DE102016220400B3

DE102016220400B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten mit mindestens zwei Verkehrsarmen

Info

Publication number: DE102016220400B3
Application number: DE102016220400.9A
Authority: DE
Inventors: Marek Junghans; Andreas Leich; Wolfgang Niebel; Peter Wagner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten (61), umfassend die folgenden Schritte: Erfassen von C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens (61), Erfassen von einzelnen Inquiry-Nachrichten (20, 21) von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten (9) in einem vorgegebenen Erfassungsbereich (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4), wobei die Drahtloskommunikationseinheiten (9) jeweils durch eine eindeutige Kennung identifiziert werden, Schätzen einer Geschwindigkeit (12) einer erfassten Drahtloskommunikationseinheit (9) aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht (20) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht (21) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) unter Berücksichtigung von Abmessungen (11) des vorgegebenen Erfassungsbereichs (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4), Fusionieren der C2X-Information und der geschätzten Geschwindigkeit (12) mittels eines Bayesschen Netzes (30) zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung (14) für diese Drahtloskommunikationseinheit (9), Schätzen einer Fahrzeuganzahl (15), wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten (9) mittels mindestens einem Korrekturfaktor (16) korrigiert wird, Ausgeben der geschätzten Fahrzeuganzahl (15) und der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14). Ferner betrifft die Erfindung eine zugehörige Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten mit mindestens zwei Verkehrsarmen.
Zum Regeln des Verkehrs an einem Verkehrsknoten, beispielsweise einer Kreuzung, werden üblicherweise Lichtsignalanlagen verwendet. Um den Verkehr bestmöglich regeln zu können, benötigen Steuerungen der Lichtsignalanlagen Informationen über die Fahrzeuge, welche die Lichtsignalanlage passieren. Hierbei wird zwischen direkt messbaren und indirekt ableitbaren Kenngrößen unterschieden. Die direkt messbaren Kenngrößen sind gemäß Richtlinie für Lichtsignalanlagen (RiLSA, 2010) u. a. der Belegungsgrad sowie die Zeitlücke zwischen Fahrzeugen; zu den ableitbaren Informationen gehören Verkehrsmengenzählungen und Geschwindigkeiten.
Der Belegungsgrad betrifft das Vorhandensein von Fahrzeugen an einem bestimmten Punkt oder Streckenabschnitt vor der Lichtsignalanlage. Die Zählinformation betrifft die Fahrzeuganzahl, welche im Laufe einer bestimmten Zeit, z. B. während die Lichtsignalanlage „Rot” signalisiert, in den Streckenabschnitt vor der Lichtsignalanlage einfahren.
Die Geschwindigkeit betrifft die Zeit, welche die Fahrzeuge benötigen, um einen bestimmten Streckenabschnitt zu passieren.
Neuere Verfahren zur Lichtsignalsteuerung, wie z. B. in DE 10 2009 033 431 A1 beschrieben. nutzen die sogenannte Verlustzeit der Verkehrsteilnehmer zur optimalen Steuerung der Verkehrsflüsse an einem Verkehrsknoten. Die Verlustzeit ist die Differenz zwischen der Zeit, welche ein Verkehrsteilnehmer unter Idealbedingungen benötigt, um das Lichtsignal zu passieren und der Zeit, die dieser unter realen Bedingungen tatsächlich benötigt. Die vollständige Bestimmung von Verlustzeiten würde es erfordern, für 100% aller Verkehrsteilnehmer am Verkehrsknoten eine Bewegungslinie (Trajektorie) zu ermitteln. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn alle Fahrzeuge mit C2X-Sende-Empfangseinrichtungen (Car-to-X) ausgestattet sind. In diesem Fall muss die Lichtsignalanlage mit einer Empfangseinrichtung für C2X-Informationen ausgestattet sein.
In der Praxis besteht die Schwierigkeit, dass derzeit, und auch zukünftig, nicht mit einer Ausstattungs- und Detektionsrate von 100% aller Fahrzeuge zu rechnen ist.
In DE 10 2011 107 663 B4 wird daher eine Möglichkeit aufgezeigt, die mittlere Verlustzelt der Verkehrsteilnehmer bereits bei Ausstattungsraten mit C2X ab 20% zu bestimmen. Hierbei besteht jedoch immer noch das Problem, dass mittelfristig lediglich mit Ausstattungsraten der Fahrzeuge mit C2X von 1 bis 3% zu rechnen ist. Dieser Wert weicht um eine Zehnerpotenz von der geforderten Ausstattungsrate von 20% ab.
Aus der DE 10 2009 055 337 A1 ist ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Verkehrslage in einem Verkehrsnetz bekannt. Dieses umfasst Schritte des Erfassens einer Vielzahl von Verkehrsdaten, wobei die Verkehrsdaten aus mehreren Datenquellen stammen und unterschiedliche räumliche und zeitliche Verfügbarkeiten aufweisen, des Bestimmens von Korrelationsabbildungen zwischen den Verkehrsdaten aus den mehreren Datenquellen, des Bestimmens von interpolierten Verkehrsdaten auf der Basis von einander zugeordneten Verkehrsdaten und der bestimmten Korrelationsabbildungen, und des Bestimmens der Verkehrslage auf der Basis der interpolierten Verkehrsdaten. Jedoch erfordert es das Verfahren, dass eine genügend starke Korrelation zwischen den direkt messbaren und von der Lichtsignalsteuerung verwendeten Kenngrößen besteht. Dies ist aktuell nicht der Fall.
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Verkehrslage an einem Verkehrsknoten mit mindestens zwei Verkehrsarmen zu schaffen, bei der ein Verkehrszustand auch bei einem geringen Ausstattungsgrad der Fahrzeuge mit C2X verbessert durchgeführt werden kann.
Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten mit mindestens zwei Verkehrsarmen zur Verfügung gestellt, umfassend die folgenden Schritte: Erfassen von C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens mittels einer C2X-RSU (Road Side Unit), Erfassen von einzelnen Inquiry-Nachrichten von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten mittels mindestens einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung mit einem vorgegebenen Erfassungsbereich, wobei die Drahtloskommunikationseinheiten jeweils durch eine eindeutige Kennung identifiziert werden, Schätzen einer Geschwindigkeit einer erfassten Drahtloskommunikationseinheit aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit unter Berücksichtigung von Abmessungen des vorgegebenen Erfassungsbereichs mittels einer Steuerung, Fusionieren der C2X-Information und der geschätzten Geschwindigkeit mittels eines Bayesschen Netzes zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung für diese Drahtloskommunikationseinheit mittels der Steuerung, Schätzen einer Fahrzeuganzahl auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten mittels der Steuerung, wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten mittels mindestens einem Korrekturfaktor korrigiert wird, Ausgeben der geschätzten Fahrzeuganzahl und der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen mittels einer Ausgabeeinrichtung.
