3.10 Theoretische Grundlagen des Straßenverkehrs

Leitung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Bogenberger

Auftrag / Aufgaben

Allgemeines
Der Arbeitsausschuss befasst sich mit der Entwicklung, Überprüfung und Verbreitung von Grundlagenforschung und angewandter Forschung sowie mit empirischen Befunden zur Theorie des Verkehrsflusses, zu theoretischen Grundlagenarbeiten, zur Darstellung der Kenngrößen des Verkehrsablaufs und zu Entscheidungs- und Optimierungsmethoden für die Anwendung im Verkehr. Ziel ist die Nutzbarmachung der Grundlagenerkenntnisse für die Planung, den Entwurf und den Betrieb von Verkehrsanlagen. Die Diskussion neuer Techniken der Datenerfassung, der Automatisierung des Verkehrsablaufes und von Wirkungsanalysen und Bewertungsfragen sind ebenfalls Bestandteil der Arbeiten des Arbeitsausschusses.

Die Arbeit des Arbeitsausschusses ist davon geprägt, die Verbindung mit den Forschungsarbeiten aus Universität und außeruniversitären Forschungsinstituten zu vertiefen und interdisziplinäre Ansätze in Verkehrstechnik und Fahrzeugindustrie für die Grundsatzfragen theoretischer Beschreibung des Verkehrsgeschehens nutzbar zu machen.

 

Meilensteine
Mit der Gründung des Arbeitsausschusses 1963, vor über 40 Jahren, durch Wilhelm Leutzbach wurde den Fortschritten in der Modellierung und Technik der Datenverarbeitung Rechnung getragen. Angelehnt an die Erfahrungen im Ausland – insbesondere in den USA– wurden im Arbeitsausschuss die Grundlagen für eine präzise mathematische Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Fahrern, Fahrzeugen und Infrastruktur gelegt. Die Beschreibungen wurden mit empirischen Beobachtungen zum Überholverhalten, zum Abstandsverhalten und zur Leistungsfähigkeit von Streckenabschnitten verbunden. Oftmals wurden auch statistische Überlegungen, weitgehend theoretisch, als Grundlagen herangezogen. Generell wurden als Infrastruktur vor allem die Richtungsfahrbahnen des Autobahnnetzes betrachtet einschließlich der Betriebselemente wie Signalisierung mit Wechselverkehrszeichen und Wechselwegweisern sowie Markierungen. Die Verkehrsablauftheorien waren unverzichtbares Element aller Verkehrsmodelle und Analysewerkzeuge, die für Entwurf und Betrieb von Straßen und Autobahn dienen.

Mit der Übernahme der Leitung durch Hartmut Keller widmete sich der Arbeitsausschuss verstärkt der Verknüpfung von Informationstechnik und Verkehr. Die Bewertung der Auswirkungen solcher neuen Technologien auf den Verkehrsablauf, die Leistungsfähigkeit und die Verkehrsqualität – auch im Kontext nationaler und internationaler Versuchsfelder – setzte neue Schwerpunkte für die Symbiose von Telematik und Verkehr.

Unter der jetzigen Leitung wurde der Ausbau der Themen bezüglich Modellierungsaspekte und Wechselwirkungen von Informations- und Kommunikationstechnik und Verkehr fortgesetzt. Ferner wurde die Verbindung des Arbeitsausschusses mit den Forschungsarbeiten aus Universität und außeruniversitären Forschungsinstituten vertieft und interdisziplinäre Ansätze in Verkehrstechnik und Fahrzeugindustrie für die Grundsatzfragen theoretischer Beschreibung des Verkehrsgeschehens nutzbar gemacht.

 

Grundsatzfragen des Verkehrs
Der Arbeitsausschuss behandelt aus der Perspektive theoretischer Grundlagen Fragen wie sich geänderte Rahmenbedingungen der Straßenverkehrsordnung (allg. Tempolimit, geändertes Tempolimit für Lkw, Zulassung überlanger/ überschwerer LkW, Aufhebung des Rechtsfahrgebots) und Umweltauflagen (Fahrverbote für Fahrzeuge mit geringen Umweltstandards) auf den Verkehrsablauf auswirken.  

