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Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung der Verkehrssituation auf einer Straßenstrecke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Auf Straßenstrecken, beispielsweise auf Streckenabschnitten einer Autobahn, soll die Verkehrssituation möglichst genau beschrieben werden. Dies betrifft sowohl die aktuelle Verkehrssituation als auch die Tendenz einer sich ändernden Verkehrssituation, um Störfälle möglichst frühzeitig erkennen zu können. Um die Verkehrssituation beschreiben zu können, muss der Fahrzeugverkehr auf der Straßenstrecke erfasst werden. Dies erfolgt durch streckenseitig angeordnete Verkehrsdetektoren, die lokal – also an der Stelle, an der sie angeordnet sind, – die Verkehrssituation erfassen. Bekannt sind hier im Straßenbelag eingelassene Schleifendetektoren oder überkopf an Bücken oder Masten montierte Infrarotdetektoren. Diese Verkehrsdetektoren erfassen die Anzahl und die Geschwindigkeiten der innerhalb eines Messintervalls den Messquerschnitt passierenden Fahrzeuge. Datenubertragungsmittel übertragen die lokal erfassten Verkehrsdaten von den Verkehrsdetektoren an eine Auswertungseinrichtung. Aus den Anzahlen erfasster Fahrzeuge, die innerhalb des Messintervalls einen Messquerschnitt passiert haben, wird die Verkehrsstärke und aus den erfassten Geschwindigkeiten eine mittlere Geschwindigkeit für einen Messquerschnitt gewonnen. Anhand der Größe und des zeitlichen Verlaufs der Verkehrsstärken und mittleren Geschwindigkeiten an Beginn und Ende der Straßenstrecke können Stufen der Verkehrsqualität oder bestimmt werden. Durch eine Differenzanalyse der Verkehrsbelastungen an Streckenbeginn und am Streckenende kann auf einen möglichen Störfall geschlossen werden.
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Diese Differenzanalyse zur abschnittsbezogenen Störfallerkennung leidet aber unter dem Nachteil, dass Störfälle auf der Straßenstrecke nicht erkannt werden, solange sich die Verkehrsbelastungen an Streckenbeginn und -ende nicht unterscheiden. Mit der gleichen Unsicherheit sind die aus den mittleren Geschwindigkeiten an Beginn und Ende der Straßenstrecke sowie aus deren Streckenlänge abgeleiteten Reisezeiten für die Straßenstrecke behaftet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine verbesserte Ermittlung der Verkehrssituation auf einer Straßenstrecke erlaubt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes System zur Ermittlung der Verkehrssituation auf einer Straßenstrecke mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Demnach sind die Verkehrsdetektoren auch dazu ausgebildet, von einem den jeweiligen Messquerschnitt passierenden Fahrzeug ein diesem Fahrzeug eindeutig zuordenbares Erkennungsmerkmal und einen Passagezeitpunkt zu erfassen und mittels der Datenübertragungsmittel an die Auswertungseinrichtung zu übertragen. Die Auswertungseinrichtung kann lokal an einem der beiden Messquerschnitte oder in einer Streckenstation, einer Unterzentrale oder einer Verkehrszentrale angeordnet sein. Ferner umfasst die Auswertungseinrichtung Analysemittel, die dazu ausgebildet sind, am ersten und am zweiten Messquerschnitt erfasste Erkennungsmerkmale zu vergleichen und aus den Passagezeitpunkten übereinstimmender Erkennungsmerkmale eine mittlere Reisezeit und/oder eine mittlere Reisegeschwindigkeit für die Straßenstrecke zu berechnen. Durch die Erfassung eines Fahrzeugerkennungsmerkmals, das auch anonymisiert – also ohne Rückschlussmöglichkeit auf den Fahrer oder den Halter des Fahrzeugs – erfassbar ist, kann ein individuelles Fahrzeug, das durch den ersten Messquerschnitt in die Straßenstrecke eingefahren ist, bei seiner Ausfahrt durch den zweiten Messquerschnitt wiedererkannt werden. Aus der Differenz der zugehörigen Passagezeitpunkte kann die Reisezeit dieses Fahrzeugs berechnet werden. Aus einer Mehrzahl von für individuelle Fahrzeuge berechneten Reisezeiten kann eine mittlere Reisezeit für die Straßenstrecke berechnet werden. Mit der mittleren Reisezeit steht dann bei bekannter Streckenlänge auch eine mittlere Reisegeschwindigkeit der Fahrzeuge zur Verfügung, die zur verbesserten Ermittlung der Verkehrssituation mit den lokalen mittleren Geschwindigkeiten am Beginn und am Ende der Straßenstrecke verglichen werden kann.
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In einer vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind die Verkehrsdetektoren dazu ausgebildet, eine Serie digitaler Videobilder des jeweiligen Messquerschnittes aufzunehmen und durch Bildauswertungsmittel eine Passage eines Fahrzeugs, einen Passagezeitpunkt der Fahrzeugpassage, eine Geschwindigkeit des passierenden Fahrzeugs und ein Fahrzeugkennzeichen des passierenden Fahrzeugs als Verkehrsdaten zu erfassen. Durch an sich bekannte Bildauswertungsalgorithmen können neben der Detektion einer Fahrzeugpassage und deren Zeitpunkt auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Erkennungsmerkmale, wie zum Beispiel das auf dem Nummernschild angegebene amtliche Kraftfahrzeugkennzeichen über optische Mustererkennung, die Farbe oder die Abmessungen eines Fahrzeugs, erfasst werden. Die Verkehrsdetektoren können als Kombination aus bekannten, gegebenenfalls bereits installierten Detektoren zur Erfassung lokaler Verkehrsdaten und aus Videokameras mit automatischer Nummernschilderkennung ausgeführt sein. Es genügt aber, an den Messquerschnitten nur jeweils einen Videodetektor anzuordnen, der dann über die Bildauswertungsmittel alle genannten Verkehrsdaten erfasst, was bei Neuinstallationen oder bei erforderlichem Austausch defekter Verkehrsdetektoren von Vorteil ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind die Bildauswertungsmittel der Verkehrsdetektoren ferner dazu ausgebildet, aus der aufgenommenen Serie digitaler Videobilder des jeweiligen Messquerschnittes einen vom passierenden Fahrzeug benutzten Fahrstreifen und/oder eine Fahrzeugklasse des passierenden Fahrzeugs als Verkehrsdaten zu erfassen. Durch geeignete Anordnung und Ausrichtung der Verkehrsdetektoren erfassen diese mehrere Fahrstreifen einer Fahrbahn und können mit entsprechender Bildauswertung Verkehrsdaten für eine detailliertere Analyse der Verkehrssituation unter Berücksichtigung der einzelnen Fahrstreifen liefern. Eine verbesserte Analyse der Verkehrssituation ist auch durch die Erfassung der Fahrzeugklasse, also Zweiräder, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, etc., möglich, die sich ebenfalls durch digitale Bildauswertung aus den aufgenommenen Videobildern einfach ermitteln lässt. Die Fahrzeugklasse kann auch als Bestandteil des Erkennungsmerkmals eines Fahrzeugs herangezogen werden, um beim zentralen Vergleich der Erkennungsmerkmale eine größere Sicherheit zu erhalten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind die Analysemittel dazu ausgebildet, aus mittleren Geschwindigkeiten an den Messquerschnitten und der mittleren Reisegeschwindigkeit ein Geschwindigkeitsprofil für die Straßenstrecke zu berechnen. Bisher ist es üblich, ein über die Straßenstrecke linear verlaufendes Geschwindigkeitsprofil anzunehmen, das als Randwerte die lokal gemessenen mittleren Geschwindigkeiten an den Messquerschnitten aufweist. Von den Randwerten wird weiterhin ausgegangen, allerdings kann sich das Geschwindigkeitsprofil ändern, wenn die mittlere Reisegeschwindigkeit nicht dem Mittelwert der Randwerte entspricht. Ist die mittlere Reisegeschwindigkeit größer oder kleiner als der Mittelwert der Randwerte, so ergibt sich als tatsächliches Geschwindigkeitsprofil ein Kurvenverlauf mit konvexem bzw. konkavem Abschnitt.
