Effects of Corridor Control Systems upon Capacity of Freeways and Stability of Traffic Flow

Mit zunehmender Verkehrsbelastung des Straßennetzes und gleichzeitigem Rückgang der finanziellen Mittel werden Möglichkeiten zu einer Steigerung der Kapazität von Autobahnen mit betrieblichen Maßnahmen zunehmend von Bedeutung. In Deutschland wird dafür das Konzept der Beeinflussung des Verkehrs mittels variablen Geschwindigkeitsbeschränkungen und verkehrlichen Anordnungen verfolgt. Während die Erfolge dieser Anlagen bei der Senkung der Unfallzahlen durch mehrere Untersuchungen belegt sind, liegen wenige Kenntnisse über die Auswirkungen auf die Kapazität vor. Einzelne, zum Teil lange zurück liegende Untersuchungen berichten von einer geringen Steigerung der maximalen Verkehrsstärke und lassen Stabilisierungswirkungen des Verkehrsflusses vermuten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Auswirkungen von SBA auf die Kapazität (max. Verkehrsstärke) und die Leistungsfähigkeit (q-v-Funktion) der Strecke sowie auf die Homogenität und die Stabilität des Verkehrsflusses zu untersuchen. Der Untersuchungsansatz besteht in einer empirischen Betrachtung des Verkehrs-flusses an Mit-SBA- und Ohne-SBA-Strecken. Dabei muss auf eine größtmögliche Vergleichbarkeit aller Einflussfaktoren auf den Verkehrsablauf (Weg-, Umfeld- und Verkehrsbedingungen) geachtet werden. Insgesamt wurden Messdaten von 244 Messquerschnitten an 9 verschiedenen Strecken für einen Zeitraum von in der Re-gel 14 Tagen und in der zeitlichen Auflösung von einer Minute beschafft. Die Untersuchung der Kapazität erfolgt über die Betrachtung der maximalen, empirischen Verkehrsstärke (emp. qmax). Voraussetzung dafür ist, dass an dem jeweiligen Querschnitt im Untersuchungszeitraum die Verkehrsnachfrage die Kapazität überschritten hat. Als Ergebnis ergeben sich weitgehend gleiche Kapazitäten für beeinflusste und unbeeinflusste Streckenabschnitte. Im Rahmen dieser Untersuchung kann also keine kapazitätssteigernde Wirkung von SBA festgestellt werden. Diese Aussage gilt für die - bei einem Vergleich verschiedener Streckenabschnitte erreichbaren - Genauigkeit von wenigen Prozent. Die gleiche Aussage ergibt sich bei der Untersuchung der Leistungsfähigkeit (q-v-Funktion). Hier kann im Rahmen der Untersuchungsgenauigkeit ebenfalls keine Steigerung nachgewiesen werden. Dies gilt nicht für SBA, die die Funktion der temporären Standstreifenfreigabe bein-halten. Hiermit sind deutliche Steigerungen bei der Kapazität und der Leistungsfähigkeit erzielbar. Die Untersuchung der Homogenität des Verkehrsablaufs zeigt deutliche Harmoni-sierungswirkungen von SBA. An beeinflussten Streckenabschnitten ist die Vertei-lung des Verkehrs auf die Fahrstreifen gleichmäßiger. Insbesondere wird der „Linksfahrer-Effekt“, also die Überfüllung des linken Fahrstreifens bei gleichzeitiger Unterauslastung des rechten und mittleren Fahrstreifens, reduziert. Für die Untersuchung der Stabilisierungswirkung wurde eine neue Methode entwi-ckelt, die Phasenübergänge vom freien in den stockenden Verkehr ermittelt und in Bezug zur Verkehrsstärke setzt. Dazu wird der „signifikante Verkehrszusammenbruch“ definiert. Dieser wird als ein Abfallen der Geschwindigkeit um mindestens 15 km/h in einem Zeitraum von maximal 5 Minuten beschrieben. Weitere Randbedingungen stellen sicher, dass zufällige Schwankungen des Verkehrsablaufs ausgefiltert werden. Als Ergebnis zeigt sich eine deutlich geringere Zusammenbruchswahrscheinlichkeit an beeinflussten Strecken. SBA stabilisieren demnach den Verkehr und halten den Verkehrsfluss nahe der Kapazitätsgrenze länger aufrecht. Mit Hilfe des EWS-Bewertungsverfahrens werden die Reisezeitersparnisse für die Verkehrsteilnehmer in monetäre Einheiten umgerechnet und auf den allgemeinen Anwendungsfall übertragen. Zusätzlich wird der Nutzen quantifiziert, der sich aus Reisezeitersparnissen bei einem Wegfall einer statischen Geschwindigkeitsbegrenzung und durch eine temporäre Standstreifenfreigabe ergibt. Schließlich werden Vorschläge zur Optimierung des Steuerungsprogramms von Streckenbeeinflussungsanlagen im Hinblick auf die Stabilisierung eines Verkehrsflusses gegeben. Da Verkehrszusammenbrüche wegen ihrer probabilistischen Eigenschaften auch mit einer detaillierter Messung des Verkehrsflusses nicht vorhersehbar sind, sind verkehrsabhängige Steueralgorithmen wenig geeignet, um Verkehrszusammenbrüche zu vermeiden. Daher wird die zusätzliche Implementierung festzeitgesteuerter Harmonisierungsprogramme vorgeschlagen, die z.B. im regelmäßig auftretenden Berufsverkehr zur Steigerung der Wirksamkeit von SBA bei der Stauvermeidung eingesetzt werden könnten. Dies sollte verbunden werden mit einer verbesserten Information der Verkehrsteilnehmer (z.B. Hinweistafeln) aber auch mit einer verstärkten