Generierung streckenbezogener Verkehrsdaten als Basis für den Einsatz in Verkehrstelematiksystemen

Linauer, Martin

Generierung streckenbezogener Verkehrsdaten als Basis für den Einsatz in Verkehrstelematiksystemen

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Gang der Untersuchung:
Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden in Kapitel 2 die theoretischen Grundlagen der streckenbezogenen Verkehrsdatengenerierung erläutert. Im Besonderen wird auf die Definition der Straßenverkehrsinformation, der stationären (querschnittsbezogen) sowie der fahrzeugbasierten (streckenbezogenen) Verkehrsdatenerfassung als auch auf die Verkehrskenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen eingegangen. In Kapitel 3 wird eine internationale Analyse in Bezug auf die Floating Car Data Technologie und deren Anwendungen mit Schwerpunkt Europa, Japan und USA durchgeführt. Nachfolgend wird auf die Erfahrungen bereits durchgeführter Feldversuche oder Projekte näher eingegangen.
Kapitel 4 widmet sich der Beurteilung von verschiedenen Technologien zur FCD Datenübertragung anhand definierter Kriterien und anschließender Nutzwertanalyse. Im Besonderen wird auf die GSM Mobilfunktechnologie eingegangen, da sie eine der wichtigsten Schlüsseltechnologie zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung darstellt. Weiters werden erforderliche Datenparameter, Protokolle und Standards sowie verschiedene FCD Übertragungsmodelle (Online, offline, Polling, etc.) behandelt.
Mögliche Methoden zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung, gegliedert nach Systemen mit Baken-Kommunikation bzw. Mobilfunk-Kommunikation werden in Kapitel 5 erörtert. Es erfolgt eine Beurteilung der unterschiedlichen Methoden und Technologien mit anschließender Nutzwertanalyse. Hauptaugenmerk der Technologieanalyse liegt im Bereich der Mautsysteme, der automatischen Fahrzeug- und Kennzeichenerkennung, in der Satellitennavigation sowie der Positionsbestimmung bzw. Verkehrsanalyse durch Zellularfunk (Mobilfunk).
In Kapitel 6 werden Untersuchungen zur benötigten FCD Ausstattungsrate durchgeführt. Im Detail werden Ansätze für die Dimensionierung der Ausstattungsrate zur Merkmalserkennung als auch zur Störfallerkennung beschrieben und Abschätzungen über erforderliche FCD Stichprobenumfänge durchgeführt. In Kapitel 7 ist ein Kostenvergleich für unterschiedliche Methoden der Verkehrsdatenerfassung auf den österreichischen Hauptstraßen (10.000 km) sowie auf den Autobahnen- und Schnellstraßen (2.000 km) angeführt (Fallstudie).
Ausgewählte juristische Aspekte hinsichtlich Datenschutz und der FCD Nutzung werden in Kapitel 8 behandelt. Es wird auf die europäischen und österreichischen juristischen Grundlagen und deren Interpretation eingegangen. Die Schlussfolgerungen dieser Arbeit […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ID 9222

Linauer, Martin: Generierung streckenbezogener Verkehrsdaten als Basis für den Einsatz

in Verkehrstelematiksystemen

Hamburg: Diplomica GmbH, 2006

Zugl.: Universität für Bodenkultur Wien, Dissertation / Doktorarbeit, 2005

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Diplomica GmbH

http://www.diplom.de, Hamburg 2006

Printed in Germany

Vorwort

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbei-

ter im Geschäftsfeld Verkehrstechnologien des Österreichischen Forschungs- und

Prüfzentrums Arsenal (arsenal research) in Wien.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gerd Sammer für seine

fachliche Begleitung während meines Studiums und die Übernahme der Betreuung

meiner Dissertation. Sein Rat und seine sachkundigen Anregungen hatten einen wesent-

lichen Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.

Herrn Univ. Prof. Dr. Sebastian Kummer von der Wirtschaftsuniversität Wien (WU) danke

ich für seine wertvollen Anregungen und Hinweise, sowie für die Übernahme der Ko-

betreuung.

Meinen Kollegen im Österreichischen Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal, sowie im

Besonderen Herrn Dipl.-Ing. (FH) Dietrich Leihs, Herrn Dipl.-Ing. Michael Schneider sowie

Herrn Dipl.-Ing. Bernhard Nowotny danke ich für die ständige Bereitschaft zur fachlichen

Diskussion und der ausgezeichneten technischen Unterstützung. Herrn Martin Höfner

möchte ich für die organisatorische und moralische Unterstützung während der Verfas-

sung dieser Arbeit danken.

Mein allerherzlichster Dank richtet sich aber an meine Frau Doris sowie an meine Eltern

und allen meinen Freunden, die viel Verständnis, Geduld, Aufmunterung und moralische

Unterstützung aufgebracht und mich motiviert haben, das Ziel der Fertigstellung der Arbeit

nicht aus den Augen zu verlieren.

Bei meinen Söhnen Leon und Philipp möchte ich mich auf diesem Wege für die vielen

Stunden entschuldigen, die ich wegen der Verfassung dieser Arbeit nicht mit ihnen

verbringen konnte und ihnen für ihr Verständnis und ihre Liebe danken.

ARTIN

INAUER

Wien, im Februar 2005

Kurzfassung

Kurzfassung

Aktuelle Verkehrsdaten spielen eine immer wichtigere Rolle in unserer heutigen Informati-

onsgesellschaft besonders im Hinblick auf das weiter steigende Mobilitätsbedürfnis der

Gesellschaft und den begrenzten Ressourcen der Verkehrssysteme. Dieses Bedürfnis

nach Verkehrsdaten wird momentan nur unzureichend erfüllt.

Die Technologie der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung, bei der einzelne

Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte (Position, Zeit, momentane

Geschwindigkeit) verwendet werden um aus den Fahrmustern den momentanen Ver-

kehrszustand abzubilden, ermöglicht eine umfassende Echtzeit-Verkehrsdatenerfassung.

So können durch die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung, für die sich in der

deutschsprachigen Literatur auch der englische Begriff Floating Car Data (FCD) etabliert

hat, Reisezeiten im Straßennetz und der daraus abgeleitete Verkehrszustand berechnet

werden, ohne ein dichtes und kostenintensives straßenseitiges Sensornetz (Induktions-

schleifen, Infrarotsensoren, Radarsensoren, etc.) aufbauen zu müssen. Durch die

Bereitstellung von Reisezeiten bzw. Reisezeitprognosen im Straßenverkehr können Daten

für kollektive Verkehrsbeeinflussungsanlagen sowie für individuelle Verkehrsinformations-

dienste zur Verfügung gestellt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Technologien zur Übertragung von Floating Car

Data (FCD) an eine Datenzentrale analysiert, um durch geeignete Übertragungstechnolo-

gien hinsichtlich Technologieverfügbarkeit, Kosten, Geschwindigkeit sowie Synergien mit

anderen Anwendungen verwertbare Verkehrsinformationen generieren zu können.

Danach wurden verschiedene Methoden zur Generierung streckenbezogener Verkehrs-

daten auf Basis der FCD Technologie analysiert und bewertet. Sie sollen einem breiten

Personenkreis zugänglich und für den Massenmarkt geeignet sein sowie - wenn möglich -

bereits in anderen Anwendungen und Diensten eingesetzt werden (Grenzkostenansatz).

Durch geringe Investitionen in benötigte Hard- und Software sowie durch Technologie-

verfügbarkeit soll die Anzahl der Fahrzeuge zur FCD Verkehrsdatenerfassung in Zukunft

erheblich gesteigert werden. Im Zuge der Arbeit wurden statistische Überlegungen zum

erforderlichen Stichprobenumfang für die Reisezeitberechnung sowie zur Stauerkennung

durchgeführt sowie in einer Fallstudie verschiedene Szenarien zur Verkehrsdatengenerie-

rung auf dem hochrangigen Straßennetz in Österreich untersucht.

Die relevantesten Methoden zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung liegen im

Bereich der Mautsysteme, der automatischen Kennzeichenerkennung, der Satelliten-

navigationstechnologie sowie in der Positionsbestimmung bzw. Verkehrsanalyse durch

Mobilfunksysteme. Vor allem Mobilfunksysteme sind von Bedeutung, da der Ausstat-

tungsgrad der Bevölkerung mit Mobiltelefonen in Europa sehr hoch ist und die Ortungs-

funktionalität über das Mobilfunksystem durchgeführt werden kann. Es ist nur ein

eingeschaltetes Mobiltelefon in einem Fahrzeug erforderlich um relevante FCD Daten zu

generieren.

Im Ausblick der Arbeit werden die Themen der Datenfusion von streckenbezogenen

Verkehrsdaten mit konventionellen querschnittsbezogenen Verkehrsdaten sowie weitere

Anwendungsmöglichkeiten der FCD Technologie behandelt.

Abstract

Abstract

Up-to-date travel data play a more and more decisive role in today's information society,

especially with respect to the enlargement of the European Union, increasing traffic rates,

and a strong need for individual traffic information of road users. However, at present this

need for travel data is not covered in a satisfactory way.

The track-related traffic data collection, also known as Floating Car Data (FCD), where

single vehicles are traced in the global traffic flow (position, time, speed) allow the map-

ping of the present traffic status. This offers the possibility to gather extensive real-time

information on the current traffic status (on-line travel times and travel time prognosis)

without installing a dense and expensive network of road sensors like induction loops,

infrared or radar sensors. The providing of on-line travel times and travel time prognosis

for road traffic allows the use for public traffic control and individual traffic information

services.

In the present thesis different technologies for the transmission of collected positioning

data to a Traffic Information Centre are examined, to be able to generate useful traffic

information out of the multitude of single FCD datasets. Moreover, different methods are

analysed for the generation of real-time traffic information on the basis of Floating Car

Data (FCD) technology. They should be accessible for the general public and appropriate

for the mass market, and can already be used for other applications or services (marginal

cost approach). Low investment costs for the required hard- and software and the

availability of technology should considerably contribute to increase the FCD equipment

rate in the future. The thesis discusses statistical considerations on the required sampling

quantity for identifying characteristic criteria and forecast breakdowns. A case study with

different scenarios for generating traffic data on the major streets in Austria was also

accomplished.

The most relevant technologies on track-related traffic data collection are the road tolling

systems, licence plate recognition systems, satellite navigation technologies and position-

ing or traffic analysis by means of cellular radio (mobile radio). Due to the high level of

mobile phone equipment of the European population, and due to the fact that there is no

new positioning hardware required, the latter is of special importance. Only an activated

mobile phone in a vehicle is required to generate relevant data.

The outlook of the thesis gives an overview of the themes of data fusion of track-related

traffic data with conventional intersection-related traffic data, as well as of further applica-

tion areas of FCD technology.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Einleitung...1

1.1

Überblick...1

1.2

Problemstellung ...2

1.3

Zielsetzung ...4

1.4

Vorgangsweise ...5

Grundlagen...6

2.1

Straßenverkehrsinformationen ...6

2.2

Querschnittsbezogene Verkehrsdatenerfassung...6

2.3

Streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung...9

2.4

Einzelfahrzeug im Verkehrsablauf ...10

2.4.1

Fahrtablauf des Einzelfahrzeuges unter kontrollierten Bedingungen...12

2.4.2

Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs als stochastischer Prozess ...12

