Optimierung des Verkehrsflusses durch Navigationssysteme und Verkehrsleitsysteme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Definitionen und Beschreibung häufiger Begriffe

3 Ursachen eines gestörten Verkehrsflusses

4 Auswirkungen des gestörten Verkehrsflusses
4.1 Ökologische Auswirkungen
4.2 Ökonomische Auswirkungen
4.3 Auswirkungen auf die privaten Verkehrsteilnehmer

5 Stau aus dem Nichts

6 Optimierung des Verkehrsflusses
6.1 Verkehrsleitsysteme und Navigationssysteme
6.2 BeeJamAvoidance
6.3 Die Möglichkeiten des individuellen Verkehrsteilnehmers
6.4 Gesetzliche Möglichkeiten
6.5 Weitere Ansätze zur Vermeidung von Staus

7 Fazit

8 Literatur

1 Einleitung

Diese Facharbeit beschäftigt sich mit den Ursachen und Folgen des stetig zunehmenden Verkehrsaufkommens und geht vor allem auf die Möglichkeiten der Politik und der privaten Haushalte ein, für einen besseren Verkehrsfluss bei steigendem Verkehrsaufkommen zu sorgen. Unter diesem Aspekt werde ich verschiedene Ansätze von Verkehrsleitsystemen und Navigationssystemen aufzeigen und bewerten. Außerdem werde ich BeeJamA vorstellen, wobei ich mich jedoch auf die theoretischen Konzepte beschränken werde, um das Themengebiet der Facharbeit nicht zu sehr in die Informatik bzw. Verkehrstelematik zu verschieben. Zum Schluss der Arbeit werde ich eine Zusammenfassung der, meiner Meinung nach, wichtigsten Möglichkeiten zur Optimierung des Verkehrsflusses sowie ein Fazit schreiben.

2 Definitionen und Beschreibung häufiger Begriffe

Der Begriff Stau bezeichnet in dieser Arbeit den Zustand auf einer Straße, bei dem zwei oder mehr Fahrzeuge auf der Fahrbahn stehen oder sich nur sehr langsam weiter bewegen können, da sie von dem sich vor ihnen befindlichen Fahrzeug abgebremst werden. In diesem Fall ist auch der Verkehrsfluss gestört, welcher als das ungestörte Fortbewegen von einem oder mehreren Fahrzeugen definiert ist. Ich werde mich in dieser Arbeit unter anderem mit dem sogenannten „Stau aus dem Nichts“ beschäftigen. Hierbei handelt es sich um einen Stau, welcher ohne eine ersichtliche Behinderung des Verkehrsflusses, wie z.B. durch eine Baustelle oder einen Unfall, entsteht.

Verkehrsleitsysteme beschreiben in dieser Arbeit Systeme der Verkehrstelematik, sogenannte Intelligent Transportation Systems, welche zum Ziel haben, den Verkehrsfluss durch Organisation und Lenkung zu optimieren.

Agents sind selbstständig handelnde Softwarekomponenten, welche versuchen, ein ihnen gegebenes Ziel durch Interaktion mit ihrer Umwelt zu erreichen^[1].

3 Ursachen eines gestörten Verkehrsflusses

Die Problematik eines gestörten Verkehrsflusses hat ihren Ursprung in der rasant steigenden Anzahl an Kraftfahrzeugen, welche sich im Jahre 2011 weltweit auf 1.069.097.774 belief. Dies ist mehr als doppelt so viel, wie im Jahre 1987 und eine Steigerung von 36.429.027 im Vergleich zum Vorjahr^[2]. Diese Anzahl an Fahrzeugen wäre über den ganzen Tag und über das gesamte Straßennetz verteilt kein großes Problem, allerdings kann es zu einer Überlastung der Infrastruktur kommen, wenn sich viele Kraftfahrzeuge zu einer Zeit an einem Ort befinden. Aber auch Fehlverhalten von Verkehrsteilnehmern, Baustellen, Unfälle, Lichtsignalanlagen und schlechte Witterungsverhältnisse können zu Staus führen. „Nach Angaben des U.S. Department of Transportation entstehen in den USA 40% der Staus durch schlichte Überlast, 25% durch Unfälle, 15% durch widrige Wetterumstände und 10% durch Baustellen.“^[3] An diesen Zahlen kann man sehen, dass lediglich ein geringer Teil der Staus durch nicht beeinflussbare Ursachen wie z.B. widrige Wetterumstände und Unfälle, welche sich aber teilweise durch Abstandssensoren vermeiden ließen^[4].

