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Dokumentenidentifikation DE19944077C2 07.02.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Kerner, Boris, Prof. Dr., 70619 Stuttgart, DE;
Aleksic, Mario, 78647 Trossingen, DE;
Denneler, Ulrich, 70327 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 14.09.1999
DE-Aktenzeichen 19944077
Offenlegungstag 22.03.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.02.2002
IPC-Hauptklasse G08G 1/01
IPC-Nebenklasse G06F 19/00   
IPC additional class // G06F 163:00  

Beschreibung[de]

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

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

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

Zur Überwachung und Prognose des Verkehrszustands "Stau" sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, siehe die in der Offenlegungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebene automatische Staudynamikanalyse und aus der dort genannten Literatur bekannte Methoden. In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung DE 198 35 979 A1 ist des weiteren die Überwachung und Prognose von synchronisiertem Verkehr beschrieben, insbesondere die Erkennung des Phasenübergangs zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr und eine Prognose über die räumliche Ausdehnung von synchronisiertem Verkehr, indem auf die Position der stromaufwärtigen Flanke desselben dadurch geschlossen wird, daß für eine entsprechende stromaufwärtige Meßstelle spezielle Bedingungen für einen induzierten stromaufwärtigen Phasenübergang vom freien zum synchronisierten Verkehr nicht mehr erfüllt sind oder ein breiter Stau entstanden ist.

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

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art und einer damit arbeitenden Vorrichtung zugrunde, mit denen der aktuelle Verkehrszustand hinsichtlich unterschiedlicher Zustandsphasen und besonders hinsichtlich synchronisiertem Verkehr und dem Phasenübergang von freiem zu synchronisiertem Verkehr vergleichsweise zuverlässig überwacht werden kann und auf dieser Basis bei Bedarf auch eine vergleichsweise zuverlässige Prognose des zukünftigen Verkehrszustands möglich ist.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß laufend die aktuelle Position der stromaufwärtigen Flanke eines jeweiligen Bereichs mit synchronisiertem Verkehr, d. h. der Grenze zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem stromabwärts anschließenden Bereich synchronisierten Verkehrs, ermittelt und/oder laufend die zukünftige Position dieser Flanke prognostiziert wird, jeweils anhand von Eingangsgrößen, die zumindest Daten über den zeitlichen Verlauf der Verkehrsstärken, d. h. der Verkehrsflüsse, und/oder der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeiten in einem jeweiligen vorgegebenen Zeitintervall einerseits an einer Meßstelle im Bereich des freien Verkehrs und andererseits an einer Meßstelle im Bereich des synchronisierten Verkehrs umfassen.

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

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 ermöglicht zusätzlich die aktuelle Erkennung und zukünftige Prognose des Zustands gestauchten synchronisierten Verkehrs, wiederum durch geeignete Auswertung von Eingangsgrößen, die mindestens den zeitlichen Verkehrsstärkeverlauf und/oder den zeitlichen Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vorgegebenen Zeitintervall umfassen. Zudem können dadurch Staus prognostiziert werden, die sich eventuell aus solchen Bereichen gestauchten synchronisierten Verkehrs bilden.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 erfolgt die Erkennung der einzelnen Verkehrszustandsphasen sowie die Schätzung und Prognose der zeitabhängigen Position von Flanken zwischen verschiedenen Verkehrszustandsphasen derselben mit Hilfe einer Fuzzy-Logik-Methode. Bevorzugt bilden hierbei die zur Fuzzifizierung der Eingangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunktionen adaptiv anpaßbare Parameter, die durch Abgleich der aktuell erfaßten Flankenposition mit der für diesen Zeitpunkt früher prognostizierten Flankenposition angepaßt werden können.

