Verfahren zur Bestimmung der Einbruchswahrscheinlichkeit des Verkehrsablaufs auf Autobahnen und Anwendung in der Verkehrssteuerung

  • Method to determine the probability of breakdown on motorways and its application in traffic control

Schwietering, Christoph; Steinauer, Bernhard (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Die Kapazität stellt eine der entscheidenden Kenngrößen zur Beschreibung des Verkehrsablaufs auf Autobahnen dar. Sie ist abhängig von verschiedenen Weg-, Verkehrs-, Umfeld- und Steuerungsbedingungen. Die Größenordnungen der kapazitätsbeeinflussenden Bedingungen, die in den Regelwerken angegeben sind, stützen sich zum Teil auf wenige Untersuchungen mit geringen räumlichen und zeitlichen Datenmengen. Während die Kapazität bislang häufig als deterministischer Wert für gegebene Bedingungen aufgefasst wurde und diese Sichtweise auch in den derzeit gültigen Richtlinien Eingang gefunden hat, zeigen aktuelle Studien, dass die Kapazität vielmehr eine stochastisch verteilte Größe ist. Mit zunehmender Verkehrsstärke steigt dabei das Risiko für einen Zusammenbruch des Verkehrsablaufs. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, basierend auf der stochastischen Beschreibung der Kapazität allgemeingültige Aussagen zum Einfluss unterschiedlicher Bedingungen zu treffen. Das hierzu entwickelte Modell soll universal anwendbar sein und ohne aufwändige Justierung auskommen. Die gefundenen Erkenntnisse zur probabilistischen Beschreibung der Kapazität sollen statistisch abgesichert und so aufbereitet sein, dass sie in Anwendungen der Verkehrsplanung und insbesondere der Verkehrssteuerung eingesetzt werden können. Es wird ein Algorithmus entwickelt, der Geschwindigkeitseinbrüche antizipieren kann und damit ein präventives Einwirken in den Verkehrsablauf ermöglicht. Für die unterschiedlichen Kombinationen von Beeinflussungsfaktoren (nasse Fahrbahn, Tageslicht, Werktag, Längsneigung, Lage innerhalb/außerhalb eines Ballungsraums, Streifigkeit) wurden Regressionskurven ermittelt. Bei idealen Verhältnissen konnte für Steigungsstrecken ein signifikanter Rückgang der Verkehrsstärke, die zu einer Einbruchswahrscheinlichkeit von 50% führt, von 13,4% bestimmt werden. Auch für Gefällestrecken konnte eine Reduzierung von 4,0% nachgewiesen werden. Für zweistreifige Querschnitte, die im Ballungsraum liegen, konnte im Gegensatz zu Querschnitten auf Verbindungsstrecken eine Erhöhung um 6,3% festgestellt werden. Im Vergleich zu dreistreifigen Querschnitten im Ballungsraum weisen zweistreifige Querschnitte, die ebenfalls in einem Ballungsgebiet liegen, deutlich höhere Kapazitätswerte auf. Großen Einfluss auf die Einbruchswahrscheinlichkeit besitzen auch die zeitlich veränderlichen Faktoren. Für nasse Fahrbahnverhältnisse konnte ein signifikanter Rückgang der Verkehrsstärke, die zu einer Einbruchswahrscheinlichkeit von 50% führt, von 12,9% beobachtet werden, bei Dunkelheit ist eine Reduzierung von 14,3% festzustellen. Überwiegender Freizeitverkehr im Gegensatz zu überwiegendem Berufsverkehr wirkt sich mit 4,7% ebenfalls negativ auf die Einbruchswahrscheinlichkeit aus. Mit zunehmendem Lkw-Anteil steigt bei gegebener Verkehrsstärke die Wahrscheinlichkeit einer Verkehrsstörung. An zwei Querschnitten auf der A12 bei Innsbruck konnte außerdem der Einfluss einer Streckenbeeinflussungsanlage (SBA) auf die Einbruchswahrscheinlichkeit analysiert werden. Es konnte beobachtet werden, dass sich die Form der Verteilung dahingehend ändert, dass insbesondere bei mittleren bis hohen Verkehrsstärken der Verkehr stabiler bleibt als ohne SBA. Die Verkehrsstärke, die zu einer Einbruchswahrscheinlichkeit von 50% führt, erhöht sich mit SBA um 3,5%. Die Erkenntnisse über die Einbruchswahrscheinlichkeit können Anwendung in der Verkehrsplanung finden. Dazu wurde der Steuerungsalgorithmus AIX-ProB für SBA entwickelt, der auf der Einbruchswahrscheinlichkeit basiert und zeitlich veränderliche Einflüsse berücksichtigt. Ein weiteres, wesentliches Ziel bei der Entwicklung von AIX-ProB war es, dass das Verfahren ohne aufwändige Parametrierung oder Erstversorgung auskommt, für beliebige Streckenabschnitte einsetzbar und somit praxistauglich ist. AIX-ProB wurde im Rahmen eines Open-Loop-Tests für den Einsatz in SBA getestet. Das im Vergleich zu anderen Steuerungsalgorithmen mit präventivem Ansatz als gut zu bewertende Verhältnis zwischen Detektions- und Fehlalarmrate zeigt, dass zuverlässig in der Lage ist, antizipativ Verkehrszustände zu erkennen und entsprechende Reaktionen zu veranlassen. Insbesondere die Berücksichtigung des Einflusses von äußeren Bedingungen auf die Einbruchswahrscheinlichkeit wirkt sich sehr positiv auf die Güte des Verfahrens aus. Insgesamt kann nachgewiesen werden, dass sich der Einsatz von AIX-ProB in der Steuerung von SBA eignet. Durch die vorliegende Arbeit hat sich bestätigt, dass die Kapazität eine probabilistische Größe ist, die über die Einbruchswahrscheinlichkeit beschrieben werden kann. Dabei ist sie maßgeblich von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig, deren Größenordnungen anhand einer Untersuchung einer großen Datengrundlage quantifiziert werden konnten. Außerdem hat sich gezeigt, dass die Einbruchswahrscheinlichkeit für den Einsatz in der Bewertung der Verkehrsqualität und insbesondere in der Verkehrssteuerung geeignet ist.

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