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Eine der wichtigsten Grundlagen für die systematische Straßenerhaltung in Kommunen ist die Kenntnis des Straßenzustands und seiner zeitlichen Entwicklung. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wird in Deutschland der Zustand von Verkehrsflächen mittels periodisch durchgeführter Zustandserfassungen aufgenommen, die bspw. messtechnisch oder visuell erfolgen können. Im Ergebnis liegen Zustandsmerkmale auf sogenannten Auswerteabschnitten vor. Für die Aufstellung eines Bauprogramms sind daraus im ersten Schritt zustandshomogene Abschnitte zu bilden. Ziel des Forschungsprojektes war, ein praxisorientiertes, automatisch arbeitendes Verfahren zur Bildung zustandshomogener Abschnitte zu entwickeln (Segmentierungsverfahren) und damit ein Werkzeug zu schaffen, mit dessen Hilfe objektive Entscheidungen über die durchzuführenden Erhaltungsmaßnahmen unterstützt werden können. Da die Segmentierung jedoch ausschließlich auf den Zustandsdaten beruht, müssen bei der Aufstellung eines Bauprogramms regelmäßig von der jeweiligen Kommune noch eine Reihe weiterer praktischer Aspekte berücksichtigt werden, die zumeist Ortskenntnis erfordern. Insoweit ist das Resultat aus vorliegendem Verfahren als ein hilfreicher Baustein und objektiver erster Vorschlag für ein Bauprogramm zu betrachten. In einem ersten Schritt wurden aus der Literatur bekannte Segmentierungsverfahren analysiert. Dabei konnte insbesondere auch auf Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt FE 29.0360/2014 „Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen für das Erhaltungsmanagement“ zurückgegriffen werden, in dem der Forschungsnehmer eine ähnliche Fragestellung bereits für Bundesfernstraßen betrachtet hatte. Darauf aufbauend wurde ein eigenes Segmentierungsverfahren entwickelt und erprobt, welches insbesondere eine grundlegend neue Herangehensweise an die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsmerkmalen beinhaltet. Die Verfahrensentwicklung und -verifikation wurde anhand der Netz- und Zustandsdaten von vier Beispielkommunen durchgeführt. Zu Beginn der Projektbearbeitung war es notwendig, eine eingehende Analyse der Daten hinsichtlich ihrer Konformität im Hinblick auf die Regelwerke durchzuführen, damit nachfolgend das Segmentierungsverfahren auf die jeweils gleiche Inputdatenstruktur aufsetzen konnte. Ein solcher Preprozessingschritt – vergleichbar mit dem Teilprojekt TP 0 bei der ZEB – ist generell zu empfehlen. Aus den so aufbereiteten Daten wurden Post-greSQL-Projektdatenbanken aufgebaut. Der Algorithmus zur Bildung zustandshomogener Abschnitte wurde in PostgreSQL entwickelt. Künftige Nutzer können das SQL-Script durch verschiedene Eingabeparameter, wie z. B. die Auswahl des Netzbereiches und die Mindestsegmentlänge, steuern. Das Verfahren segmentiert Abschnittsfolgen des Netzes fahrstreifenbezogen nach mehreren Zustandsmerkmalen, die auf Auswerteabschnitten fester Länge vorliegen. Die Abschnittsfolge wird dabei in Segmente eingeteilt, die möglichst zustandshomogen sind. Es wurde so konzipiert, dass die zu segmentierenden Zustandsmerkmale aus der Menge der verfügbaren Zustandswerte und Teilwerte frei wählbar sind. Jedem Segment werden als charakteristische Kennzahlen die Mittelwerte (oder andere Lageparameter wie der Median) der beteiligten Zustandswerte und eine Zustandsklasse zugeordnet. Darauf aufbauend kann jedem Segment eine Mängelklasse und eine geeignete Erhaltungsmaßnahme zugewiesen und damit Erhaltungsabschnitte abgeleitet werden. Es wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der Ideen verschiedener etablierter Verfahren aufgreift, aber letztendlich eine Eigenentwicklung darstellt. So wurde das Verfahren der kumulativen Summen mit dem Verfahren nach RÜBENSAM und SCHULZE verknüpft, die gefundenen Changepoints wurden mit einem Signifikanztest verifiziert und ggf. wieder eliminiert und das Kriterium der Mindestsegmentlänge wurde an geeigneter Stelle integriert. Zur initialen Glättung der Folge der Zustandsdaten wurde eine spezielle Glättungsmethode entwickelt. Eine komplett neue Herangehensweise wurde für die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsparametern gefunden. Die netzweit berechnete Segmentierung wurde durch zwei der beteiligten Beispielkommunen einer stichprobenhaften Prüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich korrekte und verwertbare Resultate liefert, die bei der Aufstellung eines Bauprogramms unterstützend eingesetzt werden können. Weitere Testrechnungen haben gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch für Straßen des überörtlichen Netzes eignet, da die Auswerteabschnittslänge (10 m/20 m/100 m) hier einen skalierbaren Faktor darstellt. Erweiterungen des Verfahrens bzgl. der Anzahl zu segmentierender Zustandsmerkmale sind möglich und für einen generellen Praxiseinsatz vermutlich auch notwendig. Diese Option sollte durch weitere umfängliche Beispielrechnungen und Vergleiche mit den Ergebnissen etablierter Verfahren verifiziert werden.
