Evaluierung der FPD-Trajektorien (IAGB)

Das zugrunde liegende Evaluierungskonzept wurde unter Mitarbeit aller Projektpartner erarbeitet. In den Demonstratoren der Stadt Karlsruhe und des Innenministeriums BW wurde die Nutzung der FPD-Trajektorien in verkehrstechnischen Anwendungen er-probt. Am VuV wurde die Verwendbarkeit der Trajektorien für verkehrsplanerische Zwecke evaluiert.

Die wesentlichen Ergebnisse der Evaluierung wurden in einem gemeinsamen Bericht zusammengefasst (vgl. Anlage 7). Da die FPD-Trajektorien die Grundlage der ver-kehrstechnischen Anwendungen in den Demonstratoren darstellen, wurde zunächst die Qualität der FPD-Trajektorien mit Hilfe von GPS und SES-Daten als Referenz un-tersucht.

Zusammenfassung der Qualitätsbewertung der Abis-Trajektorien

Zur Beschreibung der Qualität der Abis-Trajektorien dienen die aufgeführten Quali-tätsmerkmale Verfügbarkeit, Aktualität, Vollständigkeit, Konsistenz, Korrektheit und Genauigkeit mit ihren dort definierten Parametern.

Die Aktualität der Trajektorien wird durch die Qualitätsparameter „Alter der Trajektorie“

∆tFPD [min] und „Berechnungszeit“ ∆tber [s] beurteilt und aus den Messzeitpunkten und der aktuellen Zeit exakt berechnet. Die Berechnungszeit pro Trajektorie liegt bei Abis-Daten bei etwa 70 Sekunden. Dagegen ist der Parameter ∆t_FPD [min] mit 27 bis 35 Mi-nuten deutlich länger, da zum einen die Rohdaten nur in 15 MiMi-nuten-Blöcken übermit-telt und zum anderen umfangreiche Sortieralgorithmen vorgeschaltet werden müssen.

Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass der Parameter zwischen dem Beginn der Trajektorie und dem Abschluss der Berechnung bestimmt wird. Das spielt insbesonde-re bei sehr ausgedehnten Gesprächen (15-Minuten-Block-überginsbesonde-reifend) eine Rolle, da hier zwar nach spätestens 15 Minuten eine Berechnung angestoßen wird, die aber dann nicht mehr auf den ersten Trajektorienzeitpunkt bezogen ist.

Die Parameter Korrektheit der Routen und Genauigkeit der aus den Trajektorien be-stimmten Geschwindigkeit können mit den GPS-Testfahrten als Referenz bestimmt werden und dienen zur objektiven Qualitätsbeurteilung der Trajektorien.

Wie die Untersuchungen zeigen, hängt die Korrektheit der Routen (sowohl Typ A als auch Typ B) stark von der Länge des zurückgelegten Wegs ab. Tabelle 3-8 gibt dieses auch für andere Prozentzahlen an. Dabei bezieht sich die Spalte „GPS“ auf die mit GPS bestimmte Länge der Route und stellt somit den Korrektheitsratentyp A dar. Die Spalte „MFO“ bezieht sich dagegen auf die mittels Mobilfunkortung bestimmte Länge der Trajektorie. Es handelt sich folglich um den Korrektheitsratentyp B, der als deutlich kritischer einzustufen ist.

Tabelle 3-8: Korrektheit Typ A und Typ B für verschiedene Routenlängen Länge

Zuordnung zu mindestens *% richtig

90% 70% 50% bestimmt werden, die mit der GPS-Route zu über 90 % übereinstimmen. Dies bedeu-tet, dass nicht über die komplette Gesprächszeit zuverlässige Informationen bestimmt werden können. Die ermittelten Routen enthalten jedoch in über 80 % der Fälle weni-ger als 10 % falsche Informationen. Will man 70 % Korrektheit Typ B erreichen, so ge-lingt das für 1-2 km lange Trajektorien nur für 33 % der Trajektorien, bei 2-3 km für 51 % und für mehr als 3 km lange Trajektorien für immerhin 87 % der Trajektorien. Es sollten folglich nur Trajektorien, die länger als 3 km sind, einer Auswertung zugeführt werden. Als Kompromiss zwischen Performance, Genauigkeit und Abdeckungsrate wurden im Online-Betrieb aber Trajektorien, die länger als 2 km sind und gleichzeitig den Bedingungen „mehr als 15 Positionen“, „mindestens 60 s Gesprächsdauer“ und

„berechnete Geschwindigkeit kleiner als 200 km/h“ genügen, einer Auswertung zuge-führt.

