EP2161698A1

EP2161698A1 - Verfahren zur Koordinierung von lichtsignalgesteuerten Knoten in einem Straßennetz

Info

Publication number: EP2161698A1
Application number: EP09165735A
Authority: EP
Inventors: Andreas Poschinger; Reinhold Tannert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: EP2161698B1; DK2161698T3; PL2161698T3; DE102008045631A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Koordinierung von lichtsignalgesteuerten Knoten (1, 2, 3) in einem Straßennetz, in welchem der Fahrzeugverkehr an einem Knoten (1, 2, 3) durch eine Haupt- und eine Nebenrichtungs-Signalgruppe (H, N) einer Lichtsignalanlage gesteuert wird. Zur Bestimmung einer optimalen Versatzzeit wird eine Zielfunktion (PI) minimiert, die von den Phasenfolgen der Signalzeitenpläne des Hauptknotens (2, 3) und des letzten Vorknotens (1, 2), von der Versatzzeit zwischen diesen Signalzeitenplänen sowie von die Fahrzeugpulks modellierenden Intensitätsverteilungen abhängt. Je Signalgruppe (H, N) werden Intensitätsverteilungen eines sich der Signalgruppe (H, N) nähernden und eines von der Signalgruppe (H, N) gesendeten Fahrzeugpulks modelliert. Indem bei der Ermittlung der optimalen Versatzzeit für den Hauptknoten (3) bewertet wird, wie gut eine Intensitätsverteilung, die für einen sich der Signalgruppe (H2) des letzten Vorknotens (2) gegen die Optimierungsrichtung (OPT) nähernden Fahrzeugpulk modelliert wird, mit der Intensitätsverteilung übereinstimmt, die bei Koordinierung des letzten Vorknotens (2) für einen von der Signalgruppe (H2) des letzen Vorknotens (2) gegen die Optimierungsrichtung (OPT) zum vorletzten Vorknoten (1) gesendeten Fahrzeugpulk modelliert wurde, werden der Realität näher kommende Fahrzeugpulks modelliert und verbesserte Koordinierungsergebnisse erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Koordinierung von lichtsignalgesteuerten Knoten eines Straßennetzes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In innerstädtischen Straßennetzen wird der Fahrzeugverkehr an Knotenpunkten, im Folgenden kurz Knoten genannt, durch Lichtsignalanlagen gesteuert. Eine Lichtsignalanlage umfasst zu Signalgruppen für unterschiedliche Verkehrsströme gruppierte Signalgeber zur Abgabe von Lichtsignalen an die Verkehrsteilnehmer. Typischerweise liegt an einem Knoten eine Hauptrichtungs-Signalgruppe zur Steuerung des Verkehrs längs einer Hauptverkehrsrichtung am Knoten und eine Nebenrichtungs-Signalgruppe zur Steuerung des in eine Nebenverkehrsrichtung abbiegenden oder aus dieser einbiegenden Verkehrs vor. Die Lichtsignalanlage umfasst ferner ein Steuergerät, in welchem ein Signalprogramm abläuft, um die Signalgruppen gemäß bestimmter Signalzeiten anzuschalten. Die Signalzeiten umfassen für jede Signalgruppe die Grünzeiten, definiert durch die Zeitpunkte Grünbeginn und Grünende innerhalb einer Umlaufzeit, sowie eine Phasenfolge von den Fahrzeugverkehr sperrenden Rot- und freigebenden Grünphasen. Grundsätzlich unterscheidet man Festzeit-Signalsteuerungen mit festgelegten, beispielsweise tageszeitabhängigen, Signalzeiten ohne Einwirkungsmöglichkeiten durch Verkehrsteilnehmer und verkehrsabhängige Signalsteuerungen, bei welchen der Verkehrsteilnehmer das Signalprogramm beeinflussen kann. Bei teil- oder vollverkehrsabhängigen Steuerungen ist das Signalprogramm als Rahmensignalplan vorgegeben, dessen Phasenübergänge unter Einhaltung von Zwischenzeiten unveränderlich sind, dessen Dauern jedoch bedarfsweise innerhalb vorgebbarer Erlaubnisbereiche gedehnt oder gestaucht werden können.
Für die Steuerung des Verkehrsablaufs durch Lichtsignalanlagen über mehrere Knoten hinweg ist die Grüne Welle von besonderer Bedeutung. Sie wird durch Koordinierung der Signalprogramme benachbarter Knoten erreicht, bei der die Mehrzahl der Fahrzeuge unter Einhaltung einer bestimmten Geschwindigkeit mehrere Knoten ohne Halt passieren kann. Dabei werden die Grünzeiten in Fahrtrichtung hintereinander liegender Knoten durch Versatz der Signalprogramme aufeinander abgestimmt. Die Grüne Welle im Straßennetz oder im Straßenzug dient vorwiegend dazu, die Summe aller personenbezogenen Reisezeiten zu verringern, den Fahrkomfort zu verbessern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Umwelt möglichst wenig durch Lärm und Schadstoffe zu beeinträchtigen. Dazu - wie auch zur Erhöhung der Verkehrssicherheit - wird angestrebt, die Streuung der Geschwindigkeiten der einzelnen Fahrzeuge sowie die Anzahl der Halte aller Fahrzeuge möglichst klein zu halten. Im Straßennetz ist eine Gesamtoptimierung anzustreben. Grüne Wellen für den Kraftfahrzeugverkehr sind bei Entfernungen zwischen Lichtsignalanlagen von bis zu 750 m, in besonderen Fällen auch bis zu 1000 m, zu empfehlen. Bei größeren Abständen lösen sich Fahrzeugpulks so weit auf, dass eine Koordinierung der Lichtsignalanlagen nicht mehr sinnvoll ist.
