An der B 27 wurden an drei aufeinanderfolgenden Anschlussstellen Zuflussregelungsanlagen mit dem Algorithmus PRO installiert. Wegen mehrerer Aspekte ihrer Architektur, Software und Hardware stellen die Anlagen eine Innovation dar. Der Bericht beschreibt technische Details der Planung und Realisierung der Anlagen. Anhand umfangreicher und detaillierter Verkehrsdaten wurde eine verkehrstechnische Wirksamkeitsuntersuchung durchgeführt. Die Anlagen funktionieren positiv bezüglich der Geschwindigkeiten, Stauentwicklung und Kapazität. Die Verbesserungen des Geschwindigkeitsniveaus sind statistisch signifikant. Die Anlagen sind hoch kostenwirksam.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Die Bundesstraße B 27 verläuft durch das Zentrum von Stuttgart und stellt damit eine wichtige Pendlerstrecke von Norden und Süden in die Landeshauptstadt dar. Der Teil der B 27 südlich von Stuttgart ist bis zum Anschluss „S-Degerloch“ vierstreifig planfrei ausgebaut. Der werktägliche Verkehr ist mit über 80.000 Kfz/24h sehr hoch.

Seit 1995 ist auf einer Strecke von rd. 18 km eine Streckenbeeinflussungsanlage (SBA) zur Verbesserung der Verkehrssicherheit und Harmonisierung des Verkehrsablaufs installiert.

Ein Engpass vor dem Anschluss „LE-Flughafen“ in Fahrtrichtung Nord bewirkt regelmäßig werktags morgens Stau. Ferner sind jeweils die Einfahrbereiche der drei stromaufwärts gelegenen Anschlussstellen Ausgangspunkt von Störungen durch große Einfahrpulks. Staus durch diese Engpässe erreichen regelmäßig 8 km Länge und dauern ca. 2 h an.

Die Landesstelle für Straßentechnik (LST) hat in einer Machbarkeitsstudie festgestellt, dass Zuflussregelung den Verkehrsablauf verbessern kann und ein sehr kostenwirksames Mittel ist. Daher wurden im Sommer 2012 drei Zuflussregelungsanlagen (ZRA) in Fahrtrichtung Stuttgart an den Anschlussstellen

•    AS Leinfelden-Echterdingen-Süd (Stetten),

•    AS Filderstadt-West (Plattenhardt) und

•    AS Filderstadt-Ost (Bonlanden)

installiert und im Probebetrieb getestet (Abbildung 1).

Die drei Anlagen stellen in verschiedener Weise ein Novum dar:

•    Es sind die ersten ZRA in Baden-Württemberg, das bedeutete für die beteiligten Personen Neuland zu betreten und für die Verkehrsteilnehmer eine neue Situation.

•    Die Steuerung der ZRA arbeitet weitgehend autonom in der Streckenstation und wird über eine Software auf Basis der einheitlichen Rechnerzentralensoftware für Verkehrsrechnerzentralen bedient.

•    Die ZRA agieren auf Basis von sekündlicher Verkehrsdatenerfassung und Berechnungen.

•    Darüber hinaus sind es die ersten Anlagen in Deutschland, denen nicht der Algorithmus ALINEA zugrundeliegt, sondern der Algorithmus PRO.

•    Schließlich sind es die ersten Anlagen, die bis zu drei Fahrzeugen pro Grünzeit die Zufahrt gewähren. Derzeit wird in wenigen Ausnahmefällen mit maximal zwei Fahrzeugen pro Grünzeit geregelt.

Abbildung 1: Untersuchungsraum B 27 und Lage der Anschlussstellen, ZRA sowie Messquerschnitte MQ 2S bis MQ 8S

Der vorliegende Bericht wird zunächst kurz auf die verkehrstechnischen Grundlagen bei der Planung der Zuflussregelung eingehen sowie auf die ZRA-Algorithmen ALINEA und PRO. Daraufhin wird die konkrete Implementierung des Algorithmus PRO an der B 27 erläutert. Abschließend werden die Wirkungen der Anlage nach einem halben Jahr des Probebetriebs vorgestellt.

2 Planerische Grundlagen

Zuflussregelung ist die verkehrsabhängige Schaltung einer Lichtsignalanlage am Fuße einer Einfahrtrampe zu einer Schnellstraße. Sie wirkt über die zwei Prinzipien

•    kurzzeitiges Regeln der zufließenden Verkehrsmenge und

•    Auflösen von großen einfahrenden Fahrzeugpulks in einzelne Fahrzeuge oder kleine Gruppen.

Durch das Regeln der Einfahrverkehrsstärke wird die Gesamtverkehrsstärke im Einfahrbereich harmonisiert, d. h. ihre Streuung reduziert sich. Damit sinkt gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit eines Geschwindigkeitseinbruchs [1].

