Tobias Schendzielorz, Paul Schneider, Matthias Künzelmann, Natalie Sautter, Wolfgang Höger

• Durch die C2X-Technologie, die aus dem Forschungsumfeld in die Städte einzuziehen beginnt, steht auch die Steuerung der Lichtsignalanlagen vor einem richtungsweisenden Evolutionsschritt. Die grundsätzliche Frage bei der Kommunikation der Fahrzeuge mit der Infrastruktur ist nicht mehr das Ob, sondern das Wann und das Wie. Es sind mehrere technische Wege denkbar, die wiederum unterschiedliche Auswirkungen auf die Städte und Kommunen haben. Zum einen kann die Durchsetzung der C2X-Kommunikation über den zukünftigen 5G-Mobilfunkstandard und die Ausrüstung der Lichtsignalanlagen mit entsprechenden Kommunikationsunits erfolgen, zum anderen ist es auch denkbar, die Lichtsignalanlagen mit Road Side Units (RSU) auszustatten, die eine Kommunikation der Fahrzeuge mittels ETSI ITS-G5 oder C-V2X mit den LSA-Steuergeräten ermöglichen. Beides hat Auswirkungen auf die Betreiber, Hersteller und Planer der Lichtsignalanlagen. Durch die fortschreitende Digitalisierung eröffnen sich neue Datenquellen zur Detektion des Verkehrsgeschehens im Bereich von lichtsignalgesteuerten Kontenpunkten. Diese technologische Entwicklung kann daher einen maßgeblichen Einfluss auf die Steuerungsverfahren haben. Das Nutzen dieser Möglichkeiten und die entsprechende Anpassung der Steuerungsverfahren ermöglicht es das Potential einer weitblickenden Anlage zu schöpfen und somit früher als bisher auf die Bedürfnisse des Verkehrsgeschehens zu reagieren. Es wäre ein Versäumnis die Verfahren nicht an die Möglichkeiten der neuen Datenquellen, welche C2X bietet, anzupassen und auf diesem Weg, zur Verbesserung des Verkehrsflusses in unseren Städten beizutragen. Daher ist es entscheidend die Steuerungsverfahren den neuen Begebenheiten anzupassen und mit der technologischen Evolution schrittzuhalten. Eine Herausforderung ist es, diese neuen Möglichkeiten mit bestehenden Steuerungen in Einklang zu bringen, da nicht von hundertprozentiger Ausstattung des Fahrzeugbestands mit C2X-Technologie auszugehen ist. Aufgrund dieses Umstands wurden drei wichtige Voraussetzungen für die Erstellung einer C2X-LSA-Steuerung vorausgesetzt: • Einfache Implementierung der C2X-Funktionen in bestehende Logiken • Gleichbehandlung von C2X-Fahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen • Anwendungsfälle/Komponenten sollen komplett in einer Logik umgesetzt werden können Das Vorgehen des von der BASt finanzierten Projektes „Optimierte Steuerungsstrategien für Lichtsignalanlagen durch die Berücksichtigung der Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation (C2X)“ war wie folgt. Zunächst erfolgte die Einführung in den Stand der Wissenschaft und Technik. Es wurden mögliche LSA-Steuerungsverfahren erläutert und auf bereits existierende C2X-Steuerungstrategien für Lichtsignalanlagen näher eingegangen. Basierend auf dieser Bestandsanalyse wurden bestehende Verbesserungspotenziale aufgezeigt und C2X Anwendungsfälle daraus abgeleitet. Die Anwendungsfälle flossen in ein neu entwickeltes Steuerungsverfahren ein. Dieses Verfahren stellt eine Evolution der Verkehrstechnik dar, weil die konventionelle Logik um eine C2X-Logik erweitert wurde. Die Auswirkungen der Einbeziehung von aktiv versendeten Fahrzeugdaten in die LSA-Steuerung auf den Verkehrsablaufs wurde mittels mikroskopischen Verkehrsflusssimulation untersucht. Für die Simulation wurden im Projekt drei Laborknotenpunkte ausgewählt außerorts (3-armig), innerorts (3-armig) und innerorts (4-armig). Nach der Erstellung einer als Vergleichspunkt geltenden Festzeit und einer verkehrsabhängigen Steuerung wurden neue C2X-Steuerungsfunktionen entwickelt. Diese Funktionen wurden im Anschluss in die Steuerungslogik eines jedes Laborknotens integriert und somit ein C2X-Steuerungsablauf umgesetzt. Die umgesetzten C2X-Steuerungen wurden im Anschluss unter unterschiedlichen Penetrationsraten und Verkehrsbelastungen in einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation getestet, die Ergebnisse ausgewertet und miteinander vergleichen. Es erfolgte eine Deutung der Ergebnisse und ein Ausblick/Empfehlung. Grundsätzlich ist hervorzuheben, dass durch die Einbeziehung von C2X-Fahrzeuginformationen die beiden Auswertungskenngrößen, Halte und Verlustzeiten, für alle Knotenpunkte reduziert wurden. Die wichtigsten Ergebnisse können nach Penetrationsrate, Knotenpunktform und Verkehrsbelastung differenziert werden. Es wurde gezeigt, dass bereits bei geringen C2X-Penetrationsraten signifikante Verbesserungen, im Hinblick auf Umweltbelastungen, durch eine Reduzierung von Halten, und Reisezeitverlusten, erreicht werden können. Hohe Penetrationsraten führten aufgrund der Vielzahl an Fahrzeuginformationen zu Verbesserungen mit einer Reduktion der Verlustzeit von bis zu 18 % und zu einer Reduktion der Halte von bis zu 26 %. Darüber hinaus kann gesagt werden, dass die Ergebnisse von der Knotenpunktform relativ unabhängig sind. Als entscheidender Punkt kristallisierte sich die Phasenanzahl heraus. Bei einer zweiphasigen Steuerung sind die Verbesserungen etwas geringer als im Vergleich zu einer dreiphasigen bzw. 7-phasigen Steuerung. Die Verkehrsbelastungen hatten einen großen Einfluss auf die Ergebnisse. Während sich bei einer hohen Verkehrsbelastung ähnliche Werte wie die einer Festzeitsteuerung bzw. geringe Verbesserungen gegenüber einer konventionellen verkehrsabhängigen Steuerung ergaben, kommt es mit stetiger Verringerung des Verkehrs zu einer immer größer werdenden Diskrepanz zwischen konventioneller verkehrsabhängiger Steuerung und C2X-Steuerung. Bei einer geringen Verkehrsbelastung konnte teilweise über ein Viertel der Halte im Vergleich zu einer konventionellen verkehrsabhängigen Steuerung vermieden werden. Die Ergebnisse geben eine Richtung vor, welche Potenziale einer C2X-Steuerung unter Einbeziehung von C2X-Daten möglich wären. Da es sich um einen Steuerungszusatz handelt, der an- und abgeschaltet werden kann, ist dieses flexibel einsetzbar. Des Weiteren ist das erstellte Verfahren bereits jetzt in bestehende Steuerungen implementierbar und somit auf der Straße testbar. Die Ergebnisse des Projektes schließen somit die Lücke zwischen der Theorie über mögliche Einsatzzwecke der C2X-Daten und einem Praxistest auf der Straße.