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

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

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

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 7 werden als Eingangsgrößen zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle neben der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der Verkehrsstärke auch daraus geeignet ermittelte zeitliche Änderungen wenigstens einer dieser Variablen herangezogen. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 8 der Quotient dieser zeitlichen Änderungen der beiden Größen als eine weitere Eingangsgröße zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle im Rahmen einer Fuzzy-Logik-Methode herangezogen.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 9 erfolgt eine Prognose darüber, ob ein momentan an einer Meßstelle vorliegender Zustand freien Verkehrs in einen zukünftigen Zustand synchronisierten Verkehrs übergeht, durch eine geeignete Fuzzy-Logik, bei der als eine Eingangsgröße die Differenz zwischen prognostizierter bei synchronisiertem Verkehr abfließender und prognostizierter zufließender Verkehrsmenge an dieser Meßstelle herangezogen und in den zugehörigen Fuzzy- Regeln neben der Verkehrsstärke als weitere Eingangsgröße zur Entscheidung darüber verwendet wird, ob ein Phasenübergang von freiem zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr während des Prognosezeitraums zu erwarten ist.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 wird als eine der Eingangsgrößen zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen freiem Verkehr und stromabwärts davon liegendem synchronisiertem Verkehr die Differenz der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr liegende Meßstelle seit des dortigen Auftretens des Zustands synchronisierten Verkehrs passiert hat, und der im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs eingeströmten Verkehrsmenge herangezogen, wie sie von einer im stromaufwärtigen freien Verkehr befindlichen Meßstelle erfaßt wird, wobei zusätzlich eventuell vorhandene Zu- und Abfahrten zwischen den beiden Meßstellen berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung dieser Verkehrsmengendifferenz verbessert die Qualität der Prognose über die zeitabhängige Flankenposition zwischen den beiden Meßstellen.

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

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

Ein nach Anspruch 13 weitergebildetes Verfahren erlaubt eine Prognose, ob sich ein aktueller synchronisierter Verkehrszustand ausdehnt oder ob er zurückgeht. Dazu wird als Eingangsgröße einer entsprechenden Fuzzy-Logik die Verkehrsmengendifferenz zwischen dem bis zum Prognosezeitpunkt zu erwartenden Verkehrsmengenabfluß und dem in diesem Zeitraum zu erwartenden Zufluß herangezogen, wobei ein großer Differenzwert auf einen Rückgang und ein kleiner Differenzwert auf eine Ausdehnung des synchronisierten Verkehrs hindeuten.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig. 1 veranschaulicht beispielhaft einen Streckenabschnitt einer zweispurigen Richtungsfahrbahn 1 eines Straßenverkehrsnetzes, dessen Verkehrszustand von einer Verkehrszentrale 2 für den aktuellen Zeitpunkt geschätzt, d. h. rechnerisch ermittelt, und für zukünftige Zeitpunkte prognostiziert wird. Zur Erfassung von hierfür dienenden Verkehrsmeßdaten sind zum einen streckenseitig fest installierte Meßstellen MF1, MF2, MF3, . . . und zum anderen bewegliche Detektoren vorgesehen, die in Stichprobenfahrzeugen S1, S2, S3, S4, . . . installiert sind und sogenannte "floating car data" (FCD) liefern. Die Meßdaten werden von der räumlich entfernten Verkehrszentrale 2 über eine drahtlose Datenübertragungsstrecke 3 empfangen, wobei die empfangenen Meßdaten von einem Empfänger 2a einer Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2 zur Auswertung zugeleitet werden.