2.5

Verkehrskenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen ...13

2.5.1

Mittlere Reisezeit und mittlere Reisegeschwindigkeit ...13

2.5.2

Beschleunigungskennwert ...14

2.5.3

Haltezeiten ...16

2.5.4

(Reise-) Zeitverluste...16

Internationale Analyse...18

3.1

Europa ...18

3.2

Japan ...24

3.3

USA ...24

3.4

Erfahrungen aus den Feldversuchen...25

3.4.1

Datenerfassung und -übertragung ...25

3.4.2

Modellrechnungen zur Verkehrsflussanalyse ...28

Datenübertragung...32

4.1

Bewertungskriterien und Zielgewichtung ...32

4.2

Übertragungstechnologien...33

4.2.1

Global System for Mobile Communications (GSM)...33

4.2.1.1

Systemkomponenten ...34

4.2.1.1.1

Mobiltelefon...34

4.2.1.1.2

Basisstation Subsystem ...34

Inhaltsverzeichnis

4.2.1.1.3

Funkvermittlungssystem...35

4.2.1.1.4

Steuerungs- und Überwachungszentrum...36

4.2.1.2

Funktionsweise ...36

4.2.1.2.1

Lokalisierungsbereich...37

4.2.1.2.2

Zellnummer ...38

4.2.1.2.3

Einbuchen ...38

4.2.1.2.4

Zellwechsel (Handover)...38

4.2.1.3

Leitungsvermittelter Datendienst ...41

4.2.1.4

Kurznachrichtendienst ...41

4.2.1.5

Netzerweiterung...42

4.2.1.5.1

Zellteilung...43

4.2.1.5.2

Zellsektorisierung ...43

4.2.1.6

Zusammenfassung GSM ...44

4.2.2

High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) ...45

4.2.3

Genaral Packet Radio Service (GPRS) ...47

4.2.4

Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE)...48

4.2.5

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)...51

4.2.6

Datenfunk...52

4.2.7

Terrestrial Trunked Radio (TETRA) ...53

4.2.8

Wireless Local Area Networks (WLAN) ...55

4.2.9

Dedicated Short Range Communication (DSRC) ...57

4.3

Protokolle und Standards ...58

4.4

Übertragene Datenparameter (FCD, XFCD) ...61

4.4.1

Floating Car Data (FCD) ...61

4.4.2

Extended Floating Car Data (XFCD)...62

4.4.2.1

Dynamische Fahrzeuggrunddaten...63

4.4.2.2

Daten aus Fahrerassistenzsystemen...63

4.4.2.3

Konstante Fahrzeugdaten...63

4.4.2.4

Daten aus Navigationssystemen ...63

4.5

Datenübertragungsmodelle ...64

4.5.1

Echtzeit-Übertragung (,,online")...64

4.5.2

Zeitversetzte-Übertragung (,,offline") ...64

4.5.3

Abruf-Übertragung (,,polling") ...64

4.5.4

Anlass-Übertragung (,,event processed") ...65

4.6

Fazit ...65

Inhaltsverzeichnis

III

FCD Systemvarianten...70

5.1

Bewertungskriterien und Zielgewichtung ...70

5.2

Systeme mit Baken-Kommunikation...72

5.2.1

Lkw-Mautsystem Österreich...73

5.2.2

Automatische Kennzeichenerkennung...76

5.2.3

Elektronisches Kennzeichen (e-plate)...80

5.2.4

Virtuelle GSM Baken...82

5.2.5

Weigh in Motion ...85

5.3

Systeme mit Mobilfunk-Kommunikation...85

5.3.1

Satellitennavigation ...87

5.3.1.1

Allgemeines ...87

5.3.1.2

GPS ...88

5.3.1.2.1

Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung ...89

5.3.1.2.2

Differential GPS (DGPS) ...95

5.3.1.2.3

Wide Area Augmentation System (WAAS) ...96

5.3.1.2.4

Zusammenfassung GPS ...96

5.3.1.3

GLONASS...98

5.3.1.4

EGNOS ...100

5.3.1.5

GALILEO ...102

5.3.1.6

Überblick Satellitensysteme...106

5.3.2

Terrestrische Ortung ...106

5.3.2.1

Long Range Navigation (Loran-C) ...106

5.3.2.2

Eurofix...109

5.3.3

Ortung in Zellularfunknetzen ...111

5.3.3.1

Netzwerk-basierende Ortungsverfahren ...112

5.3.3.1.1

Cell-ID Ortungsverfahren ...112

5.3.3.1.2

Timing Advance (TA)...117

5.3.3.1.3

Time of Arrival (TOA) ...118

5.3.3.1.4

Angle of Arrival (AOA) ...120

5.3.3.2

Mobiltelefon-basierende Ortungsverfahren...122

5.3.3.2.1

Enhanced Observed Time Difference (E-OTD)...122

5.3.3.2.2

Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) ...123

5.3.3.2.3

Assisted GPS (A-GPS)...125

5.3.3.2.4

Ortung durch Zellübergangsbereiche...127

5.4

Fernerkundung des Verkehrsablaufes...132

Inhaltsverzeichnis

5.5

Fazit ...135

Abschätzung von FCD-Ausstattungsraten...148

6.1

Problemstellung und Grundbegriffe ...148

6.2

Experteneinschätzungen ...149

6.3

Stichprobenumfang zur Merkmalserkennung des Verkehrsflusses...151

6.4

Störfallerkennung des Verkehrsflusses ...156

6.5

Fazit ...160

Fallstudie ...163

7.1

Szenarien zur Verkehrsdatengenerierung ...163

7.2

Stichprobenumfang bei Ortung aktiver GSM Gespräche ...168

7.3

Fazit ...170

Datenschutz...172

8.1

Ausgangslage ...172

8.2

Rechtliche Grundlagen ...172

8.3

Fazit ...174

Schlussfolgerungen und Ausblick ...175

9.1

Schlussfolgerungen ...175

9.2

Ausblick ...177

Literaturverzeichnis...180

Glossar...190

Abbildungsverzeichnis...197

Tabellenverzeichnis...201

Anhang...204

14.1

Spezifikation Einzelleistungsinformation...204

14.2

Level of Service (LoS) Konzept ...206

1 Einleitung

1 Einleitung

1.1 Überblick

Durch die ständig ansteigenden Motorisierungsgrade sowie wachsender Verkehrs-

leistungen kommt es zu einer erheblich gesteigerten Verkehrsnachfrage in Österreich.

Besonders durch die neuen EU-Beitrittsländer in Osteuropa, durch die Österreich ins

Zentrum Europas rückt, sowie durch die immer weiter fortschreitende Produktionsauftei-

lung in der Industrie wächst das Güterverkehrsaufkommen immer stärker an. Im Perso-

nenverkehrsaufkommen ist hier der gleiche Trend zu beobachten. Der Wunsch nach

Flexibilität der Berufstätigen seitens der Wirtschaft, die geringere Arbeitszeit bei steigen-

dem Wohlstand sowie die damit verbundene Zunahme an Freizeitaktivitäten führen zu

einem immer höheren Personenverkehrsaufkommen. Dies hat zur Folge, dass die

bestehenden Verkehrssysteme in Zukunft immer häufiger an ihre Leistungsgrenzen

stoßen werden.

Trendberechnungen im Jahr 2000 für die Verkehrsentwicklung des motorisierten Individu-

alverkehrs (Pkw und Motorrad) in Österreich ergeben eine Erhöhung der Verkehrsleistun-

gen [Personen-km/Jahr und Person] um 39% bis ins Jahr 2020. Bei den

Transportleistungen im Straßengüterverkehr [t-km/Jahr und Person] wird im gleichen

Zeitraum eine Steigerung von 40% prognostiziert [SAMMER (2002), S. 5]. Mobilitäts-

Szenarien für den Großraum Wien prognostizieren bis 2035 Wachstumsraten des

motorisierten Individualverkehrs (Pkw und Motorrad) bis zu 45% im Trendszenario. Der

Anteil des öffentlichen Verkehrs sinkt hingegen von 35% auf 29%. Die Summe der

zurückgelegten Pkw-Kilometer eines Werktages wird im Trendszenario um ca. 90%

wachsen. Im Maßnahmenszenario, das die Verkehrsentwicklung bis 2035 unter dem

Aspekt einer flächendeckenden Pkw Straßenmaut sowie der intensiven Attraktivierung

des öffentlichen Verkehrs betrachtet, wird immerhin noch ein Wachstum der zurückgeleg-

ten Pkw-Kilometer eines Werktages von 35% prognostiziert [SAMMER (2004), S. 39 ff].

Um ein leistungsfähiges Verkehrsnetz sicherzustellen, ist es auf Grund begrenzter

Ressourcen nicht möglich, allein den Neu- und Ausbau des Straßennetzes voranzutrei-

ben. So kann durch eine effiziente Verkehrssteuerung, vor allem aber auch durch

umfangreiche Verkehrsinformation vor und während einer Fahrt, die bestehende Ver-

kehrsinfrastruktur effizienter nutzbar gemacht werden. Dies kann beispielsweise durch ein

Verkehrsmanagementsystem erreicht werden, das Informationen des Verkehrszustandes

aufnimmt, verarbeitet und die Ergebnisse in Form von Empfehlungen oder Vorschriften an

die Verkehrsteilnehmer weitergibt. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Verkehrs-

flusses durch Verkehrsmanagementsysteme wird von Experten mit einer Bandbreite von

5-15% angegeben [vgl. ÖAMTC AKADEMIE (2000), S. 1; BMVBW (2002), S. 1 ff;

ASFINAG (2004), S. 2].

Die benötigten Verkehrsinformationen können durch Reisezeit und Reisegeschwindigkeit

bzw. aus daraus abgeleiteten Kenngrößen beschrieben werden. Beide Parameter stellen

die maßgebenden Größe zur Klassifizierung der aktuellen Verkehrssituation mittels eines

,,Level of Service" Konzeptes dar. Die Bestimmung der Reisezeit und der Reise-

geschwindigkeit ist daher für den Betrieb von kollektiven Verkehrsbeeinflussungsanlagen

als grundlegende Größe anzusehen. Die Verkehrsdaten, die für solche Systeme erforder-

lich sind, basieren nach dem heutigen Stand der Technik fast ausnahmslos auf quer-

schnittsbezogenen, lokalen Messwerten. Die hierfür verwendeten Auswerteverfahren, wie

etwa die dynamische Verkehrsbilanzierung, die korrelative Messtechnik oder die Betrach-

1 Einleitung

tung des Verkehrsstärke-Dichte Zusammenhanges [STEINAUER (2001)], die für Auto-

bahnen und Schnellstraßen gute Ergebnisse aufweisen, sind für untergeordnete Straßen-

netze sowie in Ballungsräumen zu aufwendig.

Neben der konventionellen, querschnittsbezogenen Verkehrsdatenerfassung gewinnt

daher die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung mittels Floating Car Data (FCD)

Technologie, bei der einzelne Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte

(Position, Zeit, Geschwindigkeit) verwendet werden um aus den Fahrmustern den

momentanen Verkehrszustand abzubilden, immer mehr an Bedeutung. Das Einzel-

fahrzeug des Nutzers individueller Verkehrsinformationen übernimmt im Idealfall gleich-

zeitig als ein ,,im Verkehr mit schwimmendes Beobachtungsobjekt" den Teil der

Datenbereitstellung, um daraus den momentanen Verkehrszustand abzubilden. Durch die

Möglichkeit dieser Systeme, Reisezeiten und Geschwindigkeiten streckenbezogen

berechen zu können, wird diese Technologie für konventionelle Verkehrsbeeinflussungs-

anlagen immer wichtiger.

Parallel zu kollektiven Verkehrsbeeinflussungsanlagen bekommt die individuelle Ver-

kehrsbeeinflussung und Verkehrsinformation durch private Diensteanbieter einen immer

höheren Stellenwert. Der einzelne Verkehrsteilnehmer hat mit Hilfe von Verkehrs-

telematiksystemen die Möglichkeit, sich Bestwegempfehlungen geben zu lassen. Die

beste Größe zur Beurteilung einer Verkehrslage aus der Sicht des Fahrzeuglenkers ist die

Angabe einer Reisezeit sowie die Minimierung von Zeitverlusten (individuelle Nutzen-

maximierung).

Die Reisezeit zwischen zwei Orten ist für den Benutzer leicht verständlich und internatio-

nal leicht kommunizierbar. Dies ist besonders im Hinblick auf die Schaffung eines europa-

weiten Verkehrsservices via Rundfunk durch das Radio Data System - Traffic Message

Channel (RDS-TMC) von besonderer Bedeutung. Im UKW-Rundfunk können neben den

Audio-Signalen zusätzlich in digitaler Form dynamische Verkehrsdaten übertragen

werden, die mit geeigneten Empfängern (z.B. Autoradios und Navigationsgeräte) deko-

diert und ausgewertet werden können.

Um Verkehrsinformationen flächendeckend generieren zu können, sind hohe Investitionen

in eine herkömmliche querschnittsbezogene Datenerfassungsinfrastruktur notwendig

(siehe Kapitel 7 Fallstudie, S.163 ff). Im privaten Bereich wird daher meist das Verfahren

zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung mittels Floating Car Data (FCD) Tech-

nologie favorisiert.

1.2 Problemstellung

Bislang war eine Abschätzung der Reisezeiten auf Autobahnen und Schnellstraßen nur

auf Basis querschnittsbezogener Messdaten möglich, die zumeist über Detektionsschlei-

fen oder anderen Sensoren erhoben wurden. Aus den Messwerten Geschwindigkeit und

Fahrzeuganzahl wurde über verschiedene Algorithmen die streckenbezogene Verkehrs-

kenngröße Reisezeit ermittelt. Eine mathematische Modellierung des Problems ist jedoch

mit Unschärfen behaftet, da aus den querschnittsbezogenen Messwerten nicht mit Sicher-

heit auf die Verkehrszustände im Streckenabschnitt geschlossen werden kann.

Konventionelle Erfassungsmethoden mit straßenseitigen Sensoren, die z.B. Dauerquer-

schnittsmessungen durchführen, sind in der Lage, Information mit hoher Genauigkeit über

das Verkehrsgeschehen am Querschnitt der Messstelle bereitzustellen. Sie erlauben aber

nur eine eingeschränkte Diagnose über den allgemeinen Verkehrszustand und der zu

erwartenden Reisezeiten auf Linien oder Netzen. Durch Modellbildung und Simulations-

rechnung kann die querschnittsbezogene Information auf Stecken ausgeweitet werden,

1 Einleitung

allerdings nimmt die Aussagequalität mit dem Abstand zur Messstelle ab. Daher muss

zum Erzielen eines bestimmten Qualitätsniveaus der Verkehrsinformation eine hohe

Anzahl an Zählstellen bestehen bzw. geschaffen werden. Diese infrastrukturellen

Voraussetzungen bedeuten jedoch einen beträchtlichen monetären Aufwand.

Ein grundlegend abweichender Ansatz wird durch die streckenbezogene Verkehrsdaten-

erfassung mittels Floating Car Data (FCD) Technologie ermöglicht, bei der einzelne

Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte (Position, Zeit, Geschwindig-

keit) verwendet werden, um aus den Fahrmustern den momentanen Verkehrszustand

abzubilden. So können durch die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung Reisezeiten

im Straßennetz und der daraus abgeleitete Verkehrszustand berechnet werden, ohne ein

dichtes und kostenintensives straßenseitiges Sensornetz (Induktionsschleifen, Infrarot-

Radarsensoren, etc.) aufbauen zu müssen.

Damit ist man in der Lage, ganze Netze abzubilden, wobei die Aussagequalität mit der

Anzahl der FCD Fahrzeuge, die sich im Verkehrsstrom bewegen und laufend Positions-

daten liefern, steigt. Die FCD Technologie liefert keine genauen querschnittsbezogenen

Informationen an bestimmten Querschnitten, sondern ein Indiz über den strecken-

bezogenen Verkehrszustand des Verkehrsnetzes, da die FCD-Flotte nur eine Stichprobe

des gesamten Verkehrsaufkommens darstellt. Solcherart ergänzen sich die beiden Daten-

erfassungsmethoden. Durch die Bereitstellung von Reisezeiten bzw. Reisezeitprognosen

im Straßenverkehr kann ein intermodaler Routenvergleich sowie eine intermodale

Routenplanung durchgeführt werden (z.B. über Bahn, Luft, Schiff).

Die FCD Technologie ist neben privatwirtschaftlich orientierten Verkehrsinformations-

diensten auch für konventionelle Verkehrsleitsysteme im öffentlichen Interesse geeignet.

Problematisch ist hier der Umgang mit dem Systemoptimum aus Sicht des Straßenerhal-

ters (Behörde) und des Nutzeroptimum aus Sicht des Fahrzeuglenkers. Fahrzeuggene-

rierte Verkehrsdaten werden im Optimalfall von den Nutzern individueller

Verkehrsinformationen freiwillig bereit gestellt, um wiederum neue Verkehrslage-

informationen berechen zu können. Werden diese Verkehrsdaten nicht zur Berechnung

seines individuellen Nutzeroptimums verwendet, kann die Bereitschaft eigene fahrzeug-

generierte Verkehrsdaten zur Verfügung zu stellen, drastisch sinken. Neben der Ver-

kehrssteuerung und der Verkehrsinformation ist die Reisezeit auch in der Verkehrs-

planung beispielsweise als Eingangs- oder Kalibrierfaktor für Verkehrs- sowie Emissions-

modelle sowie zur Staukostenberechnung ein wichtiger Kennwert. Auch für die laufende

Evaluation von umgesetzten Maßnahmen der Verkehrsplanung kann die Reisezeit als

Beurteilungskriterium herangezogen werden.

