Abbiegefahrstreifen vereinigen in einem mesoskopischen Modell von Aimsun Next

Juni 2022 – Technischer Hinweis #70

Mohammad Saifuzzaman

Produktspezialist

Das mesoskopische Modell in Aimsun Next bietet eine kanten- und fahrstreifenbasierte Simulation von einzelnen Fahrzeugen mit einem vereinfachten Verhalten im Vergleich zur Mikrosimulation. Diese Vereinfachungen reichen aus, um die Fahrerinteraktionen beim Folgen von Fahrzeugen, beim Fahrstreifenwechsel und beim Akzeptieren von Netto-Zeitlücken darzustellen, während gleichzeitig die Berechnungen und damit die Laufzeit im Vergleich zu seinem detaillierteren mikroskopischen Gegenstück reduziert werden.

Das mesoskopische Modell in Aimsun Next hat bewiesen, dass es realistische Zeitrahmen in innerörtlichen Netzen und in den meisten Autobahnsituationen erzeugt. Wenn es jedoch um das Zusammenführungsverhalten an Auffahrrampen geht, stellt das Fehlen von kooperativem Verhalten manchmal eine Herausforderung bei der Kalibrierung der Überlastung dar, die an diesem Typ von Engpass entsteht. Wir haben diese Einschränkung erkannt und in Aimsun Next 20 ein spezifisches mesoskopisches Modell des Knotenvereinigungsverhaltens eingeführt, das durch zwei zusätzliche Parameter gesteuert wird: Kooperationszeitlücke und Einordnungszeitlücke. In dieser technischen Mitteilung wird erläutert, wie diese Parameter verwendet werden können, um das Zusammenführungsverhalten zu steuern und mit der empirischen Verkehrsstärke und dem Stau übereinzustimmen.

Hintergrund

Es ist immer eine Herausforderung, den genauen Knoten an einem Ort, an dem Fahrstreifen zusammengeführt werden, zu reproduzieren. Das hängt von der Straßengeometrie ab und wird in hohem Maße durch das Verhalten der Fahrer beeinflusst. So kann in derselben Situation das Aufteilen des Staus zwischen Hauptstrecke und Farbverlauf sehr unterschiedlich ausfallen, je nachdem, wie gut die Zusammenarbeit ist.

Die mikroskopische Version von Aimsun Next verfügt über mehrere Parameter zur Kalibrierung des Verhaltens beim Vereinigen von Knoten auf der Abbiegefahrstreifen (z. B. Kooperation, Aggressivität, Kooperationsdistanz, Einordnungsdistanz und Optionen für gleichzeitiges Vereinigen). Nach einer detaillierten Analyse der realen Daten in verschiedenen Einzugsbereichen der Fahrstreifen haben wir ein neues Knotenvereinigungsmodell für die mesoskopische Simulation entworfen. Sie wird durch zwei Parameter gesteuert, die Kooperationszeitlücke und die Einordnungszeitlücke.

Netto-Zeitlücke: Dies ist die Brutto-Zeitlücke (in Sekunden), die die Fahrzeuge auf der Hauptstrecke beim Verlassen der Strecke einhalten müssen, wenn sich auf dem Farbverlauf zusammenführende Fahrzeuge befinden. Dies soll die Einbindung des Verkehrs erleichtern. Durch Erhöhen des Wertes dieses Parameters kann also ein höheres Maß an Kooperation mit dem Fernverkehr erreicht werden. Der Standardwert ist 0,0 Sek. und bedeutet keine Zusammenarbeit, wie in den vorherigen Versionen. Nur die Fahrzeuge auf dem ersten Hauptfahrstreifen, der an den Abbiegefahrstreifen angrenzt, werden verzögert. Erhöht sich die Kooperationszeitlücke, sollte die Verkehrsstärke des Fahrstreifens auf der Abbiegefahrstreifen auf Kosten der Verkehrsstärke des benachbarten Fahrstreifens auf der Hauptfahrbahn zunehmen.

Einordnungszeitlücke: Das ist die Netto-Zeitlücke, die Fahrzeuge auf dem Abbiegefahrstreifen (Auffahrrampe) suchen, um in den Hauptfahrstreifen einfahren zu können. Erhöht sich die Netto-Zeitlücke, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Verkehrsstärke des Abbiegegefahrstreifens steigt.

