Generierung streckenbezogener Verkehrsdaten als Basis für den Einsatz in Verkehrstelematiksystemen

Tesis Doctoral / Disertación , 2005 , 213 Páginas , Calificación: Gut (2)

Tecnología

Aktuelle Verkehrsdaten spielen eine immer wichtigere Rolle in unserer heutigen Informationsgesellschaft besonders im Hinblick auf das weiter steigende Mobilitätsbedürfnis der Gesellschaft und den begrenzten Ressourcen der Verkehrssysteme. Dieses Bedürfnis nach Verkehrsdaten wird momentan nur unzureichend erfüllt. Die Technologie der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung, bei der einzelne Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte (Position, Zeit, momentane Geschwindigkeit) verwendet werden um aus den Fahrmustern den momentanen Ver-kehrszustand abzubilden, ermöglicht eine umfassende Echtzeit-Verkehrsdatenerfassung. So können durch die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung, für die sich in der deutschsprachigen Literatur auch der englische Begriff Floating Car Data (FCD) etabliert hat, Reisezeiten im Straßennetz und der daraus abgeleitete Verkehrszustand berechnet werden, ohne ein dichtes und kostenintensives straßenseitiges Sensornetz (Induktionsschleifen, Infrarotsensoren, Radarsensoren, etc.) aufbauen zu müssen. Durch die Bereitstellung von Reisezeiten bzw. Reisezeitprognosen im Straßenverkehr können Daten für kollektive Verkehrsbeeinflussungsanlagen sowie für individuelle Verkehrsinformationsdienste zur Verfügung gestellt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Technologien zur Übertragung von Floating Car Data (FCD) an eine Datenzentrale analysiert, um durch geeignete Übertragungstechnologien hinsichtlich Technologieverfügbarkeit, Kosten, Geschwindigkeit sowie Synergien mit anderen Anwendungen verwertbare Verkehrsinformationen generieren zu können. Danach wurden verschiedene Methoden zur Generierung streckenbezogener Verkehrsdaten auf Basis der FCD Technologie analysiert und bewertet. Sie sollen einem breiten Personenkreis zugänglich und für den Massenmarkt geeignet sein sowie - wenn möglichbereits in anderen Anwendungen und Diensten eingesetzt werden (Grenzkostenansatz). Durch geringe Investitionen in benötigte Hard- und Software sowie durch Technologieverfügbarkeit soll die Anzahl der Fahrzeuge zur FCD Verkehrsdatenerfassung in Zukunft erheblich gesteigert werden. Im Zuge der Arbeit wurden statistische Überlegungen zum erforderlichen Stichprobenumfang für die Reisezeitberechnung sowie zur Stauerkennung durchgeführt sowie in einer Fallstudie verschiedene Szenarien zur Verkehrsdatengenerierung auf dem hochrangigen Straßennetz in Österreich untersucht.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Überblick
1.2 Problemstellung
1.3 Zielsetzung
1.4 Vorgangsweise

2 Grundlagen
2.1 Straßenverkehrsinformationen
2.2 Querschnittsbezogene Verkehrsdatenerfassung
2.3 Streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung
2.4 Einzelfahrzeug im Verkehrsablauf
2.4.1 Fahrtablauf des Einzelfahrzeuges unter kontrollierten Bedingungen
2.4.2 Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs als stochastischer Prozess
2.5 Verkehrskenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen
2.5.1 Mittlere Reisezeit und mittlere Reisegeschwindigkeit
2.5.2 Beschleunigungskennwert
2.5.3 Haltezeiten
2.5.4 (Reise-) Zeitverluste

3 Internationale Analyse
3.1 Europa
3.2 Japan
3.3 USA
3.4 Erfahrungen aus den Feldversuchen
3.4.1 Datenerfassung und -übertragung
3.4.2 Modellrechnungen zur Verkehrsflussanalyse

4 Datenübertragung
4.1 Bewertungskriterien und Zielgewichtung
4.2 Übertragungstechnologien
4.2.1 Global System for Mobile Communications (GSM)
4.2.1.1 Systemkomponenten
4.2.1.1.1 Mobiltelefon
4.2.1.1.2 Basisstation Subsystem
4.2.1.1.3 Funkvermittlungssystem
4.2.1.1.4 Steuerungs- und Überwachungszentrum
4.2.1.2 Funktionsweise
4.2.1.2.1 Lokalisierungsbereich
4.2.1.2.2 Zellnummer
4.2.1.2.3 Einbuchen
4.2.1.2.4 Zellwechsel (Handover)
4.2.1.3 Leitungsvermittelter Datendienst
4.2.1.4 Kurznachrichtendienst
4.2.1.5 Netzerweiterung
4.2.1.5.1 Zellteilung
4.2.1.5.2 Zellsektorisierung
4.2.1.6 Zusammenfassung GSM
4.2.2 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD)
4.2.3 Genaral Packet Radio Service (GPRS)
4.2.4 Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE)
4.2.5 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)
4.2.6 Datenfunk
4.2.7 Terrestrial Trunked Radio (TETRA)
4.2.8 Wireless Local Area Networks (WLAN)
4.2.9 Dedicated Short Range Communication (DSRC)
4.3 Protokolle und Standards
4.4 Übertragene Datenparameter (FCD, XFCD)
4.4.1 Floating Car Data (FCD)
4.4.2 Extended Floating Car Data (XFCD)
4.4.2.1 Dynamische Fahrzeuggrunddaten
4.4.2.2 Daten aus Fahrerassistenzsystemen
4.4.2.3 Konstante Fahrzeugdaten
4.4.2.4 Daten aus Navigationssystemen
4.5 Datenübertragungsmodelle
4.5.1 Echtzeit-Übertragung („online“)
4.5.2 Zeitversetzte-Übertragung („offline“)
4.5.3 Abruf-Übertragung („polling“)
4.5.4 Anlass-Übertragung („event processed“)
4.6 Fazit

5 FCD Systemvarianten
5.1 Bewertungskriterien und Zielgewichtung
5.2 Systeme mit Baken-Kommunikation
5.2.1 Lkw-Mautsystem Österreich
5.2.2 Automatische Kennzeichenerkennung
5.2.3 Elektronisches Kennzeichen (e-plate)
5.2.4 Virtuelle GSM Baken
5.2.5 Weigh in Motion
5.3 Systeme mit Mobilfunk-Kommunikation
5.3.1 Satellitennavigation
5.3.1.1 Allgemeines
5.3.1.2 GPS
5.3.1.2.1 Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung
5.3.1.2.2 Differential GPS (DGPS)
5.3.1.2.3 Wide Area Augmentation System (WAAS)
5.3.1.2.4 Zusammenfassung GPS
5.3.1.3 GLONASS
5.3.1.4 EGNOS
5.3.1.5 GALILEO
5.3.1.6 Überblick Satellitensysteme
5.3.2 Terrestrische Ortung
5.3.2.1 Long Range Navigation (Loran-C)
5.3.2.2 Eurofix
5.3.3 Ortung in Zellularfunknetzen
5.3.3.1 Netzwerk-basierende Ortungsverfahren
5.3.3.1.1 Cell-ID Ortungsverfahren
5.3.3.1.2 Timing Advance (TA)
5.3.3.1.3 Time of Arrival (TOA)
5.3.3.1.4 Angle of Arrival (AOA)
5.3.3.2 Mobiltelefon-basierende Ortungsverfahren
5.3.3.2.1 Enhanced Observed Time Difference (E-OTD)
5.3.3.2.2 Observed Time Difference of Arrival (OTDOA)
5.3.3.2.3 Assisted GPS (A-GPS)
5.3.3.2.4 Ortung durch Zellübergangsbereiche
5.4 Fernerkundung des Verkehrsablaufes
5.5 Fazit

6 Abschätzung von FCD-Ausstattungsraten
6.1 Problemstellung und Grundbegriffe
6.2 Experteneinschätzungen
6.3 Stichprobenumfang zur Merkmalserkennung des Verkehrsflusses
6.4 Störfallerkennung des Verkehrsflusses
6.5 Fazit

7 Fallstudie
7.1 Szenarien zur Verkehrsdatengenerierung
7.2 Stichprobenumfang bei Ortung aktiver GSM Gespräche
7.3 Fazit

8 Datenschutz
8.1 Ausgangslage
8.2 Rechtliche Grundlagen
8.3 Fazit

9 Schlussfolgerungen und Ausblick
9.1 Schlussfolgerungen
9.2 Ausblick

10 Literaturverzeichnis

11 Glossar

12 Abbildungsverzeichnis

13 Tabellenverzeichnis

14 Anhang
14.1 Spezifikation Einzelleistungsinformation
14.2 Level of Service (LoS) Konzept

1 Einleitung

1.1 Überblick

Durch die ständig ansteigenden Motorisierungsgrade sowie wachsender Verkehrs­leistungen kommt es zu einer erheblich gesteigerten Verkehrsnachfrage in Österreich. Besonders durch die neuen EU-Beitrittsländer in Osteuropa, durch die Österreich ins Zentrum Europas rückt, sowie durch die immer weiter fortschreitende Produktionsaufteilung in der Industrie wächst das Güterverkehrsaufkommen immer stärker an. Im Personenverkehrsaufkommen ist hier der gleiche Trend zu beobachten. Der Wunsch nach Flexibilität der Berufstätigen seitens der Wirtschaft, die geringere Arbeitszeit bei steigendem Wohlstand sowie die damit verbundene Zunahme an Freizeitaktivitäten führen zu einem immer höheren Personenverkehrsaufkommen. Dies hat zur Folge, dass die bestehenden Verkehrssysteme in Zukunft immer häufiger an ihre Leistungsgrenzen stoßen werden.

Trendberechnungen im Jahr 2000 für die Verkehrsentwicklung des motorisierten Individualverkehrs (Pkw und Motorrad) in Österreich ergeben eine Erhöhung der Verkehrsleistungen [Personen-km/Jahr und Person] um 39% bis ins Jahr 2020. Bei den Transportleistungen im Straßengüterverkehr [t-km/Jahr und Person] wird im gleichen Zeitraum eine Steigerung von 40% prognostiziert [SAMMER (2002), S. 5]. Mobilitäts-Szenarien für den Großraum Wien prognostizieren bis 2035 Wachstumsraten des motorisierten Individualverkehrs (Pkw und Motorrad) bis zu 45% im Trendszenario. Der Anteil des öffentlichen Verkehrs sinkt hingegen von 35% auf 29%. Die Summe der zurückgelegten Pkw-Kilometer eines Werktages wird im Trendszenario um ca. 90% wachsen. Im Maßnahmenszenario, das die Verkehrsentwicklung bis 2035 unter dem Aspekt einer flächendeckenden Pkw Straßenmaut sowie der intensiven Attraktivierung des öffentlichen Verkehrs betrachtet, wird immerhin noch ein Wachstum der zurückgelegten Pkw-Kilometer eines Werktages von 35% prognostiziert [SAMMER (2004), S. 39 ff].

Um ein leistungsfähiges Verkehrsnetz sicherzustellen, ist es auf Grund begrenzter Ressourcen nicht möglich, allein den Neu- und Ausbau des Straßennetzes voranzutreiben. So kann durch eine effiziente Verkehrssteuerung, vor allem aber auch durch umfangreiche Verkehrsinformation vor und während einer Fahrt, die bestehende Verkehrsinfrastruktur effizienter nutzbar gemacht werden. Dies kann beispielsweise durch ein Verkehrsmanagementsystem erreicht werden, das Informationen des Verkehrs­zustandes aufnimmt, verarbeitet und die Ergebnisse in Form von Empfehlungen oder Vorschriften an die Verkehrsteilnehmer weitergibt. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Verkehrsflusses durch Verkehrsmanagementsysteme wird von Experten mit einer Bandbreite von 5-15% angegeben [vgl. ÖAMTC AKADEMIE (2000), S. 1; BMVBW (2002), S. 1 ff; ASFINAG (2004), S. 2].

Die benötigten Verkehrsinformationen können durch Reisezeit und Reisegeschwindigkeit bzw. aus daraus abgeleiteten Kenngrößen beschrieben werden. Beide Parameter stellen die maßgebenden Größe zur Klassifizierung der aktuellen Verkehrssituation mittels eines „Level of Service“ Konzeptes dar. Die Bestimmung der Reisezeit und der Reise­geschwindigkeit ist daher für den Betrieb von kollektiven Verkehrs­beeinflussungs­anlagen als grundlegende Größe anzusehen. Die Verkehrsdaten, die für solche Systeme erforderlich sind, basieren nach dem heutigen Stand der Technik fast ausnahmslos auf querschnittsbezogenen, lokalen Messwerten. Die hierfür verwendeten Auswerteverfahren, wie etwa die dynamische Verkehrsbilanzierung, die korrelative Messtechnik oder die Betrachtung des Verkehrsstärke-Dichte Zusammenhanges [STEINAUER (2001)], die für Autobahnen und Schnellstraßen gute Ergebnisse aufweisen, sind für untergeordnete Straßennetze sowie in Ballungsräumen zu aufwendig.

Neben der konventionellen, querschnittsbezogenen Verkehrsdatenerfassung gewinnt daher die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung mittels Floating Car Data (FCD) Technologie, bei der einzelne Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte (Position, Zeit, Geschwindigkeit) verwendet werden um aus den Fahrmustern den momentanen Verkehrszustand abzubilden, immer mehr an Bedeutung. Das Einzel­fahrzeug des Nutzers individueller Verkehrsinformationen übernimmt im Idealfall gleichzeitig als ein „im Verkehr mit schwimmendes Beobachtungsobjekt“ den Teil der Datenbereitstellung, um daraus den momentanen Verkehrszustand abzubilden. Durch die Möglichkeit dieser Systeme, Reisezeiten und Geschwindigkeiten streckenbezogen berechen zu können, wird diese Technologie für konventionelle Verkehrs­beeinflussungs­anlagen immer wichtiger.

Parallel zu kollektiven Verkehrsbeeinflussungsanlagen bekommt die individuelle Ver­kehrs­beeinflussung und Verkehrsinformation durch private Diensteanbieter einen immer höheren Stellenwert. Der einzelne Verkehrsteilnehmer hat mit Hilfe von Verkehrs­telematik­systemen die Möglichkeit, sich Bestwegempfehlungen geben zu lassen. Die beste Größe zur Beurteilung einer Verkehrslage aus der Sicht des Fahrzeuglenkers ist die Angabe einer Reisezeit sowie die Minimierung von Zeitverlusten (individuelle Nutzen­maximierung).

Die Reisezeit zwischen zwei Orten ist für den Benutzer leicht verständlich und international leicht kommunizierbar. Dies ist besonders im Hinblick auf die Schaffung eines europa­weiten Verkehrsservices via Rundfunk durch das Radio Data System - Traffic Message Channel (RDS-TMC) von besonderer Bedeutung. Im UKW-Rundfunk können neben den Audio-Signalen zusätzlich in digitaler Form dynamische Verkehrsdaten übertragen werden, die mit geeigneten Empfängern (z.B. Autoradios und Navigations­geräte) dekodiert und ausgewertet werden können.

Um Verkehrsinformationen flächendeckend generieren zu können, sind hohe Investitionen in eine herkömmliche querschnittsbezogene Datenerfassungsinfrastruktur notwendig (siehe Kapitel 7 Fallstudie, S.163 ff). Im privaten Bereich wird daher meist das Verfahren zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung mittels Floating Car Data (FCD) Tech­nologie favorisiert.

1.2 Problemstellung

Bislang war eine Abschätzung der Reisezeiten auf Autobahnen und Schnellstraßen nur auf Basis querschnittsbezogener Messdaten möglich, die zumeist über Detektionsschleifen oder anderen Sensoren erhoben wurden. Aus den Messwerten Geschwindigkeit und Fahrzeuganzahl wurde über verschiedene Algorithmen die streckenbezogene Verkehrskenngröße Reisezeit ermittelt. Eine mathematische Modellierung des Problems ist jedoch mit Unschärfen behaftet, da aus den querschnittsbezogenen Messwerten nicht mit Sicher­heit auf die Verkehrszustände im Streckenabschnitt geschlossen werden kann.

Konventionelle Erfassungsmethoden mit straßenseitigen Sensoren, die z.B. Dauerquerschnittsmessungen durchführen, sind in der Lage, Information mit hoher Genauigkeit über das Verkehrsgeschehen am Querschnitt der Messstelle bereitzustellen. Sie erlauben aber nur eine eingeschränkte Diagnose über den allgemeinen Verkehrszustand und der zu erwartenden Reisezeiten auf Linien oder Netzen. Durch Modellbildung und Simulationsrechnung kann die querschnittsbezogene Information auf Stecken ausgeweitet werden, allerdings nimmt die Aussagequalität mit dem Abstand zur Messstelle ab. Daher muss zum Erzielen eines bestimmten Qualitätsniveaus der Verkehrsinformation eine hohe Anzahl an Zählstellen bestehen bzw. geschaffen werden. Diese infrastrukturellen Voraussetzungen bedeuten jedoch einen beträchtlichen monetären Aufwand.

