Zuflussregulierung als Konzept eines selbstorganisierten Störfallmanagements zur Vermeidung von Gridlocks

Traffic jams are the cause of approximately 25 billion euro of annual expenses of the state of Germany [14, 26]. In addition to these monetary damages they also have a negative effect on the quality of life for man and nature. They are, for example, the source of a non-negligible part of the 2.4 billion traffic accidents with damage of property or persons registered annually [13]. Circa 14 % of crashes result from previous mishaps [8, 26]. Almost all of them cause further jam formation and therefore a vicious circle which is in danger of closing around. Especially jams being created from spontaneous, non-periodic incidents involve a high risk of ending in a gridlock and thereby disrupt a whole traffic system. Because these disturbances are unpredictable and unpreventable, their duration and impact can merely be reduced by an effective incident management through the systematic, planned and coordinated use of institutional, technical and natural resources. The self-healing-network-strategy by Lämmer [19] and Rausch [27] is one example of such a countermeasure against jam formation in urban road networks. It prevents gridlocks at intersections by means of traffic lights and the combination of two effective mechanisms. Extended off-times prevent the inflow into oversaturated sections and so the expansion of tailbacks onto upstream intersections. Extended green periods of alternative directions of travel motivate drivers to avoid disturbed sectors and thus additionally allow a better exploitation of available free capacities. The development and successful establishment of this method could make the use of ramp metering in urban networks - which is regulating the inflow of oversaturated areas by reducing or skipping green times as well - invalid. To answer this question the presented master’s thesis aims at comparing both inflow-regulating control concepts. However, it is not the ambition to proof that one method is worse than the other, but to contribute to an ideal combination of both instead - with the intention to eliminate deficits on either side. Therefore both concepts will be reviewed in a first step and subsequently the contribution of additional effects against gridlock creation through the symbiosis of the two traffic light controls is analysed. Furthermore, several suggestions for the development of an efficient ramp metering logic are introduced to configure this combination to be more beneficial.:1 Einleitung 1.1 Sinngebung und Relevanz dieser Untersuchung 1.1.1 Entstehung von Verkehrsstörfällen und Staubildung 1.1.2 Extremfall Gridlock 1.2 Vorgehensweise und erwartete Ergebnisse 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Allgemeine Verkehrskenngrößen 2.2 Lichtsignalanlagen 3 Lichtsignalanlagen und andere Steuerungskonzepte der Verkehrstelematik 3.1 Grundkonzepte der Verkehrstelematik zur Verkehrsbeeinflussung 3.1.1 Informationssysteme 3.1.2 Streckenbeeinflussungsanlagen 3.1.3 Netzbeeinflussungsanlagen 3.1.4 Knotenpunktbeeinflussungsanlagen 3.2 Lichtsignalanlagen 3.2.1 Steuerungsebenen 3.2.2 Urban Traffic Control 3.3 Rückstauregulierung durch ein selbstorganisiertes Störfallmanagement 3.3.1 Staufrontkontrolle durch Zuflussdosierung 3.3.2 Kapazitätsausschöpfung durch Umverteilung der Verkehrsströme 3.3.3 Vorzüge und Defizite 3.4 Pförtnerung 3.4.1 Ziele einer erfolgreichen Zuflussdosierung mithilfe einer PA 3.4.2 Anforderungen an Pförtneranlagen 3.4.3 Steuerung der Pförtneranlage 4 Modellierung und Simulation 4.1 Netzwerkmodellierung 4.1.1 Struktur des Straßennetzes 4.1.2 Knotenpunkte 4.1.3 Dimensionierung der LSA 4.2 Implementierung der Rückstauregulierung 4.2.1 Bemessung der Rückstaulänge 4.2.2 Schätzung der Staukapazität 4.2.3 Bemessung der Freigabezeit 4.2.4 Umsetzung in einem Straßennetzwerk 4.3 Implementierung der PA-Steuerung 4.3.1 Festzeitsteuerung 4.3.2 Verkehrsabhängige Bestandteile zur Zuflussdosierung 4.3.3 Unzulässigkeit der Verkehrsstärke als Auslösekriterium 4.3.4 Variation des Bemessungshorizonts der Auslösekriterien 4.4 Dynamisches Routenwahlverhalten der Fahrer 4.5 Szenariomodellierung und Simulationsergebnisse 4.5.1 Bewertung der Effizienz der Steuerungskonzepte zur Gridlock- Prävention 4.5.2 Simulationsszenarien für Störfälle 5 Fazit und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Effizienz des ereignisorientierten Routenwahlmodells und selbstorganisierten Störfallmanagements 5.2.2 Effizienz der Pförtnersteuerung zur Isolation des sensiblen gestörten Areals 5.2.3 Ausblick und Bewertung der Simulationen 5.3 Vorschlag zur Aufrechterhaltung eines minimalen Verkehrsflusses während der Dosierung durch PAVerkehrsstaus verursachen dem deutschen Staat jährlich rund 25 Milliarden Euro Unkosten [14, 26]. Neben diesen