Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe V: Verkehrstechnik
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Die stärkere Nutzung erneuerbarer Energien ist ein erklärtes Ziel der Bundesregierung. Die Photovoltaik, das heißt die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie, ist hierbei eine Möglichkeit. Um die photovoltaische Engergieversorgung verschiedener Elemente der Straßenausstattung zu erproben, wurde das Demonstrationsvorhaben "Einsatz der Photovoltaik im bundeseigenen Bereich" nach einer gemeinsamen Initiative des Bundeskanzleramtes und des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie gestartet. Die Bundesanstalt für Straßenwesen übernahm bei diesem Projekt die wissenschaftlich-technische Betreuung der Anwendungen im Bereich der Straßenausstattung. Im Rahmen des Demonstrationsvorhabens wurden insgesamt 28 Photovoltaik-Inselsysteme für acht verschiedene Anwendungen errichtet. Die Auswahl der Anwendungen erfolgte unter Berücksichtigung der Ziele des Demonstrationsvorhabens, der Multiplikationswirkung, der Öffentlichkeitswirksamkeit und dem Know-how-Transfer. Um die Zuverlässigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Anwendungen nachzuweisen, wurde der Betrieb von 15 Photovoltaik-Inselsystemen messtechnisch dokumentiert. Der vorliegende Bericht beinhaltet die Beschreibung der verschiedenen Anwendungen, den Aufbau der Photovoltaik-Inselsysteme und deren Funktion. Anhand der Messergebnisse wurden die Betriebscharakteristiken der nach unterschiedlichen Voraussetzungen ausgelegten Photovoltaik-Inselsysteme (Betriebszeitraum, Autonomiezeit, zu deckender Energiebedarf etc.) analysiert. Die bei einigen Systemen auftretenden Betriebsstörungen wurden untersucht und deren Ursachen ermittelt. Auch die Kostenermittlung für die Demonstrationsanlagen und ein Vergleich mit den Kosten anderer Photovoltaik-Anwendungen oder Versorgungsalternativen ist Teil des Berichtes. Aufgrund der Ergebnisse wurden Ansätze zur Verbesserung der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit von photovoltaischer Energieversorgung beschrieben. Dabei flossen sowohl Aspekte der technologischen Entwicklung als auch notwendige begleitende Maßnahmen, die einen weitergehenden Einsatz der Photovoltaik begünstigen könnten, in die Erörterung ein.
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Ziel des vorliegenden Forschungsprojekts war die Quantifizierung von staubedingten Reisezeitverlusten im Jahr 2000, die auf infrastrukturbedingte Kapazitätsengpässe einschließlich Verkehrsunfällen und Pannen zurückzuführen sind. Zusammen mit den Ergebnissen der "Quantifizierung staubedingter Reisezeitverluste auf Autobahnen - Störungsursache: Arbeitsstellen" konnte Aufschluss darüber gegeben werden, wie sich die Reisezeitverluste auf Bundesautobahnen anteilsmäßig und in ihrer Größenordnung auf die genannten Störungsursachen aufteilen. Hierzu wurden im ersten Teil der Arbeit methodisch folgende Aspekte behandelt: - Aufbau eines Autobahnnetzmodells; - Modellierung der Verkehrsnachfrage; - Modellierung der Kapazität; - Staumodellierung und Ermittlung der Reisezeitverluste. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Ergebnisse der Verlustzeitberechnung für das Bezugsjahr 2000 ausführlich dokumentiert. In Sensitivitätsanalysen wurde die Stabilität der Berechnungsergebnisse hinsichtlich der Veränderung einzelner Eingangsdaten bestimmt. Dabei kommt der Modellierung der Verlagerung der Verkehrsnachfrage bei vorhandener Überlastung eine herausragende Bedeutung zu. Ohne Berücksichtigung dieser Verlagerung werden unplausible Werte berechnet, wobei die ermittelten Reisezeitverluste um ein Vielfaches höher als mit Berücksichtigung dieses Effekts liegen. Da zum Ausmaß der Verlagerung bislang keine Untersuchungen vorliegen, ist die Modellierung an dieser Stelle mit großen Unsicherheiten behaftet. In einer Gesamtbetrachtung wurden staubedingte Zeitverluste im Autobahnnetz für das Bezugsjahr 2000 zu insgesamt 234 Millionen Stunden und mit folgenden Anteilen abgeschätzt: Infrastrukturbedingte Engpässe 39%, Unfälle und Nothalte 26%, Arbeitsstellen 35%.