Schließlich geht es um die Beschreibung des Fahrerverhaltens, etwa auf der Basis psycho-physiologischer Modelle. Solche Ansätze ergänzen die mikroskopischen Modelle und eröffnen gute Aussichten zur umfassenden Behandlung der Grundsatzfragen des Verkehrs. Fahrerassistenzsysteme profitieren von diesen Überlegungen ebenso wie straßenseitige Systeme zur Verbesserung der Verkehrssicherheit. Die Verkehrsmodelle können durch den Einbezug psycho-physiologischer Fahrermodelle auch taktisches Fahrerverhalten und die Konsequenzen für den Verkehrsablauf auf einer größeren Skala abbilden.

Neben dem wissenschaftlichen Austausch und der kritischen Fachdiskussion ist ein Ziel des Arbeitsausschusses, die Ergebnisse der Beratungen in Merkblättern, Richtlinien und Handbüchern der Fachwelt zugänglich zu machen. Dabei soll gewährleistet sein, dass diese Dokumente Bestand haben und eine gewisse Gültigkeitsdauer besitzen. Der Arbeitsausschuss bietet eine Plattform für eine längerfristige Diskussionsperspektive und will die Vernetzung mit sehr vielen Fragestellungen anderer Ausschüsse (z. B. Verkehrssteuerung, Fahrerassistenz, Sicherheit, Fahrzeug, Fahrzeugkommunikation) vorantreiben.

 

Makroskopische Verkehrsflussmodelle
Ausgehend von den Arbeiten zum Fundamentaldiagramm, die in einem aktuellen Bericht zum Stand des Wissens zusammengefasst sind, wurde ein Teil der wissenschaftlichen Basis zur Verkehrsflussmodellierung erarbeitet. Ausgehend von der Erkenntnis, dass es Analogien zwischen dem Verkehrsfluss und einer kompressiblen Flüssigkeit gibt, ist der Arbeitsausschuss immer wieder mit Arbeiten aus dem Grenzbereich zwischen Physik und Verkehrsablaufbeschreibung konfrontiert. Die Anregungen, die von dieser Analogie ausgehen, aber auch die Grenzen einer solchen physikalischen Beschreibung von Fahrer- und Fahrzeugverhalten werden auch in Zukunft einen Schwerpunkt des Arbeitsausschusses darstellen.

Weitere, zum Teil sehr einfache Modelle, die aus dieser Analogie heraus entwickelt werden können, wie Zelltransmissionsmodelle, Phasenübergangssysteme und probabilistische Beschreibungsansätze für die Ausbildung von Verkehrsmustern, werden künftig ebenfalls verstärkt zur Diskussion gestellt. Dabei geht es darum, diese Ansätze für eine antizipatorische Verkehrsbeeinflussung auch praktisch nutzbar zu machen.

 

Mikroskopische Verkehrsflussmodelle
Mit der Steigerung der Leistungsfähigkeit der Rechnertechnik und mit neuen Ansätzen für Fahrermodellierung und Modellierung der Fahrer-Fahrzeug-Reaktionen kommen mikroskopische Verkehrsflussmodelle immer stärker in den Blickpunkt. Die Einbeziehung von Flächennutzung, die Abbildung großer Netze durch Parallelisierung der Rechenansätze und die Verwendung agentenbasierter Modelle eröffnen neue ungeahnte Möglichkeiten der mikroskopischen Modellierung. Die Vielfalt und das Anwendungsspektrum sind mittlerweile so groß, dass ein eigener Arbeitskreis "Mikroskopische Verkehrssimulationsmodelle" Handreichungen für den Einsatz erarbeitet. Die neuen Fragestellungen, die sich etwa aus einer Änderung der durch die Straßenverkehrsordnung gesetzten Rahmenbedingungen, aus einer geänderten Flächennutzung oder durch Umweltauflagen ergeben, können bezüglich der verkehrlichen Wirkungen sehr gut mit mikroskopischer Modellierung angegangen werden. Hier wird der Arbeitsausschuss künftig Vorschläge zum Wie und Was des Einsatzes mikroskopischer Modelle erarbeiten. Ziel ist es, Entscheidungsträgern Hilfestellungen zu geben und Auswirkungen der betrachteten Umfeldänderungen durch eine geeignete Simulation vorwegzunehmen.

