Projekt 27513/01

Emissions- und Kraftstoffreduzierung in Straßennetzen mit ÖPNV-Priorisierung

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aus Forschungsarbeiten und dem Vorgängerprojekt (Az 24356) liegt ein Ansatz zur Optimierung der Versatzzeiten von Lichtsignalanlagen unter Berücksichtigung der Umweltbelange Lärm und Kraftstoff in Straßennetzen vor. Das Verbesserungspotenzial unter Berücksichtigung von priorisiertem öffentlichem Personennahverkehr wurde bisher nicht betrachtet, wird aber vermutet. Ziel des Projekts ist es, mögliche Verbesserungspotentiale durch Anpassungen des Vorgängerprojekts zu bestimmen und umzusetzen. Es wird das Softwareprodukt erweitert, über das der flächenhafte Einsatz der neuen Technologie ermöglicht werden soll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt besteht aus zwei Entwicklungsschritten und der modellhaften Umsetzung in München, um die vorhandene Entwicklung im Sinne der Umwelt für praktische Aufgabenstellungen nutzbar zu machen. Zum einen muss die genannte ÖPNV-Priorisierung in der Modellierung des Verkehrsablaufes abgebildet werden, damit sie in der Simulation des Verkehrs berücksichtigt werden kann. Voraussetzung dafür ist die Modellierung komplexer variabler Lichtsignalprogramme (VA-Programme), in denen die ÖPNV-Priorisierung integriert ist. Zum anderen muss das damit erweiterte Verfahren für den praktischen Einsatz operationalisiert werden. Nach Abschluss dieser Entwicklungsschritte wird das Verfahren für die Optimierung der Netzkoordinierung in München eingesetzt. Für ein Teilnetz werden die Versatzzeiten unter Berücksichtigung aller realen Zwangsbedingungen und des ÖPNV 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 Ver-kehrsflussmodell. 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. 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 LSAVersatzzeiten 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.
Das ergänzte CTM kann als Erweiterung zum Vorgängerprojekt verkehrsabhängige Steuerungen
inklusive ÖPNV-Priorisierung abbilden. Das Hauptelement zur Modellierung der verkehrsabhängigen Steuerungen bilden Phasen, in denen eine Abfolge von Logik-Elementen (Bedingung oder Aktion) versorgt werden. Auf diese Weise lassen sich alle in der Realität vorkommenden Elemente einer verkehrsabhängigen Steuerung (Phasen, Unterprogramme, Phasenübergänge) abbilden. Des Weiteren bot das ursprüngliche CTM keine Möglichkeit, einzelne Fahrzeuge auf ihrem Weg durch das Netz zu verfolgen. Zur Berücksichtigung von ÖPNVPriorisierungen an Lichtsignalanlagen wird das Prinzip der Verfolgung von masselosen Partikeln zur Abbildung der Bewegung von ÖPNV-Fahrzeugen benutzt. Ein Partikel startet zu einer bestimmten Simulationssekunde (Abfahrtszeit) in einer Zelle und bewegt sich entlang einer definierten Route (Starthaltestelle und die im Fahrtverlauf folgende Haltestelle).
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 Informationen über die Lichtsignalanlagen (im wesentlichen Umlaufzeit, Signalgruppen, Grünzeitanteile). Zusätzlich können jetzt auch flexible und komplexe Logiken im Bereich der Signalprogramme ver-sorgt werden. Eine Berücksichtigung von VAProgrammen bei der Simulation mit dem CTM ist möglich. Für die ÖPNV-Priorisierung sind Daten zur Modellierung der Fahrten des öffentlichen Personennahverkehrs zu versorgen. Die 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 Berichtangezeigt.
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 rechtzeitig abbrechen.
Als technische Lösung wurde eine Entkoppelung der Benutzerschnittstelle und der Versatzzeitoptimierung beibehalten. 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 DELPHI/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 und eine Benutzerschnittstelle aus dem Vorgängerprojekt 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 optimierten Versatzzeiten deutliche Reduzierungen aller verkehrlicher und umweltrelevanten Kenngrößen gegenüber dem Ist-Zustand mit verkehrsabhängigen Steuerungen und ÖPNV-Priorisierung erzielen lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Des Weiteren sind die Internetseiten http://www.cetrans.net und http://www.ampelopt.de seit August 2008 freigeschaltet. Das Produkt CeTRANS ist ein Teil von Angeboten der Firma TRANSVER.


Fazit

Das System CeTRANS bestehend aus dem Simulations- und Optimierungskern und einer Benutzeroberfläche ermöglicht eine Versatzzeitoptimierung unter Berücksichtigung des öffentlichen Personennahverkehrs 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. Im Bereich der Lichtsignalanlagen können sowohl Festzeitprogramme als auch variable Logiken (VA-Programme)inklusive ÖPNV-Priorisierung in der Simulation berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Optimierung konnten Verbesserungen der Zielgrößen Verlustzeiten und Halte für den motorisierten Individualverkehr von 5% bis 10% mit mikroskopischen Simulationen nachgewiesen werden.