Ferner bewirkt das Auflösen von Fahrzeugpulks eine Vereinfachung der Einfahrmanöver, da Ausweichund Bremsmanöver im Einfahrbereich reduziert werden. Dies verbessert die Verkehrssicherheit und reduziert die Auslöser von Verkehrsstörungen.

Zuflussregelung stellt grundsätzlich die Steuerung und Optimierung eines Kompromisses zwischen der Abwicklung der Verkehrsnachfrage der Einfahrt und der Hauptfahrbahn (HFB) dar.

Die Berücksichtigung des Einfahrstromes ist beim ZRA-Algorithmus ALINEA [2] sowie der Mehrzahl aller ZRA-Steuerungsverfahren nicht vorgesehen, d. h. die Schaltung bewirkt primär möglichst fließenden Verkehr auf der HFB. Die Zuflussrate qZRA,n für das Zeitintervall n wird in ALINEA wie folgt ermittelt (siehe auch Abbildung 2)

Formel (1) siehe PDF.

Diese Art der Zuflussregelung kann sehr restriktiv für den Einfahrstrom sein, wenn die Hauptfahrbahn sehr hoch ausgelastet ist und somit eine hohe Belegung bist aufweist. Eine restriktive Schaltung (d. h. geringere Zuflussrate der qZRA als Verkehrsnachfrage in der Rampe) führt zu Rückstaus über die Rampe hinaus ins nachgeordnete Netz und evtl. zu Verkehrsverlagerungen. Letztere Wirkung kann verkehrsplanerisch erwünscht sein, wenngleich sie meist mit erheblichen Reisezeitverlusten und auch einer Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit einhergeht. Wegen dieser Nachteile und weil Verlagerung eben nicht gewollt sind, hat sich in Deutschland jedoch die Praxis etabliert, Zuflussregelung ohne exzessive Rückstaus zu betreiben. Dazu wird der Rückstau gemessen. Bei drohender Überstauung in das nachgeordnete Netz, wird der eigentliche Steuerungsalgorithmus (etwa ALINEA) überregelt indem der Zufluss qZRA erhöht oder gar die Regelung ausgeschaltet wird. Nach dem Ausschalten der Anlage werden alle in der Rampe wartenden Fahrzeuge in einem großen Pulk auf die Hauptfahrbahn drängen.

Die Folge dieser zweitrangigen Berücksichtigung des Einfahrstroms kann ein permanentes Pendeln zwischen Rückstauaufbau und -abbau durch Ausschalten der Anlage sein. Dieser Wechsel ist sehr kontraproduktiv.

Abbildung 2: Vergleich der Algorithmen ALINEA und PRO und ihrer Datenerfassung

Ein Ziel des Algorithmus PRO [1] ist dies zu vermeiden durch die gleichrangige Berücksichtigung der Ströme der Einfahrt und der HFB durch Gl. 2.

Formel (2) siehe PDF.

Durch Mikrosimulation wurde ermittelt, dass der Algorithmus PRO insbesondere bei drohender Überstauung der Einfahrrampe sehr deutliche Vorteile gegenüber ALINEA oder einer einfachen Festzeitsteuerung hat [1]. Dies wurde in der Machbarkeitsstudie der ZRA an der B 27 bestätigt.

Da es an den fraglichen drei Anschlussstellen mittlere (ca. 500 Kfz/h) bis sehr hohe (ca. 1.000 Kfz/h) Einfahrverkehrsstärken gibt und die Einfahrrampe der AS Bonlanden mit lediglich rd. 100 m Aufstelllänge vor der ZRA sehr kurz ist, bestand das Risiko von zu häufigen kritischen Rückstaus, welche bei der vorliegenden Netztopologie zu erheblichen Verkehrssicherheitsproblemen führen würden. Neben diesem wesentlichen Kriterium zeigte auch die Reisezeitbilanz über alle Fahrzeuge (Hauptfahrbahnund Einfahrtströme) aus der Mikrosimulation der Machbarkeitsstudie Vorteile von PRO gegenüber ALINEA.

Aus diesem Grunde wurde der Algorithmus PRO als Steuerungsalgorithmus vorgesehen. Ferner waren einerseits die hohen Einfahrverkehrsstärken und andererseits die kurzen Einfahrrampen die Gründe, erstmals dynamisch bis zu drei Fahrzeuge pro Grünzeit zuzulassen, wodurch Zuflussraten von rd. 1.100 Kfz/h erreicht werden können. Dies ermöglicht das durchgängige Schalten bei sehr hohen Verkehrsstärken und das schnelle aber kontrollierte Abbauen kritischer Rückstaus ohne Abschalten der Anlage bzw. Freigabe der Rampe.

3 Praktische Umsetzung

Aufgrund der für PRO notwendigen sekündlich aggregierten Messwerte und der Umsetzung geänderter Zuflussraten mit jedem ZRA-Umlauf, kommt nur eine autarke Schaltung der ZRA vor Ort, d. h. innerhalb der Streckenstation in Frage. Eine Übertragung der Messwerte in die Zentrale und eine Berechnung der Umlaufzeit dort, wie es die TLS [3] vorsehen, und Übertragung des Schaltbefehls zurück an die Strecke ist mit zusätzlichem Risiko durch Komponentenausfall oder Verzögerung bei der Datenübertragung behaftet.