Bei der Modellentwicklung und den Überlegungen zum Einsatz wird auch auf ausländische Erfahrungen zurückgegriffen. Dazu gehört etwa das Projekt Next Generation Simulation Models (NGSim) der US-amerikanischen Bundesstraßenbehörde (FHWA). Aber auch Hybridmodelle die mit gemischt mikroskopischen/makroskopischen Modellen arbeiten, werden künftig die Arbeit des Ausschusses bestimmen.

Daten und Simulation
Zur Kalibrierung und Validierung der theoretischen Ansätze sind allgemein zugängliche Daten mit möglichst hoher Auflösung unbedingte Voraussetzung. Die mit der Clearingstelle für Daten und Modelle durch das Verkehrsministerium geschaffene zentrale Stelle – zurzeit im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt angesiedelt – schafft einen ersten Ansatz und wird auch im Arbeitsausschuss promoviert und mit Anregungen versorgt. Neue Datenquellen wie Verkehrsdaten aus Fahrzeugprobanden, aus luft- und raumgestützter Erfassung und aus Detektoren mit neuen Wirkungsprinzipien werden im Arbeitsausschuss auf ihre Einsatzfähigkeit hin untersucht und stehen in der langen Tradition empirischer Datengrundlagen. Neue Herausforderungen an die Entwicklung verbesserter Datensammlung, an das Management, die Archivierung, Verbreitung und Analyse der Daten beschäftigen den Arbeitsausschuss in Zukunft und weisen den Weg zur Bestimmung von Ziel-Quell-Beziehungen und Echtzeit-Verkehrsdaten als Teil der theoretischen Grundlagen des Straßenverkehrs.

Mit dem erweiterten Datenmaterial ist vor allem ein verbessertes Durchdringen der Verkehrsphänomene verbunden. Dieses vertiefte Verständnis sollte einhergehen mit einer neuen offenen Struktur, mit der Forscher und Verkehrstechniker ihre Daten austauschen und sie analysieren. Es werden im Arbeitsausschuss künftig Konzepte vorgestellt, z.B. offene Quellcodes für Daten und Modelle zu Verkehrsphänomenen, um eine offene Plattform für das Verständnis von Verkehrsmusterentstehung, Ausbildung von Verkehrszusammenbrüchen, Hystereseeffekte, Stauauflösung, Überhol- und Spurwechselverhalten sowie Verkehrsverhalten unterschiedlicher Fahrzeugklassen zu fördern und offen wechselseitig zu bewerten. Hier wird der Arbeitsausschuss ein neues Selbstverständnis und eine neue Qualitätsstruktur propagieren. Ziel ist es, die Verlässlichkeit und die Unschärfe von Modellansätzen zu bewerten.

Entscheidungs- und Optimierungsmethoden

In der Forschung und Entwicklung ist das Thema "Entscheidungs- und Optimierungsmethoden" in den letzten Jahren deutlich vorangetrieben worden. Einige neue Verfahren und Methoden wie Fuzzy Logic, genetische Algorithmen und neuronale Netze wurden für verkehrliche Anwendungen adaptiert. Folgt man aktuellen Tendenzen, so werden sich diese Innovationen auch in Zukunft fortsetzen. Dennoch sind zwei Dinge festzuhalten:

  • Die Entwicklung von Entscheidungs- und Optimierungsmethoden im Verkehr steht deutlich hinter dem allgemeinen Entwicklungsstand von Entscheidungs- und Optimierungsmethoden zurück.
  • Eine weitere Verbreitung und Umsetzung der für den Verkehr entwickelten Methoden und Verfahren blieb bisher aus.

