Verbesserte Ampelschaltung zur Wartezeitverkürzung

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Anlage
• 1. Idee und Zielsetzung
• 2. Vorteile der Ampelschaltung
  • 2.1. Optimierung des Verkehrsflusses
  • 2.2. Statistiken
• 3. Simulation
• 4. Modell
  • 4.1 Steuerungselektronik
  • 4.2 Autos
• 5. Praktische Umsetzung
• 6. Erweiterungsmöglichkeiten

Vorwort

Unser Physiklehrer Richard Repscher und unser Chemielehrer Martin Engerer haben unser Projekt betreut. Bei der Umsetzung der Infrarot-Kommunikation für das Modell haben wir privat die Hilfe von Hartmut Schott in Anspruch genommen. Die komplette Software, Elektronik und Idee stammt von uns. Das Foto des Infrarot-Sensors im Abschnitt 5 ist mit der Erlaubnis von Patrick Jahn (http://www.info-lsa.de) eingebunden.

Anlage

Anbei liegt eine CD, welche unsere Simulationssoftware enthält, die unten erklärt wird. Zur Ausführung muss Python 2.4 und PyQT3 installiert sein. Wenn Diagramme angezeigt werden sollen, muss zusätzlich die «matplotlib» mit GTK-Backend installiert sein. Die Software ist momentan nur unter Linux lauffähig. Zuerst ist das Programmverzeichnis auf die Festplatte zu kopieren. Dann kann in diesem per Doppelklick auf die Datei «simulation.py» oder über die Eingabe von «./simulation.py» in der Konsole das Programm gestartet werden.

1. Idee und Zielsetzung

Wer kennt das nicht? Ewige Wartezeiten an einer roten Ampel aber weit und breit kein Auto. Doch auch an etwas stärker befahrenen Kreuzungen sind Wartezeiten oftmals unnötig hoch.
Denn wenn zum Beispiel alle Autos an einer Ampel weggefahren sind, erhalten andere Fahrzeuge nicht umgehend grün, da festgelegte Schaltzeiten verwendet werden.

Wir haben uns das Ziel gesetzt dieses Problem zu lösen.
Zu diesem Zweck haben wir eine Ampelschaltung konzipiert, welche die Anzahl, die Wartezeit und die Relevanz der Verkehrsteilnehmer berücksichtigt.
Hierdurch wird es möglich einen optimalen Vehrkehrsfluss zu erreichen.

Jeder einzelne Verkehrsteilnehmer kann somit wertvolle Zeit sparen. Außerdem wird dadurch auch Treibstoff eingespart. Jede Stunde, die der Motor im Leerlauf verbringt, kostet rund einen Liter Kraftstoff. Bei durchschnittlicher Wartezeitverkürzung von rund 20 Sekunden, ungefähr 2000 Ampelstopps im Jahr pro Auto und 50 Millionen Fahrzeugen in Deutschland ergibt das eine Kraftstoffersparnis von 556 Millionen Litern pro Jahr für ganz Deutschland. Damit verbunden ist eine enorme Umweltentlastung und Geldersparnis. Das Feinstaub-Aufkommen ließe sich durch den Einsatz einer intelligenten Ampelschaltung um bis zu 20% senken.

Desweiteren arbeitet unser System eigenständig. Damit ist gemeint, dass es selbstständig die optimale Verteilung des Verkehrs ermitteln kann.
Ein Umbau der Fahrzeuge beispielsweise durch die Aufrüstung mit einem Funkchip ist nicht nötig, jeder Verkehrsteilnehmer wird anonym erkannt.
Allerdings schließt dies nicht die Möglichkeit der Verwendung dieser Chips aus. Durch, in Zukunft mögliche, intelligente Datenübertragung zwischen den einzelnen Fahrzeugen ließe sich das System durchaus erweitern.
Die bisherige Intelligenz unserer Schaltungsmethode soll nur der Grundstein eines perfekten Verkehrssystems sein.

