Projekt 24356/01

Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

Projektträger

TRANSVER GmbH
Maximilianstr. 45
80538 München
Telefon: 089/211878-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aus Forschungsarbeiten liegt ein modelltheoretischer Ansatz zur Optimierung der Versatzzeiten von Lichtsignalanlagen in Straßennetzen vor. Dabei zeigte sich gegenüber einem realen Referenzfall ein sehr deutliches Potenzial hinsichtlich der Reduzierung der gesamten Verlustzeiten von etwa 20%. Das Verbesserungspotenzial hinsichtlich Kraftstoffeinsparung sowie der Reduzierung von Lärm- und Schadstoffemissionen wurde bisher nicht betrachtet, wird aber vermutet. Ziel des Projekts ist es, mögliche Verbesserungspotentiale durch Anpassungen der vorhandenen Forschungsarbeiten zu bestimmen und umzusetzen. Es wird ein Softwareprodukt erstellt, über das der flächenhafte Einsatz der neuen Techno-logie ermöglicht werden soll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt besteht aus zwei Entwicklungsschritten und der modellhaften Umsetzung in Hannover, um die vorhandene Entwicklung im Sinne der Umwelt für praktische Aufgabenstellungen nutzbar zu machen. Zum einen müssen die genannten umweltrelevanten Kenngrößen in der Modellierung des Verkehrsablaufes abgebildet werden, damit sie in der Optimierung als Kriterien herangezogen werden können. Zum anderen muss das damit erweiterte prototypische Verfahren für den praktischen Einsatz operationalisiert werden. Dabei müssen vor allem die vielfältigen Nebenbedingungen der Lichtsignalsteuerung (z. B. bedingt verträglich geschaltete Linksabbieger) im Steuerungsmodell berücksichtigt und bei Zielkonflikten gelöst werden. Nach Abschluss dieser Entwicklungsschritte wird das Verfahren für die Optimierung der Netzkoordinierung in Hannover eingesetzt. Für ein Teilnetz werden die Versatzzeiten unter Berücksichtigung aller realen Zwangsbedingungen optimiert. Die optimierte Steuerung soll dann mit Hilfe einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation bewertet und bei erfolgreicher Beurteilung im realen Betrieb eingesetzt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Das System CeTRANS besteht aus einem Simulations- und Optimierungskern und einer Benutzerschnittstelle. Das System ist zunächst alleine auf einen autonomen Offline-Betrieb ausgerichtet. Nach einer manuellen Versorgung über die Benutzeroberfläche kann die Simulation und Optimierung von der Benutzeroberfläche aus gestartet und beobachtet werden. Der Kern ist für einen Online-Betrieb ohne Benutzeroberfläche vorbereitet.
Der Simulations- und Optimierungskern beinhaltet das Simulationsmodell CTM sowie einen genetischen Optimierungsalgorithmus. Das CTM (Cell Transmission Model) ist ein makroskopisches Verkehrsflussmodell. Es bildet den realen Verkehrsfluss im Verkehrsnetz durch Dichteveränderungen in denen das Netz bildenden Zellen nach. Festzeitgesteuerte Lichtsignalanlagen, bedingt verträglich geschaltete Linksabbieger und umweltrelevanten Kenngrößen können im CTM direkt abgebildet werden. Verkehrsabhängige Steuerungen incl. ÖPNV-Priorisierung sind mit der aktuellen Struktur des CTM leider noch nicht handhabbar. Für die Optimierung der Versatzzeiten werden zwei unterschiedliche Ausprägungen des implementierten genetischen Optimierungsalgorithmus angewendet. Das Verfahren PGA (paralleler gentischer Algorithmus) optimiert parallel die Versatzzeiten aller Lichtsignalanlagen, wobei der genetische Algorithmus mit allen LSA-Versatzzeiten initialisiert wird. Bei dem Verfahren SGA (serieller genetischer Algorithmus) werden die Lichtsignalanlagen des aktuell zu optimierenden Straßennetzes vom Benutzer in disjunkte Gruppen aufgeteilt (z. B. die Lichtsignalanlagen einer Straße werden gruppiert). Jede Gruppe wird durch den genetischen Algorithmus nacheinander optimiert, während die Versatzzeiten der restlichen Gruppen auf dem jeweiligen bereits optimierten Stand verharren. Für die Optimierung der Versatzzeiten werden die Module CTM und SGA bzw. PGA kombiniert. Dabei besteht die Auswahl für die Optimierung zwischen den beiden oben kurz beschriebenen genetischen Optimierungsvarianten.