Ziel des Arbeitsausschusses ist es daher, den allgemeinen Entwicklungsstand von Entscheidungs- und Optimierungsmethoden und die Anwendung von Entscheidungs- und Optimierungsmethoden im Verkehrswesen für Lehre und Praxis zu dokumentieren. Es liegt daher nahe einen ständigen Arbeitskreis "Entscheidungs- und Optimierungsmethoden" einzurichten. Dieser Arbeitskreis hält eine internetbasierte Informationsplattform vor (www.optiv.de), und organisiert die Veranstaltung "Heureka".

 

Weitere Themenfelder

  • Anforderungen an den Verkehr unter den Aspekten des demografischen Wandels
  • Kombination von Verkehrsflussmodellen mit Planungsanwendungen. Die Auslegung von Experimenten, empirischen Analysen und Steuerungsstrategien zur Stabilisierung des Verkehrsablaufs auf Strecken und in Netzen sind weitere Felder für die Arbeit des Arbeitsausschusses. Die Verbindung von theoretischen Grundlagen und Praxisanwendungen erscheint dabei besonders reizvoll.

Bestand an Regelwerken und Wissensdokumenten

  • Hinweise zur Schätzung von Verkehrsbeziehungen mithilfe von Querschnittszählungen – (1995) – 365
  • Hinweise zur Datenvervollständigung und Datenaufbereitung in verkehrstechnischen Anwendungen – (2003) – 382
  • Hinweise zum Fundamentaldiagramm – (2005) – 385
  • Hinweise zur mikroskopischen Verkehrsflusssimulation – Grundlagen und Anwendung – (2006) – 388
  • OptiV Erschließung von Entscheidungs- und Optimierungsmethoden für die Anwendung im Verkehr – (2007) – 027 (CD-ROM)
  • Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS) – (2015) – 299

Laufende Forschung

Vom Arbeitsausschuss betreute FE-Projekte

  • 1.174 Verfahren für die Bewertung des Verkehrsablaufs auf Autobahnen als Ganzjahresanalyse für unterschiedliche Randbedingungen
  • 2.284 Festlegung der Einsatzbereiche für die Rampentypen gemäß RAA unter Berücksichtigung der Zusammenhänge zwischen Verkehrsstärke und Geschwindigkeit sowie anhand der Verkehrssicherheit
  • 2.324 Weiterentwicklung von Verfahren zur Verkehrsqualitätsbewertung im Rahmen der Fortschreibung des HBS
  • 3.424 Konzept zur Bewertung der Qualität des Verkehrsablaufs an Knotenpunkten mit und ohne LSA
  • 3.459 Berücksichtigung des Schwerverkehrs bei der Modellierung des Verkehrsablaufs an planfreien Knotenpunkten
  • 3.460 HBS-konforme Simulation des Verkehrsablaufs auf Autobahnen
  • 3.461 Wechselwirkungen zwischen Streckenabschnitten und Knotenpunkten bei der Ermittlung von Fahrgeschwindigkeiten
  • 1.176 Verkehrsablauf und Verkehrssicherheit an Arbeitsstellen auf Autobahnen unter unterschiedlichen Randbedingungen

Weitere für den Arbeitsausschuss relevante FE-Projekte

Aktivitäten

Laufende Bearbeitung / Überarbeitung von Regelwerken / Wissensdokumenten

In Bearbeitung / Überarbeitung befindlich

  • Teilfortschreibung des Handbuchs für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS)

In den nächsten 5 Jahren geplante Bearbeitung/Überarbeitung von Regelwerken/Wissensdokumenten

Forschungsbedarf

Weitere Aktivitäten

Gemeinsame Sitzung der Arbeitsausschüsse 3.2 Außerortssteuerung; 3.3. Lichtsignalanlagen und 3.1 Innerortssteuerung am 5.10.11

Update: 25/06/2018