Zur Koordinierung von Lichtsignalanlagen steht neben der Versatzzeit die Auswahl der Phasenfolge als Stellgröße zur Verfügung. Bei der Optimierungsaufgabe handelt es sich um ein Problem der Komplexitätsklasse NP, kurz für: nichtdeterministisch mit polynomieller Rechenzeit. Es ist kein Optimierungsverfahren bekannt, das die ursprüngliche Optimierungsaufgabe löst und dabei das globale Minimum garantiert.
Ein Ansatz, mit diesem Dilemma umzugehen, besteht darin, die Versatzzeiten regelbasiert zu ermitteln. Dies wird insbesondere bei der Offline-Planung Grüner Wellen eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Reisezeiten zwischen den Knoten werden paarweise möglichst breite Grünbandüberlappungen verwendet. Eine Optimierung im eigentlichen Sinne findet nicht statt. Ein Wirkungsmodell zur Ermittlung von Wartezeiten und Halten wird nicht benötigt.
Ein anderer Ansatz sieht die Anwendung solcher heuristischer Optimierungsverfahren vor, die dafür bekannt sind, lokale Optima zu vermeiden, wie zum Beispiel Genetische Algorithmen, um zu einem Optimum zu gelangen, ohne dabei die ursprüngliche Optimierungsaufgabe zu verändern. Gewöhnlich werden zusätzliche Randbedingungen eingeführt, die den möglichen Lösungsraum einengen.
Ein weiterer Ansatz formuliert die Optimierungsaufgabe so um, dass sie nicht mehr NP-schwer ist. Hierzu ist aus der Broschüre "Versatzoptimierung im Straßennetz: VERO", herausgegeben 11/1994 von Siemens AG, Bestell-Nr. A24705-X-A367-*-04, ein Verfahren zur Optimierung der Koordinierung von Lichtsignalanlagen in einem Straßennetz bekannt, das von den Intensitätsverteilungen der einzelnen Zuflüsse an einer Lichtsignalanlage, also der Aufteilung der jeweils am Ende der Zufahrt ankommenden Verkehrsintensität, ausgeht. In einem Optimierungsplan wird eine Reihenfolge der Knoten festgelegt - und damit eine Optimierungsrichtung -, in der die Knoten koordiniert werden. Zwischen den Signalzeitenplänen des aktuell zu koordinierenden Knotens, im Folgenden Hauptknoten genannt, und dem oder den bereits koordinierten benachbarten Knoten, im Folgenden letzter oder letzte Vorknoten genannt, werden optimale Versatzzeiten ermittelt. Hierzu wird eine Zielfunktion in Form einer gewichteten Summe aus Wartezeiten und Anzahlen von Halten von Fahrzeugen sich in und gegen Optimierungsrichtung zwischen dem letzten Vorknoten und dem Hauptknoten bewegender Fahrzeugpulks minimiert. Die Wartezeiten und Anzahlen von Halten hängen dabei von den Phasenfolgen der Signalzeitenpläne des Hauptknotens und des letzten Vorknotens, von der Versatzzeit zwischen diesen Signalzeitenplänen sowie von die Fahrzeugpulks modellierenden Intensitätsverteilungen ab. Je Signalgruppe werden eine Intensitätsverteilung eines sich der Signalgruppe nähernden Fahrzeugpulks und eine Intensitätsverteilung eines von der Signalgruppe gesendeten Fahrzeugpulks modelliert. Als Intensitätsverteilungen werden rechteckförmige Profile mit einem Abschnitt hoher und einem niedriger Intensität, parabelförmig approximierte Profile oder beliebige, aus gemessenen Daten gewonnene Profilformen verwendet.
Wie weiter unten näher beschrieben, leidet dieses bekannte Koordinierungsverfahren unter dem Nachteil, dass die modellierten Intensitätsverteilungen vor und nach den Signalgruppen des Hauptknotens die realen Fahrzeugpulks nicht gut genug nachbilden und daher zu suboptimalen Koordinierungsergebnissen führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches gegenüber dem genannten Stand der Technik verbesserte Koordinierungsergebnisse liefert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes Koordinierungsverfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Bei der Ermittlung der optimalen Versatzzeit für den Hauptknoten wird bewertet, wie gut eine Intensitätsverteilung, die für einen sich der Signalgruppe des letzten Vorknotens gegen die Optimierungsrichtung nähernden Fahrzeugpulk modelliert wird, mit der Intensitätsverteilung übereinstimmt, die bei Koordinierung des letzten Vorknotens für einen von der Signalgruppe des letzen Vorknotens gegen die Optimierungsrichtung zum vorletzten Vorknoten gesendeten Fahrzeugpulk modelliert wurde. Alternativ oder gleichzeitig wird bewertet, wie gut eine Intensitätsverteilung, die für einen sich der Signalgruppe des Hauptknotens in Optimierungsrichtung nähernden Fahrzeugpulk modelliert wird, mit der Intensitätsverteilung übereinstimmt, die bei Koordinierung eines nächsten Folgeknotens, also eines dem Hauptknoten benachbarten und im Optimierungsplan folgenden Knoten, für einen von der Signalgruppe des Hauptknotens in Optimierungsrichtung gesendeten Fahrzeugpulk modelliert werden wird. Hierdurch wird dem Problem begegnet, dass Ankunftsverteilungen von sich gegen die Optimierungsrichtung bzw. Abfahrtsverteilungen von sich in Optimierungsrichtung bewegenden Fahrzeugpulks wegen der noch nicht koordinierten Signalgruppen am Hauptknoten noch