Viele Staus oder Verzögerungen bildeten sich durch egoistisches Verhalten von Verkehrsteilnehmern, welches sich z.B. durch den Spurenwechsel im Stau zeigt, wenn der Verkehr auf einer Spur vermeintlich schneller fließt. Durch diesen Wechsel wird der nachfolgende Verkehr aufgehalten und der Stau hat sich verlängert^[5], weil ein Fahrer sein Wohl über das Allgemeinwohl gestellt hat. Solch ein egoistisches Verhalten ist aber menschlich und kann daher kaum geändert werden, als durch den Versuch der Aufklärung über die Folgen.

4 Auswirkungen des gestörten Verkehrsflusses

4.1 Ökologische Auswirkungen

Das ständige Anfahren in einem Stau verstärkt die negativen Auswirkungen des Verkehrs auf die Umwelt durch eine erhöhte Feinstaubbelastung, den Verbrauch begrenzt vorhandener fossiler Brennstoffe und hohe CO2-Emissionen für die kurze, langsam zurückgelegte Staustrecke. Die Kosten, welche entstehen würden um den ökologischen Folgen entgegen zu wirken würden „geschätzte […] Gesamtkosten von 650 Milliarden Euro pro Jahr, was einem Anteil von 7,3% des europäischen Bruttoinlandsproduktes“^[6] entspräche, betragen.

4.2 Ökonomische Auswirkungen

„Die volkswirtschaftlichen Schäden, die durch [staubedingte] Ausfälle von Arbeitszeiten, verkehrsbedingten Verlustzeiten im Güterverkehr, erhöhtem Kraftstoffverbrauch und anderen Faktoren gegenüber einem staufreien Idealzustand entstehen“^[7] beliefen sich laut Senge auf europaweite, von dem Institut für Wirtschaftspolitik und Wirtschaftsforschung geschätzte, 270 Mrd. Euro pro Jahr. Wenn man diese Summe in Relation zu den Kosten setzt, die es verursachen würde, die Forschung zur Optimierung des Verkehrsflusses durch z.B. Verkehrsleitsysteme zu subventionieren, wäre es meiner Meinung nach legitim, eine solche verstärkte Subvention von Verkehrsleitsystemen durchzuführen, um die wirtschaftlichen Einbußen, die durch Stau entstehen, zu vermindern. Außerdem können die in 6.4 vorgestellten Maßnahmen ergriffen werden. Dies hätte außerdem positive Auswirkungen auf die Umwelt, da es zu einer Verringerung der Umweltbelastungen, wie in Kapitel 4.1 beschrieben, kommen würde.

4.3 Auswirkungen auf die privaten Verkehrsteilnehmer

Die vom Stau verursachten Kosten für deutsche Haushalte belaufen sich auf 7,5 Mrd. Euro, welche sich folgendermaßen zusammensetzen: ca. 10,8% durch erhöhten Kraftstoffverbrauch, ca. 61,3% durch im Stau nicht produktiv genutzte Zeit und ca. 26,7% indirekte Kosten welche durch Preiserhöhungen entstehen, mit denen Unternehmen versuchen, Ihre durch den Stau entstandenen Verluste zu kompensieren. Für jeden Haushalt bedeuten das jährliche Kosten von 509€^[8]. Stau ist also ein erheblicher Kostenfaktor für die privaten Haushalte, weshalb man versuchen sollte, Staus zu vermeiden, was in den Kapiteln 5 und 6 näher beschrieben wird.

5 Stau aus dem Nichts

Das Phänomen Stau aus dem Nichts tritt immer wieder auf und ist für viele Autofahrer unerklärlich, da sich mehrere Kilometer lange Staus scheinbar ohne ersichtlichen Grund bilden. Auslöser dieser Staus ist in der Regel ein einzelner Verkehrsteilnehmer, welcher den nachfolgenden Verkehrsteilnehmer durch ein kurzes Bremsen oder ähnliches dazu gebracht hat, ebenfalls abzubremsen. Dies setzt sich dann immer weiter fort und sorgt für ein immer stärkeres Bremsen, bis es schließlich zum Stillstand, zum Stau kommt. Von dort an bewegt sich der Stau mit 15 Kilometern pro Stunde entgegen der Verkehrsrichtung^[9] und baut sich erst wieder ab, wenn mehr Verkehrsteilnehmer den Stau verlassen, als Verkehrsteilnehmer in den Stau fahren. Gründe für das auslösende Bremsmanöver können unter anderem kurze Momente der Unachtsamkeit sein, weil man sich mit den Mitfahrern unterhalten hat und in Folge dessen ein bisschen zu dicht aufgefahren ist, woraufhin man abbremst. Wenn in diesem Fall nur langsam die Geschwindigkeit verringert worden wäre, anstatt ein schnelles aber abruptes Bremsmanöver durchzuführen, welches eventuell den nachfolgenden Verkehrsteilnehmer erschreckt und zu stark abbremsen lässt, hätte es keine negativen Auswirkungen auf den Verkehrsfluss gehabt. Es sind also vor allem menschliche Unachtsamkeiten oder Überreaktionen bzw. verzögerte Reaktionen, die einen Stau aus dem Nichts auslösen.

