EP3714445A1 - Verfahren und vorrichtung zum dynamischen steuern einer lichtsignalanlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum dynamischen steuern einer lichtsignalanlage

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Publication number
EP3714445A1
EP3714445A1 EP18807049.4A EP18807049A EP3714445A1 EP 3714445 A1 EP3714445 A1 EP 3714445A1 EP 18807049 A EP18807049 A EP 18807049A EP 3714445 A1 EP3714445 A1 EP 3714445A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
loss time
estimated
phase
vehicles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18807049.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Markowski
Robert Oertel
Jan Trumpold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP3714445A1 publication Critical patent/EP3714445A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
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    • G08G1/0104—Measuring and analyzing of parameters relative to traffic conditions
    • G08G1/0108—Measuring and analyzing of parameters relative to traffic conditions based on the source of data
    • G08G1/0112—Measuring and analyzing of parameters relative to traffic conditions based on the source of data from the vehicle, e.g. floating car data [FCD]
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    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
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    • G08G1/08—Controlling traffic signals according to detected number or speed of vehicles
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    • G08G1/01—Detecting movement of traffic to be counted or controlled
    • G08G1/04—Detecting movement of traffic to be counted or controlled using optical or ultrasonic detectors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for dynamically controlling a traffic signal system.
  • Traffic lights are often used to control road traffic nodes. These have as a primary task to keep the waiting and loss times of the road users by a skillful release time distribution low. Often for this purpose in Germany established control procedures such as fixed-time control or
  • Traffic lights without a fixed orbital period are usually controlled by rules.
  • the overall traffic situation at the node is at most on request loops for other phases in combination with a maximum waiting time or requirements by public transport with a.
  • Freewheelers thus achieve greater flexibility than systems with fixed-time control or a master plan, but almost no longer account for interactions at the network level. So they are only for isolated
  • framework plans can be used instead of fixed schedules. These are characterized by certain core release times, which are matched to each other as in the fixed-time control, that an unobstructed passage of the network section should be possible.
  • stretch areas are provided where the release can generally be stretched based on rule-based approaches. In this way, a limited traffic dependence can be established.
  • this approach has the disadvantage that the phases are generally stretched maximum and thus adjusts the behavior of a fixed-time control again.
  • a disadvantage compared to the fixed-time control is additionally in the poor coordination of the nodes with each other, since the sole vote of the core release times for an ideal coordination is not sufficient.
  • Independent-decentralized control methods try to detect interactions at the network level on the basis of local measured values.
  • the advantage here is that no communication infrastructure must be set up to neighboring plants or a central processing unit. This is especially important where many traffic lights are not integrated into a communication network and the construction of such a network would be possible only with great effort.
  • the disadvantage of the independent-decentralized control method is that only the local data is available. This can, for example, impair the detection of vehicle sparks and cause the traffic light system to react too late. With an extension of the detection radius, however, this problem could be counteracted.
  • the second method is based on self-organized decentralized systems.
  • adjacent traffic signal systems can communicate with each other and thus, for example, expand their virtual forecast horizon, exchange requirements or otherwise coordinate with each other and thus further optimize their local control. For this, however, a corresponding communication infrastructure must be present or created.
  • the third method is based on centrally organized systems. Here are the
  • the central processing unit usually carries out an optimization on the basis of the aggregated measured values of the individual nodes, which as a result delivers, for example, direct control commands or master plans for the individual nodes.
  • the problem here is the increased complexity of the system. This can lead to long delays during communication, which means that the system can only respond to local changes with a delay.
  • such a system is also difficult to introduce and expand, since individual components are virtually without function in themselves and new components must be incorporated into an existing, complex overall system.
  • the invention is based on the technical problem, a method and a
  • a method for dynamically controlling a traffic signal system wherein phases of the traffic signal system are controlled by means of a control on the basis of a loss time, wherein the loss time a
  • an apparatus for dynamically controlling a traffic signal system comprising a controller, wherein the controller is designed to control phases of the traffic signal system by means of a control based on a loss time, the control comprising a prediction device, wherein the loss time is a total loss time of all a detection radius is located, and wherein the predicting means is adapted to estimate the total loss time based on current and estimated future vehicle positions in the detection radius.
  • the basic idea of the invention is to dynamically control a traffic light system at a node on the basis of the total loss time of all vehicles detected in a detection radius.
  • current, but also future loss times arising in the current circulation of the phases of the individual vehicles are taken into account.
  • the respective loss time is estimated based on the current and future vehicle positions in the detection radius.
  • the advantage of the invention is that an efficient control of nodes, taking into account interactions at the network level, can be realized without static approaches.
  • the real-time-capable, model-based approach estimates the resulting total loss time at the node, and in this way one
  • the device is not by a fixed orbital period
  • a number of vehicles in a queue and a queue length are estimated. This allows a queue length to be included in the dynamic control. The queue length is always updated when another vehicle is added to the corresponding inflow to the hub.
  • a remaining release time of a phase and a release start of a phase following this phase are estimated on the basis of the number of vehicles in the queue. This estimation then forms the basis for the estimation of the respective loss times of the vehicles in the phases following the current phase. The longer the current phase lasts, the longer vehicles that are not allowed to drive, wait, etc.
  • a loss time for each vehicle located in the detection radius is estimated on the basis of the remaining release duration, wherein for the loss time of a vehicle a respective loss of waiting time, a
  • Waiting Loss Time refers to the time that a vehicle stops at a standstill
  • the reaction loss time is the time that the vehicle needs to react after starting a preceding vehicle.
  • Acceleration Loss Time is the time it takes for the vehicle to be brought to its final speed from a standstill.
  • a current phase is terminated when a total loss time estimated for a complete phase revolution with immediate termination of the current phase is less than one estimated at any other possible remaining release time for the complete phase revolution
  • Total loss of time This allows a flexible response to a changed state at the node and dynamic control of the traffic signal. If, for example, the number of vehicles changes in a currently not released inflow to the node, then the estimated total loss time can change depending on the considered time horizon. For example, was originally one
  • the remaining release time would be reduced to 9 seconds in the next second, etc.
  • this may result in a change in the estimated future loss time, since the newly added Vehicles with their lost time contribute to the total lost time. It may thus occur the situation that the originally estimated residual release duration of 10 seconds after another 5 seconds is not reduced to the remaining 5 seconds, but only to 1 second and after this second on
  • the vehicle positions are detected within the detection radius by means of suitable detectors.
  • suitable detectors all known methods can be used.
  • the traffic signal system may include suitable detectors for this purpose.
  • the vehicles transmit their respective vehicle position to the traffic light system within the detection radius. For this purpose, the
  • Traffic light system corresponding communication devices include, which receives the transmitted vehicle positions and supplies them to the controller.
  • the vehicle positions within the detection radius are detected and / or determined by means of floating car data and / or vehicle-to-X communication and / or camera data. This includes the
  • Traffic signal corresponding means for detecting and / or receiving the corresponding data.
  • Parts of the device may be formed individually or in a group as a combination of hardware and software, for example as program code executed on a microcontroller or microprocessor.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device for the dynamic control of a traffic signal system
  • 2 shows a schematic representation of a time sequence of a prognosis of a phase revolution with three phases PO, P1, P2 for clarification of the method
  • FIG. 3 shows a schematic sequence for an arbitrary number of phases P1, P2, P, of a phase revolution to clarify the method
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the device 1 for dynamically controlling a traffic signal system 2 is shown at a node.
  • the device 1 comprises a controller 3 and a prediction device 4.
  • the controller 3 controls phases of the traffic signal system based on a loss time of the vehicles at the node.
  • the loss time is in this case a total loss time 21 of all vehicles located in a detection radius.
  • the device 1 current vehicle positions 10-x within a detection radius to the node or the traffic signal 2 are supplied.
  • the detection of the vehicle positions 10-x can take place, for example, by means of floating-car data and / or vehicle-to-X communication and / or camera data.