Erfreulich ist jedoch in jedem Fall, dass die nur unter Nutzung von Referenzdaten ab-leitbare Korrektheitsrate Typ B mit dem im Online-Betrieb verfügbaren Parametern

„Trajektorienvollständigkeit“ und „durchschnittliche Querabweichung“ in einen empi-risch ermittelten Zusammenhang gebracht werden kann. Wenn man 70 % richtig im Sinne der Korrektheit Typ B zugeordnet haben will, so sind nur Trajektorien mit einer Vollständigkeit > 97 % und einer durchschnittlichen Querabweichung < 250 m auszu-werten.

Die aus den FPD-Trajektorien abgeleiteten Standardabweichungen weisen für 30 s Diskretisierungsintervalle Werte von rund 20 km/h auf. Die Durchschnittsgeschwin-digkeit kann insbesondere bei längeren Fahrten mit ca. 8 km/h deutlich genauer be-stimmt werden. Abweichungen von der tatsächlichen Durchschnittsgeschwindigkeit lassen sich mit den im Online-Betrieb verfügbaren Parametern („Trajektorien-vollständigkeit > 97 %“ und „durchschnittliche Querabweichung < 250 m“) so gering wie möglich halten.

Die Untersuchungen haben deutlich gezeigt, dass die FPD-Routen am Anfang und Ende deutlich unzuverlässiger sind als in der Mitte. Um die gefundenen Routen auf den mittleren Teil zu beschränken, wird auf den ersten und letzten 30 % der Strecke eine Geschwindigkeitskontrolle durchgeführt. In diesem Bereich werden Teile abgeschnit-ten, wenn sie nur mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu erreichen sind (größer 170 km/h bzw. größer als die zweifache Kantengeschwindigkeit). Hierbei handelt es sich um eine abschließende Plausibilitätskontrolle.

Die Qualität der Verkehrsstärken aus Abis-Trajektorien konnte nur im Raum Karlsruhe untersucht werden. Durch die Verwendung von SES als Referenz, war in erster Linie der Vergleich mit der Verkehrsstärke und deren Änderung möglich. Dabei handelt es sich um eine der wesentlichen Informationen, die als Grundlage für diverse verkehrs-technische Anwendungen erforderlich ist.

Zur Evaluierung standen in Karlsruhe zum einen die stadteigenen SES zur Verfügung.

Die Sensoren sind insbesondere auf der verkehrstechnisch wichtigen Südtangente als Ost-West-Transversale, sowie auf wichtigen Ein- und Ausfallsstraßen installiert. Zum anderen fielen 5 Sensoren des IM sowie 6 weitere Sensoren der DDG in das mit Abis-Daten abgedeckte Gebiet. Diese Sensoren lagen hauptsächlich auf der Autobahn A5 zwischen der Anschlussstelle Ka-Durlach im Süden und Ka-Nord im Zentrum des Abis-Testgebiets. Hinzu kamen 3 Sensoren am Rand des Abis-Gebiets, einer auf der A5 kurz vor Bruchsal im Norden von Ka und zwei auf der A8 im Südosten des Testgebiets.

Die folgende Abbildung 3-33 zeigt alle verwendeten SES im Gebiet Karlsruhe.

Abbildung 3-33: Alle SES im Abis-Testgebiet Karlsruhe

Die Evaluierung fand Ende März statt und es wurden insgesamt 9 Tage vom Mo.

23.03.09 bis zum Projektende am Dienstag 31.03.09 ausgewertet. In diesem Zeitraum lag die durchschnittliche Durchdringung mit FPD (Quotient aus der mit Mobilfunkdaten ermittelten Verkehrsstärke und der Zählwerte eines SES) innerhalb 24 h bei 0,4 bis 3,3 ‰ bei einer relativ starken Streuung von 0,2 bis 2,6 ‰. Die Standardabweichung innerhalb dieser 9 Tage lag bei maximal 0,8 ‰. Am Rand des Abis-Gebiets in Fahrt-richtung Karlsruhe nimmt die Durchdringung erwartungsgemäß stark ab, da in das Ge-biet einfahrende Fahrzeuge erst nach einer gewissen Fahrtstrecke auswertbar sind.