• As a result of V2X technology, which is slowly beginning to move from the research environment into cities, the control of traffic signals is also facing a trend-setting evolutionary step. The fundamental question in V2I (Vehicle to Infrastructure) is no longer whether, but when and how. Several technical paths are possible, which in turn have different implications for cities and municipalities. On the one hand, V2X communication can be enforced via the future 5G mobile radio standard and the equipment of traffic signal systems with corresponding communication units; on the other hand, it is also conceivable to equip the traffic signal systems with roadside units (RSU) that enable vehicles to communicate with the traffic light control units using ETSI ITS-5G or C-V2X. Both have implications for the operators, manufacturers, and planners of traffic signal systems. Advancing digitalization opens new data sources for detecting traffic events in light signal-controlled intersections. This technological development can therefore have a significant influence on control procedures. Taking advantage of these opportunities and the corresponding adaption of the control procedures make it possible to draw on the potential of a far-sighted system and thus respond to traffic needs earlier. It would be a failure not to adapt the procedures to the possibilities of the new data sources offered by V2X and thus contribute to the improvement of the traffic flow in our cities. Therefore, it is crucial to adapt the control procedures to the new circumstances and to keep up with the technological evolution. It is a challenge to harmonize these new possibilities with existing control systems, as it cannot be assumed that the vehicle fleet will be one hundred percent equipped with C2X technology. Due to this circumstance, three important prerequisites for the creation of a C2X LSA control system were assumed: • Easy implementation of C2X functions in existing logics. • Equal treatment of C2X vehicles and conventional vehicles • Use cases/components should be able to be implemented completely in one logic The procedure of the BASt-funded project "Optimized control strategies for traffic signals by considering vehicle-infrastructure communication (C2X)" was as follows. First, an introduction to the state of the art in science and technology was given. On the one hand, possible control methods were explained and existing V2X control strategies for traffic signals were discussed in more detail. Based on this state-of-the-art analysis, existing improvement potentials were identified and V2X use cases were derived from them. The use cases were incorporated into a newly developed control procedure. This procedure represents an evolution of traffic engineering because V2X logic was added to the conventional logic. The effects of the inclusion of actively sent vehicle data in the traffic signal control on the traffic flow were investigated by means of microscopic traffic flow simulation. For the simulation, three laboratory intersections were selected in the project: extra-urban (3-armed), intra-urban (3-armed) and intra-urban (4-armed). After the creation of a fixed time and traffic actuated control, which was used as a point of comparison, new V2X control functions were developed. These functions were then integrated into the control logic of each intersection, thus implementing a V2X control flow. The implemented V2X controls were then tested under different penetration rates and traffic demand in a microscopic traffic flow simulation and the results were evaluated and compared. The results were interpreted, and an outlook/recommendation was made for the implementation of the Basically, it should be emphasized that by including V2X vehicle information, the two evaluation parameters, stops and the lost times for all intersections, were reduced. The most significant results could be differentiated by, penetration rate, intersection shape and traffic demand. It was shown that even at low V2X penetration rates, significant improvements can be achieved in terms of environmental impacts by reducing stops and travel time losses. High penetration rates led to improvements of up to 18% reduction in lost time and up to 26% reduction in stops due to the large amount of vehicle information. In addition, it can be said that results are relatively independent from the shape of the intersections. The number of phases emerged as a decisive point. With a two-phase control, the improvements are rather smaller than in comparison with a three-phase or 7-phase control. The traffic demand had a major impact on the results. While with a high traffic demand, values like those of a fixed-time control or small improvements to a conventional traffic-actuated control are obtained, with a steady decrease in traffic, there is a widening discrepancy between conventional traffic-actuated control and V2X control. With a low traffic demand, in some cases more than a quarter of the stops could be avoided compared to conventional traffic-dependent control. The results provide direction on the potential of a V2X control involving V2X data. Since it is a control add-on that can be switched on and off, it can be used flexibly. Furthermore, the created process can already be implemented in existing controls and can therefore be tested on the road. The results of the project thus close the gap between the theory about possible uses of the V2X data and a practical test on the road.