  • the device 1 may include suitable interfaces 5 for this purpose.
  • the prediction device 4 estimates current and future loss times of all vehicles located in the detection radius and supplies a current and estimated future total loss time 21 derived from these loss times to the controller 3. Based on the estimated current and future total loss time 21, the controller 3 controls the phases of the traffic signal system 2.
  • the controller 3 can, for example, a
  • Remaining release duration 22 of the current phase of the traffic signal system 2 control.
  • the dynamic control is based on three models. These models are a traffic model, a model of traffic signal 2 and a Loss of time model. For example, these models may be partially or completely implemented in the forecasting device 4 and / or the controller 3.
  • the traffic model models a behavior of the vehicles and different states of a vehicle. It uses a microscopic traffic model that looks at each vehicle individually. Each vehicle can assume only one of two states: “driving at maximum speed” (d), with the maximum
  • Traffic lights is limited to 70 km / h and should therefore be accessible to most vehicles. With this assumption, only the vehicle positions need to be known, not the (real) vehicle speeds.
  • Queues can only be established in front of a stop line of a traffic signal system. There is also the origin of a respective coordinate system of the tributaries. When a vehicle reaches the end of a queue, it is added to the queue. Queues are resolved at the beginning of the share belonging to the queue.
  • the length L q of a queue results from a number of vehicles in the queue N q , the vehicle length l ve h and the size of the gap l gap between the vehicles (as length specification):
  • An end of a queue is considered reached when a vehicle position S ve h, r is closer to the stop line in the model at the prediction time t than the queue end U: Syeh, t Lq (3)
  • Traffic signal system plays a decisive role.
  • Phase transitions here no release times. On the assumption that t rg is known, a beginning of the subsequent phase of the phase to be measured can be determined very precisely.
  • T g, veh corresponds to the average release time per vehicle, ie
  • T g , ve h 2 s (ie in each two seconds release time, a vehicle is degraded in a queue). It is limited downwards by the minimum release time T g , min and up by the maximum release time T g , m ax. N q corresponds to the queue of the corresponding phase i.
  • the background to this consideration is that in most cases it makes sense to at least reduce the existing queue.
  • the release time can be extended during the optimization of this phase, so that the release time with the given equation is estimated down to a certain extent. This yields the estimated start of release of a phase i + 1: + l - ti ⁇ " tg, i T ⁇ 0 [ ⁇ : ( ⁇ + 1)] (®)
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a chronological sequence of a prognosis of a phase revolution with three phases PO, P1, P2 in order to illustrate the invention.
  • the individual phases PO, P1, P2 are interconnected by means of the transition times tu.
  • the transition periods take account of safety requirements, in particular that it must be ensured that pedestrians and vehicles have sufficient time to clear the lane or the junction after a change of phase.
  • the loss-time model is described below.
  • the loss time model is based on the states of the traffic model described above. Vehicles that travel at maximum speed (state “d") do not accumulate a loss time, ie in state "d" no loss time is incurred. In contrast, for every second that a vehicle lingers in state "w", one second of loss time is incurred. This results in the waiting time loss of a vehicle tv.ve h , which has a distance S veh, o , i to the stop line at which a queue with length L q and a remaining time t, until
  • t r indicates the reaction time of the vehicles to the respective predecessor in the queue.
  • a vehicle is in state "d" at the time of detection. If it is already in a queue at the given time, this is expressed by a remaining travel time of 0 s and an immediate transition to the state "w". However, this formula would give negative results and thus negative loss times when vehicles queue up to
  • the resulting loss time is derived as follows: The loss time tv , a or a time difference between a drive with maximum speed and an acceleration from standstill in this
  • Speed is given by the following equation: s a corresponds to the distance traveled during the acceleration process from standstill to v max : t a indicates the time until v max is reached: vmax
  • the total loss time for a given residual release time of a current phase then results as follows.
  • the process is shown schematically in FIG. 3 for the phases P1, P2, P.
  • a total loss time of all vehicles in the detection radius can be estimated using the models described in the previous section.
  • a schematic sequence of the method is shown in FIG.
  • each of the diagonal lines shown for the individual phases corresponds to a trajectory of a vehicle position 10-1,..., 10-7 with respect to a vertical time axis and a horizontal position axis.
  • the procedure now proceeds as follows: First, the start of release ti of the phase following the current phase is estimated according to equation (4). On the basis of the estimated start of release, it is possible to use the iteration above all in the
  • Detection radius located vehicles (step 101) of the considered phase with equations (1), (2) and (3) the number of vehicles in the queue and the queue length are estimated.
  • a resulting loss time tv. veh is calculated (step 102). Fall for the full queue
  • Approval start of the next phase are estimated (step 100), concomitantly again the queue length, the loss times and the release period. The process continues until a phase revolution is completed and estimated by equation (7), the re-release start of the current phase.
  • the estimated total loss time tv (t rg ) as a function of the remaining release time t rg then corresponds to the sum of all loss times calculated during the process described here.
  • the controller controls the timing of each phase of the traffic signal.
  • the control approach consists in comparing the total loss times resulting from the different residual release times and so on to determine an optimal residual release time. Since this is an expansion criterion, it is only interesting if the current phase should be aborted or not.
  • control receives the estimation of the forecasting device the
  • the biggest advantage of the device and the method is that the loss times of the vehicles are used as a direct decision variable. As a result, the loss time is not only used for quality assessment, but also directly for control.
  • the method and the device have the advantage that they have an often applied time-dependent, but fixed phase influence are designed traffic-dependent. This can be reacted directly to changing traffic conditions at the hub, which favors the flow of traffic.
  • the control is based on the current traffic situation and leads to a more effective release time allocation in the context of a phase revolution, since the weighting of a phase is directly related to the traffic volume. Phases with large traffic streams accumulate faster loss times and are considered by means of the described method and the device described rather than weak demand traffic streams, which then receive correspondingly low release times.
  • FIG. 4 shows results for the mean velocity of a simulation carried out by means of the method in comparison to the results of conventional methods.
  • the route includes five consecutive nodes.
  • the access roads or tributaries are each 500 m long.
  • the wait-time-optimal fixed-time control is calculated, for example, according to the manual for the design of road traffic facilities (Research Association for Roads and Transportation, FGSV Verlag, Cologne, 2015) as a standard method.
  • the nodes are evenly distributed once and unevenly. Accordingly, the fixed time and frame plan control coordinates once in both and once in only one direction.
  • the orbital period is prescribed for these two procedures with 60 s; in the regular distribution, the nodes are at the sub-point distance.
  • the networks are burdened with the utilization of 60%, 85% and 100%.
  • phase sequence is fixed and unchanging. It is the same for all tested approaches.
  • test vehicles only passenger cars are used.
  • the minimum permissible release time is 5 s, the maximum release time 90 s.
  • the constant, permissible maximum speed is 50 km / h.
  • the critical time gap for the time gap control is defined as 2 s. It is detected at detectors 20 m before the stop line of the corresponding access road.
  • Traffic intensity of the planning traffic strength simulate and check the flexibility of the procedures.
  • the simulation time is 1 h for each simulation run, whereby the measured values of the first hour are discarded because the first hour should only be used for grid filling.
  • Figure 4 shows the mean velocities in the network in the different scenarios compared to the conventional approaches.
  • the y-axis corresponds to the mean velocities in the network, the x-axis indicates the respective scenario. Shown are the individual quartiles, where the upper quartile is so small that it is in this
  • N1 denotes the network with regular node spacings without intersecting currents
  • N2 the network with irregular inter-node distances without intersecting currents
  • N3 and N4 are each those with intersecting currents.
  • the fixed-time control (FZS) works particularly well with less complex nodes with low to medium utilization. At heavy load, traffic often collapses and in some cases only medium
  • the master plan control is so flexible that it can absorb fluctuations relatively well. By coordinating the core release times on the coordinated line, the overall result is even higher
  • the time gap control works basically according to the principle of
  • control unit based on the described method (VZP)
  • the advantages of the time gaps and master plan control It is not bound to fixed round-trip times, but still brings with it the network problem into the controller. In this way, in all scenarios better results can be achieved by the controller based on total time lost than with the other methods.
