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

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.

 

 

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.

 

 

 

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.