Arbeitsstellen längerer Dauer sind zum Ausbau und zur dauerhaften Erhaltung des Autobahnnetzes unerlässlich. Sie stellen jedoch einen erheblichen Eingriff in den Verkehrsfluss und die Verkehrssicherheit dar. Der vorliegende Beitrag untersucht den Nutzen, den die Videobeobachtung von Arbeitsstellen längerer  Dauer in den Bereichen Störfallmanagement, Arbeitsstellenmanagement und Verkehrsinformationen entwickeln kann. Die Herleitung der Einsatzpotentiale erfolgte durch den Pilotbetrieb eines Videosystems in einer Baustelle auf der BAB 1. Mit Hilfe einer volkswirtschaftlichen Bewertung, die auf einer detaillierten  Stauprognose basiert, konnten die Verkehrsbelastungen berechnet werden, ab denen sich der Einsatz eines Videosystems aus volkswirtschaftlicher Sicht lohnt. Darüber hinaus wurden maßgebende Einflussgrößen auf diese Einsatzgrenze identifiziert und quantifiziert sowie Bemessungstabellen für die praktische Anwendung entwickelt.

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

1 Motivation und Zielsetzung

Arbeitsstellen längerer Dauer (AlD) sind zur dauerhaften Erhaltung des Bundesautobahnnetzes unerlässlich, stellen jedoch einen erheblichen Eingriff in den Verkehrsfluss und die Verkehrssicherheit dar. Die Führung des Verkehrs auf beengten Behelfsfahrstreifen sowie in Verschwenkungen und Überleitungen senkt die Streckenkapazität ab und führt zu einer Zunahme von leichten Unfällen mit Sachschäden. Arbeitsstellen längerer Dauer verfügen in der Regel nicht über einen Standstreifen, so dass bereits Störfälle geringen Ausmaßes schwerwiegende Auswirkungen nach sich ziehen können. Folge dieser Problematik sind Stauerscheinungen, die erhebliche volkswirtschaftliche Schäden verursachen. Allein für Nordrhein-Westfalen beziffern GEISTEFELDT/LOHOFF (2011) [1] den volkswirtschaftlichen Schaden durch Fahrzeitverluste an Arbeitsstellen längerer Dauer im Jahr 2010 auf 116 Mio. Euro. Der Anteil baustellenbedingter Stauereignisse am Gesamtaufkommen liegt – abhängig vom Bezugsjahr und Untersuchungsgebiet zwischen 20 % und 50 % (HMSV, 2012 [2]; GEISTEFELDT/LOHOFF, 2011 [1]; KUNZ, 2009 [3]; HOLZWARTH ET AL., 2005 [4]). Eine zuverlässige Information des Verkehrsteilnehmers über die aktuell anstehenden Stauereignisse ist jedoch nicht in jeder Arbeitsstelle gegeben, da aufgrund des Bauzustands eine Verkehrsdatenerfassung oftmals deaktiviert oder nicht existent ist.

In Zukunft könnten Videosysteme in Arbeitsstellen – vergleichbar zu Tunneln – zur Überwachung des Verkehrsflusses, zum Störfallmanagement oder zur Erzeugung von Verkehrsinformationen eingesetzt werden. Der Leitfaden zum Arbeitsstellenmanagement auf Bundesautobahnen (BMVBS, 2011 [5]) weist explizit darauf hin, dass „in hochbelasteten Arbeitsstellen längerer Dauer [.] Kameras für die Feststellung und Validierung von Störfällen sinnvoll sein [können].“

Das Ziel der Forschungsarbeit lag darin, den Nutzen der Videobeobachtung einer Arbeits-stelle längerer Dauer für Zwecke des Störfall- und Arbeitsstellenmanagements zu bestimmen. Darüber hinaus sollten Hinweise gegeben werden, ab wann eine Arbeitsstelle als derart hochbelastet gelten kann, dass der Einsatz eines Videosystems eine volkswirtschaftlich lohnende Investition darstellt.

2 Einsatzpotentiale von Videosystemen im Störfall- und Arbeits-stellenmanagement

Der Forschungsansatz der hier beschriebenen Studie lag in der Pilotanwendung eines Videosystems in einer Arbeitsstelle längerer Dauer (VOLKENHOFF ET AL., 2012 [6]). Hierzu wurde eine 6,2 km lange Arbeitsstelle auf der BAB 1 zwischen Leverkusen und Wuppertal ausgewählt. Der Verkehrsablauf im Arbeitsstellen- und im Vorlaufbereich wurde im Jahr 2010 über sechs Monate mit insgesamt 29 Kameras an 15 Videostationen aufgezeichnet. Bild 1 zeigt eine der Videostationen, die energieautark und drahtlos kommunizierend aufgebaut ist.

Bild 1: Videostation in der Pilotbaustelle (links, Quelle: Straßen.NRW) und Ausschnitt Videobild (rechts)

In Summe standen im Untersuchungszeitraum etwa 99.000 Stunden Videomaterial zur Auswertung bereit, die mit einer ereignisgestützten Methode analysiert wurden. Insgesamt konnten durch dieses Vorgehen 201 Störfälle im Videobild für eine detaillierte Untersuchung identifiziert werden. Unter den Störfällen befanden sich 31 Unfälle und 45 Nothalte. In 138 Fällen kam es im Untersuchungszeitraum zu Stauereignissen, die im Mittel 141 Minuten andauerten und eine mittlere, maximale Länge von 4,0 km aufwiesen. Die maßgebenden Stauursachen bestanden in individuellen Störfällen (Unfällen, Nothalten), Arbeitsstellen kürzerer Dauer (AkD) sowie Überlastungen der regulären Arbeitsstellenkapazität.