Ferner wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Vekehrsknoten mit mindestens zwei Verkehrsarmen geschaffen, umfassend eine C2X-RSU zum Empfangen von C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens, mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung mit einem vorgegebenen Erfassungsbereich zum Empfangen von Signalen von Drahtloskommunikationseinheiten, eine Steuerung, und
eine Ausgabeeinrichtung, wobei die C2X-RSU derart ausgebildet ist, C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens zu erfassen, und wobei die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung derart ausgebildet ist, einzelne Inquiry-Nachrichten von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten in dem vorgegebenen Erfassungsbereich zu erfassen, wobei die Drahtloskommunikationseinheiten jeweils durch eine eindeutige Kennung identifiziert werden, und wobei die Steuerung derart ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit für eine erfasste Drahtloskommunikationseinheit aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit unter Berücksichtigung von Abmessungen des vorgegebenen Erfassungsbereichs zu schätzen, die C2X-Information und die geschätzte Geschwindigkeit mittels eines Bayesschen Netzes zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung für diese Drahtloskommunikationseinheit zu fusionieren, und eine Fahrzeuganzahl auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten zu schätzen, wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten mittels mindestens einem Korrekturfaktor korrigiert wird, und wobei die Ausgabeeinrichtung derart ausgebildet ist, die geschätzte Fahrzeuganzahl und die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen auszugeben.
Die Grundidee der Erfindung ist, die von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten, welche in großer Zahl in mobilen Endgeräten, wie beispielsweise Smartphones, drahlosen Kopfhörern oder drahtlosen Freisprecheinrichtungen etc. verbaut sind, periodisch ausgesandten Inquiry-Nachrichten dazu zu verwenden, einen Verkehrszustand an einem Verkehrsknoten zu bestimmen. Solche Inquiry-Nachrichten werden ausgesandt, um ein Aufbauen von Verbindungen mit anderen Drahtloskommunikationeinheiten oder -stationen im Umfeld vorzubereiten. Die Drahtloskommunikationseinheiten übermitteln hierzu eine eindeutige Kennung, über die sich diese jeweils eindeutig identifizieren lassen. Um den Verkehrszustand aus den Inquiry-Nachrichten abzuleiten, wird mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung verwendet. Die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung weist einen genau vorgegebenen oder zumindest genau bekannten Erfassungsbereich auf. Ein solcher Erfassungsbereich kann idealerweise eine gerichtete „Empfangskeule”, beispielsweise einer hierfür vorgesehenen Richtfunkantenne, sein, welche selektiv lediglich den zu erfassenden Verkehrsarm des Verkehrsknotens erfasst. In diesem vorgegebenen Erfassungsbereich werden die Zeitpunkte der empfangenen Inquiry-Nachrichten einer Drahtloskommunikationseinheit erfasst. Aus den erfassten Zeitpunkten der einzelnen Inquiry-Nachrichten wird in Abhängigkeit der Abmessungen des vorgegebenen Erfassungsbereichs eine Geschwindigkeit der mobilen Drahtloskommunikationseinheit geschätzt. Die auf diese Weise geschätzte Geschwindigkeit wird anschließend in einem Bayesschen Netz unter Berücksichtigung der Eigenschaften der verwendeten Sensoren (hier der Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung und der C2X-RSU) zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung fusioniert. Hierbei werden auch die C2X-Daten einbezogen, welche gegebenenfalls zusätzlich im gleichen Zeitraum wie die Inquiry-Nachrichten von der C2X-RSU erfasst wurden. Ferner wird eine Fahrzeuganzahl geschätzt. Dies erfolgt auf Grundlage der erfassten Inquiry-Nachrichten, wobei angenommen wird, dass eine erfasste Drahtloskommunikationseinheit mindestens einem Fahrzeug auf dem zugehörigen Verkehrsarm entspricht. Das Schätzen der Fahrzeuganzahl erfolgt unter Berücksichtigung von mindestens einem Korrekturfaktor.
Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung ist, dass ein Verkehrszustand an einem Verkehrsknoten verbessert bestimmt werden kann. Gegenwärtig verfügbare Detektoren und Verkehrssteuerungssysteme sind teuer und setzen die Detektion möglichst vieler Fahrzeuge voraus, um leistungsfähig und insbesondere verkehrsabhängig den Verkehr zu steuern. Durch das beschriebene Verfahren, das auf die zukünftig in Fahrzeugen eingesetzte C2X-Technik, sowie weit verbreitete Drahtloskommunikationseinheiten (beispielsweise gerichtete Standard-Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtungen) aufsetzt, kann ein Großteil der Kosten für die Mess- und Steuerungstechnik eingespart werden. Langfristig vorhandene Infrastruktur kann zurückgebaut werden, so dass auf diese Weise Ressourcen geschont werden können. So wird der Weg zu einer netzweiten Verkehrserfassung und -steuerung geebnet, indem auch Verkehrsknoten kostengünstig ausgestattet werden können, die bisher nicht ausgestattet werden konnten.
Drahtloskommunikationseinheiten sollen hierbei mobile Endgeräte sein, welche ein standardisiertes drahtloses Kommunikationsprotokoll aufweisen. Beispielsweise können solche mobilen Endgeräte Smartphones, Kopfhörer, Laptops oder Freisprecheinrichtungen etc. sein. Die Drahtloskommunikation kann beispielsweise über Bluetooth, WLAN, WiMAX etc. erfolgen. Hierbei werden aber insbesondere nur Kommunikationsprotokolle bzw. Modi der Drahtloskommunikationseinheiten betrachtet, die mit einem periodischen Aussenden von Inquiry-Nachrichten einhergehen, so dass diese von einer entsprechenden Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung empfangen werden können. Insbesondere sind die Drahtloskommunikationseinheiten in der Lage, sich eindeutig zu identifizieren, beispielsweise über eine Media Access Control-(MAC)-Adresse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mobilen Drahtloskommunikationseinheiten Bluetooth-Einheiten sind und die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung eine Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung ist.
Die geschätzte Fahrzeuganzahl und die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen werden von der Ausgabeeinrichtung beispielsweise als analoges oder digitales Verkehrszustandssignal, beispielsweise in Form eines Datenpakets, ausgegeben. Das ausgegebene Verkehrszustandssignal kann dann von einer Lichtsignalanlage oder von einem zentralen oder dezentralen Verkehrsleitsystem weiterverarbeitet werden.
Die Geschwindigkeit V_BT einer Drahtloskommunikationseinheit wird bei bekannten Abmessungen des Erfassungsbereichs der zugehörigen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung wie folgt bestimmt:
wobei r_BT die Ausdehnung des Erfassungsbereichs entlang des Verkehrsarmes, t_First der Zeitpunkt der ersten und t_Last der Zeitpunkt der letzten Detektion einer Inquiry-Nachricht der Drahtloskommunikationseinheit bezeichnen. Hierbei muss beachtet werden, dass beim Inquiry-Vorgang periodisch nach Drahtloskommunikationseinheiten gesucht wird und üblicherweise ein- und dieselbe Drahtloskommunikationseinheit mehrfach detektiert wird. Das bedeutet: je weniger häufig ein solches Gerät detektiert wird (bzw. je schneller es den Erfassungsbereich der entsprechenden Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung durchfährt), desto größer sind eine geschätzte Geschwindigkeit und ein resultierender Fehler der geschätzten Geschwindigkeit. Wird ein Fahrzeug in dem Erfassungsbereich hingegen häufiger detektiert (d. h. das Fahrzeug ist langsam unterwegs), so sind die geschätzte Geschwindigkeit und der resultierende Fehler kleiner.