Ein grundlegend abweichender Ansatz wird durch die streckenbezogene Verkehrs­daten­erfassung mittels Floating Car Data (FCD) Technologie ermöglicht, bei der einzelne Fahrzeuge im Gesamtverkehrsstrom als mobile Messflotte (Position, Zeit, Geschwindigkeit) verwendet werden, um aus den Fahrmustern den momentanen Verkehrs­zustand abzubilden. So können durch die streckenbezogene Verkehrs­datenerfassung Reisezeiten im Straßennetz und der daraus abgeleitete Verkehrszustand berechnet werden, ohne ein dichtes und kostenintensives straßenseitiges Sensornetz (Induktionsschleifen, Infrarot- Radarsensoren, etc.) aufbauen zu müssen.

Damit ist man in der Lage, ganze Netze abzubilden, wobei die Aussagequalität mit der Anzahl der FCD Fahrzeuge, die sich im Verkehrsstrom bewegen und laufend Positions­daten liefern, steigt. Die FCD Technologie liefert keine genauen querschnittsbezogenen Informationen an bestimmten Querschnitten, sondern ein Indiz über den strecken­bezogenen Verkehrszustand des Verkehrsnetzes, da die FCD-Flotte nur eine Stichprobe des gesamten Verkehrsaufkommens darstellt. Solcherart ergänzen sich die beiden Daten­erfassungs­metho­den. Durch die Bereitstellung von Reisezeiten bzw. Reisezeitprognosen im Straßenverkehr kann ein intermodaler Routenvergleich sowie eine inter­modale Routenplanung durchgeführt werden (z.B. über Bahn, Luft, Schiff).

Die FCD Technologie ist neben privatwirtschaftlich orientierten Verkehrs­informations­diensten auch für konventionelle Verkehrsleitsysteme im öffentlichen Interesse geeignet. Problematisch ist hier der Umgang mit dem Systemoptimum aus Sicht des Straßenerhalters (Behörde) und des Nutzeroptimum aus Sicht des Fahrzeuglenkers. Fahrzeuggenerierte Verkehrsdaten werden im Optimalfall von den Nutzern individueller Verkehrsinformationen freiwillig bereit gestellt, um wiederum neue Verkehrslage­informationen berechen zu können. Werden diese Verkehrsdaten nicht zur Berechnung seines individuellen Nutzeroptimums verwendet, kann die Bereitschaft eigene fahrzeuggenerierte Verkehrsdaten zur Verfügung zu stellen, drastisch sinken. Neben der Verkehrssteuerung und der Verkehrsinformation ist die Reisezeit auch in der Verkehrs­planung beispielsweise als Eingangs- oder Kalibrierfaktor für Verkehrs- sowie Emissions­modelle sowie zur Staukostenberechnung ein wichtiger Kennwert. Auch für die laufende Evaluation von umgesetzten Maßnahmen der Verkehrsplanung kann die Reisezeit als Beurteilungskriterium herangezogen werden.

Derzeit wird das Prinzip der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung meist nur in ihrer „analogen“ Form durch sogenannte Staumelder (z.B. Ö3ver) verwendet, die in den entsprechenden Verkehrsinformationszentralen der Radiosender anrufen und einen „mündlichen“ Verkehrslagebericht durchgeben. Staus und Unfälle werden i.d.R. mehr oder weniger zeitverzögert gemeldet. Die Meldung über das Ende eines Staus in einem Straßenabschnitt ist allerdings oft mit erheblichen Verzögerungen behaftet. Der Grund dafür liegt in der Eigenschaft des Staumelders, der naturgemäß nur anruft, wenn ein Stauereignis eintritt. Die Information über die Stauauflösung kann meist nur durch aktive Rückfragen (z.B. bei der Exekutive) in Erfahrung gebracht werden. Somit fehlen oder verspäten sich die Informationen zur Verkündung über das Stauende.

Eine weitgehend flächendeckende streckenbezogene Verkehrs­daten­erfassung in Österreich oder in anderen europäischen Ländern durch Einzelfahrzeuge ist derzeit aufgrund mangelnder FCD Fahrzeuge (Stichprobenumfang) und geeigneter Datengrundlagen nicht vorhanden. Die FCD Technologie stellt die Grundlage für weitere Telematikdienste wie der dynamischen Routenplanung als auch der dynamischen Navigation/Routenführung (z.B. via RDS-TMC) dar. Schätzungen für die Marktentwicklung von Kfz-Navigationsgeräten mit RDS-TMC Funktion gehen von einem europaweiten Absatz von 2,3 Mio. Stück für das Jahr 2005 bei weiter steigender Tendenz aus. Das entspricht etwa einer Ausstattungsrate von ca. 14% bei europaweit 16 Mio. Neuzulassungen pro Jahr. Bis Ende 2005 wird der Gesamtbestand an Navigationsgeräten auf insgesamt ca. 10 Mio. Stück ansteigen [NOWICKI (2002), S. 2 ff]. Durch die Ausstattung zukünftiger Navigations­geräte mit Festplatten oder Speicherkarten können in Verbindung mit Daten­übertragungs­systemen Kartendaten, historische Reisezeitganglinien oder Verkehrs­informationen laufend aktualisiert werden. Gleichzeitig können die Navigationsgeräte Floating Car Daten speichern und entweder an eine Datenzentrale übertragen oder direkt zur Berechnung historischer Reisezeitganglinien für die dynamischen Routenplanung verwenden.

1.3 Zielsetzung

Das Verfahren der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung durch FCD ist technisch noch wenig entwickelt. Die berechneten Reisezeiten und daraus abgeleitete Verkehrs­informationen sollen für privatwirtschaftliche Verkehrsinformations- und Telematikdienste als Kennwert für die Verkehrsplanung und Verkehrsmodelle aber auch in konventionellen Verkersleitsystemen zur Verkehrssteuerung anwendet werden können.

Ziel der Arbeit ist, die technischen sowie wirtschaftlichen Eigenschaften verschiedener Methoden zur strecken­bezogenen Verkehrsdatenerfassung anhand definierter Kriterien zu untersuchen und zu bewerten. Im Zuge der Analyse wird getrennt auf die verschiedenen Ortungs- als auch Übertragungstechnologien eingegangen, da hier breite Variationsmöglichkeiten bestehen. Vor allem die verwendete Übertragungstechnologie und deren Kosten stellen einen Schlüsselfaktor für die FCD Technologie dar. Neben der technischen Machbarkeit werden auch die Kriterien Wirtschaftlichkeit und Technologieverfügbarkeit untersucht. Synergien mit bereits bestehenden Systemen, mit denen prinzipiell Floating Car Daten erzeugt werden können, deren eigentlicher Zweck aber verschiedene andere Aufgaben erfüllt, werden ebenfalls untersucht und bewertet (Grenzkostenansatz). Die Verkehrsdatengenerierung durch FCD erfordert einen Mindest­stich­proben­umfang (Anzahl an Floating Cars), um gesicherte Aussagen über das Verkehrsgeschehen machen zu können. Durch geringe Investitionen in benötigte Hard- und Software, durch Synergieeffekte mit anderen Anwendungen sowie durch Technologie­verfüg­barkeit soll die FCD Ausstattungsrate^[1] (Stichprobenumfang) in Zukunft erheblich gesteigert werden. Anhand der Ergebnisse einer Nutzwert­analyse werden die aussichts­reichsten Technologien und Verfahren zur möglichst schnellen und flächen­deckenden streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung analysiert und empfohlen.

Im Zuge der Arbeit werden auch exemplarische Szenario-Berechnungen über die benötigten Aus­stattungs­raten der Floating Car Daten Flotten bei unterschiedlichen Technologie­einsatz erarbeitet.

1.4 Vorgangsweise

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit werden in Kapitel 2 die theoretischen Grundlagen der streckenbezogenen Verkehrsdatengenerierung erläutert. Im Besonderen wird auf die Definition der Straßenverkehrsinformation, der stationären (querschnittsbezogen) sowie der fahrzeugbasierten (streckenbezogenen) Verkehrs­daten­erfassung als auch auf die Verkehrs­kenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen eingegangen.

In Kapitel 3 wird eine internationale Analyse in Bezug auf die Floating Car Data Technologie und deren Anwendungen mit Schwerpunkt Europa, Japan und USA durchgeführt. Nachfolgend wird auf die Erfahrungen bereits durchgeführter Feldversuche oder Projekte näher eingegangen.

Kapitel 4 widmet sich der Beurteilung von verschiedenen Technologien zur FCD Daten­übertragung anhand definierter Kriterien und anschließender Nutzwertanalyse. Im Besonderen wird auf die GSM Mobilfunktechnologie eingegangen, da sie eine der wichtigsten Schlüsseltechnologie zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung darstellt. Weiters werden erforderliche Datenparameter, Protokolle und Standards sowie verschiedene FCD Übertragungsmodelle (Online, offline, Polling, etc.) behandelt.

Mögliche Methoden zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung, gegliedert nach Systemen mit Baken-Kommunikation bzw. Mobilfunk-Kommunikation werden in Kapitel 5 erörtert. Es erfolgt eine Beurteilung der unterschiedlichen Methoden und Technologien mit anschließender Nutzwertanalyse. Hauptaugenmerk der Technologie­analyse liegt im Bereich der Mautsysteme, der automatischen Fahrzeug- und Kennzeichenerkennung, in der Satelliten­navi­gation sowie der Positionsbestimmung bzw. Verkehrs­analyse durch Zellularfunk (Mobilfunk).

In Kapitel 6 werden Untersuchungen zur benötigten FCD Ausstattungsrate durchgeführt. Im Detail werden Ansätze für die Dimensionierung der Ausstattungsrate zur Merkmals­erkennung als auch zur Störfallerkennung beschrieben und Abschätz­ungen über erforderliche FCD Stichprobenumfänge durchgeführt.

In Kapitel 7 ist ein Kostenvergleich für unterschiedliche Methoden der Verkehrsdaten­erfassung auf den österreichischen Hauptstraßen (10.000 km) sowie auf den Auto­bahnen und Schnellstraßen (2.000 km) angeführt (Fallstudie).

Ausgewählte juristische Aspekte hinsichtlich Datenschutz und der FCD Nutzung werden in Kapitel 8 behandelt. Es wird auf die europäischen und österreichischen juristischen Grundlagen und deren Interpretation eingegangen.

Die Schlussfolgerungen dieser Arbeit werden in Kapitel 9 zusammengefasst. Im Abschnitt Ausblick werden Empfehlungen für den weiteren Forschungsbedarf hinsichtlich der FCD Technologie behandelt.

2 Grundlagen

2.1 Straßenverkehrsinformationen

Als Verkehrsinformationen werden aktuelle Nachrichten für Verkehrsteilnehmer über die verkehrlichen Gegebenheiten verstanden. Sie können gemäß ihres zeitlichen Einsatzes vor Fahrtantritt als „pre-trip information” und während der Fahrt als “on-trip driver information“ differenziert werden. Die Teilmenge der Verkehrsinformationen für den motorisierten Individualverkehr (MIV) stellen Straßen­verkehrs­informationen dar, die in folgende drei Informationsebenen gegliedert werden können:

(1) Verkehrszustand
(2) Routeninformation
(3) Gefahrenwarnung

Als Straßenverkehrsinformationen werden bisher vorwiegend Informationen über den Verkehrszustand (z.B. „Stau auf folgenden Strecken ...“) und ereignisorientierte strecken­bezogene Informationen (z.B. „A2, zwischen A und B Hindernis auf der Fahrbahn“) via kollektiver Medien (Verkehrswarndienst im Rundfunk, RDS-TMC) angeboten. In Österreich kann die Verkehrsinformation seit Herbst 2002 ebenfalls wie in der BRD, Schweiz, Frankreich und Italien über RDS-TMC empfangen werden.

Statusorientierte Streckeninformationen (wie z.B. Reisezeitbedarf auf einer Strecke) oder Gefahrenwarnungen mit entsprechend genauem Ortsbezug sind aufgrund unzureichender Detektionseinrichtungen im Straßenverkehr entweder nicht oder nur bei besonders schwerem Ausmaß Gegenstand des Verkehrs­informations­angebots.

2.2 Querschnittsbezogene Verkehrsdatenerfassung

In der Verkehrsdatenerfassung werden fast ausschließlich stationäre querschnitts­bezogene Datenerfassungssysteme eingesetzt. Die verwendeten Technologien sind Induktions­schleifen, Mikrowellen-, Infrarot-, Laser- und Magnetfeldsensoren, wobei die erstgenannte am häufigsten verwendet wird.

Deutschland

In der Bundesrepublik Deutschland wurden z.B. in den 90er Jahren auf den 12.000 km Bundesautobahnen ca. 4000 Mikrowellendetektoren von der DDG Gesellschaft für Verkehrs­daten mbH zur online Verkehrsdatenerhebung installiert (siehe Abbildung 2.2-1). Die Sensoren wurden meist an den Autobahnbrücken installiert und messen den Verkehrsfluss des linkesten Fahrstreifens. Die gemessenen Daten werden nach bestimmten Ereigniserkennungsprozeduren per Mobilfunk (SMS) in die Verkehrs­infor­mations­zentrale übertragen.

Neben diesen privatwirtschaftlichen Initiativen wird in Deutschland Verkehrs­daten­erfassung durch die öffentliche Hand betrieben. Besonders die Verkehrs­beein­flussungs­anlagen auf deutschen Autobahnen verfügen über eine gute Infrastruktur von Daten­erfassungs­einrichtungen^[2], die durch eine dichte Anordnung von Messqerschnitten gekennzeichnet ist, um die Verkehrssituation für die Steuerung ausreichend sicher und schnell zu detektieren. Außerhalb dieser Bereiche engmaschiger Infrastruktur existieren auf deutschen Autobahnen Dauerzählstellen, deren Abstände ca. 10 Kilometer oder mehr betragen. Auf dem nachgeordneten Straßennetz (Bundes- und Landstraßen) ist die Verkehrsdatenerfassung auf wenige Strecken und Messquerschnitte mit relativ weiten Abständen beschränkt. In städtischen Netzen konzentriert sich die Datenerfassung auf Straßen mit überregionaler Funktion und Lichtsignalanlagen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2-1: Verkehrserfassungssensoren der DDG Gesellschaft für Verkehrsdaten mbH [DDG (2004)]

In der Regel werden an den Messquerschnitten über eine Minute aggregierte Daten des Verkehrsablaufs erfasst. Es sind dies die Verkehrsstärke, getrennt für Pkw und Lkw, sowie deren mittlere Geschwindigkeiten. Der Verkehrszustand zwischen den Messquerschnitten kann nicht direkt erfasst werden, sodass streckenbezogene Kenngrößen - wie z.B. die Verkehrsdichte oder eine mittlere Reisegeschwindigkeit des Verkehrsstroms - über Verkehrsmodelle rechnerisch mit gewissen Unschärfen ermittelt werden müssen. Verkehrsstörungen, die sich zwischen den Erfassungsquerschnitten ereignen und verkehrstechnisch durch Störfallalgorithmen erkannt werden, können im entsprechenden Abschnitt nicht genau lokalisiert werden. Der Grund dafür liegt in der Verwendung von Störfallalgorithmen die auf einer Einfahrts- und Ausfahrtsbilanz von Fahrzeugen im entsprechenden Abschnitt basieren. In der Regel kann daher nicht auf den Ort des Störfalles innerhalb des untersuchten Abschnittes geschlossen werden [HUBER (2001), S. 3 ff].

Österreich

Verglichen mit dem Ausstattungsgrad von stationären Verkehrs­daten­erfassungs­systemen in Deutschland aber auch anderen europäischen Ländern wie Frankreich, Spanien und Italien ist Österreich als „Entwicklungsland“ einzustufen. Hierzulande gibt es etwa 250 Dauermessstellen, die von der öffentlichen Hand betrieben werden. Davon werden bei einem Großteil der Messstellen die Daten auf Stundenwerte aggregiert und vor Ort gespeichert. Aggregierungsintervalle im Minutenbereich (1, 5, 10 oder 15 Minuten), wie sie in der Regel für Verkehrsleit- und Informationszentralen nötig sind, können mit der vorhandenen Ausstattung meist nicht erzeugt werden. Neben dieser Problematik besteht das gravierende Defizit, dass die Daten in den meisten Fällen nicht online (z.B. 1 Minuten Intervall) übertragen werden können. Im gesamten Stadtgebiet von Wien sind nur 12 Messstellen online abzufragen (Stand Mai 2004). Speziell in den Städten sind Kontrollschleifen für die Ampelsteuerungen vorhanden, die in der Regel aber keine „online“ Anbindung zur Datenübertragung und Auswertung besitzen.

Durch das von der ASFINAG betriebene Projekt VMIS (Verkehrsmanagement- und Informationssystem, siehe Abbildung 2.2-2) wird zukünftig die Grundlagen für ein Verkehrs­informationsnetz auf den Autobahnen und Schnellstraßen in Österreich geschaffen. In der geplanten Endausbaustufe werden ca. 1000 Messquerschnitte realisiert die minütlich sowie stündlich Messdaten mit 5+1 Fahrzeugarten, jeweils fahrstreifengetrennt, ausgeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2-2: Zeitplan Verkehrsbeeinflussungsanlage auf dem österreichischen Autobahn- und Schnellstraßennetz [ASFINAG (2003a), S. 3]

Neben der oben beschriebenen Verkehrsdatenerfassung für das VMIS-Projekt wird es eine ergänzende Verkehrsdatenerfassung geben: Im Rahmen der Errichtung des Lkw Maut-Systems werden (fahrtrichtungsgetrennt gezählt) ca. weitere 100 Messstellen zur Verkehrsdatenerfassung eingerichtet (Mautkontrollportale). Diese liefern ebenfalls minütlich sowie stündlich Messdaten. Die vorhandenen Dauerzählstellen sollen mittelfristig umgerüstet und an das Fernmeldenetz der ASFINAG angeschlossen werden, sodass die Daten dieser Zählstellen in Zukunft ebenfalls in Echtzeit zur Verfügung stehen werden. Darüber hinaus ist die stufenweise Einrichtung zusätzlicher querschnitts­bezogener Verkehrs­zählstellen bis 2004 im Projekt „Flächendeckende Verkehrs­erfassung“ (FVE der ASFINAG) geplant, die ebenfalls in das Verkehrsmanagement- und Informationssystem der ASFINAG einbezogen werden.

Parallel zur Verkehrsdatenerfassung durch die öffentliche Hand versuchen auch private Unternehmen mit stationären Sensoren Verkehrsdaten zu erfassen. Als Beispiel sei hier die Firma TRAFFIC.AT angeführt, die im Stadtgebiet von Wien bereits ca. 100 Infrarot-Sensoren an neuralgischen Punkten zur Verkehrslagebestimmung im Straßenraum installiert hat. Auch die Firma EBE Elektronik GmbH installiert laufend im Großraum Wien Laser-Sensoren zur Verkehrsdatenerfassung, dessen Daten in Echtzeit über Internet oder einer Datenbankanbindung abgefragt werden können.

Mit der Entwicklung von Verkehrsinformationssystemen, die das gesamte höherrangige Straßen­verkehrsnetz (Autobahnen, Schnellstraßen, Hauptstraßen) umfassen, stößt die klassische, auf querschnittsbezogene Messeinrichtungen basierende Verkehrs­daten­erfassung aber an ihre Grenzen. Eine für diesen Fall erforderliche engmaschige Ausstattung des gesamten Straßennetzes mit querschnittsbezogenen Messeinrichtungen wäre angesichts neuer Daten­erfassungs­methoden auf Basis fahr­zeug­generierter Verkehrsdaten (FCD) wirtschaftlich nicht vertretbar (siehe Abschnitt 7 Fallstudie, S. 163 ff).

Die Verwendung von querschnittsbezogenen Messdaten eignet sich nur bedingt zur Reisezeit- und Verkehrslageberechnung auf Straßen mit geregelten Kreuzungen (städtisches Gebiet), da durch die Lichtsignalregelung große Unstetigkeiten im Verkehrsfluss als auch im Geschwindigkeitsverlauf verursacht werden. Reisezeiten im stockenden oder gestauten Verkehr können am besten durch Floating Cars bestimmt werden. Für die fahrzeuggenerierte Verkehrsdatenerfassung ergeben sich somit hohe Potentiale sowohl in monetärer als auch in technischer Hinsicht. Angesichts der Kosten (siehe Abbildung 2.2-3), die für die Errichtung von Verkehrs­beeinflussungsanlagen und der dazu notwendigen Infrastruktur benötigt werden, erscheint zumindest eine Kombination streckenbezogener und querschnittsbezogener Datenerhebung aus wirt­schaftlicher Sicht erforderlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2-3: Voraussichtliche Kosten für die geplanten Verkehrs­beein­flussungs­an­lagen im ASFINAG Straßennetz [ASFINAG (2003a), S. 3]

2.3 Streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung

Für die an der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung beteiligten Kfz etablierten sich in der Vergangenheit die englischsprachigen Begriffe „Floating Cars”, „Floating Vehicles“, „Moving Observers” oder „Probes“, die als Beobachtungsobjekt im Verkehrs­fluss „mitschwimmen“ und die Bewegung des Fahrzeugs erfassen bzw. zum Teil auch interpretieren (siehe Abbildung 2.3-1). Da sich der Begriff „Floating Car Data” weitgehend auch in der deutschsprachigen Literatur etabliert hat, wird dieser Begriff auch in dieser Arbeit verwendet.

Gegenüber querschnittsbezogenen Messdaten können durch die Erfassung strecken­bezogener Verkehrsdaten durch Floating Cars direkt Messdaten des Verkehrsflusses bzw. streckenbezogene Verkehrskenngrößen ermittelt werden. Der Bestimmung der Reisezeit für einen durchfahrenen Streckenabschnitt kommt eine Schlüsselposition zu. Die Reisezeit stellt die Grundlage für alle weiteren Verkehrsinformationen wie Stau­erkennung, Routenempfehlungen, etc. dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3-1: Prinzip der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung (Floating Car Data)

Die bisherigen FCD Systemansätze erwiesen sich als technisch und wirtschaftlich nicht tragfähig. Erst mit der Entwicklung und Implementierung von flächendeckenden Mobil­funk­netzen zur Datenübertragung bez. auch zur Datengenerierung (siehe Abschnitt 4.2 Übertragungstechnologien, S. 33 ff bzw. Abschnitt 5.3.3 Ortung in Zellularfunknetzen, S. 111 ff) und durch satellitengestützte Fahrzeugortungssysteme (siehe Abschnitt 5.3.1 Satellitennavigation, S. 87 ff) wurden leistungsfähige Technologien zur strecken­bezogenen Verkehrs­daten­erfassung geschaffen. Durch die Fortschritte in der Mikro­elek­tronik, wodurch immer kleinere Telematik- und Kommunikationsmodule bei gleichzeitiger massiver Preisreduktion erzeugt werden können, als auch durch länderübergreifende Kommunikations­netzwerke (z.B. GSM) mit günstigen Datentarifen, haben sich attraktive Markt­verhältnisse für die fahrzeuggenerierte Verkehrs­daten­erfassung entwickelt.

2.4 Einzelfahrzeug im Verkehrsablauf

Als Verkehrsablauf werden alle Erscheinungen bezeichnet, die im raumzeitlichen Verlauf der Ortsveränderungen der Verkehrsteilnehmer auftreten. Im Straßennetz ist der Ver­kehrsablauf durch den Bewegungsablauf von Einzelfahrzeugen und deren Inter­aktionen charakterisiert. Parameter zur Beschreibung der Fahrzeugbewegung sind Aufenthaltsort und Zeitpunkt sowie deren zeitliche und räumliche Veränderungen [SCHNABEL & LOHSE (1997), S. 41 ff].

Als verkehrstechnisch bedeutsame Kenngrößen des Verkehrsablaufs sowie daraus berechneten statistische Maße (Streuung, Mittelwerte etc.) können folgende angeführt werden:

(1) Verkehrsstärke [Kfz/h]
(2) Auslastungsgrad [%] bzw. der Belastungsquotient [-]
(3) Verkehrsdichte [Kfz/km] bzw. der Belegungsgrad [%]
(4) Fahrzeuggeschwindigkeiten [km/h]
(5) Fahrzeugmischung (z.B. Lkw-Anteile) [-]
(6) Fahrzeugabstand (Raum- [m] und Zeitlücken [sek])
(7) Fahrstreifenbelegung [-]
(8) Reisezeiten [min]
(9) Wartezeiten [min] und Anzahl der Halte [-]
(10) Staulängen [m]

Auf der Ebene der streckenbezogenen Verkehrsdaten können die meisten der Kenn­größen des Verkehrsablaufs nicht oder nicht eindeutig erhoben werden. Die erfassten Messwerte sind nur Stichproben des Kollektivs, von denen nicht automatisch an­genommen werden kann, dass sie repräsentativ für das Kollektiv sind. Streckenbezogene Verkehrsflussdaten beinhalten dagegen Informationen des Einzelelements „Fahrzeug“ (z.B. Geschwindigkeitsverlauf, Zeitbedarf für die Durchfahrung eines Streckenabschnitts), welche durch Querschnittsmessungen in klassischen Anwendungen nicht erfasst werden können.

Im Prinzip besteht bei der querschnittsbezogenen Verkehrsdatenerfassung eine punktuelle und vollständige Information (Kfz/h, Geschwindigkeit km/h) und bei der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung eine flächendeckende aber unvollständige Einzelinformation (Stichprobenumfang). Erst wenn 100% aller Fahrzeuge durch ein System zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung erfasst werden, entstehen wieder exakte Daten.

Die Potenziale der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung liegen in der mikros­kopischen, räumlich-zeitlichen Beschreibung des Fahrtablaufs einzelner Fahrzeuge. Dementsprechend beinhalten streckenbezogene Verkehrsdaten alle Einflüsse, die auf den Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs wirken. Neben äußeren Einflüssen sind die Einflüsse des Fahrzeugs selbst sowie die des Fahrers zu nennen. Eine Beschreibung verkehrstechnisch relevanter Kenngrößen aus Einzelfahrzeugmessungen erfordert daher entweder statistische Verfahren zur Interpretation der Messergebnisse oder kontrollierte Fahrtbedingungen, die eine Interpretation des Fahrtablaufs retrospektiv erleichtern [HUBER (2001), S. 8]. Im Folgenden wird auf diese Rahmenbedingungen näher einge­gangen.

2.4.1 Fahrtablauf des Einzelfahrzeuges unter kontrollierten Bedingungen

Zur Untersuchung der Qualität des Verkehrsablaufs wurde bereits in den 50er Jahren in den USA die sog. Testfahrzeugtechnik (engl.: Moving Observer Method) entwickelt, bei der Verkehrskenngrößen mittels fahrender Fahrzeuge erfasst werden. Als Bewertungs­größe des Verkehrsablaufs auf einer Strecke wird im Allgemeinen die mittlere Geschwin­digkeit bzw. die mittlere Reisezeit erfasst. Auch in Österreich wurde bereits in den 70er Jahren die Testfahrzeugtechnik zur Kalibrierung von Netzgraphen für Verkehrsmodell­ent­wicklungen angewendet.

Die Testfahrzeugtechnik stellt eine Untersuchungsmethode auf Basis kontrollierter Versuchsfahrten dar, indem bestimmte Verhaltenskriterien während der Fahrt im Sinne der späteren Versuchsauswertung konstant gehalten werden. BOX (1976) unterscheidet drei Fahrtechniken, die eine repräsentative Aussage über die Qualität des Verkehrs-ablaufs liefern sollen:

(1) Floating Car-Technik (Kfz-Durchschnitt-Technik), bei der das Fahrzeug im Verkehrsstrom mitfließt und das mittlere Verhalten des Verkehrsstroms dadurch abzubilden versucht, indem es ebenso viele Fahrzeuge überholt wie das Testfahrzeug überholten.
(2) Average Car-Technik (Kfz-Mittelwert-Technik), bei der die Geschwindigkeit des Testfahrzeugs nach Einschätzung der mittleren Geschwindigkeit des Verkehrsstroms durch den Fahrer angepasst wird.
(3) Maximum Car-Technik (Kfz-Maximum-Technik), bei der das Test­fahrzeug den Messabschnitt mit der höchst möglichen Geschwindigkeit durchfährt.
Ergänzend ist eine von BAKKER (1985) in den Niederlanden angewandte Methode zu nennen, die auf Fahrzeugverfolgungen basiert:
(4) Car-following Technik (Kfz-Folge-Technik), bei der das Testfahrzeug genau das Geschwindigkeitsverhalten eines von ihm verfolgten Fahrzeugs reprä­sentiert.

Im realen Verkehrsgeschehen sind derart kontrollierbare Versuchsbedingungen jedoch nicht gegeben. Die Fahrt ist von persönlichen Motivationen des Fahrers geprägt und von zufälligen äußeren Einflüssen abhängig, auf die der Fahrer - als Regler des Systems Fahrer-Fahrzeug-Umwelt - ständig reagiert.

2.4.2 Fahrtablauf des Einzelfahrzeugs als stochastischer Prozess

Die räumliche und zeitliche Bewegung des einzelnen Fahrzeugs kann jeweils als Funktion betrachtet werden. Dieser an sich determinierbare Bewegungsablauf wird durch die auftretenden Schwankungen der Geschwindigkeit und der Beschleunigung zu einem sto­chastischen Prozess. Die Betrachtung des Fahrtablaufs und seiner korrespondierenden Messgröße ,,Fahrzeuggeschwindigkeit" über die Zeit liefert die Geschwindig­keits­ganglinie. Eine Betrachtung über den Ort ergibt das Geschwindig­keits­profil.

2.5 Verkehrskenngrößen aus Einzel­fahrzeug­mess­ungen

2.5.1 Mittlere Reisezeit und mittlere Reisegeschwindigkeit

Die Berechnung der mittleren Reisezeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und der mittleren Reisegeschwindigkeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten so­wie deren jeweilige Streuungsmaße werden auf Basis mehrer unabhängiger Einzel­messungen für einen Streckenabschnitt j durchgeführt. Ist n die Anzahl der Messfahrten, Ti die auf einem Abschnitt j während der einzelnen Fahrten i gemessenen Reisezeiten [min] und L j die Länge [km] des betrachteten Abschnitts, errechnen sich die mittlere Reisezeit und die mittlere Reisegeschwindigkeit für den Abschnitt j mit Ihren Streuungsmaßen wie folgt [BOX (1976)]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5.2 Beschleunigungskennwert

Die Veränderung der Fahrzeuggeschwindigkeit geschieht durch Beschleunigung bzw. Verzögerung. Häufige und starke Veränderungen der Geschwindigkeit deuten auf einen unruhigen Fahrtablauf hin. Es kann daher abgeleitet werden, dass sich das Fahrzeug im Stop-and-Go-Verkehr befindet. Hier muss differenziert werden, ob sich das Kfz auf der Autobahn oder im städtischen Verkehr befindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5-1: Geschwindigkeitsverlauf (durchgezogene Linie) und Beschleunigung (gestrichelte Linie) eines FCD Fahrzeuges im städtischen Verkehr sowie auf der Auto­bahn.

In Abbildung 2.5-1 ist ersichtlich, dass im städtischen Verkehr (bis ca. km 25) die Beschleunigung sehr stark variiert. Erst ab der Auffahrt zur A4 Flughafenautobahn (ca. km 30) wird die Varianz der Beschleunigung geringer. Das empirische Auftreten der Beschleunigungswerte folgt der Normalverteilung. Der Beschleunigungskennwert ist als dessen Streuung definiert und wird mit der Standardabweichung der Verteilungsfunktion numerisch beschrieben. Der Beschleunigungskennwert σB wird nach der Durchfahrung eines Streckenabschnitts durch ein Einzelfahrzeug folgendermaßen errechnet [HOFFMAN (1988), zit. nach HELLY & BAKER (1967)]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur Gewinnung eindeutigerer Aussagen über die Qualität des Verkehrsablaufs - im besonderem auf städtischen Straßen - wird in der Literatur [HOFFMAN (1988), zit. nach HELLY & BAKER (1967)] die Ermittlung des normierten Beschleunigungskennwertes G (mean velocity gradient) als Quotient des Beschleunigungskennwertes σB und der Reisegeschwindigkeit vR, empfohlen. Mit ihr lassen sich instabile Verkehrsflüsse von stabilen abgrenzen. Der Grund liegt darin, dass der Beschleunigungskennwert mit zunehmender Verkehrsbelastung eher wieder abnimmt, da bei zähem Verkehrsfluss kaum noch größere Beschleunigungen und Verzögerungen beim Einzelfahrzeug auftreten können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Zusammenhang zwischen der Reisegeschwindigkeit und dem normierten Beschleu­nigungskennwert G ist in Abbildung 2.5-2 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Normierung dazu führt, Ausschläge des Beschleunigungskennwertes im höheren Bereich der Reisegeschwindigkeit abzufangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5-2: Zusammenhang zwischen normierten Beschleunigungskennwert und Reisegeschwindigkeit nach Messfahrten im LISB-Feldversuch [HOFMAN (1988), vom Autor bearbeitet]

2.5.3 Haltezeiten

Eine weitere Kenngröße des Verkehrsablaufs stellt die Haltezeit H j eines Fahrzeugs im Verkehrsnetz - z.B. vor Lichtsignalanlagen oder im Stop-and-Go-Verkehr - dar. Im Regel­fall ist die Haltezeit auf einem Streckenabschnitt die Summe der Stillstandszeiten (v = 0). Sie kann jedoch auch als Summe der Zeitintervalle definiert sein, in denen sich das Fahrzeug mit einer geringeren Geschwindigkeit als einer definierten Grenz­geschwindig­keit fort­bewegt.