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Vorzugsweise sind die Analysemittel des erfindungsgemäßen Systems dazu ausgebildet, aus einem konkaven Geschwindigkeitsprofil auf einen Störfall auf der Straßenstrecke zu schließen. Ein konkaves Geschwindigkeitsprofil setzt voraus, dass die mittlere Reisegeschwindigkeit kleiner als der Mittelwert der Randwerte ist, sie kann sogar kleiner als beide Randwerte sein. Sind die Randwerte beispielsweise gleich groß, so ging man bislang davon aus, dass die Reisegeschwindigkeit über die Straßenstrecke hinweg konstant ist, und bei entsprechend hohem Geschwindigkeitswert schloss man daraus auf einen störungsfreien Verkehrsablauf. Mit der zusätzlichen Information, dass die mittlere Reisegeschwindigkeit kleiner als die Randwerte ist, kann darauf geschlossen werden, dass die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit im Inneren der Straßenstrecke sogar deutlich unter der mittleren Reisegeschwindigkeit liegen muss. Wenn diese Verhältnisse sehr ausgeprägt sind, kann auf einen Störfall auf der Straßenstrecke geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die Analysemittel dazu ausgebildet, aus Verkehrsstärken und mittleren Geschwindigkeiten an den Messquerschnitten Verkehrsdichten und daraus Stufen der Verkehrsqualität zu berechnen. Die Verkehrsdichte gibt die Anzahl an Fahrzeugen pro Kilometer Streckenlänge an und ergibt sich aus dem Quotienten aus Verkehrsstärke und mittlerer Geschwindigkeit für eine Messstelle. Sie bildet mit der mittleren Geschwindigkeit die Grundlage für eine Ermittlung der Verkehrsqualität nach sechs Qualitätsstufen, wie sie im „Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen” (HBS 2001), der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V., Köln, veröffentlicht sind. Ebenso bilden Verkehrsdichte und mittlere Geschwindigkeit die Grundlage zur Ermittlung der Verkehrssituation nach vier Verkehrsstufen, wie sie in „Merkblatt für die Ausstattung von Verkehrsrechnerzentralen und Unterzentralen” (MARZ 99), der Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, veröffentlicht sind. Darin findet sich auch zur abschnittsbezogenen Störfallerkennung die Definition der Größe Vkdiff, die ebenfalls von den Verkehrsdichten und den mittleren Geschwindigkeiten an den Streckenenden abhängt. Somit können mit dem erfindungsgemäßen System auch die bekannten Verkehrssituationsanalysen, vorzugsweise mit den Verkehrsdaten von einem Videodetektor je Messquerschnitt, durchgeführt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die Analysemittel dazu ausgebildet, aus den Passagezeitpunkten übereinstimmender Erkennungsmerkmale eine individuelle Reisezeit für die Straßenstrecke zu berechnen und aus der Standardabweichung der individuellen Reisezeiten Hinweise auf die Verkehrssituation auf der Straßenstrecke zu ermitteln. So kann beispielsweise eine starke Streuung der individuellen Reisezeiten ein Hinweis auf einen ungebundenen Verkehr auf der Straßenstrecke sein.
