DE19944077C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung des Verkehrszustands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine mit einem solchen Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Verfahren zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands auf einem Verkehrsnetz, z. B. einem Straßenverkehrsnetz, sind ver­ schiedentlich bekannt und besonders auch für diverse Telematik­ anwendungen in Fahrzeugen von Interesse. Ein Ziel dieser Verfah­ ren ist es, aus den an Verkehrsmeßstellen erfaßten Verkehrsmeß­ daten eine qualitative Beschreibung des Verkehrszustands an der jeweiligen Meßstelle und deren Umgebung zu gewinnen. Meßstellen in diesem Sinn sind vorliegend sowohl stationär wegenetzseitig installierte Meßstellen als auch bewegliche Meßstellen, wie sie beispielsweise von im Verkehr mitschwimmenden Stichprobenfahr­ zeugen (sogenannten "floating cars") repräsentiert werden. Bei­ spielsweise beschreibt die DE 197 25 556 A1 ein Verfahren zur Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz, bei dem an stationären und/oder beweglichen Meßstellen Verkehrsmeßdaten wie die Verkehrsstärke und/ oder die mittlere Geschwindigkeit aufgenommen werden. Der Verkehrszustand wird unter Berücksichti­ gung dieser Daten in jeweils eine von mehreren Zustandsphasen klassifiziert, z. B. "frei", "lebhaft", "dicht", "zäh" und "ge­ staut". Die Ermittlung der aktuellen und/oder Prognose der künf­ tigen Position der Flanke zwischen zwei Bereichen verschiedener Zustandsphasen wird vorgenommen, wobei als Eingangsgrößen die Verkehrsstärke und/oder die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit ei­ nerseits an einer im Bereich der ersten Zustandsphase liegenden Meßstelle und andererseits an einer im Bereich der zweiten Zu­ standsphase liegenden Meßstelle herangezogen werden.

Zur qualitativen Beschreibung des Verkehrszustands ist es be­ kannt, diesen in verschiedene Phasen einzuteilen, z. B. in eine Phase "freier Verkehr", bei der schnellere Fahrzeuge problemlos überholen können, eine Phase "synchronisierter Verkehr", bei dem kaum Möglichkeiten zum Überholen bestehen und alle Fahrzeuge mit sehr ähnlicher Geschwindigkeit fahren, jedoch noch eine hohe Verkehrsstärke vorherrscht, und eine Phase "Stau", bei der die Fahrzeuge nahezu stillstehen und auch die Verkehrsstärke auf sehr niedrige Werte sinkt, siehe z. B. den gattungsgemäßen Zeit­ schriftenaufsatz B. S. Kerner und H. Rehborn, "Experimental pro­ perties of complexity in traffic flow", Physical Review E 53, R 4275, 1996. Der Phaseneinteilung liegt die Idee zugrunde, die Phasen so zu wäh­ len, daß jede von ihnen speziellen charakteristischen Eigen­ schaften des Verkehrsablaufs entspricht, so daß die zeitliche und örtliche Ausdehnung von Streckenabschnitten abgeschätzt wer­ den kann, in denen sich der Verkehrszustand in einer bestimmten Phase befindet. In dem Zeitschriftenaufsatz B. S. Kerner, "Expe­ rimental Features of Self-Organization in Traffic Flow", Physi­ cal Review Letters, Band 81, Kr. 17, Seite 3797 werden in der Phase "synchronisierter Verkehr" Bereiche "gestauchter synchro­ nisierter Verkehr" (sogenannte "pinch region") ausgewählt und gesondert behandelt. Dies sind Bereiche innerhalb von synchroni­ siertem Verkehr, in denen nur sehr niedrige Geschwindigkeiten gefahren werden können und in denen sich spontan kurze Stauzu­ stände bilden, die stromaufwärts wandern und dabei anwachsen können, was dann eventuell zu einem bleibenden Stauzustand füh­ ren kann.

Zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands "Stau" sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, siehe die in der Offen­ legungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebene automatische Stau­ dynamikanalyse und aus der dort genannten Literatur bekannte Me­ thoden. In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Pa­ tentanmeldung DE 198 35 979 A1 ist des weiteren die Überwachung und Prognose von synchronisiertem Verkehr beschrieben, insbeson­ dere die Erkennung des Phasenübergangs zwischen freiem und syn­ chronisiertem Verkehr und eine Prognose über die räumliche Aus­ dehnung von synchronisiertem Verkehr, indem auf die Position der stromaufwärtigen Flanke desselben dadurch geschlossen wird, daß für eine entsprechende stromaufwärtige Meßstelle spezielle Be­ dingungen für einen induzierten stromaufwärtigen Phasenübergang vom freien zum synchronisierten Verkehr nicht mehr erfüllt sind oder ein breiter Stau entstanden ist.

Verschiedentlich wurde für gewisse Problemstellungen der Ver­ kehrstechnik auch schon die Verwendung von Fuzzy-Logik-Methoden vorgeschlagen, so beispielsweise in der Patentschrift US 5.684.475 zur Erkennung von Verkehrsstörungen, die zu einer Unterbrechung des Verkehrsflusses führen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art und einer damit ar­ beitenden Vorrichtung zugrunde, mit denen der aktuelle Verkehrs­ zustand hinsichtlich unterschiedlicher Zustandsphasen und beson­ ders hinsichtlich synchronisiertem Verkehr und dem Phasenüber­ gang von freiem zu synchronisiertem Verkehr vergleichsweise zuverlässig überwacht werden kann und auf dieser Basis bei Be­ darf auch eine vergleichsweise zuverlässige Prognose des zukünf­ tigen Verkehrszustands möglich ist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich unter anderem da­ durch aus, daß laufend die aktuelle Position der stromaufwärti­ gen Flanke eines jeweiligen Bereichs mit synchronisiertem Ver­ kehr, d. h. der Grenze zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem stromabwärts anschließenden Bereich synchronisierten Ver­ kehrs, ermittelt und/oder laufend die zukünftige Position dieser Flanke prognostiziert wird, jeweils anhand von Eingangsgrößen, die zumindest Daten über den zeitlichen Verlauf der Verkehrs­ stärken, d. h. der Verkehrsflüsse, und/oder der mittleren Fahr­ zeuggeschwindigkeiten in einem jeweiligen vorgegebenen Zeitin­ tervall einerseits an einer Meßstelle im Bereich des freien Ver­ kehrs und andererseits an einer Meßstelle im Bereich des syn­ chronisierten Verkehrs umfassen.

