Teilsignalisierung von Knotenpunkten - Untersuchungen zu Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten teilsignalisierter Knotenpunkte. An diesen sind nicht sämtliche, sondern nur bestimmte Verkehrsströme signaltechnisch geregelt. Erste Ansätze, sich dieses Verfahren zu Nutze zu machen, existieren seit den 1950er Jahren. Sie wurden ständig weiterentwickelt und schließlich nach Abschluss eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Nutzen, Kosten und Sicherheit Bestandteil der Richtlinien für Lichtsignalanlagen der FGSV (Neuauflage 2010). Der Stand in Wissenschaft und Umsetzung im In- und Ausland weist dennoch bis heute Lücken auf. Für eine flächendeckende, praktische Realisierung fehlt es weiterhin an gesicherten Kenntnissen. Hier setzt diese Arbeit mit ihrem mehrstufigen Ansatz aus Literaturrecherche, Empirie, Mikrosimulation und konkreten Umsetzungsempfehlungen an. Auf Basis der Literatur über signalisierte und unsignalisierte Knoten wurden Überlegungen zum Verkehrsablauf an teilsignalisierten Lösungen angestellt. Die Vermutung, dass sich dieser aus Elementen beider Grundverfahren zusammensetzt, die jedoch anderen Randbedingungen unterliegen, konnte verifiziert werden. In einem ersten Schritt wurden teilsignalisierte Knotenpunkte hinsichtlich der Anzahl und Lage der Signalgeber bzw. der signaltechnisch gesicherten Verkehrsbeziehungen typisiert. Es konnten an Einmündungen und Kreuzungen drei empfehlenswerte Fälle der Teilsignalisierung identifiziert werden: - Teilsignalisierung ohne Fußgängerfurten - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der linken Zufahrt - Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der rechten Zufahrt Diese bilden mit zuvor definierten Ausbaustandards, die Fahrstreifenaufteilungen – insbesondere das Vorhandensein von Linksabbiegestreifen in den Zufahrten – am Knotenpunkt berücksichtigen, die Grundlage für die Erstellung von Modellknoten, die in der weiteren Arbeit relevant sind. Da keine empirischen Untersuchungen über den Verkehrsablauf derartiger Knoten vorlagen, wurden in zwei Feldversuchen hierzu wichtige Kenngrößen an Einmündungen ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass lange Wartezeiten vor allem für Linkseinbieger reduziert werden konnten. In der Gesamtbilanz wiegen diese Zeit- und Sicherheitsgewinne die leicht gestiegenen Wartezeiten in der Hauptrichtung auf. Der Fahrzeugabfluss in der Nebenrichtung konnte signifikant gesteigert werden, auch wenn die Zeitbedarfswerte einer Vollsignalisierung nicht erreicht wurden. Dies lag an einem Zögern der Verkehrsteilnehmer an der Haltlinie. Die Zeitlückenverteilung im Hauptstrom entspricht nicht mehr der sonst angenommenen negativen Exponentialverteilung, da durch die Signalisierung eine starke Pulkbildung entsteht. Es kommt zu so genannten Überzufälligkeiten mit vermehrt kleineren Lücken. Während der Mikrosimulation wurde nach dem „ceteris paribus“ Prinzip pro Ablauf immer nur eine Variable verändert. Somit konnten detailliert die Effekte der gewählten Einflussgrößen abgebildet werden. Es erfolgte eine Untersuchung der definierten Modellknotenpunkte mit der Software VISSIM bezüglich der Einflussfaktoren: - Ausbaustandard (Linksabbiegestreifen) - Fälle der Teilsignalisierung - Signalprogramme - Verkehrsstärken Es wurden Diagramme zur Bestimmung der mittleren Verlustzeiten in Abhängigkeit der Verkehrsstärken in Haupt- und Nebenrichtung sowie Matrizen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen entwickelt. Für Kreuzungen konnten im Gegensatz zu Einmündungen nur geringe positive Effekte ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind maßgeblich abhängig vom Ausbaustandard, Teilsignalisierungsfall und Signalprogramm. Die Teilsignalisierung deckt wie vermutet den Übergangsbereich zwischen konventioneller Vorfahrtregelung und Vollsignalisierung ab. Hierfür wurde der wissenschaftliche Beweis erbracht. Ergänzt werden die Betrachtungen durch die Möglichkeiten zur Integration des Fußverkehrs. In der Hauptrichtung ist eine gesicherte Fußgängerführung in Abhängigkeit vom gewählten Teilsignalisierungsfall nur in jeweils einem Ast realisierbar. Die Nebenrichtung lässt allerdings keine gesicherte Querung zu. Diese Problematik verstärkt sich an Kreuzungen durch das Vorhandensein von zwei Nebenrichtungen, so dass in diesen Fällen eine Teilsignalisierung aus Sicherheitsüberlegungen ebenfalls nicht empfohlen werden kann. Es wurden prinzipielle Führungsmöglichkeiten aufgezeigt und mittels eines Entscheidungsbaumes visualisiert, der die Auswahl geeigneter Teilsignalisierungsformen am Knotenpunkt unterstützt. An Kreisverkehren kann eine Teilsignalisierung unter bestimmten Konstellationen sinnvoll sein, um einerseits die Kapazität einzelner Zufahrten zu erhöhen oder andererseits eine gesicherte Fußgängerführung zu realisieren. Als problematisch haben sich nahezu ungehinderte Zuflüsse erwiesen. Diese treten auf, wenn der Zustrom nur selten durch andere Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn unterbrochen wird. Sie führen zu starker Kolonnenbildung. Die Installation einer LSA kann hier