  • the average speed in the network is here increased on average by 5% to 25% compared to the usual methods (see Table 1).
  • the described method and the described device can be used in the field of control systems of traffic signal systems.
  • the field of traffic-dependent traffic signal control here increasingly importance is attached, since there are significant potential for saving loss times, fuel and pollutant emissions by the road users.
  • Loss times is of particular interest for light signal manufacturers and municipalities, in order to be able to process the increasing volume of traffic in the future in an appropriate manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage (2), wobei Phasen (PO, P1, P2, Pi) der Lichtsignalanlage (2) mittels einer Steuerung (3) auf Grundlage einer Verlustzeit gesteuert werden, wobei die Verlustzeit eine Gesamtverlustzeit (21) aller sich in einem Detektionsradius befindenden Fahrzeuge ist, wobei die Gesamtverlustzeit (21) mittels einer Prognoseeinrichtung (4) auf Grundlage von aktuellen und von geschätzten zukünftigen Fahrzeugpositionen (10-x) der Fahrzeuge in dem Detektionsradius geschätzt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine zugehörige Vorrichtung (1).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage.
Zur Steuerung von Straßenverkehrsknoten kommen oft Lichtsignalanlagen zum Einsatz. Diese haben als primäre Aufgabe, die Warte- und Verlustzeiten der Verkehrsteilnehmer durch eine geschickte Freigabezeitverteilung gering zu halten. Oft werden hierfür in Deutschland etablierte Steuerungsverfahren wie Festzeitsteuerungen oder
verkehrsabhängig regelbasierte Verfahren auf Grundlage von Fahrzeugzeitlücken, Fahrzeuganforderungen oder Fahrzeugbelegungsgraden eingesetzt. Allerdings gibt es mittlerweile Konzepte und technische Möglichkeiten zur Detektion von Fahrzeugen, die bisher kaum ausgenutzt werden. Dazu gehören beispielsweise Floating Car Daten, Vehicle-to-X-Kommunikation oder die Erfassung von Fahrzeugtrajektorien mittels Kameras.
Zusätzlich tragen die etablierten Verfahren Wechselwirkungen auf Netzebene höchstens mit statischen Ansätzen Rechnung. Dies schränkt die Flexibilität der Verfahren ungemein ein und Nachfragen, welche von der ursprünglichen Planungsgrundlage abweichen, können zu ineffizientem Steuerverhalten der Verfahren führen. Freiläufer, also
Lichtsignalanlagen ohne feste Umlaufzeit, sind meist regelbasiert gesteuert. Hier wird aber oft nur die Verkehrslage in der aktuell freigegebenen Richtung betrachtet, die Gesamtverkehrslage am Knotenpunkt geht höchstens über Anforderungsschleifen für andere Phasen in Kombination mit einer maximalen Wartezeit oder Anforderungen durch den ÖPNV mit ein. Freiläufer erreichen damit eine höhere Flexibilität als Anlagen mit Festzeitsteuerung oder Rahmenplan, tragen dafür aber den Wechselwirkungen auf Netzebene nahezu keinerlei Rechnung mehr. Damit sind sie nur für isolierte
Knotenpunkte geeignet.
Zur Berücksichtigung von Wechselwirkungen ist es bekannt, Festzeitsteuerungen entlang eines Verkehrskorridors zu koordinieren. Hierbei werden die Freigabebeginne der aufeinanderfolgenden Lichtsignalanlagen so aufeinander abgestimmt, dass die meisten Verkehrsteilnehmer in der koordinierten Richtung den Netzabschnitt ungehindert passieren können. Je nach Tageszeit können an den verschiedenen Knotenpunkten verschiedene Festzeitprogramme laufen, die in Koordinierungen in verschiedenen Richtungen resultieren können. Für sie alle gilt allerdings, dass für die nicht koordinierten Richtungen meist massive Einschränkungen in der Verkehrsqualität entstehen.
Um diese Einschränkungen abzumildern, können statt Festzeitplänen auch Rahmenpläne eingesetzt werden. Diese zeichnen sich durch bestimmte Kernfreigabezeiten aus, die wie bei der Festzeitsteuerung so aufeinander abgestimmt sind, dass eine ungehinderte Durchfahrt des Netzabschnitts möglich sein sollte. Zusätzlich sind am Anfang und/oder am Ende der Kernfreigabezeit Dehnungsbereiche vorgesehen, in denen die Freigabe im Allgemeinen auf Basis regelbasierter Ansätze gedehnt werden kann. Auf diese Weise kann eine eingeschränkte Verkehrsabhängigkeit hergestellt werden. Gerade bei hohen Auslastungen des Netzabschnitts hat aber auch dieser Ansatz den Nachteil, dass die Phasen im Allgemeinen maximal gedehnt werden und sich somit erneut das Verhalten einer Festzeitsteuerung einstellt. Ein Nachteil gegenüber der Festzeitsteuerung besteht zusätzlich in der schlechteren Koordinierung der Knotenpunkte untereinander, da die alleinige Abstimmung der Kernfreigabezeiten für eine ideale Koordinierung nicht ausreichend ist.
Grundsätzlich sind drei Verfahren bekannt: Unabhängig-dezentrale Steuerverfahren versuchen Wechselwirkungen auf Netzebene auf Basis lokaler Messwerte zu detektieren. Der Vorteil besteht hier darin, dass keine Kommunikationsinfrastruktur zu benachbarten Anlagen oder einer zentralen Recheneinheit aufgebaut werden muss. Dies ist gerade dort wichtig, wo viele Lichtsignalanlagen noch nicht in ein Kommunikationsnetz eingebunden sind und der Aufbau eines solchen Netzes nur mit großem Aufwand möglich wäre. Der Nachteil der unabhängig-dezentralen Steuerverfahren besteht jedoch folglich darin, dass nur die lokalen Daten zur Verfügung stehen. Das kann beispielsweise die Erkennung von Fahrzeugpulks beeinträchtigen und die Lichtsignalanlage zu spät reagieren lassen. Mit einer Erweiterung des Detektionsradius ließe sich diesem Problem aber entgegenwirken.
Das zweite Verfahren basiert auf selbstorganisierten dezentralen Systemen. Hier können benachbarte Lichtsignalanlagen miteinander kommunizieren und so beispielsweise ihren virtuellen Prognosehorizont erweitern, Anforderungen austauschen oder sich anderweitig miteinander abstimmen und so ihre lokale Steuerung weiter optimieren. Dazu muss allerdings eine entsprechende Kommunikationsinfrastruktur vorhanden sein oder geschaffen werden. Das dritte Verfahren basiert auf zentral organisierten Systemen. Hier sind die
Lichtsignalanlagen aller gesteuerten Knotenpunkte über eine zentrale Recheneinheit miteinander verbunden. Die zentrale Recheneinheit führt hier meist auf Basis der aggregierten Messwerte der einzelnen Knotenpunkte eine Optimierung durch, welche im Ergebnis beispielsweise direkte Steuerbefehle oder Rahmenpläne für die einzelnen Knotenpunkte liefert. Die Problematik besteht hier neben den Kosten für den Aufbau und den Erhalt der Kommunikationsinfrastruktur in der erhöhten Komplexität des Systems. Diese kann zu langen Verzögerungen während der Kommunikation führen, womit das System nur verzögert auf lokale Änderungen reagieren kann. Zusätzlich ist solch ein System auch nur schwer einführ- und erweiterbar, da einzelne Komponenten für sich genommen nahezu ohne Funktion sind und neue Komponenten in ein bestehendes, komplexes Gesamtsystem eingepflegt werden müssen.