Die neuen Kommunikationstechniken lösen eine Reihe von Fragen aus: Welches System ist zukunftssicher und einführbar?, Welche Informationen nützen dem Autofahrer, ohne dass die Übermittlung seine Aufmerksamkeit vom Fahren ablenkt?, Welche Kosten erfordert ds System?, Kann die erforderliche Organisation aufgebaut werden? Für die Eigenschaften eines Fahrzeuginternen Leit- und Informationssystems (FZ-LI) sollten die Bedürfnisse des Benutzers Vorrang vor dem technisch Machbaren haben. Verkehrstechnisch behält die externe Beschilderung die Priorität. Das FZ-LI liefert nur eine zusätzliche Information. Zum Betrieb bedarf es einer hochwertigen Organisation und technischen Ausstattung für die Erfassung und Verarbeitung von verkehrsrelevanten Daten, zur Ableitung von aktuellen Leitprogrammen und Information der Kraftfahrer. Hierfür sind regionale Leitzentralen nötig, die nur von staatlichen Stellen aufgebaut und betrieben werden können. Die Untersuchung der Investitions- und Folgekosten der öffentlichen Hand werden angegeben. Für die Infrastruktur kommen freistahlende Sender und Baken in Frage. Ausgangsstufen für FZ-LI sind autarke Orientierungssysteme und das Autoradio. Die Erörterung der technischen Realisierbarkeit eines FZ-LI sowie seiner Einzelkomponenten kommt zu dem Schluss, dass keine grundlegenden Schwierigkeiten zu erwarten sind. Das eigentliche Problem ist die Realisierung der Organisation eines Verkehrsmanagements im Rahmen der vorhandenen Struktur der öffentlichen Verwaltung.
Die derzeitige Verkehrserfassung soll stufenweise verbessert werden. Erste Stufe ist die Einführung von ARIAM: Das Bundesverkehrsministerium will die Voraussetzungen dafür schaffen, dass Informationen unmittelbar aus Zähldaten an den Autobahnen erhoben werden können. Zur Organisation für ein verbessertes Informationssystem ist die Verknüpfung der zuständigen Behörden, die Einrichtung von Leitzentralen und deren Verbindung durch einen Datenpool notwendig.
Im deutschen Straßennetz existieren Hochleistungsstraßen, die sowohl dem Fernverkehr dienen als auch innerstädtische Verkehre auf sich ziehen und damit das nachgeordnete Straßennetz entlasten. Dabei verfügen diese Straßen, die hohe Verkehrsstärken abwickeln und entweder urban oder autobahnähnlich gestaltet sind, über breite Straßenquerschnitte mit mindestens zwei Fahrstreifen je Fahrtrichtung. Hochleistungsstraßen sind dabei keine eingeführte Kategorie in den Regelwerken der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen und entsprechende Entwurfsempfehlungen existieren bislang nicht. Die im Bestand zu verzeichnenden Entwurfselemente weichen teilweise erheblich von den derzeit gültigen anerkannten Regeln für bestehende Kategorien von Stadtstraßen oder Autobahnen ab. Wesentliche Aufgabe dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung von geeigneten Entwurfsparametern für Hochleistungsstraßen, die die Anforderungen der Verkehrssicherheit, der Fahrtgeschwindigkeit, des Lärmschutzes sowie der städtebaulichen und stadtplanerischen Qualität möglichst weitgehend erfüllen. Auf Basis einer Literaturanalyse erfolgte zunächst die Entwicklung einer Begriffsdefinition von urbanen und autobahnähnlichen Hochleistungsstraßen. Darauf aufbauend wurde eine Befragung von Städten mit mehr als 200.000 Einwohnern zu Straßen dieses Typs durchgeführt. Festzuhalten ist, dass zahlreiche Hochleistungsstraßen in vielen Städten wesentlicher Bestandteil des Straßennetzes sind. Auf Grundlage der Befragung der Städte wurde ein Untersuchungskollektiv von 13 Hochleistungsstraßen für weiterführende Analysen ausgewählt. Durch Detailanalysen konnten Erkenntnisse zu den verschiedenen Analyse- und Wirkungsbereichen gewonnen werden. Dabei war grundsätzlich festzustellen, dass Hochleistungsstraßen ihre Verkehrs- und Erschließungsfunktion weitestgehend leistungsfähig und sicher erfüllen. Niveaufreie Knotenpunkte