Für innerstädtische FCD-Fahrten schlägt HOFFMAN (1988) einen Wert von v ≤ 5 km/h zur Haltezeitdefinition vor. Auf Autobahnen ist dieser Parameter höher zu wählen. Die Referenzimplementation des RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for integrated Traffic Management)-Feldversuchs ging hierbei von 30 km/h aus. Prinzipiell korrespondieren diese Annahmen aber mit der subjektiven Frage „Wie definiert sich Stau“?

Aus der Anzahl und Dauer der Schwellenwertunterschreitungen lässt sich der instabile Verkehrszustand klassifizieren. Bei Stop-and-Go-Verkehr ist aufgrund des oszillierenden Geschwindigkeitsniveaus mit einer hohen Anzahl an Haltezeiten bei relativ kurzer Zeit zu rechnen, während bei einer ausgeprägten Verkehrs­stauung infolge eines Unfalls der Halte­zeiten­schwellen­wert (z.B. 10 km/h) für längere Zeit­räume unterschritten wird.

2.5.4 (Reise-) Zeitverluste

Die Zeitverluste können als Maß für die Bewegungsgüte eines Fahrzeugs im Verkehrsablauf herangezogen werden. Der Zeitverlust errechnet sich aus der Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Fahrzeug einen bestimmten Querschnitt erreicht hätte, wenn es nicht aufgehalten worden wäre, und dem Zeitpunkt des Erreichens desselben Querschnitts infolge einer Verzögerung [HUBER (2001), S. 12].

Der Reisezeitverlust T V definiert sich durch das Verhältnis der Strecken­abschnitts­länge L j, durch die Reisegeschwindigkeit v R,j minus der Streckenabschnittslänge L j durch die freie Reisegeschwindigkeit v 0.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die freie Reisegeschwindigkeit v 0 für die Untersuchungsstrecke muss abgeschätzt werden und liegt meist in der Nähe der Richt- oder zulässigen Höchstgeschwindigkeit. Im Projekt FLEET [LINAUER (2004a), S. 60 ff] wurden verschiedene Auswertungen durchgeführt, wobei die v 85 (das 85. Perzentil aller in einem Straßenabschnitt auftretenden Geschwindigkeiten) gute Ergebnisse für die Schätzung der freien Reisegeschwindigkeit ergab. Je nach Annahme der freien Reisegeschwindigkeit ergibt sich die relative Beurteilung der vorhandenen Verkehrsbedingungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.5-1: Beurteilung der Verkehrsbedingungen durch Reisezeitverlust TV

3 Internationale Analyse

Europa, die USA und Japan sind die Regionen mit dem größten Wachtumspotential für Telematikanwendungen. Die typischen Telematikdienste und Anforderungen sind in diesen Regionen allerdings verschieden. In den USA sind die führenden Telematik­an­wendungen Sicherheits- und Notfalldienste. In Europa wird dagegen der Schwerpunkt auf Verkehrsleit- und mobile Verkehrinformations­portale sowie auf Reise­zeit­berechnung im grenzüberschreitenden Anwendungsbereich gelegt. In Japan liegen die höchsten An­for­derungen durch die hohe Dichte an Fahrzeugen und der schwierigen Navigations­bedingungen im Bereich der Navigationssysteme. Entsprechend dieser regionalen Markt­ent­wicklungen gibt es einen unterschiedlich starken Focus und verschiedene Zugänge zur Floating Car Daten Technologie.

Tabelle 2.5-1: Kfz-Dichte in USA, Europa und Japan [JULIUSSEN (2002), S. 3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1 Europa

In Europa liegt der Schwerpunkt auf individuellen Verkehrsleit- und Informationssystemen auf Basis der Reisezeitinformation. Die Technologien zur Generierung der Reisezeit sind Bakentechnologien, GPS/GSM Ortungskombinationen oder die Reisezeit- bzw. Verkehrs­daten­generierung durch Zellortung in Mobil­funk­netz­werken. Im Folgenden werden wesentliche Ergebnisse zur Gewinnung von Verkehrs­informationen aus fahrzeug­generierten Verkehrsdaten analysiert. Folgende Feldversuche sind in Deutschland als bedeutsam zu nennen sowie zusammenfassend in Tabelle 3.1-1 beschrieben HUBER (2001), S. 23]:

LISB (Leit- und Informationssystem Berlin) / DVB (Dynamisches Verkehrsleitsystem Berlin): Feldversuche mit dem bakengestützten Zielführungssystem ALI-SCOUT bzw. dessen modifiziertem Nachfolger EURO-SCOUT zur Untersuchung der technischen Machbarkeit bzw. der Qualität der mobil erfassten Daten für die Verkehrsanalyse.

RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for Integrated Traffic Management): Feldversuch des SOCRATES Leit- und Informationssystems. Versuche zur Integration von mobilfunk­gestützten fahrzeuggenerierten Verkehrsdaten in das Verkehrsmanagement.

STORM (Stuttgart Transport Operation by Regional Management): Aufbau und Betrieb eines mobilfunkgestützten automatischen Notrufsystems, das als ein Sonderfall der fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung betrachtet werden kann. Untersuchung der Realisierbarkeit und des sozioökonomischen Nutzen eines automatischen Notrufs.

VERDI (Vehicle Related Dynamic Information): Feldversuch zur Vorbereitung der Markteinführung mobilfunkgestützter Telematikdienste sowie Erprobung neuer Verfahren zur FCD-Erfassung.

LoCoMoTiV (Localisation and Communication in MoTiV): Feldversuch zur Nutzung des FCD-Verfahrens des GATS.

Die bisherigen Feldversuche in der BRD basieren auf Bakensystemen oder auf der Datenerfassung durch GPS/GSM Kombination. Das Deutsche Luft- und Raum­fahrts­zentrum (DLR) versucht in deutschen Städten (Berlin, München, Stuttgart, Frankfurt, etc.) durch Auswertung von Floating Car Daten aus Taxiflotten Verkehrs­information zu generieren. Bisher ist der kommerzielle Durchbruch allerdings nicht gelungen.

Im Leitprojekt WAYflow (Start 1998), das eine Fortsetzung des RHAPIT Projektes ist, wird versucht mit Floating Cars die Hauptverkehrsstrecken von Frankfurt als auch im gesamten Rhein-Main-Ballungsgebiet zu erfassen. Im April 2001 hat der einjährige Feldversuch City-FCD im Rahmen des Leitprojekts WAY-Flow begonnen. Dazu wurde eine Flotte von ca. 200 Fahrzeugen (überwiegend Berufspendler) mit einem intelligenten Telematikmodul ausgestattet, das über GPS/GSM-Modul und einer Rechen­einheit verfügt. Das individuelle Fahrzeug bewertet dabei laufend seine Position als auch seine Geschwindigkeit aufgrund der Attribute einer hinterlegten Streckenkarte und meldet die FCD-Daten bei Bedarf per SMS an die Zentrale [WAY­FLOW (2001), S. 7; Schöne­wolf (2003), S. 3]. Genaue Ergebnisse des FCD-Feldversuches wurden bis jetzt noch nicht veröffentlicht.

Das Projekt BERTRAM (BERlin TRAffic Management Model, Start 2000) soll ebenfalls Möglichkeiten für den Einsatz von neuartigen Erfassungssystemen zur Ermittlung der aktuellen Verkehrsbelastung im innerstädtischen Bereich aufzeigen. Das Ziel des vom Senat von Berlin geförderten Teilprojektes ist die Analyse von Floating Car Daten (FCD) unter Ausnutzung der strukturellen Merkmale innerstädtischen Verkehrs und ihrer Rele­vanz zur Beschreibung städtischer Verkehrsmuster [SYDOW & KWELLA (2000), S.1]. Die Aufbereitung der gemessenen Verkehrsdaten wurde im Südosten Berlins demonstriert und dient als Entscheidungsvorbereitung zum Aufbau einer integrierten Verkehrs­daten­erfassung im gesamten Berliner Raum. Im Zuge des Projektes wurde das „Aggregate Travel Time Model“ (ATTM) entwickelt, das jedem Stadtstraßensegment unter Berück­sichtigung seiner Eigenschaften (Spuren, Höchstgeschwindigkeit, Phasenlänge der Lichtsignalanlage) eine Charakteristik zuordnet.

Die Charakteristik gibt eine mittlere Reisezeit über der mittleren Fahrzeugdichte an und stellt somit ein Fundamentaldiagramm für Stadtstraßen dar. Dabei ergibt sich die Gesamtzeit als Summe der deterministischen Zeiten zum Passieren des freien Abschnitts und des gestauten Abschnitts (Warteschlange) und einer statistischen Wartezeit vor Lichtsignalanlagen. Auf Segmentebene kann nun einer gemessenen Reisezeit eine mittlere Dichte zugeordnet werden. Um fehlende FCD Meldungen auszugleichen, wurde auch ein eigener Simulator zur Datenvervollständigung entwickelt, der erweitert auch zur Prognose der Verkehrslage dient. Das Modellsystem wird ständig an die Realität angepasst. Es enthält somit eine „Selbstkorrekturkomponente“, die als entscheidende qualitative Verbesserung herkömmlicher Verkehrssimulationen anzusehen ist.

Tabelle 3.1-1: Übersicht FCD Projekte in Deutschland (1987-2000) [HUBER (2001), S. 23 ff]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In den Niederlanden wurde von März - Oktober 1998 ebenfalls ein Floating Car Daten Feldversuch mit 60 Fahrzeugen im Rahmen des Holländischen Innovationsprogrammes „Roads to the Future“ durchgeführt, mit dem Ziel, diese Technologie zur Verkehrsdaten­generierung nutzbar zu machen und eventuelle Probleme aufzuzeigen. Die Fahrzeuge der Testflotte generierten dabei alle 10 Sekunden Position und Geschwindigkeit (DGPS) und sendeten diese Daten alle 5 Minuten an eine Datenzentrale. Die Experten gingen davon aus, mit einer Ausstattungsrate von 2% (etwa 100.000 ausgestattete Fahrzeuge in Holland) einen guten Überblick der Verkehrslage berechnen zu können [JOCHEM et al. (1998), S. 2].

Im Projekt „Road Traffic Monitoring by Satellite (RTMS)“ wurde ein weiterer Feldtest mit 50 Fahrzeugen von Februar bis Mai 2000 im Raum Rotterdam durchgeführt. Die GPS Daten und die in der Rechenzentrale generierte Verkehrsinformationen wurden mit PRODAT-2 Receivern durch den bidirektionalen, geostationären Telekommunikations­satelliten ITALSAT-2 von und ins Fahrzeug übertragen. [JANSCHEK (2000), S.11]. Bezüglich der Qualität der generierten Verkehrsinformation gibt es bisher keine Veröffentlichungen.

Die Firma iTIS Holdings aus England hat eine FCD Flotte mit ca. 50.000 Fahrzeugen unter Vertrag und generiert ca. 3,5 Mio. Positionsdatensätze pro Tag [COWAN & GATES (2003), S. 247]. iTIS Holdings betreibt somit das größte kommerzielle FCD System weltweit. Aus den FCD Datensätzen werden Verkehrparameter (Geschwindigkeiten, Reisezeitverluste, Stauereignisse, etc.) berechnet und in einer historischen Daten­bank gespeichert. Die generierten Verkehrsdaten werden im Bereich des „Staumonitorings“ für Behörden, Verkehrsinformationsservices, Flottenmanagement und dynamische Reisezeit­planer eingesetzt.

Weitere mehr oder weniger erfolgreiche privatwirtschaftliche FCD Initiativen sind Trafficmaster (England), ComRoad (Deutschland) und das Datatrak-System von Siemens. Das Datatrak Netzwerk basiert auf einer Kombination von Langwellen- und Satellitenortung mit eigenem Datenübertragungsnetzwerk. Die Langwelle wird im verbauten Gebiet oder bei Sichtabschattungen eingesetzt und verbessert so die Genauigkeit der GPS Ortung. Siemens betreibt in vier europäischen Ländern (Niederlanden, Belgien, Malta und England) sowie in Argentinien als auch in Südafrika ein eigenes Datatraknetzwerk. Bis Ende 2002 gab es auch in Österreich ein Datatrak Ortungsnetzwerk, das allerdings mangels Wirtschaftlichkeit eingestellt wurde.

Versuche zur Floating Car Data Technologie wurden auch in Frankreich im Rahmen des SERTI STRIP Projektes mit dem Schwerpunkt der Reise­zeit­berechnung auf Basis der GSM-Zellortung durchgeführt. Ebenfalls FCD Feldversuche gab es in Schweden im Rahmen des VIKING Programms, in Portugal im Rahmen des ARTS Programms und in Italien /Turin im Rahmen des CORVETTE Programms. Alle oben angeführten Forschungsprogramme sind von der EU gefördert und beschäftigen sich mit Tech­no­lo­gien zur Reisezeitberechnung bzw. zur Verkehrsinformationsgewinnung.

Neben den oben beschriebenen Feldversuchen sind auch in Österreich (Wien) FCD-Pilotprojekte gestartet worden. In den Pilotprojekten wurde besonders auf eine geschlos­sene Wertschöpfungskette und auf die wirtschaftliche Verwertbarkeit geachtet:

IRIS (Intelligent Road Information Services): Im Zuge des Projektes wurden Feldversuche zur Reise­zeit­berechnung auf der A23 Südosttangente in Wien mit einem Fahr­zeug­ortungs­system auf Basis der GPS/GSM Technologie durchgeführt.

PROMOS (Prognose von Verkehrsinformation auf Basis mobiler Sensoren): Im Projekt wird ein GSM Ortungsverfahren via Zellübergangsbereiche zur Verkehrsdatenerfassung erprobt und evaluiert (siehe Abschnitt 5.3.3.2.4 Ortung durch Zellübergangsbereiche, S. 127 ff). Es werden ca. 20 Taxilenker einer bestehenden Fahrzeugflotte mit einem GSM Mobiltelefon ausgestattet auf dem das entwickelte GSM Ortungsverfahren implementiert ist. Die Evaluierung der Reisezeitberechnungen durch die ermittelten Zellüber­gangs­bereiche erfolgt durch ein GPS Referenzortungssystem.

FLEET (Fleet Logistics Service Enhancement with Egnos & Galileo Satellite Technology): Im Projekt wurde ein Reisezeit-Informationsdienst für den Raum Wien auf Basis von fahrzeug­generierten Daten entwickelt und demonstriert. Durch die Einbindung einer Taxiflotte mit kritischer Masse (ca. 800 Taxis) konnten ausreichende Fahrmuster von Taxis für den Raum Wien, die durch das Leitsystem der Taxiflotte registriert wurden, auf einen Datenserver zur Reise­zeit­bestimmung übertragen werden. Die berechneten und prognostizierten Reise­zeiten wurden von einem Rundfunksender mit aktuellen Verkehrsmeldungen verglichen und verifiziert [LINAUER (2004a)].

SAVER DATA (Plattform für die Sammlung und verarbeiten von Verkehrs­fluss-DATA mittels GSM Netzwerk): Im Projekt der Aufbau eines Verkehrsinformationsservices auf Basis von GSM Signalisierungsdaten sowie Zellortungsdaten untersucht und ein Pilotbetrieb demonstriert. Die Möglichkeit der Mobilfunk­betreiber, Bewegungs­profile von Mobil­telefongesprächen in Echt­zeit zur Verfügung zu stellen, ergeben neue Möglichkeiten der FCD-Daten­generierung.