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In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die Analysemittel dazu ausgebildet, die Verkehrsstärke auf einer zwischen den Messquerschnitten liegenden Rampe zur seitlichen Einfahrt in die Straßenstrecke oder zur Ausfahrt daraus zu berechnen, indem die Erkennungsmerkmale von den ersten Messquerschnitt passierenden Fahrzeugen mit den Erkennungsmerkmalen von den zweiten Messquerschnitt passierenden Fahrzeugen abgeglichen werden. In den Fällen von Straßenstrecken mit solchen Knotentopologien sind die Rampenverkehrsstärken für die Verkehrsplanung und für die verkehrsabhängige Verkehrssteuerung von besonderem Interesse. Mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Verkehrsdetektoren ergibt sich die Verkehrsstärke auf einer Einfahrtsrampe aus den Fahrzeugen, die die Straßenstrecke durch den zweiten Messquerschnitt verlassen, aber in diesen nicht durch den ersten Messquerschnitt eingefahren sind. Entsprechend ergibt sich die Verkehrsstärke auf einer Ausfahrtsrampe aus den Fahrzeugen, die in die Straßenstrecke durch den ersten Messquerschnitt eingefahren sind, aber nicht durch den zweiten Messquerschnitt ausfahren. Die Information über die Stärke der sich an einer Rampe verflechtenden bzw. aufteilenden Verkehrsströme verbessert die Ermittlung der Verkehrssituation auf einer solchen Straßenstrecke noch weiter.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben wird, in deren
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1 ein erfindungsgemäßes System in Draufsicht und
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2 ein mittels des Systems gewonnenes Geschwindigkeitsprofil der Straßenstrecke
schematisch veranschaulicht sind.
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Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßes System zur Ermittlung der Verkehrssituation auf einer Straßenstrecke S, beispielsweise einem Streckenabschnitt einer Autobahn mit einem rechten Fahrstreifen Si und einem linken Fahrstreifen S2, als straßenseitige Infrastruktur wenigstens einen ersten Verkehrsdetektor 10 und stromab einen zweiten Verkehrsdetektor 20 auf. Der erste Verkehrsdetektor 10 ist an einem ersten Messquerschnitt 1 der Straßenstrecke S angeordnet, um in die Straßenstrecke S einfahrende Fahrzeuge F bei ihrer Passage des ersten Messquerschnittes 1 zu erfassen. Entsprechend ist der zweite Verkehrsdetektor 20 an einem zweiten Messquerschnitt 2 der Straßenstrecke S angeordnet, um aus der Straßenstrecke S ausfahrende Fahrzeuge F beim Passieren des zweiten Messquerschnittes 2 zu erfassen. Die Messquerschnitte 1 und 2 begrenzen die Straßenstrecke S mit einer Streckenlänge d von mehreren Kilometern.
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Erfindungsgemäß sind die Verkehrsdetektoren 10 bzw. 20 als Videodetektoren ausgebildet, die eine Serie digitaler Videobilder des ersten bzw. zweiten Messquerschnittes 1 bzw. 2 aufnehmen und zur digitalen Bildauswertung an angeschlossene Bildauswertungsmittel 11 bzw. 21 weiterleiten. Die Bildauswertungsmittel 11 bzw. 21 weisen nicht dargestellte Rechner- und Speichermittel auf, die zur Ausführung von Bildauswertungsalgorithmen eingerichtet sind. Die Auswertung einer Bilderserie, die zu einem einen Messquerschnitt 1 bzw. 2 passierenden Fahrzeug F gehört, liefert als lokale Verkehrsdatensatz den Passagezeitpunkt t, die Geschwindigkeit v, ein Erkennungsmerkmal z, die Fahrzeugklasse k und den benutzten Fahrstreifen Sn, n steht für 1 oder 2, des passierenden Fahrzeugs F.
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Die erfassten Verkehrsdaten werden in einer Auswertungseinrichtung 30, die lokal an einem der beiden Messquerschnitte 1 bzw. 2 oder in einer Streckenstation, einer Unterzentrale, einer Autobahnzentrale oder einer sonstigen Verkehrszentrale angeordnet sein kann, zur Ermittlung der Verkehrssituation auf der Straßenstrecke S analysiert. Dazu steht die Auswertungseinrichtung 30 mit den Verkehrsdetektoren 10 und 20 in Kommunikationsverbindung, beispielsweise zur drahtlosen Datenübertragung nach dem Allgemeinen paketorientierten Funkdienst, kurz GPRS. Die hierfür benötigten Datenübertragungsmittel 40 sind an sich bekannt und im Einzelnen nicht dargestellt.