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

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

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

Darüber hinaus ist unter Heranziehung dieser Eingangsgrößen zusätzlich die Erkennung von gestauchten Bereichen im synchronisierten Verkehr vorgesehen, in denen die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit typischerweise wesentlich niedriger ist als im übrigen synchronisierten Verkehr. Um laufend eine aktuelle Schätzung der zeitabhängigen Position der Flanken, welche einen jeweiligen Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs an beiden Seiten begrenzen, durchzuführen, werden als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in einem vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Berechnungszeitpunkt verwendet. Zur laufenden Prognose der zeitabhängigen Position dieser beiden Flanken eines Bereichs gestauchten synchronisierten Verkehrs für zukünftige Zeitpunkte werden als Eingangsgrößen zumindest der prognostizierte zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der prognostizierte zeitliche Verlauf der mittleren Geschwindigkeit an einer Meßstelle in einem vorgegebenen Zeitintervall bis zum Prognosehorizont, d. h. dem Endzeitpunkt der Prognose, verwendet. Bei entsprechendem Verkehrsaufkommen kann sich vor allem an der stromaufwärtigen Flanke eines Bereichs gestauchten synchronisierten Verkehrs ein breiter, bleibender Stau bilden, d. h. ein Übergang der Zustandphase "gestauchter synchronisierter Verkehr" in die Zustandsphase "Stau" auftreten. Als weitere Funktionalität des in der Verkehrszentrale 2 implementierten Verkehrsüberwachungsverfahrens wird ein solcher Stau mit Hilfe eines geeigneten automatischen Stauerkennungs- und Stauverfolgungsverfahrens prognostiziert bzw. verfolgt, z. B. unter Einsatz des in der oben genannten Offenlegungsschrift DE 196 47 127 A1 beschriebenen Verfahrens. Dazu wird die Staudynamikanalyse speziell auf den stromaufwärts an den Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs angrenzenden Bereich angewendet, wo sich ein breiter Stau bilden kann.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung dieser verschiedenen Funktionalitäten der Verkehrsüberwachung und Verkehrsprognose besteht in der Implementierung eines entsprechenden Fuzzy- Logik-Systems in der Recheneinheit 2b der Verkehrszentrale 2. Das Fuzzy-Logik-System ist bevorzugt so ausgelegt, daß es eine Zuordnung des aktuellen bzw. prognostizierten Verkehrszustands in die verschiedenen Zustandsphasen "freier Verkehr", "synchronisierter Verkehr", "gestauchter synchronisierter Verkehr" und "Stau" sowie die Schätzung und Prognose der zeitabhängigen Position der Flanken zwischen bestimmten Zustandsphasen ermöglicht. Der Verlauf der zur Fuzzifizierung der berücksichtigten Eingangsgrößen verwendeten Zugehörigkeitsfunktionen ist hierbei ein Parameter, der durch Einsatz eines adaptiven Verfahrens automatisch angepaßt werden kann. So kann zur Prognose für zukünftige Zeitpunkte der zeitabhängigen Position der Flanke zwischen verschiedenen Zustandsphasen ein adaptives Verfahren verwendet werden, bei dem die zu einem Berechnungszeitpunkt t0 für einen Prognosezeitpunkt tp ≥ t0 prognostizierte Flankenposition später mit der zum Berechnungszeitpunkt tp aktuell ermittelten Flankenposition verglichen wird und die Verfahrensparameter in Abhängigkeit von diesem Vergleich so angepaßt werden, daß die mit den Eingangsgrößen des Zeitpunkts t0 für den Zeitpunkt tp prognostizierte Flankenposition besser als ursprünglich mit der zum Zeitpunkt tp aktuellen Flankenposition übereinstimmt.