erwiesen sich im Vergleich zu niveaugleichen Knotenpunkten bei der Untersuchung der Fahrtgeschwindigkeit als auch der Verkehrssicherheit zunächst als vorteilhafter. Dabei ist zu berücksichtigen, dass an niveaufreien Knotenpunkten im Vergleich zu niveaugleichen Knotenpunkten der Fuß- und Radverkehr oftmals auf das umliegende Straßennetz verlagert ist und sich somit keine entsprechenden Auswirkungen auf die Fahrtgeschwindigkeit und die Verkehrssicherheit ergeben. Sofern jedoch Aspekte der Zugänglichkeit für Verkehrsteilnehmer des nicht motorisierten Individualverkehrs (NMIV), der städtebaulichen Integration oder Lärmschutzaspekte hinzugezogen werden, sind niveaugleiche Knotenpunkte als geeigneter einzustufen. Vorfahrtgeregelte Einmündungen und Grundstückszufahrten, an denen nur Rechtsabbiegeverkehre möglich sind und die geringe Verkehrsstärken aufweisen, wirkten sich nicht nachteilig auf die Fahrtgeschwindigkeit oder das Unfallgeschehen von Hochleistungsstraßen aus. Auch hinsichtlich der Zugänglichkeit für Verkehrsteilnehmer des NMIV und der städtebaulichen Integration waren keine negativen Auffälligkeiten festzustellen. Bei der Betrachtung der Lärmimmissionen der Hochleistungsstraßen erwiesen sich geschlossene Gebäudestellungen mit mehr als drei Geschossen auch im Hinblick auf städtebauliche Aspekte als geeignet, die nachgelagerten Bereiche abzuschirmen. Die entwickelten Entwurfsparameter und Empfehlungen sollten dazu beitragen, den bislang nicht existenten Straßentypus der Hochleistungsstraße in die Regelwerke der Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen einzuführen, wobei neben verkehrlichen Belangen auch städtebauliche sowie stadtplanerische Aspekte berücksichtigt werden sollten.
Verkehrsdaten jeder Art müssen zur Weiterverarbeitung eine gewisse Qualität erfüllen. Ziel des Projektes ist es die statischen Daten zu betrachten und hier die Grundlagen für eine einheitliche qualitätsgesicherte Zurverfügungstellung dieser Daten zu schaffen. Weitere Ziele sind die Entwicklung und Realisierung eines Qualitätssicherungskonzepts, welches die Bewertung und Kontrolle und damit die Sicherstellung der Qualität von kartenrelevanten Straßendaten ermöglicht, sowie die Implementierung von Prozessen zur Verbesserung der Datenqualität, hier insbesondere durch Rückmeldungen durch die Datenabnehmer. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in drei wesentliche Arbeitspunkte: Vorbereitende Arbeiten (Literaturrecherche); Untersuchung der Prozesse bei Straßenbauverwaltungen (Experteninterviews, Datensatzanalyse), Qualitätssicherungskonzept. Basierend auf den ermittelten Erkenntnissen aus der Literaturanalyse zum Stand der Technik und dem über die Interviews ermittelten Alltag der Datenhaltung in den Straßenbauverwaltungen wurde ein Qualitätssicherungskonzept entwickelt. Dafür wurden zusätzlich die Daten der Straßeninformationsbanken charakterisiert, um einen Überblick über die zur Bewertung notwendigen Kriterien, Indikatoren und Kennwerte zu erhalten. Im Rahmen des Datenqualitätsassessments wurden die vorhandenen Daten einer Bewertung auf Prüfbarkeit unterzogen und ein erstes Konzept als Entwurf entwickelt. Im weiteren Verlauf der Arbeiten wurde dieser Entwurf einem Praxistest unterzogen und anschließend modifiziert, so dass ein neues Konzept entwickelt werden konnte, das den Praxistest bestehen konnte. Im Rahmen der Praxistests und der weiteren Bearbeitung des Qualitätssicherungskonzeptes wurden auch die Prozesse deutlich, die notwendig sein werden, um das Konzept umzusetzen. Weiterhin wurden Vorschläge für die Integration der Qualitätsinformationen in das Metadaten-Modell des nationalen Zugangspunktes gemacht und Ideen für einen Rückmeldekanal entwickelt. Dieses Konzept beschreibt technische und organisatorische Rahmenbedingungen zur Einführung einer einheitlichen Qualitätssicherung bei den einzelnen Datenlieferanten.