Tabelle 3.1-2: Übersicht FCD Projekte in Österreich

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Gegensatz zu den Feldversuchen in Deutschland, die fast ausschließlich Telematik­geräte mit digitalem Kartenmaterial und Stauerkennungsalgorithmen im Fahrzeug einsetzen, wird in Österreich versucht, ohne teures fahrzeugseitiges Endgerät auszu­kommen. Dadurch können hohe Kosten beim Aufbau der Fahrzeugflotten (Telematik­geräte im Kfz) eingespart werden, die in die Entwicklung von intelligenten und zentralen Stauerkennungsalgorithmen investiert werden. Die unterschiedlichen Ansätze dürften zum Teil daran liegen, dass in Deutschland bei jedem großem FCD Projekt Navigations­geräte­hersteller beteiligt waren, die einen Markt für neue Bordrechner etablieren wollen. Weiters besteht durch die Automobilindustrie in Deutschland die Möglichkeit Telematikgeräte serienmäßig in jedem Neuwagen direkt einzubauen. Dadurch kann eine rasche Durchdringung mit Endgeräten erreicht werden.

In Österreich versucht man auf bereits bestehende Technologien und Telematik­geräte in Fahrzeugen zurückzugreifen, die prinzipiell für andere Anwendungen konzipiert wurden, um eine hohe FCD Ausstattungsrate zu erreichen (Grenz­kosten­ansatz^[3]). Dies wird einerseits durch die Verwendung und Integration von bereits bestehenden Fleet­manage­ment­systemen mit Ortungsfunktionalität - wie sie für Taxis, Speditionen, Paket­dienst­leister, etc. verwendet werden - erreicht, anderseits durch Verwendung der GSM-Zellortungs­technologie. Bei den FCD Daten, die durch Flottenmanagementsysteme generiert werden, hat der Flottenbetreiber durch die zusätzliche monetäre Verwertungsmöglichkeit einen Zusatznutzen, ohne weitere Investitionen tätigen zu müssen. Die Motivation, Flottendaten anonymisiert für ein Verkehrs­informations­service zur Verfügung zu stellen, ist daher hoch.

Das gleiche gilt für die GSM-Zellortungstechnologien, da hier (siehe Abschnitt 5.3.3 Ortung in Zellularfunknetzen, S. 111 ff) herkömmliche Mobiltelefone benutzt werden können. Durch den hohen Verbreitungsgrad von Mobiltelefonen in Österreich als auch in Europa (siehe Abbildung 3.1-1) ist diese Ortungstechnologie besonders für geeignet. Durch die Zellverdichtung im Zuge des GPRS bez. UMTS Netzausbaus wird auch die Ortungsgenauigkeit laufend verbessert. Der große Vorteil in der FCD-Generierung durch Mobilfunknetze liegt darin, dass nur ein Gerät zur Ortung, Datenübertragung und Datenempfang (Verkehrsservices) verwendet werden muss. Das Mobiltelefon kann auch außerhalb des Fahrzeuges, im Gegensatz zu eingebauten Navigationsgeräten, verwendet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1-1: Durchdringungsgrad mit Mobiltelefonen in Europa 1996 und 2001 [GSM EUROPE (2004), S.1]

Besonders durch die Anstrengungen der Mobilfunk-Netzbetreiber Verkehrs­informations­portale für ihre Kunden zur Verfügung zu stellen, erscheint die FCD-Technologie durch GSM Zellortung sehr zukunftsreich. Der Netzbetreiber ist in der optimalen Situation, dass der Kunde gleichzeitig Daten liefert und in aufbereiteter Form als Verkehrsinformation auch wieder beziehen kann. Zusätzlich kann Verkehrsinformation auch aus netzinternen Daten gewonnen werden (Netzbelastung, Signalisierungskanäle, Gesprächsdatenbank, etc.), wodurch keine zusätzlichen Kosten für den Betreiber entstehen.

3.2 Japan

In Japan wird die Floating Car Data Technologie auf breiter Basis eingesetzt. Es werden kommerzielle Flotten mit GPS/GSM Einheit zur Datengenerierung herangezogen bzw. Forschungen zur Zellortungstechnologie in Mobilfunknetzwerken betrieben. [FUSHIKI et al. (2002)]. Besonders im Bereich des Fleetmanagement findet die Reisezeit- und Verkehrs­lage­berechnung durch die streckenbezogene Verkehrsdatenerfassung An­wendung. Dadurch kann das für den japanischen Telematikmarkt so wichtige dynamische Navigieren unter Berücksichtigung der aktuellen Verkehrslage erfolgen.

Im Bereich der öffentlichen Hand wird regelmäßig im Intervall von zwei oder drei Jahren ein Reisezeitkataster der wichtigsten Straßen erstellt und bewertet. Das Institut für Policy and Planning Sciences der Universität von TsukubaIm entwickelte ein Verfahren, bei dem die Positionsdaten und Geschwindigkeitsdaten konventioneller Navi­gations­systeme kontinuierlich gespeichert werden. In der Begleitstudie wird eine FCD Ausstattungsrate von 0,3% angegeben, um die Reisezeit für jede Tagesstunde an Straßen mit einer Verkehrs­belastung von mindestens 30.000 Kfz/Tag berechnen zu können. Für Straßen mit geringerer Verkehrsbelastung ist ein höherer Anteil von Testfahrzeugen erforderlich [ISHIDA et al. (2000), S. 5].

In der Studie von ASAKURA et al. (2000) werden umfangreiche Feldversuche zu verschiedenen Ortungstechnologien wie GPS, A-GPS und Zellortungsverfahren die auf der Messung der Feldstärke basieren durchgeführt und gegenübergestellt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass prinzipiell alle untersuchten Ortungstechnologien zur FCD-Generierung geeignet sind. A-GPS weist jedoch die besten Ergebnisse auf. Die Technologie des Zellortungsverfahrens ergibt bei höheren Geschwindigkeiten größere Positionierungsfehler. Hier müssen noch Verfahren entwickelt werden, die auch bei höheren Geschwindigkeiten eine vergleichbare Performance von GPS erreichen können.

Die in Japan weit verbreitete Technologie der Infrarot Baken zur bidirektionalen Fahrzeug­kommunikation kann ebenfalls zur Floating Car Data Generierung eingesetzt werden. Neben den ca. 30.000 Infrarotbaken (Stand 2001) sind in Japan noch ca. 166.000 Sensoren zur Ampelsteuerung eingesetzt, die ebenfalls zur Verkehrsdatengenerierung und Reisezeitberechnungen herangezogen werden könnten. Nähere Untersuchungen wurden hiezu von [MASHIYAMA el al. (2000)] durchgeführt.

3.3 USA

In den USA wird die Floating Car Data Technologie in Ballungsräumen immer öfter als zusätzliche Verkehrsdatenquelle eingesetzt. In Washington State werden zum Beispiel konventionelle Busflotten zur Reisezeitbestimmung eingesetzt. Die Ortung der Busse erfolgt durch ein automatisches GPS Ortungssystem das zur Flottensteuerung eingesetzt wird [CATHEY (2001)]. Durch die Größe des Landes (23 Kfz/km2) und der nur stellenweisen Abdeckung mit Mobilfunksystemen [JULIUSSEN (2002), S. 3] sind der uneingeschränkten Einsetzbarkeit jedoch Grenzen gesetzt. Durch das Gesetz des E911 Notrufes, das die Mobilfunkbetreiber verpflichtet, Mobiltelefone bei Notrufen zu orten, wurde in den USA eine rege Forschungstätigkeit im Bereich der Zellortung durch Mobilfunksysteme [YGNACE (2001)] induziert. Prinzipiell liegen aber die Domänen der Echtzeit-Verkehrs­informations­systeme und Reisezeitberechnung in Europa bzw. in Japan.

3.4 Erfahrungen aus den Feldversuchen

Im wesentlichen konzentrierten sich die bisherigen Feldversuche zur fahrzeuggenerierten Verkehrsdatenerfassung auf einer Untersuchung der Gesamtsysteme aus Daten­erfassung im Fahrzeug, Übertragungsmedium und Datenverarbeitung in einer Zentrale. Empirische Untersuchungen zur Quanti­fizierung des verkehrstechnischen Nutzens einer fahrzeuggenerierten Verkehrs­datenerfassung sind in den Berichten zu den o.g. Projekten nur in begrenztem Rahmen veröffentlicht.

3.4.1 Datenerfassung und -übertragung

In den Feldversuchen zu LISB (Leit und Informations Systeme Berlin) und DVB (Dynamisches Verkehrsleitsystem Berlin) geht die Datenerfassung auf ein baken­ge­stütztes ortsfestes Kommunikationssystem zurück. Als Trans­missions­kriterium dient der Kontakt zwischen ortsfester Bake und passierendem Fahrzeug. Dies führt zu einem zeitlichen Verzug der Übermittlung der im Fahrzeug proto­kollierten Daten. Insbesondere in Stausituationen kann diese Zeitdifferenz sehr groß werden, da das Fahrzeug erst die nächste Bake in Fahrtrichtung passieren muss, um die gespeicherten Daten übertragen zu können.

OFFERMANN (2001), S. 59, stellt fest, dass aufgrund der Ergebnisse der Feldunter­suchungen in Deutschland mit bakengestützten Systemen diese ungeeignet sind, zeit- und ortskritische Meldungen zu übertragen. Dies wird auch aus der Weiterverarbeitung der streckenbezogenen Verkehrsdaten in den Steuerungsmodellen zu LISB und DVB deutlich. Die fahrzeuggenerierten Daten werden primär zur Ermittlung statistischer Reise­zeit­ganglinien für die Streckenabschnitte, auf deren Grundlage eine Reise­zeitprognose durchgeführt wird, verwertet. Demgegenüber konnte den mobilfunkgestützten Systemen aufgrund ihrer ständigen Verfügbarkeit ein generell gutes Potenzial zur Übertragung definierter Ereignisse attestiert werden. Zusätzlich ist bei der mobilfunkgestützten Übertragung fahr­zeug­generierter Daten positiv zu bewerten, dass keine zusätzlichen straßenseitigen Infrastruktureinrichtungen notwendig sind. Dieser Aspekt erlangt unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten primäre Bedeutung.

Diese Ein­schätzung ist jedoch relativ zu betrachten, da die Qualität streckenbezogener Verkehrsdaten durch Bakensysteme sehr stark von der Anzahl der Baken abhängig ist. Durch zusätzliche streckenbezogene Auswertelogiken, wie z.B. durch die laufende Berechnung der voraussichtlichen Ankunftszeit eines bestimmten Kfz bei der nächsten Bake, kann auf die Verkehrsflussqualität geschlossen werden. Treffen mehrere Kfz nicht in der voraussichtlich berechneten (Reise-)Zeit ein, so kann auf ein Stauereignis im Abschnitt geschlossen werden. Durch die Verwendung des Lkw-Mautsystems zur streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung entstehen keine zusätzlichen Infrastruktur­kosten, da dieses System zur Mauteinhebung konzipiert und finanziert wurde (Grenz­kosten­ansatz). Die Mautbuchungssätze der jeweiligen Mautbaken sind vollständig und in Echtzeit in der Mautzentrale vorhanden und können zur Reisezeitberechnung ausgewertet werden. Auf den 4.000 km Richtungsfahrbahn der Autobahnen und Schnellstraßen in Österreich sind ca. 800 Mautbaken mit einem mittleren Abstand von 5 km angeordnet. Somit relativiert sich wiederum die oben getroffene Aussage von OFFERMANN (2001), S. 59.

CREMER (1996) vergleicht das Meldeverhalten mobilfunkgestützter gegenüber baken­gestützter Systeme durch eine simulative Untersuchung (siehe Abbildung 3.4-1). Hierbei stellt er die realen Zustandsdaten einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation der modell­basierten Verkehrszustandsschätzung ausschließlich auf Basis von querschnitts­bezogenen Messwerten sowie die Einbindung von streckenbezogener Verkehrsdaten aus bakengestützten bzw. einem mobilfunkgestützten System gegenüber.

Für einen 5 km langen Streckenabschnitt einer Autobahn wurde eine Verkehrs­stauung durch einen Engpass in Fahrtrichtung unterhalb eines Schleifen­mess­quer­schnittes simuliert. Es wurde mit 4 Fahrzeugmeldungen pro Minute für die mobilfunkgestützte FCD-Erfassung und 3 passierenden Fahrzeugen für die baken­gestützte Übertragung eine sehr hohe Ausstattungsrate zu Grunde gelegt.

Die Vorteile der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung und insbesondere des mobilfunk­gestützten Systems werden aus der Abbildung 3.4-1 deutlich: Während die nur auf Mess­querschnittsdaten (der Störfall liegt unterhalb der Messschleife) basierende Verkehrzustandsberechnung (Kurve „loops only“) die Geschwindig­keits­abnahme des Verkehrs­stroms erst registriert, wenn das Stauende den Messquerschnitt erreicht hat, reagieren die Modelle mit den streckenbezogenen Verkehrsdaten schneller. Die Geschwindigkeiten auf der Grundlage des mobilfunkgestützten Systems (Kurve „GSM-fcd“) weisen die beste Adaption an die Reisezeitganglinie „real data“ (Output der Mikrosimulation) auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4-1: Vergleich des Meldeverhaltens von Baken- und GSM-gestützten FCD Erfassungssystemen durch Gegenüberstellung der ermittelten Reisezeiten [CREMER (1996)]

Beim bakengestützten System (Kurve „beacon“) wird durch die auftretenden Stauungen im Streckenabschnitt eine FCD Zeitverzögerung erzeugt, da die Datenabgabe erst beim Passieren der nächsten in Fahrtrichtung gelegenen Bake erfolgen kann. Die Detektionszeit ist nur geringfügig besser als die der lokalen Verkehrsdatenerfassung. Diese Problematik tritt bei den mobilfunkgestützten Systemen durch die ständige Möglichkeit, Daten zu übertragen, nicht auf. Die Kurve der GSM-basierenden Verkehrsdatenerfassung folgt daher sehr eng der Kurve „real Data“ und liefert somit die besten Ergebnisse. Eine Verbesserung der bakengestützten Systeme in Richtung der Qualität der mobilfunkgestützten FCD-Systeme könnte allerdings durch eine Erhöhung der Bakendichte erreicht werden.

Die beispielhafte Simulation von Cremer macht deutlich, dass das größte Potenzial der mobilen Verkehrsdatenerfassung bei den mobilfunkgestützten Systemen liegt. Neben dem Aspekt der permanenten Verfügbarkeit ist bei den mobilfunkgestützten Systemen jedoch auch die Übertragungsdauer und -sicherheit von großem Interesse. Diesem Aspekt wurde in den Untersuchungen der Feldversuche zu RHAPIT, STORM, VERDI und LoCoMoTiV besonderes Interesse geschenkt.

Im RHAPIT (Rhein-Main-Area Project for Integrated Trafik Management) Feldversuch, in dem der Bearer-Service (Datenübertragung via Modem) im GSM-Netz als Übertragungsmedium eingesetzt wurde, sind zum Teil große Zeitverzüge der Datenkommunikation zwischen Rechnerzentrale und GSM-Modem im Fahrzeug gemessen. Nur 16% der FCD-Daten erreichte die Datenzentrale innerhalb von 5 Minuten. 34% benötigten den Zeitbereich von 5 bis 10 Minuten und bei 50 % lag die Übertragungsdauer über 10 Minuten, oder die Telegramme wiesen Unplausibiltäten auf. HUBER (2001, S. 28) fasst hierzu bilanzierend zusammen, dass „die zeitlichen Potenziale der mobilfunkgestützten Übertragung aufgrund der technischen Restriktionen der GSM-Datenübertragung (Bearer-Service) und der Gerätetechnologie nicht optimal genutzt wurden“.

Das spezielle Notrufprotokoll des STORM (Stuttgart Transport Operation by Regional Management) Feldversuchs basierte ebenfalls auf einer Datenübertragung mittels Bearer-Service. Die durchschnittliche Übertragungsdauer betrug hierbei 90 Sekunden, wobei 40 % der Daten weniger als 1 Minute zur Übermittlung an die Zentrale benötigten.

Die Unzuverlässigkeiten der Datenübertragung mittels GSM-Bearer-Services führten zum Einsatz des GSM Kurznachrichtendienstes (Short-Message-Services, SMS) als Übertragungsmedium (siehe Kapitel 4.2.1.4, Seite 41). Erstmalig fand dieses im VERDI (VEhicle Related Dynamic Information) Feldversuch seine Anwendung. Leider sind die Ergebnisse der VERDI Untersuchung größtenteils vertraulich. In den Veröffentlichungen zu diesem Projekt werden keine Angaben zur Datenübertragungsqualität gemacht. Im VERDI Projekt wurde erstmals nur das satellitengestützte Global Positioning System (GPS) zur Ortung der Fahrzeuge ohne digitale Karteninformationen und „Datenabgleich“ (Map Matching Process^[4]) im Fahrzeug eingesetzt. Die prinzipielle Machbarkeit dieser preisgünstigen Endgeräte konnte nachgewiesen werden.