Diese beiden Parameter findest du in einer zusammenführenden Strecke unter der Registerkarte „Dynamische Modelle“, wie in Abbildung 1 unten hervorgehoben. Beide bieten zusätzliche Verzögerungen für das Fahrzeug, um zur nächsten stromabwärts gelegenen Strecke zu gelangen. Durch Ausprobieren können diese beiden Parameter dazu beitragen, das Verhalten des Zusammenführens von Fahrstreifen unter allen Umständen nachzuahmen. Da das mesoskopische Modell keine 2D-Visualisierung des individuellen Fahrerverhaltens bietet, sollte die Bevorrechtigung der Verkehrsstärke (und Geschwindigkeit) sowohl auf der Hauptstrecke als auch auf den Abbiegefahrstreifen im Vordergrund stehen.

Abbildung 1 Parameter für das Zusammenführen von Fahrstreifen für die mesoskopische Simulation

In der nächsten Strecke wurde ein Sensitivitätstest im kleinen Maßstab für die beiden Parameter an einem Testmodell durchgeführt.

Test Modellierung

Anhand eines Netzes der Autobahn M4 in Sydney wird ein einfaches Modell des Zusammenführungsverhaltens erstellt. Der Versuchsort verfügt über historische Daten zur Verkehrsstärke der Abbiegefahrstreifen und des Hauptverkehrs. Das Modell würde es uns daher ermöglichen, die Auswirkungen verschiedener Parameterwerte zu überprüfen und diese mit dem Standardwert und den beobachteten Verkehrsdaten zu vergleichen. Die folgenden Optionen werden getestet:

  • Standardwerte für die Parameter
  • Auswirkungen der Netto-Zeitlücke
  • Auswirkungen der Einordnungszeitlücke
  • Eine Reihe von Werten, die die simulierte Verkehrsstärke mit den beobachteten Verkehrsstärken abgleichen.

Der Einzugsbereich auf der Autobahn M4 in Richtung Osten ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Eine Reihe von Daten aus dem morgendlichen Zeitaum (6-10 Uhr) eines Tages wurde gesammelt. Während der morgendlichen Hauptverkehrszeit herrscht auf der Autobahn ein hohes Verkehrsaufkommen in Richtung Stadt.

Abbildung 2: Einzugsbereich der Autobahn M4 in Sydney in Richtung Osten

Standard Parameter

Das Modell mit dem Standard Aimsun Next-Verhalten beim Zusammenführen ließ den Farbverlauf der Rampe nicht frei zusammenführen. Abbildung 3 unten zeigt, dass die Verkehrsstärke an den Standorten stromaufwärts und stromabwärts genau übereinstimmt. Die Verkehrsstärke der Rampe ist jedoch auf etwa 1000 Fahrzeuge pro Stunde begrenzt. Die Standard-Parameter für die Knotenvereinigung im mesoskopischen Modell geben in der Regel dem Fernverkehr Vorrang, wodurch die Verkehrsstärke an den Rampen reduziert wird, wie in der Abbildung unten zu sehen ist.

Abbildung 3: Auswirkungen der Standard Parameter für das Vereinigen von Knoten

Auswirkungen der Netto-Zeitlücke

Die Kooperationszeitlücke würde eine zusätzliche Verzögerung für den Verkehr auf dem ersten Hauptfahrstreifen neben dem Abbiegestreifen verursachen. Es würde eine Situation darstellen, in der die Fahrzeuge auf der Hauptstrecke zusammenarbeiten, um eine Netto-Zeitlücke für die zusammenführenden Fahrzeuge zu schaffen. Erhöht sich die Netto-Zeitlücke, wird die Verkehrsstärke des Abbiegefahrstreifens wahrscheinlich zunehmen. In der folgenden Abbildung wurden verschiedene Werte für die Netto-Zeitlücke getestet.

Abbildung 4: Auswirkungen der Werte der Netto-Zeitlücke

Aus Abbildung 4 geht hervor, dass sich die durchschnittliche Verkehrsstärke während des 4-stündigen Zeitraums auf der Hauptleitung des vorgelagerten Detektors nicht verändert hat, als die Netto-Zeitlücke von 0 auf 9 Sekunden erhöht wurde. Ein hoher Wert für die Netto-Zeitlücke scheint jedoch die Verkehrsstärke des vorgelagerten Detektors zu verringern. Zum besseren Verständnis des Fahrerverhaltens im Fernverkehr mit höheren Netto-Zeitlücken sind die simulierten Verkehrsstärken für jeden Fahrstreifen ebenfalls in der obigen Abbildung 4 dargestellt.