die mangelnden Unterbrechungen künstlich schaffen. Abgerundet wird die Arbeit durch weitere Einsatzmöglichkeiten von Teilsignalisierungen zur Priorisierung von Einzelfahrzeugen oder bestimmter Fahrzeuggruppen im ÖV und Rettungswesen oder zur Räumung von Bahnübergängen. Cette thèse de doctorat s'occupe de l'analyse du déroulement de la circulation et des possibilités d'emploi des points de jonction partiellement signalisés ce qui veut dire, que seulement certaines des relations sont signalisées. Les premières approches d’utiliser ce procédé existent depuis les années 1950. Elles ont été perfectionnées constamment et après un projet de la "`Bundesanstalt für Straßenwesen"' sur les avantages, les coûts et la sécurité, elles sont finalement devenues partie de la directive sur la signalisation routière allemande (RiLSA édition 2010). La réalisation au niveau scientifique ainsi qu’en ce qui concerne la mise en œuvre en Allemagne et à l’étranger a jusqu’à aujourd’hui des déficits. Il manque encore des connaissances assurées pour une réalisation généralisée et praticable. C’est sur ce point crucial que cette thèse focalise avec son approche multiple qui consiste en une recherche de littérature en combinaison avec des investigations empiriques, des micro-simulations et des recommandations concrètes. Basé sur la littérature sur les jonctions signalisées et non signalisées, une supposition concernant le déroulement de la circulation pour des installations partiellement signalisées a été développée. L’hypothese a été confirmée, que celui contient des éléments des deux procédés classiques. Premièrement, les jonctions partiellement signalisées ont été standardisées en ce qui concerne le nombre et la position des signaux ou plutôt les relations signalisées. Trois cas recommandables d’une signalisation partielle ont été identifiés: - Signalisation partielle sans passage piétons - Signalisation avec passage piétons dans l’accès gauche - Signalisation avec passage piétons dans l’accès droit Ils forment avec les standards d’aménagement, qui prennent en compte la répartition des voies pour tourner à gauche, la base pour les jonctions de modèle qui sont importantes pour la poursuite de ce travail. Comme il n’y a pas d’investigation empirique sur le déroulement de la circulation aux jonctions partiellement signalisées, il y avait deux essais in situ pour gagner des valeurs caractéristiques. On a pu constater un baissement des temps d’attente surtout pour le manœuvre de tourner à gauche de la rue latérale. Finalement, les avantages concernant les temps d’attente et la sécurité compensent la montée des délais dans la direction principale. La sortie de véhicules de la direction inférieure a augmenté même si la valeur d’une signalisation totale n’était pas obtenue. La raison était l’hésitation des conducteurs à la ligne d’arrêt. La distribution des distances temporelles ne correspond plus à la loi exponentielle négative parce que la signalisation partielle provoque la formation des colonnes. Pendant les micro-simulations selon le principe "`ceteris paribus"', une seule variable est changée par passage afin que les effets puissent être analysés en détail. Les jonctions de modèle ont été examinées avec le programme VISSIM concernant les facteurs: - Standard d’aménagement - Cas de signalisation partielle - Déroulement des couleurs - Volume de trafic Pour la détermination des temps d’attente et des limites d’application qui dépendent des volumes de trafic, des diagrammes ont été créés. Aux carrefours, il y a, contrairement aux bifurcations, seulement des effets très faibles. Les limites d’application dépendent de manière signifiante du standard d’aménagement, du cas de signalisation et du déroulement des couleurs. La signalisation partielle couvre, comme prévu, la zone de transition entre la règle de priorité conventionnelle et la signalisation totale. Cela a été prouvé scientifiquement. De plus, les considérations sont complétées par les possibilités d’intégration des piétons. Dans la direction principale, un guidage des piétons sécurisé dépendant du cas de signalisation n’est possible que dans un des accès. La direction inférieure ne permet pas de guidage sécurisé. Ce problème se renforce aux carrefours parce qu’il y a deux accès subordonnés, de sorte qu’une signalisation partielle n’y est pas recommandée à cause des doutes de sécurité. Des solutions fondamentales ont été démontrées et visualisées par un arbre de décision qui aide à choisir un cas de signalisation. Aux giratoires, une signalisation partielle est appliquable pour augmenter la capacité d’un accès ou pour réaliser un passage de piétons sécurisé. Surtout les afflux libres sont problématiques. Ils apparaissent si un afflux est très rarement interrompu par des véhicules dans le giratoire ce qui provoque la formation des colonnes. Une signalisation peut interrompre l’afflux artificiellement. Pour conclure, cette thèse démontre encore d’autres possibilités d’application des signalisations partielles pour la priorisation des véhicules individuels ou de certains groupes de véhicules dans la