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Im Raum Leipzig wurde ein dWiSta-System an 3 BAB - Knotenpunkten und 8 Anschlussstellen (AS) als Pilotprojekt geplant und realisiert. Das Forschungsvorhaben hat dieses Projekt begleitet. Dabei waren Untersuchungen zur Akzeptanz derartiger informationsgestützter Wechselwegweiser, insbesondere unter dem Aspekt ihres Einsatzes an den Anschlussstellen, durchzuführen und die Wirkungen aus verkehrlicher und wirtschaftlicher Sicht zu bewerten. Für die Einarbeitung in die projektspezifischen Planungen und Betriebskonzepte wurden Planungs-und Applikationsunterlagen ausgewertet. Von anderen deutschen Städten/ Regionen wurden Informationen über partiell mit dWiSta vergleichbare Systeme und über die Planung und Umsetzung weiterer dWiSta-Projekte ausgewertet. Eine theoretische Alternativfalluntersuchung verglich dWiSta an AS mit der verkehrlichen Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit anderer Verkehrsbeeinflussungs-und Informationssysteme. Außerdem wurden die realen verkehrlichen Probleme/Ereignisse auf den BAB im Raum Leipzig vor dem dWiSta-Einsatz analysiert. Die erste praktische Untersuchung erfolgte während des dWiSta - Testbetriebs zur Fußballweltmeisterschaft 2006. Sie beinhaltete eine Auswertung der dWiSta - Schaltungen nach Verkehrs- und Betriebsdaten sowie Meldungen über den Verkehrsablauf. Die Verständlichkeit der Anzeigen wurde vor Ort überprüft. Auf zwei P+R-Plätzen fanden umfängliche Befragungen von Verkehrsteilnehmern statt. Es konnte eine gute Akzeptanz der dWiSta-Routenempfehlungen festgestellt werden. Eine zweite Datenauswertung wurde für dWiSta-Schaltungen im 1. Quartal 2007 durchgeführt. Eine beispielhafte Nutzen-Kosten-Rechnung für Bau und Betrieb einer dWiSta an AS im Raum Leipzig zeigte, dass in Abhängigkeit von Ereignishäufigkeit, Verkehrsbelastung und Umwegfaktoren ein Nutzenquotient von 1,4 und höher erreicht werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestehen in konkreten Empfehlungen zum weiteren dWiSta-Einsatz im Raum Leipzig und aus allgemein anwendbaren Einsatzkriterien für dWiSta an BAB Anschlussstellen.
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Zur Unterstützung der in "dynamischen Wegweisern mit integrierten Stauinformationen" (dWiSta) gegebenen Umleitungsempfehlungen können, ergänzend oder alternativ zur Angabe der Staulänge, Reisezeitinformationen angezeigt werden. Das Forschungsvorhaben untersucht, ob geeignete Verfahren zur Berechnung/Erhebung von Fahrtzeiten auf Autobahnen vorhanden sind, und entwickelt für den Verkehrsteilnehmer verständliche Darstellungsformen der Reisezeitinformationen in den dWiSta. Es wurden vier bereits eingesetzte Verfahren zur Berechnung bzw. Messung von Fahrtzeiten und ein eigener Ansatz untersucht. Vier Verfahren nutzen als wesentliche Eingangsgrößen die von der stationären Datenerfassung an den Autobahnen bereitgestellten Verkehrskenngrößen. Ein Verfahren erkennt die Fahrzeuge an zwei Messquerschnitten wieder und berechnet die Fahrtzeit auf dem Streckenabschnitt als Differenz der Uhrzeiten bei der Überfahrt der Messquerschnitte. Die Verfahren wurden hinsichtlich ihrer Eignung in einem zweiwöchigen Testzeitraum auf drei ausgewählten Teststrecken überprüft. Der Vergleich der per Kontrollmessung erhobenen Fahrtzeiten mit den berechneten der einzelnen Verfahren zeigt bei günstigen Randbedingungen gute Übereinstimmungen. Günstige Randbedingungen liegen im Allgemeinen dann vor, wenn die Messquerschnittsabstände etwa bis zu 2 km auseinander liegen und die Verkehrsstörung, die eine Fahrtzeitverlängerung bewirkt, sich in den Verkehrskenngrößen widerspiegelt. Bei einem freien sowie dichten Verkehrsfluss betragen dann die Unterschiede, bezogen auf eine 10 km lange Bezugsstrecke, in der Regel weniger als eine Minute. Für die Verkehrsstufen "zähfließend" und "gestaut" ist die Datengrundlage für eine Beurteilung der Berechnungsverfahren nicht ausreichend. Im wahrnehmungspsychologischen Teilprojekt werden aus zehn Vorschlägen möglicher Anzeigeformen unter anderem durch eine Befragung