Verkehrliche Wirkung autonomer Fahrzeuge

Die Effizienz des Verkehrssystems ist abhängig von der Kapazität einer Verkehrsanlage. Bei einer Nutzung der Verkehrsanlage durch autonom fahrende Fahrzeuge wird sich die Kapazität gegenüber einer Nutzung durch menschliche Fahrer verändern. Für den Verkehrsfluss sind entweder die Kapazitäten der Streckenabschnitte oder der Knotenpunkte maßgebend. Während für die Leistungsfähigkeit städtischer Straßennetze vor allem die Kapazitäten der Knotenpunkte und dort der Lichtsignalanlagen relevant sind, sind auf Autobahnen auch die Kapazitäten freier Strecken ausschlaggebend. Aus diesem Grund betrachten die folgenden Überlegungen die Kapazitäten für beide Fälle unter Berücksichtigung, dass ein noch nicht bekannter Anteil der Fahrzeuge autonom fährt.

Streckenabschnitte von Autobahnen

16.3.1.1 Kapazität

Die Kapazität eines Fahrstreifens ist festgelegt durch die maximale Anzahl von Fahrzeugen, die einen Querschnitt während einer Zeiteinheit passieren können. Sie bestimmt sich durch die Dichte der Fahrzeugkolonne und der Geschwindigkeit, mit der die Fahrzeugkolonne den Querschnitt passiert. Die Zustandsgleichung, die das Verhältnis dieser grundlegenden Kenngrößen des Verkehrsablaufs beschreibt, lautet:

In einem homogenen Verkehrsfluss ist die Dichte einfach zu bestimmen und ergibt sich aus dem Reziprok des Platzbedarfs eines Fahrzeugs [11]:

In diesem Zusammenhang ist Th der zeitliche Abstand (Zeitlücke) zum vorausfahrenden Fahrzeug und L die Länge eines Fahrzeugs. Da die Kapazität die maximale Verkehrsstärke qmax darstellt, ist diese folglich eine Funktion von v, Th und L. Für den Fall, dass ausschließlich menschliche Fahrer die Fahrzeuge steuern, ergibt sich die Kapazität Ch mit:

Analog wird die Kapazität Ca in einem rein durch autonome Fahrzeuge zusammengesetzten Verkehrsfluss durch die folgende Funktion beschrieben, in der Ta die von autonomen Fahrzeugen bevorzugte Zeitlücke darstellt:

Das Verhältnis der beiden Kapazitätswerte und damit die Veränderung der Kapazität wird durch den Zusammenhang

beschrieben.

Für die Abschätzung des Einflusses autonomer Fahrzeuge auf die Kapazität werden für die Parameter der Kapazitätsformel Größen verwendet, die für heutige Verhältnisse empirisch nachgewiesen sind. So erscheint es sinnvoll als mittlere Geschwindigkeit, bei

der die Kapazität erreicht wird, den Wert v = 80km / h (22,2m / s) anzunehmen. Für den

Platzbedarf eines mittleren Personenkraftwagens wird das bekannte Maß einer mittleren Fahrzeuglänge von 4,5 m und eines minimalen Sicherheitsabstands zum Vordermann von 3,0 m und somit LPkw = 7,5 m verwendet. Als mittlere Länge eines Lastkraftwagens werden 18 m als gewichtetes Mittel der Längen eines Lastzuges (18,75 m) und eines Sattelschleppers (16,50 m) angesetzt. Für den Platzbedarf eines Lastkraftwagens ergeben sich unter Berücksichtigung von 3,0 m Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug LLkw = 21 m. Als realistische Größe für den mittleren zeitlichen Folgeabstand bei hohen Verkehrsstärken liefern die empirischen Untersuchungen einen Wert von Th = 1,15 s.

Für die Veränderung der Kapazität bei autonomem Fahren ist die veränderte Folgezeit-

lücke Ta ausschlaggebend. Als technisch realisierbar und zugleich aus Sicht der Verkehrsteilnehmer akzeptabel erscheint hierfür ein Wert von Ta = 0,5 s. Dieser sehr kurze Folgeab-

Abb. 16.7 Kapazitätszuwachs, der sich bei einer ausschließlich autonomen Fahrzeugflotte (nur Pkw) in Abhängigkeit der Geschwindigkeit ergeben würde

stand tritt bereits heute in Abhängigkeit der Verkehrsverhältnisse bei bis zu 20 % aller Folgeabstände auf. Insofern scheint dieser Abstand akzeptabel, sofern aus technischer Sicht die Sicherheit gewährleistet ist.

Für die unterstellten Größen würde sich bei Verwendung der oben hergeleiteten Formeln die Kapazität und damit der maximale Durchfluss im Falle eines rein autonomen Verkehrs deutlich erhöhen (Faktor 1,78) (s. Abb. 16.7).

Gegenüber den heute beobachteten Kapazitätswerten eines Fahrstreifens von 2200 Kfz/h wäre damit bei einem rein autonomen Verkehr eine Steigerung der Verkehrsstärke auf etwa 3900 Kfz/h möglich.

Wird der Schwerverkehr im Verkehrsfluss berücksichtigt, so kann der mittlere Platzbedarf der Fahrzeuge aus einer mit dem Schwerverkehrsanteil m gewichteten Summe gebildet werden. Die Verkehrsdichte erhält man dann wiederum aus dem Reziprok des mittleren Platzbedarfs eines Fahrzeugs mit

Für die Kapazität ergibt sich bei dieser Betrachtung der Zusammenhang

Geht man von einer für den autonomen Verkehr auf Autobahnen moderaten Geschwindigkeit von 80 km / h aus, so erhält man den im folgenden Diagramm dargestellten funktionalen Zusammenhang. Für einen auf deutschen Autobahnen typischen Lkw-Anteil von 15 % würde sich dann eine Kapazität von etwa 3877 Kfz / h und damit nahezu der doppelte Wert

Abb. 16.8 Kapazität eines Fahrstreifens bei rein autonomem Verkehr in Abhängigkeit des LkwAnteils

gegenüber heute empirisch nachgewiesenen Kapazitäten einstellen. Setzt man in die Kapazitätsformel für eine Plausibilitätsprüfung Ta = 1,15 s bei ansonsten unveränderten Parametern, ergibt sich bei einem Schwerverkehrsanteil von 15 % eine Kapazität von etwa 2280 Kfz / h. Dieser Wert entspricht den bei heutigen Verhältnissen gemessenen Kapazitäten und bestätigt die richtige Wahl des Rechenansatzes sowie der Parameter.

Bei gemischtem Verkehr, in dem autonome Fahrzeuge mit einem Anteil von rt am Gesamtaufkommen vertreten sind, ist die Kapazität Cm zusätzlich von der Anteilsgröße rt abhängig:

Setzt man auch hier wiederum mit v = 80 km / h und LPkw = 7,5 m realistische Größen in die Gleichung ein, ergibt sich der im folgenden Diagramm dargestellte Zusammenhang (s. Abb. 16.9). Aus der Abbildung wird deutlich, dass die Kapazität bei geringeren Ausstattungsraten unterproportional anwächst und bei rt = 0,5 erst einen Wert von etwa 3100 Pkw / h und damit von 36 % der möglichen Steigerung bei Vollausstattung erreicht.

Berücksichtigt man darüber hinaus, dass autonome Fahrzeuge einen zusätzlichen Abstand auf ein von einem menschlichen Fahrer gelenktes Fahrzeug lassen sollten, um diesen Fahrer nicht zu bedrängen, wird die Bestimmung der Kapazität etwas komplizierter. In dieser Betrachtung müssen die Kombinationen aufeinanderfolgender Fahrzeuge (a-a, a-h, h-a, und h-h) und die zugehörigen Zeitlücken (Taa, Tah, Thx) betrachtet werden, um zu einer modifizierten Kapazitätsgleichung zu gelangen:

Abb. 16.9 Kapazität eines Fahrstreifens in Abhängigkeit des Anteils autonomer Fahrzeuge bei reinem Pkw-Verkehr

Als realistische Werte können für die Zeitlückendauern die Werte Taa = 0,5 s, Tah = 0,9 s, Thx = 1,15 s angenommen werden. In dieser Betrachtung steigt die Kapazität in Abhängigkeit der Ausstattungsrate im unteren Bereich noch etwas langsamer an und erreicht für rt = 0,5 einen Wert von 2850 Kfz / h, um bei einer Ausstattung von 100 % den Kapazitätswert von knapp 4300 Kfz / h zu erreichen (s. Abb. 16.10).

Dieselbe Vorgehensweise kann für die Abschätzung der Kapazität für reinen LkwVerkehr angewendet werden, der auf einem Fahrstreifen einer Autobahn organisiert werden könnte. Bei unveränderten Annahmen für die erforderlichen Zeitlücken wird der Platzbedarf wiederum mit L = 21 m gewählt. Mit diesen Eingangswerten ergibt sich bei rein autonomem Fahren ein Kapazitätswert von 2420 Lkw / h anstatt der bei menschlichen Fahrern erreichbaren 1720 Lkw / h.

16.3.1.2 Stabilität

Neben der Kapazität, die die größte Verkehrsstärke darstellt, die ein Verkehrsstrom bei gegebenen Weg- und Verkehrsbedingungen an dem für ihn bestimmten Querschnitt erreichen kann, ist insbesondere die Stabilität des Verkehrsablaufs für die Effizienz von Bedeutung. Deutlich wird dies, wenn die Kapazität als stochastische Größe betrachtet wird, die die Wahrscheinlichkeit des Zusammenbruchs in Abhängigkeit der Verkehrsstärke wiedergibt. Je größer die Standardabweichung in der Wahrscheinlichkeitsverteilung ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit des Zusammenbruchs bereits bei geringeren Verkehrsstärken und damit die Instabilität.

Kommt es zum Zusammenbruch, vermindert sich durch den Effekt des capacity drop die Kapazität spürbar in der in der o. g. Literatur [10] angegebenen Größenordnung von etwa 10 %.

Verschiedene orts- und zeitabhängige Faktoren führen bei gleicher Fahrstreifenanzahl und gleichen verkehrlichen Randbedingungen (Verkehrsstärke, Schwerverkehrsanteil) zu

Abb. 16.10 Kapazität eines Fahrstreifens in Abhängigkeit des Anteils autonomer Fahrzeuge bei reinem Pkw-Verkehr unter Berücksichtigung größerer Folgezeitlücke von autonomen Fahrzeugen auf von Fahrern gelenkte Fahrzeuge

unterschiedlichen Verteilungsfunktionen der Kapazität. Wesentliche Einflussfaktoren sind in diesem Zusammenhang die Geschwindigkeits- und die Zeitlückenverteilungen. Je geringer die Standardabweichungen sind, umso stabiler ist der Verkehrsablauf und umso weniger Zusammenbrüche sind auch bei hohen Verkehrsstärken zu erwarten.

Autonome Fahrzeuge werden, insbesondere wenn sie durch Kommunikation untereinander die Aktionen der vorausfahrenden Fahrzeuge antizipieren können, zu einer Verstetigung des Verkehrsablaufs und somit zur Stabilität beitragen. Bei einem rein autonomen Verkehr ist davon auszugehen, dass eine vollständige Stabilität erreicht wird und ein Kapazitätsabfall vermieden werden kann.

 
< Zurück   INHALT   Weiter >