Die Durchdringungen auf der Autobahn sowie auf der weitgehend kreuzungsfreien Südtangente erreichen mit knapp 2 bis 3 ‰ höhere Durchdringungen als auf dem un-tergeordneten Straßennetz. In der Innenstadt ist die Berechnung von brauchbaren Tra-jektorien sehr schwierig, es können hier lediglich 0,4 ‰ bei einer Streuung von ca.

0,6 ‰ detektiert werden.

Zur Beurteilung, in welchem Maße die Abis-Daten zur Detektion von Veränderungen der Verkehrsstärke geeignet sind, wurde die Rangkorrelation zwischen den Tages-ganglinien aus Abis-Daten und aus der jeweiligen Referenzquelle berechnet. Die Kor-relationen blieben neben einzelner tageweiser Ausnahmen im Mittel unter 0,5 bei einer Streuung von über 0,5, bei 6 von 25 SES lag die Streuung sogar über 1,0. Die zugehö-rigen Standardabweichungen bewegen sich zwischen 0,1 und 0,6.

Die Betrachtung der absoluten Anzahl berechneter Trajektorien in 24 h erklärt diese relativ schlechten Werte. Nur an 3 SES konnten im Mittel mehr als 96 Trajektorien am Tag bzw. 4 Trajektorien pro Stunde berechnet werden. Meist lag die Anzahl weit darun-ter. Daher führen einzelne berechnete Trajektorien zu sehr großen Streuungen und stark schwankenden Durchdringungen. Eine befriedigende Abbildung der realen Ver-kehrsstärkeänderungen eines Tages scheint mit dieser geringen Trajektoriendichte nur schwer möglich.

An den SES auf der Autobahn wurden trotz teilweise relativ hoher Trajektorienanzahl nur mäßige Korrelationen ermittelt. Eine mögliche Erklärung für diesen Umstand könn-te die fehlende Berücksichtigung des tageszeitabhängigen Telefonierverhalkönn-tens der Verkehrteilnehmer sein. Die Auswertung der Teilnehmer hängt sehr stark von der An-zahl und Länge der Telefonate ab, die in den Fahrzeugen geführt werden. Bislang wird von einem konstanten Telefonierverhalten der Teilnehmer ausgegangen. Diese An-nahme ist jedoch falsch. Dazu sind jedoch umfassende Untersuchungen zum Telefo-nierverhalten erforderlich. Nur so ist es möglich, diesen Effekt aus den Tagesgang-linien zu eliminieren.

Des Weiteren reicht die Auflösung der Abis-Daten im Innenstadtbereich derzeit nicht aus, um in größerem Umfang korrekte Fahrzeugtrajektorien zu generieren. Es ist nicht zu erwarten, dass eine weitere Optimierung der Auswertesoftware alleine diesen tech-nisch bedingten Mangel in den originären Mobilfunkdaten auf Abis-Basis lösen kann.

Zusammenfassung der Qualitätsbewertung der A-Trajektorien

Zur Beschreibung der Qualität der A-Trajektorien dienen die in Tabelle 3-5 aufge-führten Qualitätsmerkmale. Hier wird sich auf die Korrektheit der Trajektorien und die Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung beschränkt, da sie zur unmittelbaren Bewertung der Trajektorien dienen.

Die Aktualität der Trajektorien wird auch hier wieder durch die Qualitätsparameter „Al-ter der Trajektorie“ ∆t_FPD [min] und „Berechnungszeit“ ∆t_ber [s] beurteilt. ∆t_ber liegt bei A-Daten bei etwa 8 Sekunden; also deutlich geringer als bei Abis-A-Daten, da weniger Be-rechnungsschritte notwendig sind. Demgegenüber ist der Parameter ∆t_FPD [min] mit 26 bis 37 Minuten wie auf Abis-Ebene deutlich länger. Eine Verbesserung in Relation zur Abis-Ebene gelingt hier nicht, da der selbe Bereitstellungsalgorithmus in 15 Minuten-Blöcken umgesetzt wird. Außerdem gibt es mehr Trajektorien, die 15-Minuten-Block-übergreifend berechnet werden.

