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Potenziale und Einsatzgrenzen der Ortungs- und Erfassungstechnik zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren

Sagiroglu, L. Tolga (2009):
Potenziale und Einsatzgrenzen der Ortungs- und Erfassungstechnik zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren.
TU Darmstadt,
[Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Die Mobilität nimmt seit Jahrzehnten zu, am deutlichsten beim motorisierten Straßenverkehr, und für die Zukunft muss auch von weiteren Zunahmen ausgegangen werden. Diese Zunahme ist einerseits positiv, weil damit die Erreichbarkeit zu anderen Personen und Gütern sowie die Nutzung von Dienstleistungen verbessert werden. Anderseits aber verursacht sie ab einem Punkt so hohe Kosten, dass diese ein wichtigeres Entscheidungskriterium werden, als der Nutzen und verringern die Zugangsmöglichkeiten. Laut OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) soll im Bereich Verkehr in erste Linie darauf abgezielt werden, „die nutzenbringenden Aspekte des Verkehrs zu erhalten und sogar zu erhöhen, während die negativen Auswirkungen auf ein nachhaltiges Niveau zu reduzieren“ sind. Viele Wissenschaftler greifen auf das in der Wirtschaft geläufige Prinzip von Angebot und Nachfrage zurück, weil sie darin die einfachste Methode sehen, den Straßenverkehr zu optimieren. Hierbei ist die Straßenverkehrsinfrastruktur als eine knappe oder besser gesagt eine limitierte Ressource zu sehen und der Zugang zum Straßennetz durch einen dynamischen Gebührenerhebungsmechanismus zu kontrollieren. Road Pricing als Maßnahme kann im Allgemeinen dazu dienen, die Entscheidung der Benutzer zu beeinflussen und damit Verkehrsaufkommen zu optimieren. Außerdem wird dadurch eine verursachergerechte Aufteilung der Kosten ermöglicht. Es gibt unterschiedliche Arten von Bepreisungssystemen. Die Bepreisung der Straßenbenutzung kann entweder auf fixe Benutzungsgebühren basieren oder sich abhängig von Variablen, wie Zeit, Strecke, Ort, Fahrzeugtyp, Emissionsklasse usw. ändern. Die Positionsbestimmung bzw. Erkennung eines Fahrzeugs, an dem entsprechenden Straßenabschnitt ist dabei sehr wichtig, weil für die Bepreisung eines Fahrzeugs nachgewiesen werden muss, dass sich dieses Fahrzeug in dem entsprechenden Abschnitt befindet. Um eine zuverlässige Bepreisung der Nutzer zu ermöglichen, ist es außerdem notwendig, dass die Erkennung bzw. Ortung korrekt durchgeführt wird. Eine falsche bzw. fehlende Identifikation kann zur Erstellung inkorrekter Abrechnungen und dadurch zu Konflikten mit den Nutzern bzw. zu Einnahmeverlusten für die Betreiber führen. Die Qualität der Ortung bzw. Erkennung eines Fahrzeugs muss den Anforderungen eines Bepreisungskonzeptes entsprechen. Im Allgemeinen sind Genauigkeit, Integrität, Verfügbarkeit, und Kontinuität die wichtigsten Parameter bzw. Anforderungen eines Systems. Zu diesen Anforderungen zählen auch Wirtschaftlichkeit eines Konzeptes und bedingt durch Globalisierung und Internationalisierung der Märkte Interoperabilität der Systeme verschiedener Betreiber. Die wichtigsten Methoden, die beim Road Pricing zur Ortung bzw. Erkennung der Fahrzeuge dienen, sind Bakenverfahren (DSRC), automatische Kennzeichenerfassung und Ortung via GNSS. DSRC basiert auf der berührungslosen Kommunikation zwischen dem Fahrzeug (Transponder) und der straßenseitigen Einheit (Bake = Lesegerät) via Infrarot oder Mikrowellentechnik. Die Position eines Fahrzeuges wird beim Vorbeifahren von der straßenseitigen Einheit, der so genannten Bake (oder Kopfbrücke) bestimmt. Das heißt, an den Stellen, wo Baken installiert sind, kann das Fahrzeug erfasst und seine Position bestimmt werden. DSRC hat in erster Linie den Vorteil, dass es schon weltweit viele Systeme gibt, die mit dieser Technologie einwandfrei funktionieren. Für ein Bepreisungskonzept mit DSRC muss man aber viel in den straßenseitigen Elementen investieren, wobei der hohe Investitionsaufwand und dadurch entstehende Kosten, die Flexibilität des Systems stark beeinträchtigen. Das Lkw-Mautsystem in Österreich, die von ASFINAG (Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft) aufgebaut wurde, ist ein Beispiel für ein auf DSRC basierendes System. Wie schon erwähnt ist GNSS eine weitere Technik. Ortung mit Hilfe von GNSS basiert auf die Ortung eines Fahrzeugs durch Satelliten. Ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS) ist ein Netzwerk von Satelliten, die Radiosignale mit Daten, wie zum Beispiel Zeit- und Entfernungsmessung (ranging) an die Empfänger senden. Das US-amerikanische GPS, das russische GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) und das kommende europäische Galileo sind die bekanntesten Beispiele für GNSS. Positionierung erfolgt hierbei mit der Abschätzung der Reisezeit eines Signals, das von einem Satellit mit bekannter Position an die Empfänger auf der Erde gesendet wird. Das System in Deutschland ist das erste große Bepreisungssystem in der Welt, das satellitenbasierende Road Pricing Technologie eingesetzt hat. Die Nutzung der Satelliten zur Positionsbestimmung für Bepreisungszwecke ermöglicht einen nahtloseren Service über eine bestimmte geographische Fläche ohne Begrenzung. Außerdem wird der Bedarf für straßenseitige Infrastruktur stark reduziert, was die Flexibilität des Systems für mögliche Änderungen oder Erweiterungen erhöht. Hauptprobleme dabei sind die schwankende Genauigkeit der Ortung und Verfügbarkeit der Satelliten. Sie hängen im Wesentlichen von der momentanen Stellung der Satelliten ab. Im freien Raum, wo die Sicht zu den Satelliten kaum beeinträchtigt wird, scheint das System zuverlässige Ergebnisse zu liefern. In Tunnels, unter Brücken, in geschlossenen Gebäuden, wie zum Beispiel Parkhäuser, aber auch zwischen hohen Gebäuden in dichten Stadtzentren, wo die Sichtverbindung völlig oder teilweise unterbrochen ist, wird die Wahrscheinlichkeit der inkorrekten Messung stark erhöht.. Videobasierende Autokennzeichen Erkennung oder sogenannte ANPR ist eine weitere Methode, die zur Erkennung der Fahrzeuge dient. ANPR wurde zum ersten Mal in England als versteckte Maßnahme gegen Terrorismus verwendet und wird vor allem dort noch immer eingesetzt. Diese Technologie basiert auf Kamerabilder. Videokameras machen Fotos von vorbeifahrenden Fahrzeugen und fangen dessen Autokennzeichen auf, wobei die Kennzeichen mit Hilfe einer Software (OCR: Optical Character Recognition) bearbeitet werden, um numerische und alphabetische Charaktere ohne menschlichen Zugriff auszuzeichnen. Das Londoner Erhebungsschema für Straßengebühren ist hierbei ein typisches Beispiel. Im Vergleich zu DSRC und GNSS Systeme, hat ANPR den Vorteil, dass kein zusätzliches Gerät im Fahrzeug gebraucht wird. Somit wird ein Problem für Gelegenheitsnutzer gelöst, da sie nicht in selten benutzte OBUs investieren müssen. Ähnlich wie DSRC, hat ANPR in erster Linie, den Nachteil, dass die Stationierung und Instandhaltung solcher Systeme sehr teuer sein kann, weil in aufwendige straßenseitige Infrastrukturen investiert werden muss. Netzwerkgestützte Systeme (GSM und W-LAN) sind weitere Technologien, die zur Positionsbestimmung dienen können. GSM basiert auf die Ortung der Mobilfunkteilnehmer mit Hilfe von Basisstationen der Mobilfunknetze. W-LAN dagegen ist in erster Linie für Dateitransfer zwischen Computern aufgebaut worden, aber weil das System mit einer preisgünstigen Hardware überall zugänglich ist, bietet sich die Idee an, dieses System für Ortungszwecke zu benutzen. Im Allgemeinen sind die beiden Technologien noch nicht direkt als Ortungstechnik berücksichtigt worden, weil im aktuellen Zustand die ermittelbare Genauigkeit den Anforderungen eines Bepreisungskonzeptes nicht entspricht. Es kann sich aber mit der potenzialen Entwicklung der Technologien ändern und sich in naher Zukunft als Alternative zu den obengenannten Technologien etablieren. Die sogenannten Deduced Reckoning und Map-Matching sind zwei weitere Techniken, die statt direkter Ortung, in erster Linie zur Erhöhung der genannten Anforderungen