Die zeitabhängige Position dieser Flanke wird mit diesem Verfah­ ren auch dann relativ zuverlässig aktuell geschätzt und für zu­ künftige Zeitpunkte prognostiziert, wenn sie sich zum betreffen­ den Zeitpunkt nicht an einer Meßstelle, sondern irgendwo zwi­ schen zwei Meßstellen befindet. Denn anhand der Daten über die Verkehrsstärken in dem vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt bzw. bis zum Prognosehorizont, die zum einen an der Meßstelle im Bereich freien Verkehrs und zum anderen an der Meßstelle im Bereich synchronisierten Verkehrs aufgenommen wer­ den, kann die Position der stromaufwärtigen Flanke des synchro­ nisierten Verkehrs relativ gut ortsaufgelöst zwischen den beiden Meßstellen aktuell geschätzt bzw. für die Zukunft prognostiziert werden. Die Dichte der Meßstellen braucht daher nicht so groß gewählt zu werden wie die gewünschte Ortsauflösung für die Er­ kennung der Flanken der verschiedenen Verkehrszustände. Durch Kombination der Fähigkeit zur Erkennung der Ausdehnung von syn­ chronisiertem Verkehr mit einem der bekannten Verfahren zur Er­ kennung der Lage von Staus läßt sich die Lage von Bereichen freien Verkehrs, synchronisierten Verkehrs und Staus auf dem be­ trachteten Verkehrsnetz vergleichsweise gut feststellen und prog­ nostizieren, d. h. die verschiedenen Verkehrszustandsphasen kön­ nen als verkehrliche Objekte in ihrer Ausdehnung und Dynamik auf dem Verkehrsnetz gut verfolgt werden.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 2 ermöglicht zusätzlich die aktuelle Erkennung und zu­ künftige Prognose des Zustands gestauchten synchronisierten Ver­ kehrs, wiederum durch geeignete Auswertung von Eingangsgrößen, die mindestens den zeitlichen Verkehrsstärkeverlauf und/oder den zeitlichen Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in ei­ nem vorgegebenen Zeitintervall umfassen. Zudem können dadurch Staus prognostiziert werden, die sich eventuell aus solchen Be­ reichen gestauchten synchronisierten Verkehrs bilden.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 erfolgt die Erkennung der einzelnen Verkehrszustandsphasen sowie die Schät­ zung und Prognose der zeitabhängigen Position von Flanken zwi­ schen verschiedenen Verkehrszustandsphasen derselben mit Hilfe einer Fuzzy-Logik-Methode. Bevorzugt bilden hierbei die zur Fuz­ zifizierung der Eingangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunk­ tionen adaptiv anpaßbare Parameter, die durch Abgleich der aktu­ ell erfaßten Flankenposition mit der für diesen Zeitpunkt früher prognostizierten Flankenposition angepaßt werden können.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 beinhaltet den Einsatz einer geeigneten Fuzzy-Logik speziell zur Erkennung von gestauchtem synchronisiertem Verkehr an einer Meßstelle.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 5 beinhaltet einen geeigneten Einsatz einer Fuzzy-Logik speziell zur Bestimmung, welcher der verschiedenen möglichen Verkehrszustände an einer jeweiligen Meßstelle vorliegt.

Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Verfahren werden Meß­ daten von im Verkehr mitschwimmenden Detektoren, wie z. B. die eingangs erwähnten "floating car data" (FCD), speziell in der Weise verwendet, daß daraus Mittelwerte gebildet werden und die­ se als Meßdaten einer fiktiven Meßstelle behandelt werden, deren Position in Abhängigkeit von den Positionen der im Verkehr mit­ schwimmenden Detektoren ermittelt wird.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 7 werden als Eingangsgrößen zur Bestimmung des Verkehrs­ zustands an einer Meßstelle neben der mittleren Fahrzeugge­ schwindigkeit und/oder der Verkehrsstärke auch daraus geeignet ermittelte zeitliche Änderungen wenigstens einer dieser Varia­ blen herangezogen. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Maß­ nahme wird gemäß Anspruch 8 der Quotient dieser zeitlichen Ände­ rungen der beiden Größen als eine weitere Eingangsgröße zur Be­ stimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle im Rahmen einer Fuzzy-Logik-Methode herangezogen.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 9 erfolgt eine Prognose darüber, ob ein momentan an einer Meßstelle vorliegender Zustand freien Verkehrs in einen zukünf­ tigen Zustand synchronisierten Verkehrs übergeht, durch eine ge­ eignete Fuzzy-Logik, bei der als eine Eingangsgröße die Diffe­ renz zwischen prognostizierter bei synchronisiertem Verkehr ab­ fließender und prognostizierter zufließender Verkehrsmenge an dieser Meßstelle herangezogen und in den zugehörigen Fuzzy- Regeln neben der Verkehrsstärke als weitere Eingangsgröße zur Entscheidung darüber verwendet wird, ob ein Phasenübergang von freiem zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr während des Pro­ gnosezeitraums zu erwarten ist.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 10 wird als eine der Eingangsgrößen zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts da­ von liegendem synchronisiertem Verkehr die Differenz der Ver­ kehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr liegende Meß­ stelle seit des dortigen Auftretens des Zustands synchronisier­ ten Verkehrs passiert hat, und der im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs eingeströmten Verkehrsmenge herangezogen, wie sie von einer im stromaufwärtigen freien Ver­ kehr befindlichen Meßstelle erfaßt wird, wobei zusätzlich even­ tuell vorhandene Zu- und Abfahrten zwischen den beiden Meßstel­ len berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung dieser Verkehrs­ mengendifferenz verbessert die Qualität der Prognose über die zeitabhängige Flankenposition zwischen den beiden Meßstellen.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 11 beinhaltet eine ähnliche Vorgehensweise für die pro­ gnostische Bestimmung der Flankenposition für den Fall, daß sich der synchronisierte Verkehr zurückbildet. Dazu wird wiederum ei­ ne entsprechend ermittelte Verkehrsmengendifferenz als eine für die Flankenposition relevante Eingangsgröße verwendet, wobei in diesem Fall die Verkehrsmengenermittlung auf den Zeitraum seit Übergang von synchronisiertem zu freiem Verkehr an der stromauf­ wärtigen der beiden Meßstellen abstellt.

Wenn die so ermittelten Verkehrsmengendifferenzen Eingangsgrößen einer Flankenpositionsbestimmung durch eine Fuzzy-Logik sind, ist es zweckmäßig, bei der Fuzzifizierung der Eingangsgrößen für den Fall der Rückbildung des synchronisierten Verkehrs andere Parameter zu verwenden als für den Fall der Ausweitung des syn­ chronisierten Verkehrs. In einer weiteren Ausgestaltung dieses Aspekts der Erfindung wird gemäß Anspruch 12 die ermittelte Verkehrsmengendifferenz als jeweilige Eingangsgröße einer Fuzzy- Logik herangezogen, die mindestens die Fuzzy-Regel umfaßt, wo­ nach die zu bestimmende aktuelle Flankenposition zwischen freiem Verkehr und stromabwärtigem synchronisiertem Verkehr bei kleiner Verkehrsmengendifferenz nahe der stromaufwärtigen Meßstelle im freien Verkehr und bei großer Verkehrsmengendifferenz nahe der stromabwärtigen Meßstelle im synchronisierten Verkehr liegt. Diese Auswertung der besagten Verkehrsmengendifferenz im Rahmen einer Fuzzy-Logik-Methode erlaubt eine vergleichsweise zuverläs­ sige und genaue Bestimmung der Phasenübergangsflanke zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr zwischen zwei Meßstellen.

Ein nach Anspruch 13 weitergebildetes Verfahren erlaubt eine Prognose, ob sich ein aktueller synchronisierter Verkehrszustand ausdehnt oder ob er zurückgeht. Dazu wird als Eingangsgröße ei­ ner entsprechenden Fuzzy-Logik die Verkehrsmengendifferenz zwi­ schen dem bis zum Prognosezeitpunkt zu erwartenden Verkehrsmen­ genabfluß und dem in diesem Zeitraum zu erwartenden Zufluß he­ rangezogen, wobei ein großer Differenzwert auf einen Rückgang und ein kleiner Differenzwert auf eine Ausdehnung des synchroni­ sierten Verkehrs hindeuten.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An­ spruch 14 ist eine Reisezeitprognose für bestimmte Streckenab­ schnitte des Verkehrsnetzes vorgesehen, welche auf der Prognose des Verkehrszustands aufbaut, bei der im relevanten Prognose­ zeitraum der Verkehrszustand danach klassifiziert wird, welche der Zustandsphasen freier Verkehr, synchronisierter Verkehr und Stau bzw. Bereiche sich bewegender breiter Staus an welchem Ort mit welcher Ausdehnung und zu welchem Zeitpunkt auftreten. Die beabsichtigte Fahrt wird dadurch in eine Abfolge von Fahrtab­ schnitten in jeweils einer dieser Verkehrszustandsphasen bzw. Verkehrsbereiche zerlegt. Den Zustandsphasen bzw. Verkehrsberei­ chen wird jeweils eine charakteristische mittlere Geschwindig­ keit zugeordnet, so daß sich die prognostizierte Reisezeit als Summe der prognostizierten Fahrtzeiten für das Durchfahren der bis zum Erreichen des Zielpunktes auftretenden Zustandsphasen bzw. Verkehrsbereiche ergibt.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15 beinhaltet eine Verkehrszen­ trale mit einer Recheneinheit, die charakteristischerweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist. Insbesondere kann sie bei Bedarf ein geeignetes Fuzzy-Logik-System enthalten. Mit dieser Recheneinheit ist die Verkehrszentrale in der Lage, aus den von den Meßstellen empfan­ genen Verkehrsdaten sowohl den aktuellen Verkehrszustand zuver­ lässig abzuschätzen und damit zu überwachen als auch vergleichs­ weise zuverlässige Prognosen über zukünftige Verkehrszustände zu gewünschten Prognosezeiten und für gewünschte Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes zu berechnen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Streckenabschnitts eines Straßenverkehrsnetzes mit ortsfesten und im Ver­ kehr mitschwimmenden Meßstellen und einer stationären Verkehrszentrale zur Meßdatenauswertung zwecks Überwa­ chung und Prognose von Verkehrszuständen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer, ersten Funktionali­ tät eines in der Verkehrszentrale implementierten Fuzzy- Logik-Systems bezüglich Bestimmung des aktuellen und zu­ künftigen Verkehrszustands an einer Meßstelle,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch zur Veranschau­ lichung einer zweiten Funktionalität des Fuzzy-Logik- Systems zur Positionsbestimmung der Flanke zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr zwischen zwei Meß­ stellen,

Fig. 4A und 4B grafische Darstellungen des Zugehörigkeitsgrades für die Fuzzifizierung der Eingangsgrößen Geschwindig­ keit bzw. Verkehrsstärke für die Verkehrszustandsbestim­ mung an einer Meßstelle durch das Fuzzy-Logik-System,

Fig. 5A und 5B grafische Darstellungen von vier unterschiedli­ chen Fällen mit jeweils drei Verkehrsstärke-Meßpunkten für eine spezielle Ermittlung zeitlicher Änderungen von Verkehrsstärke und mittlerer Geschwindigkeit für abneh­ mende und zunehmende Verkehrsstärken,

Fig. 6A bis 6E Diagramme des Zugehörigkeitsgrades für die Ein­ gangsgrößen Geschwindigkeit, Verkehrsstärke, zeitliche Änderung von Geschwindigkeit bzw. Verkehrsstärke und zu­ gehörigem Quotient für eine verfeinerte Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle durch das Fuzzy- Logik-System,

Fig. 7A und 7B Diagramme des Zugehörigkeitsgrades der Verkehrs­ stärke und einer ermittelten Verkehrsmengendifferenz als Eingangsgrößen zur Prognose eines zukünftigen Phasen­ übergangs von freiem zu synchronisiertem Verkehr an ei­ ner Meßstelle durch das Fuzzy-Logik-System und

Fig. 8A bis 8C schematische Darstellungen der Entwicklung einer Phase synchronisierten Verkehrs und des zugehörigem Zeitverlaufs der als eine Eingangsgröße für die Prognose des Phasenübergangs zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr im Fuzzy-Logik-System verwendeten Verkehrsmen­ gendifferenz.

Fig. 1 veranschaulicht beispielhaft einen Streckenabschnitt ei­ ner zweispurigen Richtungsfahrbahn 1 eines Straßenverkehrsnet­ zes, dessen Verkehrszustand von einer Verkehrszentrale 2 für den aktuellen Zeitpunkt geschätzt, d. h. rechnerisch ermittelt, und für zukünftige Zeitpunkte prognostiziert wird. Zur Erfassung von hierfür dienenden Verkehrsmeßdaten sind zum einen streckenseitig fest installierte Meßstellen M_F1, M_F2, M_F3, . . . und zum anderen be­ wegliche Detektoren vorgesehen, die in Stichprobenfahrzeugen S1, S2, S3, S4, . . . installiert sind und sogenannte "floating car data" (FCD) liefern. Die Meßdaten werden von der räumlich ent­ fernten Verkehrszentrale 2 über eine drahtlose Datenübertra­ gungsstrecke 3 empfangen, wobei die empfangenen Meßdaten von ei­ nem Empfänger 2a einer Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2 zur Auswertung zugeleitet werden.

Für die Meßdatenauswertung der FCD ist vorgesehen, daß die Meß­ daten von mehreren, dieselbe Strecke zwischen zwei Knoten des Verkehrsnetzes befahrenden FCD-Fahrzeugen einer Mittelung zur Bildung einer fiktiven, beweglichen Meßstelle M_B unterzogen wer­ den, wenn die Meßdaten einen genügend geringen Orts- und Zeitab­ stand aufweisen, der durch entsprechende Schwellwerte definiert werden kann. Dies ist beispielsweise für die in Fig. 1 gezeigten vier Stichprobenfahrzeuge S1 bis S4 der Fall. Aus den FCD-Daten dieser vier Stichprobenfahrzeuge S1 bis S4, die sich zu einem jeweiligen Zeitpunkt t₁ bis t₄ an einem jeweiligen Ort x₁ bis x₄ befinden und mit einer jeweiligen Geschwindigkeit v₁ bis v₄ fah­ ren, werden Schätzwerte für die mittlere Verkehrsstärke q(t₀) und/oder die mittlere Geschwindigkeit v(t₀) für die fiktive, mit einer gestrichelten Linie symbolisierte Meßstelle M_B an einer Stelle x₀ gebildet. Die Stelle x₀ der fiktiven Meßstelle M_B kann beispielsweise durch Mittelwertbildung, z. B. eine arithmetische Mittelwertbildung, der von den Stichprobenfahrzeugen S1 bis S4 gemeldeten Fahrzeugpositionen x₁ bis x₄ bestimmt werden. In glei­ cher Weise können der Gültigkeitszeitpunkt t₀ der gemittelten Meßdaten aus dem (z. B. arithmetischen) Mittelwert der von den Stichprobenfahrzeugen S1 bis S4 gemeldeten Zeitpunkte t₁ bis t₄ und die geschätzte effektive mittlere Geschwindigkeit v(t₀) aus dem (z. B. arithmetischen) Mittelwert der gemeldeten Geschwindig­ keiten v₁ bis v₄ gebildet werden. Die effektive mittlere Ver­ kehrsstärke q(t₀) kann beispielsweise anhand einer vorgegebenen Beziehung der Verkehrsstärke in Abhängigkeit von der Geschwin­ digkeit aus der geschätzten mittleren Geschwindigkeit v(t₀) abge­ leitet werden.

In der Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2 ist ein geeigne­ tes Verfahren zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands auf dem betrachteten Verkehrsnetz implementiert, mit dem der Verkehrszustand unter Berücksichtigung von Daten über die mitt­ lere Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder die mittlere Verkehrsstär­ ke, d. h. den mittleren Verkehrsfluß, die von den verschiedenen stationären und beweglichen Meßstellen geliefert werden, klassi­ fiziert und zwischen den Zustandsphasen "freier Verkehr", "syn­ chronisierter Verkehr", "gestauchter synchronisierter Verkehr" ("pinch region"), d. h. "gestauchter Bereich im synchronisierten Verkehr", in dem schmale Staus entstehen, die aber nicht einzeln verfolgt werden, und "Stau" unterschieden wird. Dabei erfolgt in einem vorgebbaren Bereich kleiner Fahrzeuggeschwindigkeiten eine Zuordnung des Verkehrszustands zu den Zustandsphasen "Stau" oder "synchronisierter Verkehr" in Abhängigkeit von der Verkehrsstär­ ke und bei hohen Geschwindigkeiten eine Zuordnung zur Zustands­ phase "freier Verkehr". Unter der Zustandsphase "Stau" wird stets eine sich stromaufwärts bewegende Struktur verstanden, bei der sich beide Stauflanken entgegen der Fahrtrichtung bewegen. Innerhalb der Zustandsphase "Stau" sind sowohl die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit als auch der Verkehrsfluß sehr klein. Häufig bilden sich im Laufe der Zeit mehrere voneinander beabstandete Staus stromaufwärts des Bereiches "gestauchter syn­ chronisierter Verkehr". Der Bereich, wo sich die bewegenden breiten Staus stromaufwärts des Bereiches "gestauchter synchro­ nisiserter Verkehr" bilden, wird als der Bereich "sich bewegende breite Staus" bezeichnet. Außerhalb von jedem "Stau" im Bereich "sich bewegende breite Staus", d. h. zwischen den Staus in diesem Bereich, kann sich sowohl die Zustandphase "freier Verkehr" als auch "synchronisierter Verkehr" bilden.

Bestandteil dieses Verfahrens ist sowohl eine laufende Schätzung der aktuellen Position als auch eine Prognose der zukünftigen Position der Flanke, d. h. der Grenze, zwischen einem jeweiligen Bereich freien Verkehrs und einem daran stromabwärts angrenzen­ den Bereich synchronisierten Verkehrs, d. h. der stromaufwärtigen Flanke des Bereichs synchronisierten Verkehrs. Als Eingangsgrö­ ßen für diese Berechnungen durch die Recheneinheit 2b werden zu­ mindest der zeitliche Verlauf der Verkehrsstärken in einem vor­ gegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt bzw. bis zum Prognosehorizont einerseits für eine Meßstelle im Bereich des freien Verkehrs und andererseits für eine Meßstelle im Bereich des synchronisierten Verkehrs herangezogen. Charakteristisch ist hierbei, daß die Flankenposition mit Hilfe dieser Eingangsgrößen ortsaufgelöst auch in den Zeiträumen ermittelt wird, in denen sie sich nicht auf Höhe einer Meßstelle, sondern zwischen zwei benachbarten Meßstellen befindet.

Darüber hinaus ist unter Heranziehung dieser Eingangsgrößen zu­ sätzlich die Erkennung von gestauchten Bereichen im synchroni­ sierten Verkehr vorgesehen, in denen die mittlere Fahrzeugge­ schwindigkeit typischerweise wesentlich niedriger ist als im üb­ rigen synchronisierten Verkehr. Um laufend eine aktuelle Schät­ zung der zeitabhängigen Position der Flanken, welche einen je­ weiligen Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs an beiden Seiten begrenzen, durchzuführen, werden als Eingangsgrößen zu­ mindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitli­ che Verlauf der mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in einem vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Berechnungs­ zeitpunkt verwendet. Zur laufenden Prognose der zeitabhängigen Position dieser beiden Flanken eines Bereichs gestauchten syn­ chronisierten Verkehrs für zukünftige Zeitpunkte werden als Ein­ gangsgrößen zumindest der prognostizierte zeitliche Verkehrs­ stärkeverlauf und/oder der prognostizierte zeitliche Verlauf der mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in einem vorgegebe­ nen Zeitintervall bis zum Prognosehorizont, d. h. dem Endzeit­ punkt der Prognose, verwendet. Bei entsprechendem Verkehrsauf­ kommen kann sich vor allem an der stromaufwärtigen Flanke eines Bereichs gestauchten synchronisierten Verkehrs ein breiter, bleibender Stau bilden, d. h. ein Übergang der Zustandphase "ge­ stauchter synchronisierter Verkehr" in die Zustandsphase "Stau" auftreten. Als weitere Funktionalität des in der Verkehrszentra­ le 2 implementierten Verkehrsüberwachungsverfahrens wird ein solcher Stau mit Hilfe eines geeigneten automatischen Stauerken­ nungs- und Stauverfolgungsverfahrens prognostiziert bzw. ver­ folgt, z. B. unter Einsatz des in der oben genannten Offenle­ gungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebenen Verfahrens. Dazu wird die Staudynamikanalyse speziell auf den stromaufwärts an den Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs angrenzenden Bereich angewendet, wo sich ein breiter Stau bilden kann.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung dieser verschie­ denen Funktionalitäten der Verkehrsüberwachung und Verkehrspro­ gnose besteht in der Implementierung eines entsprechenden Fuzzy- Logik-Systems in der Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2. Das Fuzzy-Logik-System ist bevorzugt so ausgelegt, daß es eine Zuordnung des aktuellen bzw. prognostizierten Verkehrszustands in die verschiedenen Zustandsphasen "freier Verkehr", "synchro­ nisierter Verkehr", "gestauchter synchronisierter Verkehr" und "Stau" sowie die Schätzung und Prognose der zeitabhängigen Posi­ tion der Flanken zwischen bestimmten Zustandsphasen ermöglicht. Der Verlauf der zur Fuzzifizierung der berücksichtigten Ein­ gangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunktionen ist hierbei ein Parameter, der durch Einsatz eines adaptiven Verfahrens automa­ tisch angepaßt werden kann. So kann zur Prognose für zukünftige Zeitpunkte der zeitabhängigen Position der Flanke zwischen ver­ schiedenen Zustandsphasen ein adaptives Verfahren verwendet wer­ den, bei dem die zu einem Berechnungszeitpunkt t₀ für einen Pro­ gnosezeitpunkt t_p ≧ t₀ prognostizierte Flankenposition später mit der zum Berechnungszeitpunkt t_p aktuell ermittelten Flankenposi­ tion verglichen wird und die Verfahrensparameter in Abhängigkeit von diesem Vergleich so angepaßt werden, daß die mit den Ein­ gangsgrößen des Zeitpunkts t₀ für den Zeitpunkt t_p prognosti­ zierte Flankenposition besser als ursprünglich mit der zum Zeit­ punkt t_p aktuellen Flankenposition übereinstimmt.

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel einer Klassifikation des ak­ tuellen und zukünftigen Verkehrszustands an einer Meßstelle M der Richtungsfahrbahn 1 z. B. einer Autobahn oder Schnellstraße. An der Meßstelle M werden laufend, d. h. zeitabhängig die Verkehrsstärke q(t) und die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit v(t) gemessen und der Verkehrszentrale 2 zur Auswertung durch das Fuzzy-Logik-System zugeführt. Wie gezeigt, beinhaltet das Fuzzy- Logik-System eine Einheit 3 zur Fuzzifizierung der Eingangsgrö­ ßen, ein Fuzzy-Inferenzsystem 4 zur Ableitung unscharfer Ergeb­ niswerte durch die Anwendung von vorgebbaren Fuzzy-Regeln auf die fuzzifizierten Eingangsgrößen und eine Einheit 5 zur Defuz­ zifizierung der unscharfen Ergebniswerte, d. h. zur Bildung eines scharfen Ergebniswertes. Als Ergebnis der Defuzzifizierung wird für den aktuellen Verkehrszustand an der betrachteten Meßstelle M genau einer der Werte "freier Verkehr", "synchronisierter Ver­ kehr", "gestauchter Bereich im synchronisierten Verkehr" oder "Stau" ausgegeben, siehe Block 6 von Fig. 2. Wenn anstelle der aktuellen Daten über die Verkehrsstärke q(t) und die mittlere Geschwindigkeit v(t) von der Meßstelle 2 für einen zukünftigen Zeitpunkt t_p prognostizierte Werte q(t_p), v(t_p) verwendet werden, so gibt das Fuzzy-Logik-System als Ergebnis den für diesen Zeit­ punkt t_p prognostizierten Verkehrszustand an der Meßstelle M aus, wiederum als Information, welche der vier Zustandsphasen dann voraussichtlich vorliegt, siehe Block 7 von Fig. 2.

Fig. 3 veranschaulicht eine Funktionalität des Fuzzy-Logik- Systems zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen einem Bereich freien und einem Bereich synchronisierten Verkehrs. Die­ se Funktion wird aktiviert, wenn die Klassifikation des Ver­ kehrszustands gemäß der oben zu Fig. 2 beschriebenen Vorgehens­ weise ergibt, daß an einer ersten Meßstelle A freier Verkehr und an einer stromabwärts davon gelegenen zweiten Meßstelle B syn­ chronisierter Verkehr vorliegt. Zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen dem Bereich freien und dem Bereich synchroni­ sierten Verkehrs werden die aktuell gemessenen Verkehrsstärken q_A(t₀), q_B(t₀) und Geschwindigkeiten v_a(t₀), v_B(t₀) beider Meßstel­ len A, B im Fuzzy-Logik-System verwendet, das wiederum aus Fuz­ zifizierung 3, Fuzzy-Inferenzsystem 4 und Defuzzifizierung 5 be­ steht. Als Ergebnis wird die Position x_F,S der Flanke F zwischen dem Bereich freien Verkehrs B_F und dem Bereich synchronisierten Verkehrs B_S ausgegeben, siehe Block 2 von Fig. 3 und die darunter dargestellte Verkehrssituation. Die Fuzzy-Logik kann hierzu bei­ spielsweise so gewählt sein, daß der Ergebniswert eine Zahl zwi­ schen null und eins ist, wobei der Ergebniswert null bedeutet, daß sich die Flanke F an der Meßstelle A befindet, während ein Ergebniswert von eins bedeutet, daß sich die Flanke F an der Meßstelle B befindet, und ein beliebiger Ergebniswert E zwischen null und eins allgemein bedeutet, daß sich die Flankenposition x_F,S um den mit dem Faktor E multiplizierten Abstand der beiden Meßstellen A, B von der Meßstelle A entfernt befindet. Unter Kenntnis der aktuellen Flankenposition x_F,S lassen sich in einem weiteren Schritt mit Hilfe von Prognosen des zukünftigen Ver­ laufs der Verkehrsstärke und der mittleren Geschwindigkeit an den beiden Meßstellen A, B Prognosen für die zukünftige Flanken­ position zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr erstellen, siehe Block 8 von Fig. 3.

In den Fig. 4A und 4B ist eine beispielhafte Möglichkeit der Fuzzifizierung der Eingangsgrößen Geschwindigkeit bzw. Verkehrs­ stärke für die Bestimmung des Verkehrszustands hinsichtlich der Frage, ob freier Verkehr, synchronisierter Verkehr oder Stau vorliegt, anhand von hierzu vorgegebenen Zugehörigkeitsgrad- Diagrammen veranschaulicht. Die in Fahrzeugen pro Minute gemes­ sene Verkehrsstärke bezieht sich hierbei wie auch in den noch folgenden Beispielen auf einen dreispurigen Staßenabschnitt. Wie aus Fig. 4A ersichtlich, wird in diesem Beispiel die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit in die Fuzzy-Mengen "klein", "mittel" und "groß" und die Verkehrsstärke in Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert. Zur Verkehrszustandsbestimmung an einer Meßstelle werden dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln verwen­ det:

• a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
• b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr);
• c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr); und
• d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrszustand ist freier Verkehr).

In ähnlicher, nicht gezeigter Weise können zur Erkennung von Be­ reichen gestauchten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle folgende Fuzzifikationen vorgenommen werden. Zum einen wird die Varianz der Fahrzeuggeschwindigkeit in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert. Zum anderen wird die Dauer des Zeit­ raums, während dem die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist, in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert. Zur Erkennung von Bereichen gestauchten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle wird dann minde­ stens die Fuzzy-Regel verwendet, wonach ein solcher Bereich vor­ liegt, wenn die Varianz der Geschwindigkeit groß und die Dauer des Zeitraums niedriger Geschwindigkeiten klein ist.

In einer verfeinerten Realisierung der Verkehrszustandsbestim­ mung an einer Meßstelle wird zusätzlich zu der zur Zeit t₀ an der jeweiligen Meßstelle gültigen mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit v(t₀) und Verkehrsstärke q(t₀) eine zeitliche Änderung d_v(t₀) der mittleren Geschwindigkeit v(t₀) und eine zeitliche Änderung d_q(t₀) der Verkehrsstärke q(t₀) berücksichtigt. Dazu werden diese zeitlichen Änderungen d_v, d_q in spezieller Weise je nach Ver­ kehrsstärkeverlauf berechnet, wie in den Fig. 5A und 5B anhand von vier Fällen F1, F2, F3, F4 mit jeweils drei zuletzt in einem Zeitabstand Δt aufgenommenen Verkehrsstärke-Meßpunkten veran­ schaulicht. Dabei entspricht der jüngste, aktuelle Meßzeitpunkt t₀ jeweils dem aktuellen Meßpunkt und der davor liegende Meßzeit­ punkt t^* dem mittleren Meßpunkt als letztem Meßpunkt vor dem ak­ tuellen Meßpunkt. Die in Fig. 5A dargestellten Fälle F1, F2 ent­ sprechen einer abnehmenden Verkehrsstärke, d. h. q(t^*) ≧ q(t₀), wäh­ rend die Verkehrsstärke in den in Fig. 5B gezeigten Fällen F3, F4 ansteigt, d. h. q(t₀) < q(t^*). Abhängig von der Verkehrsstärke wird dann für die verschiedenen Fälle F1 bis F4 die zeitliche Ver­ kehrsstärkeänderung d_q(t₀) für den aktuellen Zeitpunkt t₀ durch die Beziehungen

d_q(t₀) = (q(t₀) - max_t(q(t)))/max_t(q(t)), falls q(t^*) ≧ q(t₀), und

d_q(t₀) = (q(t₀) - min_t(q(t)))/q(t₀), falls q(t₀) < q(t^*),

und die zeitliche Änderung d_v(t₀) der mittleren Geschwindigkeit zum aktuellen Zeitpunkt t₀ durch die Beziehungen

d_v(t₀) = (v(t₀) - max_t(v(t)))/max_t(v(t))), falls v(t^*) ≧ v(t₀), und

d_v(t₀) = (v(t₀) - min_t(v(t)))/v(t₀), falls v(t₀) < v(t^*),

ermittelt, wobei mit max_t bzw. min_t jeweils der Maximalwert bzw. Minimalwert der Verkehrsstärke q bzw. der mittleren Geschwindig­ keit v für das gewählte Zeitintervall Δt vor dem aktuellen Zeit­ punkt t₀ bezeichnet sind. Für den Fall F1 von Fig. 5A, bei dem die Verkehrsstärke q während der letzten drei Messungen monoton gefallen ist, bedeutet dies, daß der verwendete Maximalwert max_t(q(t)) dem ersten dargestellten Meßpunkt entspricht. Hingegen ist im zweiten Fall F2 die Verkehrsstärke nur vom vorletzten zum letzten Meßpunkt gefallen, so daß max_t(q(t)) dem mittleren Meß­ punkt entspricht. Analog dazu entspricht in dem in Fig. 5B dar­ gestellten dritten Fall F3, bei dem die Verkehrsstärke während der letzten drei Messungen monoton gestiegen ist, min_t(q(t)) dem ersten dargestellten Meßpunkt, während im vierten Fall F4, bei dem die Verkehrsstärke q nur von der vorletzten zur letzten Mes­ sung angestiegen ist, der mittlere Meßpunkt diesem Minimumwert entspricht. Entsprechendes gilt für die Ermittlung der zeitli­ chen Änderung d_v der mittleren Geschwindigkeit.

