Project description
(German)
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Verkehrsumlegungs-Modelle für überlastete Netze: Ausführliche Projektbeschreibung
1 PROBLEMBESCHREIBUNG
1.1 EINLEITUNG
Die Verkehrsumlegung ist ein wichtiger Teilaspekt aller Verkehrsmodelle, unabhängig davon, ob es sich z.B. um aggregierte oder disaggregierte, auf Einzelwegen, Wegeketten oder Aktivitätenketten beruhende Ansätze handelt. Bei der traditionellen Verkehrsumlegung werden die in den vorangegangenen Modellschritten erzeugten Wunschlinien auf das Verkehrsnetz umgelegt und die Verkehrsbelastungen auf den einzelnen Netzabschnitten bestimmt. Dabei werden für jedes Quell-/Zielort-Paar die möglichen Routen durch das Verkehrsnetz ermittelt. Für jede Route wird die Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit welcher sie benutzt wird. Routen, welche einen geringen Aufwand (z.B. Zeit und Distanz, ausgedrückt als generalisierte Kosten) für die Verkehrsteilnehmer verursachen, werden natürlich mit grösserer Wahrscheinlichkeit benutzt als andere.
1.2 EINFACHE MODELLE
Die einfachsten Modellansätze beruhen auf der Annahme, dass die Reisezeiten unabhängig von den Verkehrsbelastungen seien (d.h. es wird mit konstanten generalisierten Kosten gerechnet), dass die Verkehrsteilnehmer perfekt informiert seien und dass sie ausschliesslich nur die Route mit den tiefsten generalisierten Kosten benutzen (einfache Best-Weg-Umlegungen).
In Wirklichkeit stimmen die Verkehrsteilnehmer in ihrer Einschätzung des mit den einzelnen Routen verbundenen Aufwandes nicht überein und die Routenwahl kann durch andere als die in den generalisierten Kosten berücksichtigten Faktoren beeinflusst werden. Um die Routenwahl realitätsgetreuer zu modellieren, werden daher die "Kosten" einer Route als Zufallsvariable behandelt und das Wahlverhalten mit "random utility"-Ansätzen abgebildet (stochastische Umlegung). Ein früher und bekannter Vertreter dieser Modellfamilie ist der STOCH-Algorithmus nach R.B. Dial (1970), welcher z.B. auch bei den Modellanwendungen im Rahmen der GVK und der NUP zum Einsatz gelang.
1.3 MODELLE FÜR ÜBERLASTETE NETZE
Heutige Verkehrsuntersuchungen haben vielfach stark belastete, teilweise überbelastete Verkehrsnetze zum Gegenstand, in denen die Reisezeit mit zunehmendem Verkehr überproportional ansteigt. Die Annahme konstanter Reisezeiten resp. "Kosten" kann damit nicht mehr aufrecht erhalten bleiben und es sind sog. kapazitätsabhängige Umlegungsmethoden (capacity restraint assignment) einzusetzen, welche den Zusammenhang zwischen Verkehrsbelastungen und "Kosten" explizit berücksichtigen. Die kapazitätsabhängige Umlegung erfolgt entweder mit heuristischen Methoden (z.B. inkrementweise, "volume averaging" usw.) oder - heute vermehrt - mit Gleichgewichts-Umlegungsmethoden, bei denen sowohl deterministische als auch stochastische Ansätze zur Anwendung gelangen.
Die kapazitätsabhängigen Umlegungsmethoden unterscheiden sich stark in Bezug auf die Art der Berücksichtigung der Abhängigkeit der "Kosten" von den Verkehrsbelastungen. Einfache Modelle beschränken sich auf die Verwendung von "Staukurven" (speed-flow-curves), welche den Zusammenhang zwischen Verkehrsmenge und mittlerer Geschwindigkeit auf den Streckenabschnitten zwischen den Knoten abbilden. Solche Modelle eignen sich für regionale Netze und Planungen strategischer Art. In städtischen Netzen versagt aber dieser Ansatz, weil die "Kosten" zum überwiegenden Teil nicht auf den Zwischenstrecken, sondern an den Knoten in Form von Wartezeiten (Stau) anfallen. Die Methoden zur Berücksichtigung der Wartezeiten für die einzelnen Verkehrsströme an einem Knoten reichen von der Annahme konstanter Abbiegezuschläge über variable Zuschläge in Funktion der Knotengeometrie und der Vortrittsregelung bis zur Simulation des Verkehrsflusses an den Knoten, teilweise unter Berücksichtigung der durch Rückstau an Nachbarknoten verursachten Behinderungen (blocking back).
