FGSV-Nr. FGSV 002/117
Ort Münster
Datum 15.03.2017
Titel Verkehr der Zukunft – Stressfrei durch den Straßenverkehr
Autoren Dipl.-Ing. Bernd Noll
Kategorien Kommunal
Einleitung

Im Bereich der Verkehrstechnik steht ein elementarer Technologiewandel bevor. Als erste Stufe eines zukünftigen autonomen Fahrens entstehen „kooperativen Systeme“ mit neuen Möglichkeiten, die mit den bisherigen Technologien weder denkbar noch umsetzbar waren. Die Automobilindustrie steht hier in den Startlöchern und will diese Möglichkeiten so schnell wie möglich nutzen. Deutsche Städte müssen sich also rechtzeitig auf diese Entwicklung einstellen damit sie nicht in wenigen Jahren mit der Frage konfrontiert werden, wieso sie diese Entwicklung verschlafen haben. Kassel setzt seit längerem auf diese Zukunftstechnologie und hat hier bereits wichtige Vorarbeiten geleistet. Daher verfügt Kassel bereits heute über eines der wenigen digitalen Testfelder in Deutschland.

Nun sollen weitere Funktionen wie

        Virtuelle Grüne Welle mit Ampelphasenassistent (Energieeffizientes Fahren im MIV)

        Punktgenaues Grün für Bus und Bahn

        Exakte Schaltzeitprognose für verkehrsabhängige Verkehrssteuerung

        Energieeffizientes Fahren im ÖPNV durch Übertragung von Fahrstrategien

installiert werden. Durch das im Dezember vom BMVI bewilligte Projekt VERONIKA soll auch der Zielkonflikt zwischen erforderlicher Flexibilität der Signalsteuerung und präziser Vorhersage von Grünzeiten gelöst werden, um die Übertragung in den Alltagsbetrieb zu sichern.

Eine Integration der erforderlichen Aufgaben wie

        Ausbau des Kommunikationsnetzes

        Erweiterter Schnittstellen zwischen Zentralen

        Erweiterter Schnittstellen zwischen Zentralen und Feldgeräten wie Lichtsignalanlagen und kooperativen WLAN Stationen

        Aufbau von Infrastruktur zur Kommunikation mit Fahrzeugen

        Datenschnittstellen zum ÖPNV

in die regelmäßig erforderlichen Investitionen zur Betriebssicherung der Verkehrssteuerung stellt die Zukunftsfähigkeit und die Nutzung kooperativer Funktionalitäten durch Serienfahrzeuge, ÖPNV und Einsatzfahrzeuge auf Basis einer einheitlichen Infrastruktur sicher.

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1 Einleitung

Im Bereich der Verkehrstechnik steht ein elementarer Technologiewandel bevor. Dieser bedingt für die Kommunen eine ähnlich grundlegende Neuorientierung, wie sie im Industriebe reich unter der Überschrift „Industrie 4.0“ stattfindet. Getrieben wird dieser Paradigmenwechsel durch den Gedanken einer Kommunikation zwischen Fahrzeugen als Vorstufe zum Fernziel des autonomen Fahrens. Die Vorarbeiten wurden durch die Automobilindustrie bereits geleistet. In der Stadt ist es natürlich zusätzlich erforderlich auch mit der Infrastruktur wie Ampeln zu „reden“ um den durch diese Technologien möglichen Nutzen, wie Verbesserungen der Verkehrssicherheit und Reduktion der Emissionen, zu erreichen.

Die damit entstehenden „kooperativen Systeme“ bieten eine Reihe völlig neuer Möglichkeiten, die mit den bisherigen Technologien weder denkbar noch umsetzbar waren. Die Automobilindustrie steht hier in den Startlöchern und will diese Möglichkeiten so schnell wie möglich nutzen. Außerhalb Europas sind die ersten Lösungen bereits in Betrieb. Deutsche Städte müssen sich also rechtzeitig auf diese Entwicklung einstellen, damit sie nicht in wenigen Jahren mit der Frage konfrontiert werden, wieso sie diese Entwicklung verschlafen haben.
 