Es ist ersichtlich, dass die Verkehrsstärke auf Fahrstreifen 1 (dem der Rampe nächstgelegenen Fahrstreifen, d.h. dem am stärksten durch den vereinigten Verkehr belasteten Fahrstreifen) mit einer höheren Kooperationszeitlücke deutlich reduziert wurde. Im Gegenteil, die Verkehrsstärke auf Fahrstreifen 3 hat mit der Vergrößerung der Netto-Zeitlücke zugenommen. Daher wurde bei diesem Test eine deutliche Verlagerung der Fahrstreifennutzung beobachtet, bei der ein Teil des Verkehrs auf Fahrstreifen 1 auf den am weitesten von der Rampe entfernten Fahrstreifen verlagert wurde, um die durch den zusammenführenden Verkehr verursachte Verzögerung zu vermeiden. Das Simulationsergebnis deutet darauf hin, dass mit dem Erhöhen der Kooperationszeitlücke eine Verlagerung des Verkehrs von Fahrstreifen 1 (dem Nachbarfahrstreifen des Abbiegefahrstreifens) auf andere verfügbare Fahrstreifen erfolgen könnte. Wenn die anderen Fahrstreifen nicht die Kapazität haben, diesen zusätzlichen Verkehr aufzunehmen, kommt es zu einem Stau, der sich stromaufwärts ausbreitet.

Auswirkungen der Einordnungszeitlücke

Durch das Erhöhen des Werts der Netto-Zeitlücke warten die Fahrzeuge auf dem Fahrstreifen wahrscheinlich länger, um sich mit dem Hauptverkehr zu vereinigen. Wenn die Verkehrsstärke auf der Hauptstrecke nahe an der Kapazität liegt, kann ein geringfügiges Erhöhen der Netto-Zeitlücke zu einer erheblichen Verringerung des Verkehrsflusses im Knoten führen. In diesem Beispiel wurde eine Einordnungszeitlücke von 2s, 4s und 6s getestet. Die folgende Abbildung zeigt das Verkehrsstärkeprofil des Abbiegefahrstreifens für verschiedene Zusammenführungswerte. Die Abbildung zeigt, dass bei einem leichten Erhöhen des Werts der Netto-Zeitlücke die Verkehrsstärke auf der Auffahrrampe deutlich abnimmt.

Abbildung 5: Auswirkung der Netto-Zeitlücke auf die Verkehrsstärke im Auffahrverlauf

Kalibrierung auf die beobachtete Verkehrsstärke

Nach einigen Versuchen und Fehlern mit den Einordnungszeitlücken wurde festgestellt, dass eine Kooperationszeitlücke von 2s und eine Netto-Zeitlücke von 0,0s ausreichen, um das simulierte Einordnungsverhalten mit der Empirischen Verkehrsstärke sowohl bei den Auffahrrampen- als auch bei den Hauptstreckendetektoren abzugleichen. Sie ermöglichte es den Fahrzeugen auf den Fahrstreifen, sich problemlos mit dem Hauptverkehr zu vereinigen, ohne die Verkehrsstärke auf dem vorgelagerten Detektor zu verringern.

Die folgende Abbildung zeigt die simulierten und beobachteten Verkehrsstärken der Detektoren auf der Auffahrrampe und der beiden Hauptstreckendetektoren. Bei der 2er-Kooperationszeitlücke kooperierte der Fernverkehr, indem er Lücken für die zusammenführende Bewegung schuf. Infolgedessen konnten die Fahrzeuge auf den Fahrstreifen ungehindert zusammengeführt werden, was die Verkehrsstärke auf der Rampe erhöhte, wie in der Abbildung dargestellt.

Auf dem Bild unten siehst du zwei Tunnel mit je zwei Fahrstreifen. Das Wechseln der Fahrstreifen ist nicht erlaubt, daher können die Fahrstreifen in eine Richtung oder in umgekehrter Richtung undeutlich benutzt werden.

Abbildung 6: Simulierte Verkehrsstärke im Vergleich zur empirischen Verkehrsstärke mit kalibrierten Parametern für die Abbiegefahrstreifen

Abschließende Gedanken

Bevor du die Parameter für das Zusammenführen der Fahrstreifen vereinigst, musst du sicherstellen, dass der Bedarf sowohl auf der Hauptstrecke als auch auf der Auffahrrampe korrekt ist.

Ein Verkehrsmodell enthält viele Einzugsbereiche, aber nicht alle von ihnen erfordern eine lokale Kalibrierung. Ein gemeinsamer Wert für diese Parameter sollte zuerst auf der Ebene des Straßentyps festgelegt werden. Alle lokalen Änderungen sollten nur dann vorgenommen werden, wenn eine Unstimmigkeit mit der empirischen Verkehrsstärke festgestellt wird oder der zusammenführende Verkehr unerwartete Staus verursacht.

Bei der Kalibrierung eines mesoskopischen Modells solltest du dich darauf konzentrieren, die Verkehrsstärke (und Geschwindigkeit) der gesamten Strecke abzugleichen und nicht die Werte für einzelne Fahrstreifen.

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