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

Fig. 3 veranschaulicht eine Funktionalität des Fuzzy-Logik- Systems zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen einem Bereich freien und einem Bereich synchronisierten Verkehrs. Diese Funktion wird aktiviert, wenn die Klassifikation des Verkehrszustands gemäß der oben zu Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise ergibt, daß an einer ersten Meßstelle A freier Verkehr und an einer stromabwärts davon gelegenen zweiten Meßstelle B synchronisierter Verkehr vorliegt. Zur Bestimmung der Position der Flanke zwischen dem Bereich freien und dem Bereich synchronisierten Verkehrs werden die aktuell gemessenen Verkehrsstärken qA(t0), qB(t0) und Geschwindigkeiten va(t0), vB(t0) beider Meßstellen A, B im Fuzzy-Logik-System verwendet, das wiederum aus Fuzzifizierung 3, Fuzzy-Inferenzsystem 4 und Defuzzifizierung 5 besteht. Als Ergebnis wird die Position xF,S der Flanke F zwischen dem Bereich freien Verkehrs BF und dem Bereich synchronisierten Verkehrs BS ausgegeben, siehe Block 2 von Fig. 3 und die darunter dargestellte Verkehrssituation. Die Fuzzy-Logik kann hierzu beispielsweise so gewählt sein, daß der Ergebniswert eine Zahl zwischen null und eins ist, wobei der Ergebniswert null bedeutet, daß sich die Flanke F an der Meßstelle A befindet, während ein Ergebniswert von eins bedeutet, daß sich die Flanke F an der Meßstelle B befindet, und ein beliebiger Ergebniswert E zwischen null und eins allgemein bedeutet, daß sich die Flankenposition xF,S um den mit dem Faktor E multiplizierten Abstand der beiden Meßstellen A, B von der Meßstelle A entfernt befindet. Unter Kenntnis der aktuellen Flankenposition xF,S lassen sich in einem weiteren Schritt mit Hilfe von Prognosen des zukünftigen Verlaufs der Verkehrsstärke und der mittleren Geschwindigkeit an den beiden Meßstellen A, B Prognosen für die zukünftige Flankenposition zwischen freiem und synchronisiertem Verkehr erstellen, siehe Block 8 von Fig. 3.

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

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

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

In einer verfeinerten Realisierung der Verkehrszustandsbestimmung an einer Meßstelle wird zusätzlich zu der zur Zeit t0 an der jeweiligen Meßstelle gültigen mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit v(t0) und Verkehrsstärke q(t0) eine zeitliche Änderung dv(t0) der mittleren Geschwindigkeit v(t0) und eine zeitliche Änderung dq(t0) der Verkehrsstärke q(t0) berücksichtigt. Dazu werden diese zeitlichen Änderungen dv, dq in spezieller Weise je nach Verkehrsstärkeverlauf berechnet, wie in den Fig. 5A und 5B anhand von vier Fällen F1, F2, F3, F4 mit jeweils drei zuletzt in einem Zeitabstand Δt aufgenommenen Verkehrsstärke-Meßpunkten veranschaulicht. Dabei entspricht der jüngste, aktuelle Meßzeitpunkt t0 jeweils dem aktuellen Meßpunkt und der davor liegende Meßzeitpunkt t* dem mittleren Meßpunkt als letztem Meßpunkt vor dem aktuellen Meßpunkt. Die in Fig. 5A dargestellten Fälle F1, F2 entsprechen einer abnehmenden Verkehrsstärke, d. h. q(t*) ≥ q(t0), während die Verkehrsstärke in den in Fig. 5B gezeigten Fällen F3, F4 ansteigt, d. h. q(t0) > q(t*). Abhängig von der Verkehrsstärke wird dann für die verschiedenen Fälle F1 bis F4 die zeitliche Verkehrsstärkeänderung dq(t0) für den aktuellen Zeitpunkt t0 durch die Beziehungen