Gerade in Städten wie Kassel, mit einem Straßennetz, dessen Struktur den Aufbau von „Grünen Wellen“ über längere Streckenabschnitte verhindert, bietet diese technische Innovation neue Möglichkeiten, um den Verkehr effizienter zu steuern, ohne dass dazu ganze Häuserzeilen abgerissen werden müssten. Kassel setzt daher auf diese Zukunftstechnologie und hat hier bereits wichtige Vorarbeiten geleistet. Daher verfügt Kassel bereits heute über eines der wenigen digitalen Testfelder in Deutschland. Durch aktuelle Projekte sollen nun weitere Funktionen wie

–  Virtuelle Grüne Welle mit Ampelphasenassistent (Energieeffizientes Fahren im MIV)

–  Punktgenaues Grün für Bus und Bahn

–  Exakte Schaltzeitprognose für verkehrsabhängige Verkehrssteuerung

–  Energieeffizientes Fahren im ÖPNV durch Übertragung von Fahrstrategien

installiert werden. Der Focus aller Maßnahmen liegt dabei auf der Stärkung des Umweltverbundes und der Reduktion verkehrsbedingter Emissionen. Dadurch wird sich natürlich die Physik nicht verändern. Die Minute wird nach wie vor auf 60 s begrenzt bleiben und selbst bei völlig ungestörtem Verkehr wird bei einer Belastung von 1.800 – 2.000 FZE/h wie von Zauberhand Stau entstehen.

Durch die wesentlich verbesserte Datenlage und das Bereitstellen aller Entscheidungsrelevanten Informationen kann die Kooperative Verkehrssteuerung aber zu einer (möglichst) stressfreien Teilnahme am Straßenverkehr beitragen.

2 Der Rahmen und die Ziele

In Fachkreisen wird das Thema kooperative Systeme und automatisches Fahren seit Jahren intensiv diskutiert. Projekte wie AKTIV oder SimTD haben deutlich gemacht, wo die Reise hingeht. Deutschland ist ein zentraler Partner des C-ITS Korridors Rotterdam-Wien (BMVI – 2014), die Bundesregierung hat einen Rahmen für Intelligente Verkehrssysteme verabschiedet und strebt die Technologieführerschaft in Europa an (BMVI – September 2015). Der Weg in die kooperative Zukunft ist also bereits gut ausgeschildert.

Der städtische Handlungsrahmen zum Aufbau kooperativer Systeme in Kassel wird durch zwei Beschlüsse der Kasseler Stadtverordnetenversammlung gesteckt:

1.   Beschluss zum Aufbau eines Verkehrs- und Mobilitätsmanagementsystems (Stadt Kassel 2011)

2.   Verabschiedung des Verkehrsentwicklungsplanes (Stadt Kassel 2015).

Der Aufbau eines Verkehrs- und Mobilitätsmanagements orientiert sich stark an der technischen Infrastruktur und deren Nutzung auf der strategischen Ebene. Dabei werden aber auch netzbezogene Maßnahmen eingebunden (Bild 1).

Bild 1: Maßnahmenfelder des Verkehrs- und Mobilitätsmanagements VMMS in Kassel (Quelle: Straßenverkehrs- und Tiefbauamt Kassel)

Der zur Umsetzung des VMMS-Beschlusses erstellte Maßnahmenkatalog beschränkt sich dabei naturgemäß nicht auf die Realisierung kooperativer Lösungen, sondern umfasst ebenfalls das gesamte Spektrum konventionellen Verkehrsmanagements um die Verkehrsteilnehmer umfassend zu informieren.

Demgegenüber definiert der Verkehrsentwicklungsplan vor allem die 9 Leitziele (Bild 2) sowie Handlungsempfehlungen und Maßnahmen für den gesamten Stadtverkehr.

