Joos Bernhard, Stadtpolizei Zürich
1153 Fahrzeugdetektoren (Schleifendetektoren, empfindlich auf Metallmasse) erfassen den Individualverkehr in der Stadt Zürich. 50 davon sind als Staudetektoren ausgelegt, und zirka 200 sind Anmeldedetektoren für Fahrräder und Fahrzeuge. Die restlichen 900 Detektoren sind kurzer Bauart und können einzelne Fahrzeuge voneinander unterscheiden.
Ziel des Projektes ist es, die neben der Zählung von Fahrzeugen verborgenen Informationen der vorhandenen rund 900 kurzen Detektoren mittels eines intelligenten Detektor-Auswertemoduls freizulegen und sie für Verkehrs- und Leitrechner aufzubereiten. Vor allem die Erkennung von Stau ist eine gesuchte Information.
Die Aufgabe eines Detektors ist die zuverlässige Erfassung des Verkehrsgeschehens. Dieser Artikel geht folgenden Fragen auf den Grund:
Häufig legt die Bauweise eines Detektors seinen möglichen Einsatz als Zählstelle, Anmeldedetektor, Längdetektor oder Staudetektor fest. Nicht immer entspricht aber Bauweise oder Lage eines Detektors dem, was das Programm zur Regelung einer Kreuzung am liebsten hätte. Aus Kostengründen können Detektoren nicht schnell veränderten Bedürfnissen angepasst werden, so dass die Regelprogramme mit unvollständiger Information vorlieb nehmen müssen. Größte Flexibilität bei der Programmierung der Regelung von Kreuzungen erreicht man nur dann, wenn die Bauweise eines Detektors seinen Einsatz nicht einschränkt.
Es ist möglich, einen Standarddetektor mit recht großen Toleranzen zu definieren und durch rechnerische Verarbeitung der Messungen dem Detektor das gewünschte Verhalten zu geben. Es ist dies der übliche Detektor zur Zählung des Verkehrs. Er liefert die meisten Angaben über den Verkehrsfluss.
Insbesondere kann er auch als Staudetektor gebraucht werden, wenn Belegungshäufigkeit und Belegungszeit miteinander in Beziehung gebracht werden. Dadurch wird es möglich, denselben Detektor zur Zählung von Verkehr und gleichzeitig zur Detektion von Stau zu verwenden.
Im allgemeinen unterscheidet man die folgenden vier Arten von Detektoren: zur Anmeldung von Fahrzeugen, zur Verlängerung von Phasen, zur Zählung von Fahrzeugen und zur Erkennung von Stau. Jeder dieser Detektortypen hat eine eigen Bauweise, welche spezifische Nachteile mit sich bringt, wenn der Detektor nicht für seinen ursprünglich gedachten Einsatz verwendet werden soll:
Aus der Mängelliste entnehmen wir, dass ein Zähldetektor die genaueste Information über den Verkehrsfluss liefern kann. Deshalb formulieren wir die zwei folgenden Thesen:
Je kürzer der Detektor ist, umso mehr Informationen kann man seinem Signal abgewinnen.
Aus dem Signal eines kurzen Detektors kann man das gewünschte Verhalten rechnerisch ermitteln: zur Fahrzeuganmeldung, zur Phasenverlängerung, zur Verkehrszählung und zur Staudetektion.
Soll Stau mit einem Zähldetektor erfasst werden, so kann er bei Stau in eine Belegungslücke geraten, wenn aufeinanderfolgende Fahrzeuge den Detektor nicht dauerhaft belegen. Stau lässt sich demzufolge nicht immer als Dauerbelegung eines Zähldetektors erkennen.
Durch die Beobachtung der zeitlichen Entwicklung von Fluss und Belegungszeit kann hingegen erkannt werden, ob sich unmittelbar nach dem Detektor ein Fahrzeug im Stau befindet. Das ist fast genauso gut wie herauszufinden, ob sich auf dem Detektor die Fahrzeuge stauen.
Zusätzlich ist es möglich, Stautendenz zu beobachten, nämlich dann, wenn zwar noch kein Stau auf oder unmittelbar hinter dem Detektor herrscht, jedoch in unmittelbarer Nähe. Die Beobachtung von Stautendenz lässt rund 6 Fahrzeuge früher auf Stau reagieren als mit einem herkömmlichen Staudetektor, was die Regelung einer Kreuzung verbessern kann.
Bei Stau nimmt der Verkehrsfluss ab. Bei Stautendenz nehmen die Belegungszeiten eines Detektors zu, weil die Fahrzeuge langsamer über den Detektor fahren. Bei Stautendenz und Stau verlaufen die Kurve des Verkehrsflusses und die Kurve der Belegungszeit spiegelbildlich zueinander. Die Messwerte werden dazu leicht geglättet, um Ausreißer abzuschwächen.
Die Funktion zur Stauindikation beurteilt die Güte der Spiegelung der beiden Kurven und meldet Stau, wenn sie einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
Abbildung 1: Fluss, Belegungszeit und Stauindikation
Die Belegungszeit kann häufig alleine bereits Auskunft über Stautendenz und Stau geben, gut sichtbar in der vorhergehenden Abbildung. Für einen Detektor von ungefähr 3 m Länge, welcher im Mittel mit 45 km/h überfahren wird, herrscht Stautendenz ab einer Belegungszeit von mehr als 0.7s (Geschwindigkeit kleiner als 35 km/h) und Stau ab einer Belegungszeit von mehr als 1s (Geschwindigkeit kleiner als 25 km/h). Dazu werden die Messwerte über 3 Messungen geglättet, um die Entscheidungen weniger nervös zwischen einem Zustand und dem anderen wechseln zu lassen und um den Einfluss langer Fahrzeuge abzuschwächen.
Abbildung 2: Stauerkennung aus der Belegungszeit
Die Erkennung von Stau geschieht bei den mittleren zwei Staus aus der Belegungslücke, da während des kurzzeitig auftretenden Staus kein Fahrzeug auf dem Detektor stehen geblieben ist. Der Stau am Anfang und der Stau am Ende kann aus einer Dauerbelegung erkannt werden.
Das beschriebene Verfahren zur Erkennung von Staus ist sehr robust - vor allem auch, weil es keine weiteren Messgrössen oder Parameter benötigt als die Impulse des Detektors selbst.
In einer Zufahrt, wo der Detektor nahe beim Haltebalken liegt, kann man sogar auf die Länge des Staus schließen, indem man zusätzlich die Informationen über den Zustand der Signalgruppe verwendet. Natürlich muss man sicher sein, dass zwischen dem Detektor und dem Haltebalken an der Kreuzung keine Fahrzeuge verschwinden oder dazukommen können.
Jeder Detektorimpuls erhöht einen Zähler, welcher die Länge der Schlange wiedergibt. Bei Grün wird die Schlange allmählich kürzer. Dabei muss von einem Standard-Anfahrverhalten der Fahrzeuge ausgegangen werden. In der folgenden Abbildung wird ein gleichmäßiges Anfahren der Fahrzeuge jeweils mit einem zeitlichen Abstand von 1.6s zwischen zwei Fahrzeugen angenommen. Natürlich wäre die Berechnung der Staulänge einfacher, wenn sich am Ausgang der beobachteten Strecke ebenfalls ein Zähldetektor befände.
Abbildung 3: Schlangenlängen vor einer Ampel
Die erste gefüllte Warteschlange, welche etwa um 06:49 abgebaut wird, kann in einer Belegungslücke zwischen dem vierten und dem fünften Fahrzeug erkannt werden. Die anderen beiden gezeigten Warteschlangen äußern sich in einer Dauerbelegung des Detektors.
Die Gruppe Verkehrssteuerung Abteilung für Verkehr der Stadtpolizei Zürich unterhält und betreibt die rund 380 Lichtsignalanlagen der Stadt Zürich. Rund 80 Anlagen sind in Teilsystemen zusammengefasst, sind untereinander koordiniert und werden zeit- und tagesabhängig gesteuert. Die übrigen 300 Lichtsignalanlagen sind verkehrsabhängig geregelt.
In den Zufahrten dieser Anlagen sind rund 900 Fahrzeugdetektoren kurzer Bauart installiert, die punktuelle Informationen über den aktuellen Verkehrszustand liefern. Durch die Erfassung von Belegungsdauer und Belegungslücke kann die Verlängerung (und Verkürzung) des Fahrzeuggrün gesteuert werden.
Für die Erfassung von Stau sind zusätzlich spezielle, lange Detektoren installiert, welche aus einer Dauerbelegung auf Stau schließen können. Solche Staudetektoren sind wegen ihrer Abmessungen und ihres Standortes nicht mit den Verlängerungsdetektoren vergleichbar. Ihr Informationsgehalt lässt vornehmlich Aussagen über Stau zu und kann nur bedingt zur verfeinerten Regelung der Anlage herangezogen werden.
Abbildung 4: Aufbau des Zürcher Systems
Das Schaltgerät empfängt die von den Sensoren detektierten Rohsignale von Tram, Bus, Auto, Fahrrad und Fußgänger und sendet sie an den Verkehrsrechner. Störungen der Lichtsignalanlage und defekte Rotlampen werden direkt an den Verkehrsleitrechner zur Störungssignalisierung gesandt.
Das Schaltgerät empfängt auf der anderen Seite Steuersignale (Ein- / Ausbefehle) vom Verkehrsrechner und setzt sie in Grün, Gelb und Rot des entsprechenden Fahrstreifens um. Sekündlich werden die Zwischenzeiten und die Farbenfolge der einzelnen Fahrspuren vom Sicherheitsmodul überprüft.
Der Verkehrsrechner ist mit maximal 90 Knotenrechnern bestückt. Jeder dieser Knotenrechner enthält ein Echtzeit-Betriebssystem und die folgenden Module:
das einwandfreie Funktionieren eines Detektors ist Voraussetzung für die korrekte Interpretation und Auswertung der Detektorsignale. Deshalb überwacht ein vorgelagertes Detektor-Überwachungsmodul die gemessenen Singale auf Plausibilität und meldet sie anschließend dem Auswertemodul.
- Zählinformationen werden aus der Anzahl Impulse (Belegung) während der Zähldauer (Zeit in Sekunden) gebildet. Das Wertepaar kann auf Null zurückgesetzt werden.
- Präsenzinformationen bilden die beiden Werte Belegung (belegt oder nicht belegt) und Belegungsdauer (Zeit in Zehntelsekunden).
- Stauinformationen werden mit einem Staustatus (6 Zustände: keine Information, kein Stau, Stautendenz zunehmend oder abnehmend, Stau) und einer Stauzeit (Dauer in Sekunden seit Beginn des Staus) beschrieben.
Die Knotenrechner sind mit zwei Bussystemen untereinander Verbunden. Der Datenbus ermöglicht jedem Knotenrechner den Zugriff auf alle Signalgruppen, Detektoren und Referenzzähler des Verkehrsrechners. Der Officebus unterstützt das Laden von neuen und überarbeiteten Applikationen.
Der Informationsaustausch über Feld- und Datenbus erfolgt regelmäßig zehn Mal pro Sekunde. Informationen und Daten über den Officebus verkehren bei Bedarf mit hohem Durchsatz.
Der Verkehrsleitrechner stellt die Informationen über den Betriebszustand der 380 Schaltgeräte und 8 Verkehrsrechner (in doppelter Ausführung als Hot-Standby) dem Betriebspersonal zur Verfügung. Weiter werden dort die Protokolle der Verkehrsrechner und der Störungen gespeichert und ausgewertet.
Der Verkehrsleitrechner unterstützt den Verkehrsingenieur bei der Erstellung des knotenspezifischen Verkehrsmoduls, bei Erstellung und Verwaltung der Dokumentation und bei der Inbetriebnahme der Lichtsignalanlage. Aufgrund der Vernetzung des Leitrechners mit den Verkehrsrechnern können die Zählwerte der permanenten Messstellen jederzeit abgerufen und ausgewertet werden.
Folgende Tätigkeiten sind abgeschlossen oder noch in Arbeit:
Zähldetektoren können zur Erkennung von Stau verwendet werden. Bei kontrollierter Ein- und Ausfahrt eines Strassenabschnittes (auch zusammen mit Signalgruppen) kann zusätzlich die Länge des Staus geschätzt werden.
Verwendet man nur die Information der Präsenz von mindestens einem Fahrzeug im Strassenabschnitt, so kann der Detektor zur Anmeldung und zum Längen einer Phase benutzt werden.
Zu guter letzt kann der Detektor auch Fahrzeuge zählen.
Die Bearbeitung der Detektorsignale geschieht auf der übergeordneten Ebene der Knotenrechner in einem universellen Auswertemodul. Damit kann die lokale Verkehrssteuerungsanlage sehr schnell und effizient auf Veränderungen im Verkehrssystem reagieren. Da auch alle benachbarten Knotenrechner dieselben Informationen zur Verfügung haben, kann der Verkehr verflüssigt, und die vorhandenen Verkehrsflächen können optimal genutzt werden.
Es ist leicht einzusehen, dass ein solches Modul mit relativ geringen Aufwendungen auf der Softwareseite ein sehr gutes Kosten-Nutzenverhältnis aufweisen kann.
Das frühzeitige Erkennen kritischer Verkehrssituationen macht das übergeordnete Leitsystem zu einem "vorausdenkenden" Verkehrsinformationssystem. Wir sind überzeugt, dass mit diesem Projekt unsere eingeschränkte Sicht auf das Verkehrsgeschehen wesentlich verbessern werden kann und dass damit die vorhandenen Verkehrsflächen in Zukunft effizienter genutzt werden.