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.
Zur Steigerung der Verkehrssicherheit und der Verkehrsqualitätstellen Streckenbeeinflussungsanlagen auf Bundesautobahnen ein wirksames Mittel dar. Einige neue Situationserkennungsverfahren und die daraus resultierenden Maßnahmen wurden in die Aktualisierung des Merkblattes für die Ausstattung von Verkehrsrechnerzentralen und Unterzentralen (MARZ) Ausgabe 2018 übernommen. Bis auf wenige Ausnahmen werden dabei allerdings rein verkehrliche oder rein witterungsbedingte Szenarien betrachtet. Zudem sind der witterungsbedingte Einfluss auf den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit sowie die Wirkung von witterungsbedingten Maßnahmen durch Streckenbeeinflussungsanlagen (SBA) nur wenig erforscht. Ziel dieses Projektes war es die Wirkungen der Witterung auf den Verkehrsablauf und die Wirksamkeit von Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen bei widrigen Witterungsbedingungen zu untersuchen. Die Witterung hat einen bedeutenden Einfluss auf das Fahrverhalten der Verkehrsteilnehmer und damit auch auf den Verkehrsablauf. Da widrige Witterungsbedingungen in der Regel zeitlich beschränkt und vergleichsweise selten auftreten, gab es bislang wenig verfügbare statistisch abgesicherte Erkenntnisse zur Wirkung von Witterungsereignissen auf den Verkehrsablauf sowie zur Wirksamkeit von Streckenbeeinflussungsanlagen bei widrigen Witterungsbedingungen. Daher wurden für 22 Messquerschnitte (MQ) in Streckenbeeinflussungsanlagen und 11 unbeeinflusste MQ, verteilt auf fünf Bundesländer, für den Zeitraum von zwei Jahren (01.07.2019 bis 30.06.2021) Verkehrsdaten gesammelt und um Umfelddaten sowie Schaltdaten ergänzt. Zur Analyse wurden aus der Kombination der Messquerschnitte sowie der Umfelddatensensorik insgesamt 38 sog. Standorte gebildet (s. Anhang 8), für welche Verkehrs-, Umfeld- und ggf. Schaltdaten zugeordnet wurden. Zu den Standorten wurden Merkmale wie Streifigkeit, verkehrliche Funktion des Streckenabschnitts oder Fahrbahnoberflächenmaterial als sog. Metadaten zugeordnet und in einer Datenbank abgelegt. Aufbauend auf den Auswertungen der Thesen wurden beispielhaft für die Streckenbeeinflussungsmaßnahme „Harmonisierung des Verkehrsablaufs“ untersucht, wie die Erkenntnisse zur Optimierung dieser Maßnahme beitragen können. Dazu wurde ein Konzept entwickelt, welches in bestehende Streckenbeeinflussungsanlagen nach MARZ integriert werden kann. Das Konzept sieht vor, in Zeiten von Nässeereignissen oder geringer Sichtweite die Schwellenwerte für die Ein- und Ausschaltbedingungen für die „Harmonisierung des Verkehrsablaufs“anzupassen. Um den Pflegeaufwand der Parameter nicht durch zusätzliche Parametersätze deutlich zu erhöhen, bietet es sich an, Abschlagsfaktoren auf die bereits vorhandenen Parametersätze für ideale Witterungsbedingungen einzusetzen. Die aus den Ergebnissen der Thesenauswertung identifizierten Abschlagsfaktoren für Nässeereignisse oder Ereignisse mit geringer Sichtweite decken sich mit den aus der Literatur bekannten Größenordnungen. Die Untersuchung konzentrierte sich auf den Aufbau einer Auswertemethodik zur Analyse der witterungsbedingten Einflüsse auf den Verkehrsablauf sowie zur Untersuchung der Wirksamkeit von SBA-Maßnahmen bei widriger Witterung. Die vorliegende Datenbasis sowie das Auswertekonzept können aber zu weiterführenden Analysen und Forschungsarbeiten verwendet werden. Auch seltene Witterungsereignisse wie Schneefall oder vereiste Fahrbahnen können aufgrund der für zwei Jahre vorliegenden Daten untersucht werden, wenngleich es sinnvoll erscheint, die Datenbasis um weitere Winterperioden zu ergänzen. In einem nächsten Schritt erscheint es zielführend, die Erkenntnisse einerseits in die vorhandenen Wissensdokumente zur Umfelddatenerfassung im Kontext mit Streckenbeeinflussungsanlagen einfließen zu lassen. Andererseits sollte in der Praxis validiert werden, ob sich die Erkenntnisse sowie Optimierungsvorschläge so bestätigen und somit einen wesentlichen Baustein künftiger witterungsbedingter Schaltungen von SBA sein können. Die vorliegende Untersuchung leistet einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der Analyse der Witterungseinflüsse auf den Verkehrsablauf. Zahlreiche vermutete und erwartete Zusammenhänge konnten mit dieser Studie statistisch abgesichert werden und stehen der Praxis zur Optimierung der Verkehrsbeeinflussung zur Verfügung. Die erarbeiteten Daten und Auswertebasis schafft die Grundlage für weitere Untersuchungen des Witterungseinflusses auf den Verkehrsablauf.