Die Messschleifen liefern Einzelfahrzeugdaten an das Steuermodul. Dort werden diese Daten zu den in Gl. 2 genannten Eingangswerten sekündlich gleitend aggregiert.

Dadurch wird der Kernalgorithmus PRO mit Daten versorgt. Der Algorithmus PRO kommt aber nur für die Schaltung zum Tragen, wenn keine Ausnahmesituation vorliegt, was ebenfalls sekündlich geprüft wird und im Zweifel die Schaltung nach Gl. 2 überregelt. Diese Ausnahmesituationen sind:

•    Ausfall der Lichtzeichen und Wechselverkehrszeichen

•    Ausfall der Datenerfassung

•    Stau auf der HFB oder dem Beschleunigungsfahrstreifen

•    Kritischer Rückstau auf der Einfahrrampe.

Der implementierte Ablaufplan ist Abbildung 3 zu entnehmen. Erst nach Ausschluss aller Ausnahmesituationen, kommt letztlich der eigentliche Schaltalgorithmus PRO nach Gl. 2 zum Tragen. Dieses Schema ist unabhängig vom eingesetzten Algorithmus zur Berechnung der Zuflussrate qZRA und kommt so oder ähnlich auch bei Realisierungen von ALINEA zum Einsatz.

Ferner ist die Anlage nur dann aktiv, wenn gewisse Schwellenwerte (Verkehrsstärke und -dichte) überschritten werden, die ein Schalten in verkehrsschwachen Zeiten verhindern. Alle Parameter werden für die drei ZRA separat eingestellt.

Für die Inbetriebnahme wurden die Parameter verwendet, die aus der Mikrosimulation der Machbarkeitsstudie abgeleitet worden sind.

Im Vorfeld der Inbetriebnahme wurde die Öffentlichkeit über Presse, Broschüren und den Internetauftritt der Straßenverkehrszentrale (www.svz-bw.de) umfassen informiert.

Die drei ZRA wurden in der Ferienzeit wöchentlich sukzessive in Betrieb genommen, um im Falle von Problemen gezielter reagieren zu können.

Es stellten sich keine wesentlichen Probleme bei Hardund Software heraus, sodass bald alle Anlagen unter Beobachtung im Probebetrieb liefen.

Die drei ZRA wurden mit Webcams ausgestattet, die eine Bildfolge liefern. Diese dienen zunächst der besseren visuellen Beobachtung als Ergänzung zu den Daten, die in der SVZ auflaufen, später dienen sie der allgemeinen Information der Verkehrsteilnehmer über das Internet.

Abbildung 3: Ablaufschema der ZRA an der B 27

Die neue VRZ-Software des Bundes erlaubt es jedem autorisierten Nutzer der Software, objektorientiert eigene Datenabfragen zu generieren.

Eigene Auswertungen, Beobachtungen vor Ort und über die webcams sowie die Rückmeldungen der Verkehrsteilnehmer waren die Ausgangspunkte für das schrittweise Anpassen der Software und der Parameter.

Anpassungen im laufenden Probebetrieb betrafen

•    Verkehrsabhängiges λ des PRO-Algorithmus
Der Wert λ ist in [1] parametrierbar aber nicht dynamisch. Die durch PRO angestrebte Harmonisierung der Verkehrsstärken im Einfahrbereich wird innerhalb einer gewissen Bandbreite der Geschwindigkeit zwischen den HFB-Messquerschnitten und der Einfahrrampe erreicht. Sofern die Geschwindigkeit in diesem Bereich außerhalb dieser Bandbreite liegt, ist es vorteilhafter λ zu reduzieren.

•    Ein- und Ausschaltlogik
Die Anlagen werden aktiv bei Überschreiten bestimmter Dichteoder Verkehrsstärkewerte. Sofern jedoch dauerhaft anhaltend geringe Geschwindigkeiten oder extrem hohe Dichten gemessen werden wird die Schaltung ausgeschaltet. Für diese Ausschaltlogik gab es Änderungen bei der Detektion von Stau auf der Hauptfahrbahn. Dieser wurde zunächst durch stromaufwärtige Detektoren erfasst, die der ZRA-Streckenstation zugeordnet sind. Die Stauermittlung wurde mit stromabwärtigen Detektoren erweitert, die allerdings zu einer anderen Streckenstation gehören. Der Vorteil wird darin gesehen, dass die ZRA so das Ende einer Störung, die häufig eine stromaufwärts wandernde Stauwelle ist, schneller erkennt und die ZRA frühzeitiger aktiviert wird und so die Erholung des Verkehrsablaufs unterstützen kann. Dieses Abschalten bei Stau auf der HFB tritt an der B27 regelmäßig werktäglich auf und bedarf daher dieser besonderen Behandlung. Die Integration eines Messquerschnitts einer anderen Streckenstation machte es erforderlich, diesen Teil der Schaltlogik in der Unterzentrale zu implementieren und die autonome Schaltung der ZRA zu überlagern.
Zusätzlich wurde implementiert, dass bei Stau auf der Rampe die Anlage nicht in Betrieb geht, um der strikten Forderung der Vermeidung des Rückstaus ins nachgeordnete Netz Rechnung zu tragen.