Bild 2: Leitziele des VEP 2030 (Quelle: http://www.stadt-kassel.de/projekte/verkehr/infos/18755/)

Die im Folgenden beschriebenen Projekte und der Kasseler C-ITS Plan passen sich nahtlos in diese Leitziele ein.

3 Der C-ITS Plan der Stadt Kassel

Bild 3: Übersichtskarte C-ITS Projekte bis 2020 in der Stadt Kassel (Quelle: Stadt Kassel Vermessungsamt/Straßenverkehrs- und Tiefbauamt)

Das auf den Beschlüssen der Stadtverordnetenversammlung basierende mittelfristige Maßnahmenprogramm stützt sich neben dem „klassischen“ Verkehrsmanagement (wie z. B. Verkehrslage und Baustelleninformation) stark auf kooperative Komponenten:

–  Grünzeitprognosen für verkehrsabhängige Steuerungen

–  Erweiterung der Systemschnittstellen für Georeferenzierte Daten

–  Aufbau einer Prozessorganisation für stundenaktuelle Kartendaten

–  Ampelphasenassistent auf Smartphone-Basis

–  Einbindung des ÖPNV und Ablösung der Bake-Funk-Technologie

–  Installation alltagstauglicher WLAN IEEE 802.11p Komponenten

–  Aufbau eines Managementsystems für die straßenseitige Infrastruktur

–  Kooperative Funktionalitäten für ausgestattete Serienfahrzeuge.

Das Erreichen dieser Ziele war von Anfang an daran gebunden, dass externe Akteure wie Fahrzeugindustrie, Systemhersteller und Normierungsgremien die erforderlichen Voraussetzungen schaffen würden. Um hier auf aktuellem technischen Stand die richtigen Systementscheidungen treffen zu können, hat sich Kassel daher frühzeitig um die Mitarbeit in nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsprojekten beworben. Einige dieser Bewerbungen waren erfolgreich, so dass wir nun die gesetzten Ziele auch erreichen können. Bis 2020 soll so eine weitgehende Abdeckung des Stadtgebietes mit kooperativer Kommunikation realisiert werden (Bild 3).

4 Die Basis – Das Projekt UR:BAN

Im Jahr 2016 abgeschlossenen Projekt UR:BAN (UR:BAN Konsortium 2013) haben 31 Partner aus Automobil- und Zulieferindustrie, Elektronik-, Kommunikations- und Softwarefirmen sowie Forschungsinstitute und Städte Grundlagen für benutzergerechte Assistenzsysteme und das Netzmanagement erstellt. Für den kommunalen Bereich von besonderer Bedeutung ist der dabei erstellte „Leitfaden für die Einrichtung kooperativer Systeme auf öffentlicher Seite (TU München; 2016). Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
 
Die Stadt Kassel hat als einer der Projektpartner im Rahmen dieses Projektes ein Prüffeld aufgebaut und ein Verkehrsmanagement installiert, die Verbindung zum Mobilitätsdatenmarktplatz des Bundes (Bundesanstalt für Straßenwesen; MDM-Portal 2016) in Betrieb genommen und die erforderlichen Prozesse für einen Alltagsbetrieb organisiert.
 
Neben dem UR:BAN Prüffeld mit 27 Lichtsignalanlagen [LSA] war vor allem die Integration der Prozesse zum kontinuierlichen Bereitstellen von tagesaktuellen Geometriedaten und der Schaltzeitprognose der Lichtsignalanlagen ein wichtiger Schritt hin zu einem alltagtauglichen Betrieb (Bild 4). Nach Abschluss des Projektes UR:BAN wurde dieser Prozess fortgeführt und auf alle am Verkehrssteuer- und Regelsystem der Stadt Kassel angeschlossenen Lichtsignal-anlagen ausgedehnt.
 
Neben den Voraussetzungen auf der technischen Seite lieferte das Projekt aber auch wichtige Aussagen zum Nutzen kooperativer Systeme. Im Rahmen der Evaluationen konnte belegt werden, dass die erwarteten Effekte auf die Emissionen erreichbar sind (Bild 5).