Für das Übertragungsmedium des SMS-Services spricht der weitere Einsatz im LoCoMoTiV (Localisation and Communication in MoTiV) Projekt. Der hierbei ausgetestete, auf der Grundlage der Ergebnisse des VERDI Feldversuchs entwickelte GATS-Datenstandard (Global Automotiv Telematics Standard) greift auf den SMS-Service als Übertragungsmedium zurück. Eine ausführliche Beschreibung der GATS-System­kompo­nenten ist dem Abschnitt 4.3 Protokolle und Standards, S. 58 ff, zu entnehmen.

Bezüglich der Ergebnisse der Feldversuche zur Datenübertragungsqualität mittels Mobilfunk bleibt anzumerken, dass die Qualität der Mobilfunknetze in den letzten Jahren ständig qualitativ verbessert wurden. Vor allem durch die neuen Datenübertragungstechnologien, wie GPRS oder UMTS, die eine permanente Verbindung zwischen Zentrale und Telematikendgerät im Kfz bei sehr günstigen Tarifen ermöglichen (Abrechnung erfolgt nach übertragenen Datenvolumen, 1 MB kostet ca. 1 €), werden mobilfunkbasierte FCD Systeme in der Praxis für den Massenmarkt finanzierbar und einsetzbar.

Einer der Gründe, warum GPRS noch nicht von den großen Auto­mobil­herstellern eingesetzt wird, liegt in den Problemen mit der GPRS-Hardware. Die am Markt verfügbaren GPRS Modems haben auch in der 2. Generation immer noch erhebliche Stabilitäts­probleme im praktischen Dauereinsatz. Bei aktiver GPRS Verbindung können gleichzeitig auch keine Telefongespräche geführt werden. Dies ist besonders in der Automobil­industrie ein entscheidendes Kriterium, da der Fahrzeuglenker im Kfz somit per Sprachanruf nicht erreichbar ist. Zum Telefonieren müsste ein weiteres Modem eingebaut werden. Weiters gibt es auch keine durchgängigen GPRS Roamingverträge zwischen den europäischen Mobilfunkbetreibern. Aus diesen Gründen setzen die großen Automobilhersteller (BMW, Mercedes, VW, etc.) nach wie vor auf SMS als Daten­über­tragungs­medium.

3.4.2 Modellrechnungen zur Verkehrsflussanalyse

Im Rahmen des RHAPIT-Feldversuchs wurde der Zusammenhang zwischen strecken­bezogenen Verkehrsdaten und querschnittsbezogenen Messwerten lokaler Verkehrs­daten­erfassungssysteme untersucht. Es wurden durch Konvoifahrten mit 5 FCD Testfahrzeugen, die den zu untersuchenden Streckenabschnitt mehrmals durchfuhren, gezielt Störfallerkennungstests im Bereich des Frankfurter Kreuzes durchgeführt.

Am Querschnitt EQ2 wurden die in Abbildung 3.4-2 dargestellten Messdaten erhoben. Die auf 5-Minuten-Intervalle aggregierten querschnittsbezogenen Messdaten der Induktions­schleife in EQ2 (dünne durchgezogene Linie) sowie die durch ein Kalman-Filter-Modell [WELCH & BISHOP (2001)] aus den benachbarten Erfassungsquerschnitten EQ3 und EQ1 berechneten mittleren Reisegeschwindigkeiten des Verkehrsstromes auf dem betrachteten Streckenabschnitt (dicke durchgezogene Linie) wurden mit den Messwerten der aktuellen Fahrgeschwindigkeit der Einzelfahrzeuge (Näherung durch gestrichelte Linie) am Querschnitt EQ2 verglichen [FOLKERTS et al. (1998)].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4-2: Gegenüberstellung der Zählstellendaten am Querschnitt EQ 2 (Induk­tions­schleife), der Modelldaten (Kalman-Filter) und der FCD-Daten im Rahmen von Konvoi­fahrten des RHAPIT Feldversuches am 17.03.1995 im Bereich des Frankfurter Kreuzes [FOLKERTS et al. (1998)]

Die Ganglinien der Geschwindigkeiten zeigen eine Verkehrsstörung im Zeitraum zwischen 14:50 und 15:50 Uhr infolge Verkehrsüberlastung. Bereits um 14:45 Uhr liegen zwei FCD-Datenprotokolle vor, die Schwellenwertunterschreitung der Reisegeschwindigkeit von 30 km aufweisen. Die 5-Minutenwerte des Detektors und das Kalmanfiltermodell detektieren zu diesem Zeitpunkt noch keine Verkehrsstörung.

FOLKERTS et al. (1998) interpretieren diesen Sachverhalt wie folgt: Einzelne Fahrzeuge stecken bereits im Stop-and-Go-Verkehr, während die geglätteten 5-Minuten-Werte der Zählstellendaten diesen Zustand noch nicht repräsentieren. Aus den Datenprotokollen der FCD zwischen 14:45 und 15:05 Uhr kann auf einen starken Stop-and-Go-Verkehr geschlossen werden. Jedes FCD-Paket wies für die Abschnitts­durchquerung mindestens zwei Fahrzeugstillstände und eine Haltezeit von mehr als 1 Minute auf. Die FCD-Datenpakete während des Störfallzeitraums beinhalten je einen Fahrzeug­stillstand mit einer Haltezeit unter einer Minute bei 1-3 Schwellen­wert­unter­schreitungen. Dieser Zustand lässt sich als instabiler dichter Verkehr interpretieren. Die FCD-Fahrzeuge, die um 15:25 Uhr den Abschnitt durchqueren, lassen aufgrund ihrer größeren Geschwindigkeit und der damit verbundenen Schwellenwertüberschreitung auf eine Verkehrserholung, nicht aber auf einen stabilen Verkehrszustand schließen.

Das hier dargestellte Beispiel aus dem RHAPIT-Feldversuch verdeutlicht in eindrucks­voll­er Weise das Potenzial, welches streckenbezogene fahrzeuggenerierte Verkehrsdaten aufweisen. Neben einer früheren Störfalldetektion ist eine detailliertere Verkehrs­zustandsbeschreibung durch eine Analyse der mobilen Verkehrsdaten möglich. Der Feldversuch verdeutlicht aber auch die Notwendigkeit eines entsprechenden Stichproben­umfanges der FCD-Fahrzeuge am Fahrzeugkollektiv. Zwischen 15:23 und 15:49 Uhr fehlen vollständig FCD-Meldungen. Die Erholung des Verkehrs wird von der FCD Stichprobe aufgrund fehlender Daten nicht wiedergegeben.

Für den gleichen Streckenabschnitt am Frankfurter Kreuz wurden die lokalen und mobilen Verkehrsdaten vom 7.11.1994 für die Situation eines gebundenen, aber noch stabilen Verkehrszustandes gegenübergestellt. Abbildung 3.4-3 gibt die Geschwindigkeitsverläufe an den Messquerschnitten (gestrichelte Linie), die nach Kalman-Filter bestimmten Reise­geschwindigkeiten für die beiden Sektoren (durchgezogene Linie) und die Geschwindig­keit eines FCD-Fahrzeugs bei Einfahrt in den Erfassungsabschnitt wieder.

Es ist festzustellen, dass anfänglich die Geschwindigkeiten des Testfahrzeuges 20 km/h über denen der Messstelle EQ1 liegen. Dies kann entweder auf den individuellen Fahrstil des Kraftfahrers oder auf Verzögerungen bei der fahrzeugseitigen Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit bei starken Abbremsvorgängen zurückgeführt werden [FOLKERTS et al. (1998)]. Das FCD-Fahrzeug muss infolge einer Verkehrsverdichtung seine Geschwindigkeit verringern, sodass es an den Erfassungstellen EQ2 und EQ3 das Niveau der lokalen Geschwindigkeiten erreicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4-3: Gegenüberstellung der Zählstellendaten am Erfassungsquerschnitt EQ2 (Induktionsschleife), der Modelldaten (Kalman-Filter) und der FCD-Daten vom 07.11.1994 am Frankfurter Kreuz [FOLKERTS et al. (1998)]

Aus diesem relativ einfachen Beispiel wird eine grundlegende Problematik der streckenbezogenen Verkehrsdatenerfassung deutlich: Insbesondere im freien und teilgebundenen Verkehr, ist die Reisegeschwindigkeit die durch FCD-Fahrzeuge ermittelt wurde, primär von der freien Entscheidung des Kraftfahrers abhängig. Die Geschwindigkeiten sind nicht repräsentativ für das Fahrzeugkollektiv. Als ein Ergebnis des RHAPIT-Feldversuchs definieren FOLKERTS et al. (1998), dass die Streuung der FCD-Einzelgeschwindigkeiten durch eine geeignete Auswertelogik ausgeglichen werden muss; bei größeren Datenmengen ist z.B. an eine Streichung von Extremwerten zu denken. Der Messfehler der FCD-Reisezeiten wird mit 10% beziffert.

Demgegenüber konnten in beiden beschriebenen Testfällen bei gebundenem Verkehr und bei Überlast die vorherrschenden Verkehrssituationen aufgrund der strecken­bezogenen Verkehrsdatenerfassung korrekt wiedergegeben werden. Als ein wesentliches Ergebnis der RHAPIT-Untersuchung kann die Sinnhaftigkeit einer kombinierten Betrach­tung lokaler und mobiler Verkehrsdaten zur Verkehrszustandsklassifikation gesehen werden. Dies gilt insbesondere, solange keine ausreichenden Datenmengen an FCD gewährleistet werden können, wie dies im Feldversuch der Fall war.

Im VERDI-Feldversuch wurde festgestellt, dass bei ausreichendem Stichproben­umfang, streckenbezogene Daten der FCD zur aktuellen und vollständigen Erfassung der Ver­kehrs­lage uneingeschränkt geeignet sind. Durch FCD konnten Stauereignisse im Durch­schnitt 15 Minuten früher festgestellt werden, als dies durch die Landesmeldestellen der Polizei der Fall war [HUBER (2001), S. 34]. Jedoch brachte der VERDI-Feldversuch auch Probleme bei der individuellen Geschwindigkeitserfassung zu Tage. Durch die zeitliche Mittelung der Geschwindigkeiten im FCD-Fahrzeug werden Geschwindigkeits­änderungen verzögert nachvollzogen. Somit weichen bei starken Abbrems- und Beschleunigungs­vorgängen die querschnittsbezogenen Messwerte von den Geschwindigkeiten, die durch FCD-Fahrzeuge generiert werden, zum Teil erheblich voneinander ab. Zusätzlich stellte sich im Rahmen der Datenverarbeitung heraus, dass der Bezug der Verkehrsdaten auf verkehrstechnisch nicht relevanten Straßenabschnitten zu einer unnötig hohen zu verar­beitenden Datenmenge geführt hat [FOLKERTS et al. (1998)].

4 Datenübertragung

Ziel diese Kapitels ist die Ermittlung der für die FCD Generierung am besten geeignetsten Technologie zur Daten­übertragung. Dazu wurden verschiedene Kriterien und Nutzen­funktionen definiert (siehe Tabelle 4.1-1), die als Zielertrag E in eine Nutz­wert­analyse eingehen. Durch Multiplikation des Zielertrages E mit den Zielgewichtungen G ergeben sich die Teilnutzwerte n. Der Gesamtnutzwert N ergibt sich durch Summation aller Teilnutzwerte n.

4.1 Bewertungskriterien und Zielgewichtung

Da fortlaufend neue Übertragungstechnologien mit höheren Übertragungskapazitäten bei geringeren Übertragungskosten entwickelt werden, ist die Technologieverfügaberkeit ein wichtiges Beurteilungskriterium der Datenübertragung. Daneben sind hinsichtlich der strecken­bezogenen Verkehrsdatenerfassung durch Einzelfahrzeuge sowohl die Übertragungs­kosten als auch die Übertragungsdauer Schlüsselfaktoren um einerseits die wirtschaftlichen als auch die technischen Systemanforderung zu erfüllen. Folgende Nutzenfunktionen wurden zum Vergleich der verschiedenen Übertragungstechnologien definiert:

Tabelle 4.1-1: Zielkriterien und Nutzenfunktionen zur FCD-Datenübertragung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hohe Übertragungskosten sind nicht finanzierbar, und lange Übertragungszeiten beeinträchtigen die Qualität der generierten Verkehrsinformationen. Um die Kosten für die benötigten Geräte zur Datenübertragung möglichst zu reduzieren bzw. aufzuteilen, sollten möglichst viele Synergien mit anderen Anwendungen vorhanden sein. Der optimale Fall ist, dass die Kosten der benötigten Geräte und Einrichtungen durch eine andere Anwendung (z.B. Motor-Ferndiagnose, Diebstahlüberwachung, etc.) finanziert werden. Beispielsweise kann das Mobil­telefon des Fahrzeuglenkers zur Sprachtelefonie als auch zur Datenübertragung verwendet werden. Es ist somit kein zusätzliches GSM-Modem erforderlich (Grenzkostenansatz).

In Tabelle 4.1-2 ist die Zielgewichtung der oben definierten Beurteilungskriterien zur Nutzwertanalyse angegeben. Mit dem Hintergrund einer möglichst schnellen und wirtschaftlichen FCD Datengenerierung wurde dem Zielkriterium Technologieverfügbarkeit und Übertragungskosten/kB ein Gewicht von jeweils 30% und der Übertragungsdauer sowie allfälligen Synergien ein Gewicht von 20% zugeordnet.

Tabelle 4.1-2: Zielgewichtung der Beurteilungskriterien zur Daten­über­tragung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2 Übertragungstechnologien

Das Prinzip der FCD Technologie wurde erst durch die Entwicklung bzw. Implementierung von flächendeckenden Mobilfunknetzwerken im Gegensatz zur querschnittsbezogenen Verkehrsdatenerfassung konkurrenzfähig. Im Folgenden soll auf die derzeit wichtigsten verfügbaren Technologien zur kabellosen Datenübertragung eingegangen werden. Die Funktionsweise des GSM-Mobilfunknetzes wird im nachfolgenden Abschnitt genauer beschrieben, da es nahezu die Grundlage für jede Telematikanwendung darstellt.

4.2.1 Global System for Mobile Communications (GSM)

Das GSM-Mobilfunksystem ist ein paneuropäischer Standard für digitale, zellulare Mobilfunknetze. Er kann einerseits zur Sprach- und Datenübertragung als auch zur Ortung - durch seinen zellularen Aufbau - verwendet werden. Dies ist besonders in Hinblick auf die FCD-Technologie von besonderer Bedeutung, da der Ausstattungsgrad mit Mobiltelefonen in Österreich bei ca. 92% [MOBILKOM (2004) liegt und kein weiteres Gerät (z.B. GPS-Empfänger) zur Positionsbestimmung erforderlich ist. Der Nachteil liegt jedoch in der geringeren Ortungsgenauigkeit (siehe Abschnitt 5.3.3 Ortung in Zellularfunknetzen, Seite 112).

Durch die Konzeption von GSM als zellulares Mobilfunksystem wird das Versorgungsgebiet eines Betreibers in Funkzellen eingeteilt, die jeweils von einer Basisstation versorgt werden. Einer Funkzelle sind eine oder mehrere Sendefrequenzen zugeteilt, welche zur Vermeidung von gegenseitigen Störungen erst in einer weit entfernten Zelle auftreten dürfen. Für ein Gespräch baut das Mobiltelefon eine Funkverbindung zur nächstgelegenen Basisstation auf. Die Basisstation leitet das Gespräch über Leitungen oder Richtfunkstrecken zur Mobilfunkvermittlungszentrale weiter.

Die Teilnehmerzahl am GSM Standard nahm in den letzten Jahren explosionsartig zu. Waren Ende 1992 13 Netze in sieben Ländern aktiv, so sind es heute (Stand März 2004) 553 GSM Netze in 187 Ländern mit 1047 Mio. Teilnehmern. Besonders durch die Länder Russland und China wird eine weitere Steigerung der Teilnehmerzahl auf ca. 1.900 Mio. Kunden für Dezember 2005 und ca. 2.100 Mio. Kunden für Dezember 2006 prognostiziert [GSM WORLD (2004), S. 3 ff].

