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Verkehrskontrollsysteme

15.11.2007 - (idw) Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Ein Drittel der weltweit konsumierten Energie entfällt auf den Verkehr. Mit unkonventionellen Ideen zur Bewältigung des Verkehrsflusses könnten diese Energie beträchtlich effizienter eingesetzt und die CO2-Emissionen reduziert werden. Dirk Helbing, Professor für Soziologie an der ETH Zürich, hat in Zusammenarbeit mit der TU Dresden ein sich selbst organisierendes Steuerungssystem für Lichtsignalanlagen entwickelt, das den Verkehrsfluss von Fahrzeugen um bis zu 95 Prozent verbessern könnte. Dirk Helbing, Professor für Soziologie an der ETH Zürich und Experte für Modellierung und Simulation, stützt seine Behauptung auf die kürzlich verfasste Studie "Efficient Self-Control of Traffic Flows in Urban Networks Using Short-Sighted Anticipation". Dirk Helbing und Co-Autor Stefan Lämmer vom Institut für Wirtschaft und Verkehr der TU Dresden haben ein sich selbst organisierendes Steuerungssystem für Lichtsignalanlagen entwickelt, das den Verkehrsfluss von Fahrzeugen um bis zu 95 Prozent verbessern könnte.
Für den Durchschnitt optimiert

Das Problem liegt darin, erklärt Professor Helbing, dass in den 1960er und 1970er Jahren hohe Investitionen in Lichtsignalanlagen gemacht wurden, wobei die meisten Systeme heute aufgrund ihrer langen Betriebsdauer und ihres Alters sowie wegen des technischen Fortschritts veraltet sind. Vor vierzig, fünfzig Jahren, als das Verkehrsaufkommen noch viel geringer war, bestand die Aufgabe einer Lichtsignalanlage vor allem darin, mit dem Verkehr während den Stosszeiten oder nach einem Sportanlass fertigzuwerden. Die Ampeln wurden zentral gesteuert und wurden nicht so programmiert, dass sie sich der Echtzeit anpassen konnten. Meistens wurden sie entsprechend vorher festgelegter Situationen optimiert, das heisst für Situationen, mit denen Verkehrsplaner in der Vergangenheit konfrontiert worden waren.

Der Nachteil dieser Strategie besteht heute darin, dass die Steuerung von Ampeln umso schwieriger wird, je mehr es davon gibt. Ein bekanntes Dilemma: Je mehr Verkehrsknoten oder Ampeln es in einem System gibt, desto mehr Berechnungen sind erforderlich, bis die Berechnungszeit schliesslich "explodiert". Selbst für mittelgrosse Städte sind die Computer nicht schnell genug, um die verschiedenen Optionen zu berechnen, die es für die Steuerung der Lichtsignale gibt. "Die Anzahl der durch das Optimierungsprogramm tatsächlich berücksichtigten Möglichkeiten ist erheblich reduziert", sagt Professor Helbing.
Einzelstrategie erfolglos

So werden die meisten Lichtsignale offline programmiert, ungeachtet der realen Verhältnisse. "Unglücklicherweise variiert die Anzahl der Fahrzeuge, die während des Tages vor einer Ampel anstehen, von Minute zu Minute sehr stark", sagt Professor Helbing. Lichtsignale werden für eine durchschnittliche Situation optimiert, die jedoch nicht für bestimmte Tage oder gar Minuten stimmt - das heisst, dass Ampeln im Wesentlichen für eine Situation eingestellt sind, die es nie gibt. Zudem sind selbst adaptive Lichtsignale mit modernen Steuerungsprogrammen auf eine Variation taktbasierter Steuerung beschränkt.