nicht bekannt sind. Hierdurch können Intensitätsverteilungen für Fahrzeugpulks nachgebildet werden, die der Realität näher kommen und zu besseren Koordinierungsergebnissen führen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens wird die Intensitätsverteilung, die für einen von einer Hauptrichtungs-Signalgruppe des vorletzten Vorknotens zum letzten Vorknoten gesendeten Fahrzeugpulk modelliert wurde, unter Berücksichtigung der Signalisierung der Hauptrichtungs-Signalgruppe des letzten Vorknotens für einen vom letzten Vorknoten zum Hauptknoten gesendeten Fahrzeugpulk weiterpropagiert. Die Intensitätsverteilungen werden also in Optimierungsrichtung über den zu koordinierenden Hauptknoten hinweggerechnet bzw. bei Ankunft des Fahrzeugpulks während der Grünzeit unverändert weiterpropagiert, was grafisch in einem Zeit-Weg-Diagramm einem Durchschieben des Hauptrichtungs-Fahrzeugpulks entspricht. Die Fahrzeugpulks werden so angesetzt, wie sie vom Vorknoten gesendet wurden. Damit wird die Modellierungsunzulänglichkeit, die dadurch entstand, dass die Form der sich nähernden Fahrzeugpulks bei jedem neu zu koordinierenden Hauptknoten als gleichverteilt angenommen wurde, vermieden. Die Form des Fahrzeugpulks ist damit nicht mehr nur von der Grünzeitverteilung der sendenden Signalgruppe des letzten Vorknotens abhängig, sondern auch vom vorletzten oder weiteren Vorknoten. Bei Ankunft des Fahrzeugpulks während der Rotzeit wird dieser von der Signalgruppe mit zweistufiger Intensitätsverteilung ab Grünbeginn weiterpropagiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens wird die Intensitätsverteilung, die für einen von einer Nebenrichtungs-Signalgruppe des vorletzten Vorknotens gesendeten und sich dem letzten Vorknoten während dessen Rotphase nähernden Fahrzeugpulk modelliert wurde, als Teil des von der Hauptrichtungs-Signalgruppe des letzten Vorknotens zum Hauptknoten gesendeten Fahrzeugpulks weiterpropagiert. Der in Optimierungsrichtung am Vorknoten auflaufende Nebenrichtungs-Fahrzeugpulk wird ab Grünbeginn mit hoher Intensität weiterpropagiert, wobei er mit dem vom Vorknoten zum Hauptknoten gesendeten Hauptrichtungs-Fahrzeugpulk verschmilzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens werden zur Modellierung von sich gegen die Optimierungsrichtung bewegenden Fahrzeugpulks zweistufige Intensitätsverteilungen mit zwei Abschnitten konstanter Intensität unterschiedlicher Höhe oder einstufige Intensitätsverteilungen mit nur einem Abschnitt konstanter Intensität vorgesehen sind. Damit kann gewählt werden zwischen den bekannten zweistufigen Intensitätsverteilungen für Hauptrichtungspulks, die bevorzugt in Zufahrten am Netzrand verwendet werden, und einer alternativen einstufigen Intensitätsverteilung, die besser der erwarteten Fahrzeugpulkform in einem koordinierten Straßenzug entspricht und daher bevorzugt für solche Koordinierungspulks im Netzinneren verwendet wird. Die Breite der Pulkform ist dabei nicht abhängig von der Grünzeitverteilung, was bei Verwendung der zweistufigen Form sowohl für den Abschnitt hoher als auch für den niedriger Intensität der Fall ist.
Vorzugsweise unterscheiden sich die vorgesehenen Intensitätsverteilungen durch einen Zeitabstand, um den der Abschnitt konstanter Intensität bei einer einstufigen Intensitätsverteilung bzw. um den der Abschnitt konstanter Intensität höheren Wertes bei einer zweistufigen Intensitätsverteilung innerhalb der Grünzeit der Hauptrichtungs-Signalgruppe von Grünbeginn verschoben ist. Indem Koordinierungen nicht nur bei Grünbeginn und bei Grünende in Betracht gezogen werden, die bereits gute Koordinierungsergebnisse liefern, sondern auch noch Zwischenlösungen, wird der Lösungsraum möglicher Intensitätsverteilungen mit Vorteil erweitert, vorzugsweise für sich gegen die Optimierungsrichtung bewegende Hauptrichtungs- und Koordinierungspulks.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens wird die Zielfunktion über eine Vielzahl an möglichen Phasenfolgen und/oder über eine Vielzahl an Intensitätsverteilungen mit möglichen Zeitabständen variiert, um die optimale Phasenfolge und/oder die Intensitätsverteilung mit optimalem Zeitabstand jeweils bei optimaler Versatzzeit zu bestimmen. Neben planerischen Vorgaben können diese Intensitätsverteilungen mit Vorteil automatisiert angewendet werden, um eine optimierte Koordinierung zu bestimmen. Damit kann die Erfindung nicht nur zur Optimierung der Versatzzeiten allein, sondern auch zur Optimierung der Phasenfolgen und/oder der Intensitätsverteilungen verwendet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens wird zur Berücksichtigung einer Dispersion und/oder von Ausbiegern eines Fahrzeugpulks die Intensitätsverteilung für einen von einer Signalgruppe gesendeten Fahrzeugpulk mit wenigstens einem Abschnitt konstanter, maximaler Intensität modelliert, deren Wert geringer als die maximal mögliche Intensität angesetzt wird.