4.2.1.1 Systemkomponenten

In Abbildung 4.2-1 sind alle erforderlichen Systemkomponenten des GSM-Netzes mit einer Einteilung in Gruppen dargestellt. Aufgrund der englischen Nomenklatur des GSM Systems werden auch in der unten angeführten Detailbeschreibung englische Bezeichnungen und Abkürzungen für die diversen Systemkomponenten verwendet. Soweit es möglich war, wurde versucht, eine deutsche Übersetzung zu finden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-1: GSM-Systemkomponenten [EBERSPÄCHER (1997), S. 17]

4.2.1.1.1 Mobiltelefon

Das Mobiltelefon (Mobile Station, MS) stellt das Telefonendgerät dar, welches vom Teilnehmer für den Dienstezugang genutzt werden kann, sofern eine Anmeldung bei einem Betreiber existiert. Das Mobiltelefon verfügt über ein Benutzer Identiäts Modul (Subscriber Identity Module, SIM-Karte), welches alle nutzerspezifischen Daten speichert und so den Nutzer individuell kennzeichnet.

4.2.1.1.2 Basisstation Subsystem

Das Basisstations Subsystem (Base Station Subsystem, BSS) besteht aus der eigentlichen Funk­basisstation (Base Transceiver Station, BTS) und der Basisstationssteuerung (Base Station Controller, BSC).

¡ Funkbasisstation

Eine Funkbasisstation (Base Transceiver Station, BTS) spiegelt die eigentliche GSM-Funkanlage wieder. Sie „spannt“ eine GSM-Zelle auf und stellt in dieser die Funkkanäle für Signalisierung und Nutzverkehr zur Verfügung. Sie umfasst die erforderliche Funkausstattung wie Antennen, die Signalverarbeitung und den Verstärker und ist mit dem Mobiltelefon über die UM-Schnittstelle (Funkschnittstelle) und zur Basisstationssteuerung über die ABIS-Schnittstelle (Leitungsschnittstelle) verbunden.

¡ Basisstationssteuerung

Die Basisstationssteuerung (Base Station Controller, BSC) dient der zentralen Steuerung und Überwachung der Basisstation und ist der „Vermittlungs­knoten“ im Funknetz. Sie schaltet die Gespräche durch (Nutzkanäle) und leitet Steuerdaten (Signalisierungskanäle) über die A-Schnittstelle zur Funkvermittlungsstelle (Mobile Switching Center, MSC) weiter.

4.2.1.1.3 Funkvermittlungssystem

Das Funkvermittlungssystem (Switching Subsystem, SSS) verbindet das mobile Netz mit den öffentlichen Festnetzen. Es besteht aus einer Funkvermittlungsstelle (Mobile Switching Center, MSC), einer Besucherdatei (Visitor Location Register, VLR), einer Heimdatei (Home Location Register, HLR) einem Berechtigungszentrum (Authentication Center, AUC,) und optional einem Endgeräteidentifikationsregister (Equipment Identification Register, EIR).

¡ Funkvermittlungsstelle

Die Funkvermittlungsstelle (Mobile Switching Center, MSC) ist die digitale Vermittlungsstelle und erfüllt alle Aufgaben zur Gesprächsvermittlung und Dienstesteuerung, welche im GSM-Netz notwendig sind. Sie sind gleichzeitig die Schnittstellen zu einem anderen Mobilfunk- beziehungsweise Festnetz. Ihre Aufgabe besteht unter Einbeziehung der angegliederten Register (HLR & VLR) in der gesamten Anrufverwaltung, der Berechtigungsprüfung (Authentisierung) und der Registrierung von Ortsveränderungen des Mobiltelefons im Netz. Eine Funkvermittlungsstelle muss die Zuteilung und Verwaltung von Funkressourcen und die Generierung von Gesprächsdaten (Statistik, Kosten) übernehmen.

¡ Heimdatei

Die Heimdatei (Home Location Register, HLR) ist die wichtigste Datenbank im GSM-System. Sie hält alle nutzerrelevante Information (permanente oder temporäre Daten) und ist somit die zentrale Datenbank der Mobilteilnehmer. Permanente Teilnehmerdaten sind die internationale GSM-Benutzeridenti­fi­kations­nummer (IMSI), die Rufnummer im öffentlichen Netz, der Authentisierungsschlüssel und die diversen Zusatzdienste. Temporär gespeichert ist zum Beispiel das momentane Aufenthaltsgebiet des Teilnehmers beziehungsweise des Mobiltelfons in Form des Lokalisierungsbereiches (Location Area, LA). Ein Lokalisierungsbereich wird von mehreren Zellen, die als geographische Einheit verwaltet werden, aus Gründen der Leistungsfähigkeit gebildet (Details siehe Kapitel 4.2.1.2.1).

¡ Besucherdatei

Die Besucherdatei (Visitor Location Register, VLR) ist eine dynamische Datenbank, welche jeweils einem Lokalisierungsbereich (Location Area) zugeordnet ist. Die Besucherdatei ist wiederum einer Funkvermittlungsstelle zugeordnet und speichert alle Daten, von dem sich gerade im Versorgungsbereich eingebuchten Mobiltelefonen. Die Besucherdatei unterstützt die Funkvermittlungsstelle beim Verbindungsaufbau und der Autorisierung durch die Bereitstellung der Heimdatei identischen Daten, wodurch keine Verzögerung im Verbindungsaufbau durch den ständigen Datenaustausch mit der Heimdatei entsteht.

¡ Endgeräteidentifikationsregister

Das Endgeräteidentifikationsregister (Equipment Identification Register, EIR) ist optional. Die Verwendung bleibt den einzelnen Netzbetreibern überlassen. Darin können Seriennummern von Endgeräten gespeichert werden, die entweder gestohlen sind, oder aufgrund von Serienfehlern eines Herstellers in diesem Netz nicht betrieben werden dürfen.

¡ Berechtigungszentrum

Das Berechtigungszentrum (Authentication Center, AUC) ist ein Teilsystem des HLR und erfüllt sicherheitsrelevante Aufgaben. Es speichert individuelle Sicherheitsschlüssel und Authentisierungsalgorithmen zur Generierung der teilnehmerspezifischen Authentizitätsdaten für die Berechtigungs­prüfung. Es ist ein individueller Schlüssel für jede SIM-Karte vorhanden, welcher nur im AUC und auf der SIM-Karte gespeichert ist, um Daten vor unberechtigtem Zugriff zu schützen.

4.2.1.1.4 Steuerungs- und Überwachungszentrum

Das Steuerungs- und Überwachungszentrum (Operation and Maintenance Center, OMC) Dient der zentralen Steuerung und Überwachung der Netzelemente, der angebotenen Dienste und Teilnehmer. Das Steuerungs- und Überwachungszentrum hat sowohl auf die Basisstationssteuerung, als auch auf die Funkvermittlungsstelle Zugriff, bearbeitet Fehlermeldungen der Basisstationen und überwacht die Auslastung der Funkbasisstation. Es ermöglicht dem Betreiber Überprüfungen an den verbundenen Komponenten durchzuführen.

4.2.1.2 Funktionsweise

Jede Funkbasisstation versorgt entsprechend den örtlichen Gegebenheiten, sowie abhängig von der Teilnehmerdichte und dem Verkehrsverhalten der Teilnehmer, ein bestimmtes geographisches Gebiet, das als Funkzelle bezeichnet wird. Um eine lückenlose Funkversorgung zu erreichen, überlappen sich die Zellen benachbarter Stationen an ihren Grenzbereichen. Der Versorgungsbereich einer einzelnen Funkbasisstation wird jedoch meist idealisiert als ein Sechseck dargestellt. Die elektromagnetischen Wellen, die von der Antenne abgegeben werden, breiten sich natürlich weiterhin mehr oder weniger kreisförmig um die Funkbasisstation aus und machen nicht an den theoretischen Zellgrenzen halt. Für die Darstellung eines Funknetzes ist die Sechseckform der Funkzellen jedoch anschaulicher. Die Aneinanderreihung dieser Sechsecke führt schließlich zu einem wabenförmig strukturierten Netz (siehe Abbildung 4.2-2).

Omnistationen werden auch als Makrozellen bezeichnet, da sie eine große Fläche versorgen können (bis zu einem Radius von 35 km). Sie werden eingesetzt, um ein großes Gebiet mit einer kleinen Anzahl von Gesprächen abzudecken. In Großstädten, beziehungsweise in Gebieten mit hohem Gesprächsaufkommen werden sektorisierte Stationen verwendet, um das erhöhte Aufkommen von Gesprächen abführen zu können (siehe Abbildung 4.2-3). Oft reichen diese Zellen nicht aus und es kommen Mikrozellen zum Einsatz. Sie haben nur eine geringe flächenmäßige Aus­breitung und versorgen zum Beispiel nur einen Straßenzug, eine Kreuzung oder einen Platz. Eine weitere Verwendungsart von Mikrozellen ist die Versorgung innerhalb von Gebäuden, wie zum Beispiel auf Flughäfen, in Firmen oder Einkaufszentren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-2: Cluster- und Zellgrenze bei Verwendung von Rundstrahlantennen [MANNESMANN (2000), S. 27]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-3: Cluster- und Zellgrenze bei Verwendung von Sektorantennen [MANNESMANN (2000), S. 30]

4.2.1.2.1 Lokalisierungsbereich

Ein Mobilfunknetz ist zur Optimierung des Netzbetriebes in hierarchische Bereiche unterteilt. In der Regel steuert eine Basisstationssteuerung mehrere Zellen. Eine bestimmte Anzahl von Zellen wird vom Netzbetreiber zu Lokalisierungsbereichen (Location Area, LA) siehe Abbildung 4.2-4) zusammengefasst. Ein Lokalisierungsbereich wird von mehreren Zellen, die als geographische Einheit verwaltet werden, gebildet. Der Vorteil der Zusammenfassung von einzelnen Mobilfunkzellen liegt darin, dass keine Update-Prozedur erfolgen muss, solange der Teilnehmer sich nur innerhalb der Zellen bewegt, die zum gleichen Lokalisierungsbereich gehören. Dadurch können Signalisierungsmodalitäten im GSM Netzwerk erheblich reduziert und die Gesprächskapazität erhöht werden. Das gesamte Mobilfunknetz eines Betreibers besteht somit aus einer Vielzahl von Location Areas, die eine räumliche Ausdehnung bis zu einigen 1000 km2 haben können.

Ein Lokalisierungsbereich definiert sich durch zwei grundlegende Eigenschaften:

(1) Ein Mobiltelefon kann sich im Lokalisierungsbereich frei bewegen, ohne eine Positionsänderungsprozedur (Location Update) zu initiieren. Verlässt das Mobiltelefon den Versorgungsbereich, beziehungs­weise wird ein Location Update durch­geführt, dann wird der Code für den Lokalisierungsbereich (Location Area Code, LAC) in der Besucherdatei bzw. in der Heimdatei überschrieben.
(2) Wird eine Verbindung ausgehend vom Netz aufgebaut (Anrufer), so werden nur an jene Basisstationen Rufanfragen gesendet, die auch zum Lokalisierungsbereich gehören. Es „läuten“ somit nur die Zellen eines Lokalisierungsbereiches gleichzeitig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-4: Cluster mit Einteilung in Location Area Code (LAC) und Cell Identity [EBERSPÄCHER (1997), S. 47]

4.2.1.2.2 Zellnummer

Die Zellnummer (Cell Identity, CI auch Cell-ID) beschreibt das kleinste registrierbare Einzugs­gebiet in einem Mobilfunknetz (siehe Abbildung 4.2-4). Dieses Gebiet entspricht dem Funkversogungsbereich einer einzelnen Funkzelle.

4.2.1.2.3 Einbuchen

Das Einbuchen ist nach dem Einschalten des Mobiltelefons notwendig. Das Mobiltelefon tastet alle Funkkanäle ab und signalisiert eine Positionsänderungsprozedur (Location Update) an das Mobilfunknetz. Der aktuelle LAC wird in der Besucherdatei beziehungsweise in der Heimdatei eingetragen. Danach geht das Mobiltelfon in den Ruhezustand („Idle“-Mode) über.

4.2.1.2.4 Zellwechsel (Handover)

Den Vorgang des Wechsels aus dem Versorgungsbereich einer Funkzelle A in eine Funkzelle B während einer aktiven Gesprächsverbindung nennt man Zellwechsel (Handover). In ländlichen Gebieten, wo Zellgröße bis zu 35 Kilometer auftreten, werden Zellwechsel wesentlich seltener auftreten, als in Bereichen mit kleineren Zellen (städtische Gebiete) und hoher Bewegungsgeschwindigkeit^[5] des Mobiltelefons. Die Basisstationssteuerung sammelt ständige Informationen des Mobiltelefons über die Auslastung und die Situation der Funkverbindung. Hierbei werden unter anderen Parameter wie die Empfangsqualität (Bitfehlerrate), die Sendeleistung sowie der Empfangspegel aufgenommen. Diese Messungen erfolgen alle 480ms.

Der GSM-Standard identifiziert 40 verschiedene Gründe zum Zellwechsel, wobei zwei grundlegend sind [EBERSPÄCHER (1997)]:

(1) Empfangsfeldstärke: Das Mobiltelefon bewegt sich aus der „Sendereichweite“ der Funkbasisstation. Die Empfangsfeldstärke der alten Funkbasisstation (BTS alt, blau) fällt unter einen Schwellwert (siehe Abbildung 4.2-5). Um ein „Umherspringen“ zwischen den einzelnen Funkbasisstationen durch Wechsel der Feldstärken zu verhindern, wurde ein Schwellwert^[6] definiert. Erst wenn die Feldstärke der „alten“ Funkbasisstation die der „neuen“ Funkbasisstation um einen vordefinierten Wert unterschreitet, wird der Zellwechsel durch­geführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-5: Zellwechsel in eine andere Mobilfunkzelle aufgrund der Empfangsfeldstärke [WENCKEBACH (2003), S. 18]

(2) Zellüberlastung: Bei zu hohem Telefongesprächsaufkommen in einer Zelle^[7], kann die MSC beziehungsweise die BSC den Verkehr unter den anderen zur Verfügung stehenden Zellen aufteilen (load balancing).

Ein weiteres wichtiges Kriterium für den Zellwechsel stellt die Bewegungsgeschwindigkeit des Mobiltelefones dar. Wenn sich ein Nutzer mit dem Auto im Stadtgebiet auf der Stadtautobahn bzw. auf anderen linienförmigen Verkehrsbauwerken in einem Mikrozellennetz bewegt, sind schnell hintereinander folgende Zellwechsel erforderlich. Durch die vielen Zellwechsel entsteht eine hohe Netzbelastung mit GSM Steuerungsdaten, wodurch die entsprechenden Funkvermittlungsstellen überlastet werden.

Eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen ist der Einsatz einer „ Schirmzelle “ (Umbrella Cell). In Abbildung 4.2-6 ist dieses System dargestellt. Es zeigt die „Mikrozellen“ und eine übergeordnete „Schirmzelle“, die einen Kanal für das schnell bewegte Mobiltelefon zur Verfügung stellt. Befindet sich das Mobiltelefon in schneller Bewegung, wird ein Zellwechsel von den Mikrozellen auf die Schirmzelle weitergegeben. Bei Beendigung des Gesprächs wird das Mobiltelefon wieder in die nächste (Mikro-) Zelle eingebucht. Die Schirmzelle dient lediglich für im Gesprächsmodus befindliche Mobiltelefone [DAUDA (2002), S.16].

Der Wechsel des Mobiltelefons in eine Schirmzelle kann bei der Generierung von Floating Car Data durch zellulare Funknetze erhebliche Ungenauigkeiten bei der Ortung induzieren. Auch die Beeinflussung der Empfangsfeldstärke durch Abschattungen kann Auswirkungen auf das Ortungsverfahren haben. Durch abwechselnde dynamische Abschattungen durch Lkws oder anderer Fahrzeuge in Stauzonen kann sich der definierte Zellübergangsbereich verschieben und so zu einer ungenauen Positionierung führen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-6: Prinzip der „Schirmzelle“ für schnelle und der „Mikrozellen“ für langsame Bewegungsgeschwindigkeiten

Prinzipiell kann zwischen vier verschiedenen Arten (siehe Abbildung 4.2-7) des Zellwechsels (Handover) unterschieden werden [Wenckebach (2003), S. 17-18, MEISSNER (2001), S. 29].

(1) Intra-Cell Handover

Innerhalb einer Funkbasisstation (BTS) wird dem Anwender eine andere Frequenz oder ein anderer Zeitschlitz zugewiesen – die Cell-ID bleibt aber unverändert. Dieser Zellwechsel kann durch Interferenz innerhalb einer Zelle ausgelöst werden. Dieses Verfahren wird in GSM-Netzwerken zur Verbesserung der Sprachqualität verwendet.