1.4 DYNAMISCHE UMLEGUNGSMODELLE
Bei den bis jetzt erwähnten Umlegungsmethoden wird die umzulegende Wunschlinienmatrix unverändert belassen, d.h. die Verkehrsnachfrage zwischen den einzelnen Quell- und Zielorten während der betrachteten Zeiteinheit (z.B. Abendspitzenstunde) wird als statisch angenommen. Dynamische Umlegungsmodelle berücksichtigen die zeitliche Variabilität der Verkehrsnachfrage innerhalb der betrachteten Zeitperiode (z.B. Tag oder Abendspitzenstunde). Bei diesen in bezug auf Detaillierungsgrad der Resultate sehr fortgeschrittenen, aber in Bezug auf den Modellierungsaufwand auch sehr aufwändigen dynamischen Umlegungsmodellen lässt sich zwischen Simulationsansätzen (rule based simulation) und analytischen Ansätzen unterscheiden.
1.5 UMLEGUNGSMODELLE MIT ELASTISCHER NACHFRAGE
Umlegungsmodelle mit elastischer Nachfrage berücksichtigen zudem die Tatsache, dass sich der Transportaufwand ("Kosten") auf das Verkehrsaufkommen auswirken kann. Zum Einsatz gelangen deterministische und stochastische Gleichgewichts-Umlegungsmodelle mit elastischer Nachfrage. Ebenfalls zur Kategorie der Modelle mit elastischer Nachfrage sind die simultanen Modellansätze (z.B. nested logit), welche Verkehrserzeugung, Verkehrsverteilung, Modal Split und Umlegung in einem simultanen Wahlverhaltensmodell (discrete choice models, random utility models) behandeln.
1.6 ADAPTIVE ROUTENWAHLMODELLE
Im Hinblick auf die in Zukunft in grösserem Umfang zur Verfügung stehenden aktuellen Verkehrsinformationen (Verkehrstelematik) gewinnen auf Einzelpersonen bezogene Routenwahl-Modelle, welche z.B. die subjektive Beurteilung der Informationen oder das Lernverhalten aufgrund von Erfahrungen berücksichtigen, an Bedeutung. Hier liegen Forschungsergebnisse, aber noch kaum in der Praxis anwendbare Ansätze vor.
1.7 FAZIT
Der obige Überblick, welcher keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, zeigt den breiten Fächer von Umlegungsmethoden. Jede dieser Methoden hat ihre Vor- und Nachteile in Bezug auf Modellierungsaufwand, Daten- und Zeitbedarf auf der einen und Aussagekraft und Zuverlässigkeit der Resultate auf der anderen Seite. Entsprechend hat jede Methode ihre Einsatzgebiete, für welche sie sich besonders, beschränkt oder evtl. gar nicht eignet.
Dem Verkehrsplaner fehlen heute eine systematische Übersicht und Beschreibung der verfügbaren Umlegungsmethoden, ihrer Möglichkeiten und Grenzen sowie ihrer Vor- und Nachteile. Diese Feststellung gilt insbesondere die neueren Umlegungsmodelle, welche sich speziell für stark belastete Verkehrsnetze mit Kapazitätsengpässen, Rückstau an Knoten usw. eignen. Der fehlende Überblick, sowohl auf Auftraggeber- als auch Auftragnehmerseite, kann zur Wahl einer für die zu behandelnde Fragestellung nicht adäquaten Umlegungsmethodik und zu entsprechend zweifelhaften oder gar unbrauchbaren Resultaten sowie zu unnötigen Kosten führen. Es ist das Ziel der vorgeschlagenen Forschungsarbeit, hier ein Hilfsmittel in der Form eines einfachen Leitfadens zu schaffen und Empfehlungen für die Durchführung von Umlegungsberechnungen, insbesondere für Fälle mit Kapazitätsengpässen, auszuarbeiten.