Umgesetzt haben wir den Ampelschaltungsalgorhytmus mittels einer Simulationssoftware und einem Modell. Die Software simuliert Verkehrssituationen und soll die Effizienz der modernisierten Schaltung verdeutlichen. Das Modell hingegen dient zur verständlichen Veranschaulichung des Systems.

2. Vorteile der Ampelschaltung

2.1. Optimierung des Verkehrsflusses

Die Geschwindigkeitsvorteile werden dadurch erreicht, dass die Position und Anzahl der Fahrzeuge und Personen an der Ampel überwacht wird, und nach folgendem Berechnungsschema die Reihenfolge der Grünschaltung bestimmt wird:
Jedem Verkehrsteilnehmer wird zuerst eine Ausgangspriorität zugeordnet.
Ist ein Polizei-/Feuerwehr-/Krankenwagen nicht im Einsatz, wird er auch nicht als solcher erkannt, folglich wird er dann als normales Auto behandelt.

Art	Ausgangspriorität
Fußgänger/Fahrräder	5
Normales Auto	10
Bus	50
Rettungswagen im Einsatz	999

Die Priorität wird nach festgelegtem Intervall erhöht, damit die Wartezeit mit einbezogen wird. Dadurch ist ein Fußgänger der vielen Autos gegenüber steht nach gewisser Wartezeit wichtig genug, um ebenfalls die Straße überqueren zu dürfen. Hat ein Fußgänger beispielsweise 10 Sekunden gewartet, erhöht sich seine Priorität auf 10 und er hat die gleiche Wichtigkeit wie ein Auto. Nach 20 Sekunden hat er eine Priorität von 15. Polizei, Krankenwagen und Feuerwehr haben immer Vorfahrt, auch wenn sie der Priorität nach unterlegen wären.

	Priorität nach
Art	10s	30s	60s	90s	120s
Fußgänger/Fahrräder	10	20	35	50	65
Normales Auto	20	40	70	100	130
Bus	100	200	350	500	650
Rettungswagen im Einsatz	999	999	999	999	999

Anhand der Priorität der einzelnen Verkehrsteilnehmer errechnet sich die Gesamtpriorität an einer Ampel. Dann werden die Gesamtprioritäten der unterschiedlichen Ampeln miteinander verglichen und so die Reihenfolge der Grünschaltung bestimmt.

Dabei ist ein sinnvolle Kombination aus grünen Ampeln zu beachten. Unsere Ampelschaltung prüft deshalb, ob die Grünschaltung einer Ampel in Konflikt mit einer anderen treten würde.

Damit, wenn auf zwei Seiten der Kreuzung gleich viele Autos stehen, nicht bei beiden Seiten abwechselnd nur ein Auto fahren darf (Seite A: Auto fährt weg, Priorität sinkt => Seite B erhält grün, Auto fährt weg, Priorität sinkt => Seite A erhält grün usw.) gibt es eine Mindestanzahl an durchzulassenden Autos, die relativ zur Gesamtanzahl steht. Das hat zur Folge, dass wenn ein Stau ist, z. B. 15 Autos auf einmal fahren dürfen, bis die gegenüberliegende Seite grün erhält (vorausgesetzt, sie hat eine höhere Priorität natürlich). Wenn kein Stau ist, ist die Mindestanzahl geringer. So kann ein Stau schnell abgebaut werden, da unnötige Gelbzeit und Anfahrzeit wegfällt, wenn kein Stau ist, müssen die Autos aber trotzdem nicht zu lange warten.

Da unsere Ampelschaltung Rettungswagen sofort grün schaltet, und folglich den anderen Autos rot gibt, wird die Verkehrssicherheit bedeutend erhöht. So ist ausgeschlossen, dass andere Verkehrsteilnehmer die Rettungswagen überhöhren/-sehen, das heißt sie können sich zu 100% an dem Ampelsignal orientieren. So wird die Unfallwahrscheinlichkeit herabgesetzt.

Beispiel

Ampel 1: Ein 30s wartendes Auto und ein Bus, der frisch dazugekommen ist.
Ampel 2: Ein Polizeiwagen.
Ampel 3: Drei Fußgänger, die jeweils eine Minute warten.

Daraus wird die Gesamtpriorität errechnet:

Ampel 1: 90
Ampel 2: 999
Ampel 3: 105

Zuerst bekommt Ampel 2 grün (Polizei hat immer Vorfahrt), anschließend wird Ampel 3 grün geschaltet, da sie die nächsthöhere Priorität hat (die Fußgänger warten schon sehr lange).

2.2. Statistiken

Auf der folgenden Seite ist ein Verlaufs-Diagramm der Anzahl an wartenden Objekten bei einer normalen Ampelschaltung zu sehen (Bild 2.2a).

Simuliert wird ein plötzlich hohes Verkehrsaufkommen. Wie abzulesen ist, steigt die Anzahl an Autos erst, während einer Grünphase fällt sie dann wieder ab, anschließend steigt sie wieder. Das hat damit zu tun, dass bei gängigen Ampelschaltungen jede Ampel nach festgelegtem Schema geschaltet wird. Auf einer Seite ist also ein plötzlicher Abbau zu verzeichnen, auf den anderen staut sich währenddessen eine Kette von Autos auf. Im Vergleich dazu der Verlauf bei unserer intelligenten Ampelschaltung (Bild 2.2b):

Genauso wie bei der normalen fällt die Anzahl an Autos nach einer Grünphase plötzlich ab — die Anzahl an wartenden Autos steigt jedoch nicht mit jedem Durchgang. Der Grund ist, das gleichmäßig zwischen den Ampeln abgewechselt wird, und Spuren, an denen keine Autos warten, auch nicht grün erhalten. Das verkürzt nicht nur die Wartezeit für die Autos, sondern baut auch Staus schneller ab oder verhindert zumindest eine Vergrößerung dieser.

Die Wartezeiten bei hohem Verkehrsaufkommen sind aus dem links stehenden Diagramm (Bild 2.2c) ablesbar.

Die grünen Balken stehen für die Autos, blaue für Fußgänger und rote für den Durchschnitt aus beiden. Es lässt sich erkennen, dass sowohl die maximalen Wartezeiten als auch die Durchschnittswartezeiten bei beiden Ampelschaltungen ähnlich sind. Das liegt an der Tatsache, dass bei vielen gleichmäßig verteilten Autos die Effizienz der intelligenten Schaltung abnimmt. Allerdings muss man betonen, dass auch hier ein Unterschied von rund 20 Sekunden erreicht wird. Eine normale Ampelschaltun schaltet stur im Kreis, ohne die Anzahl der Autos zu beachten. Unsere schaltet punktuell und effizient, und baut somit große Zahlen an Autos deshalb schneller ab, weil diese zuerst grün erhalten.

Ihr volles Potenzial kann unsere optimierte Ampelschaltung erst bei niedrigem Verkehrsaufkommen entfalten (Bild 2.2d):

Kommt es häufig vor, dass die Vehrkehrsbelastung nicht maximal ist, erkennt man, dass vor einzelnen Ampeln keine Fahrzeuge warten. Nun ist es unnötig auch diesen eine Grünphase zu vergeben. Eine Standardampel macht nun aber genau dies, sie schaltet auch Spuren auf denen sich keine Autos befinden grün. Durch eine intelligente Ampelschaltung wird nur Ampeln mit wartenden Verkehrsteilnehmern grün geschaltet. Eine sehr ähnliche Effizienz lässt sich durch unsere Ampelschaltung bei von einer Richtung kommendem Verkehr zeigen, es kann annähernd allen anfahrenden Autos umgehend grün geschaltet werden.

Für Großstädte ist es üblich, dass morgens sehr viele Autos in die Stadt hineinfahren und Abends diese wieder verlassen, weil Pendler, die außerhalb der Stadt wohnen, ihren Arbeitsplatz aufsuchen. Wir haben das simuliert, indem wir einen Großteil der Fahrzeuge aus einer Richtung haben kommen lassen (Bild 2.2e).