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Aus der Erfassung der Anzahl an in einem Messintervall einen Messquerschnitt 1 bzw. 2 passierenden Fahrzeugen F und deren. Geschwindigkeiten v werden lokale Verkehrsstärken und mittlere Geschwindigkeiten berechnet. Hieraus werden lokale Verkehrsdichten als Quotient aus Verkehrsstärke und mittlerer Geschwindigkeit berechnet. Damit werden die bislang auch mit bekannten Verkehrsdetektoren erfassten lokalen Verkehrsdaten für die Ermittlung der Verkehrssituation bereitgestellt. Aus diesen Verkehrsgrößen können bereits qualifizierte Aussagen über die Verkehrsqualität (Level of Service) und die Verkehrssituation nach den Verkehrsstufen „freier Verkehr”, „dichter Verkehr”, „zähfließender Verkehr” und „Stau” getroffen werden. Darüber hinaus ist streckenbezogen eine Differenzanalyse der Verkehrsbelastungen am Beginn und am Ende der Straßenstrecke S, beispielsweise über die Störkenngröße Vkdiff, durchführbar. Durch sie kann, falls in einem Zeitintervall deutlich mehr Fahrzeuge F in die Straßenstrecke S einfahren als daraus ausfahren, auf eine Störung geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß sind die Verkehrsdetektoren 10 bzw. 20 zur Erfassung weiterer Verkehrsdaten ausgebildet, die zu einer genaueren Ermittlung der Verkehrssituation beitragen. So werden von den Verkehrsdetektoren 10 und 20 Erkennungsmerkmale z der den jeweiligen Messquerschnitt 1 bzw. 2 passierenden Fahrzeuge F erfasst, was eine Wiedererkennung eines am ersten Messquerschnitt 1 erfassten Fahrzeugs F am zweiten Messquerschnitt 2 erlaubt. Als eindeutig ein Fahrzeug F identifizierendes Erkennungsmerkmal z kann das amtliche Kraftfahrzeugkennzeichen dienen, welches über Algorithmen zur optischen Mustererkennung aus den Videobildern ausgelesen werden kann. Als alternative oder zusätzliche Erkennungsmerkmale z können die Farbe oder die Abmessungen eines Fahrzeugs F dienen. Da mit dem Erkennungsmerkmal z der Passagezeitpunkt t und die Geschwindigkeit v des passierenden Fahrzeugs F als lokaler Verkehrdatensatz erfasst und an Analysemittel 31 der Auswertungseinrichtung 30 übertragen werden, können diese Verkehrsdatensätze zentral auf übereinstimmende Erkennungsmerkmale z geprüft werden. Die Differenz der Passagezeitpunkte t aus Datensätzen mit übereinstimmenden Erkennungsmerkmalen z ergibt dann die individuelle Reisezeit des den Verkehrsdatensätzen zugeordneten Fahrzeugs F für die Straßenstrecke S. Aus der bekannten Streckenlänge d folgt dann unmittelbar die individuelle Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs. Bildet man den Durchschnitt von aus einem Messintervall stammenden individuellen Reisezeiten und Reisegeschwindigkeiten, so gewinnt man eine mittlere Reisezeit und eine mittlere Reisegeschwindigkeit v12 für die Straßenstrecke S. Aus der Streuung bzw. Standardabweichung der individuellen Reisezeiten können weitere Schlüsse auf die Verkehrssituation auf der Straßenstrecke S gezogen werden. So stellt eine starke Streuung der Reisezeiten einen Hinweis auf einen ungebundenen Verkehr auf der Straßenstrecke S dar.
