Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

1

Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

Werkstattbericht

Jannis Rohde

Institut für Verkehrswirtschaft, Straßenwesen und Städtebau

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

2

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Gliederung

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

3

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Netzmodell: Eingabe Straßennetz + LSA-Daten

Netzmodell

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

4

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

• Verkehrsfluss: Freie Strecke [DAGANZO]

Wirkungsmodell: Cell Transmission Model

Wirkungsmodell

Optimierung

i - 1 i i + 1

ni - 1

qi+1(t) = min {ni(t) ; Qi+1 ; w/vf · (Ni+1 – ni+1(t) )}ni(t+1) = ni(t) + qi(t) – qi+1(t)

qi qi+1ni ni + 1

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

5

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

• Verkehrsfluss: Knotenpunkte [DAGANZO]

Wirkungsmodell: Cell Transmission Model

Wirkungsmodell

Optimierung

i

P1

P2

S1

S2

→ Zur Abbildung innerstädtischer Knotenpunktezu unflexibel

ni

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

6

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

• Verkehrsfluss: Knotenpunkte [NAGEL/FLÖTTERÖD]

Wirkungsmodell: Cell Transmission Model

Wirkungsmodell

Optimierung

i

P1

P2

S1

S2

S3P3

→ flexible Abbildung innerstädtischer Knotenpunkte

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

7

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Optimierung: Zielfunktion

• Optimierungskriterium: Verlustzeit

i i + 1Qi+1 = 1

Wirkungsmodell

Optimierung

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

8

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Optimierung: Zielfunktion

• Optimierungskriterium: Verlustzeit

→

→ Entscheidungsvariable: Versatzzeit

Zeitintervalle Zellenn n(t )i

t 1 i 1min! f d

= =

= ∑ ∑

i i + 1Qi+1

di = 1 ·∆t= 1

di(t) = (ni(t) – qi+1(t))·∆t

Wirkungsmodell

Optimierung

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

9

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Optimierung: Genetischer Algorithmus

1 432

• Mögliche Lösung → Chromosom → Individuum• Zielfunktionswert → Fitness des Individuums• Menge möglicher Lösungen → Population

1 0 1 0 1 0 1 00 0 1 1 1 01

Chromosom

tv,1 2 tv,1 3 tv,1 4

Wirkungsmodell

Optimierung

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

10

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

• Optimierung durch Evolution der Population

– Rekombination:

– Mutation:

– Selektion:

Optimierung: Genetischer Algorithmus

Wirkungsmodell

Optimierung

1 0 1 00 1 0 1 0 0 1 1 1 01

1 0 0 10 1 0 0 1 1 1 1 0 11

1 0 1 00 1 0 1 0 0 1 1 1 01

0 1 0 10 0 1 0 1 0 1 0 0 11

1 1 0 00

1 0 1 00 1 0 1 11

1 1 0 00 0 11 0 1 1 1 0 110

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

11

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Optimierung: Genetischer Algorithmus

• Optimierung durch Evolution der Population

– Rekombination:

– Mutation:

– Selektion:

1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 0 11

1 0 0 10

1 1 0 00

1 0 1 00 1 0 1 0 0 1 1 1 01

0 1 0 10 0 1 0 1 0 1 0 0 11

0 1 111 0 1 0 100

→ Worst Fitness

→ Best Fitness

Wirkungsmodell

Optimierung1 0 1 0 0 1 1 1 011 0 1 11

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

12

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Optimierung: Genetischer Algorithmus

• Optimierung durch Evolution der Population

– Rekombination:

– Mutation:

– Selektion:

1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 0 11

1 0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 1 01

1 0 1 00 1 0 1 0 0 1 1 1 01

1 1 0 00 0 1 111 0 1 0 100

1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 0 11

→ Best Fitness

1 0 1 0 0 1 1 1 011 0 1 11Wirkungsmodell

Optimierung

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

13

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Ausblick: Optimierung

• Weitere Optimierungskriterien:

– Halte [LIN/WANG]

– Emissionen [DELL‘ORCO]

• Optimierungsmethode: Tabu Search

Wirkungsmodell

Optimierung

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )2 2t t t t t t( t )a 1 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a aE N f f v f v f a f a f v a⎛ ⎞= ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

( ) ( )( )Zeitintervalle Zellenn n

t t 1( t ) 1i i i 12

t 1 i 1Halte q q −−

= =

= ⋅ −∑ ∑

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

14

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Evaluierungsmodell: Mikroskop. Simulation

• AIMSUN: Hauptstraßennetz Hannover-Südstadt

Evaluierungs-modell

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

15

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Evaluierungsmodell: Mikroskop. Simulation

• AIMSUN: Hauptstraßennetz Hannover-Südstadt

Auswertung der gemessenen Reisezeiten

0:01:00

0:02:00

0:03:00

0:04:00

0:05:00

0:06:00

0:07:00

0:08:00

7:45:00 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00Uhrzeit

Rei

seze

iten

(h:m

in:s

)

Reisezeitdurchschnitt = 0:05:12Evaluierungs-

modell

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

16

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Ausgabe: Visualisierung der Kenngrößen

Ausgabe

tv= … s

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

17

Wirkungsmodell

Optimierung

Netzmodell

Ausgabe

Evaluierungs-modell

Literatur

• Daganzo, C. (1994). The cell transmission model: A dynamic representation of highway traffic consistent with the hydrodynamic theory, Transportation research B 28 (4), 269-287.

• Daganzo, C. (1995). The cell transmission model, Part II: Network traffic, Transportation Research B 29 (2), 79-93.

• Dell’Orco, M. (2007): A mesosimulation model for urban traffic pollution evaluation. In: 22nd European Conference on Operational Research, session MC-26. 8 -11 July, 2007, Prague.

• Friedrich, B. und Almasri, E. (2005): Modellbasierte Optimierung der Versatzzeiten mit dem Cell Transmission Model. Tagungsband HEUREKA '05, 2./3. März 2005. Hrsg. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln.

• Lin, W.-H. and Wang, C. (2004): An enhanced 0-1 mixed-integer LP formulation for traffic signal control. In: IEEE Trans. Intell. Transport. Syst., vol. 5, no. 4, pp. 238–245, December 2004.

• Lighthill, M.J. and Whitham, J.B. (1955). On kinematic waves. I. Flow movement in long rivers. II. A theory of traffic flow on long crowded road. Proceedings of Royal Society,A229, 281-345.

• Flötteröd, G. and Nagel, K. (2005) Some practical extensions to the CellTransmission Model. 8th International IEEE Conference, 13-16 Sept 2005, Vienna, Austria.

• Richards, P.I. (1956). Shockwaves on the highway, Operations Research B 22, 81-101.

Hochschultagung 2007 Rust (A)Jannis Rohde Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

18

Emissions- und Kraftstoffreduzierung im Stadtverkehr durch innovative Verkehrslenkungsmaßnahmen

Werkstattbericht

rohde@ivh.uni-hannover.de

Institut für Verkehrswirtschaft, Straßenwesen und Städtebau