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2014 | Book

Einleitung Read chapter Read first chapter

Simulation des Straßenverkehrs in der Großstadt

Das Mit- und Gegeneinander verschiedener Verkehrsteilnehmertypen

Author: Jörg Dallmeyer

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Jörg Dallmeyer untersucht die Simulation urbaner Verkehrsszenarien. Es werden verschiedene Verkehrsteilnehmertypen modelliert und in effiziente, valide Simulationsmodelle überführt. Das Straßennetz wird vollautomatisch modelliert, um den Verkehr ganzer Städte simulieren zu können. Der Autor entwickelt hierfür das Verkehrssimulationssystem MAINSIM – MultimodAle INnerstädtische StraßenverkehrsSIMulation und nutzt es für Fallstudien: z.B. maschinelle Lernverfahren zur Analyse und Beeinflussung des Verkehrs. Er untersucht die Auswirkungen exemplarischer, nonkonformer Handlungen von Autos, Fahrrädern und Fußgängern. Ein künstliches Pheromonsystem wird zur Verteilung des Verkehrs eingesetzt. Gemessene CO2-Emissionen werden mittels einer atmosphärischen Simulation anhand realer Wetter- und Geländedaten im Raum Frankfurt verteilt.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Mobilität ist für eine moderne Gesellschaft ein sehr wichtiges Thema. In Deutschland hat zwischen 1995 und 2007 der motorisierte Individualverkehr um 54,9 Mrd. Pkm (Personenkilometer) auf 885,4 Mrd. Pkm zugenommen. Die Zunahme zwischen 2005 und 2007 lag bei 9,7 Mrd. Pkm. Die transportierten Gütermengen auf deutschen Straßen stiegen im selben Zeitraum um 46,9 Mio. t auf 3.393,9 Mio. t an [Kolodziej, 2009]. Diese Zahlen machen deutlich, dass eine effiziente Nutzung der Infrastruktur notwendig ist, da eine Erweiterung des Straßennetzes nicht in dieser Geschwindigkeit standhalten kann.
Jörg Dallmeyer
2. Grundlagen
Zusammenfassung
Um Simulationsmodelle entwickeln zu können, werden Datenquellen benötigt, die reale Straßenverläufe abbilden. Wichtige Grundlagen aus dem Bereich der Straßenkarten und Geoinformatik werden daher in Abschnitt 2.1 beschrieben. Darauf aufbauend können Grundlagen der Verkehrsforschung (Abschnitt 2.2), der Computersimulation (Abschnitt 2.3), sowie der Verkehrssimulation im Speziellen (Abschnitt 2.4) genutzt werden, um Verkehrssimulationssysteme zu entwickeln.
Jörg Dallmeyer
3. Verkehrssimulationsmodelle
Zusammenfassung
Dieses Kapitel diskutiert den Stand der Forschung zu Simulationsmodellen für unterschiedliche Verkehrsteilnehmertypen. In der realen Welt werden in urbanen Szenarien nicht nur Autos genutzt. Tabelle 3.1 zeigt beispielhaft anhand einer Auswahl deutscher Städte, welche Art der Fortbewegung wie häufig ist. Es werden die Fortbewegungsmethoden „Auto“, „Öffentliche Verkehrsmittel“, „Fahrrad“ und „zu Fuß“ unterschieden.
Jörg Dallmeyer
4. Verkehrssimulationssysteme
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt bestehende Verkehrssimulationssysteme. Abschnitt 4.1 ordnet die betrachteten Systeme in den wissenschaftlichen Kontext ein. In den Abschnitten 4.2 bis 4.8 werden etablierte Simulationssysteme besprochen. Die dargestellten Systeme stellen eine Auswahl der relevanten Arbeiten dar. Sie modellieren den Verkehrsfluss in unterschiedlicher Detailausprägung und beantworten divergente Fragestellungen. Weniger etablierte Simulationssysteme, die dennoch wichtige Aspekte behandeln, werden in Abschnitt 4.9 kurz eingeführt. Abschließend wird in Abschnitt 4.10 ein Vergleich der Systeme gezogen und besprochen, welche Eignung die genutzten Modelle für das in Abschnitt 1.1 beschriebene motivierende Beispiel haben und inwieweit sie die gestellten Anforderungen (vgl. Abschnitt 1.4) erfüllen.
Jörg Dallmeyer
5. Akteursorientierte multimodale Straßenverkehrssimulation
Zusammenfassung
Keines der im Stand der Forschung betrachteten Verkehrssimulationssysteme erfüllt die im Abschnitt 1.4 gestellten Anforderungen vollständig. Es muss daher geprüft werden, ob die Erweiterung eines bestehenden Systems zur Erfüllung der Anforderungen oder die Entwicklung eines neuen Konzepts mit vollständiger Implementierung eines Simulationssystems durchgeführt werden muss.
Jörg Dallmeyer
6. Modellierung von Verkehrswegen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt den gewählten Ansatz zur Erstellung eines Graphen für die Simulation von Straßenverkehr. Es werden die grundlegenden Vorgehensweisen diskutiert. Weitergehende Informationen werden in Kapitel 8 gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wird das in Abbildung 6.1 gezeigte Verfahren vorgeschlagen.
Jörg Dallmeyer
7. Modellierung multimodalen Verkehrs
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die entwickelten Simulationsmodelle für Verkehrsteilnehmer. In den folgenden Abschnitten werden die Modelle für Autos (7.1), Fahrräder (7.2) und Fußgänger (7.3) beschrieben. Die Modelle befinden sich auf der operativen Ebene, des in Abbildung 3.8 auf Seite 36 und beschreiben die Bewegungen und Wechselwirkungen zwischen Verkehrsteilnehmern. Abschnitt 7.4 beschreibt, welche Verkehrsregeln in die Modelle integriert wurden. Verschiedene Ampelschaltungen werden in Abschnitt 7.5 diskutiert. Abschließend werden in Abschnitt 7.6 verschiedene Methoden zur Routenbestimmung für Verkehrsteilnehmer vorgestellt, die im Simulationssystem integriert sind (taktische Ebene).
Jörg Dallmeyer
8. Prototypische Implementierung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt grundlegende Implementierungsdetails. Der folgende Abschnitt 8.1 diskutiert fundamentale Designentscheidungen und die wichtigsten Teile der Programmarchitektur. Abschnitt 8.2 zeigt die Vorgehensweise zur Durchführung einer Simulation. Abschnitt 8.3 diskutiert die Zeit- und Speicherkomplexität verschiedener Operationen von MAINSIM. Abschließend wird in Abschnitt 8.4 die Skalierbarkeit des Sytems untersucht.
Jörg Dallmeyer
9. Evaluierung der Verkehrsmodelle
Zusammenfassung
Dieser Abschnitt evaluiert die in Kapitel 7 entwickelten Simulationsmodelle. In Abschnitt 9.1 wird eine kurze Einführung in die Modellkalibrierung gegeben. Abschnitt 9.2 zeigt die Plausibilität des Automodells. In Abschnitt 9.3 wird das Fahrradmodell diskutiert. Abschnitt 9.4 evaluiert das Fußgängermodell. Abschließend gibt Abschnitt 9.5 eine kurze Zusammenfassung.
Jörg Dallmeyer
10. Lernen in Verkehrsszenarien
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt Fallstudien zur Anwendung Maschineller Lernverfahren (ML) in MAINSIM. Das Kapitel und die darin gezeigten Abbildungen basieren auf den Arbeiten [Lattner et al., 2011, Dallmeyer et al., 2012a] in Kooperation mit Andreas Lattner und Ingo Timm. Abschnitt 10.1 bespricht verwandte Arbeiten. Abschnitt 10.2 diskutiert die Untersuchung zweier Szenarien für Autobahnverkehr. Eine Methode zur Stauvorhersage in urbanen Bereichen wird in Abschnitt 10.3 beschrieben. Dieses Kapitel schließt in Abschnitt 10.4 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick.
Jörg Dallmeyer
11. Approximation von Fußgängereffekten
Zusammenfassung
In dieser Studie wird versucht, die Effekte nachzubilden, die Fußgänger auf den Straßenverkehr haben. Dies hat zwei Ziele: Zum einen kann Simulationszeit eingespart werden, wenn Fußgänger nicht mehr simuliert werden müssen. Zum anderen können Verkehrssimulationsysteme, die nicht über ein Fußgängermodell verfügen, um die Effekte von Fußgängern ergänzt werden. Das Kapitel basiert auf [Lattner et al., 2012] in Kooperation mit Andreas Lattner, Dimitrios Paraskevopoulos und Ingo Timm. Abschnitt 11.1 beschreibt die Protokollierung von Fußgängereffekten zur Ableitung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen (Abschnitt 11.2), die in Abschnitt 11.3 angewendet werden. Abschnitt 11.4 gibt eine Zusammenfassung und einen Ausblick.
Jörg Dallmeyer
12. Nonkonformismus
Zusammenfassung
Die Betrachtung relevanter Literatur zum nicht regelkonformen Verhalten von Verkehrsteilnehmern im Straßenverkehr (vgl. Abschnitte 3.2, 3.3.2, 3.3.3 und 3.4.2) hat gezeigt, dass Verkehrsteilnehmer sich aggressiv verhalten können. Häufig ist die Motivation dahinter, ihre eigene Reisedauer zu verkürzen.
Jörg Dallmeyer
13. Ameisen-inspirierte Routingmethode
Zusammenfassung
Dieses Kapitel untersucht eine Ameisen-inspirierte Routingmethode, die zu einer effizienteren Nutzung der Verkehrsinfrastruktur beitragen kann. Es basiert auf der Arbeit [Dallmeyer et al., 2012d], die in Kooperation mit René Schumann, Andreas Lattner und Ingo Timm entstanden ist. Die gezeigten Ergebnisse basieren jedoch auf einer neueren Version von MAINSIM, bei der die Analyse des Straßengraphen weiter verfeinert wurde. Das beschriebene Routingverfahren wurde als zusätzliche Erweiterung um die Möglichkeit des Umplanens ergänzt.
Jörg Dallmeyer
14. Benzinverbrauch und Emissionen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel bespricht die Ergänzung von MAINSIM um ein Benzinverbrauchs- und Emissionsmodell. Die Ergebnisse dieses Kapitels sind größtenteils in Zusammenarbeit mit Carsten Taubert und Andreas Lattner entstanden. Carsten Taubert hat in diesem Kontext seine Masterarbeit [Taubert, 2012] verfasst. Teile der Ergebnisse wurden zudem in der Arbeit [Dallmeyer et al., 2012e] veröffentlicht. Es wird eine Einleitung in die Thematik (Abschnitt 14.1) und ein kurzer Literaturüberblick (Abschnitt 14.2) gegeben. Das gewählte Modell und seine Parametrisierung werden in Abschnitt 14.3 diskutiert. Es folgt ein Vergleich zu Messdaten des NEFZ in Abschnitt 14.4, sowie eine Plausibilitätsprüfung in einem Autobahnszenario (Abschnitt 14.5). In Abschnitt 14.6 wird eine urbane Fallstudie durchgeführt und eine CO 2-Landkarte erstellt. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenenfassung und einem Ausblick (Abschnitt 14.7).
Jörg Dallmeyer
15. Wind und Wetter
Zusammenfassung
Eine Emissionskarte, wie in Abbildung 14.5 gezeigt, gibt Aufschluss über die Verteilung der Emissionsmengen, die von Autos im Messbereich ausgestoßen wurden. Es ist jedoch anzunehmen, dass das Wetter einen Einfluss auf die Verteilung der Emissionen hat. MAINSIM wird daher in diesem Kapitel an die atmosphärische Simulation SCIPUFF (Second-order Closure Integrated PUFF Model) [Sykes und Gabruk, 1997, Sykes et al., 1984] gekoppelt. Es werden zur Tripgenerierung QZM von Hessen Mobil genutzt. Abbildung 15.1 zeigt den Simulationsbereich. Zur Verdeutlichung der Größe des Szenarios wurden die ungefähren Umrisse der Städte Hanau und Erlensee aufgezeigt, die im Rahmen dieser Arbeit bereits zur Simulation verwendet wurden.
Jörg Dallmeyer
16. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Dieses Kapitel fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen kurzen Ausblick. In dieser Arbeit sollte der Verkehr ganzer Städte mit minimalem Modellierungsaufwand untersucht werden können. Das Ziel war die Behandlung verschiedener Fragestellungen, die diese Größenordnung benötigen. Hierfür wird ein Verkehrssimulationssystem benötigt, das die in Kapitel 1 gestellten Anforderungen erfüllt. Die wichtigsten Eigenschaften sind:
  • Eine automatische Simulationsgraphbestimmung aus Kartenmaterial
  • Verkehrsmodelle, die die wichtigsten Verkehrsteilnehmertypen im urbanen Bereich Auto, Fahrrad, Fußgänger und deren Wechselwirkungen abbilden.
  • Das System muss skalierbar sein.
  • Es muss über Möglichkeiten der Erweiterbarkeit verfügen.
Jörg Dallmeyer
Backmatter
Metadata
Title
Simulation des Straßenverkehrs in der Großstadt
Author
Jörg Dallmeyer
Copyright Year
2014
Electronic ISBN
978-3-658-05207-2
Print ISBN
978-3-658-05206-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-05207-2

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