Die Abmessungen des Erfassungsbereichs können sich in Abhängigkeit der Witterung und der Bebauung verändern. Es kann vorgesehen sein, dies beim Schätzen der Geschwindigkeit entsprechend zu berücksichtigen.
Für den Fall, dass nur eine einzige Detektion einer Drahtloskommunikationseinheit vorliegt, kann V_BT nicht bestimmt werden. Hier hat es sich in der Praxis als sinnvoll erwiesen, von einer vorbestimmten Geschwindigkeit auszugehen, z. B. V_BT = V_max, da jede weitere Detektion ohnehin zu einer Verringerung von V_BT führt.
Der Fehler der oben beschriebenen Drahtloskommunikationseinheit-basierten Schätzung von Geschwindigkeiten ist abhängig von der Geschwindigkeit der Drahtloskommunikationseinheit bzw. der Fahrzeuge selbst. Da der Inquiry-Vorgang selbst eine gewisse Zeit andauert und in dieser Zeit nach im Empfangsbereich befindlichen Drahtloskommunikationseinheiten gesucht wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Detektion verfahrensbedingt hoch, wenn sich eine Drahtloskommunikationseinheit lange im Erfassungsbereich der Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung befindet, sich also nur langsam bewegt. Umgekehrt ist die Wahrscheinlichkeit einer Detektion umso geringer, je weniger Zeit die Drahtloskommunikationseinheit im Erfassungsbereich verbringt, insbesondere also, wenn das Fahrzeug sich schnell bewegt. Als Konsequenz ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass bei kleinen Geschwindigkeiten auch die meisten sich im Empfangsbereich befindenden Drahtloskommunikationseinheiten erfasst werden. Bei großen Geschwindigkeiten gilt hingegen das Gegenteil, d. h. es existiert eine reziproke Proportionalität zwischen der Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Geschwindigkeit zu messen und der Geschwindigkeit V der Drahtloskommunikationseinheit.
In einer Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass ein Korrekturfaktor eine Detektionswahrscheinlichkeit der Drahtloskommunikationseinheiten ist. Ein solcher Korrekturfaktor ermöglicht es dann, eine Fahrzeuganzahl im Erfassungsbereich genauer zu schätzen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Korrekturfaktor abhängig von der geschätzten Geschwindigkeit der Drahtloskommunikationseinheit(en) ist. Jede Detektion einer Drahtloskommunikationseinheit im vorgegebenen Erfassungsbereich entspricht hierbei mindestens einer Drahtloskommunikationseinheit bzw. einem Fahrzeug, das diesen Erfassungsbereich passiert. Hierüber kann eine a-priori-Wahrscheinlichkeit für eine Fahrzeuganzahl in Abhängigkeit ihrer tatsächlichen Geschwindigkeit empirisch bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, Fahrzeuganzahlen auch bei geringen Ausstattungsgraden der Fahrzeuge mit C2X, zu schätzen.
Zur Berücksichtigung des Ausstattungsgrades der Fahrzeuge mit entsprechenden Drahtloskommunikationseinheiten ist ferner in einer bevorzugten weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass ein Korrekturfaktor ein Ausstattungsgrad der Fahrzeuge mit Drahtloskommunikationseinheiten ist. Der Korrekturfaktor kann beispielsweise den Ausstattungsgrad der Fahrzeuge mit Bluetooth-Einheiten repräsentieren, sofern die Drahtloskommunikationseinheiten Bluetooth-Einheiten sind.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten der Drahtloskommunikationseinheiten bzw. der Fahrzeuge entspricht die Fahrzeuganzahl dann im Mittel dem Reziproken des Ausstattungsgrades der Fahrzeuge mit Drahtloskommunikationseinheiten, das heißt N ≈ Anzahl detektierter Drahtloskommunikationseinheiten / Ausstattungsgrad·C(V) wobei N die Fahrzeuganzahl und C der geschwindigkeitsabhängiger Korrekturfaktor ist, der die oben beschriebene Reziprozität zwischen der Detektionswahrscheinlichkeit und der Geschwindigkeit der Drahtloskommunikationseinheit bzw. des Fahrzeugs abbildet.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, diese Gleichung bei gleichverteilten Drahtloskommunikationseinheiten und Ausstattungsgraden im Bereich zwischen ca. 30% und 100% anzuwenden. In der Regel ist davon auszugehen, dass dies beispielweise der Fall ist, wenn Bluetooth-Einheiten als Drahtloskommunikationseinheiten vorgesehen sind.
Bei niedrigeren Ausstattungsgraden und geringen Erfassungsreichweiten kann diese Gleichung hingegen nicht angewendet werden. Darüber hinaus ist die Gleichung auch bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr anwendbar. Es haben sich Maximalgeschwindigkeiten von ca. 50 km/h bei 30 m und ca. 150 km/h bei 100 m Erfassungsbereich als sinnvoll erwiesen. Ein entsprechender funktionaler Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit V, der Fahrzeuganzahl N und der maximalen Geschwindigkeit ist dabei als a-priori-Wissen zu hinterlegen, z. B. als Wahrscheinlichkeit oder als Polynomfunktion.
Gemäß der oben getroffenen Annahme, dass von extrem geringen Ausstattungsgraden für C2X (max. 1 bis 3%) und moderaten Ausstattungsgraden für Drahtloskommunikationseinheiten, bei Bluetooth beispielsweise von 20 bis 40%, ausgegangen werden kann, wird ein Fusionsverfahren benötigt, das in der Lage ist, mit unvollständigen und unsicheren Daten umzugehen. Das Fusionieren der gegebenenfalls zusätzlich erfassten C2X-Information und der aus den Inquiry-Nachrichten der Drahtloskommunikationseinheiten geschätzten Geschwindigkeit zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung für die entsprechende Drahtloskommunikationseinheit wird erfindungsgemäß mittels eines Bayesschen Netzes in der Steuerung durchgeführt. In einem solchen Bayesschen Netz werden sowohl der Verkehrsprozess (physikalische Geschwindigkeiten und Fahrzeuganzahlen) als auch der Messprozess (gemessene/geschätzte Geschwindigkeiten und Fahrzeuganzahlen) als Zufallsprozesse betrachtet und als entsprechende Knoten des Bayesschen Netzes modelliert. Unsicherheit wird hierbei mit der Berechnung von bedingten Wahrscheinlichkeiten quantifiziert. Generell ermöglicht es das Bayessche Netz, unvollständige, lückenhafte Daten von Sensoren geeignet zusammenzuführen und hieraus gesuchte Größen zu bestimmen. Hierzu sind aber eine Kenntnis und eine Modellierung von Genauigkeit und Eigenschaften der eingesetzten Sensoren erforderlich.