•    maximale Rotzeiten der ZRA
Der Steuerungsmodus „Rot wartend“ nach TLS [3] bedeutet, dass die Anlage bei großen Fahrzeugabständen auf Anforderung durch Belegung einer Schleife vor der Haltelinie wartet, um Grün zu schalten. Fährt ein Verkehrsteilnehmer auf die „rot wartende“ Lichtsignalanlage zu, wird rechtzeitig auf „Grün“ schaltet.
Bei sehr großen Lücken zwischen zufahrenden Fahrzeugen wird ein sog. Zwangsumlauf geschaltet, d. h. eine parametrierbare maximale Rotzeit wird gefolgt von einer Grünzeit, bevor die Anlage dauerhaft Rot schaltet. Wenn das nächste Fahrzeug auf dieses „letzte“ Grün zufährt, kann das zu abrupten Bremsmanövern führen, wenn dem Fahrzeug vor dem Passieren der LSA die für ZRA übliche eine Sekunde Gelb signalisiert wird und dann Rot folgt, weil das Fahrzeug zu schnell ist, um bei 1 s Gelb rechtzeitig anzuhalten. Die nach TLS optionale Gelbzeitverlängerung auf 3 Sekunden wurde für diese Fälle eingeführt.

•    Parameter zur Kontrolle des Rampenrückstaus
Bei der sehr kurzen Rampe der AS Bonlanden führte die Standardparametrierung der Rückstaudetektion bei den höchsten Zuflussströmen dazu, dass die ZRA zum Abbau des Rückstaus drei Fahrzeugen pro Grünphase bei kurzen Rotzeiten oder sogar Dauergrün wählte. Durch die Umlaufzeit bzw. die Freigabezeit des zufließenden Stroms der vorgelagerten städtischen Lichtsignalanlage ist jedoch die Menge der Fahrzeuge begrenzt, die auf die Rampe einfahren. Somit ist in der Regel gewährleistet, dass alle einfahrenden Fahrzeuge auf der Rampe Platz finden. Der Rückstauabbau wurde mit 2 Fahrzeugen pro Grün und geänderten Schwellenwerten so verzögert, dass der Rückstau gerade erst dann abgebaut ist, bevor die ersten Fahrzeuge des folgenden Umlaufs der städtischen LSA folgen. Somit konnte die Wirkungsweise der ZRA mit den vorhandenen Parametern optimiert werden.

4 Wirkungsermittlung

Seit Ende 2012 laufen die drei ZRA ohne wesentliche weitere Softwareoder Parameteranpassung. Ferner waren die Anlagen zu dem Zeitpunkt bereits mehrere Monate im ununterbrochenen Betrieb, sodass von einer Eingewöhnung der Verkehrsteilnehmer und dem Austarieren dieser Verkehrsbeeinflussung (evtl. Verkehrsverlagerung) ausgegangen werden konnte. Daher bot es sich an, die folgenden Monate mit den gleichen Monaten des Jahres 2012 vor Inbetriebnahme der Anlagen auszuwerten und die Wirkung der ZRA zu beurteilen.

Dazu konnte auf umfangreiches Datenmaterial der Streckenbeeinflussungsanlage der B 27 zurückgegriffen werden. Diese Anlage ist seit vielen Jahren unverändert in Betrieb und bietet daher geeignetes Datenmaterial für die Untersuchung der Wirkung der ZRA. Es wurden die Daten der Messquerschnitte „MQ 2S“ bis „MQ 8S“ verwendet. Sie liegen jeweils im Abstand von rd. 1.000 m. Der gesamte Untersuchungsraum ist gut 7 km lang (Abbildung 1).

Eine Wechselwirkung zwischen beiden Anlagentypen kann nicht ausgeschlossen werden, faktisch ist jedoch die Einführung der ZRA die einzige systematische Veränderung in beiden Zeiträumen. Ob die Wirkung der ZRA durch die vorhandene SBA verstärkt oder gedämpft wurde lässt sich anhand der vorliegenden Daten nicht feststellen.

Die Kurzzeit-, Umfeldund Aktorikdaten von jeweils zwei Monaten vor und nach Inbetriebnahme der Zuflussregelung aus den Jahren 2012 und 2013 wurden ausgewertet. Dabei wurden verfälschende Einflüsse aus Witterung, Unfällen, Baustellen, Wochenenden sowie Feiertage/Urlaub ausgeschlossen. Ferner wurden Einflüsse aus veränderten Verkehrsmengen und -zusammensetzung („jährlicher Trend“) oder anderen Stauursachen als der „Verkehr am Normalwerktag“ für die Untersuchungsstrecke geprüft und ausgeschlossen.