Aus der DE 10 2009 033 431 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Steuerung einer Lichtsignalanlage bekannt, wobei mindestens eine Steuereinheit Phasen der Lichtsignalanlage auf Grundlage von mindestens einer Verlustzeit mindestens eines Fahrzeugs steuert.
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage zu schaffen, bei denen eine dynamische Steuerung der Phasen der Lichtsignalanlage verbessert ist.
Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage zur Verfügung gestellt, wobei Phasen der Lichtsignalanlage mittels einer Steuerung auf Grundlage einer Verlustzeit gesteuert werden, wobei die Verlustzeit eine
Gesamtverlustzeit aller sich in einem Detektionsradius befindenden Fahrzeuge ist, und wobei die Gesamtverlustzeit mittels einer Prognoseeinrichtung auf Grundlage von aktuellen und von geschätzten zukünftigen Fahrzeugpositionen der Fahrzeuge in dem Detektionsradius geschätzt wird. Ferner wird eine Vorrichtung zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage geschaffen, umfassend eine Steuerung, wobei die Steuerung derart ausgebildet ist, Phasen der Lichtsignalanlage mittels einer Steuerung auf Grundlage einer Verlustzeit zu steuern, wobei die Steuerung eine Prognoseeinrichtung umfasst, wobei die Verlustzeit eine Gesamtverlustzeit aller sich in einem Detektionsradius befindenden Fahrzeuge ist, und wobei die Prognoseeinrichtung derart ausgebildet ist, die Gesamtverlustzeit auf Grundlage von aktuellen und von geschätzten zukünftigen Fahrzeugpositionen in dem Detektionsradius zu schätzen.
Die Grundidee der Erfindung ist, eine Lichtsignalanlage an einem Knotenpunkt auf Grundlage der Gesamtverlustzeit aller in einem Detektionsradius erfassten Fahrzeuge dynamisch zu steuern. Hierbei werden insbesondere aktuelle, aber auch zukünftige in dem aktuellen Umlauf der Phasen den einzelnen Fahrzeugen entstehenden Verlustzeiten mitberücksichtigt. Die jeweilige Verlustzeit wird auf Grundlage der aktuellen und zukünftigen Fahrzeugpositionen in dem Detektionsradius geschätzt.
Der Vorteil der Erfindung ist, dass eine effiziente Steuerung von Knotenpunkten unter Beachtung von Wechselwirkungen auf Netzebene ohne statische Ansätze realisiert werden kann. Durch den echtzeitfähigen, modellbasierten Ansatz wird die entstehende Gesamtverlustzeit am Knotenpunkt abschätzt und auf diese Weise eine
verlustzeitoptimale dynamische Steuerung ermöglicht, ohne dass eine Kommunikation mit benachbarten Knotenpunkten und eine aufwändige Kommunikationsinfrastruktur notwendig sind. Die Vorrichtung ist hierbei nicht durch eine feste Umlaufzeit
eingeschränkt, kann aber durch die Prognose der entstehenden Verlustzeiten trotzdem Wechselwirkungen auf Netzebene Rechnung tragen. Eine dynamische Steuerung der Lichtsignalanlage ist somit wesentlich verbessert.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Schätzen der Gesamtverlustzeit mittels der Prognoseeinrichtung auf Grundlage der einzelnen Fahrzeugpositionen eine Anzahl von Fahrzeugen in einer Warteschlange und eine Warteschlangenlänge geschätzt werden. Hierdurch kann eine Warteschlangenlänge mit in die dynamische Steuerung einbezogen werden. Die Warteschlangenlänge wird stets aktualisiert, wenn ein weiteres Fahrzeug bei dem entsprechenden Zufluss zum Knotenpunkt hinzukommt. In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Schätzen der Gesamtverlustzeit mittels der Prognoseeinrichtung eine Restfreigabedauer einer Phase und ein Freigabebeginn einer auf diese Phase folgenden Phase auf Grundlage der Anzahl von Fahrzeugen in der Warteschlange geschätzt wird. Diese Abschätzung bildet dann die Grundlage für die Abschätzung der jeweiligen Verlustzeiten der Fahrzeuge in den auf die aktuelle Phase nachfolgenden Phasen. Je länger die aktuelle Phase andauert, desto länger müssen Fahrzeuge, welche gerade nicht fahren dürfen, warten etc.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass zum Schätzen der Gesamtverlustzeit mittels der Prognoseeinrichtung eine Verlustzeit für jedes sich im Detektionsradius befindende Fahrzeug auf Grundlage der Restfreigabedauer geschätzt wird, wobei für die Verlustzeit eines Fahrzeugs jeweils eine Warteverlustzeit, eine
Reaktionsverlustzeit und eine Beschleunigungsverlustzeit berücksichtigt wird. Die
Warteverlustzeit bezeichnet hierbei die Zeit, die ein Fahrzeug bei Stillstand am
Knotenpunkt warten muss. Die Reaktionsverlustzeit ist die Zeit, die das Fahrzeug braucht, um nach dem Anfahren eines vorausfahrenden Fahrzeugs zu reagieren. Die
Beschleunigungsverlustzeit bezeichnet die Zeit, die das Fahrzeug braucht, um aus dem Stillstand auf seine Endgeschwindigkeit gebracht zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine aktuelle Phase beendet wird, wenn eine für einen kompletten Phasenumlauf geschätzte Gesamtverlustzeit bei sofortiger Beendigung der aktuellen Phase geringer ist als eine bei jeder anderen möglichen Restfreigabezeit für den kompletten Phasenumlauf geschätzte
Gesamtverlustzeit. Dies ermöglicht ein flexibles Reagieren auf einen geänderten Zustand an dem Knotenpunkt und ein dynamisches Steuern der Lichtsignalanlage. Ändert sich beispielsweise die Anzahl der Fahrzeuge in einem aktuell nicht freigegebenen Zufluss zum Knotenpunkt, so kann sich die abgeschätzte Gesamtverlustzeit in Abhängigkeit des betrachteten Zeithorizonts ändern. War beispielsweise ursprünglich eine
Restfreigabedauer von 10 Sekunden vorgesehen und hätte sich ein Zustand am
Knotenpunkt nicht verändert, so würde die Restfreigabedauer in der nächsten Sekunde auf 9 Sekunden verringert werden usw. Sind jedoch weitere Fahrzeuge in einem nicht freigegebenen Zufluss detektiert worden, so kann sich hierdurch eine Änderung der für die zukünftigen Zeitpunkte geschätzten Gesamtverlustzeiten ergeben, da die neu hinzugekommenen Fahrzeuge mit ihren Verlustzeiten zur Gesamtverlustzeit beitragen. Es kann somit die Situation auftreten, dass die ursprünglich geschätzte Restfreigabedauer von 10 Sekunden nach weiteren 5 Sekunden nicht auf die restlichen 5 Sekunden verringert wird, sondern erst auf 1 Sekunde und nach Ablauf dieser Sekunde auf
0 Sekunden, so dass die aktuelle Phase abgebrochen wird. Dies hat den Vorteil, dass stets ein aktueller Zustand an dem Knotenpunkt berücksichtigt wird.
Die Fahrzeugpositionen werden innerhalb des Detektionsradius mittels geeigneter Detektoren erfasst. Hierbei können sämtliche bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die Lichtsignalanlage hierzu geeignete Detektoren umfassen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Fahrzeuge innerhalb des Detektionsradius ihre jeweilige Fahrzeugposition an die Lichtsignalanlage übermitteln. Hierzu kann die
Lichtsignalanlage entsprechende Kommunikationseinrichtungen umfassen, welche die übermittelten Fahrzeugspositionen empfängt und diese der Steuerung zuführt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fahrzeugpositionen innerhalb des Detektionsradius mittels Floating Car Daten und/oder Vehicle-to-X-Kommunikation und/oder Kameradaten erfasst und/oder bestimmt werden. Hierzu umfasst die
Lichtsignalanlage entsprechende Mittel zum Erfassen und/oder Empfangen der entsprechenden Daten.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass einzelne Fahrzeuge zur Vereinfachung mittels eines Verkehrsmodells beschrieben werden, in dem die Fahrzeuge lediglich die Zustände„Warten in der Warteschlange“ oder„Fahren mit maximaler Geschwindigkeit“ einnehmen können. Hierdurch vereinfacht sich das Abschätzen der jeweiligen
Verlustzeiten und ein in der Steuerung notwendiger Bedarf an Rechenleistung kann hierdurch reduziert werden.