Der reduzierte Intensitätswert entspricht eher der realen bzw. in Realität erwarteten, maximalen Intensität, die aus den sich dieser Signalgruppe nähernden realen bzw. in Realität erwarteten Fahrzeugpulks anhand realer zeitlicher Pulklängen ermittelt werden kann. Hierdurch kann eine Dispersion der sich in und insbesondere gegen die Optimierungsrichtung bewegenden Fahrzeugpulks sowie durch Abbiegeraten bedingte Effekte der Realität nachgebildet werden, was besonders für eine richtige Versatzzeitbemessung erforderlich ist. Ansonsten besteht die Gefahr der Modellierung zu schmaler Grünbänder.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Koordinierungsverfahrens ergeben sich aus einem anhand der Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispiels, in deren

FIG 1: die Topologie eines zu koordinierenden Straßenzugs,
FIG 2: Intensitätsverteilungen eines Fahrzeugpulks an einer Nebenrichtungs-Signalgruppe gemäß Stand der Technik,
FIG 3: Intensitätsverteilungen eines Fahrzeugpulks an einer Hauptrichtungs-Signalgruppe gemäß Stand der Technik,
FIG 4: ein Zeit-Weg-Diagramm mit gegen die Optimierungsrichtung koordinierten Knoten gemäß Stand der Technik,
FIG 5: ein Zeit-Weg-Diagramm mit in Optimierungsrichtung koordinierten Knoten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
FIG 6: eine alternative Intensitätsverteilung eines Fahrzeugpulks an einer Signalgruppe bei angenommenem koordinierten Knoten,
FIG 7: Intensitätsverteilungen eines Fahrzeugpulks an einer Signalgruppe bei zu Grünbeginn und zu Grünende koordiniertem Knoten,
FIG 8: Intensitätsverteilungen eines Fahrzeugpulks an einer Hauptrichtungs-Signalgruppe bei zu Grünbeginn und zu Grünende koordiniertem Knoten,
FIG 9: ein Zeit-Weg-Diagramm mit gegen die Optimierungsrichtung koordinierten Knoten unter Verwendung der Intensitätsverteilungen nach FIG 7,
FIG 10: Intensitätsverteilungen eines sich gegen die Optimierungsrichtung bewegenden Fahrzeugpulks mit Berücksichtung einer Pulkdispersion,

Das erfindungsgemäße Koordinierungsverfahren ist nicht auf eine bestimmte Netztopologie oder auf spezielle Signalisierungen an den Knoten beschränkt. Der Einfachheit halber wird den nachfolgenden Ausführungen jedoch die Topologie eines Netzausschnittes gemäß FIG 1 zugrunde gelegt, wonach der Kraftfahrzeugverkehr längs eines Straßenzuges durch an drei hintereinander liegenden Knoten 1, 2, 3 angeordnete Lichtsignalanlagen gesteuert wird. Die Hauptverkehrsrichtung verläuft entlang dieses Straßenzuges, auf dem Zeichnungsblatt von unten nach oben bzw. von oben nach unten, wobei über Nebenverkehrsrichtungen definierende Seitenäste an den Knoten 1, 2, 3 Kraftfahrzeuge in die Hauptverkehrsrichtung einbiegen bzw. daraus abbiegen. Lichtsignalanlagen mit zwei- oder dreibegriffigen Signalgebern, die zu Signalgruppen zusammengefasst und durch ein in einem Knotenpunkt-Steuergerät ablaufenden Signalprogramm mit einem verkehrsabhängigen oder tageszeitabhängigen Signalzeitenplan angesteuert werden, sind an sich bekannt und in FIG 1 nicht vollständig dargestellt.
Am ersten Knoten 1 wird der Verkehr in Hauptverkehrsrichtung durch eine Signalgruppe H1 mit einem Signalzeitenplan SZP_H1 und in Nebenverkehrsrichtung durch eine Signalgruppe N1 mit einem Signalzeitenplan SZP_N1 gesteuert. Entsprechend wird der Verkehr am zweiten Knoten 2 bzw. am dritten Knoten 3 durch Signalgruppen H2 bzw. H3 mit Signalzeitenplänen SZP_H2 bzw. SZP_H3 für die Hauptverkehrsrichtung und Signalgruppen N2 bzw. N3 mit Signalzeitenplänen SZP_N2 bzw. SZP_N3 für die Nebenverkehrsrichtungen gesteuert. Im Folgenden wird von einer einheitlichen Umlaufzeit t_U für sämtliche Signalzeitenpläne ausgegangen, so dass zur Koordinierung der Lichtsignalanlagen möglichst optimale Versatzzeiten zwischen deren Signalzeitenplänen, also deren relative Startzeitverschiebungen, zu bestimmen sind.
Hierzu wird zunächst ein sogenannter Optimierungsplan festgelegt, der die Reihenfolge angibt, in der die Knoten 1, 2, 3 in die Optimierung einbezogen werden. Beispielsweise kann der Optimierungsplan "1 - 2 - 3" vorgegeben werden: Nach Optimierung des Knotens 1 folgt die Optimierung des Knotens 2 und danach schließlich die Optimierung des Knotens 3. Jeder Knoten 1, 2, 3 wird dabei einzeln optimiert.
Zur Optimierung der Versatzzeit wird folgendermaßen vorgegangen: Ist beispielsweise der Knoten 1 bereits optimiert, d.h. die optimale zeitliche Lage des Signalzeitenplans SZP_H1 bzw. SZP_N1 festgelegt, so wird eine versatzzeitabhängige Zielfunktion, in die beispielsweise die jeweils bewirkten Halte und Wartezeiten eingehen, durch Variation der Versatzzeit zwischen dem koordinierten Signalzeitenplan SZP_H1 und dem zu koordinierenden Signalzeitenplan SZP_H2 minimiert.