Derzeit wird das Prinzip der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung meist nur in

ihrer ,,analogen" Form durch sogenannte Staumelder (z.B. Ö3ver) verwendet, die in den

entsprechenden Verkehrsinformationszentralen der Radiosender anrufen und einen

,,mündlichen" Verkehrslagebericht durchgeben. Staus und Unfälle werden i.d.R. mehr

oder weniger zeitverzögert gemeldet. Die Meldung über das Ende eines Staus in einem

Straßenabschnitt ist allerdings oft mit erheblichen Verzögerungen behaftet. Der Grund

dafür liegt in der Eigenschaft des Staumelders, der naturgemäß nur anruft, wenn ein

Stauereignis eintritt. Die Information über die Stauauflösung kann meist nur durch aktive

Rückfragen (z.B. bei der Exekutive) in Erfahrung gebracht werden. Somit fehlen oder

verspäten sich die Informationen zur Verkündung über das Stauende.

Eine weitgehend flächendeckende streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung in

Österreich oder in anderen europäischen Ländern durch Einzelfahrzeuge ist derzeit

aufgrund mangelnder FCD Fahrzeuge (Stichprobenumfang) und geeigneter Datengrund-

lagen nicht vorhanden. Die FCD Technologie stellt die Grundlage für weitere Telematik-

1 Einleitung

dienste wie der dynamischen Routenplanung als auch der dynamischen Navigati-

on/Routenführung (z.B. via RDS-TMC) dar. Schätzungen für die Marktentwicklung von

Kfz-Navigationsgeräten mit RDS-TMC Funktion gehen von einem europaweiten Absatz

von 2,3 Mio. Stück für das Jahr 2005 bei weiter steigender Tendenz aus. Das entspricht

etwa einer Ausstattungsrate von ca. 14% bei europaweit 16 Mio. Neuzulassungen pro

Jahr. Bis Ende 2005 wird der Gesamtbestand an Navigationsgeräten auf insgesamt ca.

10 Mio. Stück ansteigen [NOWICKI (2002), S. 2 ff]. Durch die Ausstattung zukünftiger

Navigationsgeräte mit Festplatten oder Speicherkarten können in Verbindung mit Daten-

übertragungssystemen Kartendaten, historische Reisezeitganglinien oder Verkehrs-

informationen laufend aktualisiert werden. Gleichzeitig können die Navigationsgeräte

Floating Car Daten speichern und entweder an eine Datenzentrale übertragen oder direkt

zur Berechnung historischer Reisezeitganglinien für die dynamischen Routenplanung

verwenden.

1.3 Zielsetzung

Das Verfahren der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung durch FCD ist technisch

noch wenig entwickelt. Die berechneten Reisezeiten und daraus abgeleitete Verkehrs-

informationen sollen für privatwirtschaftliche Verkehrsinformations- und Telematikdienste

als Kennwert für die Verkehrsplanung und Verkehrsmodelle aber auch in konventionellen

Verkersleitsystemen zur Verkehrssteuerung anwendet werden können.

Ziel der Arbeit ist, die technischen sowie wirtschaftlichen Eigenschaften verschiedener

Methoden zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung anhand definierter Kriterien

zu untersuchen und zu bewerten. Im Zuge der Analyse wird getrennt auf die verschiede-

nen Ortungs- als auch Übertragungstechnologien eingegangen, da hier breite Variations-

möglichkeiten bestehen. Vor allem die verwendete Übertragungstechnologie und deren

Kosten stellen einen Schlüsselfaktor für die FCD Technologie dar. Neben der technischen

Machbarkeit werden auch die Kriterien Wirtschaftlichkeit und Technologieverfügbarkeit

untersucht. Synergien mit bereits bestehenden Systemen, mit denen prinzipiell Floating

Car Daten erzeugt werden können, deren eigentlicher Zweck aber verschiedene andere

Aufgaben erfüllt, werden ebenfalls untersucht und bewertet (Grenzkostenansatz). Die

Verkehrsdatengenerierung durch FCD erfordert einen Mindeststichprobenumfang (Anzahl

an Floating Cars), um gesicherte Aussagen über das Verkehrsgeschehen machen zu

können. Durch geringe Investitionen in benötigte Hard- und Software, durch Synergieef-

fekte mit anderen Anwendungen sowie durch Technologieverfügbarkeit soll die FCD

Ausstattungsrate

(Stichprobenumfang) in Zukunft erheblich gesteigert werden. Anhand

der Ergebnisse einer Nutzwertanalyse werden die aussichtsreichsten Technologien und

Verfahren zur möglichst schnellen und flächendeckenden streckenbezogenen Verkehrs-

datenerfassung analysiert und empfohlen.

Im Zuge der Arbeit werden auch exemplarische Szenario-Berechnungen über die

benötigten Ausstattungsraten der Floating Car Daten Flotten bei unterschiedlichen

Technologieeinsatz erarbeitet.

1.4 Vorgangsweise

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden in Kapitel 2 die theoretischen Grundlagen der

streckenbezogenen Verkehrsdatengenerierung erläutert. Im Besonderen wird auf die

Als Ausstattungsrate A

FCD

definiert sich das Verhältnis zwischen Anzahl an FCD Fahrzeugen q

FCD

(Stichprobenumfang) zur Grundgesamtheit der Kfz q, die einen bestimmten Streckenabschnitt je Zeiteinheit

passieren, angegeben in Prozent (siehe Gleichung 6.1-1, Seite 148).

1 Einleitung

Definition der Straßenverkehrsinformation, der stationären (querschnittsbezogen) sowie

der fahrzeugbasierten (streckenbezogenen) Verkehrsdatenerfassung als auch auf die

Verkehrskenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen eingegangen.

In Kapitel 3 wird eine internationale Analyse in Bezug auf die Floating Car Data Technolo-

gie und deren Anwendungen mit Schwerpunkt Europa, Japan und USA durchgeführt.

Nachfolgend wird auf die Erfahrungen bereits durchgeführter Feldversuche oder Projekte

näher eingegangen.

Kapitel 4 widmet sich der Beurteilung von verschiedenen Technologien zur FCD Daten-

übertragung anhand definierter Kriterien und anschließender Nutzwertanalyse. Im

Besonderen wird auf die GSM Mobilfunktechnologie eingegangen, da sie eine der

wichtigsten Schlüsseltechnologie zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung

darstellt. Weiters werden erforderliche Datenparameter, Protokolle und Standards sowie

verschiedene FCD Übertragungsmodelle (Online, offline, Polling, etc.) behandelt.

Mögliche Methoden zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung, gegliedert nach

Systemen mit Baken-Kommunikation bzw. Mobilfunk-Kommunikation werden in Kapitel 5

erörtert. Es erfolgt eine Beurteilung der unterschiedlichen Methoden und Technologien mit

anschließender Nutzwertanalyse. Hauptaugenmerk der Technologieanalyse liegt im

Bereich der Mautsysteme, der automatischen Fahrzeug- und Kennzeichenerkennung, in

der Satellitennavigation sowie der Positionsbestimmung bzw. Verkehrsanalyse durch

Zellularfunk (Mobilfunk).

In Kapitel 6 werden Untersuchungen zur benötigten FCD Ausstattungsrate durchgeführt.

Im Detail werden Ansätze für die Dimensionierung der Ausstattungsrate zur Merkmals-

erkennung als auch zur Störfallerkennung beschrieben und Abschätzungen über erforder-

liche FCD Stichprobenumfänge durchgeführt.

In Kapitel 7 ist ein Kostenvergleich für unterschiedliche Methoden der Verkehrsdaten-

erfassung auf den österreichischen Hauptstraßen (10.000 km) sowie auf den Auto-

bahnen- und Schnellstraßen (2.000 km) angeführt (Fallstudie).

Ausgewählte juristische Aspekte hinsichtlich Datenschutz und der FCD Nutzung werden

in Kapitel 8 behandelt. Es wird auf die europäischen und österreichischen juristischen

Grundlagen und deren Interpretation eingegangen.

Die Schlussfolgerungen dieser Arbeit werden in Kapitel 9 zusammengefasst. Im Abschnitt

Ausblick werden Empfehlungen für den weiteren Forschungsbedarf hinsichtlich der FCD

Technologie behandelt.

2 Grundlagen

2 Grundlagen

2.1 Straßenverkehrsinformationen

Als Verkehrsinformationen werden aktuelle Nachrichten für Verkehrsteilnehmer über die

verkehrlichen Gegebenheiten verstanden. Sie können gemäß ihres zeitlichen Einsatzes

vor Fahrtantritt als ,,pre-trip information" und während der Fahrt als "on-trip driver informa-

tion" differenziert werden. Die Teilmenge der Verkehrsinformationen für den motorisierten

Individualverkehr (MIV) stellen Straßenverkehrsinformationen dar, die in folgende drei

Informationsebenen gegliedert werden können:

(1) Verkehrszustand

(2) Routeninformation

(3) Gefahrenwarnung

Als Straßenverkehrsinformationen werden bisher vorwiegend Informationen über den

Verkehrszustand (z.B. ,,Stau auf folgenden Strecken ...") und ereignisorientierte strecken-

bezogene Informationen (z.B. ,,A2, zwischen A und B Hindernis auf der Fahrbahn") via

kollektiver Medien (Verkehrswarndienst im Rundfunk, RDS-TMC) angeboten. In Öster-

reich kann die Verkehrsinformation seit Herbst 2002 ebenfalls wie in der BRD, Schweiz,

Frankreich und Italien über RDS-TMC empfangen werden.

Statusorientierte Streckeninformationen (wie z.B. Reisezeitbedarf auf einer Strecke) oder

Gefahrenwarnungen mit entsprechend genauem Ortsbezug sind aufgrund unzureichender

Detektionseinrichtungen im Straßenverkehr entweder nicht oder nur bei besonders

schwerem Ausmaß Gegenstand des Verkehrsinformationsangebots.

2.2 Querschnittsbezogene Verkehrsdatenerfassung

In der Verkehrsdatenerfassung werden fast ausschließlich stationäre querschnitts-

bezogene Datenerfassungssysteme eingesetzt. Die verwendeten Technologien sind

Induktionsschleifen, Mikrowellen-, Infrarot-, Laser- und Magnetfeldsensoren, wobei die

erstgenannte am häufigsten verwendet wird.

Deutschland

In der Bundesrepublik Deutschland wurden z.B. in den 90er Jahren auf den 12.000 km

Bundesautobahnen ca. 4000 Mikrowellendetektoren von der DDG Gesellschaft für

Verkehrsdaten mbH zur online Verkehrsdatenerhebung installiert (siehe Abbildung 2.2-1).

Die Sensoren wurden meist an den Autobahnbrücken installiert und messen den Ver-

kehrsfluss des linkesten Fahrstreifens. Die gemessenen Daten werden nach bestimmten

Ereigniserkennungsprozeduren per Mobilfunk (SMS) in die Verkehrsinformationszentrale

übertragen.

Neben diesen privatwirtschaftlichen Initiativen wird in Deutschland Verkehrsdaten-

erfassung durch die öffentliche Hand betrieben. Besonders die Verkehrsbeeinflussungs-

2 Grundlagen

anlagen auf deutschen Autobahnen verfügen über eine gute Infrastruktur von Daten-

erfassungseinrichtungen

, die durch eine dichte Anordnung von Messqerschnitten

gekennzeichnet ist, um die Verkehrssituation für die Steuerung ausreichend sicher und

schnell zu detektieren. Außerhalb dieser Bereiche engmaschiger Infrastruktur existieren

auf deutschen Autobahnen Dauerzählstellen, deren Abstände ca. 10 Kilometer oder mehr

betragen. Auf dem nachgeordneten Straßennetz (Bundes- und Landstraßen) ist die

Verkehrsdatenerfassung auf wenige Strecken und Messquerschnitte mit relativ weiten

Abständen beschränkt. In städtischen Netzen konzentriert sich die Datenerfassung auf

Straßen mit überregionaler Funktion und Lichtsignalanlagen.

Abbildung 2.2-1: Verkehrserfassungssensoren der DDG Gesellschaft für Verkehrsdaten

mbH [DDG (2004)]

In der Regel werden an den Messquerschnitten über eine Minute aggregierte Daten des

Verkehrsablaufs erfasst. Es sind dies die Verkehrsstärke, getrennt für Pkw und Lkw,

sowie deren mittlere Geschwindigkeiten. Der Verkehrszustand zwischen den Messquer-

schnitten kann nicht direkt erfasst werden, sodass streckenbezogene Kenngrößen - wie

z.B. die Verkehrsdichte oder eine mittlere Reisegeschwindigkeit des Verkehrsstroms -

über Verkehrsmodelle rechnerisch mit gewissen Unschärfen ermittelt werden müssen.

Verkehrsstörungen, die sich zwischen den Erfassungsquerschnitten ereignen und

verkehrstechnisch durch Störfallalgorithmen erkannt werden, können im entsprechenden

Abschnitt nicht genau lokalisiert werden. Der Grund dafür liegt in der Verwendung von

Störfallalgorithmen die auf einer Einfahrts- und Ausfahrtsbilanz von Fahrzeugen im

entsprechenden Abschnitt basieren. In der Regel kann daher nicht auf den Ort des

Störfalles innerhalb des untersuchten Abschnittes geschlossen werden [HUBER (2001),

S. 3 ff].

Österreich

Verglichen mit dem Ausstattungsgrad von stationären Verkehrsdatenerfassungssystemen

in Deutschland aber auch anderen europäischen Ländern wie Frankreich, Spanien und

Italien ist Österreich als ,,Entwicklungsland" einzustufen. Hierzulande gibt es etwa 250

Dauermessstellen, die von der öffentlichen Hand betrieben werden. Davon werden bei

einem Großteil der Messstellen die Daten auf Stundenwerte aggregiert und vor Ort

gespeichert. Aggregierungsintervalle im Minutenbereich (1, 5, 10 oder 15 Minuten), wie

sie in der Regel für Verkehrsleit- und Informationszentralen nötig sind, können mit der

vorhandenen Ausstattung meist nicht erzeugt werden. Neben dieser Problematik besteht

das gravierende Defizit, dass die Daten in den meisten Fällen nicht online (z.B. 1 Minuten

Intervall) übertragen werden können. Im gesamten Stadtgebiet von Wien sind nur 12

Messstellen online abzufragen (Stand Mai 2004). Speziell in den Städten sind Kontroll-

Meist Induktionsschleifen oder Mikrowellendetektoren mit Abständen von ca. 1-3 km.