Teile der Vorrichtung können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge einer Prognose eines Phasenumlaufs mit drei Phasen PO, P1 , P2 zur Verdeutlichung des Verfahrens;
Fig. 3 einen schematischen Ablauf für eine beliebige Anzahl von Phasen P1 , P2, P, eines Phasenumlaufs zur Verdeutlichung des Verfahrens;
Fig. 4 Ergebnisse für die mittlere Geschwindigkeit einer mittels des Verfahrens
durch geführten Simulation im Vergleich zu den Ergebnissen herkömmlicher Verfahren.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage 2 an einem Knotenpunkt gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuerung 3 und eine Prognoseeinrichtung 4.
Die Steuerung 3 steuert Phasen der Lichtsignalanlage auf Grundlage einer Verlustzeit der Fahrzeuge an dem Knotenpunkt. Die Verlustzeit ist hierbei eine Gesamtverlustzeit 21 aller sich in einem Detektionsradius befindenden Fahrzeuge. Hierzu werden der Vorrichtung 1 aktuelle Fahrzeugpositionen 10-x innerhalb eines Detektionsradius um den Knotenpunkt bzw. die Lichtsignalanlage 2 zugeführt. Die Detektion der Fahrzeugpositionen 10-x kann beispielsweise mittels Floating Car Daten und/oder Vehicle-to-X-Kommunikation und/oder Kameradaten erfolgen. Die Vorrichtung 1 kann hierzu geeignete Schnittstellen 5 umfassen.
Auf Grundlage der aktuellen Fahrzeugpositionen 10-x schätzt die Prognoseeinrichtung 4 jeweils aktuelle und zukünftige Verlustzeiten aller sich im Detektionsradius befindenden Fahrzeuge und führt eine aus diesen Verlustzeiten abgeleitete aktuelle und geschätzte zukünftige Gesamtverlustzeit 21 der Steuerung 3 zu. Auf Grundlage der geschätzten aktuellen und zukünftigen Gesamtverlustzeit 21 steuert die Steuerung 3 die Phasen der Lichtsignalanlage 2. Die Steuerung 3 kann hierzu beispielsweise eine
Restfreigabedauer 22 der aktuellen Phase der Lichtsignalanlage 2 steuern.
In einer Ausführungsform erfolgt die dynamische Steuerung auf Grundlage dreier Modelle. Diese Modelle sind ein Verkehrsmodell, ein Modell der Lichtsignalanlage 2 und ein Verlustzeitmodell. Diese Modelle können beispielsweise teilweise oder vollständig in der Prognoseeinrichtung 4 und/oder der Steuerung 3 umgesetzt sein.
Das Verkehrsmodell modelliert ein Verhalten der Fahrzeuge und verschiedene Zustände eines Fahrzeugs. Es wird hierbei ein mikroskopisches Verkehrsmodell genutzt, das jedes Fahrzeug einzeln betrachtet. Dabei kann jedes Fahrzeug nur einen von zwei Zuständen annehmen:„Fahren mit maximaler Geschwindigkeit“ (d), wobei die maximale
Geschwindigkeit der Streckenhöchstgeschwindigkeit entspricht, oder„Warten in der Warteschlange“ (w). Dies impliziert, dass weitere Zustände, insbesondere
Fahrzeugfolgebetrachtungen, Spurwechsel sowie Brems- und Beschleunigungsvorgänge, nicht von diesem Modell abgebildet werden. Es wird nur eine
Streckenhöchstgeschwindigkeit betrachtet, da diese an Knotenpunkten mit
Lichtsignalanlagen auf 70 km/h beschränkt ist und damit für die meisten Fahrzeuge erreichbar sein sollte. Bei dieser Annahme müssen nur die Fahrzeugpositionen bekannt sein, nicht jedoch die (realen) Fahrzeuggeschwindigkeiten.
Warteschlangen können nur vor einer Haltelinie einer Lichtsignalanlage aufgebaut werden. Dort liegt auch der Ursprung eines jeweiligen Koordinatensystems der Zuflüsse. Erreicht ein Fahrzeug das Ende einer Warteschlange, wird es der Warteschlange hinzugefügt. Warteschlangen werden zu Beginn der zu der Warteschlange gehörenden Freigabe aufgelöst. Die Länge Lq einer Warteschlange ergibt sich aus einer Anzahl der Fahrzeuge in der Warteschlange Nq, der Fahrzeuglänge lveh und der Größe der Lücke lgap zwischen den Fahrzeugen (als Längenangabe):
Gemäß der Formel für lineare Bewegung errechnet sich der prognostizierte Abstand Sveh,t eines Fahrzeugs (Zustand„d“) zur Haltelinie nach einer Zeit t bei
Streckenhöchstgeschwindigkeit Vmax und einem Anfangsweg Sveh,o wie folgt:
'veh,t 'veh,0 max t (2)
Ein Ende einer Warteschlange gilt als erreicht, wenn eine Fahrzeugposition Sveh,r im Modell zum Prognosezeitpunkt t näher an der Haltelinie liegt als das Warteschlangenende U: Syeh,t Lq (3)
Erreicht ein Fahrzeug das Ende der Warteschlange, wird die Anzahl der Fahrzeuge in der Warteschlange und damit auch die Länge der Warteschlange aktualisiert. Zusätzlich geht das Fahrzeug in den Zustand„w“ über. Die Anzahl der Fahrzeuge in einer Warteschlange Nq und die Warteschlangenlänge lq haben für das Verkehrsmodell keine weitere
Relevanz. Sie spielen allerdings bei der Verlustzeitprognose und im Modell der
Lichtsignalanlage eine entscheidende Rolle.
Nachfolgend wird das Modell für die Lichtsignalanlage beschrieben. Entscheidend für die Auflösung einer Warteschlange Nq ist der Freigabebeginn t, der Phase i. Deswegen sollen mithilfe des Modells der Lichtsignalanlage Umschaltzeitpunkte eines gesamten Phasenumlaufs geschätzt werden. Da es sich um ein Dehnungskriterium handelt, wird immer von einer aktuellen, zu bemessenden Phase ausgegangen. Hierbei gilt für einen Freigabebeginn ti einer Folgephase einer zu bemessenden Phase 0: trg beschreibt dabei die verbleibende Freigabezeit der aktuellen Phase, welche als Restfreigabezeit bezeichnet wird und tü[o;i] eine Dauer eines Phasenübergangs von der aktuellen Phase 0 zur Folgephase 1. Zur vereinfachten Betrachtung beinhalten
Phasenübergänge hier keine Freigabezeiten. Unter der Voraussetzung, dass trg bekannt ist, lässt sich so ein Anfang der Folgephase der zu bemessenden Phase sehr genau bestimmen.