Vermeiden ließe sich dieser Stau nur durch eine geringere Verkehrsbelastung, da die Ursachen alle bei menschlichen Fehlern liegen, welche man nicht zuverlässig ausschließen kann. „Bereits bei einer Auslastung [der Autobahn] von circa 80 Prozent besteht ein erhöhtes Risiko für den sogenannten Stau aus dem Nichts.“^[10] Die Kapazität, also die maximale Anzahl an Kraftfahrzeugen pro Stunde und Fahrstreifen, beliefe sich bei einer Autobahn durchschnittlich auf 2100 Autos.^[11] Diese Grenze ist allerdings sehr variabel, da sie sich nach äußeren Gegebenheiten, wie z.B. den Witterungsverhältnissen, richtet, aber auch von der Geschwindigkeit und der Leistungsfähigkeit der Kraftfahrzeuge abhinge^[12]. Die erhöhte Leistungsfähigkeit ist allerdings nicht auf eine erhöhte Geschwindigkeit zu beziehen. Schnelleres Fahren würde in keinem Sinne Staus vermeiden, viel mehr bewirke es das Gegenteil^[13]. Stattdessen ist die stärkere Beschleunigung gemeint, welche zu einem schnelleren Anfahren an der Spitze des Staus führt. Dies resultiert in einem schnelleren Auflösen des Staus, wohingegen schnelleres Fahren den Stau nur verlängert hätte, da von hinten mehr neue Kraftfahrzeuge in den Stau fahren würden.

6 Optimierung des Verkehrsflusses

6.1 Verkehrsleitsysteme und Navigationssysteme

Im Folgenden werde ich verschiedene Arten von Navigationssystemen auf ihre Vor- und Nachteile untersuchen und im nächsten Unterkapitel BeeJamAvoidance, kurz BeeJamA, ein dezentrales Verkehrsleitsystem, vorstellen.

Bei Navigationssystemen kann man hauptsächlich zwischen Online und Offline Ansätzen unterscheiden. Offline Navigationssysteme berechnen vom eingegebenen Start zum Ziel die kürzeste bzw. schnellste Route anhand von im Navigationssystem gespeicherten, also statischen Daten. Hierbei wird keine Rücksicht auf die aktuelle Verkehrslage oder ähnliche dynamische Faktoren genommen. Ein Vorteil ist die relativ einfache Umsetzung, da lediglich eine Karte des Straßennetzes mit einigen verkehrsspezifischen Daten, wie der Maximalgeschwindigkeit, benötigt wird und immer der, für die gegebenen Parameter, optimale Weg berechnet wird. Nachteile sind vor allem die von äußeren Faktoren komplett unbeeinflusste Strecke, da das Navigationssystem keine dynamischen Informationen, wie die Verkehrslage auf den möglichen Routen, hat. Dadurch kann es zu erheblichen Nachteilen kommen, wenn viele Navigationssysteme ähnlich rechnen und es durch die daraus resultierende gleiche Route vieler verschiedener Fahrzeuge mit ähnlichen Start- oder Zielpunkten zu der Überlastung eines Straßenabschnittes kommt. Außerdem kann man ohne Verkehrsinformationen leicht in einen Stau navigiert werden. Aufgrund der zeitlichen Verluste durch die konstante Änderung des Straßenverkehrs, indem z.B. weitere Verkehrsteilnehmer hinzukommen, würden die optimalen Routen nach kurzer Zeit im Vergleich zu der im folgenden dargestellten Alternative, welche als dynamische Virtual Route Guidance Systems bezeichnet werden kann, ineffizient werden.