In diesem Bayesschen Netz entspricht ein Elternknoten V der tatsächlichen physikalischen Geschwindigkeit und die beiden Kindknoten V_BT und V_C2X den über die Drahtloskommunikationseinheiten gemessenen bzw. über C2X bereitgestellten Geschwindigkeiten der erfassten Fahrzeuge sowie P(V) der a-priori-Wahrscheinlichkeit des zugrundeliegenden Prozesses und P(V_BT|V) sowie P(V_C2X|V) den bedingten Wahrscheinlichkeiten, die die Eigenschaften der „Sensoren” repräsentieren, d. h. die Sensor-Likelihoods. In diesem Bayesschen Netz ist nun die a-posteriori-Wahrscheinlichkeit P(V|V_BT, V_C2X) zu bestimmen, die Aufschluss darüber gibt, welche Geschwindigkeit V zu erwarten ist, wenn die Geschwindigkeiten V_BT und V_C2X gemessen wurden. Die Fusionsgleichung ergibt sich mit α als Normierungskonstante zu: P(V|V_BT, V_C2X) = α·P(V)·P(V_BT|V)·P(V_C2X|V).
Die Berechnung dieser Gleichung ist immer dann möglich, wenn Messwerte zur gleichen Zeit vorliegen. Sind die Messungen zeitlich asynchron, so besteht die Notwendigkeit der Synchronisierung. Liegen nur Messwerte eines Sensors vor, beispielsweise einer als Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung ausgebildeten Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung, so reduziert sich die Gleichung zu P(V|V_BT) = α₁·P(V)·P(V_BT|V).
Liegen nur C2X-Informationen vor, so reduziert sich die Gleichung entsprechend zu P(V|V_C2X) = α₂·P(V)·P(V_C2X|V).
Wird in einem Erfassungsbereich einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung hingegen keine Drahtloskommunikationseinheit erfasst, so wird davon ausgegangen, dass auch kein Fahrzeug den Erfassungsbereich passiert hat.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drahtloskommunikationseinheiten an jedem der mindestens zwei Verkehrsarme mittels jeweils mindestens einer eigenen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung mit dem jeweiligen Verkehrsarm zugeordneten vorgegebenen Erfassungsbereichen erfasst werden. Dies hat den Vorteil, dass jeder Verkehrsarm mit einem eigenen vorgegebenen Erfassungsbereich überwacht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass auf Grundlage der von unterschiedlichen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen für unterschiedliche Verkehrsarme erfassten Inquiry-Nachrichten mittels der Steuerung eine Richtungsinformation der Drahtloskommunikationseinheiten abgeleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass neben einer Geschwindigkeitsverteilung und einer Fahrzeuganzahl auch noch eine Richtung und/oder eine mittlere Richtung der Drahtloskommunikationseinheiten bzw. Fahrzeuge bestimmt werden kann. Weist ein Verkehrsknoten beispielsweise vier Verkehrsarme auf und wird jeder der vier Verkehrsarme mittels einer eigenen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung mit einem dem jeweiligen Verkehrsarm zugeordneten Erfassungsbereich überwacht, so kann aus der zeitlichen Abfolge einer Erfassung einer Drahtloskommunikationseinheit in zweien der Erfassungsbereiche auf eine Fahrtrichtung der Drahtloskommunikationseinheit geschlossen werden, so dass hieraus eine Richtungsinformation erzeugt werden kann. Beispielsweise kann auf diese Weise bestimmt werden, dass eine Drahtloskommunikationseinheit auf dem ersten der vier Verkehrsarme in Richtung des Verkehrsknoten gefahren ist und sich über den dritten der vier Verkehrsarme wie der von dem Verkehrsknoten entfernt hat. Dies ermöglicht somit, zusätzlich zu einer Fahrzeuganzahl und einer Geschwindigkeitsverteilung der Fahrzeuge auch einen Verkehrsfluss zu bestimmen. Auf diese Weise kann sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmt werden, welche der Verkehrsarme in welche Richtung(en) befahren werden.
Es kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass sich mehr als ein Fahrzeug im Erfassungsbereich befindet und die Fahrzeuge die gleichen oder sich nur langsam ändernde statistische Eigenschaften haben (Stationaritätsbedingung in der Signalverarbeitung). Unter der Annahme können die Geschwindigkeitsschätzungen der im Erfassungsbereich befindlichen Fahrzeuge geeignet kombiniert und hiermit die „Gesamtschätzung” verbessert werden. Dies kann durch einfache Mittelung oder durch wahrscheinlichkeitstheoretische Ansätze geschehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass Geschwindigkeiten, die aus aufeinanderfolgend erfassten Inquiry-Nachrichten mindestens einer Drahtloskommunikationseinheit geschätzt wurden, unter Annahme einer Stationaritätsbedingung fusioniert werden. Es wird hierzu davon ausgegangen, dass sich eine Geschwindigkeit und eine Fahrzeuganzahl nur langsam über die Zeit ändern. Befinden sich beispielsweise n Fahrzeuge (bzw. Drahtloskommunikationseinheiten, beispielsweise Bluetooth-Einheiten) zum Zeitpunkt t im Erfassungsbereich r_BT einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung, so kann für den Zeitschritt t + 1 angenommen werden, dass sich immer noch n Fahrzeuge (bzw. Drahtloskommunikationseinheiten) im Erfassungsbereich befinden und dass die Drahtloskommunikationseinheiten sich mit einer ähnlichen Geschwindigkeit bewegen, und diese sich nur langsam ändert. Diese Annahmen führen zur Stationarität des betrachteten Verkehrszustandes.
Die beiden Annahmen führen dazu, dass Anforderungen an die Größe der Zeitschritte und des Erfassungsbereiches bestehen:

– Die betrachteten Zeitschritte sind klein genug zu wählen, so dass sich Änderungen schnell auswirken können. Als praktisch sinnvoll haben sich beispielsweise Zeitschritte von 0,1 s erwiesen.
– Der Erfassungsbereich ist groß genug zu wählen, so dass Änderungen von Geschwindigkeit und Fahrzeuganzahl klein sind. Gleichzeitig ist der Erfassungsbereich klein genug zu wählen, so dass Veränderungen des Verkehrsprozesses, z. B. ein sich ausbildender Stau, identifiziert werden können. Ein Erfassungsbereich von beispielsweise 30 bis 100 m hat sich hierbei als praktisch sinnvoll erwiesen.

Sind die Anforderungen erfüllt, können die Inquiry-Nachrichten der Drahtloskommunikationseinheiten innerhalb eines Zeitfensters bestimmter Größe erfasst werden und zu einer Gesamtaussage kombiniert werden. Hierbei ist zu beachten, dass dieses Zeitfenster so groß sein muss, dass Stationarität gewährleistet ist. Es sollte aber nicht viel größer sein, da sonst wesentliche, den Verkehrsprozess betreffende Eigenschaften weggeglättet, werden. Als praktisch sinnvoll haben sich Zeitfenster mit einer Größe von ca. 5 bis 10 s erwiesen.
Es kann hierbei auch vorgesehen sein, genauere, an die Tageszeit und/oder in Abhängigkeit des Verkehrszusatndes angepasste Zeitfenster zur weiteren Verbesserung einzusetzen.