Die Wirkungen werden gemäß dem eingangs geschilderten Stand der Technik nur an den jeweils unmittelbar benachbarten, bereits koordinierten Vorknoten 1 ermittelt. Bei Optimierung des Hauptknotens 2 werden also einerseits die Wirkungen am Vorknoten 1 durch die sich vom Hauptknoten 2 zum Vorknoten 1 - entgegen die Optimierungsrichtung OPT - bewegenden Fahrzeuge und andererseits die Wirkungen am Hautpknoten 2 durch die sich vom Vorknoten 1 zum Hauptknoten 2 - in Optimierungsrichtung OPT - bewegenden Fahrzeuge berücksichtigt.
Zur Ermittlung der Wirkungen einer Versatzzeit auf die Bewegungen der Fahrzeuge werden Verteilungen der Verkehrsintensitäten über einen Signalumlauf eines sich einer Signalgruppe nähernden Fahrzeugpulks und eines von der Signalgruppe gesendeten Fahrzeugpulks modelliert. Der Fahrzeugpulk vom Vorknoten 1 zum Hauptknoten 2 wird beispielsweise von einer oder mehreren Signalgruppen H1, N1 am Vorknoten 1 gesendet. Im eingangs geschilderten Stand der Technik wird gemäß FIG 2 für einen Fahrzeugpulk aus den Nebenrichtungen N eine gleichbleibende Intensität während der Grünzeit der sendenden Signalgruppe N und eine verschwindende Intensität während deren Rotzeit modelliert, und zwar für die Intensitätsverteilungen sowohl vor i_N ^- als auch nach i_N ⁺ der Signalgruppe N. Im Signalzeitenplan SZP_N ist ein Signalumlauf dargestellt, der mit der Zeiteinheit t bei 0 beginnt und mit der Umlaufzeit t_U endet; die Grünzeit ist zwischen Grünbeginn t_Gb und Grünende t_Ge durch einen leeren Balken, die restliche Rotzeit durch einen Balken mit Strich gekennzeichnet. Die Intensitätsverteilung i_H ^- des sich in Hauptverkehrsrichtung der Signalgruppe H nähernden Fahrzeugpulks wird gemäß FIG 3 als konstant während der gesamten Umlaufzeit t_U modelliert; die Intensitätsverteilung i_H ⁺ nach der Signalgruppe H wird mit einer hohen Intensität i_h in Höhe der Sättigungsverkehrsstärke ab Grünbeginn t_Gb und dann mit einer niedrigeren Intensität in für die restliche Grünzeit bis Grünende t_Ge modelliert.
In dem Zeit-Weg-Diagramm gemäß FIG 4 sind die sich jeweils aus einer gemäß Stand der Technik optimierten Versatzzeit ergebenden Intensitätsverteilungen für Fahrzeugpulks gegen die Optimierungsrichtung OPT gezeigt. Die Intensitätsverteilung eines Fahrzeugpulks wird von Knoten 2 nach Knoten 1 modelliert. Dabei wird die zweistufige Intensitätsverteilung für einen Hauptrichtungspulk gemäß FIG 3 verwendet, wobei der schraffierte Bereich den Anteil hoher Intensität i_h markiert, der unschraffierte Bereich den Anteil niedriger Intensität i_n. Nach diesem Modell wird die Versatzzeit des Signalzeitenplans SZP_H2 zum Signalzeitenplan SPH1 optimiert. Anschließend wird die Intensitätsverteilung eines Fahrzeugpulks von Knoten 3 nach Knoten 2 modelliert, um die Versatzzeit des Signalzeitenplans SZP_H3 zum Signalzeitenplan SP_H2 zu optimieren. Der Fahrzeugpulk von Knoten 3 zu Knoten 2 hat am Knoten 2 eine andere Lage als der Fahrzeugpulk von Knoten 2 zum Knoten 1. Unter der Annahme, dass der Knoten 3 der erste im Straßenzug ist, entspricht die modellierte Intensität des Fahrzeugpulks von Knoten 3 zu Knoten 2 weitgehend der Realität, nicht aber die modellierte Intensität des Fahrzeugpulks von Knoten 2 nach Knoten 1. Verlängert man gedanklich den Anteil hoher Intensität i_h des Fahrzeugpulks von Knoten 3 nach Knoten 2, der diesen ja während der Grünzeit am Knoten 2 passiert, bis zum Knoten 1, so stell man fest, dass die meisten Fahrzeuge dieses Fahrzeugpulks an Knoten 1 während dessen Sperrzeit eintreffen - also halten müssen. Diese problematische Modellierung der Fahrzeugpulks wird im eingangs genannten Stand der Technik sowohl in als auch gegen Optimierungsrichtung verwendet.