In Online Ansätzen wird die Stauvermeidung durch dynamische, ständig aktualisierte Informationen eingeführt. Die Nachteile von solchen dynamischen Systemen liegen in der Notwendigkeit für Verkehrsinformationen, welche entweder von den Fahrzeugen oder von zusätzlicher Infrastruktur erhoben werden müssen. Außerdem müssen diese Daten zusätzlich evaluiert werden, was den Rechenaufwand steigert. Solche Kombinationen aus Routingprotokoll und einer Infrastruktur, welche dynamische Informationen sendet, nennt man Intelligent Transportation Systems, kurz ITS. Des weiteren kann man bei Verkehrsleitsystemen zwischen zentralen und dezentralen Ansätzen Verkehrsleitsystemen unterscheiden: Bei zentralen Ansätzen werden sämtliche Daten von Verkehrsmessungen an einen zentralen Rechner weitergeleitet, welcher dann die Routen für alle Verkehrsteilnehmer optimal berechnen würde und dann jedem Verkehrsteilnehmer die Route zurücksenden würde. In der Realität ist dieser Ansatz nicht hinreichend effizient ausführbar, da es technisch nicht möglich ist, sämtliche Daten zu erhalten, zu verarbeiten und zu senden ohne dass es zu erheblichen Verzögerungen kommen würde, wodurch die Aktualität der Daten bereits nicht mehr gegeben ist, wenn die Routeninformation bei dem Verkehrsteilnehmer ankommt. Bei einem statischen, zentralen System könnte zwar eine optimale Lösung gefunden werden, allerdings dürften hierfür nach der Berechnung aller Optimalrouten keine Veränderungen am System mehr vorgenommen werden. So könnten keine weiteren Fahrzeuge in den Straßenverkehr einsteigen, da das System durch solche Änderungen nicht mehr richtig funktionieren würde. Auch ein einfacher Unfall oder eine Änderung der Witterungsverhältnisse, welche eine Verringerung der Geschwindigkeit notwendig machen würde, ist in einem statischen zentralen System nicht vorgesehen. Es ist in der Realität daher nicht praktikabel.

Bei dezentralen Ansätzen, zu denen man auch BeeJamAvoidance zählen kann, wird das Gebiet geographisch in sogenannte Areas aufgeteilt. Es gibt keinen zentralen Sammelpunkt für die Daten, stattdessen werden von den einzelnen Navigationssystemen die benötigten, „mitunter unvollständigen oder gar fehlerhafte[n]“ Daten beschafft und ausgewertet. „Nicht die optimale Lösung steht zwingend im Vordergrund, sondern die hinreichende“^[14]. Ein dezentrales, dynamisches VRGS, wie BeeJamA, hat also nicht den Anspruch, allen Kraftfahrzeugen die optimale Route zu geben, über die alle ohne Staus so schnell wie möglich an ihr Ziel kommen, sondern es will jedem Verkehrsteilnehmer eine Route geben, die ihn im Idealfall so schnell wie möglich und möglichst unter Verhinderung von Staubildung an sein Ziel zu bringen.

[...]

^[1] Vgl. http://oops.uni-oldenburg.de/2055/1/senbie14.pdf (Stand 03.03.2015), S. 92

^[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Wirtschaftszahlen_zum_Automobil#Kraftfahrzeugbestand (Stand: 12.02.2015)

^[3] http://oops.uni-oldenburg.de/2055/1/senbie14.pdf (Stand 14.02.2015), S. 14

^[4] www.planet-wissen.de/alltag_gesundheit/verkehr/logistik/stauforschung.jsp (Stand 27.02.2015)

^[5] http://www.sueddeutsche.de/bayern/verkehrstechniker-im-gespraech-wie-sich-staus-vermeiden-lassen-1.1432431 (28.02.2015)

^[6] http://oops.uni-oldenburg.de/2055/1/senbie14.pdf (Stand 14.02.2015), S. 2

^[7] ebd., S. 11

^[8] Vgl. http://telematik-markt.de/telematik/verkehrsstaus-kosten-deutsche-haushalte-75-milliarden-euro#.VO8k_S6vREa (Stand 15.02.2015)

^[9] Vgl. www.planet-wissen.de/alltag_gesundheit/verkehr/logistik/stauforschung.jsp (Stand 21.02.2015)

^[10] www.sueddeutsche.de/bayern/verkehrstechniker-im-gespraech-wie-sich-staus-vermeiden-lassen-1.1432431 (Stand 21.02.2015)

^[11] www.zeit.de/wissen/2012-06/stauforschung-psychologie/seite-2 (Stand 02.03.2015)

^[12] Vgl. ebd.

^[13] Vgl. ebd.

^[14] http://oops.uni-oldenburg.de/2055/1/senbie14.pdf (Stand 03.03.2015), S. 4