dienen. DR, besteht aus zwei oder mehreren Sensoren, die die Richtung und die zurückgelegte Strecke (Distanz) messen. Mit der Kombination dieser zwei Messungen kann die Position des Fahrzeugs relativ zum Startpunkt bestimmt werden. Map-Matching ist eine Technik, die verschiedene Algorithmen benutzt, um die von anderen Systemen stammenden Positionen zu verbessern und dadurch die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Hierbei werden die Positionen mit digitalen Straßenkarten verknüpft, um den benutzten Straßenabschnitt und dadurch die Position des Fahrzeugs zu bestimmen. Alle obengenannten Technologien haben ihre eigenen Vorteile und Nachteile. Die Betreiber der Systeme für Gebührenerhebung haben jahrelang DSRC bevorzugt, weil Systeme mit dieser Technologie ziemlich einfach ablaufen und für die Benutzer leicht nachvollziehbar sind. Neue Technologien dagegen, wie zum Beispiel Satellitentechnologie, bieten weitere Möglichkeiten für neuartige Bepreisungsschemen. Wenn durch Gebührenerhebung das Nutzerverhalten flächendeckend und möglicherweise grenzüberschreitend für verschiedene Straßentypen und bezogen auf Faktoren, wie Tageszeit, Wochentag, Kalendermonat, Fahrzeugtyp usw. beeinflusst werden soll, ist ein System mit Ortung durch Satelliten empfehlenswert. Experten zweifeln beim aktuellen Zustand dieser Technologie jedoch daran. Das kommende Galileo-System mit seiner „Integrität“, die geplante GPS-Modernisierung, eine mögliche Kombination von GPS und Galileo und weitere Maßnahmen werden bessere Ergebnisse, sowie eine höhere Genauigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit liefern. Außerdem kann das oben genannte Problem im Innenstadtbereich mit Hilfe von anderen Technologien, wie zum Beispiel DR oder Map-Matching minimiert werden. Statt sich auf einzelne Technologien zu konzentrieren, sollten vorhandene und mögliche Technologien effizient kombiniert werden, um die bestmögliche bzw. effizienteste Lösung zu erhalten.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2009
Creators: Sagiroglu, L. Tolga
Title: Potenziale und Einsatzgrenzen der Ortungs- und Erfassungstechnik zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren
Language: German
Abstract:

Die Mobilität nimmt seit Jahrzehnten zu, am deutlichsten beim motorisierten Straßenverkehr, und für die Zukunft muss auch von weiteren Zunahmen ausgegangen werden. Diese Zunahme ist einerseits positiv, weil damit die Erreichbarkeit zu anderen Personen und Gütern sowie die Nutzung von Dienstleistungen verbessert werden. Anderseits aber verursacht sie ab einem Punkt so hohe Kosten, dass diese ein wichtigeres Entscheidungskriterium werden, als der Nutzen und verringern die Zugangsmöglichkeiten. Laut OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) soll im Bereich Verkehr in erste Linie darauf abgezielt werden, „die nutzenbringenden Aspekte des Verkehrs zu erhalten und sogar zu erhöhen, während die negativen Auswirkungen auf ein nachhaltiges Niveau zu reduzieren“ sind. Viele Wissenschaftler greifen auf das in der Wirtschaft geläufige Prinzip von Angebot und Nachfrage zurück, weil sie darin die einfachste Methode sehen, den Straßenverkehr zu optimieren. Hierbei ist die Straßenverkehrsinfrastruktur als eine knappe oder besser gesagt eine limitierte Ressource zu sehen und der Zugang zum Straßennetz durch einen dynamischen Gebührenerhebungsmechanismus zu kontrollieren. Road Pricing als Maßnahme kann im Allgemeinen dazu dienen, die Entscheidung der Benutzer zu beeinflussen und damit Verkehrsaufkommen zu optimieren. Außerdem wird dadurch eine verursachergerechte Aufteilung der Kosten ermöglicht. Es gibt unterschiedliche Arten von Bepreisungssystemen. Die Bepreisung der Straßenbenutzung kann entweder auf fixe Benutzungsgebühren basieren oder sich abhängig von Variablen, wie Zeit, Strecke, Ort, Fahrzeugtyp, Emissionsklasse usw. ändern. Die Positionsbestimmung bzw. Erkennung eines Fahrzeugs, an dem entsprechenden Straßenabschnitt ist dabei sehr wichtig, weil für die Bepreisung eines Fahrzeugs nachgewiesen werden muss, dass sich dieses Fahrzeug in dem entsprechenden Abschnitt befindet. Um eine zuverlässige Bepreisung der Nutzer zu ermöglichen, ist es außerdem notwendig, dass die Erkennung bzw. Ortung korrekt durchgeführt wird. Eine falsche bzw. fehlende Identifikation kann zur Erstellung inkorrekter Abrechnungen und dadurch zu Konflikten mit den Nutzern bzw. zu Einnahmeverlusten für die Betreiber führen. Die Qualität der Ortung bzw. Erkennung eines Fahrzeugs muss den Anforderungen eines Bepreisungskonzeptes entsprechen. Im Allgemeinen sind Genauigkeit, Integrität, Verfügbarkeit, und Kontinuität die wichtigsten Parameter bzw. Anforderungen eines Systems. Zu diesen Anforderungen zählen auch Wirtschaftlichkeit eines Konzeptes und bedingt durch Globalisierung und Internationalisierung der Märkte Interoperabilität der Systeme verschiedener Betreiber. Die wichtigsten Methoden, die beim Road Pricing zur Ortung bzw. Erkennung der Fahrzeuge dienen, sind Bakenverfahren (DSRC), automatische Kennzeichenerfassung und Ortung via GNSS. DSRC basiert auf der berührungslosen Kommunikation zwischen dem Fahrzeug (Transponder) und der straßenseitigen Einheit (Bake = Lesegerät) via Infrarot oder Mikrowellentechnik. Die Position eines Fahrzeuges wird beim Vorbeifahren von der straßenseitigen Einheit, der so genannten Bake (oder Kopfbrücke) bestimmt. Das heißt, an den Stellen, wo Baken installiert sind, kann das Fahrzeug erfasst und seine Position bestimmt werden. DSRC hat in erster Linie den Vorteil, dass es schon weltweit viele Systeme gibt, die mit dieser Technologie einwandfrei funktionieren. Für ein Bepreisungskonzept mit DSRC muss man aber viel in den straßenseitigen Elementen investieren, wobei der hohe Investitionsaufwand und dadurch entstehende Kosten, die Flexibilität des Systems stark beeinträchtigen. Das Lkw-Mautsystem in Österreich, die von ASFINAG (Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft) aufgebaut wurde, ist ein Beispiel für ein auf DSRC basierendes System. Wie schon erwähnt ist GNSS eine weitere Technik. Ortung mit Hilfe von GNSS basiert auf die Ortung eines Fahrzeugs durch Satelliten. Ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS) ist ein Netzwerk von Satelliten, die Radiosignale mit Daten, wie zum Beispiel Zeit- und Entfernungsmessung (ranging) an die Empfänger senden. Das US-amerikanische GPS, das russische GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) und das kommende europäische Galileo sind die bekanntesten Beispiele für GNSS. Positionierung erfolgt hierbei mit der Abschätzung der Reisezeit eines Signals, das von einem Satellit mit bekannter Position an die Empfänger auf der Erde gesendet wird. Das System in Deutschland ist das erste große Bepreisungssystem in der Welt, das satellitenbasierende Road Pricing Technologie eingesetzt hat. Die Nutzung der Satelliten zur Positionsbestimmung für Bepreisungszwecke ermöglicht einen nahtloseren Service über eine bestimmte geographische Fläche ohne Begrenzung. Außerdem wird der Bedarf für straßenseitige Infrastruktur stark reduziert, was die Flexibilität des Systems für mögliche Änderungen oder Erweiterungen erhöht. Hauptprobleme dabei sind die schwankende Genauigkeit der Ortung und Verfügbarkeit der Satelliten. Sie hängen im Wesentlichen von der momentanen Stellung der Satelliten ab. Im freien Raum, wo die Sicht zu den Satelliten kaum beeinträchtigt wird, scheint das System zuverlässige Ergebnisse zu liefern. In Tunnels, unter Brücken, in geschlossenen Gebäuden, wie zum Beispiel Parkhäuser, aber auch zwischen hohen Gebäuden in dichten Stadtzentren, wo die Sichtverbindung völlig oder teilweise unterbrochen ist, wird die Wahrscheinlichkeit der inkorrekten Messung stark erhöht.. Videobasierende Autokennzeichen Erkennung oder sogenannte ANPR ist eine weitere Methode, die zur Erkennung der Fahrzeuge dient. ANPR wurde zum ersten Mal in England als versteckte Maßnahme gegen Terrorismus verwendet und wird vor allem dort noch immer eingesetzt. Diese Technologie basiert auf Kamerabilder. Videokameras machen Fotos von vorbeifahrenden Fahrzeugen und fangen dessen Autokennzeichen auf, wobei die Kennzeichen mit Hilfe einer Software (OCR: Optical Character Recognition) bearbeitet werden, um numerische und alphabetische Charaktere ohne menschlichen Zugriff auszuzeichnen. Das Londoner Erhebungsschema für Straßengebühren ist hierbei ein typisches Beispiel. Im Vergleich zu DSRC und GNSS Systeme, hat ANPR den Vorteil, dass kein zusätzliches Gerät im Fahrzeug gebraucht wird. Somit wird ein Problem für Gelegenheitsnutzer gelöst, da sie nicht in selten benutzte OBUs investieren müssen. Ähnlich wie DSRC, hat ANPR in erster Linie, den Nachteil, dass die Stationierung und Instandhaltung solcher Systeme sehr teuer sein kann, weil in aufwendige straßenseitige Infrastrukturen investiert werden muss. Netzwerkgestützte Systeme (GSM und W-LAN) sind weitere Technologien, die zur Positionsbestimmung dienen können. GSM basiert auf die Ortung der Mobilfunkteilnehmer mit Hilfe von Basisstationen der Mobilfunknetze. W-LAN dagegen ist in erster Linie für Dateitransfer zwischen Computern aufgebaut worden, aber weil das System mit einer preisgünstigen Hardware überall zugänglich ist, bietet sich die Idee an, dieses System für Ortungszwecke zu benutzen. Im Allgemeinen sind die beiden Technologien noch nicht direkt als Ortungstechnik berücksichtigt worden, weil im aktuellen Zustand die ermittelbare Genauigkeit den Anforderungen eines Bepreisungskonzeptes nicht entspricht. Es kann sich aber mit der potenzialen Entwicklung der Technologien ändern und sich in naher Zukunft als Alternative zu den obengenannten Technologien etablieren. Die sogenannten Deduced Reckoning und Map-Matching sind zwei weitere Techniken, die statt direkter Ortung, in erster Linie zur Erhöhung der genannten Anforderungen dienen. DR, besteht aus zwei oder mehreren Sensoren, die die Richtung und die zurückgelegte Strecke (Distanz) messen. Mit der Kombination dieser zwei Messungen kann die Position des Fahrzeugs relativ zum Startpunkt bestimmt werden. Map-Matching ist eine Technik, die verschiedene Algorithmen benutzt, um die von anderen Systemen stammenden Positionen zu verbessern und dadurch die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Hierbei werden die Positionen mit digitalen Straßenkarten verknüpft, um den benutzten Straßenabschnitt und dadurch die Position des Fahrzeugs zu bestimmen. Alle obengenannten Technologien haben ihre eigenen Vorteile und Nachteile. Die Betreiber der Systeme für Gebührenerhebung haben jahrelang DSRC bevorzugt, weil Systeme mit dieser Technologie ziemlich einfach ablaufen und für die Benutzer leicht nachvollziehbar sind. Neue Technologien dagegen, wie zum Beispiel Satellitentechnologie, bieten weitere Möglichkeiten für neuartige Bepreisungsschemen. Wenn durch Gebührenerhebung das Nutzerverhalten flächendeckend und möglicherweise grenzüberschreitend für verschiedene Straßentypen und bezogen auf Faktoren, wie Tageszeit, Wochentag, Kalendermonat, Fahrzeugtyp usw. beeinflusst werden soll, ist ein System mit Ortung durch Satelliten empfehlenswert. Experten zweifeln beim aktuellen Zustand dieser Technologie jedoch daran. Das kommende Galileo-System mit seiner „Integrität“, die geplante GPS-Modernisierung, eine mögliche Kombination von GPS und Galileo und weitere Maßnahmen werden bessere Ergebnisse, sowie eine höhere Genauigkeit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit liefern. Außerdem kann das oben genannte Problem im Innenstadtbereich mit Hilfe von anderen Technologien, wie zum Beispiel DR oder Map-Matching minimiert werden. Statt sich auf einzelne Technologien zu konzentrieren, sollten vorhandene und mögliche Technologien effizient kombiniert werden, um die bestmögliche bzw. effizienteste Lösung zu erhalten.

Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
Date Deposited: 23 Jan 2018 13:26
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Kohoutek, Dipl.-Ing. Sven
Export:
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