Erfindungsgemäß wird nun diese Fehlmodellierung in Optimierungsrichtung vermieden, indem die Intensitätsverteilung "durchgeschoben" wird: nach Optimierung der Versatzzeit am Knoten 1 werden die Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks von Knoten 1 nach Knoten 2 modelliert. Anschließend werden nach Optimierung der Versatzzeit am Knoten 2 die Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks von Knoten 2 nach Knoten 3 modelliert, wobei vor der Signalgruppe H2 am Knoten 2 die Intensitätsverteilung nicht mehr (wie in FIG 3) als über die Umlaufzeit t_U gleichverteilt angenommen wird, sondern entsprechend der vom Knoten 1 her modellierten Intensitätsverteilung. Entsprechend bleibt gemäß FIG 5 der Hauptrichtungspulk von Knoten 1 über Knoten 2 bis hin zum Knoten 3 unverändert in der Form seiner Intensitätsverteilung. Der Hauptrichtungspulk von Knoten 1 mit seiner hohen Intensität i₁ ab Grünbeginn und seiner niedrigen Intensität i₂ bis Grünende passiert den Knoten 2 bei Grün und bleibt in seiner Form unverändert von Knoten 2 nach Knoten 3 mit den zwei gestuften Bereichen erst hoher Intensität i₄ und dann niedriger Intensität i₃. Der Nebenrichtungspulk von Knoten 1 mit niedriger Intensität i₅ läuft am Knoten 2 während dessen Rotzeit auf und wird dort dann als Bereich hoher Intensität i₆ von Knoten 2 zu Knoten 3 weiterpropagiert. Die Intensitätsbereiche i₃, i₄ und i₆ verschmelzen dabei zu einem neuen Hauptrichtungspulk, wobei nur dessen Intensitätsanteile i₃ und i₄ aus der Hauptrichtung stammen. Am Knoten 3 verschmelzen entsprechend die aufgelaufenen Anteile des Hauptrichtungspulks i₃, i₄ und i₆ mit der Intensität i₇ des Nebenrichtungspulks von Knoten 2 zu Knoten 3 zu einem neuen Fahrzeugpulk mit nicht dargestellter Intensitätsverteilung. Die einzelnen Intensitätsprofile sind zur Veranschaulichung jeweils als Querschnitt nach links in die Zeichenebene geklappt.
Gegen die Optimierungsrichtung OPT können die Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks nicht "durchgeschoben" werden. Die Intensitätsverteilungen der ankommenden Fahrzeugpulks sind nicht bekannt, weil die Knoten der dazu benötigten Signalgruppen noch nicht optimiert sind. Entsprechend wird hier weiterhin mit gleichverteilten Intensitäten vor den Signalgruppen gerechnet.
Die Genauigkeit der Pulkmodellierung wird erfindungsgemäß verbessert, indem beim Optimieren eines Knotens bewertet wird, wie gut die die Intensitätsverteilungen der an den benachbarten, schon optimierten Knoten ankommenden Fahrzeugpulks mit denjenigen Intensitätsverteilungen übereinstimmen, die zuvor zu deren Optimierung verwendet wurden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Hauptknoten 3 so optimiert, dass die Intensitätsverteilungen der vom Hauptknoten 3 am letzen Vorknoten 2 ankommenden Fahrzeugpulks möglichst den Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks entsprechen, die zuvor für Fahrzeugpulks modelliert wurden, die vom letzten Vorknoten 2 zu dessen Vorknoten 1 gesendet wurden, um die Versatzzeit am Knotenpunkt 2 zu optimieren.
Eine einfache Ausführung zur Einhaltung der Intensitätsverteilung ankommender Fahrzeugpulks besteht in einer Modifizierung der Zielfunktion PI. Diese besteht nach dem eingangs erwähnten Stand der Technik aus einer gewichteten Summe von Wartezeiten w_s(t) und Halten h_s(t) je Signalgruppe s am Knoten mit insgesamt S Signalgruppen, beispielsweise H und N, über einen Signalumlauf t von 0 bis t_U-1, wobei α_s (z.B. 0,01) und β_s (z.B. 0,8) Gewichtungsfaktoren mit beispielsweise den in Klammern angegebenen Werten sind: $PI = Σ_{t = 0}^{t_{U - 1}} Σ_{s = 1}^{S} (α_{s} \cdot w_{s} (t) + β_{s} \cdot h_{s} (t) + γ_{s} \cdot (g_{s} (t) \cdot {\overline{h}}_{s} (t) + h_{s} (t)))$
Erfindungsgemäß wird die Zielfunktion PI um einen zusätzlichen, mit dem Gewichtungsfaktor γ_s (z.B. 0,8) multiplizierten Term je Signalgruppe s und Umlaufzeiteinheit t erweitert, der die Modellierungsgenauigkeit des jeweiligen Fahrzeugpulks angibt.
_s(t) gibt die Anzahl von Fahrzeugen zur Umlaufzeiteinheit t an der Signalgruppe s an, die ohne Halt die Signalgruppe s durchfahren kann, sinngemäß also die Zahl der Fahrzeuge, die nicht halten müssen: ${\overline{h}}_{s} (t) = c_{s} (t) - h_{s} (t)$
Hierbei ist c_s(t) die Anzahl der zur Umlaufzeiteinheit t an der Signalgruppe s ankommenden Fahrzeuge. g_s(t) modelliert eine linear steigende Funktion, die bei Grünbeginn t_Gb den Wert 0 und bei Grünende t_Ge den Wert 1 annimmt, wenn bei Grünbeginn t_Gb koordiniert wird, und eine entsprechend linear fallende Funktion, wenn bei Grünende t_Ge koordiniert wird.