Die Entstehungen und Auswirkungen der Störfälle sowie die bestehenden Managementstrategien der Behörden wurden in einer Ereignisdatenbank klassifiziert und analysiert. Die Er-gebnisse der Analysen wiesen Handlungsbedarf in den Bereichen Störfallmanagement, Arbeitsstellenmanagement und Verkehrsinformationen auf. Es wurde geprüft, ob die Nutzung von Videosystemen in Arbeitsstellen längerer Dauer Potentiale zur Verbesserung der genannten Bereiche bietet. Im Weiteren werden exemplarisch für jede Hauptstauursache Handlungsbedarf und Einsatzpotential vorgestellt.

Bild 2: Ankunftszeiten der Dienste über alle Störfälle

Im Bereich des Störfallmanagements wurde u.a. der Zeitraum zwischen dem Auftreten des Störfalls und der Ankunft der Behörden vor Ort untersucht. Bild 2 zeigt die kumulierte Häufigkeit der Ankunftszeiten der Behörden und Dienste. Die Ankunftszeiten der Polizei liegen in über 70 % der Fälle bei unter 40 Minuten. Die weitergehende Analyse von Detektions- und Einsatzreaktionszeiten der Polizei ergab Handlungsbedarf insbesondere im Bereich von Unfällen und Nothalten mit geringer individueller Schwere, bei denen dennoch Fahrstreifenblockaden und damit oftmals Stauereignisse auftraten. Durch ein Videosystem könnte eine automatische Störfalldetektion mittels Videodetektionsverfahren vorgenommen werden, um Detektionszeiten zu senken. Darüber hinaus bieten Kameras dem Personal der Einsatzleitstelle die Möglichkeit, einen Störfall zu lokalisieren, eine Meldung zu validieren, die geeigneten Einsatzkräfte zu aktivieren und ihren Anfahrtsweg zu koordinieren. Durch diese Maßnahmen ist eine Verringerung der Einsatzreaktionszeit und damit in Summe auch der Ankunftszeit der Polizei möglich.

Ähnliche Potentiale ergeben sich auch für Einsätze der Feuerwehr und des Rettungsdiensts. Diese weisen eine ähnliche Verteilungsfunktion der Ankunftszeiten auf, die im Vergleich zur Polizei jedoch bereits geringer ist. Während in über 70 % der Einsätze eine Ankunftszeit von unter 25 Minuten erreicht werden kann, liegen vereinzelte Ankunftszeiten mit 50 bzw. 110 Minuten sehr hoch. Eine Prüfung dieser Einzelfälle ergab, dass hier erst nachträglich Feuerwehr und Rettungsdienst durch die Polizei zur Störfallstelle gerufen wurden.

Abschlepp- und weitere Dienste (Bergungsunternehmen, Autobahnmeisterei und Absicherungsunternehmen) weisen in Bild 2 weit höhere Ankunftszeiten als die Behörden auf. In 70 % der Einsätze treffen sie in weniger als 115 Minuten am Störfallort ein. Diese systematische Differenz ist darauf zurückzuführen, dass diese Dienste i. d. R. erst angefordert werden, wenn eine Lagebeurteilung durch die Polizei oder Feuerwehr stattgefunden hat. Mit Hilfe von Videokameras könnte hier eine frühere Aktivierung dieser Dienste durch die Einsatzleitstelle stattfinden, sobald dieses als notwendig erkannt wird.

Bild 3: Verlauf der mittleren Verkehrsnachfrage (Montag-Donnerstag) und Anzahl der Stauereignisse durch AkD nach Einrichtungszeitpunkt

Die zweite Gruppe von Stauursachen stellen die systematischen, zeitlich planbaren Eingriffe in die Kapazität der Arbeitsstelle durch zusätzliche Sperrungen von einzelnen Fahrstreifen dar. Diese waren im Zuge der Bauabwicklung z. B. für die Sicherung des Arbeitsraums bei Asphaltarbeiten oder für Markierungsarbeiten erforderlich. Die mittlere Staudauer der 23 Stauereignisse dieser Ursache betrug 215 Minuten, die mittlere Staulänge 4,8 km.

Aufgrund der hohen Verkehrsbelastung (DTV = 74.300 Kfz/h) und der durch hohe Längsneigungen (bis zu 4 %) reduzierten Kapazität war in der untersuchten Arbeitsstelle die Sperrung von Fahrstreifen grundsätzlich nur nachts (19 Uhr bis 5 Uhr) oder am Wochenende zulässig. Für kurze Einrichtungszeiten (max. 4 Stunden) wurden in Ausnahmefällen Arbeitsstellen montags bis donnerstags zwischen 9 und 15 Uhr eingerichtet. Dass diese Sperrzeiten eingehalten werden, lässt sich in Bild 3 erkennen, da in diesen Stunden nahezu keine Stauereignisse vorlagen. Gleichermaßen muss bemerkt werden, dass die angeordneten Sperrzeiten nicht ausreichten, um Stauereignisse durch AkD zu vermeiden. Mit Hilfe eines Videosystems könnte eine flexible Freigabe von Sperrfenstern unter Berücksichtigung aktueller Verkehrsstärken erfolgen. Kommt es dennoch zu einem Stauereignis, kann die Staulänge über das Videosystem beobachtet und ggf. ein Abbruch und eine Verlagerung der Arbeiten in verkehrsschwächere Zeiten erzwungen werden.