Damit sind die Voraussetzungen gegeben die nächsten Projektschritte zu gehen, um kooperative Funktionalitäten konkret auf die Straße zu bringen.

Bild 4: Datenfluss zur Schaltzeitprognose im UR:BAN-Projekt (Quelle: BMW/UR:BAN Projektantrag)

Bild 5: Einfluss eines Ampelphasenassistenten auf die CO Emission (Hochrechnung) (Quelle: UR:BAN Leitfaden (TU München 2016))

5 Die Roadmap – Das Projekt CIMEC

Bisher finden kooperative Anwendungen fast ausschließlich im Rahmen von Forschung und Entwicklung und mit einem begrenzten Fahrzeugpark statt. Die Evaluation im Projekt UR:BAN (Bild 5) hat jedoch gezeigt, dass die Ergebnisse umso besser ausfallen je höher die Ausstattungsrate ist. Gerade in den Städten bestehen aber erhebliche Vorbehalte in eine neue und noch nicht im Alltag bewährte Technologie zu investieren.
 
Um hier Informationsdefizite auszugleichen und den Städten Hilfen beim Aufstellen eigener Konzepte zum Einsatz kooperativer Systeme zu geben, wurde das Projekt CIMEC (CIMEC Homepage 2015) beantragt und im Rahmen des europäischen Förderprogrammes HORIZON 2020 bewilligt. Das Projekt ist im Juni 2015 gestartet und wird im Mai 2017 beendet werden. Die Abschlusspräsentation findet am 18. Mai 2017 in der Vertretung des Landes Hessen in Brüssel statt.
 
Wichtigstes Ergebnis des Projektes wird auch hier eine Leitfaden bzw. eine „Roadmap“ sein (CIMEC Consortium 2017). Im Zuge des Projektes wurden in vier europäischen Städten8) mehrere Workshops durchgeführt. Dabei wurden einerseits Vertreter aus den Kommunen, dem städtischen Umfeld aber auch Hersteller und Lieferanten befragt. So können die Bedürfnisse der Städte in der Roadmap angemessen eingebracht werden. Gleichzeitig ist aber auch eine Erläuterung von bereits verfügbaren Produkten und aktuellen städtischen Projekten vorgesehen.
 
Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Roadmap besteht darin bei der EU-Kommission ein Bewusstsein für die Anforderungen und Probleme europäischer Kommunen zu schaffen und neue, für Kommunen geeignete Finanzierungsmöglichkeiten bereit zu stellen.

6 Der öffentliche Nahverkehr und die Einsatzfahrzeuge Das Projekt VERONIKA

Die Praxiserfahrungen mit den im Rahmen von UR:BAN installierten Prozessen und dem dabei entstandenen Prototypen eines Ampelphasenassistenten zeigen, dass die aktuelle Prognosequalität einer verkehrsabhängigen Signalsteuerung für eine Nutzung im Feld noch nicht präzise genug ist (Bild 6). Ursache hierfür ist die erforderliche Flexibilität der Signalsteuerung für die in Kassel realisierte flächenhafte ÖPNV Beschleunigung. Hierzu wird ein bereits in den 1990er Jahren in Kassel entwickelte phasenorientierte Verfahren eingesetzt, welches in Deutschland weit verbreitet ist. Dies Verfahren fügt die konkrete Signalisierung aus den drei Komponenten Phase, Phasenübergang und Rahmenplan zusammen (Noll, 1990). Um die erreichte und für einen wirtschaftlichen Betrieb des ÖPNV unverzichtbare Beschleunigungsqualität zu sichern, bedarf es also eines innovativen Ansatzes um gleichzeitig die angestrebten positiven Umweltwirkungen erreichen zu können. Ein solcher Ansatz wurde gemeinsam mit der Universität Kassel unter dem Titel „VERONIKA VERnetztes Fahren des Oeffentlichen Nahverkehrs In KAssel“ beantragt und im Dezember 2016, als eines der vier ersten Projekte im Bereich des automatisierten und vernetzten Fahrens bewilligt (BMVI 2016).