Zum Erläutern des Fusionierens unter Annahme von Stationarität wird nun vereinfachend angenommen, dass zum Zeitpunkt t = t₁ genau ein Fahrzeug mit einer Drahtloskommunikationseinheit im Erfassungsbereich erfasst wurde, d. h. es wurden zwei Inquiry-Nachrichten zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst, so dass V_BT = {V_BT,0} ist. Die a-posteriori-Wahrscheinlichkeit wird dann im ersten Schritt wie folgt bestimmt: P(V|V_BT,0) = α₀·P(V)·P(V_BT,0|V)
Im Zeitschritt t = t₂ (t₂ > t₁) wird die Drahtloskommunikationseinheit ein zweites Mal detektiert, d. h. es wird eine weitere Inquiry-Nachricht erfasst und hieraus zusammen mit der ersten erfassten Inquiry-Nachricht eine Geschwindigkeit geschätzt, so dass nun gilt V_BT = {V_BT,0, V_BT,1} und P(V|V_BT,0, V_BT,1) = α₁·P(V)·P(V_BT,0|V)·P(V_BT,1|V) = α₂·P(V|V_BT,0)·P(V_BT,1|V).
Nach T Zeitschritten gilt schließlich die folgende Gleichung, die mit V_BT = {V_BT,0, ..., V_BT,T} der Formulierung der Stationaritätsannahme entspricht: P(V|V_BT,0:T) = α_0:T·P(V)·P(V_BT,T|V)·P(V|V_BT,0:T-1).
Diese Gleichung drückt aus, dass sich die zum Zeitpunkt T geschätzte a-posteriori-Wahrscheinlichkeit P(V|V_BT,0;T) aus dem Produkt der zum Zeitschritt T – 1 bestimmten a-posteriori-Wahrscheinlichkeit P(V|V_BT0;T-1) und der zum Zeitpunkt T zugehörigen Sensor-Likelihood P(V_BT,T|V) und der a-priori-Wahrscheinlichkeit P(V) berechnet. Es kann gezeigt werden, dass die Verteilung P(V|V_BT,0;T) mit jedem zusätzlichen Zeitschritt, in dem eine weitere Inquiry-Nachricht erfasst und hieraus eine Geschwindigkeit bestimmt wird, immer spitzer wird, sich also der zugrundeliegende, wahre statistische Mittelwert der Geschwindigkeit manifestiert.
Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit kann die Stationaritätsannahme auch auf weitere Drahtloskommunikationseinheiten und deren Erfassen ausgeweitet werden. Ohne hier die Herleitung detailliert zu beschreiben, ergibt sich diese dann für alle N Drahtloskommunikationseinheiten zu: P(V|{V_BT,0:T}_N) = α_0:T·P(V)·Π_i∊NP({V_BT,T}_i|V)·P(V|{V_BT,0:T-1}_i).
Die unter Berücksichtigung der Stationaritätsannahme zu lösende Fusionsgleichung kann schließlich wie folgt formuliert werden: P(V|{V_BT,0:T}_N, V_C2X) = α·P(V)·P(V_C2X|V)·Π_i∊NP({V_BT,T}_i|V)·P(V|{V_BT,0:T-1}_i.
Um ein verlässliches Fusionsergebnis zu erhalten, besteht die wesentliche Aufgabe nun in der Modellierung der a-priori-Wahrscheinlichkeit P(V) und der Sensor-Likelihoods P(V_BT|V) und P(V_C2X|V). Die a-priori-Wahrscheinlichkeit P(V) charakterisiert die statistisch abgesicherte, zu erwartende physikalische Geschwindigkeit. Diese kann temporal (an einem festen Ort) und/oder räumlich (z. B. an einem Streckenabschnitt) betrachtet werden und durch umfangreiche Messungen mit genauen Referenzsensoren bestimmt werden. Es ist wichtig, dass P(V) für die Erfassungsbereiche jedes Sensors in jedem an dem Verkehrsknoten vorhandenen Verkehrsarm bestimmt wird.
Ferner müssen die Sensoren, also die Drahtloskommunikations-Sende-Empfangseinheit und die C2X-RSU, im Bayesschen Netz modelliert werden, d. h. die zugehörigen bedingten Wahrscheinlichkeiten müssen bestimmt werden. Die bedingten Wahrscheinlichkeiten der Knoten V_BT und V_C2X charakterisieren die Genauigkeiten des „Bluetooth-Detektors” (d. h. der verwendeten Messmethode) und der C2X-RSU, die über einen Lernprozess mit Hilfe von Referenzsensoren bestimmt werden müssen. Zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit P(V_BT|V) und P(V_C2X|V) sind Referenzaufzeichnungen der Geschwindigkeiten bei Kenntnis der „wahren” physikalischen Geschwindigkeit der betrachten Drahtloskommunikationseinheiten bzw. der mit diesen zusammenfallenden Fahrzeuge erforderlich. Da die tatsächlichen Geschwindigkeiten nicht bekannt sind, sind diese mit Hilfe eines genauen Referenzsensors zu bestimmen. Hierbei ist es wichtig, dass die Genauigkeiten der Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen mit statistischer Sicherheit bestimmt werden können. Ist das „Verhalten” der Sensoren bekannt, so können P(V_BT|V) und P(V_C2X|V) entsprechend durch eine empirische Verteilungsdichtefunktion modelliert werden.
Da nicht nur Fahrzeuge, sondern auch Fußgänger und Radfahrer, Passagiere von S-Bahnen, Bussen und anderen Verkehrsmitteln mit Drahtloskommunikationseinheiten, insbesondere Bluetooth-Einheiten, ausgestattet sein können, werden diese Drahtloskommunikationseinheiten fälschlicherweise detektiert. Wird auf Basis dieser die Geschwindigkeit geschätzt, so entsteht ein systematischer Fehler. Dies kann berücksichtigt werden, indem der Geschwindigkeitsschätzung nach obiger Gleichung eine Verkehrsmodusdetektion vorausgeht, die die unterschiedlichen Verkehrsmodi voneinander trennt.
In einer weiteren Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass auf Grundlage der erfassten Inquiry-Nachrichten und der hieraus geschätzten Fahrzeuganzahl und/oder der geschätzten Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen ein Verkehrsmodus bestimmt wird, wobei der bestimmte Verkehrsmodus anschließend beim Schätzen der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen und der Fahrzeuganzahl berücksichtigt wird. Zum Bestimmen des Verkehrsmodus können beispielsweise Heuristiken oder Mustererkennungsverfahren zum Einsatz kommen. Verkehrsmodus beschreibt dabei beispielsweise, ob sich ein Verkehrsteilnehmer zu Fuß, per S-Bahn, Bus oder Kraftfahrzeug bewegt.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen in Bezug auf die geschätzte Fahrzeuganzahl zu einer Gesamtgeschwindigkeitsverteilung zusammengefasst werden. Auf diese Weise wird eine Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung in Bezug auf die geschätzte Fahrzeuganzahl bereitgestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten mit vier Verkehrsarmen;
3 eine schematische Darstellung des Bayesschen Netzes, welches zum Schätzen der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung in der Steuerung verwendet wird;
4 eine schematische Darstellung eines Korrekturfaktors zum Korrigieren einer Fahrzeuganzahl auf Grundlage einer Detektionswahrscheinlichkeit;
5 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber ist hierbei lediglich ein Verkehrsarm 60 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine C2X-RSU 2, eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung 3, hier eine Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung 4, eine Steuerung 5 und eine Ausgabeeinrichtung 6. Der Verkehrsarm 60 wird von der Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung 4 in einem vorgegebenen Erfassungsbereich 7 erfasst, wobei Inquiry-Nachrichten 20, 21 von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten 9, hier einer Bluetooth-Einheit 10, erfasst werden, welche sich insbesondere in Fahrzeugen 50 befinden. In einem größeren Erfassungsbereich 8 werden gegebenenfalls zusätzlich C2X-Informationen von der C2X-RSU 2 (Road Side Unit) erfasst.
