Optimierte Steuerungsstrategien für Lichtsignalanlagen durch die Berücksichtigung der Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation (C2X)

Durch die C2X-Technologie, die aus dem Forschungsumfeld in die Städte einzuziehen beginnt, steht auch
die Steuerung der Lichtsignalanlagen vor einem richtungsweisenden Evolutionsschritt. Die grundsätzliche
Frage bei der Kommunikation der Fahrzeuge mit der Infrastruktur ist nicht mehr das Ob, sondern das Wann
und das Wie. Es sind mehrere technische Wege denkbar, die wiederum unterschiedliche Auswirkungen
auf die Städte und Kommunen haben. Zum einen kann die Durchsetzung der C2X-Kommunikation über
den zukünftigen 5G-Mobilfunkstandard und die Ausrüstung der Lichtsignalanlagen mit entsprechenden
Kommunikationsunits erfolgen, zum anderen ist es auch denkbar, die Lichtsignalanlagen mit Road Side
Units (RSU) auszustatten, die eine Kommunikation der Fahrzeuge mittels ETSI ITS-G5 oder C-V2X mit
den LSA-Steuergeräten ermöglichen. Beides hat Auswirkungen auf die Betreiber, Hersteller und Planer der
Lichtsignalanlagen.

Durch die fortschreitende Digitalisierung eröffnen sich neue Datenquellen zur Detektion des
Verkehrsgeschehens im Bereich von lichtsignalgesteuerten Kontenpunkten. Diese technologische
Entwicklung kann daher einen maßgeblichen Einfluss auf die Steuerungsverfahren haben. Das Nutzen
dieser Möglichkeiten und die entsprechende Anpassung der Steuerungsverfahren ermöglicht es das
Potential einer weitblickenden Anlage zu schöpfen und somit früher als bisher auf die Bedürfnisse des
Verkehrsgeschehens zu reagieren. Es wäre ein Versäumnis die Verfahren nicht an die Möglichkeiten der
neuen Datenquellen, welche C2X bietet, anzupassen und auf diesem Weg, zur Verbesserung des
Verkehrsflusses in unseren Städten beizutragen. Daher ist es entscheidend die Steuerungsverfahren den
neuen Begebenheiten anzupassen und mit der technologischen Evolution schrittzuhalten.
Eine Herausforderung ist es, diese neuen Möglichkeiten mit bestehenden Steuerungen in Einklang zu
bringen, da nicht von hundertprozentiger Ausstattung des Fahrzeugbestands mit C2X-Technologie
auszugehen ist. Aufgrund dieses Umstands wurden drei wichtige Voraussetzungen für die Erstellung einer
C2X-LSA-Steuerung vorausgesetzt:

• Einfache Implementierung der C2X-Funktionen in bestehende Logiken
• Gleichbehandlung von C2X-Fahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen
• Anwendungsfälle/Komponenten sollen komplett in einer Logik umgesetzt werden können

Das Vorgehen des von der BASt finanzierten Projektes „Optimierte Steuerungsstrategien für
Lichtsignalanlagen durch die Berücksichtigung der Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation (C2X)“ war wie
folgt. Zunächst erfolgte die Einführung in den Stand der Wissenschaft und Technik. Es wurden mögliche
LSA-Steuerungsverfahren erläutert und auf bereits existierende C2X-Steuerungstrategien für
Lichtsignalanlagen näher eingegangen.

Basierend auf dieser Bestandsanalyse wurden bestehende Verbesserungspotenziale aufgezeigt und C2X
Anwendungsfälle daraus abgeleitet. Die Anwendungsfälle flossen in ein neu entwickeltes
Steuerungsverfahren ein. Dieses Verfahren stellt eine Evolution der Verkehrstechnik dar, weil die
konventionelle Logik um eine C2X-Logik erweitert wurde. Die Auswirkungen der Einbeziehung von aktiv
versendeten Fahrzeugdaten in die LSA-Steuerung auf den Verkehrsablauf wurde mittels mikroskopischen
Verkehrsflusssimulation untersucht.

Für die Simulation wurden im Projekt drei Laborknotenpunkte ausgewählt außerorts (3-armig), innerorts (3-
armig) und innerorts (4-armig). Nach der Erstellung einer als Vergleichspunkt geltenden Festzeit und einer
verkehrsabhängigen Steuerung wurden neue C2X-Steuerungsfunktionen entwickelt. Diese Funktionen
wurden im Anschluss in die Steuerungslogik eines jedes Laborknotens integriert und somit ein C2XSteuerungsablauf
umgesetzt. Die umgesetzten C2X-Steuerungen wurden im Anschluss unter
unterschiedlichen Penetrationsraten und Verkehrsbelastungen in einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation
getestet, die Ergebnisse ausgewertet und miteinander vergleichen. Es erfolgte eine
Deutung der Ergebnisse und ein Ausblick/Empfehlung.

Grundsätzlich ist hervorzuheben, dass durch die Einbeziehung von C2X-Fahrzeuginformationen die beiden
Auswertungskenngrößen, Halte und Verlustzeiten, für alle Knotenpunkte reduziert wurden. Die wichtigsten
Ergebnisse können nach Penetrationsrate, Knotenpunktform und Verkehrsbelastung differenziert werden.
Es wurde gezeigt, dass bereits bei geringen C2X-Penetrationsraten signifikante Verbesserungen, im
Hinblick auf Umweltbelastungen, durch eine Reduzierung von Halten, und Reisezeitverlusten, erreicht
werden können. Hohe Penetrationsraten führten aufgrund der Vielzahl an Fahrzeuginformationen zu
Verbesserungen mit einer Reduktion der Verlustzeit von bis zu 18 % und zu einer Reduktion der Halte von
bis zu 26 %. Darüber hinaus kann gesagt werden, dass die Ergebnisse von der Knotenpunktform relativ
unabhängig sind. Als entscheidender Punkt kristallisierte sich die Phasenanzahl heraus. Bei einer
zweiphasigen Steuerung sind die Verbesserungen etwas geringer als im Vergleich zu einer dreiphasigen
bzw. 7-phasigen Steuerung. Die Verkehrsbelastungen hatten einen großen Einfluss auf die Ergebnisse.
Während sich bei einer hohen Verkehrsbelastung ähnliche Werte wie die einer Festzeitsteuerung bzw.
geringe Verbesserungen gegenüber einer konventionellen verkehrsabhängigen Steuerung ergaben,
kommt es mit stetiger Verringerung des Verkehrs zu einer immer größer werdenden Diskrepanz zwischen
konventioneller verkehrsabhängiger Steuerung und C2X-Steuerung. Bei einer geringen Verkehrsbelastung
konnte teilweise über ein Viertel der Halte im Vergleich zu einer konventionellen verkehrsabhängigen
Steuerung vermieden werden.

Die Ergebnisse geben eine Richtung vor, welche Potenziale einer C2X-Steuerung unter Einbeziehung von
C2X-Daten möglich wären. Da es sich um einen Steuerungszusatz handelt, der an- und abgeschaltet
werden kann, ist dieses flexibel einsetzbar. Des Weiteren ist das erstellte Verfahren bereits jetzt in
bestehende Steuerungen implementierbar und somit auf der Straße testbar. Die Ergebnisse des Projektes
schließen somit die Lücke zwischen der Theorie über mögliche Einsatzzwecke der C2X-Daten und einem
Praxistest auf der Straße.