2 STAND DER FORSCHUNG
2.1 FORSCHUNG IM AUSLAND
International wurden und werden auf dem Gebiet der Umlegungsmodelle resp. der Routenwahlmodelle verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt. Zu erwähnen sind beispielsweise die am Los Alamos National Laboratory im Rahmen des Projektes TRANSIMS durchgeführten Arbeiten (vgl. z.B. Rilett L.R., 2001). TRANSIMS verwendet für die dynamische Routenwahl ein Mikrosimulationsmodell. Ein Simulationsmodell für dynamische Umlegungen speziell für Hochleistungs-Strassennetze beschreiben Wang Y. et al. (2001). Eine Übersicht zu den aktuellen analytischen Ansätzen dynamischer Umlegungsmodelle geben Friesz T.L und Bernstein D. (2000).
Ein aktueller Beitrag zu den Umlegungsmodellen mit elastischer Verkehrsnachfrage findet sich beispielsweise in Maher M. (2001). Ansätze für auf Einzelpersonen bezogene Routenwahlmodelle, welche sich speziell für Situationen mit Verkehrsüberlastungen oder für die Abschätzung der Auswirkungen von Verkehrsinformationen eignen, beschreiben u.a. Chen A. und Recker W. (2001), Nakayama S. et al. (2001), Wei H. et al. (2001) sowie Stern E. (1998).
2.2 FORSCHUNG IN DER SCHWEIZ
In der Schweiz wurde in den letzten Jahren keine Forschung auf dem Gebiet der Umlegungsmodelle betrieben. Eine frühe Arbeit war der SVI-Forschungsauftrag 2/72 zum Thema Umlegungsteilung (R. Müller, 1973). Diese Arbeit behandelte ein theoretisches Modell zur simultanen Behandlung von Verkehrsteilung und Umlegung, welches eine Grundlage für das Verkehrsmodell Polydrom bildete. Im Rahmen eines Projektes zur Beurteilung der Auswirkungen der A12 wurde 1988 am IVT ETHZ (C. Hidber und M. Keller, 1988) eine Zusammenstellung damals bekannter Umlegungsmodelle erstellt. Verschiedene der damaligen Ansätze sind auch heute noch, teilweise in weiterentwickelter Form, im Einsatz. Allerdings wurden in dieser Zusammenstellung die Aspekte der Umlegung bei überlasteten Verkehrsnetzen nicht behandelt. Zusammenfassend ist also festzustellen, dass in der Schweiz eine Übersicht und Beurteilung aktueller Umlegungsmethoden, insbesondere von solchen, welche sich für die an Bedeutung gewinnenden Situationen mit Verkehrsüberlastungen eignen, fehlen.
3 METHODE / LÖSUNGSANSATZ
3.1 ZIEL
Als Resultat der Forschungsarbeit soll eine systematische Übersicht über die heute verfügbaren Umlegungsmethoden vorliegen mit einer Beurteilung, welche Ansätze sich für welche Fragestellungen am besten eignen. Das Schwergewicht liegt dabei bei Modellansätzen für Situationen mit stark belasteten resp. überlasteten Strassennetzen. Für eine Auswahl verfügbarer Algorithmen wird der Einsatz an einfachen Beispielen illustriert. Für die praktische Anwendung der Umlegungs- resp. Routenwahlmodelle werden Empfehlungen und Hinweise in Bezug auf die Vor- und Nachteile ausgearbeitet.
3.2 VORGEHEN
3.2.1 Literaturstudium/Umfrage bei Forschungsstellen
Mittels eines breit angelegten Literaturstudiums und einer Umfrage bei Forschungsstellen (Universitäten, Büros) werden der Stand von Forschung und Entwicklung von Umlegungsmethoden zusammengestellt. Dabei wird der Fächer in Bezug auf die Art der Modellansätze und der Einsatzgebiete weit geöffnet, ein spezielles Augenmerk aber auf Anwendungen in Fällen mit Kapazitätsengpässen gelegt.
