Konzept

Gründe für die Bildung des PermanentNet®

Das PermanentNet® bildet als erstes europaweit einheitliches intermodales Verkehrsnetz eine innovative Antwort auf die Herausforderung der weiter rasant ansteigenden räumlichen Mobilität und der Bewältigung ihrer negativen Folgen durch:.Autobahnkreuz

Aus diesen Eigenschaften des PermanentNet® ergeben sich zahlreiche, vor allem sichheitsspezifische Anwendungen.

Verfolgt man das Verkehrsaufkommen der letzten Jahrzehnte im Personen- bzw. Güterverkehr aller Verkehrsträger, darf man wohl angesichts des anhaltend steigenden Wohlstands von dessen weiterer Zunahme ausgehen. Dabei herrschen schon derzeit innerhalb der regionalen Verdichtungszentren und auf den zu ihnen führenden Verkehrsachsen tägliche Staus, gepaart mit Unfällen und zeitlichen Unsicherheiten den Verkehrsfluß betreffend. Die bislang verfolgten staatlichen und kommunalen Konzepte der Verkehrssteuerung reichen nicht, da sie  sich in der Errichtung von Verkehrszeichen, zentralgesteuerter Lichtsignalregelungen, Ansagen von Verkehrsbehinderungen im Rundfunk und gutgemeinten Appellen an die Öffentlichkeit zur Verkehrsvermeidung erschöpfen. Auch der Ausbau von Verkehrswegen kann nur bedingt und vorübergehend zu einer Linderung örtlicher Verkehrsstaus beitragen.

Selbst das Bemühen, durch die INSPIRE Verordnung (2007/2/EC, 14.03.2007) in der Europäischen Union eine verbindlich die Ausgestaltung eines gemeinsamen intermodalen Verkehrsnetzes zu schaffen, mußte scheitern aufgrund

  • der sprachlichen und begrifflichen Vielfalt in den einzelnen Ländern,
  • gesetzlicher und administrative Besonderheiten in den einzelnen Regionen,
  • natur-, sozial- und wirtschafträumlicher Unterschiede in einzelnen Gebieten,
  • unterschiedlicher Zielsetzungen und fachlicher Ansprüche an Verkehrsinformationen,
  • unterschiedlichen methodisch-technischen Wissenstands und Ausrüstung auf lokaler administrativer Ebene,
  • fehlender durchgängiger organisatorischer Festsetzung der Zuständigkeiten bei der Datenerhebung und –pflege,
  • sinkender Investitionsbereitschaft bei noch nicht erkennbarem Mehrwert und allgemein wachsenden Finanzrisiken,
  • und, und, und …

Gleichzeitig mit dem wachsenden Verkehrsaufkommen steigen zusätzlich auch die Ansprüche an die Sicherheit, den Fahrkomfort und die Umweltverträglichkeit des Verkehrs. Dieser Spreizung zwischen Anspruch und Realität zu begegnen wird von der der Autoindustrie die Hoffnung propagiert und von der Politik inzwischen aufgegriffen, das Heil in der Anwendung von IT- Technologien (Industrie 4.0) in den Fahrzeugen zu suchen. Die zunehmende Elektromobilität wäre letztlich auch Grundlage für das autonome Fahren.

Mag sich die deutsche Automobilindustrie auch schnell auf einige gemeinsame Standards der Car-to-Car-Kommunikation geeignet haben, es wachsen mit der Konkretisierung  jedoch die rechtlichen und technischen Probleme. So muß die für die Car-to-Car-Kommunikation eingesetzte WLAN-Technologie deren besonderen Anforderungen genügen:

  • der Reichweite bis zur nächsten Fahrzeug mit einem WLAN-Anschluß,
  • der gegenüber anderen Anwendungen und feindlichen Eingriffen von außen gesicherten Frequenz,
  • der Dynamik des Verkehrs mit statischen IP-Adressen,
  • der Verschattung des Funkstrahls z.B. durch Gebäude,
  • der exponential zunehmenden Komplexität des Datenflusses bei zunehmender Verkehrsdichte,
  • der Sicherheit und Schnelligkeit der Datenübertragung
  • der räumlichen Referenzierung der Fahrzeuge zum Netz und zueinander zur Priorisierung des Datenverkehrs

Damit überhaupt noch nicht gelöst sind die Probleme der Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und den zentralen staatlichen und kommunalen Verkehrssteuerungsystemen.

Bislang definieren die Verkehrzentralen die von ihnen zu beeinflussenden Verkehrssituationen überwiegend auf Grundlage stationärer Verkehrszählungen und stark deterministischer Modellrechnungen, wie etwa das auf dem klassischen Transportalgorithmus fußende PTV VISUM. Es berechnet die Verkehrsströme als Quell-Zielverkehr zwischen in Verkehrszellen verorteten Nachfragern (Einwohner, Arbeitsplätze, Schüler, ect) und ebenfalls in Verkehrszellen liegenden Angeboten (Arbeitsplätze, Einkaufszentren, Schulen, ect). Kriterien für die Zuordnung ist etwa die aufzuwendende durchschnittliche Fahrzeit unter Berücksichtigung von Kapazitätsbegrenzungen der Verkehrswege, aber auch des Verkehrsaufkommens selbst. Das tatsächliche Verkehrsaufkommen wird aber durch eine Vielzahl weiterer Faktoren, wie Jahreszeit, Wetter, Unfälle, Baustellen und politische Entweidungen (Autobahngebühren) beeinflußt, was in den Verkehrsmodellen  durch “Eichung” und punktuelle Anpassung der Parameterdaten berücksichtigt wird. Für die Berechnung der erwarteten Verkehrsströme werden bei diesen Makromodellen über das gesamte Gebiet aller Verkehrszellen Quell-Ziel-Matrizen erstellt und mit den örtlichen Nachfragen und Angeboten iterativ bis zu einem Gleichgewichtszustand verrechnet. Das Problem bei dieser Art von Modellen ist, daß

  • sie zuviele komplexe Phänomene in einen Zusammenhang stopfen,
  • ihr Datenhunger deshalb extrem hoch ist und
  • dennoch  zu viele Fragen ungelöst bleiben.

Im Ergebnis regeln die Verkehrszentren den Verkehrsfluß dann lediglich  durch statische oder verkehrsangepasste Geschwindigkeitsbeschränkungen mittels Signalanlagen, Schildern  und Leuchttafeln  und als Staumeldungen über  funkbetriebene Meldesysteme  an die Fahrzeuge, was der Dynamik des örtlichen Verkehrsaufkommens ebenfalls nicht entspricht.

Die Verfahren der Verkehrskontrolle und -steuerung können durch das PermanentNet® wesentlich verbessert und vereinfacht werden.

Hierzu kann das PermanentNet® einen wesentlichen Beitrag leisten durch:

Die erhöhte Genauigkeit der Positionsbestimmung von Objekten und Ereignissen durch die Lineare Referenzierung auch ohne GPS

Mittellinien

Das PermanentNet® definiert die Mittelachsen der Verkehrsflächen als Kanten und die Kreuzungspunkte dieser Kanten als Knoten eines hierarchisch gegliederten räumlichen Bezugsnetzes (s. PermanentNet Datamodel), das vor Ort mit beliebiger Genauigkeit nachgemessen werden kann. Im PermanentNet® besitzen alle Kanten und Knoten eindeutige und dauerhafte (permanente) Identitäten sowie semantische Informationen als Grundlage für ein effizientes Meldewesen. Jeder Punkt auf einer Kante ist in zweierlei Weise eindeutig bestimmt:

Lienare Referenzierung versus Georeferenzierung

  • Durch seine Koordinaten und die Identität der zugehörigen Kante (Georeferenzierung) sowie
  • durch seine lineare Entfernung auf der Kante vom Anfang- und Endknoten (Lineare Referenzierung)

Die Genauigkeit der Position eines Punktes der Kante kann somit zum einen durch eine exakte geometrische Darstellung der Kante, wie sie etwa die Landesvermessungsämter garantieren, und zum anderen auch durch exakte Längenmessung auf der Kante durch ein rollendes Rad mit definiertem festen Umfang von jedem Knoten bzw. auch von jedem anderen auf dem PermanentNet® exakt definierten Referenzpunkt aus erzielt werden. In Kombination beider Meßmethoden potenziert sich das Maß der Genauigkeit. Es bedarf somit nicht zwingend einer Verortung durch GSP.

Durch den eindeutigen Bezug aller Kanten und Knoten zueinander im PermanentNet® besitzen auch alle Objekte und Ereignisse auf oder neben einer Kante einen eindeutigen sowohl geo-, als auch linearreferenzierten Bezug zum Netz und zueinander.
So kann man die eigene Position eines jeden Fahrzeugs feststellen, das mit einer elektronischen Karte auf Basis des PermanentNet® und der technischen Ausstattung zur Kommunikation mit anderen, eindeutig verorteten, signalgebenden Objekten versehen ist. Aber man kann auch die Position zu allen anderen dem PermanentNet® zugeordneten Fahrzeugen, Objekten und Ereignissen (z.B. vor Kreuzungen, Bahnübergängen, Ein- und Ausfahrten oder Baustellen) unmittelbar aus dem PermanentNet® über eine entsprechende Applikation einer On-Bord-Unit eindeutig feststellen. Konkret: Immer wenn ein Fahrzeug einen solchen eindeutig definierten Punkt (Knoten oder Objekt) auf oder neben dem Netz passiert, ist seine räumliche Position eindeutig bestimmt. Bis zum nächsten bekannten Punkt kann seine Position allein durch Messen der gefahrenen Strecke vom Fahrzeug selbst ermittelt werden. Somit bedarf es auch keiner zusätzlichen Positionsbestimmung durch GPS oder Funkpeilung.

Orientierung ohne GPS

Ohne GPS ist die genaue Lage des Start- und Endpunkt durch Entfernungsmessung zum nächsten Knoten entweder  durch signalgebende bzw. optische Peilung oder beim Passieren des Knotens und Rückrechnen der gesamten zur gefahrenen Strecke auf der Kante zu ermitteln. An Abzweigungen kann die richtige Streckenwahl durch Winkelmessung erfolgen.

Da die Kombination der geo- und linearreferenzierten Positionsbestimmung  wesentlich genauer ist als alle bisherigen Methoden, eignet sie sich insbesondere in allen sicherheitsrelevanten Bereichen (Gefahrguttransporte, Rettungseinsätze, Car-to-Car- Car-to-X- Kommunikation), und wenn kein GPS und Internet verfügbar ist (z.B. in Tunnel, zwischen Hochhäusern).

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Optimierung und Reduzierung der für die Definition der örtlichen Verkehrssituation erforderlichen Datenflüsse

Über die reine Positionsbestimmung eines Fahrzeugs hinaus ist die Definition der jeweiligen örtlichen Verkehrssituation Voraussetzung für seine sichere und kalkulierbare Fortbewegung. Da mit dem PermanentNet® alle registrierbaren festen und beweglichen Objekte zu jedem Zeitpunkt geometrisch einander zugeordnet werden können, lassen sich die Verkehrssituationen in Kenntnis dieser genau lozierten Objektdaten mit entsprechenden Applikationen auf On-Bord-Units unmittelbar berechnen und Handlungserfordernisse ableiten. Es bedarf damit keines zentralen Verkehrsmanagements mehr, lediglich der Übermittlung der an jeder ITS Roadside Station innerhalb eines konstanten Zeitraums gesammelten Daten beim Passieren an die On-Bord-Units. Grundlage für die Berechnung der jeweiligen Verkehrssituation können nun auch Algorithmen wie die Fuzzy-Logic sein, die wesentlich besser die Stochastik des Verkehrsflusses abbilden.

Eine_Fahrbahn

Auf Grund der  durch das PermanentNet  exakt vorgegebenen  Position eines jeden Fahrzeugs an  einer Meßstelle können mit  handelsüblichen Zählgeräten pro Fahrzeug ermittelt werden:

  • Fahrzeugklasse
  • Fahrtrichtung
  • Geschwindigkeit
  • Fahrzeitpunkt

eine_fahrbahn_zwei_traffic_counter

Mißt man den Verkehr erneut in einem beliebigen Abstand  auf der gleichen Strecke und unterstellt das Eintreffen eines jeden Fahrzeuges sei rein zufällig, dann entsprechen die Folgen dieses Eintreffens der Fahrzeuge nach Art und Verhalten (Fahrzeugtyp) einer Markoff-Kette. Das bedeutet daß die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens eines Fahrzeugtyps am Anfang und Ende der Strecke immer gleich ist. Es bedarf in diesem Fall, etwa auf freier Strecke, nur der Stichprobe des Verkehrs an einer Stelle, um ihn zu charakterisieren. Die Simulation des Verkehrsflusses zwischen verschiedenen Meßpunkten und/oder Verkehrszellen durch Quell-Ziel-Verkehr ist wegen der systembedingten Gleichgewichtszustände dieser Markoff-Ketten unnötig aufwändig. Hingegen können wesentlich einfacher aus Messungen an festen Standorten z.B. der Anzahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugtypen innerhalb fester  Zeitintervalle, z.B.pro Sekunde oder Minute, mit Hilfe z.B. der Fuzzy-Logik unmittelbar Verkehrssituationen für eine mittlere Strecke nach vorn von einem bis zwei Kilometer berechnet werden, etwa nach den Kategorien: Zu erwartender  „Freier Verkehr“, „Gestörter Verkehr“, „Kolonnenverkehr“, „Stop and Go“, „Stau“. Das Verkehrsverhalten könnte dann durch On-Board-Units in den Fahrzeugen unmittelbar gesteuert werden, d.h. der „Gestörte Verkehr“ und das „Stop and Go“ in einen Kolonnenverkehr überführt, die durchschnittliche  Fahrzeit optimiert und die Umweltbelastung minimiert werden.

Befindet sich das System zwischen zwei Zählstellen nicht im Gleichgewichtszustand, also die statistische Verteilung des Eintreffen eines jeden Fahrzeugtyps nach Art und Geschwindigkeit ist am Anfang und Ende der Meßstrecke unterschiedlich, dann liegt eine Störung, etwa in Gestalt z.B. einer Zufahrt, Ausfahrt, einer Baustelle oder eines Unfalls auf der Strecke vor. Auch diese veränderte Verkehrssituation kann durch eine Parametrisierung als Markoff-Kette definiert und durch eine Fuzzy-Struktur gefaßt werden. Sind die beiden Zählstellen z.B. über WLAN miteinander verknüpft, dann kann diese Meldung den On-Board-Units übermittelt und zur unmittelbaren angepaßten Steuerung des Fahrzeugs eingestzt werden.

Die Datenflüsse von über längere Strecken verbundenen Zählgeräten  könnten über vernetzte Regelungsalgorithmen großräumige und auf Tagesintervalle bezogene Verkehrsprognose  erzeugen, die dem Fahrer eine genauere voraussichtliche Ankunftszeit bereitstellen.

