Ampelsteuerung und Koordination

Eine Kreuzung für Straßenfahrzeuge und Fußgänger, die in Großbritannien von Ampeln kontrolliert wird. Die verschiedenen Fahrzeug- und Fußgängerbewegungen sind aus Sicherheits- und Effizienzgründen zeitlich oder räumlich getrennt.

Die normale Funktion von Ampeln erfordert mehr als Sichtkontrolle und Koordination, um sicherzustellen, dass Verkehr und Fußgänger so reibungslos und sicher wie möglich verlaufen. Um dies zu erreichen, wird eine Vielzahl unterschiedlicher Steuersysteme verwendet, die von einfachen Uhrwerkmechanismen bis hin zu ausgeklügelten computergestützten Steuer- und Koordinationssystemen reichen, die sich selbst anpassen, um die Verzögerung für Personen, die die Kreuzung benutzen, zu minimieren.

Geschichte[edit]

Das erste automatisierte System zur Steuerung von Verkehrssignalanlagen wurde von den Erfindern Leonard Casciato und Josef Kates entwickelt und kam 1954 in Toronto zum Einsatz.^[1][2][3]

Phasen und Etappen[edit]

Diese Kreuzung hat drei Fahrzeugphasen (A, B und C) und eine Fußgängerphase (D). Die Phasen arbeiten in drei Stufen (1, 2 und 3) zusammen. Bewegte Phasen werden grün und gestoppte Phasen werden rot dargestellt.

Verkehrslotsen verwenden das Konzept von Phasen, bei denen es sich um gruppierte Bewegungsrichtungen handelt.^[4][5] Beispielsweise kann eine einfache T-Kreuzung drei Fahrzeugbewegungsphasen aufweisen, eine für jeden Zweig der Kreuzung. Für andere Bewegungen wie Fußgänger, Radfahrer, Busspuren oder Straßenbahnen kann es zusätzliche Phasen geben.

EIN Bühne ist eine Gruppe von konfliktfreien Phasen, die sich gleichzeitig bewegen.^[6]

In Australien und Neuseeland ist die Terminologie unterschiedlich. Eine “Phase” ist ein Zeitraum, in dem eine Reihe von Verkehrsbewegungen ein grünes Signal erhalten – äquivalent zum Konzept einer “Bühne” in Großbritannien und den USA. Ein elektrischer Ausgang des Ampelsteuergeräts wird als “Signalgruppe” bezeichnet – ähnlich dem Konzept der “Phase” in Großbritannien und den USA. PTV VISSIM verwendet auch die Signalgruppen-Terminologie.

Verkehrsleitsysteme[edit]

Eine Verkehrsampel wird normalerweise von einem Controller gesteuert, der in einem Schrank montiert ist.^[7]

Einige elektromechanische Steuerungen sind noch im Einsatz (New York City hatte 1998 noch 4.800, obwohl die Zahl jetzt aufgrund der Verbreitung der Signalsteuerungsboxen niedriger ist^[8]). Moderne Verkehrssteuerungen sind jedoch Festkörper. Der Schrank enthält typischerweise eine Stromtafel, um den elektrischen Strom im Schrank zu verteilen; eine Detektorschnittstellentafel zum Anschluss an Schleifendetektoren und andere Detektoren; Detektorverstärker; der Controller selbst; eine Konfliktüberwachungseinheit; Blitzübertragungsrelais; ein Polizeipanel, um es der Polizei zu ermöglichen, das Signal zu deaktivieren; und andere Komponenten.^[7]

Computergesteuerte Verkehrskontrollbox

In den Vereinigten Staaten werden Controller von der NEMA standardisiert, die Standards für Anschlüsse, Betriebsgrenzen und Intervalle festlegt.^[7] Der TS-1-Standard wurde 1976 für die erste Generation von Solid-State-Controllern eingeführt.^[9]

Solid-State-Controller müssen über einen unabhängigen Konfliktmonitoreinheit (CMU), die einen ausfallsicheren Betrieb gewährleistet. Die CMU überwacht die Ausgänge des Controllers, und wenn ein Fehler erkannt wird, verwendet die CMU die Flash-Transfer-Relais, um die Kreuzung auf BLITZ, wobei alle roten Lichter blinken, anstatt eine potenziell gefährliche Kombination von Signalen anzuzeigen. Die CMU ist mit den zulässigen Lichtkombinationen programmiert und erkennt, wenn der Controller beispielsweise ein grünes Signal für widersprüchliche Richtungen gibt.

In den späten 1990er Jahren wurde in den Vereinigten Staaten vom Institute of Transportation Engineers eine nationale Standardisierungsanstrengung, die als Advanced Transportation Controller (ATC) bekannt ist, unternommen.^[9] Das Projekt versucht, einen einheitlichen nationalen Standard für Ampelsteuerungen zu schaffen. Die Standardisierungsbemühungen sind Teil des Nationalen Intelligenten Verkehrssystemprogramms, das durch verschiedene Autobahngesetze finanziert wird, beginnend mit ISTEA im Jahr 1991, gefolgt von TEA-21 und nachfolgenden Gesetzentwürfen. Die Controller kommunizieren über Nationale Verkehrskommunikation für das ITS-Protokoll (NTCIP), basierend auf Internet Protocol, ISO/OSI und ASN.1.^[9]

Backup-Batterien, die in einem separaten Schrank vom Verkehrssteuerungsschrank auf der Oberseite installiert sind.

Ampeln müssen angewiesen werden, die Etappen zu wechseln, und sie werden normalerweise so koordiniert, dass die Etappenwechsel in irgendeiner Beziehung zu anderen Signalen in der Nähe oder zum Drücken einer Fußgängertaste oder zur Aktion eines Timers oder einer Reihe anderer Eingaben erfolgen.

Batterie-Backup[edit]

In Bereichen, die anfällig für Stromunterbrechungen sind, kann das Hinzufügen von Batterie-Backups zu den Verkehrssteuerungssystemen die Sicherheit von Autofahrern und Fußgängern erhöhen. In der Vergangenheit war eine größere Kapazität der unterbrechungsfreien Stromversorgung erforderlich, um den vollen Betrieb der Ampel mit Glühlampen zu gewährleisten. Die Kosten für ein solches System wären unerschwinglich. Nach den neueren Ampelgenerationen mit LED-Leuchten, die 85-90% weniger Energie verbrauchen, ist es nun möglich, Batterie-Backups in die Ampelanlagen einzubinden. Die Batterie-Backups werden im Schrank der Verkehrssteuerung oder in einem eigenen Schrank neben der Steuerung installiert.

Die Pufferbatterien können die Steuerung im Notbetrieb mit rot blinkender Leuchte oder im Vollfunktionsmodus betreiben. Im Jahr 2004 empfahl die California Energy Commission den lokalen Regierungen, ihre Ampeln auf LEDs mit Batterie-Backup umzustellen. Dies würde den Energieverbrauch senken und die Sicherheit an wichtigen Kreuzungen erhöhen. Die Empfehlung lautete auf ein System, das nach dem Stromausfall noch zwei Stunden lang voll funktionsfähige Ampeln zur Verfügung stellt. Dann blinken die Signale noch zwei Stunden lang rot.^[10]

Feste Zeitsteuerung[edit]

Fußgängerampel in Taiwan mit einem “Walking Green Man” unter einem Countdown-Display, wo einst der “Rote Mann” stand.

In der Verkehrssteuerung sind einfache und alte Formen von Signalsteuerungen sogenannte elektromechanische Signalsteuerungen. Im Gegensatz zu computerisierten Signalcontrollern bestehen elektromechanische Signalcontroller hauptsächlich aus beweglichen Teilen (Nocken, Zifferblättern und Wellen), die direkt mit ihnen verdrahtete Signale steuern. Neben beweglichen Teilen kommen auch elektrische Relais zum Einsatz. Im Allgemeinen verwenden elektromechanische Signalsteuerungen Wählzeitgeber mit festen, signalisierten Kreuzungszeitplänen. Die Zykluslängen von signalisierten Kreuzungen werden durch kleine Zahnräder bestimmt, die sich in den Wählzeitgebern befinden. Zyklusgänge, wie sie allgemein bekannt sind, reichen von 35 Sekunden bis 120 Sekunden.^{[citation needed]} Wenn ein Fahrradzahnrad in einem Wählzeitgeber zu einem Ausfall führt, kann es durch ein anderes Fahrradzahnrad ersetzt werden, das für die Verwendung geeignet wäre. Da ein Wählzeitgeber nur einen signalisierten Kreuzungszeitplan hat, kann er die Phasen an einer signalisierten Kreuzung nur auf eine Weise steuern. Viele alte signalisierte Kreuzungen verwenden noch elektromechanische Signalsteuerungen, und Signale, die von ihnen gesteuert werden, sind in Einbahnstraßen wirksam, bei denen es oft möglich ist, die Signale auf die ausgeschilderte Geschwindigkeitsbegrenzung zu koordinieren. Sie sind jedoch nachteilig, wenn das Signaltiming einer Kreuzung davon profitieren würde, an die dominanten Ströme angepasst zu werden, die sich im Laufe des Tages ändern.^[11]

Koordinierte Steuerung[edit]

Diagramm, das zeigt, dass bei einer Synchronisierung von Ampeln für den Verkehr in eine Richtung (grüne Pfeile) der Verkehr in die andere Richtung nicht unbedingt synchronisiert wird (blaue Pfeile).

Oftmals wird versucht, Verkehrssignale auf einem koordinierten System zu platzieren, damit Autofahrer auf eine grüne Welle stoßen — eine Reihe von grünen Lichtern. Die Unterscheidung zwischen koordinierten Signalen und synchronisierten Signalen ist sehr wichtig. Synchronisierte Signale ändern sich alle gleichzeitig und werden nur in besonderen Fällen oder in älteren Systemen verwendet. Koordinierte (fortschrittliche) Systeme werden von einem Master-Controller gesteuert und sind so eingerichtet, dass Lichter der Reihe nach “kaskadiert” (Fortschritt) sind, damit Züge von Fahrzeugen eine kontinuierliche Reihe von grünen Ampeln durchlaufen können. Eine grafische Darstellung des Phasenzustands auf einer zweiachsigen Entfernungsebene über der Zeit zeigt deutlich ein “grünes Band”, das basierend auf signalisierten Kreuzungsabständen und erwarteten Fahrzeuggeschwindigkeiten festgelegt wurde.^[12] In einigen Ländern (zB Deutschland, Frankreich und Niederlande) wird dieses „grüne Band“-System verwendet, um Geschwindigkeiten in bestimmten Gebieten zu begrenzen. Die Lichter sind so getaktet, dass Autofahrer ohne anzuhalten durchfahren können, wenn ihre Geschwindigkeit unter einem bestimmten Grenzwert liegt, meist 50 km/h (30 mph) in städtischen Gebieten. Dieses System wird auf Deutsch “grüne Welle”, auf Französisch “vague verte” oder auf Niederländisch “groene golf” (englisch: “green wave”) genannt. Solche Systeme wurden in den 1940er Jahren häufig in städtischen Gebieten der Vereinigten Staaten verwendet, sind aber heute weniger verbreitet. In Großbritannien ließ Slough in Berkshire einen Teil der A4 damit experimentieren. Viele US-Städte setzen die grüne Welle auf Einbahnstraßen, um in die stärker befahrene Richtung zu fahren, anstatt zu versuchen, den Verkehr in beide Richtungen voranzubringen. Aber die jüngste Einführung des blinkenden gelben Pfeils (siehe Artikel Ampelsignalisierung und Bedienung) stellt das Lead-Lag-Signal, eine Fortschrittshilfe, bei geschützten/zulässigen Kurven zur Verfügung.^[12][13]

In modernen koordinierten Signalanlagen können Autofahrer lange Strecken zurücklegen, ohne auf eine rote Ampel zu stoßen. Diese Koordination ist nur auf Einbahnstraßen mit relativ konstantem Verkehrsaufkommen problemlos möglich. Einbahnstraßen werden oft so angeordnet, dass sie den Hauptverkehrszeiten entsprechen, um die Richtung des stärkeren Volumens zu beschleunigen. Staus können jedoch oft jede Koordination zunichte machen. Auf der anderen Seite sind einige Verkehrssignale koordiniert, um zu verhindern, dass die Fahrer auf eine lange grüne Ampelkette stoßen. Diese Praxis verhindert ein hohes Verkehrsaufkommen, indem sie Verzögerungen herbeiführt, aber Staus verhindert oder die Nutzung einer bestimmten Straße verhindert. Dies geschieht oft auf Wunsch der Anwohner in Gebieten, in denen viel Pendlerverkehr “nur durch” ist. In koordinierten Signalsystemen ist die Geschwindigkeit selbstregulierend; Fahrer, die zu schnell fahren, werden auf einer roten Anzeige ankommen und am Ende anhalten, Fahrer, die zu langsam fahren, werden nicht rechtzeitig am nächsten Signal ankommen, um die grüne Anzeige zu nutzen. In synchronisierten Systemen werden die Fahrer jedoch oft zu hohe Geschwindigkeiten verwenden, um möglichst viele Ampeln zu passieren.

Diese Ampel in Khobar, Saudi-Arabien, ist videokameragesteuert (direkt über den vertikal ausgerichteten Linsen) und zeigt auch die verbleibenden Sekunden an, um zum nächsten Zustand zu wechseln (in der am weitesten links ausgerichteten horizontal ausgerichteten Linse)

In jüngerer Zeit wurden sogar noch ausgefeiltere Verfahren eingesetzt. Ampeln werden manchmal zentral von Monitoren oder Computern gesteuert, damit sie in Echtzeit auf sich ändernde Verkehrsmuster abgestimmt werden können.^[14]Videokameras oder im Bürgersteig vergrabene Sensoren können verwendet werden, um Verkehrsmuster in einer Stadt zu überwachen. Nicht koordinierte Sensoren behindern gelegentlich den Verkehr, indem sie eine Flaute erkennen und gerade dann rot werden, wenn Autos von der vorherigen Ampel ankommen. Die meisten High-End-Systeme verwenden Dutzende von Sensoren und kosten Hunderttausende von Dollar pro Kreuzung, können aber das Verkehrsaufkommen sehr fein steuern. Dadurch entfallen weitere Maßnahmen (wie neue Straßen), die noch teurer sind.

Zu den Vorteilen gehören:^[15][16]

• Erhöhung der Verkehrsabwicklungskapazität von Straßen
• Reduzierung von Kollisionen und Wartezeiten für Fahrzeuge und Fußgänger^[17]
• Ermutigung zum Fahren innerhalb der Geschwindigkeitsbegrenzung, um grüne Ampeln zu treffen
• Reduzierung von unnötigem Anhalten und Anfahren von Verkehr – das wiederum reduziert Kraftstoffverbrauch, Luft- und Lärmbelastung sowie Fahrzeugverschleiß
• Reisezeit verkürzen
• Reduzierung von Fahrerfrust und Wut im Straßenverkehr

Beispiele:

• New York City: 7.660 (von insgesamt 12.460) signalisierten Kreuzungen werden von einem zentralen Computernetzwerk gesteuert und von Verkehrsleitzentralen überwacht.^[8][18]
• Toronto: 83 % seiner Signale werden vom Main Traffic Signal System (MTSS) gesteuert. 15% verwenden auch SCOOT (Split Cycle and Offset Optimization Technique), ein adaptives Signalsteuerungssystem.^[19]
• Sydney: 3.400 Ampeln, koordiniert vom Sydney Coordinated Adaptive Traffic System (SCATS). Entworfen und entwickelt von RTA, wurde das System erstmals 1963 eingeführt und seitdem sukzessive weiterentwickelt. Bis Oktober 2010 wurde SCATS an 33.200 Kreuzungen in 144 Städten in 24 Ländern weltweit lizenziert, darunter Singapur, Hongkong, Dublin, Teheran und Minneapolis und Detroit.^[16][20][21]
• Melbourne: 3.200 Ampeln in ganz Victoria, einschließlich regionaler Gebiete wie Geelong und Ballarat, mit SCATS. Etwa 500 Kreuzungen haben auch Straßenbahn- und Busvorrang.^[22]
• Adelaide: 580 koordinierte Ampeln in der gesamten Metropolregion, die vom Adelaide Coordinated Traffic Signal (ACTS) System verwaltet werden.^[15]

Adaptive Steuerung[edit]

Andere Arten der Kontrolle[edit]

• Fehler: Wenn noch Strom verfügbar ist, wird ein gelbes Blinklicht verwendet, um vor einer Kreuzung zu warnen. Methoden zur Unterscheidung der Hauptstraße von der Nebenstraße (und damit Vorfahrt) sind die Verwendung von Vorfahrtsschildern, Stoppschildern oder einer roten Ampel auf der Nebenstraße sowie schriftlicher Beschilderung. In einigen Ländern, darunter Australien, legen die Straßenverkehrsregeln Verfahren wie das Vorfahrtsrecht fest.
• Teilzeitbetrieb: Einige Ampeln funktionieren nachts nicht oder wenn der Verkehr sehr schwach ist. Einige dürfen nur zu bestimmten Zeiten (zB während der Arbeitszeit einer großen Fabrik) oder nur bei besonderen Ereignissen wie Sport oder Ausstellungen in Betrieb sein. Im Ruhezustand gelten die gleichen Maßnahmen wie bei Störungen. Der Teilzeitbetrieb hat Vor- und Nachteile.^[28][29]
• Eisenbahnvorbehalt: Verkehrssignale werden aktiviert, wenn sich ein Zug nähert, oft dort, wo sich die Kreuzung in der Nähe eines Bahnübergangs befindet. Siehe auch Eisenbahnvorbehalt
• Bus- und Transportpriorität: Verkehrssignale werden aktiviert, wenn ein Bus oder eine Straßenbahn entlang einer Buslinie, Busspur oder Straßenbahn ankommt. Siehe auch Buspriorität
• Notfallfahrzeuge Einige Lichter außerhalb von Feuer- oder Rettungsstationen haben kein Grün, da sie nur gelb und dann rot werden können, wenn Feuerwehrautos, Krankenwagen oder andere Rettungsfahrzeuge oder dergleichen die Station auf dem Weg zu einem Notfall verlassen. Siehe auch Ampelpräemption
• Geschwindigkeitszeichen sind eine selten genutzte Variante, um Autofahrern in der Grünphase eine empfohlene Geschwindigkeit für die Annäherung an die nächste Ampel zu geben.

Design-Software[edit]

Ampelanlagen werden mit Software wie LINSIG, TRANSYT, CORSIM/TRANSYT-7F oder VISSIM ausgelegt.

Verweise[edit]

Externe Links[edit]