Die Benutzerschnittstelle bildet einer Versorgungshülle um den Kern, wobei der Kern nach der Versorgung auch ohne die Benutzerschnittstelle gestartet werden kann. Die Eingangsdaten bestehen aus wenigen Informationen über die Strecken (im wesentlichen Länge, Kapazität, Geschwindigkeit, Spuranzahl) und wenigen Informationen über die Lichtsignalanlagen (im Wesentlichen Umlaufzeit, Signalgruppen, Grünzeitanteile). Aufteilungsfaktoren in den Zufahrten zu jeder Lichtsignalanlage komplettieren die Versorgung von CeTRANS. Die Steuerung der Simulation und der Optimierung erfolgt über die Benutzerschnittstelle. Nach Einstellung der Parameter über Eingabemasken wird der Berechnungsfortschritt der Optimierung in Form von Zwischenergebnissen und Fortschrittszeigen visualisiert. Die optimierten Versatzzeiten und Streckenparameter werden sowohl grafisch als auch über einen Bericht angezeigt.
Durch die in der Benutzerschnittstelle variierbaren Optimierungsparameter ist es zurzeit aufgrund der aktuellen Leistungsdaten von Standardrechnern möglich, sehr lange Laufzeiten für die Optimierung einzustellen. Durch Anzeige des Berechnungsfortschritts kann der Benutzer den Optimierungslauf rechtzei-tig abbrechen. Weitere Arbeiten im Bereich der Parallelisierung sind bereits geplant.
Als technische Lösung wurde eine Entkoppelung der Benutzerschnittstelle und der Versatzzeitoptimierung gewählt. Dies hat den Vorteil, dass für eine zukünftige laufende Optimierung der Versatzzeiten in einem Online-Betrieb keine Anpassungen an dem Optimierungskern erforderlich sind. Nach einer Versorgung kann die Optimierung unabhängig von der Benutzerschnittstelle arbeiten. Aufgrund des bei den Partnern vorhandenen softwaretechnischen Wissens wurde eine Hybrid-Lösung aus JAVA und DEL-PHI/PASCAL gewählt. Der Optimierungskern wurde in JAVA entwickelt und ist somit relativ einfach auch auf mehreren Betriebssystemen lauffähig. Die Benutzerschnittstelle ist mit der Entwicklungsplattform DELPHI erstellt worden, da hierfür umfangreiches Vorwissen vorhanden war.
Im Rahmen der Bewertung und Systemkalibrierung wurde festgestellt, dass sich das CTM sehr gut zur schnellen Modellierung des Verkehrsflusses in einem innerstädtischen Straßennetz eignet. Mit Hilfe der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation konnte bewiesen werden, dass sich in einem Straßennetz mit (händisch erstellten) Festzeitsteuerungen und CeTRANS optimierten Versatzzeiten deutliche Reduzie-rungen aller verkehrlicher und umweltrelevanten Kenngrößen gegenüber dem Ist-Zustand mit verkehrsabhängigen Steuerungen erzielen lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren wurde auf der Vortragsveranstaltung HEUREKA 08 im März 2008 in Stuttgartvorgestellt. Des Weiteren sind die Internetseiten http://www.cetrans.net und http://www.ampelopt.de seit August 2008 freigeschaltet. Das Produkt CeTRANS ist bereits Teil von Angeboten der Firma TRANSVER. Aufbauend auf den Arbeiten des Projekts wird in einem DFG-Projekt unter Prof. Friedrich eine Fortentwick-lung des CTM hinsichtlich seiner Online-Fähigkeit unternommen. Am Institut für Verkehrswirtschaft, Straßenwesen und Städtebau soll überprüft werden, ob andere Optimierungsverfahren schnellere und bessere Lösungen erzielen können als Genetische Algorithmen.


Fazit

Das System CeTRANS bestehend aus dem Simulations- und Optimierungskern und einer Benutzeroberfläche ermöglicht eine Versatzzeitoptimierung in Verkehrsnetzen. Das System arbeitet autonom und ist nur auf die manuelle Versorgung mit Eingangsdaten angewiesen. Mit der realisierten Benutzeroberfläche können die erforderlichen Eingangsdaten zügig aufgenommen werden. Mit Hilfe des implementierten Simulationsmodells in Kombination mit den genetischen Optimierungsalgorithmen konnten Verbes-serungen der Zielgrößen Verlustzeiten und Halte von 5 % bis 40 % mit mikroskopischen Simulationen nachgewiesen werden.

Übersicht

Fördersumme

89.650,00 €

Förderzeitraum

14.06.2006 - 14.12.2007

Internet

www.transver.de

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik