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
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. 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. 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. 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. 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. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Fuzzy-Logik zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer
Meßstelle die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit mindestens in die
Fuzzy-Mengen "klein", "mittel" und "groß" und die Verkehrsstärke
mindestens in die Fuzzy-Mengen "klein" und "groß" fuzzifiziert
und mindestens folgende Fuzzy-Regeln beinhaltet:
a) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist
klein), dann (Verkehrszustand ist Stau);
b) wenn (Geschwindigkeit ist klein) und (Verkehrsstärke ist
groß), dann (Verkehrszustand ist synchronisierter
Verkehr);
c) wenn (Geschwindigkeit ist mittel) und (Verkehrsstärke ist
groß), dann (Verkehrszustand ist synchonisierter Verkehr;
d) wenn (Geschwindigkeit ist groß), dann (Verkehrzustand ist
freier Verkehr).
6. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
aus Verkehrsdaten, die durch mehrere, im Verkehr mitschwimmende
Detektoren (S1, S2, S3, S4) aufgenommen werden, ein Schätzwert
für die mittlere Geschwindigkeit und/oder die Verkehrsstärke für
einen fiktiven, aus den zum Meßzeitpunkt gültigen
Detektorpositionen abgeleiteten Meßstellenort und für einen fiktiven, aus
den Detektormeßzeitpunkten abgeleiteten Meßzeitpunkt gebildet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des Verkehrszustands an einer Meßstelle als
zusätzliche Eingangsgrößen eine zeitliche Änderung (dv) der
mittleren Geschwindigkeit (v) und/oder eine zeitliche Änderung (dq) der
Verkehrsstärke (q) herangezogen werden.
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