3.2.2 Umfrage bei Modellanwendern
Ämter und Büros in der Schweiz, welche sich bekanntermassen mit Verkehrsmodellen beschäftigen, werden betreffend eingesetzten Umlegungsmodellen, gemachten Erfahrungen betr. Vor- und Nachteilen, Wünschen/Vorstellungen/Ansprüche an ein "gutes" Umlegungsmodell usw. mittels eines Fragebogens befragt und später bei Bedarf für nähere Abklärungen telefonisch kontaktiert. Der Inhalt des Fragebogens berücksichtigt die Ergebnisse des Literaturstudiums und der Umfrage bei Forschungsstellen. Ziel dieses Arbeitsschrittes ist eine Darstellung und Beurteilung des Standes der Praxis in der Schweiz.
3.2.3 Systematik der Umlegungsmodelle
In der Problembeschreibung wurden das weite Anwendungsgebiet von Umlegungsmodellen und die Vielfalt der Ansätze skizziert. Auf der Basis einer Strukturierung der Anwendungsgebiete (Problemstellungen) auf der einen Seite, z.B. nach
- zu untersuchender Massnahme (Infrastruktur/Verkehrslenkung/Verkehrs-information)
- Planungshorizont (lang-/kurzfristig/on-line)
- geforderter Detaillierungsgrad der Resultate (Grob-/Feinplanung)
- Netzeigenschaften (z.B. Autobahnnetz/städtisches Netz/regionales Netz)
- Aufbau der übrigen Modellelemente (aggregiert/disaggregiert)
und der Umlegungsansätze auf der anderen Seite, z.B. nach
- statisch/dynamisch (analytisch/Simulation)
- Algorithmus (heuristisch/Gleichgewicht)
- deterministisch/stochastisch
- fixe/elastische Nachfrage
- Rückkopplungen mit weiteren Modellelementen
- Detaillierungsgrad der Resultate (Verkehrsbelastung, Reisezeiten, Qualität des Verkehrsflusses, Rückstaulängen usw.)
wird eine Systematik der Umlegungs- resp. Routenwahlmodelle erstellt.
3.2.4 Beurteilung der Methoden
Aus der im vorangegangenen Arbeitsschritt erstellten Systematik ergeben sich bereits die Haupteinsatzgebiete der einzelnen Methoden. Hier geht es nun darum, diese zu beurteilen in Bezug auf:
- Plausibilität/Zweckmässigkeit der Annahmen, welche dem Ansatz zugrunde liegen (theoretisches Fundament)
- Stärken/Schwächen bei der praktischen Anwendung wie Datenbedarf, Aussagekraft und Zuverlässigkeit der Resultate
- Verfügbarkeit der Software
- Anforderungen an die Anwender in Bezug auf Kenntnisse, Erfahrungen
- Praktische Erfahrungen mit dem Ansatz
- Zweckmässigkeit/Übertragbarkeit für Anwendungen in der Schweiz
Für typische Problemstellungen aus der Praxis der Verkehrsplanung wird der Einsatz von als zweckmässig beurteilten Modellansätzen - soweit sie von den Verfassern für Testzwecke (Demoversionen) zur Verfügung gestellt oder anderweitig besorgt werden können - an praxisnahen Beispielen demonstriert und beschrieben. Dabei sollen insbesondere auch Situationen in städtischen Gebieten mit Kapazitätsengpässen und Rückstau an Knoten betrachtet werden.
3.2.5 Empfehlungen/Leitfaden
Für die verschiedenen Anwendungskategorien (Gruppierung gem. 3.2.3) werden aufgrund der durchgeführten Beurteilung jene Umlegungs- und Routenwahlmodelle vorgeschlagen, welche sich für Anwendungen in der Schweiz am besten eignen. Ein Schwergewicht wird dabei auf Anwendungen für Netze mit Kapazitätsengpässen gelegt.
Für die Wahl des für eine bestimmte Problemstellung am besten geeigneten Umlegungsverfahrens und für die Anwendung der einzelnen Verfahren werden Hinweise in der Form eines einfachen Leitfadens gemacht.
4 DATENLAGE
Die für die vorgesehene Demonstration der Anwendung einzelner Umlegungsverfahren erforderlichen Grundlagedaten sind bei der Forschungsstelle verfügbar.
