Signale setzen, Richtung geben

Lichtsignalanlagen beeinflussen das Verkehrsgeschehen

Lichtsignalanlagen gehören zu den wichtigsten Einrichtungen, um das Verkehrsgeschehen zu beeinflussen

Lichtsignalanlagen (LSA), allgemein auch Ampeln genannt, beeinflussen das Geschehen auf den Straßen: Sie steuern den Verkehr, erhöhen die Sicherheit und steigern die Qualität des Verkehrsablaufs.

Die Fließbandproduktion machte das Auto für die Bevölkerung erschwinglich. Und so rollten Anfang des 20. Jahrhunderts immer mehr Karosserien vom Band auf die Straße. Der motorisierte Verkehr nahm stetig zu und musste geregelt werden. Am Potsdamer Platz in Berlin beispielsweise waren täglich elf Verkehrspolizisten im Einsatz, um Pkws, Busse und Straßenbahnen zu organisieren. Per Hup- und Klingelzeichen lotsten sie die Verkehrsteilnehmer über den Knotenpunkt. Aufgrund der hohen Personalkosten kein Dauerzustand: 1924 errichtete Berlin an eben dieser Stelle die erste LSA Europas – ein Ampelturm, den ein Verkehrspolizist manuell bedienen musste.

In den USA war man zur selben Zeit verkehrstechnisch etwas weiter: In Baltimore, Maryland, nahm bereits 1928 die erste, von Charles Adler jr. entwickelte verkehrsabhängige Steuerung den Betrieb auf. Sie gab der Hauptrichtung eine
Dauerfreigabe. Wollte aus der Nebenrichtung ein Fahrzeug die LSA-gesteuerte Kreuzung queren, musste der Fahrer mit einem Hupen das Umschalten der Phase einleiten. Die erste Ablauflogik für die Verkehrssteuerung war damit definiert. Ihr Prinzip hat bis heute nicht an Gültigkeit verloren.

Fest versus flexibel

„Lichtsignalanlagen gehören zu den wichtigsten Einrichtungen, um das Verkehrsgeschehen zu beeinflussen“, sagt Jürgen Carls, Director Traffic Engineering
bei der PTV Group. Dabei kommen vorwiegend zwei Methoden zum Einsatz: die Festzeitsteuerung und die verkehrsabhängige Steuerung. Bei der Festzeitsteuerung sind Signalprogrammelemente wie die Umlaufzeit, die Phasenfolge sowie die Dauer der Freigabezeit klar definiert. Das Signalprogramm wird periodisch abgearbeitet. „Dieses
Steuerungsverfahren lässt sich vor Ort gut kontrollieren und bei Bedarf einfach überarbeiten“, erklärt Carls. Ein weiterer Pluspunkt: Benachbarte Knoten können
relativ unkompliziert miteinander koordiniert werden, da die Umlauf- und Grünzeiten
konstant sind.

Die Umlaufzeit

Was versteht man unter einer Umlaufzeit? Die Umlaufzeit ist die Zeit, in der ein
Signalprogramm einmal vollständig durchlaufen wird. Die Dauer der Umlaufzeit beeinflusst die Gesamtkapazität eines Knotenpunktes: So führen längere Umlaufzeiten zu längeren Grünzeiten; damit aber auch zu längeren Wartezeiten bei geringem Verkehrsaufkommen. Es gilt also, die richtige Balance zu finden.

Ein Tool, das diese verkehrstechnischen Aufgaben löst, ist PTV Visum. Die Software ermöglicht Verkehrsingenieuren die Modellierung von Knoten – sowohl in ihrer Geometrie als auch in ihrer Steuerung. Mit ihr lassen sich beispielsweise die Abbiegebeziehungen, die mittlere Wartezeit sowie der Level of Service für jede einzelne Kreuzung ermitteln und die Verkehrsströme netzweit betrachten. Auf dieser Basis berechnet PTV
Visum dann die optimalen Grünzeiten für alle Signalpläne sowie deren Umlaufzeit. Anschließend müssen die benachbarten Knoten miteinander in Einklang gebracht werden. Dafür optimiert Visum die Versatzzeiten so, dass die Gesamtwartezeit minimiert ist. Diese Art der Offline-Optimierung hat PTV unter dem Namen RIO (Road Intersection Optimization) bekannt gemacht. Doch wann ist eine Festzeitsteuerung sinnvoll? „Immer dann, wenn die  Verkehrsströme über längere Zeiträume konstant sind“, erläutert Carls. Denn auf akute Verkehrsschwankungen kann die Festzeitsteuerung nicht reagieren. Hier bietet eine verkehrsabhängige LSA-Steuerung mehr Flexibilität.

Grafik: Freigabe und Phase

Was ist eine Freigabe? Innerhalb der Freigabezeit, auch Grünzeit genannt, erhält ein Verkehrsstrom die Erlaubnis, einen LSA-gesteuerten Knotenpunkt zu passieren.
Was ist eine Phase? LSA durchlaufen periodisch die gleichen Phasen, z. B. Grün, Gelb, Rot, Rot-Gelb, Grün …

„Die verkehrsabhängige Steuerung orientiert sich an der aktuellen Nachfrage“, erklärt Carls. Stellgrößen wie Umlaufzeit, Freigabezeit, Phasenanzahl und Phasenablauf lassen sich bei diesem Steuerungsverfahren individuell gestalten. „Das prädestiniert ihren Einsatz an Knotenpunkten, an denen das Verkehrsaufkommen stetig schwankt“, so Carls. Darüber hinaus ermöglicht sie eine Bevorrechtigung des öffentlichen Verkehrs mit Bus und Bahn.

 

 

Von Ahängigkeiten zur Adaption

Im Gegensatz zur Festzeitsteuerung stützt sich die verkehrsabhängige Steuerung auf Online-Daten. Dafür messen Detektoren den Verkehr. Als Induktionsschleife oder via Infrarot erfassen sie unter anderem die Verkehrsstärke, die Zeitlücken zwischen aufeinander folgenden Fahrzeugen sowie deren Geschwindigkeit und berücksichtigen dabei auch ÖV-Fahrzeuge. Anhand dieser Daten können sie die Verkehrsdichte sowie den Auslastungsgrad der einzelnen Signalgruppen bestimmen und geben diese Informationen
an das LSA-System. Was früher akustische Signale übernommen haben, erledigt heute also die Technik.

Und sie kann noch mehr: Moderne Systeme ermöglichen es, Netze verkehrsadaptiv
zu steuern. „Adaptive Verfahren haben sowohl die aktuelle Verkehrssituation als auch daraus resultierende Effekte im Blick“, sagt Peter Möhl, Director Business Development Traffic Software bei der PTV Group. „Mit PTV Balance bieten wir eine Lösung an, das diese ganzheitliche Betrachtung auch für verkehrsabhängige LSA-Steuerungen ermöglicht.“ Das Tool handelt auf zwei Ebenen: Die lokale, operative Ebene reagiert auf
kurzfristige Veränderungen im Verkehrsablauf an den einzelnen Knotenpunkten im Sekundentakt. Dafür muss sie wissen, wie viele Fahrzeuge an dieser Stelle unterwegs sind und wie die Stärke der Verkehrsströme im Netz aussieht. Die Anzahl der Fahrzeuge fließen aus den Messungen der Detektoren ein. Anschließend berechnet PTV Balance online die Verkehrsbeziehungen am Knotenpunkt. Auf dieser Grundlage entsteht dann die  signalgruppenbezogene Wirkungsanalyse der einzelnen LSA-Steuerung. Doch die Verkehrsbeziehungen am Knotenpunkt sind nicht nur von lokalem Interesse. Sie liefern auch der taktischen Ebene entscheidende Vorabinformationen. „Hier gilt es, die  Verkehrsbeziehungen sowie die Routenverläufe des betrachteten Gesamtnetzes zu ermitteln, um dann beispielsweise grüne Wellen zu schalten“, so Möhl.

Versatzzeitoptimierung mit PTV Visum

Werden zwei Knotenpunkte mit der gleichen Umlaufzeit miteinander koordiniert, so liegen die Anfangszeiten der beiden Sequenzen um
eine Versatzzeit auseinander. Die Versatzzeit ist also die zeitliche Differenz zwischen vergleichbaren Zeitpunkten im Signalprogramm zweier Knotenpunkte. In diesem Beispiel sind die Versatzzeiten in eine Richtung optimiert.

Rasante Rechenkünstler

Grüne Wellen sind aber nur ein Aspekt, der adaptive Strategien so spannend
macht. „Wir verfügen heute über eine unglaubliche Fülle an Verkehrsdaten“, sagt
Möhl. „Setzen wir diese geschickt ein, indem wir moderne Kommunikationstechnologie sowie leistungsstarke Software nutzen, können wir Verkehr in Echtzeit managen.“ Dafür verknüpft man die mit Visum geplanten Verkehrsmodelle mit Echtzeitdaten wie Detektoren, Verkehrsmeldungen und Baustelleninformationen. Eine Software, die diesen Sprung von Offline-Planung hin zur Echtzeit-Umgebung bewerkstelligt, ist PTV Optima.

Bei PTV Optima handelt es sich um ein Modell, das Verkehr in Echtzeit simuliert. „Es nimmt das Verkehrsaufkommen sowie die Geschwindigkeitsdaten der lokalen Signalanlagen auf und verarbeitet sie“, erklärt Möhl. Bei einem Auffahrunfall beispielsweise berechnet PTV Optima die Auswirkungen und bewertet anschließend die entsprechenden Umleitungsempfehlungen, die dann auf Wechselverkehrszeichen angezeigt werden können. „Optima ermöglicht Vorhersagen über einen Zeithorizont von bis zu 30 Minuten“, sagt Möhl. Die Verkehrsmanagementzentrale kann sich so verschiedene Szenarien vorab anschauen und dann entscheiden, welche verkehrliche Strategie sie fahren möchte.
Die Vorhersagedaten können dann auch an PTV Balance übermittelt werden und
das verkehrsadaptive LSA-System nimmt dann die Berechnung neuer Umläufe, Freigabezeiten sowie Versatzzeiten für die Knotenpunkte in die Hand.

>> Lesen Sie mehr über PTV Visum als Werkzeug für Verkehrstechnik

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