Die so ermittelten zeitlichen Änderungen d_q, d_v von Verkehrsstär­ ke q und mittlerer Fahrzeuggeschwindigkeit v werden dann im Fuz­ zy-Logik-System zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle herangezogen, wobei der Quotient c(t₀) = d_v(t₀)/d_q(t₀) der zeitlichen Änderung d_v der Geschwindigkeit dividiert durch die zeitliche Änderung d_q der Verkehrsstärke zusätzlich zu den zeit­ lichen Änderungen d_v, d_q selbst als weitere, zu fuzzifizierende Eingangsgröße verwendet wird. Beispielhaft können für diese ver­ feinerte Zustandsbestimmung folgende Fuzzifizierungen vorgenom­ men werden. Die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit wird, wie in Fig. 6A dargestellt, in die Fuzzy-Mengen "winzig", "klein", "mittel" und "groß" fuzzifiziert. Die Verkehrsstärke wird in die Fuzzy-Mengen "winzig", "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie in Fig. 6B veranschaulicht. Die zeitliche Änderung d_v der mittleren Geschwindigkeit wird, wie in Fig. 6C veranschaulicht, in die Fuzzy-Mengen "negativ" und "positiv" fuzzifiziert. Die zeitliche Änderung d_q der mittleren Verkehrsstärke wird, wie in Fig. 6D veranschaulicht, ebenfalls in die Fuzzy-Mengen "negativ" und "positiv" fuzzifiziert. Der Quotientenparameter c wird, wie in Fig. 6E veranschaulicht, in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert. Die Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meß­ stelle beinhaltet dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln:

• a) wenn (Geschwindigkeit ist winzig), dann (Verkehrszustand ist Stau);
• b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist winzig), dann (Verkehrszustand ist Stau);
• c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Ver­ kehr);
• d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrszustand ist freier Verkehr);
• e) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t₀) ist groß) und (d_v(t₀) ist negativ) und (d_q(t₀) ist negativ), dann (Verkehrszustand ist synchro­ nisierter Verkehr);
• f) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t₀) ist klein) und (d_v(t₀) ist negativ) und (d_q(t₀) ist negativ), dann (Verkehrszustand ist Stau);
• g) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und Verkehrsstärke ist klein) und (c(t₀) ist klein) und (d_v(t₀) ist positiv) und (d_q(t₀) ist positiv), dann (Verkehrszustand ist synchro­ nisierter Verkehr); und
• h) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein) und (c(t₀) ist groß) und (d_v(t₀) ist positiv) und (d_q(t₀) ist positiv), dann (Verkehrszustand ist Stau).

Dabei werden zweckmäßigerweise die Fuzzy-Regeln (v) und (vi) nur dann verwendet, wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t^*) vor dem aktu­ ellen Zeitpunkt (t₀) der Verkehrszustand an der betreffenden Meß­ stelle als freier Verkehr, synchronisierter Verkehr oder ge­ stauchter synchronisierter Verkehr klassifiziert wurde. Analog werden die Fuzzy-Regeln (vii) und (viii) nur dann verwendet, wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t^*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t₀) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als Stau klassifiziert wurde. Je nach dem, ob zum letzten Meßzeitpunkt (t^*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t⁰) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als Stau klassifiziert wurde oder nicht, werden die Eingangswerte unterschiedlich fuzzifiziert. Des wei­ teren erlaubt diese Systemauslegung eine Verkehrzustandsprognose in Form einer Zuordnung zukünftiger Verkehrszustände zu den mög­ lichen Zustandsphasen "Stau", "synchronisierter Verkehr", "ge­ stauchter Bereich im synchronisierten Verkehr" und "freier Ver­ kehr" dadurch, daß anstelle der zum aktuellen Zeitpunkt (t₀) gül­ tigen Werte für zukünftige Zeitpunkte t < t₀ gültige, prognosti­ zierte Werte der mittleren Geschwindigkeit v(t) und der Ver­ kehrsstärke q(t) verwendet werden.

Als weitere Funktionalität kann von der Verkehrszentrale durch das Fuzzy-Logik-System eine Prognose eines zukünftigen dauerhaf­ ten Phasenübergangs von freiem zu synchronisiertem Verkehr vor­ genommen werden, wenn zu einem Zeitpunkt (t₀) an einer Meßstelle freier Verkehr gemessen wird. Dazu wird die zum aktuellen Zeit­ punkt (t₀) gemessene Verkehrsstärke in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie im Zugehörigkeitsgrad-Diagramm der Fig. 7A veranschaulicht. Außerdem wird die Differenz ΔM_P der für einen gewissen Zeitraum t_p in der Zukunft an der betreffenden Meßstelle bei synchronisiertem Verkehr zu erwartenden, abflie­ ßenden Verkehrsmenge und der im gleichen Zeitraum prognostizier­ ten, zufließenden Verkehrsmenge aus der Beziehung

ermittelt, wobei q_ab,syn(t) den zeitabhängigen prognostizierten Abfluß bei synchronisiertem Verkehr und q_zu(t) den zeitabhängigen prognostizierten Zufluß für die betreffende Meßstelle bezeich­ nen. Diese Verkehrsmengendifferenz ΔM_P wird dann in die Fuzzy- Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie im entsprechenden Zugehörigkeitsgrad-Diagramm von Fig. 7B angegeben. Zur Prognose eines dauerhaften Phasenübergangs vom aktuellen freien Verkehr zu einem zukünftigen synchronisierten Verkehrszustand werden dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln verwendet:

• a) wenn (Verkehrsstärke ist groß) und (ΔM_p ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist wahrscheinlich); und
• b) wenn (Verkehrsstärke ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist unwahrschein­ lich).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts davon liegendem synchronisiertem Verkehr die Differenz ΔM aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befind­ liche Meßstelle B in einem Zeitraum t_syn,B - t₀ passiert hat, und der Verkehrsmenge verwendet, die im gleichen Zeitraum in den Be­ reich synchronisierten Verkehrs einströmt. Dabei bezeichnet t_syn,B den Zeitpunkt, zu dem an der Meßstelle B der Verkehrszustand von freiem zu synchronisiertem Verkehr gewechselt hat. Die einströ­ mende Verkehrsmenge ergibt sich hierbei aus der Verkehrsmenge, die eine stromaufwärts der Meßstelle B im freien Verkehr befind­ liche Meßstelle A im gleichen Zeitraum passiert hat, zuzüglich der Verkehrsmenge, die im gleichen Zeitraum netto über Zu- und Abfahrten zwischen der Meßstelle A und der Meßstelle B zufließt. Für diese Verkehrsmengendifferenz ΔM ergibt sich folglich die Beziehung

wobei q_A und q_B die zeitabhängigen Verkehrsstärken an der Meßstelle A bzw. B und q_zu sowie q_ab die zeitabhängigen Verkehrs­ stärken an Zu- bzw. Abfahrten zwischen Meßstelle A und Meßstelle B bezeichnen. Die Berücksichtigung dieser Verkehrsmengendiffe­ renz ΔM kann insbesondere wieder in Form einer Eingangsgröße für das Fuzzy-Logik-System erfolgen, wozu sie in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" in gleicher Weise wie die oben erläuterte Verkehrsmengendifferenz ΔM_P gemäß dem Diagramm von Fig. 7B fuzzi­ fiziert wird. Mit Hilfe dieser Eingangsinformation kann dann die aktuelle Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Ver­ kehrs, in welchem die Meßstelle A liegt, und einem stromabwärti­ gen Bereich synchronisierten Verkehrs, in welchem die Meßstelle B liegt, unter Anwendung mindestens folgender Fuzzy-Regeln durch die Fuzzy-Logik bestimmt werden:

• a) wenn (ΔM ist klein), dann (Flankenposition ist nahe Meßstelle A); und
• b) wenn (ΔM ist groß), dann (Flankenposition ist nahe Meßstelle B).

Eine analoge Vorgehensweise ist zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts davon liegendem synchronisiertem Verkehr für eine Verkehrssituation möglich, bei der sich der synchronisierte Verkehr zurückbildet. Statt der oben erläuterten Verkehrsmengendifferenz ΔM ist dann eine modifi­ zierte Verkehrsmengendifferenz ΔM^* gemäß folgender Beziehung

heranzuziehen, bei der die diversen Verkehrsflüsse q_A, q_B, q_zu und q_ab ab dem Zeitpunkt t_free,A, zu dem an der stromaufwärtigen Meß­ stelle A der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr übergegangen ist, bis zum aktuellen Bestimmungszeitpunkt t₀ für die Be­ stimmung der zugehörigen Verkehrsmengen in diesem Zeitraum inte­ griert werden. Vorzugsweise werden für die Fuzzifizierung der Eingangsgrößen im Fall des sich rückbildenden synchronisierten Verkehrs andere Parameter als für die Situation bei sich auswei­ tendem synchronisiertem Verkehr verwendet, während im Grundsatz die Fuzzifizierung der Verkehrsmengendifferenz ΔM^* in die Fuzzy- Mengen "klein" und "groß" beibehalten wird.

