strategisches verkehrsmanagement - Institut für Verkehrswirtschaft ...

STRATEGISCHES VERKEHRSMANAGEMENT
- EINE KONSISTENTE THEORIE UND IHRE UMSETZUNG -
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernhard
Friedrich
Institut für Verkehrswirtschaft,
Straßenwesen und Städtebau
Universität Hannover
Appelstraße 9A
D-30167 Hannover
friedrich@ivh.uni-hannover.de
Dipl.-Ing. Dirk Keßler
BMW AG
Verkehrskonzepte München
D-80788 München
dirk.kessler@bmw.de
KONTEXT
1
Dr.-Ing. Christian Schütte
BMW AG
Verkehrskonzepte München
D-80788 München
christian.schuette@bmw.de
Die Sicherung sowie die Verbesserung der Mobilität in Ballungsräumen erfordert
neben infrastrukturellen Maßnahmen die kontinuierliche strategische Einflussnahme
auf den Gesamtverkehr, die durch ein Bündel von betrieblichen,
aufeinander abgestimmten Maßnahmen umgesetzt wird. In diesem Zusammenhang
hat die Einbindung und Zusammenführung räumlich verteilt wirkender,
teilweise unterschiedlicher Steuerungsverfahren für den Straßenverkehr
auf strategischer Ebene besondere Bedeutung. In den meisten Fällen sind heute
jedoch weder die Steuerungsverfahren geeignet, sich in eine integrierte
Steuerung einzufügen, noch erlauben die vorhandenen Systemarchitekturen
einen konsistenten Ansatz. Selbst in den seltenen Fällen, in denen moderne
adaptive Netzsteuerungen eingesetzt werden, werden diese Verfahren in der
Regel isoliert betrieben, ohne dass sie auf einer höheren, strategischen Ebene
in den Gesamtkontext eingebunden wären.
So weisen die meisten bekannten Ansätze eines strategischen Verkehrsmanagements
einen statischen Charakter auf, indem vordefinierte Szenarien und
entsprechende vordefinierte Steuerungsmaßnahmen verwendet werden. Statische
Ansätze dieser Art können der Tatsache nicht Rechnung tragen, dass in
Ballungsräumen eine außerordentlich große Zahl unerwarteter Ereignisse zusammentreffen
können und es kaum gelingen kann, vorab für alle relevanten
Kombinationen eine geeignete Strategie zu definieren.
Im Münchner Leitprojekt MOBINET [1] wurde aus diesem Grund ein besonderer
Entwicklungsschwerpunkt vorgesehen, um eine wegweisende Lösung für diese
unbefriedigende Situation zu finden. In diesem Sinne ist MOBINET angetreten,
eine offene Architektur für die Steuerungsverfahren des Straßenverkehrs zu
entwickeln, die gleichzeitig die Möglichkeit vorsieht, einzelne Steuerungsverfahren
in einen konsistenten Ansatz einer strategischen Steuerung einzubinden.
Entsprechend der vorgesehenen Offenheit der Architektur sowie der Modularität
der in MOBINET eingesetzten neuen Steuerungsverfahren plant die Landeshauptstadt
München und das Land Bayern nun, die Gelegenheit zu nutzen und
in einem evolutionären Prozess von dem bestehenden System zu einem zukunftsweisenden
strategischen Verkehrsmanagement zu migrieren.

METHODIK
In MOBINET wird eine Anzahl neuer Steuerungsverfahren für den Straßenverkehr
weiterentwickelt und insbesondere in groß angelegten Umsetzungsfeldern
demonstriert. Diese Steuerungsverfahren werden in eine ebenfalls neu entwickelte
Architektur für ein verteiltes und modulares System eingebunden. Eine
strategische Komponente wird in diesem Verbund die Integration der einzelnen
Verfahren entsprechend einer übergeordneten Zielvorstellung erlauben. Um
dies zu ermöglichen, wurden folgende Anforderungen an den Entwurf der neuen
Systemarchitektur formuliert:
• Modular – jede Einzelkomponente des Systems kann unabhängig spezifiziert
und eingesetzt werden.