Aus der dezentralen Berechnung der jeweiligen Verkehrssituation ergibt sich ein weiterer Vorteil, indem auch die im Fahrzeug selbst erhobenen Daten (Geschwindigkeit, Sichtweite, Abstand zu benachbarten Fahrzeugen, usf.) unmittelbar und ohne Zeitverzug im Verbund mit der berechneten Verkehrssituation für die Berechnung der Handlungserfordernisse etwa zur automatischen Steuerung des Fahrzeugs herangezogen werden können.

Zur Stärkung dieses Vorteils macht es umgekehrt Sinn, daß jedes passierende Fahrzeuge anonymisiert per RFID seine Fahrzeugdaten (Fahrzeugtyp, Achsenzahl, Gewicht, etc.) automatisch an die Zählgeräte am Straßenrand sendet, wie sie im Fahrzeugschein vercodet sind.. Das könnte dadurch erleichtert werden, daß am Ende der Automobilfertigung jedem Fahrzeug ein entsprechend les- und verwertbarer Code mitgegeben wird (Industrie 4.0). Von diesen an den Roadside Stations gesammten Daten können wiederum Forschungsinstitute und Entwickler zur Verbesserung der Applikationen, aber auch die staatliche und kommunale Verkehrsplanung profitieren.

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Systemneutralität gegenüber anderen Informationssystemen

Die meisten Anwendungen staatlicher, kommunaler Behörden, Unternehmen und Privatpersonen laufen bereits  auf eigenen oder speziellen Verkehrsnetzen, zumeist aber auf Basis von Navteq (jetzt HERE), Tele Atlas (jetzt TomTom) und OpenStreetMap. Damit sind die Anwendungen auf diese Netze  scheinbar fixiert, d.h. eine Umstellung auf bessere Daten anderer Netze ist ohne Neuprogrammierung scheinbar nicht möglich.

Durch Überlagerung des PermanentNet® und den Techniken der Linearen Referenzierung lassen sich diese Fixierungen jedoch aufheben. Es müssen lediglich die einzelnen Kanten des in Gebrauch befindlichen Verkehrsnetzes zu einer Mittellinie des PermanentNet®, die ihrererseits mit Entfernungsmaßen in eine Richtung versehen ist, eine sogenannte Route, des PermanentNet® zugeordnet werden. Für die staatlichen Straßen bietet sich hier die Kilometrierung oder Stationierung an, für die kommunalen Straßen die Länge mit gleichen Straßennahmen z.B. in Prozent der Gesamtlänge.

Mit der Überlagerung des PermanentNet® können zum einen dessen Vorteile höherer Genauigkeit der Positionsbestimmung genutzt werden, zum anderen auch die Attribute anderer, den Routen des PermanentNet® ebenfalls  zugeordneter Netze übernommen werden.

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Optimaler Datenschutz durch Unabhängigkeit von GPS und Internet

Auf Basis des PermanentNet® können unter Einsatz von RFID’s einfache anonyme Daten über die genaue Position eines jeden Fahrzeugs an einer ITS Roadside Station nach Typ, Zeitpunkt und Geschwindigkeit registriert und akkumuliert werden. Wenn die akkumulierten Daten an das Fahrzeug per standardisierten Radiosignalen (z.B. TPEG) zurückgegeben werden, bleiben die Datenflüsse weiterhin anonym und unmanipulierbar.

Auf diese Weise ist im Verbund mehrerer Objekte  die gegenseitige Positionsbestimmung ohne GPS und Internet, hingegen mittels Real-Time Location Systems möglich.

Kreuzung

Beispiel Straßenkreuzung:

Mittels der genau mit dem PermanentNet® positionierten und miteinander im Kreuzungsbereich per Radiofunk verknüpften Aktiver RFID-Transponder können sich die Fahrzeuge mit entsprechend ausgerüsteten On-Bord-Units gegenseitig weit vor dem optischen Blickfeld erkennen. Lichtsignalanlagen können bedarfsgerecht geschaltet werden oder auch bei geringem Verkehr ganz abgeschaltet werden.

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