VERONIKA basiert auf der Erkenntnis, dass die Lösung des geschilderten Zielkonfliktes zwischen erforderlicher Flexibilität und präziser Vorhersage zukünftiger Ereignisse durch zwei C-ITS typische Paradigmenwechsel zu erreichen ist:

1. Das Wirkungsmodell der Lichtsignalsteuerung liegt georeferenziert und maschinenlesbar vor.

2. Eine kontinuierliche bi-direktionale Kommunikation des Fahrzeuges und der Infrastruktur ist technisch gesichert.

Bild 6: Prognosequalität LSA Schaltzeiten in Kassel (Quelle: VSM Straßenverkehrs- und Tiefbauamt Kassel/Open Streetmap)

Das bietet nun die Möglichkeit durch Austausch und Verknüpfung von Daten wesentlich genauere und vor allem automatisierte Entscheidungen zu treffen. So kann z. B. mit dem Wissen über die Linienverläufe des ÖPNV und dem georeferenzierten C-ITS fähigem Lageplan vollautomatisch ermittelt werden ob und wo der Fahrweg eine Lichtsignalanlage kreuzen wird und welches Signal dazu beeinflusst werden muss. Wird der Lageplan z.B. baustellenbedingt geändert wird automatisch die dann zuständige Signalgruppe ermittelt und beeinflusst.

Durch Kombination der Daten über spezielle Eigenschaften des Fahrzeugparks und durch Analyse vergangener Fahrverläufe kann eine exakte Ankunftsprognose erstellt werden.

Bild 7: Bidirektionale Kommunikation mit ÖPNV Fahrzeugen im Projekt VERONIKA (Quelle: Straßenverkehrs- und Tiefbauamt Kassel)

Die Steuerung kann so bereits frühzeitig abwägen, wann die benötigte Grünzeit sicher erreichbar geschaltet wird. Die getroffene Entscheidung kann rechtzeitig an das Fahrzeug gemeldet werden um das Fahrverhalten zu optimieren. Es wird einer Fahrt ohne Halte mit minimalem Energiebedarf und geringstem Verschleiß erreicht. Damit ist ein „Stressfrei durch den Straßenverkehr“ auch für das Fahrpersonal des ÖPNV erreichbar.

Ergänzt wird diese ÖV bezogene Funktionalität durch die Einbindung von Rettungsfahrzeugen unter Nutzung derselben technischen Infrastruktur. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen, so z. B.:

–  Nutzung serienmäßig bereitgestellter Kommunikationskomponenten

–  Alle Fahrzeugarten nutzen die selbe Infrastruktur

–  Einsparung lokaler Detektionstechnik

–  Ablösung veralteter ÖV Anforderungstechnik

–  Betriebssicherung der ÖV Beschleunigung

–  Energieeffizientes Fahren im ÖV

–  …

Das Projekt soll somit auch einen Beitrag leisten, die Einsatzzeiten von Rettungsfahrzeugen zu sichern und gleichzeitig die Verkehrssicherheit zu erhöhen.

7 Übertragung in den Alltagsbetrieb

Die hier vorgestellten und weitere noch in der Antragsphase befindlichen Projekte reihen sich in den C-ITS Plan der Stadt Kassel ein und schaffen die technischen und organisatorischen Voraussetzungen für einen Übergang in den „echten“ Alltagsbetrieb.

Dieser Übergang kann nicht über Nacht stattfinden, sondern muss im Zuge eines langfristigen Prozesses erfolgen. Kassel konnte hier bereits wichtige Aufgaben angehen wie z. B.:

–  Routingfähiges Stadtnetz

–  Georeferenzierte Stadtgrundkarte

–  Georefenzierte Signallagepläne aller Lichtsignalanlagen

–  Durchgänge Versorgungskette für Lichtsignalanlagen

–  Organisation der Prozesse zur Aktualisierung aller Daten beim routinemäßigen Austausch zur Betriebssicherung

–  Organisation der Prozesse zur Aktualisierung aller Daten im Zuge von Baumaßnahmen

–  Anbindung an den Mobilitätsdatenmarktplatz

–  Bereitstellung von Geometriedaten und Schaltzeitprognosen für Drittanbieter wie z. B. Fahrzeughersteller

–  Breitbandige Kommunikation mit den Lichtsignalanlagen über IP-Netzwerk.

