Fuzzy-Logik hilft Stau vermeiden

Ampeln vor der Autobahnzufahrt? Ja sagt Verkehrsforscher Dr. Klaus Bogenberger, BMW. Er wies nach, dass durch intelligente Steuerung der Zufahrt über Ampeln der Verkehrsfluss deutlich verbessert werden kann.

Intelligente Verkehrssteuerungen können zur Stauvermeidung betragen. Das schont nicht nur die Nerven der Autofahrer, sondern reduziert auch die Kosten, die durch Verkehrsstaus entstehen. Diese belaufen sich in Deutschland nach Erkenntnissen der Verkehrsforscher bei BMW auf mehr als 100 Mrd. “ pro Jahr.
Ein neues Mittel gegen den Verkehrsinfarkt entwickelte der BMW-Verkehrsforscher Dr. Klaus Bogenberger im Rahmen seiner Dissertation. Seine Steuerungssystematik für Verkehrsleitsysteme basiert auf den Prinzipien der „Fuzzy-Logik“. Im Einsatz gegen den Stau hat sie in Simulationen ihre Fähigkeiten bereits unter Beweis gestellt. Bogenberger wurde für diese Entwicklung mit dem diesjährigen Förderpreis der Stiftung Heureka ausgezeichnet.
Fuzzy-Logik bezeichnet eine Rechenmethode, bei der im Gegensatz zur klassischen, scharfen Logik ein Wert nicht nur „ja“ oder „nein“ sein kann. Vielmehr arbeitet sie mit Begriffen aus der menschlichen Sprache und kennt Werte, die „teils-teils“ sein können. Das Steuerungssystem nutzt diese Methode und hat das Potenzial, zahlreiche Verkehrsprobleme zu lindern.
Die von Bogenberger entwickelte „Adaptive and Coordinated Control of Entrance Ramps with Fuzzy Logic“ (ACCEZZ) eröffnet effektive und neue Wege in der Stauvermeidung. Das Kürzel ACCEZZ spielt mit dem englischen Wort Access für Zugang. Denn die neuralgischen Punkte des Autobahnnetzes sind die Zufahrten und das ist der Ansatzpunkt des Systems. Das Zusammentreffen der beiden Verkehrsströme von Hauptstrecke und Auffahrt kann zu Turbulenzen führen, die die Kapazität des Systems Autobahn drastisch verringern. Das Ergebnis ist ein immer langsamer werdender Verkehrsfluss, der schließlich zum Stillstand kommt – die Autofahrer stehen im Stau.
Eine Lösung ist das „ramp metering“. Hierbei dient eine Ampel als „Pförtner“. Sie begrenzt die Zahl der zufahrenden Autos auf ein verträgliches Maß. Die größte Herausforderung bei der Konzipierung solcher Anlagen ist die Gestaltung der passenden Steuerungsmechanismen. Deren Aufgabe besteht darin, den Zufluss so zu dosieren, dass die beiden Verkehrsströme sich optimal verschränken und in einen gleichmäßigen Strom übergehen können.
Der von Bogenberger vorgestellte neue Ansatz zur Steuerung von Ramp-metering-Anlagen nutzt sogenannte „Soft-computing“-Methoden. Die Lichtsignalanlage wird dabei durch einen Fuzzy-Regler gesteuert. In einem ersten Schritt werden Messwerte, die an der Straße genommen werden, „fuzzifiziert“, sie erhalten also Werte aus der menschlichen Sprache wie „niedrig“, „mittel“ oder „hoch“. Aufgrund einer Regelbasis mit Wenn-dann-Regeln werden die Werte in Steuerungswerte umgewandelt. Am Ende steht die „Defuzzifizierung“, bei der die Unschärfe wieder auf einen einzelnen Wert reduziert wird, der die Länge eines AmpelIntervalls steuert.
Ein zentraler Aspekt der Arbeit des Verkehrsforschers ist die Verbesserung der Algorithmen. Genau wie bei der natürlichen Evolution werden unterschiedliche Lösungen den Prinzipien der Auswahl und Veränderung unterworfen, um in einem fortdauernden Prozess nicht nur das „survival of the fittest“ sicherzustellen, sondern auch die Weitergabe von positiven Eigenschaften an die nächste „Generation“. Dieser selbstregulierende Ansatz ist auf das gesamte Straßennetz, also auch auf staugefährdete Strecken anwendbar.
In einer simulativen Bewertung konnte ACCEZZ seine Leistungsfähigkeit eindrucksvoll unter Beweis stellen. In der Simulation eines staureichen Freitagnachmittages auf der A9 bei München konnte gezeigt werden, dass durch die Dosierung von nur drei Auffahrten mit ACCEZZ eine enorme Verbesserung der Verkehrsverhältnisse erzielt werden kann. Sowohl die zeitliche als auch die räumliche Ausdehnung der Staus konnte drastisch reduziert werden. Durch die intelligente Dosierung konnte die Gesamtreisezeit um bis zu 24 % verringert werden. Die maximalen Wartezeiten an den dosierten Zufahrten betrugen dabei nur etwas über 2 min. In praktischen Tests werden im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Leitprojekts Mobinet verschiedene ACCEZZ-Versionen im Herbst 2002 zum Einsatz kommen. WOP