Um allerdings den Freigabebeginn einer beliebigen Folgephase i+1 mit (i > 1 ) zu schätzen, ist neben dem Freigabebeginn der Phase i auch die Dauer tg dieser Freigabe notwendig. Diese ist nicht bekannt, wird in diesem Modell allerdings geschätzt:
Tg,veh entspricht hierbei der durchschnittlichen Freigabezeit pro Fahrzeug, also
beispielsweise Tg,veh = 2 s (d.h. in jeweils zwei Sekunden Freigabezeit wird ein Fahrzeug in einer Warteschlange abgebaut). Sie ist nach unten durch die minimale Freigabezeit Tg, min und nach oben durch die maximale Freigabezeit Tg,max beschränkt. Nq entspricht der Warteschlange der entsprechenden Phase i. Hintergrund dieser Überlegung ist, dass es in den meisten Fällen sinnvoll ist, zumindest die vorhandene Warteschlange abzubauen. Die Freigabezeit kann allerdings während der Optimierung dieser Phase noch verlängert werden, wodurch die Freigabezeit mit der gegebenen Gleichung gewissermaßen nach unten abgeschätzt wird. Damit ergibt sich der geschätzte Freigabebeginn einer Phase i + 1 zu: + l — ti Ί" tg,i T ^0[ί:(ί+1)] (®)
Entsprechend ergibt sich ein erneuter Anfang der aktuellen, zu bemessenden Phase bei einem festen Phasenumlauf, der imax + 1 Phasen beinhaltet, zu:
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge einer Prognose eines Phasenumlaufs mit drei Phasen PO, P1 , P2 zur Verdeutlichung der Erfindung dargestellt. Hierbei bedeuten nicht schraffierte Bereiche eine Freigabe (= Ampel grün) und schraffierte Bereiche, dass nicht freigegeben (= Ampel rot) ist. Die einzelnen Phasen PO, P1 , P2 sind mittels der Übergangszeiten tu miteinander verbunden. Die Übergangszeiten tragen Sicherheitsanforderungen Rechnung, insbesondere, dass gewährleistet sein muss, dass Fußgänger und Fahrzeuge ausreichend Zeit haben, die Fahrbahn bzw. den Knotenpunkt nach einem Umschalten der Phase zu räumen.
Nachfolgend ist das Verlustzeitmodell beschrieben. Das Verlustzeitmodell ist an die Zustände des oben beschriebenen Verkehrsmodells angelehnt. Fahrzeuge, die mit maximaler Geschwindigkeit (Zustand„d“) fahren, sammeln keine Verlustzeit an, das heißt im Zustand„d“ fällt keine Verlustzeit an. Im Gegensatz hierzu fällt für jede Sekunde, die ein Fahrzeug im Zustand„w“ verweilt, eine Sekunde Verlustzeit an. Hieraus ergibt sich für die Warteverlustzeit eines Fahrzeugs tv.veh , das einen Abstand Sveh,o,i zur Haltelinie hat, an der eine Warteschlange mit Länge Lq steht und einer Restzeit t, bis zum
Freigabebeginn der Phase i zu:
Hierbei gibt der Term die Restfahrzeit des Fahrzeugs bis zum
max
Warteschlangenende an, diese ist verlustzeitfrei. Die restliche Zeit bis zum
Freigabebeginn t, sowie die Zeit Nq -tr, bis die Warteschlange bis zu dieser Position aufgelöst ist (das Verkehrsmodell bildet diese Auflösung nicht ab), wartet das Fahrzeug in der Warteschlange und sammelt Verlustzeit an (vgl. Fig. 3). tr gibt dabei die Reaktionszeit der Fahrzeuge auf den jeweiligen Vorgänger in der Warteschlange an. Hierbeiwird immer zunächst angenommen, dass sich ein Fahrzeug zum Zeitpunkt der Detektion im Zustand „d“ befindet. Wenn es sich zum gegebenen Zeitpunkt bereits in einer Warteschlange befindet, drückt sich dies durch eine Restfahrzeit von 0 s und einem sofortigen Übergang in den Zustand„w“ aus. Diese Formel würde allerdings negative Ergebnisse und somit negative Verlustzeiten liefern, wenn Fahrzeuge die Warteschlange bis zum
Freigabebeginn und Abbau der Warteschlange überhaupt nicht erreichen (die Restfahrzeit wäre dann größer als die Zeit bis zum Freigabebeginn und Abbau der Warteschlange). Dies ist allerdings nicht zulässig, weswegen als minimale Verlustzeit dann 0 s gewählt wird.
Zusätzlich fallen bei der Warteschlangenauflösung Verlustzeiten an. Hierbei müssen die Fahrzeuge in der Realität wieder beschleunigen, auch wenn das hier angewandte
Verkehrsmodell dies nicht abbildet. Die hierdurch entstehende Verlustzeit leitet sich folgendermaßen her: Die Verlustzeit tv,a bzw. eine Zeitdifferenz zwischen einer Fahrt mit maximaler Geschwindigkeit und einer Beschleunigung aus dem Stillstand in diese
Geschwindigkeit ist durch folgende Gleichung gegeben: sa entspricht hierbei dem zurückgelegten Weg während des Beschleunigungsvorgangs aus dem Stillstand auf vmax: ta gibt dabei die Zeit an, bis vmax erreicht wird: vmax
ta (1 1 ) a sVjnax aus Gleichung (9) entspricht wiederum dem zurückgelegten Weg bei maximaler Geschwindigkeit während der Zeit des Beschleunigungsvorgangs:
Insgesamt ergibt sich damit die Verlustzeit bei der Beschleunigung von 0 m/s auf vmax zu:
1 vmax
t V,a ~ 2 a (13)
Demnach fällt für eine Wartschlange mit Nq Fahrzeugen für die
Beschleunigungsvorgänge insgesamt folgende Verlustzeit tv,a,i an:
Weitere anfallende Verlustzeiten, insbesondere solche durch Verzögerungsvorgänge beim Warteschlangenaufbau, werden im Rahmen des Verlustzeitmodells vernachlässigt und deshalb nicht modelliert.
Die Gesamtverlustzeit bei gegebener Restfreigabezeit einer aktuellen Phase ergibt sich dann wie folgt. Der Ablauf ist hierbei schematisch in der Fig. 3 für die Phasen P1 , P2, P, dargestellt.
Für eine gegebene Restfreigabezeit trg der aktuellen, zu bemessenden Phase kann mit den im vorigen Abschnitt beschriebenen Modellen eine Gesamtverlustzeit aller Fahrzeuge im Detektionsradius geschätzt werden. Ein schematischer Ablauf des Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei entspricht jede der für die einzelnen Phasen dargestellten diagonal verlaufenen Linienzüge einer Trajektorie einer Fahrzeugposition 10-1 ,..., 10-7 in Bezug auf eine vertikale Zeitachse und eine horizontale Positionsachse. Das Verfahren läuft nun wie folgt ab: Zuerst wird der Freigabebeginn ti der auf die aktuelle Phase folgenden Phase gemäß Gleichung (4) geschätzt. Auf Basis des geschätzten Freigabebeginns können mittels der Iteration über alle sich im
Detektionsradius befindlichen Fahrzeuge (Verfahrensschritt 101 ) der betrachteten Phase mit den Gleichungen (1 ), (2) und (3) die Anzahl der Fahrzeuge in der Warteschlange und die Warteschlangenlänge geschätzt werden. Hierbei wird in jedem der Iterationsschritte für das jeweilige Fahrzeug gemäß Gleichung (8) eine anfallende Verlustzeit tv.veh berechnet (Verfahrensschritt 102). Für die vollständige Warteschlange fallen
anschließend Verlustzeiten gemäß Gleichung (14) an (Verfahrensschritt 103). Zusätzlich wird die Dauer der Phase tg mit Gleichung (5) geschätzt (Verfahrensschritt 104).
Mit der geschätzten Freigabezeit kann mittels Gleichung (6) wiederum der
Freigabebeginn der nächsten Phase geschätzt werden (Verfahrensschritt 100), damit einhergehend erneut die Warteschlangenlänge, die Verlustzeiten und die Freigabedauer. Der Vorgang wird fortgesetzt, bis ein Phasenumlauf komplett abgearbeitet und mittels Gleichung (7) der erneute Freigabebeginn der aktuellen Phase geschätzt wird. Hier wird nun eine Unterscheidung getroffen: Kann ein Fahrzeug noch während der ursprünglich verbleibenden Freigabezeit trg die Haltelinie passieren, sammelt es keine Verlustzeit an. Ansonsten wird die Verlustzeit gemäß Gleichung (8) berechnet (Verfahrensschritt 102). Auch hier fallen dann zusätzlich noch die oben beschriebenen
Beschleunigungsverlustzeiten für die Auflösung der Warteschlange gemäß Gleichung (14) an.