Die Realisierung dieser Aufgaben erfolgt im Rahmen der regelmäßig erforderlichen Investitionen zur Betriebssicherung der Verkehrssteuerung um Aufwand und Kosten zu minimieren. In den kommenden Jahren werden nun weitere Teilprojekte wie

–  Ausbau des Kommunikationsnetzes

–  Erweiterter Schnittstellen zwischen Zentralen

–  Erweiterter Schnittstellen zwischen Zentralen und Feldgeräten wie Lichtsignalanlagen und kooperativen WLAN Stationen

–  Aufbau von Infrastruktur zur Kommunikation mit Fahrzeugen

–  Datenschnittstellen zum ÖPNV.

Zug um Zug umgesetzt. Damit wird die Funktionalität des digitalen Testfeldes so erweitert das bis zum Jahr 2020 ein Alltagsbetrieb mit kooperativen Serienfahrzeugen erreicht wird. Einsatzfahrzeuge und der ÖPNV werden unter Nutzung einer einheitlichen Infrastruktur integriert. Ergänzend sollen Funktionalitäten für Fahrzeuge des Schwerverkehrs integriert werden. Kassel ist damit für die Anforderungen der Zukunft gut aufgestellt.

Literaturverzeichnis

Bundesanstalt für Straßenwesen: MDM-Portal, 2016, http://www.mdm-portal.de/

Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI): Kooperative Verkehrssysteme – sicher und intelligent, 2014, http://c-its-korridor.de/

Strategie automatisiertes und vernetztes Fahren: September 2015, http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/StB/broschuere-strategie-automatisiertes-vernetztes-fahren.html

Pressemitteilung Förderbescheide (VERONIKA): Dezember 2016, http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Pressemitteilungen/2016/205-dobrindt-foerderbescheide-digitale-testfelder.html

Car to Car Communication Consortium: Homepage, https://www.car-2-car.org

CIMEC Consortium: Cooperative ITS for Mobility in European Cities – Homepage, Juni 2015 http://cimec-project.eu

C-ITS Roadmap for European Cities: Draft-Februar 2017, http://cimec-project.eu/wp-content/uploads/2016/12/CIMEC_D3.2-Draft-Roadmap.pdf

N o l l, Bernd: Verkehrsabhängige Steuerung von Lichtsignalanlagen, Straßenverkehrstechnik 5/1990

Stadt Kassel: Aufbau eines Verkehrs- und Mobilitätsmanagement, Stadt Kassel 25.1.2011, http://www.stadt-kassel.de//aktuelles/meldungen/16517/index.html

Verkehrsentwicklungsplan 2030: Stadt Kassel 20. 10. 2015, http://www.stadt-kassel.de/projekte/verkehr/infos/18755/

Ampelsteuerung wird fit für die Zukunft gemacht; Stadt Kassel 4. 7. 2016, http://www.stadtkassel.de//aktuelles/meldungen/23148/index.html

Passgenaues Grün an Ampeln für Bus und Bahn: Stadt Kassel 1. 2. 2017, http://www.stadtkassel.de//aktuelles/meldungen/23498/index.html

TU München und UR:BAN Konsortium: Leitfaden für die Einrichtung kooperativer Systeme auf öffentlicher Seite, April 2016, http://www.vt.bgu.tum.de/forschung/projekte/projekte/abgeschlossene-projekte/urban-abgeschlossen-2016/urban-leitfaden/

UR:BAN Konsortium: Homepage März 2013, http://urban-online.org/de/urban.html