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Gemäß 2 wird die mittlere Reisegeschwindigkeit v12 erfindungsgemäß zur Gewinnung eines genaueren Geschwindigkeitsprofils v(s) herangezogen. Im Diagramm ist der Verlauf der Geschwindigkeit v(s) in Abhängigkeit vom Weg s längs der Straßenstrecke S dargestellt. Bei s = 0 liegt der erste Messquerschnitt 1 und bei s = d liegt der zweite Messquerschnitt 2. An diesen Rändern der Straßenstrecke S beträgt die Geschwindigkeit v(0) und v(d) den mittleren Geschwindigkeiten v1 bzw. v2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist v1 etwas größer als v2, was auf eine Verlangsamung des Verkehrs in Richtung Streckenausfahrt hindeutet. Zur Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils v(s) ist man bislang von einem linearen Verlauf ausgegangen, der durch die durchgezogene Linie darstellt ist. Ergibt nun die Berechnung der mittleren Reisegeschwindigkeit v12 einen Wert, der geringer als die Randwerte v1 bzw. v2 und als gestrichelte Linie dargestellt ist, muss die Annäherung des Geschwindigkeitsprofils v(s) durch eine Gerade zugunsten einer Kurve aufgegeben werden. Die Kurve verbindet die Randpunkte und schneidet die Konstante v12 derart, dass die seitlichen, oberhalb von v12 liegenden Flächenstücke den gleichen Inhalt haben wie das mittlere, unterhalb von v12 liegende Flächenstück. Dies führt zu einer konkaven Kurve, die als strichpunktierte Linie dargestellt ist, und im Innern der Straßenstrecke S einen minimalen Geschwindigkeitswert aufweist. Daraus lässt sich auf einen Störfall in der Straßenstrecke S schließen. Andere Größenverhältnisse von v1, v2 und v12 lassen entsprechend andere Schlüsse zu.
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Die Verkehrssituationsanalysen lassen sich noch verfeinern, indem bei den erfassten Verkehrdaten die Fahrzeugklasse k und/oder den benutzten Fahrstreifen Sn berücksichtigt wird bzw. werden. Sämtliche Aussagen können dann spezifisch für die verschieden Fahrzeugklassen oder Gruppen von Fahrzeugklassen oder auch getrennt für jeden einer mehrstreifigen Straßenstrecke S getroffen werden.
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In dem Fall, dass zwischen den Messquerschnitten 1 und 2 eine Rampe R zur seitlichen Einfahrt in die Straßenstrecke S, wie in 1 dargestellt, oder zur Ausfahrt daraus liegt, kann mit dem erfindungsgemäßen System in vorteilhafter Weise die Verkehrsstärke auf der Rampe R berechnet werden. Hierzu sind die Erkennungsmerkmale z von den ersten Messquerschnitt 1 passierenden Fahrzeugen F mit den Erkennungsmerkmalen z von den zweiten Messquerschnitt 2 passierenden Fahrzeugen F abzugleichen. Die Verkehrsstärke auf der dargestellten Einfahrtsrampe R ergibt sich aus den Fahrzeugen F, die die Straßenstrecke S durch den zweiten Messquerschnitt 2 verlassen, aber nicht durch den ersten Messquerschnitt 1 eingefahren sind. Entsprechend ergibt sich die Verkehrsstärke auf einer Ausfahrtsrampe aus den Fahrzeugen F, die in die Straßenstrecke durch den ersten Messquerschnitt 1 eingefahren sind, aber nicht durch den zweiten Messquerschnitt 2 ausfahren.
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Die erfindungsgemäß ermittelte Verkehrssituation und ihre Änderungstendenz finden Eingang in die verkehrsabhängige Steuerung von beispielsweise nicht dargestellten Wechselverkehrszeichen, die Geschwindigkeitsbeschränkungen – gegebenenfalls fahrstreifenbezogen – auferlegen oder auch Hinweistexte über eine herrschende Gefahrensituation ausgeben können, um Fahrer von Fahrzeugen F auf oder stromauf der Straßenstrecke S zu beeinflussen. Damit trägt das erfindungsgemäße System auch erheblich zur Verkehrssicherheit bei. Die Verkehrssituation ist genauer mit nur einer Art von Verkehrsdetektor und damit kostengünstig ermittelbar.