Die geschätzte Gesamtverlustzeit tv(trg) in Abhängigkeit der verbleibenden Freigabezeit trg entspricht dann der Summe aller Verlustzeiten, die während des hier beschriebenen Prozesses berechnet wurden.
Auf Grundlage dieser geschätzten Gesamtverlustzeit steuert die Steuerung die zeitliche Abfolge der einzelnen Phasen der Lichtsignalanlage.
Im vorigen Abschnitt wurde beschrieben, wie die Gesamtverlustzeit tv(trg) am Knotenpunkt bei einer gegebenen Restfreigabezeit trg geschätzt werden kann. Ein einzelner Wert für die Gesamtverlustzeit gibt aber noch keinen Aufschluss darüber, wie gut ein
Umschaltpunkt ist. Der Steuerungsansatz besteht nun darin, die durch die verschiedenen Restfreigabezeiten entstehenden Gesamtverlustzeiten miteinander zu vergleichen und so eine optimale Restfreigabezeit zu ermitteln. Da es sich hier um ein Dehnungskriterium handelt, ist nur interessant, ob die aktuelle Phase abgebrochen werden soll oder nicht.
Die aktuelle Phase sollte abgebrochen werden, wenn folgende Ungleichung erfüllt ist:
Diese Ungleichung drückt aus, dass die Steuerung die aktuelle Phase abbricht, wenn ein Abbrechen und Umschalten zur nachfolgenden Phase in der aktuellen Sekunde weniger Gesamtverlustzeit verursacht als jede Umschaltung zu jeder sonst möglichen
Restfreigabezeit. Sobald auch nur eine einzelne geschätzte zukünftige Gesamtverlustzeit mit trg > 0 s gefunden wird, die weniger Gesamtverlustzeit verursacht als t = 0 s, so wird die aktuelle Phase mit einer Restfreigabezeit > 0 s verlängert und das Verfahren in der nächsten Sekunde wiederholt. Die maximale Restfreigabezeit trg,max berechnet sich hierbei aus der bisherigen Freigabezeit tg der aktuellen Phase und der maximalen Freigabezeit
T g,max· trg nax ^g.max tg ( 6)
Hierdurch ist sichergestellt, dass die Freigabezeit nicht über die maximale Freigabezeit hinaus gedehnt werden kann. Zusätzlich wird die beschriebene Optimierung erst begonnen, wenn die minimale Freigabezeit Tg,mm erreicht wurde, sodass auch die untere Schranke in jedem Fall eingehalten wird.
Insgesamt erhält die Steuerung durch die Schätzung der Prognoseeinrichtung die
Fähigkeit, die Auswirkungen von Steuerentscheidungen auf den Verkehr am Knotenpunkt abzuschätzen. Der Vorteil dieses Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass hierzu keine Kommunikation mit benachbarten Lichtsignalanlagen oder einer zentralen Recheneinheit notwendig ist.
Der größte Vorteil der Vorrichtung und des Verfahrens ist, dass die Verlustzeiten der Fahrzeuge als direkte Entscheidungsgröße genutzt werden. Hierdurch wird die Verlustzeit nicht nur zur Qualitätsbewertung, sondern direkt auch zur Steuerung genutzt.
Ferner haben das Verfahren und die Vorrichtung den Vorteil, dass diese gegenüber einer oft angewendeten tageszeitabhängigen, aber festen Phasenbeeinflussung verkehrsabhängig ausgestaltet sind. Damit kann direkt auf sich ändernde Verkehrsverhältnisse am Knotenpunkt reagiert werden, was den Verkehrsablauf begünstigt.
Dies spiegelt sich in geringeren Reisezeiten mit geringeren Verlustzeiten der
Verkehrsteilnehmer wider, wie noch im nachfolgenden Abschnitt und anhand der Fig. 4 beschrieben wird.
Die Steuerung richtet sich hierbei nach dem aktuellen Verkehrsgeschehen und führt im Rahmen eines Phasenumlaufs zu einer effektiveren Freigabezeitaufteilung, da die Gewichtung einer Phase im direkten Zusammenhang mit der Verkehrsstärke steht. Phasen mit großen Verkehrsströmen sammeln schneller Verlustzeiten an und werden mittels des beschriebenen Verfahrens und der der beschriebenen Vorrichtung eher berücksichtigt als nachfrageschwache Verkehrsströme, welche dann entsprechend geringe Freigabezeiten erhalten.
Trotz der einfachen Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung sind diese echtzeitfähig, da keine rechenintensiven Verfahren notwendig sind, wie es teilweise bei anderen modellgestützten Verfahren der Fall ist.
Da es sich bei der beschriebenen Lösung um ein dezentral-unabhängiges Verfahren handelt, muss keine zusätzliche Kommunikationsinfrastruktur aufgebaut werden. Dies spart Aufwand und Kosten.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung beziehen
Wechselwirkungen auf Netzebene mit in die lokale Steuerung der Lichtsignalanlage ein, ohne hierbei auf statische Ansätze wie Rahmenpläne etc. zurückgreifen zu müssen. Die dynamische Steuerung von Lichtsignalanlagen ist hierdurch deutlich verbessert.
In Fig. 4 sind Ergebnisse für die mittlere Geschwindigkeit einer mittels des Verfahrens durchgeführten Simulation im Vergleich zu den Ergebnissen herkömmlicher Verfahren dargestellt.
Im Rahmen der Simulation wurden verschiedene Netzabschnitte mit dem beschriebenen Verfahren (VZP) gesteuert. Zum Vergleich wurde außerdem eine wartezeitoptimale Festzeitsteuerung (FZS), eine auf der Festzeitsteuerung basierende
Rahmenplansteuerung (RPS) sowie eine klassische Zeitlückensteuerung (ZLS) betrachtet. Die Modellierung und die Simulation weisen dabei folgende Eigenschaften auf:
Der Streckenzug umfasst fünf aufeinanderfolgende Knotenpunkte. Die Zufahrten bzw. Zuflüsse sind jeweils 500 m lang.
Die wartezeitoptimale Festzeitsteuerung wird beispielsweise nach dem Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, FGSV Verlag, Köln, 2015) als Standardmethode berechnet.
Die Knotenpunkte sind einmal gleichmäßig und einmal ungleichmäßig verteilt. Dementsprechend wird mit der Festzeit- und Rahmenplansteuerung einmal in beide und einmal in nur eine Richtung koordiniert. Die Umlaufzeit ist für diese beiden Verfahren mit 60 s vorgeschrieben; bei der regelmäßigen Verteilung befinden sich die Knotenpunkte im Teilpunktabstand.
Die Szenarien werden weiter in Szenarien mit und ohne abbiegende Ströme gegliedert. Für abbiegende Linksabbieger werden in den entsprechenden
Szenarien eine Linksabbiegerspur sowie eine Phase zum gesicherten
Linksabbiegen eingeführt.
Die Netze werden mit den Auslastungen 60 %, 85 % und 100 % belastet.
Die Phasenfolge ist fest und unveränderlich. Sie stimmt bei allen getesteten Ansätzen überein.
Als Testfahrzeuge werden ausschließlich Personenkraftwagen eingesetzt.
Die minimal zulässige Freigabezeit beträgt 5 s, die maximale Freigabezeit 90 s.
Die konstante, zulässige Höchstgeschwindigkeit beträgt 50 km/h.
Die kritische Zeitlücke für die Zeitlückensteuerung wird mit 2 s definiert. Sie wird an Detektoren 20 m vor der Haltelinie der entsprechenden Zufahrt erfasst.