• Robust – die Folgen des Ausfalls eines Teilsystems bleiben auf dessen Wirkungsbereich
beschränkt, und der Betrieb des Gesamtsystems wird lediglich
in geringem Maße beeinträchtigt.
• Evolutionär – das System kann durch einzelne Komponenten erweitert bzw.
ersetzt werden, so dass eine natürliche, dem Stand der Technik entsprechende
Fortschreibung möglich ist.
• Interoperabel – die Teile des Systems kommunizieren über Standard-
Schnittstellen. Updates oder der Austausch eines Teilsystems sind damit ohne
die Beschränkungen proprietärer Lösungen möglich.
Neben der Realisierung dieser Anforderungen ist es erforderlich, bestehende
Strukturen auch in der neuen Architektur abbilden zu können und die Migration
von älteren Bestandteilen zu neuen Komponenten zu ermöglichen.
Vor dem Hintergrund der genannten betrieblichen und verkehrlichen Erfordernisse
wurde eine Architektur gewählt, die das Gesamtsystem in drei logische
Ebenen aufteilt. Dies sind die lokale, die taktische sowie die strategische Ebene.
1. Auf lokaler Ebene reagieren die adaptiven Steuerungsmethoden auf kurzfristige
Änderungen im Verkehrsaufkommen und auf besondere Ereignisse
(z.B. Anmeldung zur Bevorzugung eines öffentlichen Nahverkehrsfahrzeug
an einer Lichtsignalanlage) gemäß einer vordefinierten Zielfunktion. Diese
Reaktion findet innerhalb eines Rahmens statt, der durch die taktische Ebene
vorgegeben wird und übergeordneten Belangen Rechnung trägt. Gleichzeitig
werden die mikroskopischen Daten, die auf dieser Ebene Sekunde für
Sekunde gesammelt werden, aggregiert und zur taktischen Ebene übertragen.
2. Die adaptiven Steuerungsverfahren auf der taktischen Ebene nutzen die gesammelten
Informationen über den Verkehrsfluss, schätzen die Herkunfts- /
Zielbeziehungen im für sie relevanten Straßennetz und führen kurz- bis mittelfristige
Prognosen über das Verkehrsaufkommen durch. Auf dieser
Grundlage und bei Einsatz der entsprechenden Wirkungsmodelle lassen
sich optimale Rahmenpläne entsprechend einer gegebenen Zielfunktion
festlegen.
2

3. Auf strategischer Ebene wird die Steuerung und die ermittelte Verkehrssituation
überwacht. Software-Tools unterstützen die Verkehrsexperten und
Betreiber auf dieser Ebene bei der Anpassung der Parameter der genannten
Zielfunktionen gemäß der verkehrspolitischen Zielsetzungen. Auf diese Weise
wird die Durchgängigkeit der Ziele für unterschiedliche Steuerungssysteme
(Überland, Stadtverkehr, öffentliche Verkehrsmittel, etc.) erreicht. Physisch
gesehen kann die strategische Ebene auch aufgeteilt werden und
durch verschiedene Steuerungszentren gebildet werden, die die bestehende
Organisationsstrukturen widerspiegeln. Eine Integration dieser Verkehrssteuerungssysteme
ist jedoch von besonderer Bedeutung für die effiziente
Umsetzung einer systemübergreifenden verkehrspolitischen Zielsetzung und
zur Optimierung der Kapazitäten der Verkehrsanlagen in ihrer Gesamtheit.
Strategische Ebene / Strategiezentrum
Aktive Beeinflussung der Steuerung durch die Vorgabe verkehrspolitischer Ziele über die Zielfunktion
Strategische
Vorgaben
Taktische Ebene - Teilnetz 1
Reaktive Optimierung entsprechend der
aktuellen Nachfrage und der Zielfunktion
Rahmenpläne
Info
Netzzustand
Aggregierte
Erfassungswerte
Lokale Ebene - Knoten 1
Mikroskopische Anpassung an
Stochastik
Bild 1: Schematische Darstellung der Systemarchitektur
3
...