5 RESULTATE, NUTZEN UND UMSETZBARKEIT IN DIE PRAXIS
Siehe ARAMIS SBT Meldeformular
Siehe Textkategorie "Umsetzung und Anwendung"
6 GENERELLES ARBEITSPROGRAMM
Siehe Textkategorie "Forschungsplan"
7 KOSTEN
Siehe ARAMIS-Karte "Kosten"
8 VORGESEHENE SACHBEARBEITER
Als Sachbearbeiter sind Paul Widmer und Thomas Klink, beide büro widmer, Frauenfeld, vorgesehen.
Paul Widmer (Jg. 1949) ist dipl. Ing. ETH und MSc in Transportation (MIT). Er verfügt über langjährige Erfahrung in der Verkehrsplanung und insbesondere auch in der Anwendung von Verkehrsmodellen.
Thomas Klink (Jg. 1969) ist dipl. Siedlungsplaner HTL. Er ist seit 1998 im büro widmer in der Verkehrsplanung tätig. Er verfügt über Erfahrung u.a. in der Datenverarbeitung und in der Anwendung von Verkehrsmodellen.
9 ERFAHRUNGEN DER FORSCHUNGSSTELLE
Verkehrsmodelle:
- unteres Rheintal, Vorarlberg
- Raum Kreuzlingen
- Raum Frauenfeld
- Raum Arbon
Forschung:
- FA 10/84; Vereinfachte Methode zur raschen Schätzung von Verkehrsbeziehungen
- FA 43/97; Aktualisierung der Modal Split-Ansätze für Personenverkehrs-Modelle
- FA 46/99; Aktivitätenorientierte Personenverkehrsmodelle: Vorstudie (in Zusammenarbeit mit K.W. Axhausen)
10 LITERATUR
Chen A. und Recker W. (2001), Considering risk taking behavior in travel time reliability, Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
Dial R.B. (1970), A probabilistic multipath traffic assignment model wich obviates path enumeration, AMV, McLean, November 1970
Friesz T.L. und Bernstein D. (2000), Analytical Dynamic Traffic Assignment Models, in Hensher D.A. und Button K.J. (Hrsg.) Handbook of Transport Modelling, Pergamon, Oxfort, 181-195
Hidber C. und Keller M. (1988), Ein Beitrag zur Umlegung: Ausgewählte Probleme und Lösungsansätze, IVT Bericht 71/1988
Müller R. (1973), Umlegungsteilung (Assignment Modal Split), SVI Forschungsauftrag 2/72, Oktober 1973
Nakayama S., Kitamura R. und Fujii S. (2001), Driver's Route Choice Rules and Network Behavior: Do drivers become rational and homogeneous through learning? Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
Rilett L.R. (2001), Transportation Planning and the TRANSIMS Micro-simulation Model: Preparing for the Transition, Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
Stern E. (1998), Travel Choice in Congestions: Modeling and Research Needs, in Gärling et al. (Hrsg.) Theoretical Foundations of Travel Choice Modeling, Elsevier, Amsterdam, 173-199
Wang Y., Messmer A. und Papageorgiou M. (2001), Freeway Network Simulation and Dynamic Assignment using METANET Tools, Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
Wei H., Meyer E. und Lee J. (2001), Models for Route-Choice Reflecting the Use of Travel Information in a Vehicle-Based Microscopic Simulation System, Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
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Literature
(German)
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Chen A. und Recker W. (2001), Considering risk taking behavior in travel time reliability, Vortrag am 80th Annual TRB Meeting, Jan. 2001
Dial R.B. (1970), A probabilistic multipath traffic assignment model wich obviates path enumeration, AMV, McLean, November 1970
Friesz T.L. und Bernstein D. (2000), Analytical Dynamic Traffic Assignment Models, in Hensher D.A. und Button K.J. (Hrsg.) Handbook of Transport Modelling, Pergamon, Oxfort, 181-195
Hidber C. und Keller M. (1988), Ein Beitrag zur Umlegung: Ausgewählte Probleme und Lösungsansätze, IVT Bericht 71/1988
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Stern E. (1998), Travel Choice in Congestions: Modeling and Research Needs, in Gärling et al. (Hrsg.) Theoretical Foundations of Travel Choice Modeling, Elsevier, Amsterdam, 173-199
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