Als Planungsverkehrsstärken werden 80 % im Hauptrichtungsverkehr zu 20 % im Nebenrichtungsverkehr untersucht (80-20). Zusätzlich werden auch die
Verhältnisse 90-10 und 70-30 betrachtet, ohne hierbei die Festzeitsteuerung oder den Rahmenplan anzupassen. Dies soll die Abweichung der tatsächlichen
Verkehrsstärke von der Planungsverkehrsstärke simulieren und die Flexibilität der Verfahren prüfen. Die Simulationszeit beträgt für jeden Simulationslauf 1 1 h, wobei die Messwerte der ersten Stunde verworfen werden, da die erste Stunde nur zur Netzfüllung dienen soll.
Zur Auswertung wird die mittlere Geschwindigkeit im gesamten Netz betrachtet. Sie ergibt sich aus der Summe aller gefahrenen Strecken im Netz und der
Gesamtdauer aller Fahrten.
Die Fig. 4 zeigt die mittleren Geschwindigkeiten im Netz in den verschiedenen Szenarien im Vergleich zu den herkömmlichen Ansätzen. Die y-Achse entspricht den mittleren Geschwindigkeiten im Netz, die x-Achse bezeichnet das jeweilige Szenario. Dargestellt sind die einzelnen Quartile, wobei das obere Quartil so klein ist, dass es in dieser
Darstellung nicht zu sehen ist.
In Fig. 4 bezeichnet N1 das Netz mit regelmäßigen Knotenpunktabständen ohne abbiegende Ströme, N2 das Netz mit unregelmäßigen Knotenpunktabständen ohne abbiegende Ströme und N3 und N4 sind jeweils solche mit abbiegenden Strömen. Aus den Ergebnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
Die Festzeitsteuerung (FZS) funktioniert besonders gut bei wenig komplexen Knotenpunkten mit geringer bis mittlerer Auslastung. Bei starker Auslastung bricht der Verkehr oft zusammen und es werden zum Teil nur noch mittlere
Geschwindigkeiten von unter 10 km/h erreicht.
Die Rahmenplansteuerung (RPS) ist so flexibel, dass sie Schwankungen relativ gut abfangen kann. Durch die Koordinierung der Kernfreigabezeiten auf dem koordinierten Streckenzug wird damit insgesamt sogar eine höhere
Geschwindigkeit als bei der reinen Zeitlückensteuerung (ZLS) erreicht.
Die Zeitlückensteuerung arbeitet grundsätzlich nach dem Prinzip des
Rückstauabbaus, weswegen die Koordinierung mit Freiläufern kaum funktioniert. Allerdings werden die Nebenströme stärker beachtet, weswegen selbst die Zeitlückensteuerung ohne Rahmenplan in der Netzbetrachtung zum Teil bessere Ergebnisse liefert als die Festzeitsteuerung. Zusätzlich ist die Steuerung flexibel genug, dass es zu keinen Überlastungen kommt.
Die Steuerung auf Basis des beschriebenen Verfahrens (VZP) vereint
gewissermaßen die Vorteile der Zeitlücken und Rahmenplansteuerung: Sie ist nicht an feste Umlaufzeiten gebunden, zieht aber trotzdem die Netzproblematik mit in die Steuerung ein. Auf diese Weise können in allen Szenarien durch die Steuerung auf Grundlage der Gesamtverlustzeit bessere Ergebnisse erzielt werden als mit den anderen Verfahren. Die mittlere Geschwindigkeit im Netz erhöht sich hier gegenüber den gängigen Verfahren im Schnitt um 5 % bis 25 % (siehe Tabelle 1 ).
Tabelle 1 : Relative Änderung der mittleren Geschwindigkeit bei Einsatz des
beschriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung (VZP)
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung können im Bereich der Steuerungen von Lichtsignalanlagen zum Einsatz kommen. Dieser umfasst praktisch sämtliche Technik im öffentlichen Straßenraum, die zur Regelung von Verkehrsströmen Anwendung findet. Besonders dem Gebiet der verkehrsabhängigen Lichtsignalanlagen- Steuerung wird hierbei zunehmend mehr Bedeutung beigemessen, da dort wesentliche Potentiale zur Einsparung von Verlustzeiten, Kraftstoff und Schadstoffemissionen durch die Verkehrsteilnehmer liegen. Die Integration von neuen Kenngrößen, wie z.B.
Verlustzeiten, ist hierbei für Lichtsignal-Hersteller und Kommunen von besonderem Interesse, um das steigende Verkehrsaufkommen auch zukünftig noch angemessen abwickeln zu können.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Lichtsignalanlage
3 Steuerung
4 Prognoseeinrichtung
5 Schnittstelle
10-x Fahrzeugposition
21 Gesamtverlustzeit
22 Restfreigabedauer
PO Phase
P1 Phase
P2 Phase
Pi Phase
100-104 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage (2), wobei
Phasen (PO, P1 , P2, Pi) der Lichtsignalanlage (2) mittels einer Steuerung (3) auf Grundlage einer Verlustzeit gesteuert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verlustzeit eine Gesamtverlustzeit (21 ) aller sich in einem Detektionsradius befindenden Fahrzeuge ist, wobei die Gesamtverlustzeit (21 ) mittels einer Prognoseeinrichtung (4) auf Grundlage von aktuellen und von geschätzten zukünftigen Fahrzeugpositionen (10-x) der Fahrzeuge in dem Detektionsradius geschätzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Schätzen der Gesamtverlustzeit (21 ) mittels der Prognoseeinrichtung (4) auf Grundlage der einzelnen Fahrzeugpositionen (10-x) eine Anzahl von Fahrzeugen in einer Warteschlange und eine Warteschlangenlänge geschätzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schätzen der Gesamtverlustzeit (21 ) mittels der Prognoseeinrichtung (4) eine
Restfreigabedauer (22) einer Phase (PO, P1 , P2, Pi) und ein Freigabebeginn einer auf diese Phase (PO, P1 , P2, Pi) folgenden Phase (PO, P1 , P2, Pi) auf Grundlage der Anzahl von Fahrzeugen in der Warteschlange geschätzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum
Schätzen der Gesamtverlustzeit (21 ) mittels der Prognoseeinrichtung (4) eine Verlustzeit für jedes sich im Detektionsradius befindende Fahrzeug auf Grundlage der Restfreigabedauer (22) geschätzt wird, wobei für die Verlustzeit eines
Fahrzeugs jeweils eine Warteverlustzeit, eine Reaktionsverlustzeit und eine Beschleunigungsverlustzeit berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Phase (PO, P1 , P2, Pi) beendet wird, wenn eine für einen kompletten Phasenumlauf geschätzte Gesamtverlustzeit (21 ) bei sofortiger Beendigung der aktuellen Phase (PO, P1 , P2, Pi) geringer ist als eine bei jeder anderen möglichen Restfreigabezeit (22) für den kompletten Phasenumlauf geschätzte Gesamtverlustzeit (21 ).
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugpositionen (10-x) innerhalb des Detektionsradius mittels Floating Car Daten und/oder Vehicle-to-X-Kommunikation und/oder Kameradaten bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Fahrzeuge zur Vereinfachung mittels eines Verkehrsmodells beschrieben werden, in dem die Fahrzeuge lediglich die Zustände„Warten in der Warteschlange“ oder„Fahren mit maximaler Geschwindigkeit“ einnehmen können.
8. Vorrichtung (1 ) zum dynamischen Steuern einer Lichtsignalanlage (2), umfassend: eine Steuerung (3), wobei die Steuerung (3) derart ausgebildet ist, Phasen (PO, P1 , P2, Pi) der Lichtsignalanlage auf Grundlage einer Verlustzeit zu steuern, gekennzeichnet durch
eine Prognoseeinrichtung (4),
wobei die Verlustzeit eine Gesamtverlustzeit (21 ) aller sich in einem
Detektionsradius befindenden Fahrzeuge ist, und wobei die Prognoseeinrichtung (4) derart ausgebildet ist, die Gesamtverlustzeit (21 ) auf Grundlage von aktuellen und von geschätzten zukünftigen Fahrzeugpositionen (10-x) in dem Detektionsradius zu schätzen.
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