dq(t0) = (q(t0) - maxt(q(t)))/maxt(q(t)), falls q(t*) ≥ q(t0), und



dq(t0) = (q(t0) - mint(q(t)))/q(t0), falls q(t0) > q(t*),



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



dv(t0) = (v(t0) - maxt(v(t)))/maxt(v(t))), falls v(t*) ≥ v(t0), und



dv(t0) = (v(t0) - mint(v(t)))/v(t0), falls v(t0) > v(t*),



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

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

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

Dabei werden zweckmäßigerweise die Fuzzy-Regeln (v) und (vi) nur dann verwendet, wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t0) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als freier Verkehr, synchronisierter Verkehr oder gestauchter synchronisierter Verkehr klassifiziert wurde. Analog werden die Fuzzy-Regeln (vii) und (viii) nur dann verwendet, wenn zum letzten Meßzeitpunkt (t*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t0) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als Stau klassifiziert wurde. Je nach dem, ob zum letzten Meßzeitpunkt (t*) vor dem aktuellen Zeitpunkt (t0) der Verkehrszustand an der betreffenden Meßstelle als Stau klassifiziert wurde oder nicht, werden die Eingangswerte unterschiedlich fuzzifiziert. Des weiteren erlaubt diese Systemauslegung eine Verkehrzustandsprognose in Form einer Zuordnung zukünftiger Verkehrszustände zu den möglichen Zustandsphasen "Stau", "synchronisierter Verkehr", "gestauchter Bereich im synchronisierten Verkehr" und "freier Verkehr" dadurch, daß anstelle der zum aktuellen Zeitpunkt (t0) gültigen Werte für zukünftige Zeitpunkte t > t0 gültige, prognostizierte Werte der mittleren Geschwindigkeit v(t) und der Verkehrsstärke q(t) verwendet werden.

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





ermittelt, wobei qab,syn(t) den zeitabhängigen prognostizierten Abfluß bei synchronisiertem Verkehr und qzu(t) den zeitabhängigen prognostizierten Zufluß für die betreffende Meßstelle bezeichnen. Diese Verkehrsmengendifferenz ΔMP wird dann in die Fuzzy- Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert, wie im entsprechenden Zugehörigkeitsgrad-Diagramm von Fig. 7B angegeben. Zur Prognose eines dauerhaften Phasenübergangs vom aktuellen freien Verkehr zu einem zukünftigen synchronisierten Verkehrszustand werden dann mindestens folgende Fuzzy-Regeln verwendet:
  • a) wenn (Verkehrsstärke ist groß) und (ΔMp ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist wahrscheinlich); und
  • b) wenn (Verkehrsstärke ist klein), dann (Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr ist unwahrscheinlich).

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





wobei qA und qB die zeitabhängigen Verkehrsstärken an der Meßstelle A bzw. B und qzu sowie qab die zeitabhängigen Verkehrsstärken an Zu- bzw. Abfahrten zwischen Meßstelle A und Meßstelle B bezeichnen. Die Berücksichtigung dieser Verkehrsmengendifferenz ΔM kann insbesondere wieder in Form einer Eingangsgröße für das Fuzzy-Logik-System erfolgen, wozu sie in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" in gleicher Weise wie die oben erläuterte Verkehrsmengendifferenz ΔMP gemäß dem Diagramm von Fig. 7B fuzzifiziert wird. Mit Hilfe dieser Eingangsinformation kann dann die aktuelle Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs, in welchem die Meßstelle A liegt, und einem stromabwärtigen Bereich synchronisierten Verkehrs, in welchem die Meßstelle B liegt, unter Anwendung mindestens folgender Fuzzy-Regeln durch die Fuzzy-Logik bestimmt werden:
  • a) wenn (ΔM ist klein), dann (Flankenposition ist nahe Meßstelle A); und
  • b) wenn (ΔM ist groß), dann (Flankenposition ist nahe Meßstelle B).

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





heranzuziehen, bei der die diversen Verkehrsflüsse qA, qB, qzu und qab ab dem Zeitpunkt tfree,A, zu dem an der stromaufwärtigen Meßstelle A der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr übergegangen ist, bis zum aktuellen Bestimmungszeitpunkt t0 für die Bestimmung der zugehörigen Verkehrsmengen in diesem Zeitraum integriert werden. Vorzugsweise werden für die Fuzzifizierung der Eingangsgrößen im Fall des sich rückbildenden synchronisierten Verkehrs andere Parameter als für die Situation bei sich ausweitendem synchronisiertem Verkehr verwendet, während im Grundsatz die Fuzzifizierung der Verkehrsmengendifferenz ΔM* in die Fuzzy- Mengen "klein" und "groß" beibehalten wird.

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

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

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

Die erfindungsgemäße, oben beispielhaft beschriebene Art der Überwachung und Prognose des Verkehrszustands hinsichtlich des Auftretens und der Ausdehnung unterscheidbarer Verkehrszustandsphasen, wie freier Verkehr, synchronisierter Verkehr, gestauchter synchronisierter Verkehr und Stau, durch laufende Schätzung für den aktuellen Zeitpunkt und laufende Prognose für zukünftige Zeitpunkte ist die Verkehrszentrale in der Lage, darauf aufbauende Verkehrsinformationen zu generieren, beispielsweise eine laufende Prognose über Reisezeiten vorzunehmen, die für Fahrten entlang vorgebbarer Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes bzw. von einem vorgebbaren Startort zu einem vorgebbaren Zielort zu erwarten sind. Dazu kann das oben beschriebene Verfahren über die Erkennung und Verfolgung der zeitlichen Entwicklung von Bereichen freien Verkehrs und synchronisierten Verkehrs sowie gestauchten synchronisierten Verkehrs mit einem bekannten Verfahren zur automatischen Staudynamikanalyse (Staudynamikprognose) kombiniert werden, mit dem eine Prognose von stromaufwärtigen und stromabwärtigen Stauflanken erfolgt. Darauf aufbauend kann dann die Geschwindigkeit v(t, x) zu einem Zeitpunkt t an einer Position x des Verkehrsnetzes dergestalt festgelegt werden, daß sie für Streckenabschnitte innerhalb eines Staus als eine vorgegebene mittlere Geschwindigkeit im Stau (alternativ dazu kann die mittlere Geschwindigkeit für einen jeweiligen gesamten Bereich "sich bewegende breite Staus" als eine vorgegebene mittlere Geschwindigkeit im Bereich "sich bewegende breite Staus" angenommen werden), für Streckenabschnitte innerhalb eines Bereichs synchronisierten Verkehrs als eine vorgebbare mittlere Geschwindigkeit im synchronisierten Verkehr und für Streckenabschnitte mit freiem Verkehr als eine vorgegebene mittlere Geschwindigkeit im freien Verkehr angenommen wird. Auf dieser Basis ist dann eine laufende Prognose über Reisezeiten entlang einzelner Streckenabschnitte des Verkehrsnetzes dadurch möglich, daß nacheinander die Positionen xi, i = 1, 2 . . ., innerhalb des betrachteten Streckenabschnitts berechnet werden, zu denen das Fahrzeug während der zu prognostizierenden Fahrt voraussichtlich Flanken, d. h. Grenzen, zwischen je zwei verschiedenen Verkehrszustandsphasen passiert, woraus dann die zur Durchquerung der jeweils vorangegangenen Zustandsphase benötigte Reisezeit Ti ermittelt werden kann. Die prognostizierte Gesamtreisezeit ergibt sich dann aus der Summe dieser einzelnen Reisezeiten Ti für das Passieren der während der Fahrt aufeinanderfolgenden verschiedenen Verkehrszustandsphasen.

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


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz, insbesondere einem Straßenverkehrsnetz, bei dem

    an stationären und/oder beweglichen Meßstellen Verkehrsmeßdaten aufgenommen werden und

    der Verkehrszustand unter Berücksichtigung der aufgenommenen Verkehrsmeßdaten, die wenigstens Informationen über die Verkehrsstärke und/oder die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen, in jeweils eine von mehreren Zustandsphasen klassifiziert wird, die mindestens die Zustandsphasen "freier Verkehr" und "synchronisierter Verkehr" umfassen,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder eine Prognose der zukünftigen Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs (BF) und einem stromabwärts liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs (BS) vorgenommen wird, wobei als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in einem vorgebbaren Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt (t0) oder bis zum Prognosehorizont (tp) einerseits an einer im Bereich freien Verkehrs liegenden Meßstelle (A) und andererseits an einer im Bereich synchronisierten Verkehrs liegenden Meßstelle (B) herangezogen werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

    Bereiche synchronisierten Verkehrs hinsichtlich Auftretens der Zustandsphase "gestauchter synchronisierter Verkehr" überwacht werden und

    für einen detektierten Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs laufend eine Ermittlung der aktuellen Position und/oder eine Prognose der zukünftigen Position der diesen Bereich beidseits begrenzenden Flanken vorgenommen wird, wobei als Eingangsgrößen zumindest der zeitliche Verkehrsstärkeverlauf und/oder der zeitliche Verlauf der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit in einem jeweils vorgegebenen Zeitintervall bis zum aktuellen Zeitpunkt (t0) oder bis zum Prognosehorizont (tp) an einer Meßstelle verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifizierung des Verkehrszustands in einen der vorgebbaren, unterscheidbaren Zustandsphasen sowie die Ermittlung und/oder Prognose der Position von Flanken, welche je zwei unterschiedliche Zustandsphasen trennen, unter Verwendung einer Fuzzy-Logik erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Fuzzy-Logik zur Erkennung von Bereichen gestauchten synchronisierten Verkehrs an einer Meßstelle die Varianz der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die Dauer des Zeitraums, in denen die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert ist, jeweils in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert und mindestens die Fuzzy-Regel verwendet, daß dann ein Bereich gestauchten synchronisierten Verkehrs vorliegt, wenn die Varianz der Geschwindigkeit groß und die Dauer des Zeitraums niedriger Geschwindigkeiten klein ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Logik zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein", "mittel" und "groß" und die Verkehrsstärke mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert und mindestens folgende Fuzzy-Regeln beinhaltet:
    1. a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
    2. b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter Verkehr);
    3. c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist groß), dann (Verkehrszustand ist synchonisierter Verkehr;
    4. d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrzustand ist freier Verkehr).
  6. 6. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß aus Verkehrsdaten, die durch mehrere, im Verkehr mitschwimmende Detektoren (S1, S2, S3, S4) aufgenommen werden, ein Schätzwert für die mittlere Geschwindigkeit und/oder die Verkehrsstärke für einen fiktiven, aus den zum Meßzeitpunkt gültigen Detektorpositionen abgeleiteten Meßstellenort und für einen fiktiven, aus den Detektormeßzeitpunkten abgeleiteten Meßzeitpunkt gebildet wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle als zusätzliche Eingangsgrößen eine zeitliche Änderung (dv) der mittleren Geschwindigkeit (v) und/oder eine zeitliche Änderung (dq) der Verkehrsstärke (q) herangezogen werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient (c = dv/dq) der zeitlichen Änderung (dv) der mittleren Geschwindigkeit und der zeitlichen Änderung (dq) der Verkehrsstärke gebildet und als weitere Eingangsgröße zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle durch eine Fuzzy-Logik herangezogen wird, bei der die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit in wenigstens vier Fuzzy-Mengen, die Verkehrstärke in wenigstens drei Fuzzy-Mengen sowie die zeitlichen Änderungen der mittleren Geschwindigkeit und der Verkehrsstärke ebenso wie der Quotient (c) derselben in jeweils wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifiziert werden und der Verkehrszustand durch entsprechende Fuzzy- Regeln in wenigstens die Zustandsphasen "Stau", "synchronisierter Verkehr" und "freier Verkehr" klassifiziert wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall eines an einer Meßstelle zu einem bestimmten Zeitpunkt (t0) vorliegenden Bereichs freien Verkehrs eine Prognose über einen zukünftigen Phasenübergang zu synchronisiertem Verkehr durch eine Fuzzy-Logik vorgenommen wird, die eine