Im Zuge der Analyse der 68 rein überlastungsbedingten Stauereignisse wurden die detektierten Stauerscheinungen bis zum auslösenden Moment, zur Stauwurzel, zurückverfolgt. Es zeigte sich, dass nicht in jedem Fall der Baustellenbeginn (mit Fahrstreifeneinzug, Reduktion der Fahrstreifenbreite und Überleitung) als Engpass fungierte. Es ergaben sich darüber hinaus im Arbeitsstellenbereich weitere Stauwurzeln, die immer wieder Stauwellen auslösten, Diese führten dann im Verlauf stromaufwärts zu einer Überlastung des Baustellenbeginns und damit zu einem länger andauernden Stauereignis.

Diese Stauwurzeln waren auf die Überlagerung mehrerer kapazitätsreduzierender Elemente zurückzuführen. In einem Fall (Bild 1, rechts) wurde eine Verschwenkung direkt im An-schluss an einen Beschleunigungsstreifen in einer Steigungsstrecke angeordnet (Stauwurzel 1). In einem anderen Fall befand sich im Bereich großer Bauaktivität ein Abschnitt mit engen Behelfsfahrstreifenbreiten und beidseitiger mobiler Schutzeinrichtung (Stauwurzel 2). Die optische Einengung und das unübersichtliche Baufeld führten an dieser Stelle zu geringeren Kapazitäten.

Die Untersuchung der Verkehrsstärken unmittelbar vor dem Zusammenbruch in Bild 4 zeigt die Verteilung der Kapazitätsereignisse der verschiedenen Stauwurzeln. Der Baustelleneingangsbereich (Stauwurzel 3) verzeichnet Zusammenbrüche im Bereich von 245 bis 330 Kfz/5min. Der Arbeitsstellenbeginn fungiert als Engpass, solange die Kapazität innerhalb der Arbeitsstelle nicht niedriger liegt. Im Falle der Überlastungen an innenliegenden Stauwurzeln wurden entsprechend niedrigere Kapazitätswerte beobachtet. Die prozentuale Kapazitätsreduktion bezogen auf den Median betrug 13 % (Stauwurzel 1) bzw. 20 % (Stauwurzel 2). Die zum Vergleich in grün dargestellte Verteilung der Verkehrsstärken vor dem Verkehrszusammenbruch bei Arbeitsstellen kürzerer Dauer zeigt, dass aufgrund der Einziehung von zusätzlichen Fahrstreifen die geringsten Kapazitäten zur Verfügung stehen.

Videosysteme besitzen bzgl. der Überlastung von Arbeitsstellen zwei Wirkungspotentiale. Zum einen kann durch die gezielte Identifikation von Stauwurzeln u.U. ein Umbau der Behelfsverkehrsführung herbei geführt und somit die Arbeitsstellenkapazität erhöht werden. Dies geschah im Pilotprojekt am Beispiel der Stauwurzel 1. Zum anderen kann das Ausmaß eines Stauereignisses reduziert werden, indem mit Hilfe der Videobeobachtung die Qualität von Stauinformationen verbessert wird. Dies kann über eine schnellere Detektion und eine verbesserte Validierung und Detaillierung erfolgen.

Bild 4: An verschiedenen Stauwurzeln beobachtete Zusammenbruchsverkehrsstärken

In Zusammenarbeit mit Betreibern und Einsatzkräften wurden in einer zweimonatigen Praxisphase die beschriebenen Potentiale getestet, die ein Videosystem für ein verbessertes Störfall- und Arbeitsstellenmanagement entwickeln kann. Diese betreffen die Verbesserung von Reaktions- und Räumzeiten bei Störfällen, die Koordinierung von Tagesbaustellen, ein umfassendes Monitoring zur Verbesserung von Arbeitsstellenkapazität und die Generierung von Verkehrsinformationen.

Bild 5: Integration des Videoportals in die Tunnelleitzentrale Duisburg (links) und in die Verkehrsredaktion des WDR in Dortmund (rechts, Quelle: WDR)

Bild 5 zeigt die Einbindung des Videosystems in die Arbeitsumgebung einer Tunnelleitzentrale, deren Operatoren praktische Erfahrungen mit der Detektion von Störfällen im Arbeitsstellenbereich sammelten, sowie in die Verkehrsredaktion des Westdeutschen Rundfunks (WDR), in der mit Hilfe der Videobilder Verkehrsinformationen erzeugt und verbessert wurden.

Eine quantitative Bewertung der Einsatzpotentiale konnte aufgrund des kurzen Testzeitraumes und teilweise nicht vorhandener Voraussetzungen zur Nutzung der Potentiale nicht stattfinden. Daher musste eine modellbasierte Bewertung zur Ableitung von Einsatzkriterien herangezogen werden.

3 Bewertungsmodell

Aufbauend auf dem Stand der Wissenschaft und der empirischen Untersuchung wurde eine volkswirtschaftliche Bewertungsmethodik in Form einer Differenzkostenrechnung nach Prinzip der EWS (1997) [7] spezifiziert. Die zur Berechnung des Nutzen-Kosten-Verhältnisses erforderlichen Kostenangaben wurden aus dem Pilotprojekt abgeschätzt. Die hierbei einbezogenen volkswirtschaftlichen Nutzenkomponenten waren Fahrtzeit-, Fahrzeugbetriebs-, Unfall-, Schadstoff- und Klimakosten. Im Planfall wird die Nutzung eines Videosystems in einer Arbeitsstelle angesetzt, der Vergleichsfall stellt den Status Quo, ohne den Einsatz eines Videosystems dar.

3.1 Berechnung Vergleichsfall

Da die bestehende Methodik der EWS (1997) [7] keine detaillierte Stauberechnung ermöglicht, wurde die Ermittlung des Mengengerüstes bzgl. der Fahrtzeiten und der Staulängen mit Hilfe einer makroskopischen Engpasssimulation in Form einer Ganzjahresanalyse durchgeführt. Das Verfahren beurteilt die Stauentwicklung auf Basis einer Jahresganglinie der Verkehrsnachfrage, die einer Kapazitätsganglinie gegenübergestellt wird. Überschreitet die Verkehrsnachfrage die Kapazität, wird von einer Stauentstehung ausgegangen, die mit einem Überlastungsmodell quantifiziert werden kann. Derartige Verfahren zur Ganzjahresanalyse sind bspw. von BECKMANN/ZACKOR (2001) [8], BRILON/ZURLINDEN (2003) [9] oder LISTL ET AL. (2007) [10] angewendet worden.

Da in der vorliegenden Arbeit eine Simulation von Unfällen und Nothalten – also hochgradig zufälligen Ereignissen – stattfand, wurde das Modell stochastisch ausgelegt. Es wurden daher Verkehrsnachfrage, Kapazität sowie Zeitpunkt und Ausmaß von Störfällen anhand von Verteilungsfunktionen verrauscht. Das Simulationsintervall wurde zu 5 Minuten festgelegt.

Um die Verteilung der Ergebnisse abzuschätzen, musste die Berechnung in ausreichender Anzahl wiederholt werden. Dies entspricht dem Vorgehen einer Monte-Carlo-Simulation. Angewendet wurde die direkte Monte-Carlo-Simulation. Bei dieser Simulationsart werden alle Zufälligkeiten auf ein Basisexperiment zurückgeführt, in dem eine Zufallszahl zwischen Null und Eins bestimmt wird (MÜLLER-GRONBACH ET AL., 2012 [11]). Bei bekannter Ver-teilungsfunktion kann durch Inversion der Dichtefunktion ein der Verteilung entsprechender Zufallswert generiert werden. Die Inversionsmethode ist jedoch nur bei begrenzten Funktionen (z. B. Weibull-Verteilung) mit vertretbarem Rechenaufwand möglich. Im Falle der Normalverteilung wurde als Näherungsverfahren die Polar-Methode nach Marsaglia angewendet.

Bild 6: Ganglinien der Verkehrsnachfrage und der Kapazität als Ausschnitt der Ganzjahresanalyse

Das Grundprinzip der Ganzjahresanalyse ist in Bild 6 dargestellt. Die Nachfrage wurde mit Hilfe typisierter Ganglinien aus der Fortschreibung der EWS (1997) [7] abgebildet. Die Verteilungsfunktion der Nachfrage stellt eine Normalverteilung mit einem Variationskoeffizienten von 7 % dar.

Für die Abschätzung der deterministischen Nennwerte der Arbeitsstellenkapazität wurden die Kapazitäten der freien Strecke nach BRILON/GEISTEFELDT (2010) [12] angesetzt, auf welche zu BMVBS (2011) vergleichbare Reduktionsfaktoren für Elemente der Arbeitsstellen-einrichtung angewendet wurden. Die Verteilungsfunktion der Kapazität wurde unter Berück-sichtigung der Ergebnisse von BRILON/ZURLINDEN (2003) [9], REGLER (2004) [13], BRILON ET AL. (2006) [14] und SÜMMERMANN (2012) [15] als Weibull-Verteilung modelliert. Der Streuungsparameter wurde zu 13, der Faktor zur Umrechnung des deterministischen Nennwertes der Kapazität mit 1,275 abgeschätzt.

Die Modellierung von Unfällen und Nothalten als Kapazitätseinbrüche erfolgte mit Hilfe eines mehrstufigen Algorithmus:

1.    Berechnung des jährlichen Aufkommens von Störfällen anhand von Raten (Unfallraten, Pannenraten, AkD-Raten)

2.    Bestimmung der Anzahl maximal blockierter Fahrstreifen anhand von Wahrscheinlichkeiten, die von der Störfallkategorie und den Streckenparametern abhängig sind.

3.    Bestimmung des Ablaufszenarios (Phasenmodells) der Störung anhand von Wahrscheinlichkeiten, die von der Störfallkategorie und der Anzahl maximal blockierter Fahrstreifen abhängen.

4.    Bestimmung der Dauer der verschiedenen Phasen als Zufallsgröße anhand der Störfallkategorie, des Ablaufszenarios und der Verteilungsfunktionen von Detektionszeit, Einsatzreaktionszeit und Räumzeit.

5.    Berechnung der Kapazitäten der verschiedenen Phasen als prozentuale Abminderung der Arbeitsstellenkapazität.

Bild 7: Ablauf eines Störfalls im Phasenmodell

Der zeitliche und räumliche Verlauf eines Störfalls ist anhand eines Unfalls mit leichtem Personenschaden beispielhaft in Bild 7 dargestellt. Im Beispiel tritt der Fall einer Vollsperrung ein, der eine Wahrscheinlichkeit von 10 % besitzt. Für Phase 1 wird die Summe aus Detekti-ons- und Einsatzreaktionszeit anhand von aus der Empirie abgeleiteten Verteilungen zufällig bestimmt. Nach Ankunft der Polizei nimmt der Störfall den zu 70 % wahrscheinlichen Verlauf, dass die havarierten Fahrzeuge auf den Standstreifen (bzw. in die nächste Nothaltebucht) verbracht werden können. Anschließend wird in Phase 3 der Unfall auf dem Standstreifen aufgenommen und abgewickelt. In Phase 4 normalisiert sich der Verkehrsfluss wieder.