Die erfassten Inquiry-Nachrichten 20, 21 werden von der Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung 4 an die Steuerung 5 weitergeleitet. Sofern C2X-Informationen empfangen wurden, werden diese von der C2X-RSU 2 ebenfalls an die Steuerung 5 weitergeleitet.
Die Steuerung 5 ist nun derart ausgebildet, eine Geschwindigkeit 12 für die erfasste Drahtloskommunikationseinheit 9 aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt t_First eines Empfangs einer ersten Inquiry-Nachricht 20 dieser Drahtloskommunikationseinheit 9 und einem Zeitpunkt t_Last eines Empfangs einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht 21 dieser Drahtloskommunikationseinheit 9 unter Berücksichtigung von Abmessungen 11 des vorgegebenen Erfassungsbereichs 7 zu schätzen, die C2X-Information und die geschätzte Geschwindigkeit 12 mittels eines Bayesschen Netzes 13 zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung 14 für diese Drahtloskommunikationseinheit zu fusionieren, und eine Fahrzeuganzahl 15 auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten 9 zu schätzen, wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten 9 mittels mindestens einem Korrekturfaktor 16 korrigiert wird. Ein solcher Korrekturfaktor 16 berücksichtigt insbesondere eine Detektionswahrscheinlichkeit der Drahtloskommunikationseinheiten 9 in Abhängigkeit der geschätzten Geschwindigkeit(en) 12 und einen Ausstattungsgrad der Fahrzeuge 50 mit Drahtloskommunikationseinheiten 9.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Geschwindigkeiten 12, die aus aufeinanderfolgend erfassten Inquiry-Nachrichten 20, 21 einer Drahtloskommunikationseinheit 9 geschätzt wurden, unter Annahme einer Stationaritätsbedingung fusioniert werden. Dies ermöglicht es, alle von der Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung 3 empfangenen Inquiry-Nachrichten 20, 21 zu einer einzigen Schätzung für die Geschwindigkeit 12 dieser Drahtloskommunikationseinheit 9 zusammenzufassen, so dass die Schätzung der Geschwindigkeit 12 insgesamt verbessert wird. Wird nur eine einzige Inquiry-Nachricht 20, 21 erfasst, dann wird die Geschwindigkeit über einen vorgegebenen Maximalwert geschätzt. Werden hingegen weitere Inquiry-Nachrichten 20, 21 erfasst, so verringert sich die geschätzte Geschwindigkeit 12 in der Regel und strebt immer mehr dem Wert der Geschwindigkeit entgegen, den die Drahtloskommunikationseinheit 9 tatsächlich aufweist.
Die geschätzte Fahrzeuganzahl 15 und die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen 14 und/oder eine daraus abgeleitete Gesamtgeschwindigkeitsverteilung werden von der Ausgabeeinrichtung 6 beispielsweise als analoges oder digitales Verkehrszustandssignal 17, beispielsweise in Form eines Datenpakets, ausgegeben. Das ausgegebene Verkehrszustandssignal 17 kann dann von einer Lichtsignalanlage oder von einem zentralen oder dezentralen Verkehrsleitsystem weiterverarbeitet und zum Steuern des Verkehrs verwendet werden.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten 61 mit vier Verkehrsarmen 60-1, 60-2, 60-3, 60-4 aus der Vogelperspektive gezeigt. Auf den Verkehrsarmen 60-1, 60-2, 60-3, 60-4 befinden sich Fahrzeuge 50 (der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle mit einem eigenen Bezugszeichen versehen), welche mit Drahtloskommunikationseinheiten ausgestattet sind, beispielsweise mit Smartphones, drahtlosen Kopfhörern, Freisprecheinrichtungen, Laptops etc. Die Vorrichtung 1 zum Bestimmen des Verkehrszustandes an dem Verkehrsknoten 61 umfasst vier Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen mit jeweils einem eigenen vorgegebenen Erfassungsbereich 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. Die einzelnen Erfassungsbereiche 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 sind jeweils einem der Verkehrsarme 60-1, 60-2, 60-3, 60-4 zugeordnet. Die vier Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen sind beispielsweise Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtungen, welche Inquiry-Nachrichten von Bluetooth-Einheiten erfassen. In einem größeren Erfassungsbereich 8 werden C2X-Informationen von einer C2X-RSU der Vorrichtung 1 erfasst. Wie bereits für die in der 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben, bestimmt die Vorrichtung 1 an den vier Verkehrsarmen 60-1, 60-2, 60-3, 60-1 jeweils eine Fahrzeuganzahl und eine Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zusätzlich eine Richtungsinformation 18 der Drahtloskommunikationseinheiten bzw. der Fahrzeuge 50 bestimmt wird. Dies erfolgt über das Auswerten einer zeitlichen Abfolge eines Erfassens der jeweils identischen Drahtloskommunikationseinheit in unterschiedlichen Verkehrsarmen 60-1, 60-2, 60-3, 60-4. Eine solche Richtungsinformation 18 ist beispielhaft für eine Trajektorie eine Fahrzeugs 50 von Verkehrsarm 60-2 in Richtung des Verkehrsarm 60-3 gezeigt. Der Vorteil ist, dass neben einer Fahrzeuganzahl und einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung auch ermittelt werden kann, wohin die Drahtloskommunikationseinheiten bzw. die Fahrzeuge 50 sich bewegen.
Das Ableiten der Richtungsinformation 18 kann noch verbessert werden, wenn beispielsweise auch verschiedene Spuren der Verkehrsarme 60-1, 60-2, 60-3, 60-4 einzeln erfasst werden können.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Bayesschen Netzes 30, welches zum Schätzen der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung in der Steuerung verwendet wird. In einem solchen Bayesschen Netz werden sowohl der Verkehrsprozess (physikalische Geschwindigkeiten und Fahrzeuganzahlen) als auch der Messprozess (gemessene/geschätzte Geschwindigkeiten und Fahrzeuganzahl) als Zufallsprozesse betrachtet und als entsprechende Knoten 31, 32, 33 des Bayesschen Netzes 30 modelliert. Generell ermöglicht es das Bayessche Netz 30, unvollständige, lückenhafte Daten von Sensoren (hier den erfassten C2X-Informationen und den aus den erfassten Inquiry-Nachrichten geschätzten Geschwindigkeiten) geeignet zusammenzuführen und hieraus gesuchte Größen, hier die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung, zu bestimmen. Hierzu sind aber eine Kenntnis und eine Modellierung von Genauigkeit und Eigenschaften der eingesetzten Sensoren erforderlich, insbesondere der bedingten Wahrscheinlichkeiten P(V_BT|V) und P(V_C2X|V), welche beschreiben, wie wahrscheinlich es ist, dass eine Geschwindigkeit V vorliegt, wenn die Geschwindigkeiten V_BT bzw. V_C2X von einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung bzw. aus der C2X-Information bestimmt wurden. Ferner ist die Kenntnis der Wahrscheinlichkeit P(V) notwendig, die den Prozess selber beschreibt, also wie wahrscheinlich es ist, eine Drahtloskommunikationseinheit bzw. ein Fahrzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit V in einem betrachteten Erfassungsbereich bzw. Verkehrsarm anzutreffen.