BMS-Entwicklungen
(2003)
Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Überführung des mittels XMI definierten Datenaustauschstandards OKSTRA zur Beschreibung von Daten des Straßenwesens in eine Repräsentation auf Basis der Ontology Web Language (OWL) realisiert. Dadurch stehen nun Methoden und Techniken des Semantic Web auch für OKSTRA-Datensätze zur Verfügung. Insbesondere ist im Sinne des Linked Data Ansatzes die Verknüpfung mit Datensätzen anderer Schemata bzw. Domänen möglich. Dies kann u.a. durch Nutzung der Anfragesprache SPARQL zur integrativen Analyse der Daten der verschiedenen Ontologien erfolgen. Wie im Zuge von Fallstudien gezeigt werden konnte, können auf diese Weise beispielsweise Daten der niederländischen Straßen-Ontologie CB-NL/RWS mit OKSTRA-Daten zusammen abgefragt und analysiert werden. Dadurch lassen sich eine Reihe von grenzüberschreitenden Anwendungsszenarien realisieren, wie z.B. die Planung von Schwerlasttransporten. Andere Anwendungen von Linked Data im Straßenwesen liegen in der intergierten Analyse von 3D-Stadtmodellen im Format CityGML mit OKSTRA-Daten oder der Verknüpfung von Bestands- mit Entwurfsdaten des OKSTRA-Formats. Besonderes Potential ergibt sich durch die Nutzung räumlicher Operatoren, die durch die Anfragesprache GeoSPARQL zur Verfügung gestellt werden. Damit können Verbindungen zwischen Objekten verschiedener Datenmodelle anhand ihres geographischen Kontextes hergstellt werden. Für die Überführung von OKSTRA in okstraOWL standen eine Vielzahl unterschiedlicher Abbildungsoptionen zur Verfügung, deren jeweiligen Vor- und Nachteile im Bericht ausführlich dargelegt wurden. Bestimmte Eigenheiten des OKSTRA-Standards wie beispielsweise die sog. Fachbedeutungslisten erschweren zwar das Mapping, grundsätzlich ist aber eine Semantik-wahrende Überführung möglich. Der durchgängige Einsatz von Beschreibungsformaten (RDF) und Abfragesprachen (SPARQL) sowohl für Schema- als auch für Instanzdaten über alle Fachmodelle hinweg stellt einen bedeutenden Vorteil gegenüber anderen Ansätzen wie bspw. Programmierschnittstellen (APIs, Webservices etc.) dar. In anderen heterogenen Informationsverbünden müssen meist format-, syntax- und strukturspezifische Adapter, Konverter und Schnittstellen für die Ursprungssysteme erstellt werden, die sich nicht einheitlich verarbeiten lassen. Dagegen kann die Bereitstellung vorhandener Information in Form von RDF einheitlich erfolgen und mithilfe von Triplestores bzw. Graphdatenbanken mit universell standardisierten Abfrageschnittstellen (SPARQL) effizient verarbeitet werden, ohne sich mit den jeweiligen Systemdetails kleinteilig auseinander setzen zu müssen. Obgleich Linked Data Funktionalitäten mit der Definition von okstraOWL nun prinzipiell zur Verfügung stehen, hat sich im Zuge des Projekts (insbesondere bei der Arbeit mit realen Datensätzen) jedoch herausgestellt, dass die eigentliche Herausforderung bei der Verknüpfung verschiedener Ontologien in der unterschiedlichen semantischen Struktur und Granularität der verschiedenen Datenmodelle liegt. Auch Methoden des semiautomatischen Matchings anhand textueller Übereinstimmungen können hier nur bedingt unterstützend wirken. Stattdessen ist es erforderlich, dass der Nutzer der Abfragemechanismen Detailkenntnisse zur Semantik und Struktur der beteiligten Ontologien besitzt und anhand dessen und unter Berücksichtigung des zu erzielenden Abfrageergebnisses implizite bzw. manuelle Verknüpfungen herstellt. Die durchgehende, ggf. europaweite Nutzung von Straßeninformationsbanken erfordert daher trotz der Verfügbarkeit der Semantic Web und Linked Data Technologien eine prinzipielle Harmonisierung der Datenstrukturen insbesondere in Hinblick auf die die semantische Struktur und Granularität.