Alternativ kann anstelle einer linearen Funktion eine invertierte Intensitätsverteilung der einzuhaltenden Pulk-Intensitätsverteilung genommen werden: $g_{s} (t) = i_{\max, s} - i_{s} {}^{+}{(t)}$
Hierbei sind i_max,s die maximale Intensität an der Signalgruppe s, die im Hauptrichtungspulk der hohen Intensität i_h zu Grünbeginn t_Gb entspricht. i_s ⁺(t) gibt die Intensitätsverteilung nach der Signalgruppe s an.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn für die Optimierungsrichtung anstelle des Standardprofils wahlweise ein Profil mit nur einer Pulkintensität i_k gemäß FIG 6 verwendet wird. Der zugrunde liegende Fahrzeugpulk wird Koordinierungspulk genannt, weil seine Intensitätsverteilung besser der erwarteten Form eines koordinierten Knotens entspricht, bei dem die Intensität vor und nach der sendenden Signalgruppe ab Grünbeginn t_Gb für eine bestimmte Zeit einen konstanten Wert i_k hat, der dann - noch während der Grünzeit - auf Null abfällt, wenn alle Fahrzeuge des Koordinierungspulks den Knoten passiert haben. Bei gegebener Verkehrsstärke ist die Breite des Koordinierungspulks nicht von der Länge der Sperrzeit abhängig. Hingegen sind bei Verwendung der Intensitätsverteilung für den Hauptrichtungspulk gemäß FIG 3 die Breiten sowohl des Bereichs hoher Intensität i_h als auch des Bereichs niedriger Intensität i_n von der Grünzeitverteilung abhängig.
Der Koordinierungspulk und der Hauptrichtungspulk starten normalerweise bei Grünbeginn t_Gb, wie dies in FIG 7 bzw. FIG 8 jeweils im oberen Bild der zugehörigen Intensitätsverteilungen i_Gb dargestellt ist. Dies schränkt den Lösungsraum jedoch stark ein, da gegen die Optimierungsrichtung OPT dadurch nur Lösungen erlaubt werden, bei welchen der koordinierte Fahrzeugpulk möglichst bei Grünbeginn t_Gb durchfährt. Erfindungsgemäß kann daher vorgesehen werden, für den Koordinierungspulk und für den Hauptrichtungspulk Intensitätsverteilungen zuzulassen, die unterschiedlich große Zeitabstände Δt von Grünbeginn t_Gb aufweisen. Die unteren Bilder in FIG 7 bzw. FIG 8 zeigen Intensitätsverteilungen i_Ge des Koordinierungspulks und des Hauptrichtungspulks, bei welchen die Intensitätsverteilung bzw. der Bereich hoher Intensität bis zum Grünende t_Ge hin verschoben sind. Allein die Auswahl dieser beiden Formen von Intensitätsverteilungen i_Gb und i_Ge liefert sehr gute Koordinierungslösungen. Prinzipiell können jedoch mehrere Intensitätsverteilungen mit unterschiedlich langen Zeitabständen Δt in den Lösungsraum aufgenommen werden. Bei sekündlicher Auflösung ergeben sich maximal so viele verschiedene Zeitabstände Δt, wie die vorhandene Grünzeit abzüglich der zeitlichen Breite des Koordinierungspulks bzw. des Bereichs hoher Intensität des Hauptrichtungspulks, gemessen in Sekunden. Die Anwendung der unterschiedlichen Intensitätsverteilungen kann entweder über planerische Vorgaben oder automatisiert erfolgen, indem das Optimierungsverfahren alle erlaubten Zeitabstände Δt für alle Phasenfolgen bei bester Versatzzeit bewertet und dass die beste Kombination aus Phasenfolge und Zeitverschiebung auswählt.
Im Zeit-Weg-Diagramm gemäß FIG 9 ist eine Koordinierungsstruktur von Knoten 3 über Knoten 2 nach Knoten 1 dargestellt, bei der immer ein Koordinierungspulk mit einer Intensitätsverteilung gemäß FIG 7 verwendet wurde. Am Knoten 2 wurde eine Koordinierung mit einer nach Grünende t_Ge verschobenen Intensitätsverteilung i_Ge durchgeführt. Während die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung gemäß FIG 4 für die meisten Fahrzeuge der Hauptverkehrsrichtung einen Halt ergibt, erzeugt die in FIG 9 dargestellte Lösung keinen Halt gegen die Optimierungsrichtung OPT. Auch in Optimierungsrichtung OPT müssen nach FIG 5 die wenigsten Fahrzeuge halten.
Die Intensität eines über mehrere Knotenpunkte koordinierten Fahrzeugpulks nimmt von Lichtsignalanlage zu Lichtsignalanlage ab, da durch unterschiedlich schnell fahrende Fahrzeuge sowie durch abbiegende Fahrzeuge, die den zu koordinierenden Straßenzug verlassen, eine Dispersion des Fahrzeugpulks festzustellen ist. In Optimierungsrichtung OPT werden beide Effekte beim "Durchschieben" der Intensitätsverteilung des Fahrzeugpulks abgebildet. Gegen die Optimierungsrichtung OPT werden die Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks immer wieder von Neuem angesetzt, wodurch zunächst immer von der maximalen Intensität ausgegangen wird. Damit auch hier die Pulkdispersion abgebildet werden kann, wird die maximale Intensität i_max gemäß FIG 10 prozentual - beispielsweise auf 75% - reduziert, um die tatsächlichen Pulklängen nachzubilden. Die Reduktion der maximalen Intensität i_max ergibt eine zeitliche Verlängerung des Fahrzeugpulks. Hierdurch wird vermieden, die Intensitätsverteilungen der Fahrzeugpulks gegenüber der Realität räumlich und zeitlich zu kurz zu modellieren. Damit werden auch die Grünbänder nicht zu kurz ermittelt. Die Bestimmung der Intensitätsreduktion kann vom Ansatz her automatisch erfolgen, zum Beispiel durch Berücksichtigung der Abbiegeraten oder durch planerische Vorgaben.