von Kraftfahrern drei Varianten sowie die Regellösung (ohne Reisezeitinformation) in einer experimental-psychologischen Laboruntersuchung getestet. Der Test besteht aus Entscheidungsaufgaben unter vorgegebenen Kriterien, der vollständigen Informationsaufnahme aller Schildinhalte unter Zeitdruck sowie einer subjektiven Einschätzung der Varianten auf den Dimensionen Lesbarkeit, Verständlichkeit und Akzeptanz. Keine der getesteten Varianten überschreitet den verfügbaren zeitlichen Rahmen, der sich durch das zweimalige Darbieten des Schildes bei einer Fahrt mit 100 km/h auf der Autobahn ergibt. Die Zeitspanne für die Informationsaufnahme und -verarbeitung und die Entscheidung bleibt in den Laborbefunden weitestgehend innerhalb dieser Grenzen. Aus Sicht der Verkehrsteilnehmer bietet die Variante, die nur die Information über einen möglichen Reisezeitgewinn durch die Nutzung der Umfahrung explizit anzeigt, die optimale Anzeigeform. Sie vereint eine schnelle Informationsaufnahme durch möglichst wenig zusätzliche Informationen mit einer guten Verständlichkeit. Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens wird auf technische und betriebliche Randbedingungen eingegangen, die bei der Berechnung und der Anzeige von Reisezeitinformationen in dWiSta zu beachten sind. Die Notwendigkeit automatisierter Steuerungsmodule zur Empfehlung/Schaltung einer Alternativroute im Störungsfall wird aufgezeigt, aber im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht näher untersucht.
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Als Ergebnis des Forschungsvorhabens wurde ein Simulationsverfahren für die Ermittlung von Streckenkapazitäten auf Bundesautobahnen (BAB) bei winterlichen Straßenzuständen erarbeitet. Der Berechnungsansatz wurde auf eine robuste Verfahrensweise ausgelegt, um die Auswirkungen von Ungenauigkeiten und Fehlern der Eingangsgrößen zu minimieren. Das Verfahren orientiert sich an den technischen Rahmenbedingungen wie z.B. die Eigenschaften der derzeit verfügbaren Daten der Wetterprognose und der Umfelddatenerfassung. Zugleich werden die Anforderungen an die Nutzung der Prognoseergebnisse berücksichtigt. Ausgehend von einer Grundkapazität der Streckenabschnitte in Anlehnung an das Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS) wurden Abschlagsfaktoren für die jeweils vorherrschende Witterungssituation ermittelt. Diese Witterungseigenschaften wurden zuvor anhand charakteristischer Eingangsgrößen zusammengefasst und als Wetterklassen definiert. Das nachgeschaltete Prognoseverfahren ist als zweistufiger Ansatz mit einer Planungsprognose für die vorausschauende Disposition sowie einer Kurzfristdarstellung für die operative Durchführung der Verkehrsmanagements, des Straßenbetriebsdienstes und des Arbeitsstellenmanagements aufgebaut. Es basiert auf einem Warteschlangenmodell. Die Ergebnisse zeigen mögliche Stauereignisse auf und können als Entscheidungshilfe verwendet werden. Beide Komponenten setzen auf den gleichen grundsätzlichen Vorgehensweisen für die Prognose auf. Es bleibt offensichtlich, dass die Güte der Wetterprognose für die korrekte Auswahl der Wetterklasse entscheidend ist. Die Zuverlässigkeit der nachfolgend aufgesetzten Prognose des Verkehrsablaufs korreliert daher unmittelbar mit der Qualität der Eingangsgröße Wetterprognose. Aus diesem Grund ist der Bereitstellung hochwertiger und kleinräumiger Wetterprognosen für den Straßenbetriebsdienst die erforderliche Aufmerksamkeit zu widmen. Die im Forschungsvorhaben entwickelte modelltechnische Abbildung der witterungsbedingten Kapazitätseinschränkung und ihrer Auswirkungen auf den Verkehrsablauf durch zwei Risikostufen in Form einer "Warnung" und eines "Alarms" hat sich in der Evaluierung bewährt. Dabei ist die betriebsnahe Interpretation der Prognoseergebnisse möglich. Das Verfahren mit den Vorhersagen des Verkehrszustands Eingangsgrößen beweist, dass sie als Auslösekriterien für Maßnahmen des Verkehrsmanagements genutzt werden können.
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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.