Nach Ausschluss dieser Fremdeinflüsse wurden die Verkehrsstärken (Verlagerung) Geschwindigkeiten, Reisezeiten, Rückstaulängen und volkswirtschaftlicher Nutzen bewertet.

4.1 Verlagerungseffekte

Verlagerungen wurden im Vorfeld der Realisierung seitens der anliegenden Gemeinden befürchtet. Aufgrund der Topologie der Pendlerstrecke B 27 und des nachgeordneten Netzes wurden Verlagerungen in der Machbarkeitsstudie als unwahrscheinlich eingestuft, allenfalls sind sie von einer Anschlussstelle zur nächsten zu erwarten.

Die Verkehrsmengen an den Einfahrten und Ausfahrten der drei Anschlussstellen änderte sich in den Vergleichszeiträumen nur geringfügig (Tabelle 1).

Tabelle 1: Verkehrsstärken [qKfz / h] ohne / mit ZRA in den Ausfahrten (links) und Einfahrten (rechts)

Die Messungen in den Einfahrrampen sind jedoch insofern kritisch zu betrachten, als dass durch Rückstaus auf den MQ (infolge der ZRA-Schaltung) die Zählung der Fahrzeuge (für 2013, also mit ZRA) verfälscht sein kann. Dies hängt stark von der konkreten Lage des MQ (Abstand zur Haltelinie) und der Rückstaubildung ab.

Unter diesem Vorbehalt lässt sich feststellen, dass die drei ZRA keine nennenswerten Verkehrsströme in andere Netzteile verlagern.

4.2 Geschwindigkeiten

4.2.1 Geschwindigkeitsniveau

Tabelle 2 zeigt die Wirkung der ZRA auf das Geschwindigkeitsniveau für den Zeitraum der ausgedehnten Störungen von 6:30 Uhr bis 8:30 Uhr. Die Geschwindigkeiten sind durch die Zuflussregelungsanlagen im Mittel um 7 km/h höher. Der Vorteil ist am Beginn der Untersuchungsstrecke (MQ 2S) mit 14 km/h besonders deutlich. Am Ende der Strecke bei Stetten und stromabwärts davon ist der Vorteil weniger deutlich mit rd. 2-5 km/h. An allen Messstellen ist die mittlere Geschwindigkeit signifikant gestiegen.

Tabelle 2: Geschwindigkeit der Pkw [km/h] ohne / mit ZRA sowie Signifikanz der Änderung

Die Änderung der Geschwindigkeit ist für beide Fahrstreifen an allen MQ jeweils in der gleichen Größenordnung, es gibt also keinen größeren Nutzen für einen Fahrstreifen gegenüber dem anderen.

Der geringste Geschwindigkeitsvorteil bei der dritten ZRA in Fahrtrichtung an der AS Stetten darf nicht mit einer vergleichsweise geringeren Wirksamkeit der dortigen ZRA interpretiert werden. Eine verkehrstechnische Maßnahme wirkt sich grundsätzlich stromaufwärts positiv auf die Staulänge und die Staudauer aus. Daher dürfte sich der Indikator mittlere Geschwindigkeit am positivsten im Bereich des verlagerten Stauendes verändern, wo die Geschwindigkeit stark absinkt. Hinzu kommen die ergänzenden positiven Wirkungen der ebenfalls jeweils stromaufwärts wirkenden ZRAen an den AS Plattenhardt und Bonlanden. Dadurch ist der stromaufwärts zunehmend deutliche Vorteil zu erklären.

4.2.2 Geschwindigkeitsverlauf

Für jeden Messquerschnitt wird ein mittlerer Geschwindigkeitsverlauf für den Untersuchungszeitraum erstellt. Diese Auswertung zeigt, zu welcher Uhrzeit an einer Messstelle die ZRAen Veränderungen bewirken (Abbildung 4).

Es ist deutlich zu erkennen, dass in den Zeiten der Kernstörung von rd. 6:30 Uhr bis 8:30 Uhr der Verkehrsablauf mithilfe der ZRA mit höheren mittleren Geschwindigkeiten fließt.

Am MQ 2S zu Beginn der Untersuchungsstrecke sind die Geschwindigkeitsdifferenzen von 7:00 bis 8:30 Uhr signifikant (95%, gelbe Pfeile). Am Ende der Untersuchungsstrecke (MQ 8S) sind die Differenzen lediglich noch von 8:30 bis 8:45 Uhr signifikant.