domaine des transports publics, des services de secours ou de l’évacuation des passages à niveau. The present dissertation addresses traffic flow and potential applications of partial signalisation of intersections, where only some but not all traffic flows are regulated by signals. First approaches utilising this method have existed since the 1950s. They have been continuously developed and ultimately, after conclusion of a research project by the German Federal Institute for Roadways on the benefits, costs, and safety, have become part of the Research Association for Roadways and Transportation (FGSV) guidelines for signal light systems (new 2010 edition). The current states of research and domestic and foreign implementation nevertheless still have gaps today. Trusted knowledge is required for comprehensive, practical implementation. This paper makes recommendations based on many hours of literature research, empirical observations, microsimulations, and concrete implementation. Based on the literature on signalised and unsignalised intersections, traffic flow at partially signalised solutions was considered. The assumption that this would be composed of elements of both basic methods still subject to other boundary conditions was confirmed. First, partially signalised intersections were classified into types considering the number and location of signals, and the traffic relationships secured by signals. Three recommended cases for partial signalisation were identified for junctions and intersections: - Partial signalisation without pedestrian crossings - Partial signalisation with pedestrian crossing (left approach) - Partial signalisation with pedestrian crossing (right approach) Together with previously defined construction standards addressing lane divisions particularly the presence of left-turn lanes in the approaches at the intersection, these form the basis for the type classification of model intersections relevant to the study. Because no empirical tests of traffic flow at such intersections were available, important characteristics were determined in two field tests at junctions, showing that long waiting times can be reduced, particularly for left-turn entries. In the overall balance, these gains in time and safety make up for the slight increase in main direction waiting times. The outflow of vehicles in the secondary direction was significantly increased, although the time requirements of full signalisation were not achieved, due to motorists pausing at the stop line. The distribution of time gaps in the main flow no longer corresponds to the otherwise assumed negative exponential distribution, because the partial signalisation causes severe clumping. So-called disproportionate occurrences with increased numbers of small gaps are observed. During the microsimulation, following the principle of "`ceteris paribus"', only one variable was modified in each run. The effects of the selected influencing parameters were therefore depicted in detail. The defined model intersections were tested using VISSIM software considering the influencing factors: - Construction standard (left-turn lanes) - Cases of partial signalisation - Signal programmes - Traffic intensities Diagrams were developed for determining the mean loss times as a function of traffic intensities (main and secondary direction), as were matrices for determining the use limits. For crossover intersections, in contrast to junctions, only slight positive effects were determined. The potential applications are largely dependent on construction standard, partial signalisation case, and signal programme. Partial signalisation, as assumed, covers the transition range between conventional right-of-way regulation and full signalisation. Scientific evidence of this was produced. The potential for integration of pedestrian traffic was additionally considered. In the main direction, a secured pedestrian crossing can be implemented in only one branch, depending on the selected partial signalisation case. The secondary direction does not allow a secured crossing, however. This problem is amplified at crossover intersections with two secondary directions, here, partial signalisation cannot be recommended due to safety considerations. Principle guidance options were listed and visualised using a decision tree that supports the selection of suitable partial signalisation forms at the intersection. At roundabouts, partial signalisation may be sensible under certain configurations, to increase the capacity of individual entry points or to implement a secured pedestrian crossing. Nearly unhindered inflows where the inflow is only rarely interrupted by other vehicles in the roundabout have been found to be problematic, leading to severe convoy formation. The installation of a signal light can artificially produce the otherwise lacking interruptions. The paper is rounded out by additional potential applications of partial signalisation for prioritising individual vehicles or particular vehicle groups in public transportation and rescue, or for clearing railway crossings.