Wie entsteht ein Stau? Das sagt die Forschung

Platt gesagt, entsteht ein Stau dadurch, dass mehr Fahrzeuge in einen Streckenabschnitt hinein- als wieder herausfahren. Irgendwann ist die Kapazität überschritten und es kommt zum Stillstand. Kein wirklich wissenschaftlicher Ansatz. Das möchten wir an dieser Stelle ändern und darauf schauen, was die Stauforschung in den vergangenen Jahrzehnten zum Thema Stauentstehung und optimalem Verkehrsfluss herausgefunden hat.

Staus gehören zur Tagesordnung

Immer mehr Menschen sind mit dem Auto unterwegs, gleichzeitig nimmt der Güterverkehr auf der Straße stetig zu. Das Straßennetz ist ob des zunehmenden Verkehrsaufkommens oft ausgereizt – lange Staus sind die Folge. Bewohner von Ballungsgebieten kennen es gar nicht anders, aber auch in weniger dicht besiedelten Gebieten treten immer wieder Staus auf.

Doch wie entstehen diese? Lassen sie sich verhindern, und wenn ja, auf welche Weise? Lässt sich die Situation mit einem generellen Tempolimit entzerren? Braucht es mehr und bessere Verkehrsleitsysteme? Helfen neue Straßen oder der Ausbau um weitere Fahrspuren? Braucht es eine Umverteilung von der Straße auf andere Verkehrsmittel?

Mit Hilfe von Verkehrsmodellen lassen sich die verschiedensten Verkehrssituationen simulieren und Maßnahmen daraus ableiten. Wir möchte an dieser Stelle nicht detailliert auf die einzelnen Modelle eingehen, das würde dann doch etwas zu weit gehen. Dennoch sollen Sie erfahren, welche Faktoren bei der Stauentstehung eine Rolle spielen und wie sich Staus eventuell vermeiden lassen.

Ursachen für stehenden Verkehr

Die Verkehrswissenschaft unterscheidet drei Einflussfaktoren, durch die nahezu alles Staus entstehen:

• Zu hohes Verkehrsaufkommen
• Engstellen, die den Verkehrsfluss stören
• Spontan entstehende, lokale Störungen

Den ersten Punkt müssen wir nicht näher erklären, zu hohes Verkehrsaufkommen haben wir häufig morgens und abends im Berufsverkehr, außerdem zu Beginn und am Ende der Ferien, insbesondere der Sommerferien.

Engstellen, die den Verkehrsfluss stören, können Baustellen sein oder Autobahnzufahrten. Auch Unfälle, die eine Fahrbahn blockieren, fallen darunter.

Während sich die beiden ersten Stauvarianten mehr oder weniger gut vorhersehen lassen, sieht es bei den spontan entstehen Störungen anders aus. Das kann ein Elefantenrennen sein oder ein Autofahrer, der falsch reagiert:

• Dichtes Auffahren ist zum Beispiel ein Problem, denn es führt zu spontanem, starkem Bremsen. Das löst wiederum eine Kettenreaktion aus.
• Große Geschwindigkeitsunterschiede führen ebenfalls zu häufigeren Staus. Würden alle Fahrzeuge im gleichen Tempo fahren, gäbe es viel weniger Stillstand auf unseren Straßen.

Grundlegende Parameter zur Beschreibung von Verkehrssituationen

Die wichtigsten Parameter, um Verkehrssituationen zu beschreiben, sind die Verkehrsstromstärke Q und die Verkehrsdichte D.

• Der Verkehrsstrom bezeichnet die Anzahl der PKW, die pro Stunde einen Streckenabschnitt befahren.
• Wie viele PKW auf einen Kilometer Straße passen, wird als Verkehrsdichte beschrieben.

Bei einem Stau haben wir eine besonders hohe Verkehrsdichte, die Fahrzeuge stehen Stoßstange an Stoßstange. Allerdings liegt die Verkehrsstromstärke in diesem Augenblick bei Null. Ziel muss es daher sein, Verkehrsstromstärke und Verkehrsdichte so zu optimieren, dass sich daraus ein Maximum ergibt. Das ist gar nicht so einfach, wie es auf dem ersten Blick erscheint.

In der Theorie ist es zum Beispiel so, dass die Verkehrsstromstärke mit zunehmender Geschwindigkeit ansteigt, erst stark, dann immer flacher. Rechnet man zum Beispiel mit einer Fahrzeuglänge von vier Metern, addiert einen Meter Reserveabstand im Stau hinzu und nimmt darüber hinaus an, dass alle Fahrer sich an die Abstandsregel „1/2 Tacho“ halten, ergibt sich folgende Kurve:

Großer Unterschied zwischen Theorie und Praxis

Wie bereits geschrieben, ist die Kurve aus dem vorherigen Kapitel eher theoretischer Natur. In der Praxis haben verschiedene Messungen auf Autobahnen ergeben, dass die Verkehrsstromstärke mit steigender Geschwindigkeit wieder abnimmt. Autofahrer verhalten sich nicht wie im Labor, sondern treffen mitunter seltsame Entscheidungen.

Außerdem geht das Modell von einem homogenen Verkehrsfluss aus, alle fahren gleich schnell. Gerade in Deutschland gibt es jedoch sehr große Geschwindigkeitsunterschiede, die immer wieder zu Störungen führen. Sowohl Spurwechsel als auch Bremsvorgänge sorgen immer wieder für Störungen im System, die sogar zu Staus führen können.