Taktische Ebene - Teilnetz n
Reaktive Optimierung entsprechend der
aktuellen Nachfrage und der Zielfunktion
Lokale Ebene - Knoten 1
Mikroskopische Anpassung an
Stochastik
Durch die Verteilung der Zuständigkeiten des Steuerungssystems auf verschiedene
Ebenen wird zum einen die Subsidiarität der Einzelkomponenten erreicht.
Zum anderen gewährleistet die klare hierarchische Struktur die konsistente
Weiterverarbeitung jeder Vorgabe, die auf höherer Ebene getroffen wird. Durch
das Vermeiden zentraler Steuerungsansätze wird das Gesamtsystem sehr robust.Jede
einzelne Komponente wird auch dann weiterarbeiten und gute Ergebnisse
erzielen, wenn ein Verfahren auf höherer Ebene ausfallen sollte. Trotz
der Selbständigkeit einzelner Komponenten ist das Gesamtsystem integriert, da
die gemeinsame Zielsetzung durch alle Aktoren befolgt werden muss. Die hinsichtlich
der übergeordneten Zielsetzung relevante Information wird über die
Parameter der Zielfunktionen der adaptiven Steuerungsverfahren ausgetauscht.
Eine von allen befolgte Zielfunktion beinhaltet in einer linearen Kombination die
charakteristischen Kriterien, die für bestimmte Streckengruppen des Straßen-

netzes von Bedeutung sind. Die Summe aller in einem Steuerungsverfahren
verwendeten, gewichteten und normalisierten Kriterien bildet den Bewertungsindex
(PI), der den Referenzwert für die Optimierung darstellt. Wie bereits erwähnt,
wird die Zielfunktion nicht auf strategischer Ebene optimiert, sondern
dezentral durch die einzelnen Teilsysteme. Eine Vielzahl möglicher Bewertungsindizes,
die die jeweils verschiedenen verkehrspolitischen Zielsetzungen
widerspiegeln, kann für die Optimierung gewählt werden. Ausschlaggebend für
die Auswahl der Kriterien sind einerseits die Möglichkeiten, die die Modelle im
Sinne einer realistischen Abbildung zulassen. Andererseits können stadtplanerische
oder verkehrspolitische Überlegungen zu grundsätzlich verschiedenen,
aber jeweils für sich optimalen Lösungen führen.
Hinsichtlich der Optimierung wird zwischen nutzer- bzw. systemoptimalen Lösungen
unterschieden. Während eine nutzeroptimale Ausrichtung
∑
min! =
i c
mit PI Güteindex (Performance Index)
PI
ci verallgemeinerte durchschnittliche Kosten
Steuerungseinheit
i
zu Verkehrssituationen führen kann, die nicht die Ziele der Stadtplanung wiedergeben
(z.B. Bündelung des Verkehrs auf Hauptverkehrsstraßen), besteht die
Gefahr, dass eine systemoptimale Steuerung
∑
∑
min! PI = ci
⋅ qi
= Ci
Steuerungseinheit
i
Steuerungseinheit
i
4
mit qi Verkehrsstärke
Ci verallgemeinerte
Gesamtkosten
bei den Verkehrsteilnehmern nicht die gewünschte Akzeptanz findet.
Aus diesem Grund ist eine Zielfunktion erforderlich, die beiden Anforderungen
Rechnung trägt. Eine Zielsetzung, die sowohl auf die Belange des einzelnen
Verkehrsteilnehmers eingeht und zugleich den Anforderungen des Gesamtsystems
genügt, kann mit einer erweiterten Zielfunktion, nämlich dem strategischen
Systemoptimum erreicht werden:
min!
