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Ziel der Untersuchung war es, eine Methodik für die HBS-konforme Durchführung und Auswertung von Simulationsstudien zu erarbeiten. Dazu wurden HBS-konforme Standardelemente in den Simulationsprogrammen BABSIM, VISSIM, Aimsun, Paramics und SUMO modelliert und an den Bemessungswerten des HBS kalibriert. Die Ermittlung der Kapazität erfolgte anhand der Identifikation von Zusammenbrüchen des Verkehrsflusses, die durch Steigerung der Verkehrsstärke auf bis zu 120 % der Kapazität nach HBS in der Simulation erzeugt wurden. An Teilknotenpunkten wurden sechs Verhältnisse der Verkehrsstärke auf der Hauptfahrbahn zur Verkehrsstärke des ein- bzw. ausfahrenden Stroms untersucht. Als Kriterium für die Übereinstimmung der in der Simulation ermittelten Kapazität und q-v-Beziehung mit dem HBS wurde eine maximale Abweichung von 5 % festgelegt. Die Fehlergrenze konnte mit den Simulationsprogrammen BABSIM, VISSIM, Aimsun und Paramics in der Regel eingehalten werden, während sich in SUMO größere Abweichungen ergaben. Die Übertragbarkeit der Parametersätze auf nicht HBS-konforme Bemessungssituationen wurde anhand der Daten realer Untersuchungsobjekte überprüft. Im Ergebnis werden Empfehlungen und Standardparameterkombinationen für die HBS-konforme Simulation des Verkehrsablaufs auf Autobahnen bereitgestellt, die als Ausgangsparameter für die Simulation nicht HBS-konformer Untersuchungsobjekte herangezogen werden können.
Im Rahmen dieses Projektes wurden die mittleren Pkw-Fahrtgeschwindigkeiten und weitere verkehrstechnische Kenngrößen auf Netzabschnitten von Bundesautobahnen (BAB) unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den Einzelelementen des Abschnittes untersucht. Auf Basis der ermittelten Eigenschaften wurde ein EDV-Programm mit Benutzeroberfläche und Datenhaltung in Microsoft Excel entwickelt, das die Bewertung der Verkehrs- und Angebotsqualität von Netzabschnitten auf Autobahnen ermöglicht. Das im HBS 2015 enthaltene Verfahren unterliegt einer wesentlichen Randbedingung, die die Anwendung des Verfahrens nur erlaubt, wenn keine Teilstrecke bzw. Teilknotenpunkt die Qualitätsstufe F ausweist. Diese Beschränkung wurde modelltechnisch durch eine Erweiterung des derzeitigen Verfahrens über die Grenze der ungesättigten Analyse hinaus behoben. Empirische Untersuchungen von zwei Untersuchungsstrecken (München und Karlsruhe), ergänzt durch mikroskopische Verkehrsflusssimulationen, lieferten die Datengrundlagen. Zunächst wurde die Anwendung des amerikanischen, auf dem Highway Capacity Manual (HCM) basierenden Programms FREEVAL für die Bewertung von deutschen Autobahnen überprüft. Dabei lieferte die Simulation mit FREEVAL ein plausibles Ergebnis für das Laborbeispiel in Karlsruhe. Wegen wesentlicher Unterschiede zwischen HCM- und HBS-Verfahren, hauptsächlich in Bezug auf die Definition von Kapazität, Zeitintervallen und q-V-Beziehungen sowie den entscheidenden Qualitätskriterien des Verkehrsablaufs, wird eine Anwendung des U.S. FREEVALs für deutsche Autobahnen aber nicht empfohlen. Dies hat zu der Entscheidung geführt, ein eigenes Modell zu entwickeln, das eng an das HBS-Verfahren angelehnt ist. Dazu wurde geprüft, welche makroskopischen Verkehrsmodelle für die Abbildung des Verkehrsflusses auf der deutschen Autobahn geeignet sind. Das Cell-Transmission-Modell (CTM) von DAGANZO wurde letztendlich als der geeignete Kandidat für die Modellimplementierung gewählt. Im Vergleich zum U.S. FREEVAL wurde in dem neuen Modellansatz die Diskretisierung so verfeinert, dass eine explizite Modellierung der Staupropagierung ohne zusätzliche Modellerweiterungen möglich wurde. Das Datenmodell des CTM ist insbesondere für die Modellierung von linearen Strecken wie z. B. Richtungsfahrbahnen geeignet. Für die Validierung des entwickelten Modells wurde die BAB A 99 in der Nähe von München an vier verschiedenen Tagen modelliert, an denen jeweils unterschiedliche Stausituationen vorlagen. Die Ergebnisse zeigen, dass das deutsche FREEVAL eine realistische Darstellung der Verkehrssituation ermöglicht. Bei gravierenden Überlastungen traten allerdings Abweichungen bei den Staugeschwindigkeiten auf, die in der Art des verwendeten Verkehrsflussmodells begründet sind. Das entwickelte Tool kann grundsätzlich als Alternative zu mikroskopischen Simulationstools zur Anwendung für Bemessungsaufgaben und zum Vergleich verschiedener Szenarien in Ergänzung zum HBS empfohlen werden. Es eignet sich nicht für die Abbildung von konkreten Stauereignissen zur Bestimmung der exakten räumlich-zeitlichen Ausprägung.