2 Grundlagen

schleifen für die Ampelsteuerungen vorhanden, die in der Regel aber keine ,,online"

Anbindung zur Datenübertragung und Auswertung besitzen.

Durch das von der ASFINAG betriebene Projekt VMIS (Verkehrsmanagement- und

Informationssystem, siehe Abbildung 2.2-2) wird zukünftig die Grundlagen für ein

Verkehrsinformationsnetz auf den Autobahnen und Schnellstraßen in Österreich geschaf-

fen. In der geplanten Endausbaustufe werden ca. 1000 Messquerschnitte realisiert die

minütlich sowie stündlich Messdaten mit 5+1 Fahrzeugarten, jeweils fahrstreifengetrennt,

ausgeben.

Abbildung 2.2-2: Zeitplan Verkehrsbeeinflussungsanlage auf dem österreichischen

Autobahn- und Schnellstraßennetz [ASFINAG (2003a), S. 3]

Neben der oben beschriebenen Verkehrsdatenerfassung für das VMIS-Projekt wird es

eine ergänzende Verkehrsdatenerfassung geben: Im Rahmen der Errichtung des Lkw

Maut-Systems werden (fahrtrichtungsgetrennt gezählt) ca. weitere 100 Messstellen zur

Verkehrsdatenerfassung eingerichtet (Mautkontrollportale). Diese liefern ebenfalls

minütlich sowie stündlich Messdaten. Die vorhandenen Dauerzählstellen sollen mittelfris-

tig umgerüstet und an das Fernmeldenetz der ASFINAG angeschlossen werden, sodass

die Daten dieser Zählstellen in Zukunft ebenfalls in Echtzeit zur Verfügung stehen werden.

Darüber hinaus ist die stufenweise Einrichtung zusätzlicher querschnittsbezogener

Verkehrszählstellen bis 2004 im Projekt ,,Flächendeckende Verkehrserfassung" (FVE der

ASFINAG) geplant, die ebenfalls in das Verkehrsmanagement- und Informationssystem

der ASFINAG einbezogen werden.

Parallel zur Verkehrsdatenerfassung durch die öffentliche Hand versuchen auch private

Unternehmen mit stationären Sensoren Verkehrsdaten zu erfassen. Als Beispiel sei hier

die Firma TRAFFIC.AT angeführt, die im Stadtgebiet von Wien bereits ca. 100 Infrarot-

Sensoren an neuralgischen Punkten zur Verkehrslagebestimmung im Straßenraum

installiert hat. Auch die Firma EBE Elektronik GmbH installiert laufend im Großraum Wien

Laser-Sensoren zur Verkehrsdatenerfassung, dessen Daten in Echtzeit über Internet oder

einer Datenbankanbindung abgefragt werden können.

2 Grundlagen

Mit der Entwicklung von Verkehrsinformationssystemen, die das gesamte höherrangige

Straßenverkehrsnetz (Autobahnen, Schnellstraßen, Hauptstraßen) umfassen, stößt die

klassische, auf querschnittsbezogene Messeinrichtungen basierende Verkehrsdaten-

erfassung aber an ihre Grenzen. Eine für diesen Fall erforderliche engmaschige Ausstat-

tung des gesamten Straßennetzes mit querschnittsbezogenen Messeinrichtungen wäre

angesichts neuer Datenerfassungsmethoden auf Basis fahrzeuggenerierter Verkehrsda-

ten (FCD) wirtschaftlich nicht vertretbar (siehe Abschnitt 7 Fallstudie, S. 163 ff).

Die Verwendung von querschnittsbezogenen Messdaten eignet sich nur bedingt zur

Reisezeit- und Verkehrslageberechnung auf Straßen mit geregelten Kreuzungen (städti-

sches Gebiet), da durch die Lichtsignalregelung große Unstetigkeiten im Verkehrsfluss als

auch im Geschwindigkeitsverlauf verursacht werden. Reisezeiten im stockenden oder

gestauten Verkehr können am besten durch Floating Cars bestimmt werden. Für die

fahrzeuggenerierte Verkehrsdatenerfassung ergeben sich somit hohe Potentiale sowohl in

monetärer als auch in technischer Hinsicht. Angesichts der Kosten (siehe Abbildung

2.2-3), die für die Errichtung von Verkehrsbeeinflussungsanlagen und der dazu notwendi-

gen Infrastruktur benötigt werden, erscheint zumindest eine Kombination streckenbezo-

gener und querschnittsbezogener Datenerhebung aus wirtschaftlicher Sicht erforderlich.

Abbildung 2.2-3: Voraussichtliche Kosten für die geplanten Verkehrsbeeinflussungsan-

lagen im ASFINAG Straßennetz [ASFINAG (2003a), S. 3]

2.3 Streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung

Für die an der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung beteiligten Kfz etablierten

sich in der Vergangenheit die englischsprachigen Begriffe ,,Floating Cars", ,,Floating

Vehicles", ,,Moving Observers" oder ,,Probes", die als Beobachtungsobjekt im Verkehrs-

fluss ,,mitschwimmen" und die Bewegung des Fahrzeugs erfassen bzw. zum Teil auch

interpretieren (siehe Abbildung 2.3-1). Da sich der Begriff ,,Floating Car Data" weitgehend

auch in der deutschsprachigen Literatur etabliert hat, wird dieser Begriff auch in dieser

Arbeit verwendet.

2 Grundlagen

Gegenüber querschnittsbezogenen Messdaten können durch die Erfassung strecken-

bezogener Verkehrsdaten durch Floating Cars direkt Messdaten des Verkehrsflusses

bzw. streckenbezogene Verkehrskenngrößen ermittelt werden. Der Bestimmung der

Reisezeit für einen durchfahrenen Streckenabschnitt kommt eine Schlüsselposition zu.

Die Reisezeit stellt die Grundlage für alle weiteren Verkehrsinformationen wie Stau-

erkennung, Routenempfehlungen, etc. dar.

Abbildung 2.3-1: Prinzip der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung (Floating Car

Data)

Die bisherigen FCD Systemansätze erwiesen sich als technisch und wirtschaftlich nicht

tragfähig. Erst mit der Entwicklung und Implementierung von flächendeckenden Mobil-

funknetzen zur Datenübertragung bez. auch zur Datengenerierung (siehe Abschnitt 4.2

Übertragungstechnologien, S. 33 ff bzw. Abschnitt 5.3.3 Ortung in Zellularfunknetzen, S.

111 ff) und durch satellitengestützte Fahrzeugortungssysteme (siehe Abschnitt 5.3.1

Satellitennavigation, S. 87 ff) wurden leistungsfähige Technologien zur strecken-

bezogenen Verkehrsdatenerfassung geschaffen. Durch die Fortschritte in der Mikroelek-

tronik, wodurch immer kleinere Telematik- und Kommunikationsmodule bei gleichzeitiger

massiver Preisreduktion erzeugt werden können, als auch durch länderübergreifende

Kommunikationsnetzwerke (z.B. GSM) mit günstigen Datentarifen, haben sich attraktive

Marktverhältnisse für die fahrzeuggenerierte Verkehrsdatenerfassung entwickelt.

2.4 Einzelfahrzeug im Verkehrsablauf

Als Verkehrsablauf werden alle Erscheinungen bezeichnet, die im raumzeitlichen Verlauf

der Ortsveränderungen der Verkehrsteilnehmer auftreten. Im Straßennetz ist der Ver-

kehrsablauf durch den Bewegungsablauf von Einzelfahrzeugen und deren Interaktionen

2 Grundlagen

charakterisiert. Parameter zur Beschreibung der Fahrzeugbewegung sind Aufenthaltsort

und Zeitpunkt sowie deren zeitliche und räumliche Veränderungen [SCHNABEL & LOHSE

(1997), S. 41 ff].

Als verkehrstechnisch bedeutsame Kenngrößen des Verkehrsablaufs sowie daraus

berechneten statistische Maße (Streuung, Mittelwerte etc.) können folgende angeführt

werden:

(1) Verkehrsstärke [Kfz/h]

(2) Auslastungsgrad [%] bzw. der Belastungsquotient [-]

(3) Verkehrsdichte [Kfz/km] bzw. der Belegungsgrad [%]

(4) Fahrzeuggeschwindigkeiten [km/h]

(5) Fahrzeugmischung (z.B. Lkw-Anteile) [-]

(6) Fahrzeugabstand (Raum- [m] und Zeitlücken [sek])

(7) Fahrstreifenbelegung [-]

(8) Reisezeiten [min]

(9) Wartezeiten [min] und Anzahl der Halte [-]

(10) Staulängen [m]

Auf der Ebene der streckenbezogenen Verkehrsdaten können die meisten der Kenn-

größen des Verkehrsablaufs nicht oder nicht eindeutig erhoben werden. Die erfassten

Messwerte sind nur Stichproben des Kollektivs, von denen nicht automatisch an-

genommen werden kann, dass sie repräsentativ für das Kollektiv sind. Streckenbezogene

Verkehrsflussdaten beinhalten dagegen Informationen des Einzelelements ,,Fahrzeug"

(z.B. Geschwindigkeitsverlauf, Zeitbedarf für die Durchfahrung eines Streckenabschnitts),

welche durch Querschnittsmessungen in klassischen Anwendungen nicht erfasst werden

können.

Im Prinzip besteht bei der querschnittsbezogenen Verkehrsdatenerfassung eine punktuel-

le und vollständige Information (Kfz/h, Geschwindigkeit km/h) und bei der streckenbezo-

genen Verkehrsdatenerfassung eine flächendeckende aber unvollständige

Einzelinformation (Stichprobenumfang). Erst wenn 100% aller Fahrzeuge durch ein

System zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung erfasst werden, entstehen

wieder exakte Daten.

Die Potenziale der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung liegen in der mikros-

kopischen, räumlich-zeitlichen Beschreibung des Fahrtablaufs einzelner Fahrzeuge.

Dementsprechend beinhalten streckenbezogene Verkehrsdaten alle Einflüsse, die auf

den Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs wirken. Neben äußeren Einflüssen sind die Einflüsse

des Fahrzeugs selbst sowie die des Fahrers zu nennen. Eine Beschreibung verkehrs-

technisch relevanter Kenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen erfordert daher entwe-

der statistische Verfahren zur Interpretation der Messergebnisse oder kontrollierte

Fahrtbedingungen, die eine Interpretation des Fahrtablaufs retrospektiv erleichtern

[HUBER (2001), S. 8]. Im Folgenden wird auf diese Rahmenbedingungen näher einge-

gangen.

2 Grundlagen

2.4.1 Fahrtablauf des Einzelfahrzeuges unter kontrollierten Bedingungen

Zur Untersuchung der Qualität des Verkehrsablaufs wurde bereits in den 50er Jahren in

den USA die sog. Testfahrzeugtechnik (engl.: Moving Observer Method) entwickelt, bei

der Verkehrskenngrößen mittels fahrender Fahrzeuge erfasst werden. Als Bewertungs-

größe des Verkehrsablaufs auf einer Strecke wird im Allgemeinen die mittlere Geschwin-

digkeit bzw. die mittlere Reisezeit erfasst. Auch in Österreich wurde bereits in den 70er

Jahren die Testfahrzeugtechnik zur Kalibrierung von Netzgraphen für Verkehrsmodellent-

wicklungen angewendet.

Die Testfahrzeugtechnik stellt eine Untersuchungsmethode auf Basis kontrollierter

Versuchsfahrten dar, indem bestimmte Verhaltenskriterien während der Fahrt im Sinne

der späteren Versuchsauswertung konstant gehalten werden. BOX (1976) unterscheidet

drei Fahrtechniken, die eine repräsentative Aussage über die Qualität des Verkehrs-

ablaufs liefern sollen:

(1) Floating Car-Technik (Kfz-Durchschnitt-Technik), bei der das Fahrzeug im

Verkehrsstrom mitfließt und das mittlere Verhalten des Verkehrsstroms da-

durch abzubilden versucht, indem es ebenso viele Fahrzeuge überholt wie

das Testfahrzeug überholten.

(2) Average Car-Technik (Kfz-Mittelwert-Technik), bei der die Geschwindigkeit

des Testfahrzeugs nach Einschätzung der mittleren Geschwindigkeit des

Verkehrsstroms durch den Fahrer angepasst wird.

(3) Maximum Car-Technik (Kfz-Maximum-Technik), bei der das Testfahrzeug

den Messabschnitt mit der höchst möglichen Geschwindigkeit durchfährt.

Ergänzend ist eine von BAKKER (1985) in den Niederlanden angewandte Methode zu

nennen, die auf Fahrzeugverfolgungen basiert:

(4) Car-following Technik (Kfz-Folge-Technik), bei der das Testfahrzeug genau

das Geschwindigkeitsverhalten eines von ihm verfolgten Fahrzeugs reprä-

sentiert.

Im realen Verkehrsgeschehen sind derart kontrollierbare Versuchsbedingungen jedoch

nicht gegeben. Die Fahrt ist von persönlichen Motivationen des Fahrers geprägt und von

zufälligen äußeren Einflüssen abhängig, auf die der Fahrer - als Regler des Systems

Fahrer-Fahrzeug-Umwelt - ständig reagiert.

2.4.2 Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs als stochastischer Prozess

Die räumliche und zeitliche Bewegung des einzelnen Fahrzeugs kann jeweils als Funktion

betrachtet werden. Dieser an sich determinierbare Bewegungsablauf wird durch die

auftretenden Schwankungen der Geschwindigkeit und der Beschleunigung zu einem sto-

chastischen Prozess. Die Betrachtung des Fahrtablaufs und seiner korrespondierenden

Messgröße ,,Fahrzeuggeschwindigkeit" über die Zeit liefert die Geschwindigkeits-

ganglinie. Eine Betrachtung über den Ort ergibt das Geschwindigkeitsprofil.