Stauereignisse, die aus der Gegenüberstellung von Nachfrage- und Kapazitätsganglinie resultieren, wurden mit einem Überlastungsmodell in Form eines deterministischen Warte-schlangenmodells berechnet. Die Berechnungsformeln, die OBER-SUNDERMEIER (2003) [16] entnommen wurden, ermöglichen die Ausgabe von Verlustzeiten sowie von verschiede-nen Staukennwerten wie Dauer und Länge. Rückkopplungen eines Stauereignisses auf die Kapazität wurden mit Hilfe eines prozentualen „Capacity Drop“ abgebildet, Rückkopplungen auf die Verkehrsnachfrage in Form einer Verlagerungsfunktion.

3.1 Potentiale eines Videosystems im Modell

Die Wirkungen der in der Pilotstudie identifizierten Potentiale wurden mit Hilfe der Szenariotechnik in plausiblen Szenarien abgeschätzt. Die maßgebenden Einflussgrößen auf die Wirkung einzelner Potentiale bestehen in der Ausstattungsvariante und der Ausgangslage. Bezüglich der Ausstattungsvarianten wurden drei Konfigurationen unterschieden:

•    Grundausstattung V1: Videobeobachtung nur des Arbeitsstellenbeginns.

•    Teilausstattung V2: Videobeobachtung des Arbeitsstellenbeginns und aller neuralgischen Punkte (Überleitungen, Verschwenkungen, Anschlussstellen).

•    Vollausstattung V3: Videobeobachtung des gesamten Arbeitsstellenbereichs sowie des jeweiligen Vorlaufbereichs.

Die Ausgangslage einer Arbeitsstelle gegenüber dem konventionellen Störfall- und Arbeitsstellenmanagement besitzt ebenfalls großen Einfluss auf die Aktivierung eines Potentials. Im Falle von komplexen Behelfsverkehrsführungen, engen Fahrstreifen ohne Möglichkeiten zur Bildung von Rettungsgassen, fehlenden Notumfahrungen, häufigen Arbeitsstellen kürzerer Dauer, deaktivierter Verkehrsdatenerfassung und fehlenden Umleitungsstrecken besitzt ein Videosystem ein höheres Potential als in einer Arbeitsstelle mit einer eher günstigen Aus-gangslage. Unterschieden wurden folgende Varianten:

•    Arbeitsstelle mit durchweg begünstigenden Faktoren (A1): Die Arbeitsstelle bietet gute Bedingungen für das herkömmliche Störfall- und Arbeitsstellenmanagement. Das Videosystem wird ein weniger großes Wirkungspotential besitzen.

•    Arbeitsstelle mit durchschnittlichen Faktoren (A2): Es werden weder begünstigende noch behindernde Bedingungen angesetzt, die Arbeitsstelle repräsentiert bzgl. des Störfall- und Arbeitsstellenmanagements eine durchschnittliche Arbeitsstelle.

•    Arbeitsstelle mit durchweg behindernden Faktoren (A3): Die Arbeitsstelle bietet keine guten Bedingungen für das übliche Störfall- und Arbeitsstellenmanagement. Das Videosystem wird ein großes Wirkungspotential besitzen.

Unter Variation der aufgezeigten Einflussgrößen wurde die Wirkung für jedes der identifizierten Potentiale geschätzt. Bild 8 demonstriert die Abschätzung anhand des Potentials „Koordination der Einsatzkräfte auf dem Weg zum Einsatzort“. Die Analyse der Empirie zeigte, dass im Bereich hoher Einsatzreaktionszeiten weitere Verzögerungen durch Schwierigkeiten beim Durchfahren des zunehmenden Rückstaus entstehen können.

Die Höhe dieser zusätzlichen Verluste im Vergleichsfall ist grundsätzlich von der Ausgangslage der Arbeitsstelle abhängig. Im Planfall wird davon ausgegangen, dass durch eine verbesserte Koordination der Anfahrt (z. B. über Nutzung alternativer Anschlussstellen oder der Gegenfahrbahn) diese Verluste eliminiert werden können. Die Ausstattungsvariante ist ebenfalls von großer Bedeutung für die Aktivierung des genannten Potentials. Während die zwei Videostandorte der Grundausstattung nicht für eine Koordinierung ausreichen (0 % Wirkung), stehen bei Teil- und Vollausstattung alle benötigten Informationen zur Verfügung (100 % Wirkung).

Bild 8: Verteilungsfunktion der Einsatzreaktionszeit im Vergleichsfall (Szenario A1 – A3) und im Planfall

Durch analoges Vorgehen für alle Potentiale im Berechnungsmodell können Plan- bzw. Vergleichsfall und damit das Nutzen-Kosten-Verhältnis als zentrale Bewertungskenngröße berechnet werden.

4 Einsatzgebiete von Videosystemen

Ziel der vorliegenden Untersuchung ist die Aussage zu belegen, ab wann eine Arbeitsstelle als derart hochbelastet gelten kann, dass der Einsatz eines Videosystems eine volkswirtschaftlich lohnende Investition ist. Mit Hilfe des spezifizierten Berechnungsmodells und der abgeschätzten Wirkung eines Videosystems ist es möglich, für eine Vielzahl von Szenarien eine Berechnung des Nutzen-Kosten-Verhältnisses vorzunehmen. Aufgrund der stochastischen Auslegung des Berechnungsmodells muss hierbei jedes Szenario in ausreichender Anzahl wiederholt werden, um stabile Aussagen treffen zu können. Die Anzahl erforderlicher Simulationsläufe wurde im Rahmen einer Konfidenzbetrachtung sowohl für den Plan- als auch für den Vergleichsfall zu jeweils 40 festgelegt.

Startpunkt der Simulationsanalyse bildete die Definition eines Basisszenarios einer Arbeitsstelle längerer Dauer, dessen Parameter variiert wurden, um den Einfluss abweichender Rahmenbedingungen auf die Wirtschaftlichkeit eines Videosystems zu quantifizieren. Als typische und regelmäßig wiederkehrende Baumaßnahme wurde hierbei eine grundhafte Erneuerung der Fahrbahn (beider Fahrtrichtungen) ausgewählt. Da die Modellentwicklung und die Pilotstudie auf Basis von vierstreifigen Querschnitten durchgeführt wurden, wurden für die Parameterstudie ebenfalls zweistreifige Richtungsfahrbahnen unterstellt. Die Parameter der Arbeitsstelle, der Strecke und des Verkehrsablaufs wurden möglichst durchschnittlich gewählt. So wurde im Basisszenario bspw. eine Baustellenlänge von 4 km und eine Baustellendauer von 9 Monaten angesetzt, die dem Mittel derartiger Maßnahmen entsprechen (Quelle: Baubetriebsplanung des Bundes des Jahres 2010).

Bild 9: Nutzen und Kosten eines videogestützten Arbeitsstellen- und Störfallmanagements in verschiedenen Ausstattungsvarianten am Beispiel des vierstreifigen Basisszenarios

Bild 9 zeigt den erzielbaren Nutzen und die Kosten für ein videogestütztes Arbeitsstellen- und Störfallmanagement anhand des Basisszenarios für die verschiedenen Ausstattungsvarianten. Die Berechnungsergebnisse des Nutzens bestehen zunächst aus den Mittelwerten der jeweils 40 Simulationsläufe (für beide Fahrtrichtungen) im Vergleichs- und im Planfall. Um die zufallsbedingten Schwankungen auszugleichen wurde der Funktionsverlauf der einzelnen Varianten durch polynomische Regressionsfunktionen mit hohem Bestimmtheitsmaß (in allen Fällen B > 0,98) angenähert.

Der DTV-Wert, an dem sich Nutzen und Kosten einer Ausstattungsvariante schneiden, markiert die Einsatzgrenze des Systems, ab der eine Wirtschaftlichkeit gegeben ist. Wie durch den Modellaufbau vorgegeben, erzielt die Vollausstattung den absolut höchsten und die Grundausstattung den absolut niedrigsten Nutzen. Die Teilausstattung weist im Bereich hoher Nutzen das höchste NKV aller Ausstattungsvarianten auf. Die aufzuwendenden Kosten sind im Bereich der Wirtschaftlichkeitsgrenze aller Varianten etwa proportional zum erzielbaren Nutzen. Daher ergibt sich für alle Ausstattungsvarianten eine Grenze der Wirtschaftlichkeit (NKV = 1), die in einem vergleichbaren DTV-Bereich liegt. Im Beispiel des Basisszenarios rechnet sich die Grundausstattung ab 55.000 Kfz/d, die Teilausstattung ab 53.000 Kfz/d und die Vollausstattung ab 56.000 Kfz/d. Für das Basisszenario kann demnach eine mittlere Verkehrsstärke von gerundet 55.000 Kfz/d als Einsatzgrenze für ein Videosystem beliebiger Variante angegeben werden.

Ausgehend vom Basisszenario wurden in einer Parameterstudie einzelne Einflussgrößen variiert. In der Reihenfolge der Größe des Einflusses wurden folgende Parameter als maßgebend für die Einsatzgrenze erkannt:

•    Ausgangslage,

•    Verteilungsfunktion der Jahresganglinie der Verkehrsnachfrage (insbesondere, ob ausgeprägter Ferienreiseverkehr vorliegt),

•    Arbeitsstellenkapazität und

•    Dauer und Länge der Arbeitsstelle.

Die relevanten Einflussgrößen wurden in sinnvolle Klassen eingeteilt und systematisch alle entstehenden Szenarien variiert. Die resultierenden Einsatzgrenzen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Einsatzgrenzen DTVGrenz [Kfz/d] eines Videosystems an vierstreifigen Autobahnen unter Variation maßgebender Einflussgrößen

Die Analyse von Tabelle 1 zeigt, dass sich die Einsatzgrenzen abhängig von den örtlichen Randbedingungen stark unterscheiden. Die minimal beobachtete Einsatzgrenze liegt bei 35.000 Kfz/d im Falle einer niedrigen Arbeitsstellenkapazität, einer schlechten Ausgangslage für das herkömmliche Störfall- und Arbeitsstellenmanagement, einer gleichbleibend hohen Verkehrsbelastung und einer langen Baustellenausdehnung. Im entgegengesetzten Fall ergibt sich die maximale Einsatzgrenze von 73.000 Kfz/d. Die Spannweite von 38.000 Kfz/d zeigt sehr deutlich, dass der Einsatz eines Videosystems stark auf die örtlichen Gegebenheiten abgestimmt werden muss, um massive betriebswirtschaftliche bzw. volkswirtschaftliche Verluste zu vermeiden.

Unter der Annahme, dass Tabelle 1 die Spanne aller relevanten Kombinationen an Arbeits-stellen abdeckt und die Verkehrsstärkeverteilung der Dauerzählstellen an vierstreifigen BAB-Querschnitten nach KATHMANN ET AL. (2007) [17] repräsentativ für das deutsche Autobahnnetz ist, kann eine überschlägige Abschätzung des Anwendungspotentials vorgenommen werden. Ca. 35 % aller BAB-Streckenabschnitte verfügen über einen DTV, der unter der minimalen Einsatzgrenze einzuordnen ist. Auf diesen Strecken wird sich die Ausstattung von Arbeitsstellen mit einem Videosystem in keinem Falle lohnen, auch wenn sehr ungünstige Arbeitsstellenparameter vorliegen. Auf ca. 10 % der Abschnitte übersteigt der DTV die maximale Einsatzgrenze. Werden auf diesen Strecken Arbeitsstellen eingerichtet, ist davon auszugehen, dass selbst unter günstigen Bedingungen für das Störfall- und Arbeitsstellenmanagement ein Videosystem in jedem Fall wirtschaftlich einzusetzen ist. Für Autobahnabschnitte, die innerhalb der Spannweite der Einsatzgrenze eines Videosystems liegen, ist eine detaillierte Untersuchung anhand von Tabelle 1 nötig. Dies ist für ca. 55 % aller Strecken der Fall. Weichen die Parameter einer zu beurteilenden Arbeitsstelle stark von der getroffenen Klassifizierung ab, kann die individuelle Einsatzgrenze mit Hilfe des vorgestellten Bewertungsmodells, das in eine Software umgesetzt wurde, berechnet werden.

Für sechsstreifige Querschnitte wurden in analoger Vorgehensweise die maßgebenden Einflussgrößen auf die Einsatzgrenze bestimmt und in einer Bemessungstabelle niedergelegt.

5 Fazit

In der vorliegenden Untersuchung wurde ein Ansatz zum verbesserten Störfall- und Arbeitsstellenmanagement in Arbeitsstellen längerer Dauer mit Hilfe einer Videobeobachtung entwickelt und geprüft. Im pilothaften Einsatz eines Videosystems konnten durch verkehrstechnische Analysen und Erfahrungen der Anwender zahlreiche Einsatzpotentiale identifiziert werden, die den Bereichen Störfallmanagement, Arbeitsstellenmanagement und Verkehrsinformationen zuzuordnen sind. Der Nutzen dieser Potentiale wurde mit Hilfe der Szenario-Technik geschätzt und anhand einer volkswirtschaftlichen Differenzkostenrechnung quantifiziert.

Der Einsatz eines Videosystems ist ab dem Überschreiten der Einsatzgrenze (NKV > 1) als sinnvoll anzusehen. Bzgl. der Anwendungsgrenzen der verschiedenen Ausstattungsvarianten können folgende Erkenntnisse aus der Analyse abgeleitet werden: Soll eine einzelne Arbeitsstelle mit einem Videosystem ausgerüstet werden und stehen ausreichende Finanzmittel zur Verfügung, so ist ab Erreichen der Einsatzgrenze eine Vollausstattung einzurichten, da diese den höchsten volkswirtschaftlichen Nutzen bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit erbringt. Soll eine möglichst große Anzahl von Arbeitsstellen bei fixem Budget ausgestattet werden, so bietet sich bei Verkehrsbelastungen, die die Einsatzgrenze übersteigen, zunehmend der Einsatz einer Teilausstattung an. Diese verfügt zwar über einen geringeren Nutzen, aber auch über eine höhere Rentabilität als die Vollausstattung. Die Grundausstattung steht sowohl im resultierenden Gesamtnutzen als auch in der Rentabilität gegenüber Voll- und Teilausstattung zurück und sollte daher nur in Ausnahmefällen zum Einsatz kommen.

Die Einsatzgrenzen verschiedener Szenarien mit differierenden Arbeitsstellen-, Strecken- und Verkehrsparameter wurden in Form von Bemessungstabellen berechnet und stehen für die Anwendung in der Praxis bereit. Die eingangs aufgeworfene Fragestellung, unter welchen Randbedingungen eine Arbeitsstelle als so hochbelastet angesehen werden kann, dass der Einsatz eines Videosystems eine volkswirtschaftlich sinnvolle Investition darstellt, kann mit diesen Tabellen beantwortet werden.

Die kritische Reflektion der eingesetzten Methoden und Modelle gibt Handlungsfelder für die Zukunft vor. So sollten die prognostizierten Potentiale im regulären Betrieb einer quantitativen Überprüfung unterzogen werden. Das aufgestellte Störfallmodell greift in einigen Teilen (z. B. Einsatzreaktionszeit von Abschleppdiensten) auf eine geringe Datenbasis bzw. Analogieschlüssen zurück und sollte daher in zukünftigen Forschungsarbeiten validiert werden. Die Berechnung der Einsatzgrenzen sechsstreifiger Arbeitsstellen fand nahezu ausschließlich auf der Extrapolation der Erkenntnisse und Modelle vierstreifiger Arbeitsstellen statt. Hier sollte eine empirische Absicherung z. B. von Kapazitäten und Blockadewahrscheinlichkeiten durchgeführt werden.

Das entwickelte Verkehrsflussmodell ist nicht ausschließlich auf die Anwendung im hier beschriebenen Fall beschränkt. Es eignet sich dazu, eine Vielzahl von Fragestellungen zu beantworten, für die eine Stauprognose von Arbeitsstellen längerer Dauer auf Autobahnen benötigt wird. Hierzu zählt z. B. der volkswirtschaftliche Vergleich von Handlungsoptionen im Bereich der Verkehrsführung oder der provisorischen Verbreiterung der Fahrbahn. Mit dem Modell können weiterhin die volkswirtschaftlichen Gewinne durch Bauzeitverkürzungen als Grundlage einer vertraglichen Vereinbarung von Bonus-Malus-Zahlungen abgeschätzt werden.

Auf Basis der erlangten Erkenntnisse wird den Straßenbauverwaltungen die Verwendung eines videogestützten Störfall- und Arbeitsstellenmanagements innerhalb der beschriebenen Einsatzgrenzen empfohlen, um damit in Zukunft Verkehrsunfälle und Stauereignisse in Arbeitsstellen längerer Dauer auf Bundesautobahnen zu vermeiden bzw. ihre Auswirkungen zu begrenzen.

6 Literatur

[1]    GEISTEFELDT, J.; LOHOFF, J. (2011): Stausituation auf den Autobahnen in Nordrhein-Westfalen. Studie im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Bauen, Wohnen und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen, Bochum

[2]    HMSV (2012): Staubilanz 2011. Hessen Mobil – Straßen- und Verkehrsmanagement. URL: http://www.staufreieshessen2015.de, Abruf 04.07.2012

[3]    KUNZ, J. (2009): Staureduzierung auf Autobahnen – Bilanz, Handlungsbedarf und Maßnahmen. Vortrag im Rahmen der ADAC/VDA-Fachveranstaltung „Weniger Stau – mehr Mobilität am 23.06.2009, Bonn

[4]    HOLZWARTH, J., HEUßER, O., BAUER, P. (2005): Web-basiertes Baustellenkoordinierungs- und -informationssystem Baden-Württemberg – Einstieg in ein umfassendes Verkehrsmanagement, In: Straßenverkehrstechnik, Heft 5/2005, Seite 248 - 253

[5]    BMVBS (2011): Leitfaden zum Arbeitsstellenmanagement auf Bundesautobahnen, Stand Mai 2011, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (Hrsg.),
Bonn

[6]    VOLKENHOFF, T.; KEMPER, D.; STEINAUER, B.: Pilothafter Einsatz moderner Verkehrserfassungssysteme zur Stauvermeidung in Baustellen. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik. Heft 1074, Bonn 2012

[7]    EWS (1997) Empfehlungen für Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Straßen (EWS), Entwurf 1997. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.), Köln

[8]    BECKMANN, A.; ZACKOR, H. (2001): Untersuchung und Eichung von Verfahren zur aktuellen Abschätzung von Staudauer und Staulängen infolge von Tages- und Dauer-baustellen auf Autobahnen. Forschung Straßenbau und Verkehrstechnik, Heft 808, Bonn

[9]    BRILON, W.; ZURLINDEN, H. (2003): Überlastungswahrscheinlichkeiten und Verkehrsleistung als Bemessungskriterium für Straßenverkehrsanlagen. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 870, Bonn

[10]    LISTL, G.; OTTO, J.; ZACKOR, H. (2007): Quantifizierung staubedingter jährlicher Reisezeitverluste auf Bundesautobahnen. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen,
Heft V 161, Bergisch Gladbach

[11]    MÜLLER-GRONBACH, T.; NOVAK, E.; RITTER, K. (2012): Monte-Carlo-Algorithmen. Springer-Verlag (Hrsg.), Berlin/Heidelberg

[12]    BRILON, W.; GEISTEFELDT, J. (2010): Überprüfung der Bemessungswerte des HBS für Autobahnabschnitte außerhalb der Knotenpunkte. Forschung Straßenbau und Stra-ßenverkehrstechnik, Heft 1033, Bonn

[13]    REGLER, M. (2004): Verkehrsablauf und Kapazität auf Autobahnen. Schriftenreihe des Lehrstuhls für Verkehrswesen der Ruhr-Universität Bochum, Heft 28, Bochum

[14]    BRILON, W.; REGLER, M.; GEISTEFELDT, J. (2005): Zufallscharakter der Kapazität von Auto-bahnen und praktische Konsequenzen. Teil 1 und 2, In: Straßenverkehrstechnik 3/2005 bzw. 4/2005, S. 136-144 bzw. S. 195-201

[15]    SÜMMERMANN, A. (2012): Verkehrssicherheits- und Verkehrsablaufsuntersuchungen in Arbeitsstellen längerer Dauer auf Autobahnen in Deutschland, Aachener Mitteilungen Straßenwesen, Erd- und Tunnelbau, Heft 59, Aachen 2012

[16]    OBER-SUNDERMEIER, A. (2003): Entwicklung eines Verfahrens zur Stauprognose an Engpässen auf Autobahnen unter besonderer Berücksichtigung von Arbeitsstellen.
Schriftenreihe Verkehr der Universität Kassel, Heft 15, Kassel

[17]    KATHMANN, T.; ZIEGLER, H.; THOMAS, B. (2007): Straßenverkehrszählung 2005 – Ergebnisse. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Verkehrstechnik, Heft V 164, Bergisch Gladbach