Zur Prognose darüber, ob ein zum aktuellen Zeitpunkt t₀ festge­ stellter synchronisierter Verkehr für einen vorgebbaren Zeitraum t_p in der Zukunft zurückgeht oder sich ausdehnt, kann das Fuzzy- Logik-System so ausgelegt sein, daß es wiederum die für den festgelegten Zeitraum t_p zukünftig erwartete Verkehrsmengendiffe­ renz ΔM_p in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" entsprechend dem Zugehörigkeitsgrad-Diagramm von Fig. 7B fuzzifiziert. Als Fuzzy- Regeln werden dann zur Bestimmung der Prognose über eine Ausdeh­ nung oder einen Rückgang des zum Zeitpunkt t₀ ermittelten syn­ chronisierten Verkehrs mindestens die folgenden verwendet:

• a) wenn (ΔM_P ist groß), dann (synchronisierter Verkehr geht zurück); und
• b) wenn (ΔM_P ist klein), dann (synchronisierter Verkehr dehnt sich aus).

In den Fig. 8A, 8B und 8C sind entsprechende Verkehrssituationen für eine typische Entwicklung eines Bereichs synchronisierten Verkehrs zusammen mit einem zugehörigen, typischen Zeitverlauf der Verkehrsmengendifferenz ΔM bzw. ΔM_P veranschaulicht. In der Verkehrssituation von Fig. 8A breitet sich ein Bereich synchro­ nisierten Verkehrs B_S, dessen stromaufwärtige Flanke F zu einem Zeitpunkt t_syn,B an der stromabwärtigen Meßstelle B lag, in einen stromaufwärts davon gelegenen Bereich freien Verkehrs B_F aus, in welchem zunächst noch die stromaufwärtige Meßstelle A liegt. Durch die Ausweitung des synchronisierten Verkehrs B_S fällt die Verkehrsmengendifferenz ΔM im Zeitraum von dem Zeitpunkt t_syn,B des Übergangs zum synchronisierten Verkehr an der Meßstelle B bis zum Zeitpunkt t_syn,A, zu dem die stromaufwärtige Flanke F des synchronisierten Verkehrs B_S die Meßstelle A erreicht, ab, weil der Zufluß zum synchronisierten Verkehr größer als der Abfluß aus demselben ist. In der Situation von Fig. 8B halten sich Zu­ fluß und Abfluß in bzw. aus dem Bereich synchronisierten Ver­ kehrs B_S, der sich inzwischen über beide Meßstellen A, B hinweg erstreckt, etwa die Waage, bis dann durch abnehmenden Zufluß und/oder durch zunehmenden Abfluß eine Rückbildung des Bereichs synchronisierten Verkehrs B_S einsetzt. Diese hat zur Folge, daß zu einem gewissen Zeitpunkt t_free,A die stromaufwärtige Stauflanke F des synchronisierten Verkehrs B_S wieder die Meßstelle A er­ reicht und weiter stromabwärts wandert. Diese Rückbildung des synchronisierten Verkehrs B_S ist in Fig. 8C veranschaulicht. Sie ist von einer Zunahme der Verkehrsmengendifferenz ΔM begleitet, bis dann zu einem Zeitpunkt t_free,B die stromaufwärtige Flanke F des synchronisierten Verkehrs B_S die stromabwärtige Meßstelle B erreicht hat, wonach beide Meßstellen A, B wieder in einem Be­ reich freien Verkehrs B_F liegen.

Die erfindungsgemäße, oben beispielhaft beschriebene Art der Überwachung und Prognose des Verkehrszustands hinsichtlich des Auftretens und der Ausdehnung unterscheidbarer Verkehrszustands­ phasen, wie freier Verkehr, synchronisierter Verkehr, gestauch­ ter synchronisierter Verkehr und Stau, durch laufende Schätzung für den aktuellen Zeitpunkt und laufende Prognose für zukünftige Zeitpunkte ist die Verkehrszentrale in der Lage, darauf aufbau­ ende Verkehrsinformationen zu generieren, beispielsweise eine laufende Prognose über Reisezeiten vorzunehmen, die für Fahrten entlang vorgebbarer Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes bzw. von einem vorgebbaren Startort zu einem vorgebbaren Zielort zu erwarten sind. Dazu kann das oben beschriebene Verfahren über die Erkennung und Verfolgung der zeitlichen Entwicklung von Be­ reichen freien Verkehrs und synchronisierten Verkehrs sowie ge­ stauchten synchronisierten Verkehrs mit einem bekannten Verfah­ ren zur automatischen Staudynamikanalyse (Staudynamikprognose) kombiniert werden, mit dem eine Prognose von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Stauflanken erfolgt. Darauf aufbauend kann dann die Geschwindigkeit v(t, x) zu einem Zeitpunkt t an einer Position x des Verkehrsnetzes dergestalt festgelegt werden, daß sie für Streckenabschnitte innerhalb eines Staus als eine vorge­ gebene mittlere Geschwindigkeit im Stau (alternativ dazu kann die mittlere Geschwindigkeit für einen jeweiligen gesamten Be­ reich "sich bewegende breite Staus" als eine vorgegebene mittle­ re Geschwindigkeit im Bereich "sich bewegende breite Staus" an­ genommen werden), für Streckenabschnitte innerhalb eines Be­ reichs synchronisierten Verkehrs als eine vorgebbare mittlere Geschwindigkeit im synchronisierten Verkehr und für Streckenab­ schnitte mit freiem Verkehr als eine vorgegebene mittlere Ge­ schwindigkeit im freien Verkehr angenommen wird. Auf dieser Ba­ sis ist dann eine laufende Prognose über Reisezeiten entlang einzelner Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes dadurch möglich, daß nacheinander die Positionen x_i, i = 1, 2 . . ., innerhalb des be­ trachteten Streckenabschnitts berechnet werden, zu denen das Fahrzeug während der zu prognostizierenden Fahrt voraussichtlich Flanken, d. h. Grenzen, zwischen je zwei verschiedenen Verkehrs­ zustandsphasen passiert, woraus dann die zur Durchquerung der jeweils vorangegangenen Zustandsphase benötigte Reisezeit T_i er­ mittelt werden kann. Die prognostizierte Gesamtreisezeit ergibt sich dann aus der Summe dieser einzelnen Reisezeiten T_i für das Passieren der während der Fahrt aufeinanderfolgenden verschiede­ nen Verkehrszustandsphasen.