2 Grundlagen

2.5 Verkehrskenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen

2.5.1 Mittlere Reisezeit und mittlere Reisegeschwindigkeit

Die Berechnung der mittleren Reisezeit

und der mittleren Reisegeschwindigkeit

so-

wie deren jeweilige Streuungsmaße werden auf Basis mehrer unabhängiger Einzel-

messungen für einen Streckenabschnitt

durchgeführt. Ist

die Anzahl der Messfahrten,

die auf einem Abschnitt

während der einzelnen Fahrten

gemessenen Reisezeiten

[min] und

die Länge [km] des betrachteten Abschnitts, errechnen sich die mittlere

Reisezeit und die mittlere Reisegeschwindigkeit für den Abschnitt

mit Ihren Streuungs-

maßen wie folgt [BOX (1976)]:

Gleichung 2.5-1

mittlere Reisezeit [min]

auf einem Abschnitt j während einzelner Fahrten gemessene Reisezeiten [min]

Anzahl der Messfahrten [-]

)

(

Gleichung 2.5-2

Standardabweichung der mittleren Reisezeit [min]

auf einem Abschnitt j während einzelner Fahrten gemessene Reisezeiten [min]

mittlere Reisezeit [min]

Anzahl der Messfahrten [-]

Gleichung 2.5-3

mittlere Reisegeschwindigkeit [km/h]

Anzahl der Messfahrten [-]

Länge des betrachteten Streckenabschnitts [km]

auf einem Abschnitt j während einzelner Fahrten gemessene Reisezeiten [min]

2 Grundlagen

Gleichung 2.5-4

Spannweite der mittleren Reisegeschwindigkeit [km/h]

Differenzen der ermittelten Reisegeschwindigkeiten der ersten und der zweiten

Fahrt, der zweiten und der dritten, usw. [km/h]

Anzahl der Messfahrten [-]

2.5.2 Beschleunigungskennwert

Die Veränderung der Fahrzeuggeschwindigkeit geschieht durch Beschleunigung bzw.

Verzögerung. Häufige und starke Veränderungen der Geschwindigkeit deuten auf einen

unruhigen Fahrtablauf hin. Es kann daher abgeleitet werden, dass sich das Fahrzeug im

Stop-and-Go-Verkehr befindet. Hier muss differenziert werden, ob sich das Kfz auf der

Autobahn oder im städtischen Verkehr befindet.

25.8.2003

Taxifahrt 8222

100

120

140

Weg [km]

igk

t [

]

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

eschleu

ung

[m/

]

Ankunft

Flughafen

Wien

A4 Flughafenautobahn

Wien

Abbildung 2.5-1: Geschwindigkeitsverlauf (durchgezogene Linie) und Beschleunigung

(gestrichelte Linie) eines FCD Fahrzeuges im städtischen Verkehr sowie auf der Auto-

bahn.

In Abbildung 2.5-1 ist ersichtlich, dass im städtischen Verkehr (bis ca. km 25) die Be-

schleunigung sehr stark variiert. Erst ab der Auffahrt zur A4 Flughafenautobahn (ca. km

30) wird die Varianz der Beschleunigung geringer. Das empirische Auftreten der Be-

schleunigungswerte folgt der Normalverteilung. Der Beschleunigungskennwert ist als

dessen Streuung definiert und wird mit der Standardabweichung der Verteilungsfunktion

numerisch beschrieben. Der Beschleunigungskennwert

wird nach der Durchfahrung

2 Grundlagen

eines Streckenabschnitts durch ein Einzelfahrzeug folgendermaßen errechnet

[HOFFMAN (1988), zit. nach HELLY & BAKER (1967)]:

)]

)

(

[

Gleichung 2.5-5

Beschleunigungskennwert [m/s

]

mittlere Beschleunigung [m/s

]

)

Beschleunigung zum Zeitpunkt

[m/s]

Reisezeiten für den betrachteten Streckenabschnitt [min]

Zur Gewinnung eindeutigerer Aussagen über die Qualität des Verkehrsablaufs - im

besonderem auf städtischen Straßen - wird in der Literatur [HOFFMAN (1988), zit. nach

HELLY & BAKER (1967)] die Ermittlung des normierten Beschleunigungskennwertes G

(mean velocity gradient) als Quotient des Beschleunigungskennwertes

und der

Reisegeschwindigkeit

, empfohlen. Mit ihr lassen sich instabile Verkehrsflüsse von

stabilen abgrenzen. Der Grund liegt darin, dass der Beschleunigungskennwert mit

zunehmender Verkehrsbelastung eher wieder abnimmt, da bei zähem Verkehrsfluss

kaum noch größere Beschleunigungen und Verzögerungen beim Einzelfahrzeug auftreten

können.

= 6

Gleichung 2.5-6

normierter Beschleunigungskennwert [s

-1

]

Beschleunigungskennwert [m/s

]

Reisegeschwindigkeit des betrachteten Streckenabschnitts [km/h]

Der Zusammenhang zwischen der Reisegeschwindigkeit und dem normierten Beschleu-

nigungskennwert G ist in Abbildung 2.5-2 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Normie-

rung dazu führt, Ausschläge des Beschleunigungskennwertes im höheren Bereich der

Reisegeschwindigkeit abzufangen.

2 Grundlagen

Abbildung 2.5-2: Zusammenhang zwischen normierten Beschleunigungskennwert und

Reisegeschwindigkeit nach Messfahrten im LISB-Feldversuch [HOFMAN (1988), vom

Autor bearbeitet]

2.5.3 Haltezeiten

Eine weitere Kenngröße des Verkehrsablaufs stellt die Haltezeit H

eines Fahrzeugs im

Verkehrsnetz - z.B. vor Lichtsignalanlagen oder im Stop-and-Go-Verkehr - dar. Im Regel-

fall ist die Haltezeit auf einem Streckenabschnitt die Summe der Stillstandszeiten (v = 0).

Sie kann jedoch auch als Summe der Zeitintervalle definiert sein, in denen sich das

Fahrzeug mit einer geringeren Geschwindigkeit als einer definierten Grenzgeschwindig-

keit fortbewegt.

Für innerstädtische FCD-Fahrten schlägt HOFFMAN (1988) einen Wert von v 5 km/h

zur Haltezeitdefinition vor. Auf Autobahnen ist dieser Parameter höher zu wählen. Die

Referenzimplementation des RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for integrated Traffic

Management)-Feldversuchs ging hierbei von 30 km/h aus. Prinzipiell korrespondieren

diese Annahmen aber mit der subjektiven Frage ,,Wie definiert sich Stau"?

Aus der Anzahl und Dauer der Schwellenwertunterschreitungen lässt sich der instabile

Verkehrszustand klassifizieren. Bei Stop-and-Go-Verkehr ist aufgrund des oszillierenden

Geschwindigkeitsniveaus mit einer hohen Anzahl an Haltezeiten bei relativ kurzer Zeit zu

rechnen, während bei einer ausgeprägten Verkehrsstauung infolge eines Unfalls der

Haltezeitenschwellenwert (z.B. 10 km/h) für längere Zeiträume unterschritten wird.

2.5.4 (Reise-) Zeitverluste

Die Zeitverluste können als Maß für die Bewegungsgüte eines Fahrzeugs im Verkehrsab-

lauf herangezogen werden. Der Zeitverlust errechnet sich aus der Differenz zwischen

dem Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug einen bestimmten Querschnitt erreicht hätte, wenn

es nicht aufgehalten worden wäre, und dem Zeitpunkt des Erreichens desselben Quer-

schnitts infolge einer Verzögerung [HUBER (2001), S. 12].

2 Grundlagen

Der Reisezeitverlust T

definiert sich durch das Verhältnis der Streckenabschnittslänge L

durch die Reisegeschwindigkeit v

R,j

minus der Streckenabschnittslänge L

durch die freie

Reisegeschwindigkeit v

)

(

Gleichung 2.5-7

Länge des betrachteten Streckenabschnitts [km]

Reisegeschwindigkeit im betrachteten Streckenabschnitt [km/h]

freie Reisegeschwindigkeit [km/h]

Die freie Reisegeschwindigkeit v

für die Untersuchungsstrecke muss abgeschätzt werden

und liegt meist in der Nähe der Richt- oder zulässigen Höchstgeschwindigkeit. Im Projekt

FLEET [LINAUER (2004a), S. 60 ff] wurden verschiedene Auswertungen durchgeführt,

wobei die v

(das 85. Perzentil aller in einem Straßenabschnitt auftretenden Geschwin-

digkeiten) gute Ergebnisse für die Schätzung der freien Reisegeschwindigkeit ergab. Je

nach Annahme der freien Reisegeschwindigkeit ergibt sich die relative Beurteilung der

vorhandenen Verkehrsbedingungen:

Tabelle 2.5-1: Beurteilung der Verkehrsbedingungen durch Reisezeitverlust

Reisezeitverlust

Bewertung

< 0

Die Verkehrsbedingungen sind

besser als angenommen

> 0

Die Verkehrsbedingungen sind

schlechter als angenommen.

3 Internationale Analyse

3 Internationale Analyse

Europa, die USA und Japan sind die Regionen mit dem größten Wachtumspotential für

Telematikanwendungen. Die typischen Telematikdienste und Anforderungen sind in

diesen Regionen allerdings verschieden. In den USA sind die führenden Telematikan-

wendungen Sicherheits- und Notfalldienste. In Europa wird dagegen der Schwerpunkt auf

Verkehrsleit- und mobile Verkehrinformationsportale sowie auf Reisezeitberechnung im

grenzüberschreitenden Anwendungsbereich gelegt. In Japan liegen die höchsten Anfor-

derungen durch die hohe Dichte an Fahrzeugen und der schwierigen Navigations-

bedingungen im Bereich der Navigationssysteme. Entsprechend dieser regionalen Markt-

entwicklungen gibt es einen unterschiedlich starken Focus und verschiedene Zugänge zur

Floating Car Daten Technologie.

Tabelle 2.5-1: Kfz-Dichte in USA, Europa und Japan [JULIUSSEN (2002), S. 3]

Land / Region

Kfz/km

USA

Europa

Japan

193

3.1 Europa

In Europa liegt der Schwerpunkt auf individuellen Verkehrsleit- und Informationssystemen

auf Basis der Reisezeitinformation. Die Technologien zur Generierung der Reisezeit sind

Bakentechnologien, GPS/GSM Ortungskombinationen oder die Reisezeit- bzw. Verkehrs-

datengenerierung durch Zellortung in Mobilfunknetzwerken. Im Folgenden werden

wesentliche Ergebnisse zur Gewinnung von Verkehrsinformationen aus fahrzeug-

generierten Verkehrsdaten analysiert. Folgende Feldversuche sind in Deutschland als

bedeutsam zu nennen sowie zusammenfassend in Tabelle 3.1-1 beschrieben HUBER

(2001), S. 23]:

LISB (Leit- und Informationssystem Berlin) / DVB (Dynamisches Verkehrsleitsystem

Berlin): Feldversuche mit dem bakengestützten Zielführungssystem ALI-SCOUT bzw.

dessen modifiziertem Nachfolger EURO-SCOUT zur Untersuchung der technischen

Machbarkeit bzw. der Qualität der mobil erfassten Daten für die Verkehrsanalyse.

RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for Integrated Traffic Management): Feldversuch des

SOCRATES Leit- und Informationssystems. Versuche zur Integration von mobilfunk-

gestützten fahrzeuggenerierten Verkehrsdaten in das Verkehrsmanagement.

STORM (Stuttgart Transport Operation by Regional Management): Aufbau und Betrieb

eines mobilfunkgestützten automatischen Notrufsystems, das als ein Sonderfall der

fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung betrachtet werden kann. Untersuchung der

Realisierbarkeit und des sozioökonomischen Nutzen eines automatischen Notrufs.

VERDI (Vehicle Related Dynamic Information): Feldversuch zur Vorbereitung der

Markteinführung mobilfunkgestützter Telematikdienste sowie Erprobung neuer Verfahren

zur FCD-Erfassung.

LoCoMoTiV (Localisation and Communication in MoTiV): Feldversuch zur Nutzung des

FCD-Verfahrens des GATS.

3 Internationale Analyse

Die bisherigen Feldversuche in der BRD basieren auf Bakensystemen oder auf der

Datenerfassung durch GPS/GSM Kombination. Das Deutsche Luft- und Raumfahrts-

zentrum (DLR) versucht in deutschen Städten (Berlin, München, Stuttgart, Frankfurt, etc.)

durch Auswertung von Floating Car Daten aus Taxiflotten Verkehrsinformation zu

generieren. Bisher ist der kommerzielle Durchbruch allerdings nicht gelungen.

Im Leitprojekt WAYflow (Start 1998), das eine Fortsetzung des RHAPIT Projektes ist,

wird versucht mit Floating Cars die Hauptverkehrsstrecken von Frankfurt als auch im

gesamten Rhein-Main-Ballungsgebiet zu erfassen. Im April 2001 hat der einjährige

Feldversuch City-FCD im Rahmen des Leitprojekts WAY-Flow begonnen. Dazu wurde

eine Flotte von ca. 200 Fahrzeugen (überwiegend Berufspendler) mit einem intelligenten

Telematikmodul ausgestattet, das über GPS/GSM-Modul und einer Recheneinheit

verfügt. Das individuelle Fahrzeug bewertet dabei laufend seine Position als auch seine

Geschwindigkeit aufgrund der Attribute einer hinterlegten Streckenkarte und meldet die

FCD-Daten bei Bedarf per SMS an die Zentrale [WAYFLOW (2001), S. 7; SCHÖNE-

WOLF (2003), S. 3]. Genaue Ergebnisse des FCD-Feldversuches wurden bis jetzt noch

nicht veröffentlicht.

