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Untersuchung der Einsatzbereiche regelbasierter und modellbasierter Verkehrssteuerungen

Xue, Ning (2017):
Untersuchung der Einsatzbereiche regelbasierter und modellbasierter Verkehrssteuerungen.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Mit dem Wirtschaftswachstum nimmt die Verkehrsnachfrage in vielen großen Städten, besonders in asiatischen Ländern stetig zu. In diesen Städten sind zahlreiche Knotenpunkte während der Spitzenstunde sehr stark belastet oder überlastet. Weiterhin ist die Umweltauswirkung von Verkehr immer kritischer geworden. Um die Steuerungsqualität zu erhöhen und die Kapazität der Verkehrsanlagen auszunutzen, ist der Einsatz von verkehrsabhängigen Steuerungsverfahren notwendig. Die vorliegende Master-Arbeit befasst sich daher mit den Einsatzbereichen von regelbasierten und modellbasierten Steuerungsverfahren. Die Verkehrssteuerungsverfahren sind nach RiLSA [2015] auf der makroskopischen und der mikroskopischen Ebene zu differenzieren. Auf der makroskopischen Ebene werden langfristige Belastungsänderungen in Netzen oder an Knotenpunkten berücksichtigt, während die Steuerungs-verfahren auf der mikroskopischen Ebene auf die kurzfristige Veränderung des Verkehrszustands an Knotenpunkten reagieren können. Nach der Aktivierungsart können noch zeitplanabhängige Steuerungsverfahren (Signalprogrammauswahl) und verkehrsabhängige Verfahren unterschieden werden. Verkehrsabhängige Steuerungsverfahren können an den Knotenpunkten entweder regelbasiert oder modellbasiert umgesetzt werden. Eine regelbasierte Steuerung basiert direkt auf den Messdaten von Verkehrsflüssen. Bei dem Entscheidungsprozess sind logische, zeitliche und Zustandsbedingungen zu berücksichtigen. Ein Ablaufdiagramm wird meistens sekündlich für die Steuerung durchlaufen. Im Gegensatz zu regelbasierten Steuerungen verwenden modellbasierte Steuerungen in einem Modell verarbeitete Daten. Abbildung des Verkehrszustands, Durchsuchung der Steuerungsalternativen und Berechnung der Steuerungswirkung werden anhand der entsprechenden Modelle durchgeführt. Die optimale Lösung wird mit Hilfe einer Zielfunktion, in die verschiedene Kenngrößen einfließen können, bestimmt. Eine regelbasierte Steuerung wird in der Regel individuell vom Verkehrsingenieur für das Einsatzgebiet entworfen. Die Qualität der Steuerung ist abhängig von dem planenden Ingenieur. Im Laufe der Zeit wurden standardisierte Steuerungsverfahren wie VS-PLUS oder verkehrstechnische Arbeitsplätze und Sprachen wie TRENDS/TRELAN zur Erstellung von regelbasierten Steuerungen entwickelt, mit deren Hilfe die Arbeitsprozesse standardisiert und vereinfacht werden Zugleich wurden auch zahlreiche modellbasierte Steuerungsverfahren entwickelt. Nach dem Steuerungsgebiet ist zwischen modellbasierten Knotenpunktsteuerungsverfahren (z.B. OPAC, EPICS etc.) und Netzsteuerungsverfahren (SCOOT, UTOPIA, BALANCE etc.) zu unterscheiden. Das Steuerungssystem kann zentral oder dezentral aufgebaut werden. Die Erfassung der Verkehrsflussdaten kann je nach Bedürfnis der jeweiligen Verfahren durch Detektoren an der Haltlinie, kurz vor der Haltlinie oder stromaufwärts erfolgen. In der Zielfunktion sind normalerweise verkehrliche Kenngrößen wie die mittlere Wartezeit, Anzahl der Halte und ggf. auch die mittlere Staulänge einzuberechnen. Zu den Steuerungsvariablen gehören Freigabezeit, Phasenfolge, Umlaufzeit sowie Versatzzeit. Die Optimierung von Netzsteuerungen wie SCOOT und BALANCE wird typischerweise in Intervallen von 5 Minuten durchgeführt, die von Knotenpunktsteuerungen wie EPICS oder LA ATCS dagegen sekündlich. Zur Erstellung der Einsatzkriterien beider verkehrsabhängiger Steuerungen wurden in Anlehnung an vorherige Forschungen die folgenden Merkmale zusammengefasst: Verkehrsnachfrage: - Verkehrsbelastung (schwach bis mittel, stark, überlastet) - Verkehrsschwankung (tageszeitabhängig, räumlich, situationsabhängig) Netzstruktur: Linienzug, sich kreuzende Linienzüge oder Netz mit Vermaschung Knotenpunktgröße: klein, mittelgroß, groß Knotenpunktform: Einmündung, Kreuzung, Kreisverkehr, aufgeweitete Kreuzung Fahrstreifenaufteilung: mit Linksabbiegerfahrstreifen, mit ÖPNV-Fahrstreifen Ziele der Steuerung: - Reduzierung der Umweltwirkungen - Situationsabhängige Optimierung spezifischer Kenngrößen - Zuflussdosierung durch Pförtneranlagen - ÖV-Priorisierung

Anschließend wurden beide verkehrsabhängige Steuerungen in der mikroskopischen Simulation (VISSIM) modelliert. Das Simulationsmodell basiert auf einem realistischen Verkehrsnetz in Neu-Delhi (Indien). Um die vorliegenden Merkmale zu untersuchen, wurden mehrere Szenarien aufgrund des Basismodells entworfen. Aus technischen Gründen wurden bei den Simulationen nur lokale Steuerungen eingesetzt. Regelbasierte Steuerungen wurden möglichst einfach und praxisrelevant erstellt, während modellbasierte Steuerungen durch PTV EPICS repräsentiert sind. Gegenüber dem homogenen Verkehr in Deutschland, der hauptsächlich aus Pkw besteht, ist der indische Verkehr sehr heterogen. Statt sie nach deutschen Regelwerken wie HBS und RiLSA zu berechnen wurden deshalb die meisten Steuerungsvariablen mit Hilfe der Simulation festgelegt. Zur Auswertung der Steuerungsqualität wurden nach dem Vorschlag aus HBS [2015] die mittlere Verlustzeit, Anzahl der Halte, mittlere Staulänge und eventuell maximale Staulänge als verkehrliche Kenngrößen benutzt. Die Umweltwirkung wie Emissionen wurde mit Hilfe des Softwareprogramms EnViVer ermittelt. Von den Simulationsergebnissen sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen. Im Vergleich zu homogenem Verkehr stellt der heterogene Verkehr größere Herausforderungen an die modellbasierten Steuerungen. Die Verkehrsdaten sind für verkehrsabhängige Steuerungen in diesem Fall am besten zufahrtbezogen zu erfassen. Modellbasierte Verkehrssteuerungen können mehrere Kenngrößen gleichzeitig berücksichtigen. Bei ÖV-Priorisierung wirkt sich die lokale modellbasierte Steuerung weniger negativ auf den individuellen Verkehr aus. Gegenüber regelbasierten Steuerungen können lokale modellbasierte Steuerungen situationsabhängige Verkehrsschwankungen besser bewältigen. Die lokale regelbasierte Steuerung zeigt gewisse Vorteile bei dem Einsatz an Einmündungen von einer Nebenstraße zur Hauptstraße. Das Potential zur Reduzierung von Schadstoffemissionen ist bei lokalen verkehrsabhängigen Steuerungen sehr begrenzt. Bei Überlastung des Knotenpunkts aus mehreren Zufahrten kann mit lokalen verkehrsabhängigen Steuerungen keine große Verbesserung erreicht werden. In folgenden Studien ist der Einsatz von lokalen verkehrsabhängigen Steuerungsverfahren bei anderen Knotenpunktformen (Kreisverkehr, aufgeweitete Kreuzung) und Knotenpunkten mit unterschiedlichen Fahrstreifenaufteilungen (ÖV-Fahrstreifen, Linksabbiegerfahrstreifen) zu untersuchen. Weiterhin sind bei der Auswahl der Steuerungsverfahren der Fußgänger- und Radverkehr einzubeziehen. Darüber hinaus sind die Kombinationen von Netzsteuerungsverfahren mit Knotenpunktsteuerungsverfahren bei unterschiedlichen Situationen zu untersuchen.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Xue, Ning
Title: Untersuchung der Einsatzbereiche regelbasierter und modellbasierter Verkehrssteuerungen
Language: German
Abstract:

Mit dem Wirtschaftswachstum nimmt die Verkehrsnachfrage in vielen großen Städten, besonders in asiatischen Ländern stetig zu. In diesen Städten sind zahlreiche Knotenpunkte während der Spitzenstunde sehr stark belastet oder überlastet. Weiterhin ist die Umweltauswirkung von Verkehr immer kritischer geworden. Um die Steuerungsqualität zu erhöhen und die Kapazität der Verkehrsanlagen auszunutzen, ist der Einsatz von verkehrsabhängigen Steuerungsverfahren notwendig. Die vorliegende Master-Arbeit befasst sich daher mit den Einsatzbereichen von regelbasierten und modellbasierten Steuerungsverfahren. Die Verkehrssteuerungsverfahren sind nach RiLSA [2015] auf der makroskopischen und der mikroskopischen Ebene zu differenzieren. Auf der makroskopischen Ebene werden langfristige Belastungsänderungen in Netzen oder an Knotenpunkten berücksichtigt, während die Steuerungs-verfahren auf der mikroskopischen Ebene auf die kurzfristige Veränderung des Verkehrszustands an Knotenpunkten reagieren können. Nach der Aktivierungsart können noch zeitplanabhängige Steuerungsverfahren (Signalprogrammauswahl) und verkehrsabhängige Verfahren unterschieden werden. Verkehrsabhängige Steuerungsverfahren können an den Knotenpunkten entweder regelbasiert oder modellbasiert umgesetzt werden. Eine regelbasierte Steuerung basiert direkt auf den Messdaten von Verkehrsflüssen. Bei dem Entscheidungsprozess sind logische, zeitliche und Zustandsbedingungen zu berücksichtigen. Ein Ablaufdiagramm wird meistens sekündlich für die Steuerung durchlaufen. Im Gegensatz zu regelbasierten Steuerungen verwenden modellbasierte Steuerungen in einem Modell verarbeitete Daten. Abbildung des Verkehrszustands, Durchsuchung der Steuerungsalternativen und Berechnung der Steuerungswirkung werden anhand der entsprechenden Modelle durchgeführt. Die optimale Lösung wird mit Hilfe einer Zielfunktion, in die verschiedene Kenngrößen einfließen können, bestimmt. Eine regelbasierte Steuerung wird in der Regel individuell vom Verkehrsingenieur für das Einsatzgebiet entworfen. Die Qualität der Steuerung ist abhängig von dem planenden Ingenieur. Im Laufe der Zeit wurden standardisierte Steuerungsverfahren wie VS-PLUS oder verkehrstechnische Arbeitsplätze und Sprachen wie TRENDS/TRELAN zur Erstellung von regelbasierten Steuerungen entwickelt, mit deren Hilfe die Arbeitsprozesse standardisiert und vereinfacht werden Zugleich wurden auch zahlreiche modellbasierte Steuerungsverfahren entwickelt. Nach dem Steuerungsgebiet ist zwischen modellbasierten Knotenpunktsteuerungsverfahren (z.B. OPAC, EPICS etc.) und Netzsteuerungsverfahren (SCOOT, UTOPIA, BALANCE etc.) zu unterscheiden. Das Steuerungssystem kann zentral oder dezentral aufgebaut werden. Die Erfassung der Verkehrsflussdaten kann je nach Bedürfnis der jeweiligen Verfahren durch Detektoren an der Haltlinie, kurz vor der Haltlinie oder stromaufwärts erfolgen. In der Zielfunktion sind normalerweise verkehrliche Kenngrößen wie die mittlere Wartezeit, Anzahl der Halte und ggf. auch die mittlere Staulänge einzuberechnen. Zu den Steuerungsvariablen gehören Freigabezeit, Phasenfolge, Umlaufzeit sowie Versatzzeit. Die Optimierung von Netzsteuerungen wie SCOOT und BALANCE wird typischerweise in Intervallen von 5 Minuten durchgeführt, die von Knotenpunktsteuerungen wie EPICS oder LA ATCS dagegen sekündlich. Zur Erstellung der Einsatzkriterien beider verkehrsabhängiger Steuerungen wurden in Anlehnung an vorherige Forschungen die folgenden Merkmale zusammengefasst: Verkehrsnachfrage: - Verkehrsbelastung (schwach bis mittel, stark, überlastet) - Verkehrsschwankung (tageszeitabhängig, räumlich, situationsabhängig) Netzstruktur: Linienzug, sich kreuzende Linienzüge oder Netz mit Vermaschung Knotenpunktgröße: klein, mittelgroß, groß Knotenpunktform: Einmündung, Kreuzung, Kreisverkehr, aufgeweitete Kreuzung Fahrstreifenaufteilung: mit Linksabbiegerfahrstreifen, mit ÖPNV-Fahrstreifen Ziele der Steuerung: - Reduzierung der Umweltwirkungen - Situationsabhängige Optimierung spezifischer Kenngrößen - Zuflussdosierung durch Pförtneranlagen - ÖV-Priorisierung

Anschließend wurden beide verkehrsabhängige Steuerungen in der mikroskopischen Simulation (VISSIM) modelliert. Das Simulationsmodell basiert auf einem realistischen Verkehrsnetz in Neu-Delhi (Indien). Um die vorliegenden Merkmale zu untersuchen, wurden mehrere Szenarien aufgrund des Basismodells entworfen. Aus technischen Gründen wurden bei den Simulationen nur lokale Steuerungen eingesetzt. Regelbasierte Steuerungen wurden möglichst einfach und praxisrelevant erstellt, während modellbasierte Steuerungen durch PTV EPICS repräsentiert sind. Gegenüber dem homogenen Verkehr in Deutschland, der hauptsächlich aus Pkw besteht, ist der indische Verkehr sehr heterogen. Statt sie nach deutschen Regelwerken wie HBS und RiLSA zu berechnen wurden deshalb die meisten Steuerungsvariablen mit Hilfe der Simulation festgelegt. Zur Auswertung der Steuerungsqualität wurden nach dem Vorschlag aus HBS [2015] die mittlere Verlustzeit, Anzahl der Halte, mittlere Staulänge und eventuell maximale Staulänge als verkehrliche Kenngrößen benutzt. Die Umweltwirkung wie Emissionen wurde mit Hilfe des Softwareprogramms EnViVer ermittelt. Von den Simulationsergebnissen sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen. Im Vergleich zu homogenem Verkehr stellt der heterogene Verkehr größere Herausforderungen an die modellbasierten Steuerungen. Die Verkehrsdaten sind für verkehrsabhängige Steuerungen in diesem Fall am besten zufahrtbezogen zu erfassen. Modellbasierte Verkehrssteuerungen können mehrere Kenngrößen gleichzeitig berücksichtigen. Bei ÖV-Priorisierung wirkt sich die lokale modellbasierte Steuerung weniger negativ auf den individuellen Verkehr aus. Gegenüber regelbasierten Steuerungen können lokale modellbasierte Steuerungen situationsabhängige Verkehrsschwankungen besser bewältigen. Die lokale regelbasierte Steuerung zeigt gewisse Vorteile bei dem Einsatz an Einmündungen von einer Nebenstraße zur Hauptstraße. Das Potential zur Reduzierung von Schadstoffemissionen ist bei lokalen verkehrsabhängigen Steuerungen sehr begrenzt. Bei Überlastung des Knotenpunkts aus mehreren Zufahrten kann mit lokalen verkehrsabhängigen Steuerungen keine große Verbesserung erreicht werden. In folgenden Studien ist der Einsatz von lokalen verkehrsabhängigen Steuerungsverfahren bei anderen Knotenpunktformen (Kreisverkehr, aufgeweitete Kreuzung) und Knotenpunkten mit unterschiedlichen Fahrstreifenaufteilungen (ÖV-Fahrstreifen, Linksabbiegerfahrstreifen) zu untersuchen. Weiterhin sind bei der Auswahl der Steuerungsverfahren der Fußgänger- und Radverkehr einzubeziehen. Darüber hinaus sind die Kombinationen von Netzsteuerungsverfahren mit Knotenpunktsteuerungsverfahren bei unterschiedlichen Situationen zu untersuchen.

Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 26 Jan 2018 21:41
Official URL: https://www.verkehr.tu-darmstadt.de/media/verkehr/fgvv/beruf...
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Jiang, M. Sc. Wei
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
With the economic growth, traffic demand is growing steadily in many large cities, particularly in Asian countries. In these cities, many junctions are heavily loaded or overloaded during peak hours. Furthermore, the environmental impact of traffic has become increasingly critical. In order to increase the quality of signal control and to exploit the capacity of the traffic facilities, the use of traffic-dependent control methods is necessary. This master thesis therefore deals with the fields of application of rule-based and model-based control methods. Traffic control methods are to be differentiated according to RiLSA [2015] on the macroscopic and the microscopic level. At the macroscopic level, long-term changes of traffic demand in networks or at junctions are taken into account, while the control methods at the microscopic level can react to the short-term changes in the traffic state at nodes. Depending on the activation type, it is also possible to distinguish between schedule-dependent control methods (signal program selection) and traffic-dependent methods. Traffic-actuated control method can be implemented at the nodes either rule-based or model-based. A rule-based control is based directly on the measurement data of traffic flows. Logical, temporal and conditional conditions must be taken into account in the decision-making process. A flowchart is usually passed through for the control system every second. Unlike rule-based controls, model-based controls use data, that are processed in a model. Mapping of the traffic state, search of the control alternatives and calculation of the control effect are carried out using the appropriate models. The optimal solution is determined by means of a target function in which various parameters can be incorporated. A rule-based control is usually designed individually by the traffic engineer for the application area. The quality of the control depends on the engineer. In the course of time, standardized control procedures such as VS-PLUS or traffic engineering workstations and languages such as TRENDS / TRELAN have been developed to create rule-based controls, by which the working process can be highly standardized and simplified. At the same time, numerous model-based control procedures were also developed. According to the control area, a distinction is made between model-based node control methods (e.g., OPAC, EPICS, etc.) and network control methods (SCOOT, UTOPIA, BALANCE, etc.). The control system can be set up centrally or decentrally. The traffic flow data can be recorded, depending on the need of the respective methods, by means of detectors on the stop line, just before the stop line or upstream. In the target function, traffic characteristics such as the average waiting time, the number of stops, and, if necessary, the average queue length are also to be taken into account. The control variables include green time, phase sequence, cycle time and offset time. The optimization of network controllers, such as SCOOT and BALANCE, is typically performed at intervals of 5 minutes, whereas the node controllers, such as EPICS or LA ATCS, perform second-by-second. In order to create the criteria for the application of both traffic-dependent controllers, the following features have been summarized according to previous research: Trafficdemand: - Traffic load (weak to medium, heavy, overloaded) - Verkehrsschwankung (temporal, spatial, situation-dependent) Network structure: line, intersecting lines or network with meshing Junction size: small, medium, large Junction form: crossroad, T-junction, roundabout, widened intersection Lane division: with left-hand lane, with public transport lanes Goals of control: - Reduction of environmental impacts - Situation-dependent optimization of specific parameters - Flow metering by gateway systems - public transport prioritization Then both vehicle-actuated controls have been modeled in the microscopic simulation (VISSIM). The simulation model is based on a realistic transport network in New Delhi (India). To investigate the present features, several scenarios were developed based on the basic model. For technical reasons, only local controls were used in the simulations. Rule-based controls have been created as simply and practically as possible while model-based controls are represented by PTV EPICS. Compared to homogeneous traffic in Germany, which mainly consists of passenger cars, Indian traffic is very heterogeneous. Instead of calculating them according to German regulations such as HBS and RiLSA, most control variables have been defined using the simulation. In order to evaluate the control quality, the average delay, number of stops, average queue length and possibly maximum queue length were used as traffic parameters according to the proposal from HBS [2015]. The environmental impact, such as emissions, was determined using the software program EnViVer. The following conclusions should be drawn from the simulation results. Compared to homogenous traffic, heterogeneous traffic poses major challenges to the model-based controls. In this case, the traffic data is to be recorded preferably approach-related for traffic-dependent controls. Model-based traffic controls can take several parameters simultaneously into account. In the case of public-transport prioritization, the local model-based control has less negative effects on individual traffic. In contrast to rule-based controls, local model-based controls can better manage situations-dependent traffic fluctuations. The local rule-based control shows certain advantages when using at T-junctions from a secondary road to the main road. The potential for reducing pollutant emissions is very limited for local traffic-dependent controls. When the node is overloaded from several approaches, no major improvement can be achieved with local traffic-dependent controls. In the following studies, the use of local traffic-dependent control methods for other junction types (roundabout, widened intersection) and junctions with different lane divisions (public lane lanes, left turn lanes) must be investigated. In addition, the selection of the control methods must include pedestrian and bicycle traffic. Additionally, the combinations of network control methods with node control methods are to be investigated in different situations.English
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