Überwachung des Befolgungsgrads.As a result of the increasing traffic volume of the road network on the one hand and the reduction of funds on the other hand the possibilities to increase the capacity of freeways via operational measures are of growing importance. To this aim Germany follows the concept to control traffic using variable speed limits and traffic regulations. These systems are called “corridor control systems” (CCS) and automatically issue speed limits, non-passing regulations for trucks, warnings about dangerous weather and traffic conditions. Such systems are installed on German freeways over a length of more than 800 km with the aim to increase traffic safety and performance. For the years to come, considerable further investments in this kind of system are planned. So far the examination of the effectiveness of CCS concentrated mainly on the reduction of accident figures. In this respect the corridor control systems lead to impressive results. Especially the number of accidents occurring due to special weather or surrounding conditions has been dramatically reduced (for instance the number of accidents occurring because of fog went down by 80%). The effects of CCS on traffic flow have not been investigated into detail so far. Several examinations have been carried out on the harmonization of traffic flow in combination with examinations of accidents. There exist only few examinations about the effects on capacity and performance respectively. An even smaller number of reports exists on the stabilization effect of CCS, although early research done in this direction showed that these systems will lead to a stabilization of traffic flow. The objective of this research work is to examine the effects of CCS with respect to traffic flow in the sector of the capacity limit, to determine existing mechanisms of action and to survey these mechanisms in an assessment procedure. To this aim examinations on capacity and performance of routes and on the stability of traffic flow are carried out using data sets of numerous corridors with and without CCS. Within the framework of this research a methodology to describe the stability of a traffic flow is developed and applied at numerous cross sections. The basic approach consists in the definition of the significant traffic breakdown describing a reversal of the traffic from a stable into an unstable state. Extensive analyses on phases and phase transitions of traffic are done in order to delimit the significant traffic breakdowns from the accidental fluctuations in traffic flow. Based upon former knowledge and on parameter studies of the data set a significant traffic breakdown is defined as a speed drop by at least 15 km/h within a period of 5 minutes, whereas the traffic flow must be in the stable state ( v > 75 km/h) before the breakdown and in the unstable state (v < 85 km/h) after the breakdown. For the evaluation the traffic volume at the beginning of a traffic breakdown is of importance. Finally the number of traffic breakdowns is divided through the number of existing traffic volume classes in order to define the probability of a traffic breakdown in dependence of the traffic volume. As a basis for this examination an empiric consideration is selected, that is, substantial measurements of traffic flow along numerous corridors are procured and evaluated. By comparing routes with CCS with routes without such systems the effects of these systems have been assessed. Measurement data from 9 corridors and 244 cross-sections have been attained for this research project. The data set covers numerous implementation areas of CCS (two or three-lane cross-sections, routes in conurbations or connecting routes, topography: flat or hilly). For every cross-section there are available data on traffic flow for an interval of one minute for every lane over a time period of 14 days. The present examination shows that CCS can lead in different ways to an improvement of traffic flow and this way to gains in travel time for road users. If along a route occur high traffic volumes (that is the traffic volume regularly reaches or exceeds the capacity limit) a considerable economic benefit is generated. Evidence is brought that with operational measures congestion situations can be defused. If a route is overloaded temporarily and only rarely (for instance due to holiday traffic or big events) already in the planning state of the extension measures the increase of capacity of a temporary unblocking of shoulders should be considered integratively. Basically emphasis should be put on the fact that with the help of optimised control algorithms as well as improved information and last but not least more frequent control of the road users the potential of CCS could be increased further