Das Projekt BERTRAM (BERlin TRAffic Management Model, Start 2000) soll ebenfalls

Möglichkeiten für den Einsatz von neuartigen Erfassungssystemen zur Ermittlung der

aktuellen Verkehrsbelastung im innerstädtischen Bereich aufzeigen. Das Ziel des vom

Senat von Berlin geförderten Teilprojektes ist die Analyse von Floating Car Daten (FCD)

unter Ausnutzung der strukturellen Merkmale innerstädtischen Verkehrs und ihrer Rele-

vanz zur Beschreibung städtischer Verkehrsmuster [SYDOW & KWELLA (2000), S.1]. Die

Aufbereitung der gemessenen Verkehrsdaten wurde im Südosten Berlins demonstriert

und dient als Entscheidungsvorbereitung zum Aufbau einer integrierten Verkehrsdaten-

erfassung im gesamten Berliner Raum. Im Zuge des Projektes wurde das ,,Aggregate

Travel Time Model" (ATTM) entwickelt, das jedem Stadtstraßensegment unter Berück-

sichtigung seiner Eigenschaften (Spuren, Höchstgeschwindigkeit, Phasenlänge der

Lichtsignalanlage) eine Charakteristik zuordnet.

Die Charakteristik gibt eine mittlere Reisezeit über der mittleren Fahrzeugdichte an und

stellt somit ein Fundamentaldiagramm für Stadtstraßen dar. Dabei ergibt sich die Ge-

samtzeit als Summe der deterministischen Zeiten zum Passieren des freien Abschnitts

und des gestauten Abschnitts (Warteschlange) und einer statistischen Wartezeit vor

Lichtsignalanlagen. Auf Segmentebene kann nun einer gemessenen Reisezeit eine

mittlere Dichte zugeordnet werden. Um fehlende FCD Meldungen auszugleichen, wurde

auch ein eigener Simulator zur Datenvervollständigung entwickelt, der erweitert auch zur

Prognose der Verkehrslage dient. Das Modellsystem wird ständig an die Realität ange-

passt. Es enthält somit eine ,,Selbstkorrekturkomponente", die als entscheidende qualitati-

ve Verbesserung herkömmlicher Verkehrssimulationen anzusehen ist.

3 Internation

ale Analyse

Tabelle 3.1-

1: Übersicht

FCD Projekte in Deutschland (1987

-2000) [HUBER (2001), S. 23 ff]

Projekt

LISB

DVB

STORM

RHAPIT

VERDI

LoCoMoTiV

yp des

Informations-

ystems

Individuelles

Leit- und

Informations-

stem

Individuelles

Leit- und

Informations-

stem

Autom. Notruf-

und individu

elles

Leitsystem

Individuelles

Leit- und

Informations-

stem

GSM-Telematik-

dienste (Ver

kehrsinfo &

Notruf / Panne)

Reine FCD-

Erfassung

Zeitraum

1987-95 1996-97

1991-94 1991-95

1996-97 1999-2000

stem-

hersteller

Siemens Siemens

Alcatel

Phillips

Mannesman

VDO

Blaupunkt

Ort

Berlin Berlin

Stuttgart

BAB-Netz

Rhein/Main

BAB-Netz

Rhein/Ruhr

BAB-Netz

München-Nord

Technologie

Infrarot Baken

GSM/GPS

Infrarot Baken

M/GP

S GS

M/GP

Bezeichnung

Fzg.-Sy

ste

ALISCOUT EUROSCOUT

SOCRATES

MOBIMA

(Telematik-

endgerät)

MINI

Anzahl der

Testfahrzeuge

(ca.)

700 600

(Notrufsystem)

89 (Leit

system)

30 1000

100

3 Internationale Analyse

In den Niederlanden wurde von März - Oktober 1998 ebenfalls ein Floating Car Daten

Feldversuch mit 60 Fahrzeugen im Rahmen des Holländischen Innovationsprogrammes

,,Roads to the Future" durchgeführt, mit dem Ziel, diese Technologie zur Verkehrsdaten-

generierung nutzbar zu machen und eventuelle Probleme aufzuzeigen. Die Fahrzeuge

der Testflotte generierten dabei alle 10 Sekunden Position und Geschwindigkeit (DGPS)

und sendeten diese Daten alle 5 Minuten an eine Datenzentrale. Die Experten gingen

davon aus, mit einer Ausstattungsrate von 2% (etwa 100.000 ausgestattete Fahrzeuge in

Holland) einen guten Überblick der Verkehrslage berechnen zu können [JOCHEM et al.

(1998), S. 2].

Im Projekt ,,Road Traffic Monitoring by Satellite (RTMS)" wurde ein weiterer Feldtest mit

50 Fahrzeugen von Februar bis Mai 2000 im Raum Rotterdam durchgeführt. Die GPS

Daten und die in der Rechenzentrale generierte Verkehrsinformationen wurden mit

PRODAT-2 Receivern durch den bidirektionalen, geostationären Telekommunikations-

satelliten ITALSAT-2 von und ins Fahrzeug übertragen. [JANSCHEK (2000), S.11].

Bezüglich der Qualität der generierten Verkehrsinformation gibt es bisher keine Veröffent-

lichungen.

Die Firma iTIS Holdings aus England hat eine FCD Flotte mit ca. 50.000 Fahrzeugen

unter Vertrag und generiert ca. 3,5 Mio. Positionsdatensätze pro Tag [COWAN & GATES

(2003), S. 247]. iTIS Holdings betreibt somit das größte kommerzielle FCD System

weltweit. Aus den FCD Datensätzen werden Verkehrparameter (Geschwindigkeiten,

Reisezeitverluste, Stauereignisse, etc.) berechnet und in einer historischen Datenbank

gespeichert. Die generierten Verkehrsdaten werden im Bereich des ,,Staumonitorings" für

Behörden, Verkehrsinformationsservices, Flottenmanagement und dynamische Reisezeit-

planer eingesetzt.

Weitere mehr oder weniger erfolgreiche privatwirtschaftliche FCD Initiativen sind Traffic-

master (England), ComRoad (Deutschland) und das Datatrak-System von Siemens.

Das Datatrak Netzwerk basiert auf einer Kombination von Langwellen- und Satellitenor-

tung mit eigenem Datenübertragungsnetzwerk. Die Langwelle wird im verbauten Gebiet

oder bei Sichtabschattungen eingesetzt und verbessert so die Genauigkeit der GPS

Ortung. Siemens betreibt in vier europäischen Ländern (Niederlanden, Belgien, Malta und

England) sowie in Argentinien als auch in Südafrika ein eigenes Datatraknetzwerk. Bis

Ende 2002 gab es auch in Österreich ein Datatrak Ortungsnetzwerk, das allerdings

mangels Wirtschaftlichkeit eingestellt wurde.

Versuche zur Floating Car Data Technologie wurden auch in Frankreich im Rahmen des

SERTI STRIP Projektes mit dem Schwerpunkt der Reisezeitberechnung auf Basis der

GSM-Zellortung durchgeführt. Ebenfalls FCD Feldversuche gab es in Schweden im

Rahmen des VIKING Programms, in Portugal im Rahmen des ARTS Programms und in

Italien/Turin im Rahmen des CORVETTE Programms. Alle oben angeführten For-

schungsprogramme sind von der EU gefördert und beschäftigen sich mit Technologien

zur Reisezeitberechnung bzw. zur Verkehrsinformationsgewinnung.

Neben den oben beschriebenen Feldversuchen sind auch in Österreich (Wien) FCD-

Pilotprojekte gestartet worden. In den Pilotprojekten wurde besonders auf eine geschlos-

sene Wertschöpfungskette und auf die wirtschaftliche Verwertbarkeit geachtet:

IRIS (Intelligent Road Information Services): Im Zuge des Projektes wurden Feldversuche

zur Reisezeitberechnung auf der A23 Südosttangente in Wien mit einem Fahrzeug-

ortungssystem auf Basis der GPS/GSM Technologie durchgeführt.

PROMOS (Prognose von Verkehrsinformation auf Basis mobiler Sensoren): Im Projekt

wird ein GSM Ortungsverfahren via Zellübergangsbereiche zur Verkehrsdatenerfassung

3 Internationale Analyse

erprobt und evaluiert (siehe Abschnitt 5.3.3.2.4 Ortung durch Zellübergangsbereiche, S.

127 ff). Es werden ca. 20 Taxilenker einer bestehenden Fahrzeugflotte mit einem GSM

Mobiltelefon ausgestattet auf dem das entwickelte GSM Ortungsverfahren implementiert

ist. Die Evaluierung der Reisezeitberechnungen durch die ermittelten Zellübergangs-

bereiche erfolgt durch ein GPS Referenzortungssystem.

FLEET (Fleet Logistics Service Enhancement with Egnos & Galileo Satellite Technology):

Im Projekt wurde ein Reisezeit-Informationsdienst für den Raum Wien auf Basis von

fahrzeuggenerierten Daten entwickelt und demonstriert. Durch die Einbindung einer

Taxiflotte mit kritischer Masse (ca. 800 Taxis) konnten ausreichende Fahrmuster von

Taxis für den Raum Wien, die durch das Leitsystem der Taxiflotte registriert wurden, auf

einen Datenserver zur Reisezeitbestimmung übertragen werden. Die berechneten und

prognostizierten Reisezeiten wurden von einem Rundfunksender mit aktuellen Verkehrs-

meldungen verglichen und verifiziert [LINAUER (2004a)].

SAVER DATA (Plattform für die Sammlung und verarbeiten von Verkehrsfluss-DATA

mittels GSM Netzwerk): Im Projekt der Aufbau eines Verkehrsinformationsservices auf

Basis von GSM Signalisierungsdaten sowie Zellortungsdaten untersucht und ein Pilotbe-

trieb demonstriert. Die Möglichkeit der Mobilfunkbetreiber, Bewegungsprofile von Mobil-

telefongesprächen in Echtzeit zur Verfügung zu stellen, ergeben neue Möglichkeiten der

FCD-Datengenerierung.

Tabelle 3.1-2: Übersicht FCD Projekte in Österreich

Projekt

IRIS

FLEET

PROMOS

SAVER DATA

Typ des

Informations-

systems

Verkehrs-

informations-

dienst / Tele-

matikdienst

Verkehrs-

informations-

dienst / Tele-

matikdienst

Verkehrs-

informations-

dienst / Tele-

matikdienst

Verkehrs-

informations-

dienst / Tele-

matikdienst

Zeitraum

2001-2002 2003-2004 2003-2005 2003-2005

Ort

Wien Wien Großraum

Wien

Großraum

Wien

Komm.-/

Ortungstech-

nologie

GSM/GPS Datenfunk/GPS

Logische

Ortung

GSM/Ortung

durch Schlüs-

selzell-

übergänge

GSM/logische

GSM Signali-

sierungs-

kanäle, Zell-

ortung

Anzahl der

Test-Kfz (ca.)

10 800 20 GSM-Nutzer

Im Gegensatz zu den Feldversuchen in Deutschland, die fast ausschließlich Telematik-

geräte mit digitalem Kartenmaterial und Stauerkennungsalgorithmen im Fahrzeug

einsetzen, wird in Österreich versucht, ohne teures fahrzeugseitiges Endgerät auszu-

kommen. Dadurch können hohe Kosten beim Aufbau der Fahrzeugflotten (Telematik-

geräte im Kfz) eingespart werden, die in die Entwicklung von intelligenten und zentralen

Stauerkennungsalgorithmen investiert werden. Die unterschiedlichen Ansätze dürften zum

Teil daran liegen, dass in Deutschland bei jedem großem FCD Projekt Navigationsgeräte-

hersteller beteiligt waren, die einen Markt für neue Bordrechner etablieren wollen. Weiters

besteht durch die Automobilindustrie in Deutschland die Möglichkeit Telematikgeräte

3 Internationale Analyse

serienmäßig in jedem Neuwagen direkt einzubauen. Dadurch kann eine rasche Durch-

dringung mit Endgeräten erreicht werden.

In Österreich versucht man auf bereits bestehende Technologien und Telematikgeräte in

Fahrzeugen zurückzugreifen, die prinzipiell für andere Anwendungen konzipiert wurden,

um eine hohe FCD Ausstattungsrate zu erreichen (Grenzkostenansatz

). Dies wird

einerseits durch die Verwendung und Integration von bereits bestehenden Fleetmanage-

mentsystemen mit Ortungsfunktionalität - wie sie für Taxis, Speditionen, Paketdienst-

leister, etc. verwendet werden - erreicht, anderseits durch Verwendung der GSM-

Zellortungstechnologie. Bei den FCD Daten, die durch Flottenmanagementsysteme

generiert werden, hat der Flottenbetreiber durch die zusätzliche monetäre

Verwertungsmöglichkeit einen Zusatznutzen, ohne weitere Investitionen tätigen zu

müssen. Die Motivation, Flottendaten anonymisiert für ein Verkehrsinformationsservice

zur Verfügung zu stellen, ist daher hoch.

Das gleiche gilt für die GSM-Zellortungstechnologien, da hier (siehe Abschnitt 5.3.3

Ortung in Zellularfunknetzen, S. 111 ff) herkömmliche Mobiltelefone benutzt werden

können. Durch den hohen Verbreitungsgrad von Mobiltelefonen in Österreich als auch in

Europa (siehe Abbildung 3.1-1) ist diese Ortungstechnologie besonders für geeignet.

Durch die Zellverdichtung im Zuge des GPRS bez. UMTS Netzausbaus wird auch die

Ortungsgenauigkeit laufend verbessert. Der große Vorteil in der FCD-Generierung durch

Mobilfunknetze liegt darin, dass nur ein Gerät zur Ortung, Datenübertragung und Daten-

empfang (Verkehrsservices) verwendet werden muss. Das Mobiltelefon kann auch

außerhalb des Fahrzeuges, im Gegensatz zu eingebauten Navigationsgeräten, verwendet

werden.

Abbildung 3.1-1: Durchdringungsgrad mit Mobiltelefonen in Europa 1996 und 2001 [GSM

EUROPE (2004), S.1]

Es werden nur jene zusätzlichen Kosten berücksichtigt, die zum Generieren von fahrzeugbezogenen

Verkehrsdaten anfallen.

3 Internationale Analyse

Besonders durch die Anstrengungen der Mobilfunk-Netzbetreiber Verkehrsinformations-

portale für ihre Kunden zur Verfügung zu stellen, erscheint die FCD-Technologie durch

GSM Zellortung sehr zukunftsreich. Der Netzbetreiber ist in der optimalen Situation, dass

der Kunde gleichzeitig Daten liefert und in aufbereiteter Form als Verkehrsinformation

auch wieder beziehen kann. Zusätzlich kann Verkehrsinformation auch aus netzinternen

Daten gewonnen werden (Netzbelastung, Signalisierungskanäle, Gesprächsdatenbank,

etc.), wodurch keine zusätzlichen Kosten für den Betreiber entstehen.