Die Verteilung der Autos vor den unterschiedlichen Ampeln ist folglich sehr ungleichmäßig. Das bedeutet für eine Ampelschaltung, die die Anzahl der Autos an einer Spur nicht überwacht zwingend einen massiven Zeitverlust. Unsere Ampelschaltung hingegen hat es einfach: Sie schaltet einmal die Seite, aus der die Autos kommen grün und behält diese Einstellung bei, bis sie wegen der Autos auf anderen Spuren umschalten muss. Das bedeutet, dass wenn viele Autos auf einmal aus einer Richtung kommen, diese praktisch freie Fahrt haben.

Dies zeigt sich auch an nebenstehendem Verlaufsdiagramm (Bild 2.2f): Die intelligente Schaltung lässt keinen Stau entstehen.

3. Simulation

Da wir momentan nicht die Möglichkeit haben, unsere Ampelschaltung praktisch umzusetzen, haben wir eine Simulationssoftware geschrieben, die fähig ist, unsere verbesserte Ampelschaltung mit einer realen in einer einstellbaren Beispielverkehrssituation zu vergleichen. Dabei werden automatisch Statistiken und Diagramme (siehe 2.2) erstellt. Das Verhältnis der unterschiedlichen Verkehrsteilnehmer (normales Auto, Bus, Polizei, Fußgänger) und ein Zeitraffer sind einstellbar. Auch die Richtung aus der die Autos kommen und zu der sie fahren lässt sich konfigurieren, genauso wie das Verkehrsaufkommen.
Die Ampelschaltung ist unabhängig von dem Aufbau der Kreuzung, das heißt wenn die Kreuzung beispielsweise nur 2 Spuren hätte, würde die Ampelschaltung trotzdem einsetzbar sein.
Die Simulationssoftware ist in der Programmiersprache Python 2.4 umgesetzt, verwendet zur grafischen Ausgabe QT3 und ist momentan nur unter Linux lauffähig. Sie erstellt mittels der "matplotlib" automatisch Diagramme und Statistiken.

4. Modell

Um unsere Idee besser veranschaulichen zu können, haben wir ein 3m² großes Modell (Bild 4.a) aufgebaut, das eine vereinfachte Verkehrssituation darstellt. Auf der Modellplatte sind schwarze Spuren (Bild 4.b) eingezeichnet, die von unseren Modellautos verfolgt werden. Auf die Platte haben wir Strichcodes geklebt, in denen die aktuelle Position kodiert ist. Anhand der Strichcodes können die Autos ihre Position auf dem Kreis erkennen.

4.1. Steuerungselektronik

Auf der Platte befinden sich 8 Ampeln, 4 davon für Fußgänger. Diese Ampeln werden von einer zentralen Steuerungselektronik (Bild 4.1a) überwacht. Die Steuerungselektronik setzt dabei unsere verbesserte Ampelschaltung ein. Die Elektronik besteht - genauso wie die der Autos - im wesentlichen aus einer Mikrocontroller-Schaltung (ATMega8), programmiert mit C. Um mit den Autos kommunizieren zu können, sind auf einem "Funkturm", welcher 50cm in die Höhe ragt, mehrere Infrarotmodule installiert, welche die komplette Platte abdecken.
Wollte man diese Steuerungselektronik auf die Realität übertragen, was von der Theorie her möglich wäre, müsste man deren Ausfallsicherheit natürlich erhöhen, da in der Praxis bei Ampelschaltungen sehr hohe Standards gefordert sind. Das lässt sich durch weniger anfällige Elektronik, die maschinell zusammengebaut wurde und mehrere Einheiten, die sich gegenseitig überprüfen, realisieren.

4.2. Autos

Die Autos (Bild 4.2a) waren ferngesteuerte Spielzeugautos, in die wir unsere eigene Elektronik integriert haben. Sie können die Linie jetzt autonom verfolgen, unabhängig von einem PC oder einer fernsteuernden Person. An der Unterseite haben sie 6 Fototransistoren, um die schwarze Spur auf der Bodenplatte verfolgen zu können. Die Autos sind mit einer Infrarot-Schnittstelle ausgerüstet, um ihren Status an die Steuerungselektronik weitergeben zu können und von dieser Befehle zu erhalten.

5. Praktische Umsetzung

Man kann unsere Simulation auf eine beliebig aufgebaute Verkehrssituation in die Realität übertragen. Die Erkennung der Autos und Fußgänger funktioniert dann am besten über sogenannte Infrarot-Sensoren (Bild 5.a). Diese werden direkt bei der Ampel und zusätzlich in einiger Entfernung zur Ampel aufgestellt (Bild 5.b), damit man die Anzahl und Position der Autos überwachen kann.

Der Infrarot-Sensor B zählt die vorbeifahrenden Autos. Dann kann, wenn die Ampel rot ist, davon ausgegangen werden, dass sich die gezählte Anzahl an Autos direkt vor der Ampel befindet. An der Ampel selbst ist ein weiterer Sensor A montiert, um bei Grünschaltung die Anzahl der tatsächlich vorbeigefahrenen Autos zu ermitteln. Es muss darauf geachtet werden, dass Sensor B von Sensor A maximal soweit entfernt ist wie die nächste Abzweigung. Andernfalls könnten Autos gezählt werden, die dann abbiegen, bevor sie die Ampel erreichen.
Normalerweise werden für den Zweck des Autozählens in den Boden eingelassene Induktionsschleifen verwendet, die große Metallgegenstände erkennen können. Diese sind jedoch nicht geeignet um Fußgänger zu registrieren. Ohnehin werden heutzutage immer häufiger Infrarot-Sensoren eingesetzt, weil diese einfacher zu installieren sind. Wird eine bestehende Kreuzung umgerüstet, und sind bereits Induktionsschleifen in den Boden eingebaut, können diese natürlich statt Infrarot-Sensoren verwendet werden. Infrarot-Sensoren haben den Nachteil, dass sie nicht ganz so sicher gegen Vandalismus und zum Beispiel herabfallende Äste von Bäumen sind. Im schlimmsten Fall führt das dazu, dass sie die Autos nicht mehr korrekt erkennen.

Angenommen, es würde jemand bewusst gegen die Verkehrsregeln verstoßen, und versuchen, die Zählung der Autos zu manipulieren, könnte er entgegen der normalen Fahrtrichtung an Sensor A vorbeifahren, wenden und erneut an Sensor A vorbeifahren. Die Ampelschaltung würde das als zweimaliges Wegfahren von Autos aus dem zu erfassenden Bereich erkennen. Da diese Fahrweise jedoch nur möglich ist, wenn kein anderes Auto im Weg ist, die Anzahl an Autos also gleich 0 ist, würde die Anzahl an Autos auf unter 0 sinken - da das nicht möglich ist, kann die Ampelschaltung ein solches Problem erkennen und normal weiterarbeiten. Mehr Probleme gibt es, wenn jemand bei Sensor B im Kreis fährt: Es würden immer mehr Autos gezählt werden, die in den zu erfassenden Bereich hereinfahren, aber nicht wieder rausfahren. Dieses Problem lässt sich nur vermeiden, wenn man direkt neben Sensor B einen Sensor C installiert, der auch die Fahrtrichtung der Autos bestimmt. Da im Normalfall von einer solchen Situation jedoch nicht auszugehen ist, kann man sich diesen Aufwand sparen.

Um Polizeiwagen, Feuerwehr, Krankenwagen oder Busse von normalen Autos unterscheiden zu können, müssen diese Sender enthalten. Das ist bei Bussen bereits eine gängige Vorgehensweise, da diese schon oftmals grundsätzlich zuerst grün erhalten. Die Signale solcher Sender werden über sogenannte IR-Baken erkannt.

Das Zählen der Fußgänger ist in der Praxis nicht ganz einfach zu realisieren, wir haben deshalb unterschiedliche Ansätze entwickelt:

• Jeder Fußgänger könnte einmal auf den Druckknopf drücken. Dann kann bestimmt werden, wie oft der Knopf gedrückt wurde und die Anzahl der Fußgänger ist bekannt. Der Nachteil ist, dass diese Lösung nicht manipulationssicher ist.
• Würde man statt dem Druckknopf einen Fingerabdruckscanner einsetzen, könnte man überprüfen, ob es sich jedesmal um einen anderen Fußgänger handelt. Die Fingerabdrücke müssen nicht registriert oder lange gespeichert werden, sondern nur miteinander verglichen werden, um doppelte auszuschließen. Diese Lösung ist manipulationssicher, Bedenken könnte es wegen des Datenschutzes geben, da die Fußgänger nicht sicherstellen können, dass ihre Fingerabdrücke wirklich nicht gespeichert werden.
• Man könnte das Gewicht der Fußgänger messen. Anhand des Gewichts lässt sich dann die Anzahl der Fußgänger ungefähr abschätzen Die Umsetzung dessen ist nicht ganz leicht.
• Im Rahmen von elektronischen Personalausweisen könnte man jeden mit einem RFID-Chip (Radio Frequency Identification) ausstatten, welcher selbst keine eigene Stromversorgung benötigt. Die Ampel enthält eine RFID-Lese-Empfangs-Einheit, die die Anzahl der in ihrer Nähe befindlichen Fußgänger leicht identifizieren könnte. Mit dieser Technologie wäre es sogar möglich, zu erkennen, wann die Fußgänger die Straße wieder verlassen, da sie, sobald sie die andere Straßenseite erreichen, von der gegenüberliegenden Ampel erkannt werden. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass sie voraussetzt, dass jeder einen solchen Personalausweis bei sich hat und ebenfalls Ausnutzungsgefahr besteht, da sich theoretisch mit dieser Technik die Wegstrecken der Fußgänger überwachen lassen.

Lässt man das Zählen der Fußgänger ganz weg, fällt der Vorteil der Prioritätsberücksichtigung bei diesen weg. Man könnte, je nach Präsenz der Ampel, eine feste Anzahl an Fußgängern annehmen, die dem Durchschnittswert entspricht. An einer schwach überquerten Ampel könnte das einer Person entsprechen, an einer Ampel mitten in der Stadtmitte einer Großsstadt sind es vielleicht 10 Fußgänger. Die Ampel geht dann so vor, dass sie mittels Druckknopf oder Infrarot-Sensor nur das Vorhandenseiten mindestens eines Fußgängers feststellt, und die Anzahl schätzt.

6. Erweiterungsmöglichkeiten

Viele Ampeln sind per GPRS an das Handy-Netz oder an eine Verkehrsleitzentrale angebunden um im Fehlerfall (z. B. kaputte Lampe) eine Ausfallmeldung absetzen zu können. Diese schon vorhandene Verbindung lässt sich theoretisch auch für den Internetzugang nutzen. Lädt eine Ampelschaltung regelmäßig Befahrenheitsstatistiken ins Internet, können diese von Navigationssystemen genutzt werden, um den Verkehrsfluss gleichmäßiger zu verteilen. Erkennt ein Navigationssystem eine stark befahrene und eine schwach befahrene Kreuzung an ähnlichen Wegstrecken kann es die schwach befahrene bevorzugen.

Da Busse mittels der oben beschriebenen Technik bevorzugt werden, kann die Ampelschaltung diese getrennt registrieren und z. B. über GPRS Informationen an einen Busbahnhof über deren Aufenthaltsort weitergeben.

Unsere Simulation umfasst nur eine Kreuzung. Koppelt man mehrere Kreuzungen aneinander, kann Autos, die bereits bei Kreuzung A grün bekommen haben und in voller Fahrt sind in Kreuzung B eine höhere Priorität eingeräumt werden, was zu einer grünen Welle führt. Somit wird Energie und Zeit gespart.

• Letzte Aktualisierung: 10.03.2010
• © 2005 – 2006 Julian von Mendel, Michele Collodo, Marcel Neunhoeffer