monetären Schäden wirken sie sich jedoch auch negativ auf die Lebensqualität von Mensch und Umwelt aus. Sie sind beispielsweise die Ursache für einen nicht unerheblichen Anteil der circa 2,4 Milliarden jährlich registrierten Unfälle mit Sach- oder Personenschaden [13]. Rund 14 % der Unglücksfälle gehen dabei als Folgeerscheinung eines vorherigen Unfalls hervor [8, 26]. Nahezu alle führen eine weitere Staubildung herbei und somit einen Teufelskreis, der sich zu schließen droht. Besonders aus spontanen, nicht wiederkehrenden Störfällen entstandene Staubildung birgt eine hohes Risiko, in einem Gridlock zu enden und damit ein gesamtes innerstädtisches Verkehrssystem zum Erliegen zu bringen. Da diese Störfälle unvorhersehbar und unvermeidbar sind, kann ihrer Dauer und ihrem Einfluss lediglich ein effizientes Störfallmanagement durch systematischen, gezielten und koordinierten Gebrauch institutioneller, technischer und natürlicher Ressourcen entgegenwirken. Beispiel für eine solche Gegenmaßnahme zur Staubildung in urbanen Netzen ist das selbstorganisierte Störfallmanagement nach Lämmer [19] und Rausch [27]. Mithilfe von LSA und der Kombination zweier effektiver Wirkungsmechanismen werden Gridlocks an Knotenpunkten unterbunden. Verlängerte Sperrzeiten verhindern den Zufluss in übersättigte Streckenabschnitte und damit die Ausbreitung von Rückstaus auf vorgelagerte Kreuzungen. Erweiterte Freigabezeiten der alternativen Fahrtrichtungen regen wiederum eine Umgehung des gestörten Abschnitts an und ermöglichen somit zusätzlich die bessere Ausschöpfung vorhandener freier Kapazitäten. Durch die Entwicklung und den erfolgreichen Einsatz der genannten Maßnahme könnte der Gebrauch von Pförtnerampeln (PA), welche den Zufluss in übersättigte Bereiche ebenfalls regulieren, indem sie Grünzeiten verkürzen oder aussetzen, hinfällig werden. Um diese Frage zu klären, widmet sich die vorliegende Masterarbeit dem Vergleich der beiden zuflussregulierenden Steuerungskonzepte. Ziel ist jedoch nicht, zu beweisen, dass eine Maßnahme schlechter ist als die andere, sondern vielmehr einen Beitrag zu einer optimalen Kombination der Vorzüge beider Herangehensweisen zu leisten und somit die auf beiden Seiten vorhandenen Defizite zu beseitigen. Dafür werden zunächst beide Konzepte auf ihre Effizienz hin überprüft und im Anschluss analysiert, inwiefern die Symbiose beider LSA-Steuerungen in einem Netzwerk zusätzliche Effekte gegen die Gridlockentstehung bewirkt. Außerdem werden verschiedene Vorschläge zur Entwicklung einer effizienteren Steuerlogik für Pförtneranlagen eingebracht, um diese Kombination noch vorteilhafter zu gestalten.:1 Einleitung 1.1 Sinngebung und Relevanz dieser Untersuchung 1.1.1 Entstehung von Verkehrsstörfällen und Staubildung 1.1.2 Extremfall Gridlock 1.2 Vorgehensweise und erwartete Ergebnisse 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Allgemeine Verkehrskenngrößen 2.2 Lichtsignalanlagen 3 Lichtsignalanlagen und andere Steuerungskonzepte der Verkehrstelematik 3.1 Grundkonzepte der Verkehrstelematik zur Verkehrsbeeinflussung 3.1.1 Informationssysteme 3.1.2 Streckenbeeinflussungsanlagen 3.1.3 Netzbeeinflussungsanlagen 3.1.4 Knotenpunktbeeinflussungsanlagen 3.2 Lichtsignalanlagen 3.2.1 Steuerungsebenen 3.2.2 Urban Traffic Control 3.3 Rückstauregulierung durch ein selbstorganisiertes Störfallmanagement 3.3.1 Staufrontkontrolle durch Zuflussdosierung 3.3.2 Kapazitätsausschöpfung durch Umverteilung der Verkehrsströme 3.3.3 Vorzüge und Defizite 3.4 Pförtnerung 3.4.1 Ziele einer erfolgreichen Zuflussdosierung mithilfe einer PA 3.4.2 Anforderungen an Pförtneranlagen 3.4.3 Steuerung der Pförtneranlage 4 Modellierung und Simulation 4.1 Netzwerkmodellierung 4.1.1 Struktur des Straßennetzes 4.1.2 Knotenpunkte 4.1.3 Dimensionierung der LSA 4.2 Implementierung der Rückstauregulierung 4.2.1 Bemessung der Rückstaulänge 4.2.2 Schätzung der Staukapazität 4.2.3 Bemessung der Freigabezeit 4.2.4 Umsetzung in einem Straßennetzwerk 4.3 Implementierung der PA-Steuerung 4.3.1 Festzeitsteuerung 4.3.2 Verkehrsabhängige Bestandteile zur Zuflussdosierung 4.3.3 Unzulässigkeit der Verkehrsstärke als Auslösekriterium 4.3.4 Variation des Bemessungshorizonts der Auslösekriterien 4.4 Dynamisches Routenwahlverhalten der Fahrer 4.5 Szenariomodellierung und Simulationsergebnisse 4.5.1 Bewertung der Effizienz der Steuerungskonzepte zur Gridlock- Prävention 4.5.2 Simulationsszenarien für Störfälle 5 Fazit und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Diskussion der Ergebnisse 5.2.1 Effizienz des ereignisorientierten Routenwahlmodells und selbstorganisierten Störfallmanagements 5.2.2 Effizienz der Pförtnersteuerung zur Isolation des sensiblen gestörten Areals 5.2.3 Ausblick und Bewertung der Simulationen 5.3 Vorschlag zur Aufrechterhaltung eines minimalen Verkehrsflusses während der Dosierung durch P