In 4 ist ein schematischer Verlauf eines geschwindigkeitsabhängigen Korrekturfaktors 40 zum Korrigieren einer Fahrzeuganzahl auf Grundlage einer Detektionswahrscheinlichkeit P(D) gezeigt. Anschaulich gibt der Korrekturfaktor 40 an, durch welchen Wert dividiert werden muss, wenn eine einzige Drahtloskommunikationseinheit in einem Erfassungsbereich erfasst wird. Geht die Geschwindigkeit V der Drahtloskommunikationseinheit gegen Null, so geht die Wahrscheinlichkeit, dass diese Drahtloskommunikationseinheit auf Grundlage erfasster Inquiry-Nachrichten dieser Drahtloskommunikationseinheit gegen 1. Je schneller sich die Drahtloskommunikationseinheit jedoch durch den Erfassungsbereich hindurch bewegt, desto geringer wird die Wahrscheinlichkeit P(D), dass die Drahtloskommunikationseinheit erfasst wird. Sind jedoch insgesamt genug Drahtloskommunikationseinheiten vorhanden, welche auf Grundlage der Inquiry-Nachrichten erfasst werden können, so kann mittels des Korrekturfaktors trotzdem eine zuverlässige Schätzung der Fahrzeuganzahl erfolgen.
Wird eine Drahtloskommunikationseinheit erfasst, so wird deren Geschwindigkeit geschätzt und auf Grundlage der geschätzten Geschwindigkeit anschließend der Wert des Korrekturfaktors bestimmt. Die Fahrzeuganzahl wird dann durch diesen Wert dividiert. Der genaue Verlauf des Korrekturfaktors 40 kann beispielsweise mittels empirischer Messwerte von Referenzsensoren bestimmt werden. Die dargestellte Kurve des Korrekturfaktors 40 ist lediglich schematisch. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass sich die Werte für den Korrekturfaktor 40 zwischen 0,5 und 2 bewegen, d. h. eine einzige Detektion würde in Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer realen Fahrzeuganzahl von 1 bis ca. 2 entsprechen.
Insbesondere kann und sollte beim Schätzen der Fahrzeuganzahl auch der Ausstattungsgrad der Fahrzeuge mit Drahtloskommunikationseinheiten berücksichtigt werden. Bei Bluetooth entspricht der Ausstattungsgrad derzeit zwischen 20% und 40%. Der Ausstattungsgrad kann insbesondere auch von dem überwachten Straßentyp abhängen, auf dem die Fahrzeuge fahren. In den Fahrzeugen, die auf einer Schnellstraße fahren, sind in der Regel mehr drahtlose Freisprecheinrichtungen aktiviert als innerorts.
In 5 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten gezeigt.
Nach dem Start 100 des Verfahrens werden in einem ersten Verfahrensschritt 101 C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens mittels einer C2X-RSU erfasst. Zeitgleich werden im Verfahrensschritt 102 einzelne Inquiry-Nachrichten von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten, beispielsweise Bluetooth-Einheiten, mittels mindestens einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung mit einem vorgegebenen Erfassungsbereich erfasst.
Im Verfahrensschritt 103 wird eine Geschwindigkeit einer erfassten Drahtloskommunikationseinheit aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht dieser Drahtloskommunikationseinheit unter Berücksichtigung von Abmessungen des vorgegebenen Erfassungsbereichs mittels einer Steuerung geschätzt. Werden weitere Drahtloskommunikationseinheiten erfasst, wird auch für diese jeweils eine Geschwindigkeit geschätzt.
Es kann in einem Verfahrensschritt 104 vorgesehen sein, dass unter Annahme von Stationarität des Verkehrszustandes mehrere für eine Drahtloskommunikationseinheit bestimmte Geschwindigkeiten zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung fusioniert werden.
Im Verfahrensschritt 105 werden anschließend die erfassten C2X-Informationen, sofern diese vorliegen, und die jeweils geschätzte Geschwindigkeit mittels eines Bayesschen Netzes zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung für die jeweilige Drahtloskommunikationseinheit mittels der Steuerung fusioniert.
Im Verfahrensschritt 106 wird eine Fahrzeuganzahl auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten mittels der Steuerung geschätzt, wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten mittels mindestens einem Korrekturfaktor korrigiert wird.
Der Korrekturfaktor wird hierbei beispielsweise in dem Verfahrensschritt 107 aus der in Verfahrensschritt 103 geschätzten Geschwindigkeit der Drahtloskommunikationseinheit(en) bestimmt (siehe auch 4). Ferner wird als weiterer Korrekturfaktor ein Ausstattungsgrad der Fahrzeuge mit Drahtloskommunikationseinheiten berücksichtigt. Handelt es sich bei den Drahtloskommunikationseinheiten, wie bevorzugt, beispielsweise um Bluetooth-Einheiten und weist im Schnitt jedes zweite Fahrzeug eine (aktivierte, d. h. Inquiry-Nachrichten aussendende) Bluetooth-Einheit auf, so ist der Ausstattungsgrad 50%. Weist hingegen nur jedes fünfte Fahrzeug eine solche Bluetooth-Einheit auf, so beträgt der Ausstattungsgrad lediglich 20%.
Es kann zusätzlich in einem Verfahrensschritt 108 vorgesehen sein, dass ein Verkehrsmodus auf Grundlage der Fahrzeuganzahl und der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt wird. Hier können beispielsweise Heuristiken oder Mustererkennungsverfahren zum Einsatz kommen.
Es kann ferner in einem Verfahrensschritt 109 vorgesehen sein, dass eine Gesamtgeschwindigkeitsverteilung aus den einzelnen Geschwindigkeitsverteilungen und der Fahrzeuganzahl bestimmt wird. Auf diese Weise wird eine Verteilung nach Anzahl der Fahrzeuge mit einer bestimmten Geschwindigkeit erzeugt.
Im letzten Verfahrensschritt 110 werden die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung und die Fahrzeuganzahl in Form eines Verkehrszustandssignals mittels einer Ausgabeeinrichtung ausgegeben. Das Verkehrszustandssignal kann dann beispielsweise von einer Steuerung einer Lichtsignalanlage dazu verwendet werden, den Verkehr an dem Verkehrsknoten zu regeln. Anschließend ist das Verfahren beendet 111.