Fuzzifizierung der aktuellen Verkehrsstärke in wenigstens zwei Fuzzy- Mengen "groß" und "klein" sowie eine Fuzzifizierung einer prognostizierten Verkehrsmengendifferenz (ΔMP) für die betreffende Meßstelle in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" umfaßt und wenigstens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach ein Phasenübergang zu dauerhaftem synchronisiertem Verkehr wahrscheinlich ist, wenn die Verkehrsstärke groß und die Verkehrsmengendifferenz klein ist, und wonach ein solcher Phasenübergang unwahrscheinlich ist, wenn die Verkehrsstärke klein ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem stromabwärts davon liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs die Differenz (ΔM) aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befindliche Meßstelle (B) seit dem Zeitpunkt (tsyn,B) des dortigen Auftretens von synchronisiertem Verkehr passiert hat, und der Verkehrsmenge herangezogen wird, die im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs zuströmt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß als eine Eingangsgröße für die Bestimmung der Position der Flanke zwischen einem Bereich freien Verkehrs und einem sich rückbildenden stromabwärts davon liegenden Bereich synchronisierten Verkehrs die Differenz (AM*) aus der Verkehrsmenge, die eine im synchronisierten Verkehr befindliche Meßstelle (B) seit einem Zeitpunkt (tfree,A), zu dem an einer stromaufwärtigen Meßstelle (A) der synchronisierte Verkehr in freien Verkehr übergegangen ist, passiert hat und der im gleichen Zeitraum in den Bereich synchronisierten Verkehrs einströmenden Verkehrsmenge herangezogen wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Verkehrsmengendifferenz (ΔM, ΔN*) als Eingangsgröße einer Fuzzy-Logik verwendet wird, welche sie in wenigstens zwei Fuzzy- Mengen fuzzifiziert und zur Bestimmung der aktuellen Flankenposition mindestens die Fuzzy-Regeln verwendet, wonach die Flankenposition nahe der stromaufwärtigen Meßstelle (A) liegt, wenn die Verkehrsmengendifferenz klein ist, und die Flankenposition nahe der stromabwärtigen Meßstelle (B) liegt, wenn die Verkehrsmengendifferenz groß ist.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Prognose über ein Ausdehnen bzw. ein Zurückbilden eines Bereichs synchronisierten Verkehrs durch eine Fuzzy-Logik vorgenommen wird, welche die für den Prognosezeitraum (tp) prognostizierte Verkehrsmengendifferenz zwischen der aus dem Bereich synchronisierten Verkehrs abfließenden und der ihm zufließenden Verkehrsmenge in wenigstens zwei Fuzzy-Mengen fuzzifiziert und mindestens die Fuzzy-Regeln beinhaltet, wonach sich der synchronisierte Verkehr zurückbildet, wenn die Verkehrsmengendifferenz groß ist, und sich der synchronisierte Verkehr ausdehnt, wenn die Verkehrsmengendifferenz klein ist.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verkehrszustand wenigstens hinsichtlich der Zustandsphasen freier Verkehr, synchronisierter Verkehr und Stau bzw. Verkehrsbereichen sich bewegender breiter Staus prognostiziert wird, jeder dieser Zustandsphasen bzw. Verkehrsbereichen eine eigene mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordnet wird und eine Reisezeitprognose durchgeführt wird, wonach sich die zu erwartende Reisezeit als Summe der Reisezeiten für das Durchfahren der verschiedenen aufeinanderfolgenden Verkehrszustandsphasen bzw. Verkehrsbereiche ergibt.
  15. 15. Vorrichtung zur Überwachung des Verkehrszustands in einem Verkehrsnetz, insbesondere einem Straßenverkehrsnetz, mit

    mehreren stationären und/oder beweglichen Verkehrsmeßstellen (MF1, MF2, MF3, S1 bis S4) zur Aufnahme von Verkehrsmeßdaten und

    einer Verkehrszentrale (2) mit einer Recheneinheit (2b) zur Auswertung der aufgenommenen Verkehrsmeßdaten zwecks Verkehrszustandsermittlung,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Recheneinheit (2b) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist.






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