3.2 Japan

In Japan wird die Floating Car Data Technologie auf breiter Basis eingesetzt. Es werden

kommerzielle Flotten mit GPS/GSM Einheit zur Datengenerierung herangezogen bzw.

Forschungen zur Zellortungstechnologie in Mobilfunknetzwerken betrieben. [FUSHIKI et

al. (2002)]. Besonders im Bereich des Fleetmanagement findet die Reisezeit- und

Verkehrslageberechnung durch die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung An-

wendung. Dadurch kann das für den japanischen Telematikmarkt so wichtige dynamische

Navigieren unter Berücksichtigung der aktuellen Verkehrslage erfolgen.

Im Bereich der öffentlichen Hand wird regelmäßig im Intervall von zwei oder drei Jahren

ein Reisezeitkataster der wichtigsten Straßen erstellt und bewertet. Das Institut für Policy

and Planning Sciences der Universität von TsukubaIm entwickelte ein Verfahren, bei dem

die Positionsdaten und Geschwindigkeitsdaten konventioneller Navigationssysteme

kontinuierlich gespeichert werden. In der Begleitstudie wird eine FCD Ausstattungsrate

von 0,3% angegeben, um die Reisezeit für jede Tagesstunde an Straßen mit einer

Verkehrsbelastung von mindestens 30.000 Kfz/Tag berechnen zu können. Für Straßen

mit geringerer Verkehrsbelastung ist ein höherer Anteil von Testfahrzeugen erforderlich

[ISHIDA et al. (2000), S. 5].

In der Studie von ASAKURA et al. (2000) werden umfangreiche Feldversuche zu ver-

schiedenen Ortungstechnologien wie GPS, A-GPS und Zellortungsverfahren die auf der

Messung der Feldstärke basieren durchgeführt und gegenübergestellt. Als Ergebnis

wurde festgestellt, dass prinzipiell alle untersuchten Ortungstechnologien zur FCD-

Generierung geeignet sind. A-GPS weist jedoch die besten Ergebnisse auf. Die Techno-

logie des Zellortungsverfahrens ergibt bei höheren Geschwindigkeiten größere Positionie-

rungsfehler. Hier müssen noch Verfahren entwickelt werden, die auch bei höheren

Geschwindigkeiten eine vergleichbare Performance von GPS erreichen können.

Die in Japan weit verbreitete Technologie der Infrarot Baken zur bidirektionalen Fahrzeug-

kommunikation kann ebenfalls zur Floating Car Data Generierung eingesetzt werden.

Neben den ca. 30.000 Infrarotbaken (Stand 2001) sind in Japan noch ca. 166.000

Sensoren zur Ampelsteuerung eingesetzt, die ebenfalls zur Verkehrsdatengenerierung

und Reisezeitberechnungen herangezogen werden könnten. Nähere Untersuchungen

wurden hiezu von [MASHIYAMA el al. (2000)] durchgeführt.

3.3 USA

In den USA wird die Floating Car Data Technologie in Ballungsräumen immer öfter als

zusätzliche Verkehrsdatenquelle eingesetzt. In Washington State werden zum Beispiel

konventionelle Busflotten zur Reisezeitbestimmung eingesetzt. Die Ortung der Busse

erfolgt durch ein automatisches GPS Ortungssystem das zur Flottensteuerung eingesetzt

wird [CATHEY (2001)]. Durch die Größe des Landes (23 Kfz/km

) und der nur stellenwei-

sen Abdeckung mit Mobilfunksystemen [JULIUSSEN

(2002), S. 3] sind der uneinge-

schränkten Einsetzbarkeit jedoch Grenzen gesetzt. Durch das Gesetz des E911 Notrufes,

3 Internationale Analyse

das die Mobilfunkbetreiber verpflichtet, Mobiltelefone bei Notrufen zu orten, wurde in den

USA eine rege Forschungstätigkeit im Bereich der Zellortung durch Mobilfunksysteme

[YGNACE (2001)] induziert. Prinzipiell liegen aber die Domänen der Echtzeit-Verkehrs-

informationssysteme und Reisezeitberechnung in Europa bzw. in Japan.

3.4 Erfahrungen aus den Feldversuchen

Im wesentlichen konzentrierten sich die bisherigen Feldversuche zur fahrzeuggenerierten

Verkehrsdatenerfassung auf einer Untersuchung der Gesamtsysteme aus Daten-

erfassung im Fahrzeug, Übertragungsmedium und Datenverarbeitung in einer Zentrale.

Empirische Untersuchungen zur Quantifizierung des verkehrstechnischen Nutzens einer

fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung sind in den Berichten zu den o.g. Projekten

nur in begrenztem Rahmen veröffentlicht.

3.4.1 Datenerfassung und -übertragung

In den Feldversuchen zu LISB (Leit und Informations Systeme Berlin) und DVB (Dynami-

sches Verkehrsleitsystem Berlin) geht die Datenerfassung auf ein bakengestütztes

ortsfestes Kommunikationssystem zurück. Als Transmissionskriterium dient der Kontakt

zwischen ortsfester Bake und passierendem Fahrzeug. Dies führt zu einem zeitlichen

Verzug der Übermittlung der im Fahrzeug protokollierten Daten. Insbesondere in Stausi-

tuationen kann diese Zeitdifferenz sehr groß werden, da das Fahrzeug erst die nächste

Bake in Fahrtrichtung passieren muss, um die gespeicherten Daten übertragen zu

können.

OFFERMANN (2001), S. 59, stellt fest, dass aufgrund der Ergebnisse der Feldunter-

suchungen in Deutschland mit bakengestützten Systemen diese ungeeignet sind, zeit-

und ortskritische Meldungen zu übertragen. Dies wird auch aus der Weiterverarbeitung

der streckenbezogenen Verkehrsdaten in den Steuerungsmodellen zu LISB und DVB

deutlich. Die fahrzeuggenerierten Daten werden primär zur Ermittlung statistischer Reise-

zeitganglinien für die Streckenabschnitte, auf deren Grundlage eine Reisezeitprognose

durchgeführt wird, verwertet. Demgegenüber konnte den mobilfunkgestützten Systemen

aufgrund ihrer ständigen Verfügbarkeit ein generell gutes Potenzial zur Übertragung

definierter Ereignisse attestiert werden. Zusätzlich ist bei der mobilfunkgestützten

Übertragung fahrzeuggenerierter Daten positiv zu bewerten, dass keine zusätzlichen

straßenseitigen Infrastruktureinrichtungen notwendig sind. Dieser Aspekt erlangt unter

wirtschaftlichen Gesichtspunkten primäre Bedeutung.

Diese Einschätzung ist jedoch relativ zu betrachten, da die Qualität streckenbezogener

Verkehrsdaten durch Bakensysteme sehr stark von der Anzahl der Baken abhängig ist.

Durch zusätzliche streckenbezogene Auswertelogiken, wie z.B. durch die laufende

Berechnung der voraussichtlichen Ankunftszeit eines bestimmten Kfz bei der nächsten

Bake, kann auf die Verkehrsflussqualität geschlossen werden. Treffen mehrere Kfz nicht

in der voraussichtlich berechneten (Reise-)Zeit ein, so kann auf ein Stauereignis im

Abschnitt geschlossen werden. Durch die Verwendung des Lkw-Mautsystems zur

streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung entstehen keine zusätzlichen Infrastruktur-

kosten, da dieses System zur Mauteinhebung konzipiert und finanziert wurde (Grenz-

kostenansatz). Die Mautbuchungssätze der jeweiligen Mautbaken sind vollständig und in

Echtzeit in der Mautzentrale vorhanden und können zur Reisezeitberechnung ausgewer-

tet werden. Auf den 4.000 km Richtungsfahrbahn der Autobahnen und Schnellstraßen in

Österreich sind ca. 800 Mautbaken mit einem mittleren Abstand von 5 km angeordnet.

3 Internationale Analyse

Somit relativiert sich wiederum die oben getroffene Aussage von OFFERMANN (2001), S.

59.

CREMER (1996) vergleicht das Meldeverhalten mobilfunkgestützter gegenüber baken-

gestützter Systeme durch eine simulative Untersuchung (siehe Abbildung 3.4-1). Hierbei

stellt er die realen Zustandsdaten einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation der

modellbasierten Verkehrszustandsschätzung ausschließlich auf Basis von querschnitts-

bezogenen Messwerten sowie die Einbindung von streckenbezogener Verkehrsdaten aus

bakengestützten bzw. einem mobilfunkgestützten System gegenüber.

Für einen 5 km langen Streckenabschnitt einer Autobahn wurde eine Verkehrsstauung

durch einen Engpass in Fahrtrichtung unterhalb eines Schleifenmessquerschnittes

simuliert. Es wurde mit 4 Fahrzeugmeldungen pro Minute für die mobilfunkgestützte FCD-

Erfassung und 3 passierenden Fahrzeugen für die bakengestützte Übertragung eine sehr

hohe Ausstattungsrate zu Grunde gelegt.

Die Vorteile der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung und insbesondere des

mobilfunkgestützten Systems werden aus der Abbildung 3.4-1 deutlich: Während die nur

auf Messquerschnittsdaten (der Störfall liegt unterhalb der Messschleife) basierende

Verkehrzustandsberechnung (Kurve ,,loops only") die Geschwindigkeitsabnahme des

Verkehrsstroms erst registriert, wenn das Stauende den Messquerschnitt erreicht hat,

reagieren die Modelle mit den streckenbezogenen Verkehrsdaten schneller. Die Ge-

schwindigkeiten auf der Grundlage des mobilfunkgestützten Systems (Kurve ,,GSM-fcd")

weisen die beste Adaption an die Reisezeitganglinie ,,real data" (Output der Mikrosimulati-

on) auf.

Abbildung 3.4-1: Vergleich des Meldeverhaltens von Baken- und GSM-gestützten FCD

Erfassungssystemen durch Gegenüberstellung der ermittelten Reisezeiten [CREMER

(1996)]

3 Internationale Analyse

Beim bakengestützten System (Kurve ,,beacon") wird durch die auftretenden Stauungen

im Streckenabschnitt eine FCD Zeitverzögerung erzeugt, da die Datenabgabe erst beim

Passieren der nächsten in Fahrtrichtung gelegenen Bake erfolgen kann. Die Detektions-

zeit ist nur geringfügig besser als die der lokalen Verkehrsdatenerfassung. Diese Proble-

matik tritt bei den mobilfunkgestützten Systemen durch die ständige Möglichkeit, Daten zu

übertragen, nicht auf. Die Kurve der GSM-basierenden Verkehrsdatenerfassung folgt

daher sehr eng der Kurve ,,real Data" und liefert somit die besten Ergebnisse. Eine

Verbesserung der bakengestützten Systeme in Richtung der Qualität der mobilfunkge-

stützten FCD-Systeme könnte allerdings durch eine Erhöhung der Bakendichte erreicht

werden.

Die beispielhafte Simulation von Cremer macht deutlich, dass das größte Potenzial der

mobilen Verkehrsdatenerfassung bei den mobilfunkgestützten Systemen liegt. Neben

dem Aspekt der permanenten Verfügbarkeit ist bei den mobilfunkgestützten Systemen

jedoch auch die Übertragungsdauer und -sicherheit von großem Interesse. Diesem

Aspekt wurde in den Untersuchungen der Feldversuche zu RHAPIT, STORM, VERDI und

LoCoMoTiV besonderes Interesse geschenkt.

Im RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for Integrated Trafik Management) Feldversuch, in

dem der Bearer-Service (Datenübertragung via Modem) im GSM-Netz als Übertragungs-

medium eingesetzt wurde, sind zum Teil große Zeitverzüge der Datenkommunikation

zwischen Rechnerzentrale und GSM-Modem im Fahrzeug gemessen. Nur 16% der FCD-

Daten erreichte die Datenzentrale innerhalb von 5 Minuten. 34% benötigten den Zeitbe-

reich von 5 bis 10 Minuten und bei 50 % lag die Übertragungsdauer über 10 Minuten,

oder die Telegramme wiesen Unplausibiltäten auf. HUBER (2001, S. 28) fasst hierzu

bilanzierend zusammen, dass ,,die zeitlichen Potenziale der mobilfunkgestützten Übertra-

gung aufgrund der technischen Restriktionen der GSM-Datenübertragung (Bearer-

Service) und der Gerätetechnologie nicht optimal genutzt wurden".

Das spezielle Notrufprotokoll des STORM (Stuttgart Transport Operation by Regional

Management) Feldversuchs basierte ebenfalls auf einer Datenübertragung mittels Bearer-

Service. Die durchschnittliche Übertragungsdauer betrug hierbei 90 Sekunden, wobei 40

% der Daten weniger als 1 Minute zur Übermittlung an die Zentrale benötigten.

Die Unzuverlässigkeiten der Datenübertragung mittels GSM-Bearer-Services führten zum

Einsatz des GSM Kurznachrichtendienstes (Short-Message-Services, SMS) als Übertra-

gungsmedium (siehe Kapitel 4.2.1.4, Seite 41). Erstmalig fand dieses im VERDI (VEhicle

Related Dynamic Information) Feldversuch seine Anwendung. Leider sind die Ergebnisse

der VERDI Untersuchung größtenteils vertraulich. In den Veröffentlichungen zu diesem

Projekt werden keine Angaben zur Datenübertragungsqualität gemacht. Im VERDI Projekt

wurde erstmals nur das satellitengestützte Global Positioning System (GPS) zur Ortung

der Fahrzeuge ohne digitale Karteninformationen und ,,Datenabgleich" (Map Matching

Process

) im Fahrzeug eingesetzt. Die prinzipielle Machbarkeit dieser preisgünstigen

Endgeräte konnte nachgewiesen werden.

