Steuereinheit 3 in einem Schritt 14, ob eine Verlustzeit d_i eines Fahrzeugs, welches die Signalanlage 2 gerade passiert, kleiner ist als eine vorbestimmte minimale Verlustzeit d_min. Ist dies der Fall, so wird ebenfalls ein Wechsel zur nächsten Phase 13 eingeleitet. Ist dies nicht der Fall, so prüft die Steuereinheit 3 in einem vierten Schritt 15, ob eine Aktivitätszeit T größer ist als eine maximale Aktivitätszeit T_max. Die Aktivitätszeit T bezeichnet dabei eine Zeit, die vergangen ist, seitdem ein letztes Fahrzeug eine Nachricht an die Empfangseinrichtung 4 der Vorrichtung 1 gesendet hat. Ist dies der Fall, so wird ein Wechsel zur nächsten Phase 13 eingeleitet. Ist dies nicht der Fall, so springt die Steuereinheit zum ersten Schritt 11. Der erste Schritt 11 und der zweite Schritt 12 stellen dabei eine Kombination des Verfahrens zur Steuerung der Signalanlage 2 mit einer Festzeitsteuerung dar. Es ist auch vorstellbar, das Verfahren auf die ersten beiden Schritte 11, 12 zu beschränken, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Fahrzeugen, die die Signalanlage 2 passieren, überschritten wird, womit die Signalanlage 2 an ihre Kapazitätsgrenze gerät.
7 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Steuerung der Signalanlage 2, wie es beispielsweise in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. Analog zu 6 erfolgt in dem ersten Schritt 11 und dem zweiten Schritt 12 eine Überprüfung der aktuellen Grünphasendauer g hinsichtlich der minimalen bzw. maximalen Grünphasendauer g_min, g_max. In einem dritten Schritt 16 wird die Anzahl n der z. B. mittels einer Kamera detektierten Fahrzeuge überprüft. Ist diese gleich 0, so wird ein Wechsel in die nächste Phase 13 eingeleitet. Ist diese größer als 0, so wird in einem vierten Schritt 17 eine Durchschnittsgeschwindigkeit v aller Fahrzeuge überprüft. Ist die Durchschnittsgeschwindigkeit v größer als ein vorbestimmter Geschwindigkeitswert v_crit, so wird ein Wechsel zur nächsten Phase 13 eingeleitet. Ist die Durchschnittsgeschwindigkeit v kleiner als der vorbestimmte Geschwindigkeitswert v_crit, so geht die Steuereinheit 3 zum ersten Schritt 11 über.
In 8 ist ein schematischer Ablaufplan des Verfahrens zur Steuerung der Signalanlage 2 dargestellt, wie es z. B. im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. Die ersten beiden Schritte 11, 12 sind dabei analog zu 6 und 7. Wie in 7 wird im dritten Schritt 18 überprüft, ob die Anzahl der Fahrzeuge, die sich im Zulauf der Signalanlage 2 befinden, gleich 0 ist. Ist dies der Fall, so wird ein Wechsel in die nächste Phase 13 eingeleitet. In einem vierten Schritt 19 werden die Verlustzeiten d_i aller Fahrzeuge im Zulauf hinsichtlich einer vorbestimmten minimalen Verlustzeit d_min überprüft.
Sind diese Verlustzeiten d_i kleiner als die vorbestimmte minimale Verlustzeit d_min, so wird ein Wechsel in die nächste Phase 13 eingeleitet. Ist dies nicht der Fall, so geht die Steuereinheit 3 in den ersten Schritt 11 über.
Die in 6, 7 und 8 dargestellten Verfahren werden hinsichtlich zur Untersuchung ihres Gewinns gegenüber einer Festzeitsteuerung in einem mikroskopischen Simulationsmodell gemäß 5 implementiert und für 24 verschiedene Verkehrsstärken bzw. Stromstärken q1, q2 simuliert. Um einen Vergleich zwischen Festzeitsteuerung und den dargestellten Verfahren zu ermöglichen, wird hier eine symmetrische Verkehrsstärke q1 = q2 angenommen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine solche symmetrische Verteilung in der Praxis selten vorkommt und daher eventuelle Modifikationen an den dargestellten Verfahren vorgenommen werden müssen. Für jedes der drei dargestellten Verfahren wird eine Simulation über 100.000 s durchgeführt, wobei die Verlustzeiten aus einer Festzeitsteuerung, einer Zeitlückensteuerung und des jeweiligen Verfahrens verglichen werden. Aus der Simulation wird die Verteilung der Verlustzeiten bestimmt und hieraus der Mittelwert der Verlustzeiten. 9 zeigt das Ergebnis der Simulation, wobei auf der Ordinate eine Verbesserung gegenüber einer Festzeitsteuerung in Prozent und auf der Abszisse eine Verkehrsstärke in Fahrzeugen pro Stunde dargestellt ist. Dabei zeigen die Balken 20 die prozentuale Reduktion der Verlustzeit bei einer Zeitlückensteuerung, die Balken 21 die Reduktion gemäß des in 6 dargestellten Verfahrens, die Balken 22 die Reduktion der Verlustzeit gemäß des in 7 dargestellten Verfahrens und die Balken 23 die Reduktion der Verlustzeiten gemäß des in 8 dargestellten Verfahrens. In allen Fällen sind die erfindungsgemäßen Verfahren der Festzeitsteuerung deutlich überlegen, mit Reduktionen der Verlustzeiten zwischen 10% und 50%. Insbesondere ist auch zu erkennen, dass für Verkehrsstärken größer/gleich 468 Fahrzeugen pro Stunde insbesondere das in 7 offenbarte Verfahren deutlich bessere Ergebnisse herbeiführt als die Zeitlückensteuerung. Ebenfalls weisen die in 6 und 8 offenbarten Verfahren für größere Verkehrsstärken eine ähnliche oder bessere Reduktion der Verlustzeiten als die Zeitlückensteuerung auf.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage
1': Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage
1'': Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage
1''': Vorrichtung zur Steuerung einer Signalanlage
2: Signalanlage
3: Steuereinheit
4: Empfangseinrichtung
5: Fahrzeug
5': weiteres Fahrzeug
6: Sendeeinrichtung
6': weitere Sendeeinrichtung
7: Auswerteeinheit
8: Auswerteeinheit
9: Einheit zur Verkehrslagenerfassung
10: Zentrale Auswerteeinheit
11: Erster Schritt
12: Zweiter Schritt
13: Nächste Phase
14: Dritter Schritt
15: Vierter Schritt
16: Dritter Schritt
17: Vierter Schritt
18: Dritter Schritt
19: Vierter Schritt
20: Prozentuale Reduktion der Verlustzeit
21: Prozentuale Reduktion der Verlustzeit
22: Prozentuale Reduktion der Verlustzeit
23: Prozentuale Reduktion der Verlustzeit
q1: Stromstärke
q2: Stromstärke
g: Grünphasendauer
gmin: minimale Grünphasendauer
gmax: maximale Grünphasendauer
T: Aktivitätszeit
Tmax: maximale Aktivitätszeit
v: Durchschnittsgeschwindigkeit
vcrit: vorbestimmter Geschwindigkeitswert
Δt: Zeitabstand
di: Verlustzeit
dmin: vorbestimmte, minimale Verlustzeit
dges: kumulierte Verlustzeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004002808 A1 [0005]
- DE 10022812 A1 [0006]
- EP 1628274 A1 [0007]
- EP 1916643 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur dynamischen Steuerung einer Signalanlage (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steuereinheit (3) Phasen der Signalanlage (2) auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit (d_i) mindestens eines Fahrzeugs (5) steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fahrzeug (5) die mindestens eine Verlustzeit (d_i) direkt an die Steuereinheit (3) und/oder weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen an mindestens eine Auswerteeinheit (7) zur Auswertung von Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen übermittelt, wobei die mindestens eine Auswerteeinheit (7) die mindestens eine Verlustzeit (d_i) aus den weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt und an die Steuereinheit (3) übermittelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (9) zur Verkehrslageerfassung Daten zur Verkehrslage erfasst und mindestens eine Auswerteeinheit (8) zur Auswertung der Verkehrslage die mindestens eine Verlustzeit (d_i) des mindestens einen Fahrzeugs (5) aus den Daten zur Verkehrslage ermittelt und an die Steuereinheit (3) übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten zur Verkehrslage videobasiert erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verlustzeit (d_i) von einer zentralen Auswerteeinheit (10) an die Steuereinheit (3) übermittelt wird, wobei die zentrale Auswerteeinheit (10) die mindestens eine Verlustzeit (d_i) weiterleitet und/oder aus weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt, wobei die mindestens eine Verlustzeit (d_i) und/oder weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen von dem mindestens einen Fahrzeug (5) an die zentrale Auswerteeinheit (10) übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) die Phasen auf Grundlage von mindestens einer minimalen und/oder maximalen Phasendauer (g_min, g_max) und/oder dem Zeitabstand (T) zwischen übermittelten Verlustzeiten steuert.
Vorrichtung (1, 1', 1'', 1''') zur Steuerung einer Signalanlage (2), umfassend mindestens eine Steuereinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit (3) Phasen der Signalanlage (2) auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit (d_i) mindestens eines Fahrzeugs (5) steuert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfangseinrichtung (4) die von dem mindestens einen Fahrzeug (5) übermittelte Verlustzeit (d_i) empfängt und direkt an die Steuereinheit (3) weiterleitet.
Vorrichtung (1') nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (4) von dem mindestens einen Fahrzeug (5) übermittelte weitere Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen empfängt und eine Auswerteeinheit (7) zur Auswertung von Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen die mindestens eine Verlustzeit (d_i) aus den weiteren Verkehrs- und/oder Fahrzeugkenngrößen ermittelt und an die Steuereinheit (3) übermittelt.
Vorrichtung (1'') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (9) zur Verkehrslagenerfassung Daten zur Verkehrslage erfasst und mindestens eine Auswerteeinheit (8) zur Auswertung der Verkehrslage die mindestens eine Verlustzeit (d_i) des mindestens einen Fahrzeugs (5) aus den Daten zur Verkehrslage ermittelt und an die Steuereinheit (3) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (9) zur Verkehrslagenerfassung eine Kamera ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangseinrichtung (4) die mindestens eine Verlustzeit von mindestens einer zentralen Auswerteeinheit (10) empfängt und an die Steuereinheit (3) übermittelt.