Die obige Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen macht deutlich, daß durch die erfindungsgemäße Verkehrszentrale, in der das erfindungsgemäße Verkehrsüberwachungsverfahren implemen­ tiert ist, eine vergleichsweise zuverlässige Klassifikation des Verkehrszustands in verschiedene unterscheidbare Zustandsphasen und eine Überwachung und Prognose der zeitabhängigen Positionen der diese Zustandsphasen voneinander trennenden Flanken möglich ist und dabei eine vergleichsweise realitätsnahe Abbildung des tatsächlichen Verkehrsablaufs verwendet wird. Bevorzugt, aber nicht zwingend, wird hierzu von einer geeignet ausgelegten Fuz­ zy-Logik Gebrauch gemacht. Alternativ kann eine andere, äquiva­ lente herkömmliche Auswertemethode verwendet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz, insbesondere einem Straßenverkehrsnetz, bei dem
an stationären und/oder beweglichen Meßstellen Verkehrsmeß­ daten aufgenommen werden und
der Verkehrszustand unter Berücksichtigung der aufgenomme­ nen Verkehrsmeßdaten, die wenigstens Informationen über die Ver­ kehrsstärke und/oder die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit umfas­ sen, in jeweils eine von mehreren Zustandsphasen klassifiziert wird, die mindestens die Zustandsphasen "freier Verkehr" und "synchronisierter Verkehr" umfassen,
dadurch gekennzeichnet, daß
laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder ei­ ne Prognose der zukünftigen Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs (B_F) und einem stromabwärts liegenden Be­ reich synchronisierten Verkehrs (B_S) vorgenommen wird, wobei als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwin­ digkeit in einem vorgebbaren Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt (t₀) oder bis zum Prognosehorizont (t_p) einerseits an einer im Bereich freien Verkehrs liegenden Meßstelle (A) und an­ dererseits an einer im Bereich synchronisierten Verkehrs liegen­ den Meßstelle (B) herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß
Bereiche synchronisierten Verkehrs hinsichtlich Auftretens der Zustandsphase "gestauchter synchronisierter Verkehr" über­ wacht werden und
für einen detektierten Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder eine Prognose der zukünftigen Position der diesen Bereich beid­ seits begrenzenden Flanken vorgenommen wird, wobei als Eingangs­ größen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in einem jeweils vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeit­ punkt (t₀) oder bis zum Prognosehorizont (t_p) an einer Meßstelle verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifizierung des Verkehrszustands in einen der vorgebba­ ren, unterscheidbaren Zustandsphasen sowie die Ermittlung und/oder Prognose der Position von Flanken, welche je zwei un­ terschiedliche Zustandsphasen trennen, unter Verwendung einer Fuzzy-Logik erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Fuzzy-Logik zur Erkennung von Bereichen gestauch­ ten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle die Varianz der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die Dauer des Zeitraums, in denen die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein vorgebbarer Schwell­ wert ist, jeweils in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert und mindestens die Fuzzy-Regel verwendet, daß dann ein Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs vor­ liegt, wenn die Varianz der Geschwindigkeit groß und die Dauer des Zeitraums niedriger Geschwindigkeiten klein ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Logik zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein", "mittel" und "groß" und die Verkehrsstärke mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert und mindestens folgende Fuzzy-Regeln beinhaltet:

• a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
• b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Ver­ kehr);
• c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchonisierter Verkehr;
• d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrzustand ist freier Verkehr).

6. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß aus Verkehrsdaten, die durch mehrere, im Verkehr mitschwimmende Detektoren (S1, S2, S3, S4) aufgenommen werden, ein Schätzwert für die mittlere Geschwindigkeit und/oder die Verkehrsstärke für einen fiktiven, aus den zum Meßzeitpunkt gültigen Detektorposi­ tionen abgeleiteten Meßstellenort und für einen fiktiven, aus den Detektormeßzeitpunkten abgeleiteten Meßzeitpunkt gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle als zu­ sätzliche Eingangsgrößen eine zeitliche Änderung (d_v) der mittle­ ren Geschwindigkeit (v) und/oder eine zeitliche Änderung (d_q) der Verkehrsstärke (q) herangezogen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient (c = d_v/d_q) der zeitlichen Änderung (d_v) der mittleren Geschwindigkeit und der zeitlichen Änderung (d_q) der Verkehrs­ stärke gebildet und als weitere Eingangsgröße zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle durch eine Fuzzy-Logik her­ angezogen wird, bei der die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit in wenigstens vier Fuzzy-Mengen, die Verkehrstärke in wenigstens drei Fuzzy-Mengen sowie die zeitlichen Änderungen der mittleren Geschwindigkeit und der Verkehrsstärke ebenso wie der Quotient (c) derselben in jeweils wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifi­ ziert werden und der Verkehrszustand durch entsprechende Fuzzy- Regeln in wenigstens die Zustandsphasen "Stau", "synchronisier­ ter Verkehr" und "freier Verkehr" klassifiziert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall eines an einer Meßstelle zu einem bestimmten Zeit­ punkt (t₀) vorliegenden Bereichs freien Verkehrs eine Prognose über einen zukünftigen Phasenübergang zu synchronisiertem Ver­ kehr durch eine Fuzzy-Logik vorgenommen wird, die eine Fuzzifi­ zierung der aktuellen Verkehrsstärke in wenigstens zwei Fuzzy- Mengen "groß" und "klein" sowie eine Fuzzifizierung einer pro­ gnostizierten Verkehrsmengendifferenz (ΔM_P) für die betreffende Meßstelle in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" um­ faßt und wenigstens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach ein Pha­ senübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr wahrschein­ lich ist, wenn die Verkehrsstärke groß und die Verkehrsmengen­ differenz klein ist, und wonach ein solcher Phasenübergang un­ wahrscheinlich ist, wenn die Verkehrsstärke klein ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flan­ ke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem stromabwärts davon liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs die Differenz (ΔM) aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befindliche Meßstelle (B) seit dem Zeitpunkt (t_syn,B) des dortigen Auftretens von synchronisiertem Verkehr passiert hat, und der Verkehrsmenge herangezogen wird, die im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs zuströmt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flan­ ke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem sich rückbildenden stromabwärts davon liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs die Differenz (AM^*) aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befindliche Meßstelle (B) seit einem Zeitpunkt (t_free,A), zu dem an einer stromaufwärtigen Meßstelle (A) der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr übergegangen ist, passiert hat und der im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs einströmenden Verkehrsmenge herangezo­ gen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Verkehrsmengendifferenz (ΔM, ΔN^*) als Eingangsgröße einer Fuzzy-Logik verwendet wird, welche sie in wenigstens zwei Fuzzy- Mengen fuzzifiziert und zur Bestimmung der aktuellen Flankenpo­ sition mindestens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach die Flan­ kenposition nahe der stromaufwärtigen Meßstelle (A) liegt, wenn die Verkehrsmengendifferenz klein ist, und die Flankenposition nahe der stromabwärtigen Meßstelle (B) liegt, wenn die Verkehrs­ mengendifferenz groß ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Prognose über ein Ausdehnen bzw. ein Zurückbilden eines Be­ reichs synchronisierten Verkehrs durch eine Fuzzy-Logik vorge­ nommen wird, welche die für den Prognosezeitraum (t_p) prognosti­ zierte Verkehrsmengendifferenz zwischen der aus dem Bereich syn­ chronisierten Verkehrs abfließenden und der ihm zufließenden Verkehrsmenge in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifiziert und mindestens die Fuzzy-Regeln beinhaltet, wonach sich der synchro­ nisierte Verkehr zurückbildet, wenn die Verkehrsmengendifferenz groß ist, und sich der synchronisierte Verkehr ausdehnt, wenn die Verkehrsmengendifferenz klein ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verkehrszustand wenigstens hinsichtlich der Zustandsphasen freier Verkehr, synchronisierter Verkehr und Stau bzw. Verkehrsbereichen sich bewegender breiter Staus prognostiziert wird, je­ der dieser Zustandsphasen bzw. Verkehrsbereichen eine eigene mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordnet wird und eine Reise­ zeitprognose durchgeführt wird, wonach sich die zu erwartende Reisezeit als Summe der Reisezeiten für das Durchfahren der ver­ schiedenen aufeinanderfolgenden Verkehrszustandsphasen bzw. Ver­ kehrsbereiche ergibt.

15. Vorrichtung zur Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz, insbesondere einem Straßenverkehrsnetz, mit
mehreren stationären und/oder beweglichen Verkehrsmeßstel­ len (M_F1, M_F2, M_F3, S1 bis S4) zur Aufnahme von Verkehrsmeßdaten und
einer Verkehrszentrale (2) mit einer Recheneinheit (2b) zur Auswertung der aufgenommenen Verkehrsmeßdaten zwecks Verkehrszu­ standsermittlung,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Recheneinheit (2b) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist.