Qualität des Verkehrsablaufs auf Netzabschnitten von Autobahnen : Bewertung unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit und Analyse von Einflussfaktoren

Abstract

In Zeiten von Just-in-Time Logistik gewinnt die Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf eine immer größere Bedeutung. „Jede nicht kalkulierte Verlängerung der Reise- und Transportzeiten verursacht zusätzliche Betriebs- und Zeitkosten für die Verkehrs-teilnehmer und damit Kostensteigerungen für Produkte und Dienstleistungen“ (WBFV, 2008). In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bewertung der Qualität des Verkehrs-ablaufs auf Netzabschnitten von Autobahnen unter besonderer Berücksichtigung der Zuverlässigkeit sowie eine Analyse zu Einflussfaktoren auf die Zuverlässigkeit vor-gestellt. Diese Bewertungsmethode ermöglicht es, Schwachstellen im Verkehrsnetz zu erkennen und durch einen gezielten Ausbau der gefundenen Schwachstellen die Qualität zu verbessern. In den aktuellen Regelwerken bleibt die Zuverlässigkeit unberücksichtigt. Die Angebots-qualität der RIN (2008) betrachtet den Zeitaufwand und die Direktheit. Störungen sollen beim Zeitaufwand nicht berücksichtigt werden, so dass die Zuverlässigkeit, z. B. als Störungshäufigkeit, nicht bewertet werden kann. Auch bei der Qualitätsbewertung im HBS (2001), die für Autobahnstrecken anhand der Auslastung vorgenommen wird, bleibt die Zuverlässigkeit unberücksichtigt. Um die Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf zu beschreiben, wird in der Literatur eine Reihe von verschiedenen Kenngrößen vorgeschlagen. Einigkeit besteht lediglich darin, dass eine einzelne Kenngröße zur Beschreibung der Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf nicht ausreicht (LOMAX et al., 2003, VAN LINT et al., 2007, SHRP, 2012). In dieser Arbeit werden zur Beschreibung der Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf die Kenngrößen Fahrzeitindex, Verspätungsindex und Verlustzeit verwendet. Um die Zuverlässigkeit mit diesen Kenngrößen zu ermitteln, werden Fahrzeiten benötigt. Bestehende Bewertungsmethoden zur Ermittlung der Qualität des Verkehrsablaufs basieren häufig auf Verkehrsstärken. Auch bei Verfahren, die die Zuverlässigkeit berück¬sichtigen, werden die Fahrzeiten aus Verkehrsstärken abgeleitet (ZURLINDEN, 2003, BERNARD, 2008). Verkehrsstärkedaten sind umfangreich vorhanden und können kostengünstig erfasst werden. Durch die Verbreitung von Navigationssystemen und Smartphones nimmt die Verfügbarkeit von Fahrzeitdaten im Straßennetz zu. Bisher ist der Zugriff auf diese Daten schwierig, da diese Daten in privater Hand liegen (z. B. bei TomTom, INRIX, Google). Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von Fahrzeitdaten können Bewertungsmethoden auf Basis von Fahrzeiten entwickelt werden, die die Zuverlässigkeit berücksichtigen. Gegenstand dieser Arbeit ist eine solche Bewertungsmethode, die auf einer Ganzjahres¬analyse der Fahrzeiten im gesamten deutschen Autobahnnetz basiert. Aus der Analyse dieser empirischen Fahrzeitdaten werden für die drei Kenngrößen Fahrzeitindex, Verspätungsindex und Verlustzeit Vorschläge für die Bewertung der Qualität im Verkehrsablauf entwickelt. Analog zum HBS werden sechs Unterteilungen der Qualitäts¬stufen A bis F vorgeschlagen. Für die Ermittlung der Grenzen der Qualitätsstufen wird eine längenabhängige rationale Funktion verwendet. Die Abhängigkeit der Bewertung von der Länge ergibt sich aus der Vorstellung, dass sich störungsbedingte Verlustzeiten bei kürzeren Entfernungen negativer auf die erreichbare Geschwindigkeit auswirken als bei großen Entfernungen. Bei größeren Entfernungen kann der Zeitverlust möglicherweise kompensiert werden oder ist bezogen auf die längere Fahrzeit relativ unbedeutend. Um eine gute Anpassung der Bewertungskurven an die empirischen Daten zu erhalten, werden drei Schritte durchlaufen. Im ersten Schritt werden die Parameter der Bewer-tungsfunktion nach einer Zielfunktion optimiert. Die sich dabei gegenüber planerischen Vorstellungen ergebenden Inplausibilitäten werden im zweiten Schritt diskutiert und durch manuelle Anpassungen der Parameter ausgeglichen. Im dritten Schritt werden die Bewertungskurven anhand mehrerer, unabhängiger Datensätzen validiert. Bei der Analyse von Einflussfaktoren auf die Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf wird zwischen zeitlich unabhängigen und zeitlich veränderlichen Einflüssen unterschieden. Zeitlich unabhängige Einflüsse sind zum einen Eigenschaften der Infrastruktur (Anzahl der Fahrstreifenreduktionen), zum anderen durchschnittliche Verkehrsgrößen (Fahr-streifenbelastung und Schwerverkehrsanteil). Der Einfluss dieser Größen kann nur analysiert werden, wenn eine große Zahl von Netzabschnitten untersucht wird. Hierzu werden Verkehrsdaten des deutschen Autobahnnetzes verwendet. Bei der Analyse des Einflusses von zeitlichen veränderlichen Größen werden dagegen einzelne Zeitintervalle betrachtet. Dabei werden die Fahrzeiten der Zeitintervalle mit einer bestimmten Aus-prägung, z. B. hohe Verkehrsstärke, mit den restlichen Fahrzeiten verglichen. Für diese Analyse wird für jeden Netzabschnitt eine große Anzahl an Fahrzeiten benötigt. Hierzu werden die Verkehrsdaten des Netzabschnitts der BAB A8 von München nach Rosenheim verwendet, für den präzise Einzelfahrzeiten von nahezu allen Fahrzeugen über den Zeitraum von einem Jahr vorliegen. Bei den zeitlich unabhängigen Einflussfaktoren konnte der plausible und in der Planungspraxis bekannte Zusammenhang zwischen der Fahrstreifenbelastung und der Zuverlässigkeit quantifiziert werden. Weiter konnte gezeigt werden, dass sich der erhöhte mittlere Schwerverkehrsanteil und eine Fahrstreifenreduktion negativ auf die Zuverlässigkeit auswirken. Bei den zeitlich veränderlichen Einflussfaktoren haben Unfälle den größten Einfluss auf die Zuverlässigkeit im Verkehrsablauf. In 20 % aller von einem Unfall beeinflusster Zeitintervalle wird eine Verspätung festgestellt. Hohe Verkehrsstärken beeinflussen die Zuverlässigkeit ebenfalls stark negativ. Auch die Verkehrszusammensetzung (Regional-verkehr und Pendlerverkehr) beeinflusst die Zuverlässigkeit. Ein größerer Anteil an Fahrzeugen aus dem regionalen Umfeld des Netzabschnitts verbessert den Verkehrs-ablauf und damit die Zuverlässigkeit. Aufgrund der Korrelation des Regionalverkehrs zur Verkehrsstärke wird das Fundamentaldiagramm eines Netzabschnitts betrachtet, um so den Einfluss des Regionalverkehrs auf den Verkehrsablauf zu untersuchen. Das abschnittsbezogene Fundamentaldiagramm bietet für den Vergleich von Einflüssen auf den Verkehrsablauf Vorteile gegenüber einer lokalen Analyse. Mit Hilfe der abschnitts-weisen Betrachtung können alle Ereignisse (z. B. Unfälle oder Regenereignisse) inner-halb des Abschnitts unabhängig von ihrer exakten räumlichen Lage berücksichtigt werden. Im Fall einer lokalen Betrachtung können nur diejenigen Ereignisse einbezogen werden, die aufgrund ihrer räumlichen Nähe bzw. Ausdehnung den betrachteten Querschnitt tatsächlich beeinflussen. Dadurch ist bei der lokalen Betrachtung die Anzahl der berücksichtigten Ereignisse niedriger und die Zufälligkeit des Auftretens der Ereignisse und deren Überlagerung mit anderen Effekten spielt eine größere Rolle. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich mit zunehmendem Anteil des Regionalverkehrs die Kapazität des Netzabschnitts erhöht und Zusammenbrüche erst bei größerer Verkehrsstärke beobachtet werden.

In times of just-in-time logistics, reliability gains an increasing importance in traffic flow. “Every extra time required for travel and transport causes additional costs of operation for the road users, leading to an increase of the costs of products and services” (WBFV, 2008). This thesis describes a method to evaluate the quality of a network section of a motorway, with special emphasis on reliability and it includes an analysis of the impacts on travel time reliability. Applying the evaluation method shortcomings in the road network can be detected and the overall quality of the road network can be improved by projected development. The currently valid German guidelines do not consider travel time reliability. The quality of the transport supply according to the RIN (2008) is determined by duration and directness. Interruptions are not considered and therefore the travel time reliability, e. g. as disturbance frequency, cannot be evaluated. The quality assessment of the HBS (2001), which evaluates motorway roads by their saturation, also does not consider travel time reliability. In the literature several indicators are used to describe travel time reliability. They only agree on the fact that one parameter is not sufficient to define the travel time reliability (LOMAX et al., 2003, VAN LINT et al., 2007, SHRP, 2012). This thesis uses the following statistical parameters to define travel time reliability: travel time index (Fahrzeitindex), delay index (Verspätungsindex) and delay time (Verlustzeit). In order to calculate the reliability, travel times are required. Existing evaluation methods that describe the quality of traffic flow are mainly based on traffic volumes. Methods which consider travel time reliability also use traffic volume data to derive travel times (ZURLINDEN, 2003, BERNARD, 2008). Data of traffic volumes are widely available and the collection of these data can be done at low costs. With the increasing number of navigation systems and smartphones, comprehensive travel time data are already available. However, accessing this data source is still difficult, because it is still mainly owned by private companies (e. g. TomTom, INRIX or Google). With the increasing availability of travel time data, evaluation methods based on these data can be developed in order to consider reliability. The subject of this thesis is an evaluation method based on travel time data of the entire German motorway network over a period of one year. As a result of the analysis of these data, suggestions are made for the evaluation of the quality of traffic flow using the three statistical parameters travel time index, delay index, and delay time. In analogy to the HBS (2001) a classification of six levels of service is suggested. In order to identify the boundaries of the level of service, a length dependent rational function is used. The dependency of the evaluation to the length of a network section results from the idea that for shorter distances, delay times due to disturbances have a higher impact on travel speed than would be the case for longer distances. The delay time for longer distances can be possibly compensated or become negligible due to the longer travel time. Three steps are used to obtain an appropriate adjustment to the evaluation curves from the empirical data. In the first step, the parameters of the evaluation function are optimized using an objective function. Inconsistencies between the resulting parameters of the evaluation function and planning principles are compensated through manual adjustments of the parameters in the second step. The third step covers the validation of the evaluation curves on the basis of several independent data sets. In the analysis of the impacts on the reliability in traffic flow, factors independent from time and factors dependent on time are distinguished. Factors independent from time are defined by the infrastructure (number of lane reductions) and average traffic data (mean volume per lane or mean heavy traffic rate). The impacts of these factors can only be evaluated based on a large number of network sections. Therefore, data from the entire German motorway network are used. The analysis of time dependent factors focuses on single time intervals of one network section. The travel times of these intervals that have a specific characteristic, e. g. high traffic volume, are compared to other travel times. This type of analysis requires a large number of travel times. For this purpose accurate single vehicle travel time measurements are available for the section of Munich to Rosenheim on motorway BAB A8 over a period of one year. The analysis of the factors independent from time revealed the well-known relation between saturation and travel time reliability. Furthermore, it is shown that a higher average heavy traffic rate and a reduction of the number of lanes affects travel time reliability in a negative manner. Taking into consideration all the time dependent factors, accidents have the greatest impact. In 20 % of all time intervals affected by an accident, a delay is detected. High traffic volume also negatively influences the reliability. The composition of traffic (local traffic or commuter traffic) also has an impact on travel time reliability. A higher rate of vehicles from the surrounding area leads to a smoother traffic flow and thereby to an improved travel time reliability. Because of the correlation between the local traffic rate and the traffic volume, the fundamental-diagram is analyzed to show the influence of local traffic on traffic flow. A network section based fundamental-diagram is more suited for the evaluation of the impact of different factors on traffic flow than the cross section fundamental-diagram. All incidents, independent of their specific location on the network sections, can be considered using the network section based fundamental-diagram. In a cross section fundamental-diagram, only the incidents which affect the cross-section can be considered. Thus the amount of incidents which can be considered is smaller in a cross section fundamental-diagram and therefore the random appearance of incidents has a deeper impact on the result. In cases of an increased rate of local traffic, it is shown that the capacity increases and traffic breakdowns occur at a higher volume.