(2) Inter-Cell Handover

Diese Art des Handover tritt am häufigsten auf. Das Mobiltelefon wechselt die Funkbasisstation, bleibt aber im Einflussbereich der gleichen Basisstationssteuerung. Die Basisstationssteuerung muss lediglich in der neuen Zelle eine Frequenz zuteilen und die alte Frequenz freigeben – die Cell-ID wechselt.

(3) Inter-BSC Handover

Das Gespräch des Mobiltelefons wird von einer anderen Funkbasisstation, die von einer anderen Basisstationssteuerung (BSC) kontrolliert wird, übernommen – Cell-ID wechselt, der Lokalisierungsbereich (Location Area Code, LAC) wechselt wahrscheinlich.

(4) Inter-MSC Handover

Das Gespräch wird von einer anderen Funkvermittlungsstelle (MSC) bzw. Betriebernetzwerk übernommen – Netzbetreibercode, Location Area Code (LAC) und Cell-ID wechseln. Nur bei Roaming im Ausland bzw. bei der Einfahrt ins oder vom Ausland möglich, da es (in Österreich) kein nationales Roaming gibt. D.h. ein Mobiltelefon wechselt im Inland auch bei Nicht-Abdeckung durch den „eigenen“ Betreiber nicht in das Netz eines anderen Betreibers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-7: Die vier Zellwechselarten [Wenckebach (2003), S. 18]

4.2.1.3 Leitungsvermittelter Datendienst

Der leitungsvermittelte Datendienst (Bearer-Service) im GSM Netz bietet via Modem eine Übertragungs­geschwindigkeit von 9,6 kBit/s. Das GSM-System erlaubt die Integration von verschiedenen Datendiensten und die Zusammenarbeit mit anderen Netzen (zum Beispiel: analoges Fernsprechnetz, ISDN, anderes Mobilfunknetz, Datennetze). Dies ist eine zentrale Funktion, um Daten an ein Rechenzentrum zu übertragen und wurde in den Anfängen der FCD Feldversuche zur Datenübertragung verwendet.

4.2.1.4 Kurznachrichtendienst

In der Signalisierungsebene der GSM-Protokollarchitektur können von und zum Mobiltelefon paketorientierte Nutzdaten transportiert werden, die für den Punkt-zu-Punkt-Kurz­nach­richtendienst (Short Message Service, SMS) verwendet werden. Durch die so genannte ,,Store and Forward"-Funktion bei der SMS Übertragung über das SMS-Service Center ist die direkte Verbindung zum angewählten Teilnehmer keine Voraussetzung für eine erfolgreiche Datenübertragung. Es entfällt der langwierige Rufaufbau bei der GSM-Datenübertragung, jedoch ist dadurch eine sichere Übertragung der SMS an den Empfänger nicht garantiert.

Das SMS Übertragungsverfahren ist für viele Telematikanwendungen ein unverzichtbarer Bestandteil geworden. Besonders in Deutschland wurde die Datenübertragung durch SMS für die Verkehrsdatengenerierung via Floating Car für fast alle großen Feldversuche verwendet. Der von der DDG Gesellschaft für Verkehrsdaten mbH entwickelte Datenübertragungsstandard GATS^[8] basiert ebenfalls auf dieser Technologie.

Je SMS-Telegramm sind maximal 160 alphanumerische Zeichen (= 140 Byte) übertragbar. Unter Abzug verschiedener Protokolldaten verbleiben für die eigentliche Nachricht, die z.B. für die Übertragung fahrzeuggenerierte Verkehrsdaten benötigt wird, jeweils eine Kapazität von ca. 120 -130 Byte. Dies reicht in der Regel aus um Positionsdaten, Geschwindigkeit, Fahrtrichtung, Fahrzeugzustand und ID zu übertragen. Bei Verwendung von Komprimierverfahren, wie dem Differenzverfahren^[9], lassen sich bis zu 50 FCD Datensätze übertragen.

Besonders durch den günstigeren Preis für eine SMS im Gegensatz zu den leitungsvermittelten Datendiensten (Bearer-Service) wurde in den Anfängen der Mobilfunktelefonie diese Form der Datenübertragung vor allem für Telematikdienste bevorzugt. Durch neue Übertragungstechnologien (GPRS, UMTS, siehe nachfolgende Kapitel), die nach Datenmenge und nicht nach Verbindungszeit abrechnen, wird die Datenübertragung durch SMS zurückgedrängt werden. Sie ist aber immer noch die wichtigste Form der Datenübertragung für Telematikdienste, besonders hinsichtlich der Interoperabilität mit anderen Mobilfunkbetreibern in Ausland.

4.2.1.5 Netzerweiterung

Da die GSM-Kundenzahlen steigen, muss die Kapazität des zellularen Netzes ständig erweitert werden. Engpässe treten vor allem in Ballungszentren auf, da pro Funkbasisstation (BTS) nur 6 (9)^[10] Gespräche gleichzeitig geführt werden können. Um die Netze auszubauen, werden folgende Verfahren verwendet (siehe Abbildung 4.2-9):

(1) Zellteilung (Cell Splitting)
(2) Zellsektorisierung (Cell Sectoring)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-8: Verkleinerung vorhandener Funkzellen - Vergleich Cell Splitting und Sektorisierung

4.2.1.5.1 Zellteilung

Beim Verfahren der Zellteilung (Cell Splitting) wird der Funkversogungsbereich vorhandener Zellen nochmals aufgeteilt, indem der ehemalige Radius R der alten Zelle halbiert wird. Für die neuen Zellen ergibt sich ein Radius von R/2. Der Durchmesser einer Zelle kann so bis auf 100 m reduziert werden (Mikrozellen). Durch die Zellteilung ergeben sich für die alte Sendefläche viermal so viele Zellen wie vorher bei gleicher Frequenzverteilung. Jede neue, kleinere Zelle bekommt eine Basisstation mit weniger Sendeleistung um Interferenzen auszuschließen Es werden meist nur Zellen aufgeteilt, bei denen es Kapazitätsengpässe gibt. Abbildung 4.2-9 stellt einen solchen Kapazitätsengpass bei dem Sender A dar und die Behebung durch Zellteilung. Die kleinen Zellen umgeben die alte Sendestation. Wie aus dem Bild zu erkennen ist, sind die Sender der Mikrozellen in der Mitte zweier alter Zellen. Als Beispiel soll der neue Sender G dienen. Er liegt genau zwischen den beiden alten größeren Sendern A und C.

Mikrozellen kommen vor allem im dicht verbauten Gebiet, U-Bahn Stationen, Bahnhöfen, Einkaufsstraßen, etc. vor. Aufgrund des kleinen Versorgungs­durchmessers eignen sich Mikrozellen nicht für linienförmige Verkehrsanlagen wie Autobahnen oder Schnellstraßen, da bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Mobiltelefons sehr viele Zellwechsel durchgeführt werden müssen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-9: Darstellung des Kapazitätsausbaues rund um die überlastete Funk­basis­station A durch „Zellteilung“

4.2.1.5.2 Zellsektorisierung

Wie oben beschrieben, arbeitet die Zellteilung mit dem Verkleinern der Größe von Zellen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass je verkleinerter Zelle drei neue Antennenstandorte benötigt werden. Der bisherige Antennenstandort kann in der Regel ebenfalls nicht mehr verwendet werden, da er sich funktechnisch an einem ungünstigen Ort befindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2-10: Darstellung von Zellsektoren für Winkel mit 120° (a) und 60° (b)

effektivere Lösung ist die Sektorisierung von Funkzellen (Cell Sectoring), da in diesem Fall der bisherige Antennenstandort beibehalten werden kann. Für die Sektorisierung müssen die alten Rundstrahlantennen durch Sektorantennen ersetzt werden. Sie sind so ausgerichtet, dass sie nur in bestimmte Richtungen (Sektoren) senden und empfangen können. Mögliche Sektorisierungswinkel sind z.B. 120° oder 60° (siehe Abbildung 4.2-10).

4.2.1.6 Zusammenfassung GSM

Das GSM-Mobilfunknetz stellt die Basistechnologie für viele Telematikanwendungen dar. Es kann einerseits zur Datenübertragung sowie durch seinen zellularen Aufbau zur Ortung verwendet werden. Dies ist besonders in Hinblick auf die FCD-Technologie von besonderer Bedeutung, da der Ausstattungsgrad mit Mobiltelefonen in Österreich bei ca. 92% liegt [MOBILKOM (2004)] und keine weiteren Geräte (z.B. GPS-Empfänger) zur Positionsbestimmung erforderlich sind. Der Nachteil liegt in der geringeren Ortungsgenauigkeit (siehe Kapitel 5.3.3. Ortung in Zellularfunknetzen, S. 111 ff) im Vergleich zur Satellitennavigation.

Neben der FCD Datengenerierung kann das Mobiltelefon auch zur Rückmeldung von personifizierter Verkehrsinformation genutzt werden. In diesem Fall ist das Ideal des FCD-Prinzips erfüllt. Der Datenlieferant ist gleichzeitig auch Empfänger von daraus generierter Verkehrsinformation. Durch die Implementierung von neuen Datenübertragungtechnologien in das GSM Netzwerk wie z.B. GPRS, die ein datenorientiertes Abrechnungsmodell erlauben (es wird die tatsächliche übertragene Datenmenge bezahlt und nicht die Verbindungszeit), können erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.

Tabelle 4.2-1: Technologiebewertung GSM

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2.2 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD)

HSCSD steht für High Speed Circuit Switched Data und ermöglicht gegenüber herkömmlichen GSM-Datendiensten (9,6 kBit/s) durch Reduzierung der Fehlerkorrekturbits eine Geschwindigkeitssteigerung bis zu 50% auf 14,4 kBit/s pro Kanal. Durch die Nutzung mehrerer Zeitschlitze (Kanalbündelung) in GSM-Netzen können Datenraten von bis zu 4 (8) x 14,4 kBit/s erreicht werden. HSCSD wurde im Dezember 1999 in Österreich durch Connect Austria (one) erstmals eingeführt.

Der Vorteil dieser Technik liegt darin, dass sie relativ einfach (im Vergleich zu GPRS) vom Netzbetreiber implementiert werden kann. Im Gegensatz zu GPRS (paketorientiert) werden die Daten jedoch leitungsorientiert übertragen. Dies hat bei der Datenübertragung der Floating Car Data den Nachteil, dass immer eine Leitungsverbindung aufrechterhalten werden muss. Dadurch entstehen erhöhte Gebühren für die Datenübertragung, obwohl die Datenübertragungsrate von GSM (9.6 kBit/s) als ausreichend anzusehen ist.

Verfügbare HSCSD Netze und Endgeräte

Mitte 2001 wurde in den meisten europäischen Staaten mit zumindest einem Netzbetreiber die HSCSD Technologie eingeführt.

Das PCMCIA CardPhone 2.0 von Nokia war lange Zeit das einzige Endgerät, mit dem HSCSD genutzt werden konnte. Auf der CeBIT 2000 wurde mit dem Nokia 6210 das zweite, seit Herbst 2000 auch lieferbare, HSCSD-Gerät vorgestellt. HSCSD wurde zwar von Nokia entwickelt, ist aber kein reiner Firmenstandard, da auch andere Hersteller wie Ericsson (R520) und Siemens (S40) HSCSD-Produkte produzieren.

Zusammenfassung HSCSD

Für die Floating Car Daten Generierung ist HSCSD nur bedingt geeignet. Im Gegensatz zu GPRS (paketorientiert) werden die Daten bei HSCSD wie bei GSM leitungsorientiert übertragen. D.h. bei einer Verbindung müssen die Gebühren für mehrere Leitungen bezahlt werden. Dadurch entstehen in der Regel höhere Kosten. Da die Datenübertragungskapazität von 9,6 kBit/s im herkömmlichen GSM Netzwerk ist völlig ausreichend, um laufend Positionsdaten an eine Datenzentrale zu senden.

Ein weiterer Grund, warum diese Technologie nicht für die FC Datenübertragung geeignet ist, sind fehlende Interoperabilität und fehlende Roamingverträge zwischen den Mobilfunkbetreibern. Neben den schon erwähnten Mobiltelefonen und der PC-Cards für Notebooks gibt es keine ausgereiften HSCSD Industriemodems.

Tabelle 4.2-2: Technologiebewertung HSCSD

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2.3 Genaral Packet Radio Service (GPRS)

GPRS ist ein Übertragungsverfahren, bei dem die Daten in Form von Datenpaketen mit jeweils einer eigenen Zieladresse versendet werden. Der Funkkanal wird im Gegensatz zur GSM und HSCSD Datenübertragung^[11] nur dann belegt, wenn tatsächlich Daten übertragen werden. Wenn ein Teilnehmer gerade keine Daten überträgt, bleibt er zwar online im Netz eingebucht, der Funkkanal wird aber einem anderen Kunden zur Datenübertragung zur Verfügung gestellt. Diese gesteigerte Effizienz der Datenübertragung kann in Form von günstigeren Tarifen an den Endkunden weitergegeben werden.

Die theoretische Obergrenze der Datenübertragungsrate beträgt in GPRS Netzwerken 171,2 kBit/s. Dies wird durch die Bündelung von bis zu acht Kanälen erreicht. Für GPRS wird das bestehende GSM-Mobilfunknetz weiter verwendet. Es werden keine neuen Antennen und auch keine neuen Sendeeinrichtungen benötigt. Nur zum Transport der GPRS-Daten wird zusätzlich zu jedem Base Station Controller (BSC) eine Packet Control Unit (PCU) installiert [ERICSSON (2004)].

[...]

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^[1] Als Ausstattungsrate A FCD definiert sich das Verhältnis zwischen Anzahl an FCD Fahrzeugen q FCD (Stichprobenumfang) zur Grundgesamtheit der Kfz q, die einen bestimmten Streckenabschnitt je Zeiteinheit passieren, angegeben in Prozent (siehe Gleichung 6.1-1, Seite 148).

^[2] Meist Induktionsschleifen oder Mikrowellendetektoren mit Abständen von ca. 1-3 km.

^[3] Es werden nur jene zusätzlichen Kosten berücksichtigt, die zum Generieren von fahrzeugbezogenen Verkehrsdaten anfallen.

^[4] Beim „Map Matching Process“ werden die kontinuierlich erhoben GPS-Ortungs­daten mit der digitalen fahrzeugseitigen Karte abgeglichen und gegebenenfalls korrigiert. Der Prozess stellt somit fest, ob sich das Fahrzeug noch auf einen bestimmten Streckenabschnitt der gespeicherten Karte befindet oder nicht.

^[5] GSM: maximal 250km/h

^[6] Ein Zelle wird dann als neue Zelle benutzt, wenn die Empfangsfeldstärke der neuen Zelle mindestens 5 Sekunden größer ist als die der aktuellen Zelle (C2-Kriterium, Cell Reselection Criterion)

^[7] Es sind im GSM Netzwerk bei heutiger Gesprächsqualität max. 6-9 Gespräche gleichzeitig in einer Funkzelle möglich.

^[8] Global Automotive Telematics Standard, siehe Kapitel 4.3, Seite 58

^[9] Bei diesem Komprimierungsverfahren wird immer nur der Differenzwert zum vorhergehenden Wert gespeichert. Besonders bei den GPS-Positionskoordinaten ergibt sich hier ein großes Datenreduktionspotenzial.

^[10] Anzahl der Gespräche ist abhängig von der Konfiguration der Sprachqualität.

^[11] Bei GSM und HSCSD erfolgt die Datenübertragung "verbindungsorientiert". Das bedeutet, es muss eine direkte Leitungsverbindung aufgebaut werden, bevor mit der Datenübertragung begonnen werden kann. Dieser Verbindungsaufbau erfordert die Kommunikation zwischen mehreren Netzelementen und kann von Sekunden bis zu einigen Minuten (im Falle einer Internetverbindung) dauern. Während der Datenübertragung bleibt die Verbindung bestehen, auch wenn gerade keine Daten übertragen werden. Dies ist grundsätzlich ineffizient, weil Datenverkehr nicht kontinuierlich, sondern meist in Form von Paketen anfällt.

• Universidad: University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna (Institut für Verkehrswesen)
• Calificación: Gut (2)
• Autor: Dipl.-Ing. Dr. MSc Martin Linauer (Autor)
• Año de publicación: 2005
• Páginas: 213
• No. de catálogo: V48514
• ISBN (Ebook): 9783638451987
• Idioma: Alemán
• Etiqueta: Generierung, Verkehrsdaten, Basis, Einsatz, Verkehrstelematiksystemen