Gleichzeitig ist das Geschwindigkeitsniveau an den Rändern des Untersuchungszeitraums, an denen die ZRA nicht aktiv waren, von 2012 nach 2013 unverändert. Daraus wird deutlich, dass der Untersuchungszeitraum ausreichend groß gewählt worden ist, und dass es vermutlich keine wesentlichen äußeren Einflüsse auf die Untersuchung der ZRA-Wirksamkeit gibt, die nicht herausgefiltert worden sind.

In der unruhigen Phase ab ca. 7:30 Uhr, in der der Verkehr sich teilweise erholt, aber immer wieder auch einbricht, unterstützt die Zuflussregelung den Verkehrsablauf.

Üblicherweise geht man beim Einsatz von Zuflussregelung davon aus, dass sie bei regelmäßig eintretenden Störungen

•    den Einbruch der Geschwindigkeiten verzögert,

•    das Geschwindigkeitsniveau während der Störung anhebt und

•    die Erholung des Geschwindigkeitsniveaus am Ende der Störung fördert.

Von diesen drei Effekten lassen sich mit Abbildung 4 die letzten beiden bestätigen, der jähe Einbruch der Geschwindigkeiten unter 80 km/h um ca. 6:30 bis 6:45 Uhr bleibt mit seinem Zeitpunkt und seiner Stärke des Absinkens der Geschwindigkeiten unverändert.

Auch wenn man den Zeitraum detaillierter darstellen würde, kann man nur geringe Vorteile durch ZRA in dieser Phase der Störung in der ersten Hälfte der Strecke feststellen.

Abbildung 4: Mittlere Geschwindigkeitsverläufe (vPkw) für die MQ 2S bis 8S ohne und mit ZRA sowie Zeiträume mit signifikanter Verbesserung (α = 5% , gelbe Pfeile)

4.3 Kapazität

Eine zeitliche Auswertung der Verkehrsstärken der Hauptfahrbahn und der drei Einfahrten zeigte für die Zeit vor und während des starken Einbruchs unter rd. 80 km/h, dass in dem weiterhin gleich verlaufenden Geschwindigkeitseinbruch die zugleich abgewickelte Menge Fahrzeuge sowohl auf der HFB als auch in den Einfahrten um rd. 4 % erhöht ist. Das bedeutet, dass in dieser Phase das Geschwindigkeitsniveau zwar einerseits gleich geblieben ist, aber die Leistungsfähigkeit des Streckenabschnitts erhöht ist. Diese Erklärung wird durch die Auswertungen zur Staubildung (Kap. 4.4) unterstützt, nach denen der regelmäßige Stau kürzer in Dauer und Länge geworden ist, eben weil mehr Fahrzeuge abgewickelt wurden und so weniger Fahrzeuge „im Stau stecken geblieben sind“. Dieser positive Effekt wird erst zu späterer Zeit – um ca. 7:00 bis 8:30 Uhr – im Geschwindigkeitsniveau der gesamten Strecke sichtbar, wenn nämlich der Stauabbau durch ZRA schneller stattgefunden hat und so weniger „wartende“ Fahrzeuge abgebaut werden müssen.

Eine Auswertung der Verkehrsstärke vor dem Geschwindigkeitseinbruch mit der Größe  unter eine Geschwindigkeit vGrenz ergab an allen drei Anschlussstellen eine höhere Kapazität nach Einrichtung der Zuflussregelungsanlagen (Tabelle 3). Die Steigerungen sind jedoch nicht signifikant. Ausgewertet wurden Geschwindigkeitseinbrüche (vPkw des 1. Fahrstreifens) von 1-min Intervallen. Die einem Einbruch gleitend vorangegangenen 5 Minuten waren das Intervall für die Ermittlung der Kapazität.

Tabelle 3: Änderung der Kapazität infolge von Zuflussregelung

4.4 Rückstaulängen

4.4.1 Kritische Rückstaus in den Einfahrrampen

Kritische Rückstaus in den Einfahrrampen werden durch die ZRA rechtzeitig erkannt und effektiv abgebaut. Aufgrund eigener Beobachtungen und der Auswertung der Rückmeldungen der Verkehrsteilnehmer können durch die ZRAen verursachte kritische Überstauung der Einfahrrampe nach Optimierung der Parameter dieser Programmfunktion nicht festgestellt werden.

4.4.2 Stau auf der Hauptfahrbahn

Die Staubildung wird anhand der mittleren Geschwindigkeiten an einem Messquerschnitt erfasst. Es wird eine Staugeschwindigkeit von 60 km/h definiert.

Nun wird für jeden Messquerschnitt die Wahrscheinlichkeit von Stau berechnet, indem der Anteil der Zeiten mit Geschwindigkeiten unter 60 km/h für den Zeitraum der Kernstörung von 6:30 bis 8:30 Uhr ermittelt wird. Es zeigt sich, dass die gesamte Strecke zwischen dem Anschluss B 312 und der AS LE-Nord/Flughafen weniger stauanfällig ist (Abbildung 5).

Abbildung 5: Änderung der Wahrscheinlichkeit der Überstauung (v < 60 km/h) der Messquerschnitte im Zeitraum der Kernstörung

Wertet man lediglich die Stunde um den Zeitraum des erstmaligen Einbruchs der Geschwindigkeiten um ca. 6:30 bis 6:45 Uhr aus, stellt man fest, dass die Stauwahrscheinlichkeit unverändert geblieben ist (Abbildung 6). Diese Erkenntnis korrespondiert mit den Erläuterungen zum Geschwindigkeitseinbruch im Kap. 4.2.2, d. h. der Einbruch findet unverändert zur gleichen Zeit statt.

Abbildung 6: Änderung der Wahrscheinlichkeit der Überstauung (v < 60 km/h) der Messquerschnitte im Zeitraum 6 – 7 Uhr

4.5 Reisezeiten

Zur Ermittlung der Reisegeschwindigkeit wird jedem Messquerschnitt eine Teilstrecke zugewiesen. Dieser Rückschluss von lokalen Messungen auf die Strecke ist auch bei dem hier vorliegenden unsteten Verkehrsablauf zulässig, da einerseits die Streckenabschnitte mit meist <1 km MQ-Abstand sehr kurz sind und andererseits die Auswertung auf 1-min-Daten basiert und somit die unterschiedlichen Verkehrszustände sehr gut differenziert werden.

Die Reisezeiten wurden aus den abschnittsbezogenen Reisegeschwindigkeiten umgerechnet (Tabelle 4). Es zeigt sich, dass die maximale Zeitersparnis der Fahrzeuge, die die gesamte Strecke von gut 7 km um ca. 7:30 durchfahren, ca. 150 s, d. h. rd. 2,5 Minuten beträgt.

Tabelle 4: Veränderung der mittleren Reisezeiten [s]

Die abschnittsbezogene Veränderung der Reisezeiten ist analog zu den mittleren lokalen Geschwindigkeiten in Kap. 4.2.2 zu Beginn der Untersuchungsstrecke am größten (Tabelle 5, Zeile „2S“). Fahrten, die kurz vor dem Ende des Untersuchungsraum an der AS Stetten beginnen („MQ 7S“), profitieren nur geringfügig. Dieses Ergebnis ist auch in der Machbarkeitsstudie durch die Mikrosimulation ermittelt worden.

Tabelle 5: Abschnittsbezogene Änderung der Reisezeiten [s]

Die in Tabelle 4 dargestellten Reisezeitänderungen können nun mit der mittleren Verkehrsstärke der jeweiligen Zeitintervalle und Streckenabschnitte im 6-stündigen Zeitraum multipliziert werden um die Änderung der Gesamtreisezeiten aller Verkehrsteilnehmer zu ermitteln. Diese Kenngröße stellt den volkswirtschaftlichen Nutzen aus veränderten Reisezeiten je Normalwerktag dar (Tabelle 6). Es zeigt sich, dass in der Zeit vor 6:00 Uhr und nach 9:00 Uhr kein Nutzen entsteht, da ja in den Zeiten die drei ZRA nicht oder nur noch sporadisch aktiv sind.

An einem Normalwerktag im Zeitraum von 5 bis 11 Uhr entsteht ein Gesamtnutzen aus reduzierten Reisezeiten von 151 h für die Fahrzeuge der HFB.

Tabelle 6: Gesamtreisezeitänderung [Kfz.h] nach Gewichtung mit der Verkehrsstärke

Demgegenüber stehen Zeitverluste, die sich in der Warteschlange vor den ZRA entwickeln. Hierfür stehen keine MQ-Daten zur Verfügung, da die Geschwindigkeitsmessung in der Rampe unzuverlässig ist. Alternativ kann man vereinfachend davon ausgehen, dass bei Aktivität der ZRA, alle Fahrzeuge Verzögerungen erleiden, die im Mittel der halben Umlaufzeit der angeschlossenen städtischen LSA entspricht. Die ersten Fahrzeuge eines LSA-Pulks erleiden keine Zeitverluste, die letzten die volle Umlaufzeit, wenn man davon ausgeht, dass der Rückstau im Mittel nach einem Umlauf wieder abgebaut ist. Von der halben Umlaufzeit, die mit 60 s angenommen wurde, wird die Zeit abgezogen, die ein Fahrzeug zum Befahren der Rampe ohnehin gebraucht hätte. Wenn man diese Zeit zu 10 s ansetzt, ergibt sich eine mittlere Verzögerung für Einfahrende von 20 s, sofern die Anlage aktiv ist. Die Aktivität wird für diese Berechnung aus der tatsächlich protokollierten Schaltaktivität abgeleitet. Die so ermittelte Verlustzeit von 20 s pro Fahrzeug kann nun mit der mittleren Verkehrsstärke in der Einfahrt multipliziert werden um Verlustzeiten für alle (einfahrenden) Fahrzeuge an einem Normalwerktag zu ermitteln (Tabelle 7).

Tabelle 7: Reisezeitverluste für einfahrende Fahrzeuge durch die ZRA

In der Summe entstehen am Normalwerktag Verlustzeiten von rd. 21,7 h durch Wartezeiten vor den ZRA. Dieser Wert entspricht den in der Machbarkeitsstudie ermittelten Verlustzeiten der ZRA.

Die Gesamtreisezeitbilanz der drei ZRA ist demnach eine Verbesserung von 152 h – 22 h = 130 h pro Normalwerktag.

Die Änderung der Reisezeiten ist in gleichem Maße signifikant wie die Änderung der mittleren Geschwindigkeiten (Abbildung 4)

4.6 Nutzen

Für eine Einschätzung des Erfolgs der Investition können die ermittelten Reisezeitgewinne bei 150 jährlichen „Normalwerktagen“ auf eine jährliche Zeitersparnis von >19.000 h/a angegeben werden. Bei einem mittleren Wert der eingesparten Kfz-Reisezeitstunde von rd. 8,50 €/Kfz.h ergibt sich ein volkswirtschaftlicher Nutzen von gut 160.000 € pro Jahr. Das bedeutet, dass sich die Investition nach wenigen Jahren volkswirtschaftlich bezahlt gemacht haben wird.

Ein Nutzen aus verbesserter Verkehrssicherheit lässt sich nicht quantifizieren, da eine Betrachtung ex-post Zeiträume vor und nach der Maßnahme mit ausreichend vielen Unfällen erfordert und diese noch nicht gegeben sind. Allgemein kann man bei einer Reduktion der Staudauer auch eine Verbesserung der Verkehrssicherheit erwarten.

5 Fazit

Die B 27 im südlichen Zulauf zur BAB A 8 ist während der Morgenspitze sehr hoch belastet. Regelmäßige Staus entstehen sowohl wegen starker Einfahrströme der drei stromaufwärts des Flughafentunnels liegenden Anschlussstellen als auch wegen des Flughafentunnels mit anschließender Anschlussstelle als Engpass. Daher kommt als vollständige Lösung der Stauprobleme nur eine Kapazitätserweiterung der B 27 in Betracht. Dennoch wurden zur einstweiligen Reduktion der Störungen drei Zuflussregelungsanlagen in Fahrtrichtung Stuttgart eingerichtet.

Das Besondere an diesen drei Zuflussregelungsanlagen ist:

•    es sind die ersten in Baden-Württemberg

•    es sind die ersten mit einem bislang nur im Labor erprobten Algorithmus

•    es sind die ersten Verkehrsbeeinflussungsanlagen, die vollständig auf sekündlicher Datenerfassung und -verarbeitung basieren,

•    es sind die ersten Zuflussregelungsanlagen mit dynamisch bis zu drei Fahrzeugen pro Grünzeit

Eine Auswertung umfangreicher und detaillierter Daten der Streckenbeeinflussungsanlage zeigte für den morgendlichen Verkehrsablauf montags bis freitags, dass

•    es durch ZRA keine Verlagerungseffekte von der B 27 in das nachgeordnete Netz gibt,

•    durch die ZRA keine kritischen Rückstaus erzeugt werden,

•    das Geschwindigkeitsniveau statistisch signifikant um 2 bis 14 km/h höher ist,

•    die Reisezeiten für die Hauptfahrbahn deutlich sinken (bis zu 2,5 Minuten),

•    die Kapazitäten 2 bis 7 % höher sind.

•    die Gesamtreisezeitbilanz mit einem Nutzen von 130 Kfz.h ersparter Reisezeit pro Werktag positiv ist,

•    die Stauwahrscheinlichkeit sowie die Staulänge bzw. -dauer im gesamten Bereich geringer sind.

Trotz oder wegen der Neuerungen dieser Anlagen stellte sich heraus, dass die drei ZRA im Verhältnis zu ihren Investitionsund laufenden Kosten äußerst wirksam sind. Die Investition wird sich nach drei bis vier Jahren amortisiert haben.

Ein weiteres positives Fazit ist die Tatsache, dass diese Wirkungen der Zuflussregelungsanlagen, in Qualität und Quantität durch Mikrosimulation prognostiziert worden sind, und dass die Mikrosimulationsstudie geeignete Ausgangsparameter für den Probebetrieb geliefert hatte.

6 Literatur

[1]    TRAPP, R. Entwicklung eines proaktiven Verfahrens zur Zuflussregelung und die Bewertung seiner Wirkung im Vergleich zu anderen Steuerungsverfahren. 49. Aachener Mitteilungen Straßenwesen, Erdund Tunnelbau, Institut für Straßenwesen der RWTH Aachen. 2006

[2]    PAPAGEORGIOU, M. ALINEA: A Local Feedback Control Law for On-Ramp Metering: Transportation Research Board 1320. 1991

[3]    BAST. (2012). Technische Lieferbedingungen für Streckenstationen (TLS): Wirtschaftsverlag NW, Bergisch Gladbach. 2012