Die Korrektheit der Trajektorienzuordnung (Typ B) ergibt im Idealfall (durchgängiges Telefonat) einen prozentualen Wert von etwa 73 % in Bezug auf die Trajektorienan-zahl. Bezieht man den prozentualen Wert auf die gefahrenen Strecken, so steigert er sich sogar auf etwa 86 %. Bei mehrfach unterbrochenen Telefonaten fällt der Wert auf 67 % beziehungsweise 80,5 %. Bleibt das Mobiltelefon passiv, so fällt die Verfügbarkeit

von 100 % auf 33 % und die Korrektheit auf 14,2 bzw. 41,9 %. Für diesen Fall ist eine zuverlässige FPD-Generierung nicht möglich.

Die Standardabweichung der Genauigkeit und die mittlere Abweichung derselben lie-fern ein anderes Bild. Bei durchgängigen Telefonaten werden durchschnittlich 20 km/h für die Standardabweichung und 10 km/h für die mittlere Abweichung erreicht. Das ändert sich für unterbrochene Telefonate und passive Telefone nur in geringem Um-fang; nur die Verfügbarkeit wird natürlich herabgesetzt.

Mit anderen Worten kann die Korrektheit der Trajektorienzuordnung bei aktiven Mobil-funkteilnehmer zu mehr als 80 % gewährleistet werden; bei passiven Teilnehmern werden deutlich geringere Werte erreicht. Die Geschwindigkeit wird aber bei deutlich herabgesetzter Verfügbarkeit bei aktiven und passiven Telefonen fast gleichgenau ge-schätzt.

Die Beurteilung der Verkehrsstärken aus A-Trajektorien erfolgte ebenfalls im Zeitraum vom Montag, 23.03. bis zum Dienstag, den 31.03.2009. Aus ungeklärter Ursache stan-den am Samstag, stan-den 28.03. keine A-Daten zur Verfügung, daher beschränkt sich die Evaluierung auf insgesamt 8 Tage.

Die Durchdringung mit A-Daten erreicht bis zu 15 ‰, sinkt in der Innenstadt jedoch auf bis zu 0,4 ‰ ab. Die zugehörigen Streuungen liegen außerorts bei bis zu 9 ‰ und in-nerorts etwa auf dem Niveau der Durchdringung. Die Standardabweichungen erreichen außerorts bis zu 3 ‰ und Innerorts 1 bis 2 ‰. Auf der Kriegstraße in unmittelbarer Nä-he des Stadtzentrums in KarlsruNä-he liegt die Durchdringung und die Streuung bei 0,4 bis 0,6 ‰. Hier ist aufgrund der begrenzten Auflösung der A-Daten, die noch großmaschi-ger ist als bei den Abis-Daten, eine ausreichende Abbildung des Verkehrs derzeit nicht möglich. Auf der Südtangente sowie auf der Autobahn in Stadtnähe hingegen können durchschnittlich 6 – 20 Trajektorien pro Stunde berechnet werden.

Die Korrelationen der A-Trajektorien mit den Verkehrsstärken aus SES liegen auf der Südtangente und auf der Autobahn durchweg über 0,5 und erreichen bis zu 0,8. Die zugehörigen Streuungen liegen meist unter dem halben Wert für die Durchdringung.

Die Standardabweichungen von unter 0,2 deuten auf ein homogenes Verhalten hin.

Innerorts scheint eine ausreichende Detektion von Veränderungen der Verkehrsstärke nur schwer möglich zu sein. Das zeigen die Korrelationen von unter 0,35 bei Streuun-gen von 0,7 und mehr. Bei Betrachtung der absoluten Anzahl berechenbarer Trajekto-rien erklären sich diese schlechten Werte sofort. Im Mittel konnten nur 2 oder weniger Trajektorien je Stunde berechnet werden. Die Hochrechnung der Verkehrsstärke sowie die Feststellung von signifikanten Änderungen der Verkehrsstärke wird damit nahezu unmöglich.