Mit Hilfe von Messungen wurde ein Fundamentaldiagramm des Verkehrsflusses entwickelt, das solche Störungen berücksichtigt. Es ist eigentlich dreidimensional, wir wollen uns jedoch drei zweidimensionale Kurven anschauen, das ist einfacher zu verstehen:

Einige Begriffe aus dem Diagramm wollen wir für ein besseres Verständnis etwas genauer erläutern:

Freier Verkehrsfluss

Er beschreibt einen stabilen Zustand, jeder Fahrer kann seine Wunschgeschwindigkeit fahren, die sich nur nach den Gegebenheiten der Straße und des Fahrzeugs richtet. Die verschiedenen Verkehrsteilnehmer behindern sich nicht gegenseitig.

Teilgebundener Verkehrsfluss

Hier befinden wir uns in einem metastabilen Zustand. Nicht jeder Verkehrsteilnehmer kann seine Geschwindigkeit beliebig wählen oder frei überholen. Die gegenseitige Behinderung nimmt durch ein stärkeres Verkehrsaufkommen zu. Die durchschnittlich gefahrene Geschwindigkeit nimmt ab.

Gebundener Verkehrsfluss

Bei diesem instabilen Zustand sind gewünschte Überholungen und Geschwindigkeiten durch Kolonnenbildung nicht mehr möglich. Mit steigender Verkehrsdichte sinkt die mittlere Geschwindigkeit weiter ab bis zum Kolonnenstillstand – dem Stau.

Das sagt uns das Fundamentaldiagramm

Wenn wir uns das Fundamentaldiagramm genauer anschauen, lassen sich einige grundlegende Dinge beobachten:

• Die Verkehrsdichte und die Fahrzeuggeschwindigkeit beeinflussen sich gegenseitig: Je mehr Fahrzeuge auf einem Straßenabschnitt, desto geringer die Geschwindigkeit.
• Ein Verkehrstau lässt sich nur vermeiden, dürfen in einen Straßenabschnitt nur maximal so viele Fahrzeuge hineinfahren, wie im selben Zeitraum aus dem Abschnitt herausfahren.
• Der Verkehrsfluss wechselt von stabil zu instabil, sobald die Fahrzeugdichte und die dazugehörige Geschwindigkeit in einen kritischen Bereich gelangen.

Wie lässt sich der Verkehrsfluss optimieren?

Ziel der Verkehrsforschung ist es, den Verkehrsfluss zu optimieren, so dass bei gleichbleibenden oder zunehmenden Verkehrsteilnehmern weniger Staus entstehen. Hier einige Maßnahmen, die dabei helfen:

• Verkehrsleitanlagen auf Autobahnen helfen dabei, die Verkehrsströme zu optimieren. Die Höchstgeschwindigkeiten werden dem Verkehrsaufkommen angepasst, so dass der Verkehrsfluss möglichst wenig in den roten Bereich rutscht.
• Fahrassistenzsysteme helfen dabei, den „Faktor Mensch“ besser zu kontrollieren. Die meisten Menschen sind nicht immer zu 100 Prozent konzentriert, haben daher eine längere Reaktionszeit. Diese führt dazu, dass die Kurve des vorgestellten Fundamentaldiagramms immer flacher wird – die maximale Verkehrsstromstärke nimmt ab. Assistenzsysteme leiten sehr viel schneller einen Bremsvorgang ein und verringern somit die Reaktionszeit.

Stau aus dem Nichts

Wir haben gelernt, Staus entstehen durch Überlastung von Straßen, durch Engstellen nach einem Unfall oder bei Baustellen. Mitunter entstehen Staus aber auch aus dem Nichts, sie haben keine besondere Ursache und werden deshalb auch als Phantomstau bezeichnet.  An der einen oder anderen Stelle haben wir das Thema bereits kurz angerissen.

Erste Erkenntnisse über diesen „Stau aus dem Nichts“ haben Nagel und Schreckenberg mit ihrem gleichnamigen theoretischen Verkehrsmodell erlangt. Grundursache für den Phantomstau ist demnach eine Überreaktion beim Bremsen vorausfahrender Fahrzeuge. Auslöser sind dichtes Auffahren und häufige Spurwechsel.

So passiert es: Fährt ihr Vordermann einem Fahrzeug zu dicht auf und muss bremsen, müssen auch Sie langsamer fahren. Es entsteht eine Kettenreaktion, denn auch Ihrem Hintermann und dem Fahrzeug dahinter ergeht es so. Aus fließendem Verkehr wird auf diese Weise ganz schnell ein Stau, der sich über mehrere Kilometer ausbreiten kann. Stauwellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von -15 bis -20 km/h nach hinten aus.

Hilft ein Tempolimit gegen Staus?

Diese Frage lässt sich nicht eindeutig mit „ja“ oder „nein“ beantworten. Es kommt immer darauf an, ob wir uns in einem stabilen oder instabilen Bereich des Verkehrsflusses befinden, ob ein freier oder gebundener Verkehrsfluss stattfindet. Solange hier alles im grünen Bereich ist (siehe Fundamentaldiagramm), braucht es eigentlich keine Geschwindigkeitsbegrenzung, um Staus zu vermeiden.

Stauforscher Michael Schreckenberg, 2019

Anders sieht es im gelben Bereich des Fundamentaldiagramms an. Hier kann nicht jeder die Geschwindigkeit fahren, die er gerne möchte. Da ist es besser, wenn alle Fahrzeuge mit annähernd gleicher Geschwindigkeit fahren, denn dann braucht es weniger Spurwechsel und Abbremsmanöver, welche häufig Ursache eines „Staus aus dem Nicht“ sind. Ein Tempolimit von 80 oder 100 km/h kann hier für Entlastung sorgen.