Dirk Helbing und Stefan Lämmer schlagen daher ein dezentralisiertes System vor, durch das die Reisezeit, nicht aber die Aufeinanderfolge von Ampeln berechenbarer würde. Zunächst versuchten die Forscher, den Verkehrsfluss an einem Lichtsignal bei einer Kreuzung zu optimieren. Dieser lokal begrenzte Versuch funktionierte nur so lange gut, als der Verkehrsfluss an der Kreuzung nicht zu stark war. Als jedoch das Verkehrsaufkommen zunahm, lösten die lokal programmierten Ampeln den Verkehr der Seitenstrassen nicht schnell genug auf und führten zu Staus an anderen Kreuzungen. Professor Helbing folgerte: "Für sich allein war diese Optimierungsstrategie schlechter als die bereits vorhandenen Verkehrssteuerungssysteme."

Dann wurde eine stabilisierende Strategie untersucht. Diese Strategie löste zwar den Verkehr auf, wenn er eine kritische Schwelle erreichte, aber sie war uneinheitlich in Bezug auf die Verkürzung der Reisezeit. Im Gegensatz zur Optimierungsstrategie funktionierte die Stabilisierungsstrategie bei jedem Verkehrsvolumen schlecht. Für sich allein konnte es auch diese Strategie nicht mit den heutigen Verkehrskontrollsystemen aufnehmen.

Werden die beiden Strategien jedoch richtig kombiniert, schnitten sie bei jedem Verkehrsaufkommen besser ab als die heutigen Verkehrskontrollsysteme. "So kann also die Kombination von zwei schlechteren Strategien bedeutend besser funktionieren - wenn wir es richtig machen", sagt Professor Helbing.
Auf Autofahrer kommt's an

Simulationstests zeigen, dass die kombinierten Strategien gut funktionieren. Mit nichtperiodischen - das heisst sich nicht im gleichen Takt wiederholenden - Verkehrsampeln, die lange Schlangen auflösen, wird die Reisezeit sogar berechenbarer. Der Verkehrsfluss bleibt stabil, der Benzinverbrauch und die Emissionen gehen zurück.

Der Erfolg des neuen Systems hängt jedoch von der Reaktion der Automobilisten ab, betont Professor Helbing. Fahrer sind sich an den aktuellen Takt der Ampeln gewöhnt und wissen im Voraus, wann sie an der Reihe sind. Die kombinierte Strategie würde solche Erwartungen zunichte machten: Wäre das Verkehrsaufkommen in die eine Richtung hoch, dann würde diese Strasse zweimal bedient, während die anderen nur einmal zum Zug kämen. Um die Autofahrer zu gewinnen und unerwünschte Nebeneffekte wie erhöhte Frustration oder gar Unfälle zu vermeiden, braucht jedes neue Verkehrskontrollsystem die Unterstützung und Finanzierung durch die Behörden, damit die breite Öffentlichkeit während der Einführungsphase des Systems mit Hilfe einer Informationskampagne instruiert werden kann.
Paradigma der Zukunft

Professor Helbing glaubt, dass Investitionen in die kombinierten Strategien zuerst in den asiatischen Ländern gemacht werden, wo die Infrastruktur erst im Aufbau begriffen ist. In Europa sei die Schmerzgrenze noch nicht erreicht, der Druck für eine Änderung noch nicht stark genug. Und schliesslich sind auch die Kosten ein bestimmender Faktor. Es muss bewiesen werden können, dass die neuen Technologien im Betrieb billiger sind als das gegenwärtige System.

Die Notwendigkeit, die CO2-Emissionen zu reduzieren, könnte die Entwicklung allerdings beschleunigen, meint Professor Helbing. "Man wird entscheiden müssen, ob die Bevölkerung gezwungen werden soll, das Auto weniger oft zu benutzen, oder ob man dasselbe Ziel durch eine bessere Koordinierung des Verkehrsflusses erreichen kann."

Politiker müssen über die verschiedenen Möglichkeiten informiert werden. Und die Lichtsignalanlagen müssen nun in der Praxis getestet werden. Dirk Helbing ist optimistisch, dass sie die heutigen Systeme ausstechen werden. "Wir wissen allerdings nicht, wie gross die Vorteile der neuen Systeme sein werden. Doch alle Fakten sprechen für eine Dezentralisierung der Verkehrssteuerung. Diese wird das Paradigma der Zukunft sein."
Weitere Informationen: http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/071115-trafficflow/index
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