Claims

Verfahren zur Koordinierung von lichtsignalgesteuerten Knoten (1, 2, 3) in einem Straßennetz, wobei der Fahrzeugverkehr an einem Knoten (1, 2, 3) durch wenigstens eine Signalgruppe (H, N) einer Lichtsignalanlage gesteuert wird, wobei in einem Signalzeitenplan (SZP_H, SZP_N) der Lichtsignalanlage für die Signalgruppe (H, N) innerhalb einer Umlaufzeit (t_U) durch Vorgabe von Grünbeginn (t_Gb) und Grünende (t_Ge) eine Phasenfolge von den Fahrzeugverkehr sperrenden Rot- und freigebenden Grünphasen festgelegt wird, wobei in einem Optimierungsplan eine Reihenfolge der Knoten (1, 2, 3) und damit eine Optimierungsrichtung (OPT) festgelegt werden, in welcher die Knoten (1, 2, 3) koordiniert werden, wobei eine optimale Versatzzeit zwischen den Signalzeitenplänen (SZP_H, SZP_N) des jeweils zu koordinierenden Hauptknotens (2, 3) und eines zuvor koordinierten Vorknotens (1, 2) ermittelt wird, indem eine Zielfunktion in Form einer gewichteten Summe aus Wartezeiten und Anzahlen von Halten von Fahrzeugen sich in und/oder gegen Optimierungsrichtung (OPT) zwischen dem letzten Vorknoten (1, 2) und dem Hauptknoten (2, 3) bewegender Fahrzeugpulks minimiert wird, wobei die Wartezeiten und Anzahlen von Halten von den Phasenfolgen der Signalzeitenpläne (SZP_H, SZP_N) des Hauptknotens (2, 3) und des letzten Vorknotens (1, 2), von der Versatzzeit zwischen diesen Signalzeitenplänen (SZP_H, SZP_N) sowie von die Fahrzeugpulks modellierenden Intensitätsverteilungen abhängen, wobei je Signalgruppe (H, N) eine Intensitätsverteilung (i_H ^-, i_N ^-) eines sich der Signalgruppe (H, N) nähernden Fahrzeugpulks und eine Intensitätsverteilung (i_H ⁺, i_N ⁺) eines von der Signalgruppe (H, N) gesendeten Fahrzeugpulks modelliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der optimalen Versatzzeit für den Hauptknoten (3) bewertet wird, wie gut eine Intensitätsverteilung, die für einen sich der Signalgruppe (H2) des letzten Vorknotens (2) gegen die Optimierungsrichtung (OPT) nähernden Fahrzeugpulk modelliert wird, mit der Intensitätsverteilung übereinstimmt, die bei Koordinierung des letzten Vorknotens (2) für einen von der Signalgruppe (H2) des letzen Vorknotens (2) gegen die Optimierungsrichtung (OPT) zum vorletzten Vorknoten (1) gesendeten Fahrzeugpulk modelliert wurde, und/oder wie gut eine Intensitätsverteilung, die für einen sich der Signalgruppe (H3) des Hauptknotens (3) in Optimierungsrichtung (OPT) nähernden Fahrzeugpulk modelliert wird, mit der Intensitätsverteilung übereinstimmt, die bei Koordinierung eines nächsten Folgeknotens für einen von der Signalgruppe (H3) des Hauptknotens (3) in Optimierungsrichtung (OPT) gesendeten Fahrzeugpulk modelliert werden wird.
Koordinierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensitätsverteilung, die für einen von einer Hauptrichtungs-Signalgruppe (H1) des vorletzten Vorknotens
(1) zum letzten Vorknoten (2) gesendeten Fahrzeugpulk modelliert wurde, unter Berücksichtigung der Signalisierung der Hauptrichtungs-Signalgruppe (H2) des letzten Vorknotens

(2) für einen zum Hauptknoten (3) gesendeten Fahrzeugpulk weiterpropagiert wird.
Koordinierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Intensitätsverteilung, die für einen von einer Nebenrichtungs-Signalgruppe (N1) des vorletzten Vorknotens
(1) gesendeten und sich dem letzten Vorknoten (2) während dessen Rotphase nähernden Fahrzeugpulk modelliert wurde, als Teil des von der Hauptrichtungs-Signalgruppe (H2) des letzten Vorknotens (2) zum Hauptknoten (3) gesendeten Fahrzeugpulks weiterpropagiert wird.
Koordinierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Modellierung von sich bewegenden Fahrzeugpulks zweistufige Intensitätsverteilungen mit zwei Abschnitten konstanter Intensität (i_h, i_n) unterschiedlicher Höhe oder einstufige Intensitätsverteilungen (i_k) mit nur einem Abschnitt konstanter Intensität vorgesehen sind.
Koordinierungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die vorgesehenen Intensitätsverteilungen sich durch einen Zeitabstand (Δt) unterscheiden, um den der Abschnitt konstanter Intensität bei einer einstufigen Intensitätsverteilung bzw. um den der Abschnitt konstanter Intensität höheren Wertes bei einer zweistufigen Intensitätsverteilung innerhalb der Grünzeit der Hauptrichtungs-Signalgruppe (H) von Grünbeginn (t_Gb) verschoben ist.
Koordinierungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Zielfunktion über eine Vielzahl an möglichen Phasenfolgen und/oder über eine Vielzahl an Intensitätsverteilungen mit möglichen Zeitabständen (Δt) variiert wird, um die optimale Phasenfolge und/oder die Intensitätsverteilung mit optimalem Zeitabstand jeweils bei optimaler Versatzzeit zu bestimmen.
Koordinierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Berücksichtigung einer Dispersion und/oder von Ausbiegern eines Fahrzeugpulks die Intensitätsverteilung (i⁺) für einen von einer Signalgruppe gesendeten Fahrzeugpulk mit wenigstens einem Abschnitt konstanter, maximaler Intensität (i_{max, red}) modelliert wird, deren Wert geringer als die maximal mögliche Intensität (i_max) angesetzt wird.