∑ ∑ ⋅
PI α
= ij⋅ Cij
i j
mit i Steuerungseinheit
j Streckengruppe
αij Koinzidenzmatrix der Streckengruppen
und Steuerungseinheiten
⎧>
0
α ij ⎨
⎩=
0
∀i
∈ j
∀i
∉ j
Das strategische Systemoptimum erlaubt gegenüber dem herkömmlichen Systemoptimum
suboptimale Lösungen, um sensible Teilbereiche des Verkehrsnetzes
(z.B. Wohngebiete) zu schützen. Die Zielfunktion wird zu diesem Zweck um
die Dimension der Streckenkategorisierung erweitert, um orts- bzw. kantenspezifische
Gewichte αij einbringen zu können. Die Klassifizierung wird durch die
Einführung von Streckengruppen erreicht, über die z.B. Hauptverkehrsstraßen
von Erschließungsstraßen differenziert werden können.
In den bisher dargestellten Überlegungen für die Formulierung einer Zielfunktion
wurden die Wirkungen als allgemeine Kosten C dargestellt. Hinter dem allge-

meinen Ausdruck C verbergen sich mehrere mögliche Wirkungskriterien, die in
die Bewertung Eingang finden können. Typischerweise sind dies
• Wartezeiten des mIV, des ÖPNV und der Fußgänger,
• Staulängen des mIV, die direkt mit den Wartezeiten korreliert sind, aber als
zusätzliches Maß zur Verhinderung von Überstauungen verwendet werden
können,
• Anzahl der Halte des mIV und des ÖPNV,
• Abgas- und Geräuschemissionen des mIV,
• Kraftstoffverbrauch des mIV.
UMSETZUNG
Auf der Grundlage des Entwurfs einer klaren Systemarchitektur gemäß der vorgenannten
Anforderungen (d.h. Fähigkeit zum Baukastenprinzip, Robustheit,
Entwicklungsfähigkeit, Interoperabilität, integriertes Datenmanagement) planen
die Landeshauptstadt München und der Freistaat Bayern die Ausstattung des
Straßennetzes mit modernen Steuerungsverfahren, die sich in die beschriebene
Architektur einfügen und auf strategischer Ebene durch ein Strategiemanagement
integriert werden. Die unterschiedlichen Steuerungs- und Informationssysteme
werden zuerst in Demonstrationsfeldern umgesetzt und bewertet, bevor
sie in den Regelbetrieb übernommen werden. Die folgende Abbildung zeigt die
verschiedenen geplanten Demonstrationsfelder im Ballungsraum München.
NetzInfo
NetzInfo ist ein graphisches Informationssystem, das an radialen Autobahnen
außerhalb der Stadtgrenzen Münchens installiert werden wird. Dynamische
LED-Informationstafeln empfehlen dem stadteinwärts fließenden Verkehr die
hinsichtlich der Verkehrssituation günstigste Route zu den einzelnen Stadtteilen.
Voraussetzung für dieses System ist die ausschließliche Empfehlung von
Hauptstraßen, um Durchgangsverkehr in Wohngebieten zu vermeiden. Je nach
Standort wird die jeweilige Informationstafel den für den Verkehrsteilnehmer relevanten
Abschnitt des Münchner Hauptverkehrsstraßennetzes zeigen. Die
Verkehrsqualität auf den einzelnen Abschnitten wird durch eine farbige Signatur
gekennzeichnet. Als erster Demonstrationsstandort wurde die A94 (Autobahnkreuz
München-Ost) ausgewählt.
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Bild 2: Demonstrationsfelder für innovative Verkehrsbeeinflussungsverfahren
im Ballungsraum München
Sektor-Steuerung
Die Sektor-Steuerung spielt eine wichtige Rolle bei der Verbindung des regionalen
und des städtischen Straßennetzes. Während NetzInfo die Verkehrsteilnehmer
über Ausweichrouten innerhalb des Autobahnnetzes informiert, bietet
die Wechselwegweisung der Sektor-Steuerung lokale Alternativrouten innerhalb
eines begrenzten Teilbereichs des städtischen Straßennetzes an. Als korrespondierende
Maßnahme zur Routenempfehlung wird das adaptive Steuerungsverfahren
für Lichtsignalanlagen BALANCE [2] in dem entsprechenden Netz installiert.
Ring-Steuerung
Innerhalb der Ring-Steuerung werden vier verschiedene betriebliche Maßnahmen
demonstriert, die unterschiedliche räumliche Wirkungsbereiche haben:
Punktuell: Zuflussoptimierung auf Ring-Einfahrten zur Verbesserung
der Verflechtungsverhältnisse [3].
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Streckenbezogen: Linienhafte, verkehrsträgerübergreifende Lichtsignalsteuerung
(BALANCE) und variable Fahrstreifenzuweisung zur optimalen
Ausnutzung von Kapazitäten.
Netzhaft: Dynamische, kollektive Verkehrsinformation zur verbesserten
räumlichen Auslastung von Kapazitätsreserven (Ring-Info)
[4].
Quartier-Steuerung
Durch den Einsatz einer “Ereignisorientierten Netzsteuerung” im innerstädtischen,
lokalen Straßennetz wird auf Basis der vorhandenen verkehrsabhängigen
LSA-Steuerung eine netzweite Optimierung des Verkehrsablaufs erfolgen.
Um die Belange des ÖPNV besser zu berücksichtigen, wird in der Steuerung
ein zusätzliches, adaptives Verfahren umgesetzt: Durch Zusatzinformationen
wie Besetzungsgrad oder Fahrplanlage soll sichergestellt werden, dass
die ÖV-Priorisierung zielgerichteter gestaltet werden kann – zum Beispiel im
Falle konkurrierender ÖPNV-Fahrzeuge an einem Knotenpunkt – und gleichzeitig
die Bedürfnisse von Fußgängern, Radfahrern und Autofahrern angemessen
berücksichtigt werden.
Strategiemanagement
Die gemeinsame Klammer für die genannten, räumlich verteilten und in ihrer
Wirkungsweise unterschiedlichen Steuerungsverfahren bildet das Strategiemanagement
SAM. Die einzelnen Maßnahmen werden zunächst zu Teilnetz-
Steuerungsverfahren auf der taktischen Ebene zusammengefasst und schließlich
auf der strategischen Ebene einer oder mehreren Strategien zugeordnet.
Das Strategiemanagement macht die weiter oben aus theoretischer Sicht dargestellte
Vorgehensweise (siehe Bild 1) in einem nutzerfreundlichen Ansatz
handhabbar. Dabei werden dem Nutzer einerseits die aktuelle Verkehrssituation
im Netz [5] sowie die Schaltzustände im Steuerungssystem transparent online
dargestellt. Andererseits wird er in der Bedienung durch graphische Elemente in
vielfacher Weise unterstützt, so dass eine leichte und insbesondere kontrollierbare
Handhabung des weiträumigen Gesamtsystems möglich wird (Strategie-
Management).
Der System-Monitor ermöglicht dem Benutzer, den aktuellen Zustand des erfassten
Verkehrssystems zu beobachten. Er besteht aus drei Komponenten:
• Das Übersichtsfenster dient der Navigation und Orientierung und zeigt die
Lage des Detailfensters im Gesamtnetz.
• Im Detailfenster werden die aktuellen Messgrößen und Schaltzustände des
Verkehrssystems für einen gewünschten Netzausschnitt sowie Strategien in
ihrem räumlichen Bezug dargestellt. Außerdem können hier Strategien aktiviert
werden. Kontext- und raumbezogen schlägt das System auf Anfrage
mögliche Strategien vor, aus denen der Operator auswählen kann.
• Im Journalfenster werden die aktuell und in der Vergangenheit aktivierten
Strategien dokumentiert und für die Zukunft vorgeplante Strategien dargestellt.
Das Journalfenster stellt die Verwendung der Strategien im Verlauf der
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Zeit dar. Es teilt sich in die Darstellung der Historie und die Vorausschau,
welche durch die aktuelle Zeit/Datumsmarkierung getrennt werden.
Bild 3: Abfrage aktueller Messgrößen und Schaltzustände für einen Netzausschnitt
über die graphische Benutzerschnittstelle (GUI) des Strategiemanagements
SAM
Das Strategie-Management erfolgt in zwei Fenstern der Benutzeroberfläche.
Zum einen im bereits erwähnten Journalfenster sowie in der Strategie-Liste. Die
Strategie-Liste dient der systematischen Organisation und Darstellung von Strategien.
Über ein Kontextmenü oder Mausaktionen können Strategien aus dieser
Liste ausgewählt sowie unmittelbar aktiviert oder deaktiviert werden.
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Bild 4: Beobachtung des Verkehrssystemzustandes und Auslösung geeigneter
Strategien über die SAM-GUI
In jeder SAM-Strategie werden eine oder mehrere Maßnahmen (taktische
Steuerungsverfahren oder einzelne Aktoren der lokalen Ebene) ausgewählt und
die Parameter jeder Maßnahme versorgt. Wenn die Strategie aktiviert wird,
sorgt SAM dafür, dass die entsprechenden Parameter an die zu der Maßnahme
zugehörigen taktischen Steuerungsverfahren gesendet werden. Gemäß einem
definierten Prioritätenkonzept werden die Maßnahmen auf der taktischen Steuerungsebene
akzeptiert, d.h. umgesetzt oder abgelehnt.
Vor der Aktivierung einer Strategie können zusätzliche Sicherheitsabfragen in
Form von Bedingungen konfiguriert werden. Diese gliedern sich in verkehrstechnische
Randbedingungen und externe Randbedingungen. Der Operator
wird in einem Dialog aufgefordert, die Einhaltung der externen Randbedingungen
zu bestätigen. Dann erst kann die Aktivierung der Strategie erfolgen.
Im Normalfall werden Strategien langfristig für vorhersehbare und planbare Ereignisse
festgelegt und automatisch ausgelöst. Nur in Ausnahmesituationen
werden in Datenbanken vorgehaltene Strategien auch manuell aktiviert.
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AUSBLICK
Durch die Einbindung der dargestellten Steuerungs- und Verkehrsmodelle in
eine offene, transparente Systemarchitektur und durch die Integration unterschiedlicher
Steuerungsmaßnahmen bzw. Demonstrationsfelder auf strategischer
Ebene wird ein zukunftsweisendes Gesamtsystem für das Verkehrsmanagement
geschaffen, das im Ballungsraum München im Rahmen des Leitprojektes
MOBINET umgesetzt wird. Ausdrückliches Ziel von MOBINET ist es, die
beschriebenen Maßnahmen zu implementieren und die dadurch entstehenden
Vorteile zu demonstrieren. Schließlich sollen – voraussichtlich ab Mitte 2003 -
die positiv bewerteten Maßnahmen in den Regelbetrieb überführt werden.
LITERATUR
[1] H. Keller, “Intelligent Transport Systems for Mobility in the Greater Munich
Area - The MOBINET Project”, Proc. Int. Conf. ITS’99, Amsterdam 14. –
17. June 1999.
[2] B. Friedrich, “Models for Adaptive Urban Traffic Network Control”, Proceedings
of the VIIIth Int. Conf. of the European Working Group on Transportation,
Rome 11.-14. Sept. 2000.
[3] K. Bogenberger, “A Genetic Approach for Ramp Metering”, Proc. of the 3 rd
IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems, October 1-3, 2000,
Dearborne, USA.
[4] G. Schönfeld, M. Tsavachidis, A. Reischl, “Dynamic Driver Information
Goes Geographical – A New Quality in Urban Traffic Information”, Proc. of
the 7 th World Congress on Intelligent Transport Systems, 6-9 November
2000, Turin, Italy
[5] F. Logi, A. Poschinger, B. Thormann “Integration of Optimal Control and
Knowledge Based Techniques for Dynamic Traffic Routing”, Proc. of 10th
Int. Conf. on Road Transport Information and Control 4 – 6 April 2000, IEE
Conference Publication 472, London
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