In Stuttgart konnten aufgrund des Ausfalls der A-Daten-Aufzeichnung am zweiten Tag der Evaluierung bis zum Rest der Projektlaufzeit keine Mobilfunktrajektorien mehr

be-rechnet werden. Die Evaluierung in Stuttgart beschränkt sich daher auf einen bzw.

zwei Tage (die Durchdringung konnte für den 24.03. nach dem Ausfall um ca. 11 Uhr noch extrapoliert werden).

Die Durchdringungen, die in Stuttgart ermittelt werden konnten, bestätigen mit weniger als 2 ‰ die Werte in Karlsruhe. Lediglich auf den Ausfallstraßen B295 und B10 nörd-lich vom Stadtzentrum werden höhere Durchdringungen bis 6,2 ‰ erreicht. An diesen Sensorstandorten ist jedoch die Infrastrukturdichte wesentlich kleiner als bei den ande-ren Sensoande-ren, die in Stuttgart zur Verfügung standen.

Die Korrelation mit der tatsächlichen Verkehrsstärke erreichen bei den Sensorstandor-ten außerhalb des Stadtzentrums bis zu 0,83, innerstädtisch liegen sie mit einer Aus-nahme bei teilweise weit unter 0,6. Wie bereits in Karlsruhe lässt sich dieser Umstand teilweise durch die geringe Anzahl auswertbarer Teilnehmer auf Grund der geringen Auflösung der A-Daten erklären. Einige SES-Standorte z. B. in der Nähe des Pragsat-tels zeigen jedoch trotz hoher Straßendichte mit 2 bis 3 Trajektorien pro Stunde und Korrelationen von 0,6 bessere Werte. Vermutlich ist auf diesen Strecken ein sehr hoher Transitanteil vorhanden, der vor der Einfahrt bzw. nach der Ausfahrt in den Innenstadt-bereich berechnet werden kann. Dadurch gelingt es gelegentlich, die mangelhafte Auf-lösung im Mittelteil durch Verbindung der beiden Anfangs- und Endstücke zu überwin-den und die Gesamttrajektorie zu berechnen.

Für Teile des Autobahnnetzes standen ab dem zweiten Tag aufgrund des LAC-Ausfalls ebenfalls keine Mobilfunkdaten mehr zur Auswertung zur Verfügung. Der Ausfall betraf 44 von 136 SES und damit ca. 1/3 der Sensorstandorte. Des Weiteren wurden 11 SES des Innenministeriums identifiziert, über die an keinem der 9 Evaluierungstage FPD-Trajektorien verliefen. Da benachbarte SES hohe Durchdringungen mit A-FPD-Trajektorien aufwiesen, liegt die Ursache darin, dass die entsprechenden REID der digitalen Stra-ßenkarte nicht im Lokalisierungsnetz vorhanden waren. Es handelt sich damit nicht um einen Verfahrensfehler. Die entsprechenden Sensoren wurden daher aus der Auswer-tung ausgeschlossen.

An 82 % aller evaluierbaren SES Standorte auf dem Autobahnnetz wurde eine durch-schnittliche Durchdringung von mehr als 5 ‰ ermittelt. Bei der Hälfte der Sensoren liegt die Korrelation über 0,75 bei einer relativ kleinen Streuung von <= 0,4 sowie einer Standardabweichung von < 0,16. Die absolute Anzahl berechneter Fahrzeugtrajekto-rien erreicht im Mittel 8 bis 25 pro Stunde. Wie die im Evaluierungsbericht (vgl. Anlage 7) dargestellten Beispiele von gegenübergestellten Tagesganglinien bestätigen, ist mit diesen Werten eine Abbildung der Verkehrslage möglich. Ungewöhnliche Schwankun-gen in der Verkehrsstärke, die auf StauunSchwankun-gen hindeuten, sind innerhalb weniger Minu-ten detektierbar.

Die Kriterien Durchdringung, Rangkorrelation und absolute Trajektorienanzahl sind zur Beurteilung einzelner Straßenabschnitte hinsichtlich der Überwachung mit A-Daten

geeignet. Eine exakte Festlegung der Grenzwerte erscheint jedoch nur in Verbindung mit der Evaluierung weiterer Anwendungen sinnvoll.

3.12 Evaluierung der verkehrstechnischen Anwendungen (DDG, Ka)