Anteile und zeitliche Verteilung von Oberflächenabfluss, Infiltration und Durchsickerung von Böschungen aus teilgesättigten Erddämmen infolge von Niederschlägen und Straßenabfluss sind bisher nur unzureichend bekannt. Für Straßenbauingenieure reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßen-Erdbauwerk zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit aus. Für die hydrologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch nicht ausreichend. Ziel des Projektes ist es, einen dringend benötigten Beitrag zur wirtschaftlichen und umweltverträglichen Verwertung von Ersatzbaustoffen im Erdbau zu leisten und bisher fehlende Beurteilungsmaßstäbe für den Boden- und Grundwasserschutz für die straßenbauspezifischen Gegebenheiten zu liefern. Zur Erreichung des Forschungsziels wurden in der Lysimeteranlage in Augsburg, Derchinger Straße, in acht Becken Böschungen eingebaut, die jeweils einen Ausschnitt aus einer Straßenböschung einschließlich eines Bankettstreifens darstellen. Zur Simulation von belastetem Bodenmaterial wurden dem Böschungsmaterial Schadstoffe zu dotiert. Zusätzlich wurden technische Sicherungsmaßnahmen eingebaut. Ergänzend zu den hydraulischen Größen Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter wurden auch Konzentrationen der zu dotierten Schadstoffe (Cadmium, Kupfer und Cyanid} und weitere Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt. Das dargestellte Projekt wurde gemeinsam durch die Hochschule Augsburg und die BASt von 2010 bis 2013 durchgeführt. Ein Anschlussprojekt ist derzeit in Bearbeitung.
Umweltgerechte Entwicklung von Verkehr und Infrastruktur - ein verkehrsträgerübergreifender Ansatz
(2016)
Im Expertennetzwerk des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) sind seit 2016 die wissenschaftlichen Fachbehörden und Forschungseinrichtungen der Bundesregierung für den Straßenverkehr, die Binnen- und Seeschifffahrt, den Eisenbahnverkehr, die Luftfahrt und der Deutsche Wetterdienst zusammengeschlossen, um gemeinsam an der Entwicklung sicherer und umweltgerechter Verkehrssysteme zu arbeiten. Für die Zusammenarbeit wurden drei große Bereiche definiert, darunter das Themenfeld "Verkehr und Infrastruktur umweltgerecht gestalten". Hier werden zwischen 2016 und 2019 fünf Forschungsprojekte bearbeitet. Sie sind den Themen (1) Lebensraumvernetzung, (2) Biodiversität und Neobiota, (3) Verkehrslärm sowie (4/5) verkehrs- und infrastrukturbedingte stoffliche Umweltbelastungen gewidmet. Der Beitrag umreisst die mittel- und langfristigen Ziele des Expertennetzwerks im Bereich "Infrastruktur/Umwelt" und die Inhalte und Ziele der fünf Projekte der ersten Etappe der Zusammenarbeit.
Der Erhaltungsstau der deutschen Verkehrsinfrastruktur hat mittlerweile ein Maß erreicht, das zu spürbaren Problemen im Reise- und Güterverkehr führt. Insbesondere der Zustand der Brücken und der der Straßen im nachgeordneten Netz ist offensichtlich nicht mehr als gut zu bezeichnen. Die Politik hat nach vielen Jahren, in denen die Schwerpunkte des Handelns und Investierens in anderen Bereichen gesehen wurden, nunmehr reagiert und stellt deutlich mehr Finanzen zur Verbesserung der Verkehrsinfrastruktur zur Verfügung. Dies zum Anlass zu nehmen, schlicht die baulichen Aktivitäten erheblich zu intensivieren, führt jedoch zu weiteren gravierenden Beeinträchtigungen der Verfügbarkeit des Verkehrsnetzes. Gefragt sind Anstrengungen, die zu einer Verbesserung der Qualitäten im Straßenbau und damit zu einer Verlängerung der Nutzungsdauern von Schichten und ganzen Befestigungen beitragen, um langfristig eine Reduktion der Beeinträchtigungen für den Verkehr zu erwirken.