Simulation des hochautomatisierten Fahrens auf Autobahnen mit kollektiver Streckenbeeinflussung
(2022)
Die meisten Streckenbeeinflussungsanlagen (SBA) in Deutschland basieren auf dem Merkblatt für die Ausstattung von Verkehrsrechner- und Unterzentralen (MARZ 99). Das darin beschriebene Steuerungsmodell wurde für die damaligen Verkehrsverhältnisse, die technischen Möglichkeiten der Sensorik, Aktorik und Übertragungstechniken sowie die damaligen Fahrzeugeigenschaften entwickelt. Der technische Fortschritt mit Fahrerassistenzsystemen und der zunehmenden Fahrzeugautomatisierung bis hin zu hochautomatisierten Fahrzeugen (HAF) werden in den verwendeten Steuerungsverfahren nicht ausreichend berücksichtigt. Es wird erwartet, dass zukünftig hochautomatisierte Fahrzeuge einen signifikanten Einfluss auf den Verkehrsablauf und damit wiederum Auswirkungen auf die Steuerungsalgorithmen und die Wirksamkeit der SBA haben werden.
Dieses Projekt hat zum Ziel, die Auswirkungen von hochautomatisierten Fahrzeugen auf die SBA-Steuerung zu untersuchen und mögliche Anpassungen des Steuerungsmodells zu erarbeiten. Nach einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bezüglich Fahrzeugautomatisierung und der Wirkung bestehender Verkehrsbeeinflussungsanlagen werden zwei valide mikroskopische Simulationsmodelle für Strecken in Bayern und NRW erstellt. Anschließend werden die dortigen Unterzentralen softwaretechnisch abgebildet und an die Simulation angebunden. Um die Wirkung und Reaktion der Fahrzeuge auf die SBA in der Simulation abzubilden wird ein Wirkmodell aus Realdaten entwickelt und ebenfalls an die Simulation angeschlossen.
Gemeinsam mit den im Projekt beteiligten Straßenbetreibern werden Anforderungen an das Fahrzeugsteuerungsverhalten von automatisierten Fahrzeugen mit dem Ziel der Verkehrsflussoptimierung aus Betreibersicht definiert und in einem Fahrverhaltensmodell in der Simulation umgesetzt. Zudem werden zwei weitere Fahrzeugsteuerungsverhalten aufgestellt, um die Szenarien von progressivem bis konservativem Verhalten zu erfassen. Die drei Fahrverhaltensmodelle unterscheiden sich im Beschleunigungs- und Abstandsverhalten und werden jeweils mit unterschiedlichen Durchdringungsraten in der Simulation umgesetzt.
Geeignete Kenngrößen werden ausgewählt, um die Wirkungen auf den Verkehrsablauf in der Simulation zu erfassen. Die Auswirkungen werden für die verschiedenen Durchdringungsraten und Fahrverhaltensmodelle mit dem Nullfall (nur menschliche Fahrer) verglichen.
Basierend auf den Auswertungen werden Anforderungen an das Fahrverhalten von HAF sowie Anpassungen und Erweiterungen der SBA Steuerung diskutiert. Es werden Handlungsempfehlungen, die sich aus den einzelnen Maßnahmen für den Betrieb und die Steuerung von SBA und für die automatisierte Fahrzeugsteuerung ergeben, ermittelt und in einen zeitlichen Bezug gebracht.