Für das Übertragungsmedium des SMS-Services spricht der weitere Einsatz im LoCo-

MoTiV (Localisation and Communication in MoTiV) Projekt. Der hierbei ausgetestete, auf

der Grundlage der Ergebnisse des VERDI Feldversuchs entwickelte GATS-

Datenstandard (Global Automotiv Telematics Standard) greift auf den SMS-Service als

Beim ,,Map Matching Process" werden die kontinuierlich erhoben GPS-Ortungsdaten mit der digitalen

fahrzeugseitigen Karte abgeglichen und gegebenenfalls korrigiert. Der Prozess stellt somit fest, ob sich das

Fahrzeug noch auf einen bestimmten Streckenabschnitt der gespeicherten Karte befindet oder nicht.

3 Internationale Analyse

Übertragungsmedium zurück. Eine ausführliche Beschreibung der GATS-Systemkompo-

nenten ist dem Abschnitt 4.3 Protokolle und Standards, S. 58 ff, zu entnehmen.

Bezüglich der Ergebnisse der Feldversuche zur Datenübertragungsqualität mittels

Mobilfunk bleibt anzumerken, dass die Qualität der Mobilfunknetze in den letzten Jahren

ständig qualitativ verbessert wurden. Vor allem durch die neuen Datenübertragungstech-

nologien, wie GPRS oder UMTS, die eine permanente Verbindung zwischen Zentrale und

Telematikendgerät im Kfz bei sehr günstigen Tarifen ermöglichen (Abrechnung erfolgt

nach übertragenen Datenvolumen, 1 MB kostet ca. 1 ), werden mobilfunkbasierte FCD

Systeme in der Praxis für den Massenmarkt finanzierbar und einsetzbar.

Einer der Gründe, warum GPRS noch nicht von den großen Automobilherstellern

eingesetzt wird, liegt in den Problemen mit der GPRS-Hardware. Die am Markt verfügba-

ren GPRS Modems haben auch in der 2. Generation immer noch erhebliche Stabilitäts-

probleme im praktischen Dauereinsatz. Bei aktiver GPRS Verbindung können gleichzeitig

auch keine Telefongespräche geführt werden. Dies ist besonders in der Automobil-

industrie ein entscheidendes Kriterium, da der Fahrzeuglenker im Kfz somit per Sprachan-

ruf nicht erreichbar ist. Zum Telefonieren müsste ein weiteres Modem eingebaut werden.

Weiters gibt es auch keine durchgängigen GPRS Roamingverträge zwischen den

europäischen Mobilfunkbetreibern. Aus diesen Gründen setzen die großen Automobilher-

steller (BMW, Mercedes, VW, etc.) nach wie vor auf SMS als Datenübertragungsmedium.

3.4.2 Modellrechnungen zur Verkehrsflussanalyse

Im Rahmen des RHAPIT-Feldversuchs wurde der Zusammenhang zwischen strecken-

bezogenen Verkehrsdaten und querschnittsbezogenen Messwerten lokaler Verkehrs-

datenerfassungssysteme untersucht. Es wurden durch Konvoifahrten mit 5 FCD

Testfahrzeugen, die den zu untersuchenden Streckenabschnitt mehrmals durchfuhren,

gezielt Störfallerkennungstests im Bereich des Frankfurter Kreuzes durchgeführt.

Am Querschnitt EQ2 wurden die in Abbildung 3.4-2 dargestellten Messdaten erhoben. Die

auf 5-Minuten-Intervalle aggregierten querschnittsbezogenen Messdaten der Induktions-

schleife in EQ2 (dünne durchgezogene Linie) sowie die durch ein Kalman-Filter-Modell

[WELCH & BISHOP (2001)] aus den benachbarten Erfassungsquerschnitten EQ3 und

EQ1 berechneten mittleren Reisegeschwindigkeiten des Verkehrsstromes auf dem

betrachteten Streckenabschnitt (dicke durchgezogene Linie) wurden mit den Messwerten

der aktuellen Fahrgeschwindigkeit der Einzelfahrzeuge (Näherung durch gestrichelte

Linie) am Querschnitt EQ2 verglichen [FOLKERTS et al. (1998)].

3 Internationale Analyse

Abbildung 3.4-2: Gegenüberstellung der Zählstellendaten am Querschnitt EQ 2 (Induk-

tionsschleife), der Modelldaten (Kalman-Filter) und der FCD-Daten im Rahmen von

Konvoifahrten des RHAPIT Feldversuches am 17.03.1995 im Bereich des Frankfurter

Kreuzes [FOLKERTS et al. (1998)]

Die Ganglinien der Geschwindigkeiten zeigen eine Verkehrsstörung im Zeitraum zwischen

14:50 und 15:50 Uhr infolge Verkehrsüberlastung. Bereits um 14:45 Uhr liegen zwei FCD-

Datenprotokolle vor, die Schwellenwertunterschreitung der Reisegeschwindigkeit von 30

km aufweisen. Die 5-Minutenwerte des Detektors und das Kalmanfiltermodell detektieren

zu diesem Zeitpunkt noch keine Verkehrsstörung.

FOLKERTS et al. (1998) interpretieren diesen Sachverhalt wie folgt: Einzelne Fahrzeuge

stecken bereits im Stop-and-Go-Verkehr, während die geglätteten 5-Minuten-Werte der

Zählstellendaten diesen Zustand noch nicht repräsentieren. Aus den Datenprotokollen der

FCD zwischen 14:45 und 15:05 Uhr kann auf einen starken Stop-and-Go-Verkehr

geschlossen werden. Jedes FCD-Paket wies für die Abschnittsdurchquerung mindestens

zwei Fahrzeugstillstände und eine Haltezeit von mehr als 1 Minute auf. Die FCD-

Datenpakete während des Störfallzeitraums beinhalten je einen Fahrzeugstillstand mit

einer Haltezeit unter einer Minute bei 1-3 Schwellenwertunterschreitungen. Dieser

Zustand lässt sich als instabiler dichter Verkehr interpretieren. Die FCD-Fahrzeuge, die

um 15:25 Uhr den Abschnitt durchqueren, lassen aufgrund ihrer größeren Geschwindig-

keit und der damit verbundenen Schwellenwertüberschreitung auf eine Verkehrserholung,

nicht aber auf einen stabilen Verkehrszustand schließen.

Das hier dargestellte Beispiel aus dem RHAPIT-Feldversuch verdeutlicht in eindrucksvoll-

er Weise das Potenzial, welches streckenbezogene fahrzeuggenerierte Verkehrsdaten

3 Internationale Analyse

aufweisen. Neben einer früheren Störfalldetektion ist eine detailliertere Verkehrs-

zustandsbeschreibung durch eine Analyse der mobilen Verkehrsdaten möglich. Der

Feldversuch verdeutlicht aber auch die Notwendigkeit eines entsprechenden Stichproben-

umfanges der FCD-Fahrzeuge am Fahrzeugkollektiv. Zwischen 15:23 und 15:49 Uhr

fehlen vollständig FCD-Meldungen. Die Erholung des Verkehrs wird von der FCD

Stichprobe aufgrund fehlender Daten nicht wiedergegeben.

Für den gleichen Streckenabschnitt am Frankfurter Kreuz wurden die lokalen und mobilen

Verkehrsdaten vom 7.11.1994 für die Situation eines gebundenen, aber noch stabilen

Verkehrszustandes gegenübergestellt. Abbildung 3.4-3 gibt die Geschwindigkeitsverläufe

an den Messquerschnitten (gestrichelte Linie), die nach Kalman-Filter bestimmten Reise-

geschwindigkeiten für die beiden Sektoren (durchgezogene Linie) und die Geschwindig-

keit eines FCD-Fahrzeugs bei Einfahrt in den Erfassungsabschnitt wieder.

Es ist festzustellen, dass anfänglich die Geschwindigkeiten des Testfahrzeuges 20 km/h

über denen der Messstelle EQ1 liegen. Dies kann entweder auf den individuellen Fahrstil

des Kraftfahrers oder auf Verzögerungen bei der fahrzeugseitigen Bestimmung der

Fahrgeschwindigkeit bei starken Abbremsvorgängen zurückgeführt werden [FOLKERTS

et al. (1998)]. Das FCD-Fahrzeug muss infolge einer Verkehrsverdichtung seine Ge-

schwindigkeit verringern, sodass es an den Erfassungstellen EQ2 und EQ3 das Niveau

der lokalen Geschwindigkeiten erreicht.

Abbildung 3.4-3: Gegenüberstellung der Zählstellendaten am Erfassungsquerschnitt EQ2

(Induktionsschleife), der Modelldaten (Kalman-Filter) und der FCD-Daten vom 07.11.1994

am Frankfurter Kreuz [FOLKERTS et al. (1998)]

3 Internationale Analyse

Aus diesem relativ einfachen Beispiel wird eine grundlegende Problematik der stre-

ckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung deutlich: Insbesondere im freien und

teilgebundenen Verkehr, ist die Reisegeschwindigkeit die durch FCD-Fahrzeuge ermittelt

wurde, primär von der freien Entscheidung des Kraftfahrers abhängig. Die Geschwindig-

keiten sind nicht repräsentativ für das Fahrzeugkollektiv. Als ein Ergebnis des RHAPIT-

Feldversuchs definieren FOLKERTS et al. (1998), dass die Streuung der FCD-

Einzelgeschwindigkeiten durch eine geeignete Auswertelogik ausgeglichen werden muss;

bei größeren Datenmengen ist z.B. an eine Streichung von Extremwerten zu denken. Der

Messfehler der FCD-Reisezeiten wird mit 10% beziffert.

Demgegenüber konnten in beiden beschriebenen Testfällen bei gebundenem Verkehr

und bei Überlast die vorherrschenden Verkehrssituationen aufgrund der strecken-

bezogenen Verkehrsdatenerfassung korrekt wiedergegeben werden. Als ein wesentliches

Ergebnis der RHAPIT-Untersuchung kann die Sinnhaftigkeit einer kombinierten Betrach-

tung lokaler und mobiler Verkehrsdaten zur Verkehrszustandsklassifikation gesehen

werden. Dies gilt insbesondere, solange keine ausreichenden Datenmengen an FCD

gewährleistet werden können, wie dies im Feldversuch der Fall war.

Im VERDI-Feldversuch wurde festgestellt, dass bei ausreichendem Stichprobenumfang,

streckenbezogene Daten der FCD zur aktuellen und vollständigen Erfassung der Ver-

kehrslage uneingeschränkt geeignet sind. Durch FCD konnten Stauereignisse im Durch-

schnitt 15 Minuten früher festgestellt werden, als dies durch die Landesmeldestellen der

Polizei der Fall war [HUBER (2001), S. 34]. Jedoch brachte der VERDI-Feldversuch auch

Probleme bei der individuellen Geschwindigkeitserfassung zu Tage. Durch die zeitliche

Mittelung der Geschwindigkeiten im FCD-Fahrzeug werden Geschwindigkeitsänderungen

verzögert nachvollzogen. Somit weichen bei starken Abbrems- und Beschleunigungs-

vorgängen die querschnittsbezogenen Messwerte von den Geschwindigkeiten, die durch

FCD-Fahrzeuge generiert werden, zum Teil erheblich voneinander ab. Zusätzlich stellte

sich im Rahmen der Datenverarbeitung heraus, dass der Bezug der Verkehrsdaten auf

verkehrstechnisch nicht relevanten Straßenabschnitten zu einer unnötig hohen zu verar-

beitenden Datenmenge geführt hat [FOLKERTS et al. (1998)].

4 Datenübertragung

4 Datenübertragung

Ziel diese Kapitels ist die Ermittlung der für die FCD Generierung am besten geeignetsten

Technologie zur Datenübertragung. Dazu wurden verschiedene Kriterien und Nutzen-

funktionen definiert (siehe Tabelle 4.1-1), die als Zielertrag

in eine Nutzwertanalyse

eingehen. Durch Multiplikation des Zielertrages

mit den Zielgewichtungen

ergeben

sich die Teilnutzwerte

. Der Gesamtnutzwert

ergibt sich durch Summation aller

Teilnutzwerte

4.1 Bewertungskriterien und Zielgewichtung

Da fortlaufend neue Übertragungstechnologien mit höheren Übertragungskapazitäten bei

geringeren Übertragungskosten entwickelt werden, ist die Technologieverfügaberkeit ein

wichtiges Beurteilungskriterium der Datenübertragung. Daneben sind hinsichtlich der

streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung durch Einzelfahrzeuge sowohl die Übertra-

gungskosten als auch die Übertragungsdauer Schlüsselfaktoren um einerseits die

wirtschaftlichen als auch die technischen Systemanforderung zu erfüllen. Folgende

Nutzenfunktionen wurden zum Vergleich der verschiedenen Übertragungstechnologien

definiert:

Tabelle 4.1-1: Zielkriterien und Nutzenfunktionen zur FCD-Datenübertragung

Zielkriterium

Nutzenfunktion

Kommentar

Technologie-

verfügbarkeit

sofort:

< 1 Jahr:

1-2 Jahre:

> 2-3 Jahre:

> 3 Jahre:

Zeitraum [Jahre], in dem die Technologie am

Markt verfügbar ist.

Übertragungs-

dauer/kB

< 1 sek:

1-30 sek:

> 30-60 sek:

> 60-90 sek:

> 90 sek:

Zeit [sek], die durchschnittlich bei der Über-

tragung von 1 kB Daten anfällt.

Übertragungs-

kosten/kB

keine:

< 0,01:

0,01-0,02:

> 0,02-0,03:

> 0,03:

Kosten [], die bei der Übertragung von 1 kB

Daten anfallen.

Synergien

sehr hoch

hoch

teilweise

kaum

keine

Grad der Synergien, die bei Verwendung

einer Technologie / System mit anderen An-

wendungen gegeben sind. So kann z.B. das

Mobiltelefon des Fahrzeuglenkers zur

Sprachtelefonie als auch zur Datenüber-

tragung verwendet werden (Grenzkostenan-

satz).

Details

Seiten

Erscheinungsform

Originalausgabe

Erscheinungsjahr

2005

ISBN (eBook)

9783832492229

ISBN (Paperback)

9783838692227

DOI

10.3239/9783832492229

Dateigröße

4.4 MB

Sprache

Deutsch

Institution / Hochschule

Universität für Bodenkultur Wien – unbekannt

Erscheinungsdatum

2006 (Januar)

Note

2,0

Schlagworte

verkehrsablauf datenerfassung ortung nachrichtenübertragungstechnik verkehrsleitsystem

Produktsicherheit

Diplom.de

Autor

Martin Linauer (Autor:in)