Es ist vorgesehen, dass das Verfahren zyklisch wiederholt wird, so dass stets ein aktueller Verkehrszustand bestimmt wird und entsprechende Daten hierüber bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: C2X-RSU
3: Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung
4: Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung
5: Steuerung
6: Ausgabeeinrichtung
7: vorgegebener Erfassungsbereich
7-1: vorgegebener Erfassungsbereich
7-2: vorgegebener Erfassungsbereich
7-3: vorgegebener Erfassungsbereich
7-4: vorgegebener Erfassungsbereich
8: größerer Erfassungsbereich
9: Drahtloskommunikationseinheit
10: Bluetooth-Einheit
11: Abmessung
12: Geschwindigkeit
13: Bayessches Netz
14: Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung
15: Fahrzeuganzahl
16: Korrekturfaktor
17: Verkehrszustandssignal
18: Richtungsinformation
20: Inquiry-Nachricht
21: Inquiry-Nachricht
30: Bayessches Netz
31: Knoten
32: Knoten
33: Knoten
40: Korrekturfaktor
50: Fahrzeug
60: Verkehrsarm
60-1: Verkehrsarm
60-2: Verkehrsarm
60-3: Verkehrsarm
60-4: Verkehrsarm
61: Verkehrsknoten
100–111: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten (61) mit mindestens zwei Verkehrsarmen (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4), umfassend die folgenden Schritte: Erfassen von C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens (61) mittels einer C2X-RSU (2), Erfassen von einzelnen Inquiry-Nachrichten (20, 21) von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten (9) mittels mindestens einer Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) mit einem vorgegebenen Erfassungsbereich (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4), wobei die Drahtloskommunikationseinheiten (9) jeweils durch eine eindeutige Kennung identifiziert werden, Schätzen einer Geschwindigkeit (12) einer erfassten Drahtloskommunikationseinheit (9) aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht (20) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht (21) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) unter Berücksichtigung von Abmessungen (11) des vorgegebenen Erfassungsbereichs (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) mittels einer Steuerung (5), Fusionieren der C2X-Information und der geschätzten Geschwindigkeit (12) mittels eines Bayesschen Netzes (30) zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung (14) für diese Drahtloskommunikationseinheit (9) mittels der Steuerung (5), Schätzen einer Fahrzeuganzahl (15) auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten (9) mittels der Steuerung (5), wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten (9) mittels mindestens einem Korrekturfaktor (16) korrigiert wird, Ausgeben der geschätzten Fahrzeuganzahl (15) und der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14) mittels einer Ausgabeeinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor (16) eine Detektionswahrscheinlichkeit der Drahtloskommunikationseinheiten (9) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor (16) ein Ausstattungsgrad der Fahrzeuge (50) mit Drahtloskommunikationseinheiten (9) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtloskommunikationseinheiten (9) an jedem der mindestens zwei Verkehrsarme (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) mittels jeweils mindestens einer eigenen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) mit dem jeweiligen Verkehrsarm (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) zugeordneten vorgegebenen Erfassungsbereichen (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der von unterschiedlichen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen (3) für unterschiedliche Verkehrsarme (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) erfassten Inquiry-Nachrichten (20, 21) mittels der Steuerung (5) eine Richtungsinformation (18) der Drahtloskommunikationseinheiten (9) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Geschwindigkeiten (12), die aus aufeinanderfolgend erfassten Inquiry-Nachrichten (20, 21) mindestens einer Drahtloskommunikationseinheit (9) geschätzt wurden, unter Annahme einer Stationaritätsbedingung fusioniert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der erfassten Inquiry-Nachrichten (20, 21) und der hieraus geschätzten Fahrzeuganzahl (15) und/oder der geschätzten Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14) ein Verkehrsmodus bestimmt wird, wobei der bestimmte Verkehrsmodus anschließend beim Schätzen der Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14) und der Fahrzeuganzahl (15) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14) in Bezug auf die geschätzte Fahrzeuganzahl (15) zu einer Gesamtgeschwindigkeitsverteilung zusammengefasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobilen Drahtloskommunikationseinheiten (9) Bluetooth-Einheiten (10) sind und die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) eine Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung (4) ist.
Vorrichtung (1) zum Bestimmen eines Verkehrszustandes an einem Verkehrsknoten (61) mit mindestens zwei Verkehrsarmen (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4), umfassend: eine C2X-RSU (2) zum Empfangen von C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens (61), mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) mit einem vorgegebenen Erfassungsbereich (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) zum Empfangen von Signalen von Drahtloskommunikationseinheiten (9), eine Steuerung (5), und eine Ausgabeeinrichtung (6), wobei die C2X-RSU (2) derart ausgebildet ist, C2X-Informationen im Umfeld des Verkehrsknotens (61) zu erfassen, und wobei die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) derart ausgebildet ist, einzelne Inquiry-Nachrichten (20, 21) von mobilen Drahtloskommunikationseinheiten (9) in dem vorgegebenen Erfassungsbereich (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) zu erfassen, wobei die Drahtloskommunikationseinheiten (9) jeweils durch eine eindeutige Kennung identifiziert werden, und wobei die Steuerung (5) derart ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit (12) für eine erfasste Drahtloskommunikationseinheit (9) aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfang einer ersten Inquiry-Nachricht (20) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) und einem Empfang einer nachfolgenden Inquiry-Nachricht (21) dieser Drahtloskommunikationseinheit (9) unter Berücksichtigung von Abmessungen (11) des vorgegebenen Erfassungsbereichs (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) zu schätzen, die C2X-Information und die geschätzte Geschwindigkeit (12) mittels eines Bayesschen Netzes (30) zu einer Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilung (14) für diese Drahtloskommunikationseinheit (9) zu fusionieren, und eine Fahrzeuganzahl (15) auf Grundlage einer Anzahl von gleichzeitig oder in einem Zeitintervall erfassten Drahtloskommunikationseinheiten (9) zu schätzen, wobei die Anzahl von erfassten Drahtloskommunikationseinheiten (9) mittels mindestens einem Korrekturfaktor (16) korrigiert wird, und wobei die Ausgabeeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, die geschätzte Fahrzeuganzahl (16) und die Geschwindigkeitswahrscheinlichkeitsverteilungen (14) auszugeben.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) für jeden der mindestens zwei Verkehrsarme (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) des Verkehrsknotens (61) jeweils eine eigene Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) aufweist, wobei der jeweils vorgegebene Erfassungsbereich (7, 7-1, 7-2, 7-3, 7-4) der Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (3) jeweils einem der mindestens zwei Verkehrsarme (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) zugeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (5) derart ausgebildet ist, auf Grundlage der von unterschiedlichen Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtungen (9) für unterschiedliche Verkehrsarme (60, 60-1, 60-2, 60-3, 60-4) erfassten Inquiry-Nachrichten (20, 21) eine Richtungsinformation (18) der Drahtloskommunikationseinheiten (18) abzuleiten.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Drahtlos-Sende-Empfangseinrichtung (9) eine Bluetooth-Sende-Empfangseinrichtung (4) ist, welche derart ausgebildet ist, Signale von mobilen Bluetooth-Einheiten (10) zu empfangen.