Intelligente Navi-Technik für bessere Straßenauslastung

Routenvorschläge für Autofahrer sind keine Wettervorhersage, denn im Unterschied dazu beeinflussen sie selbst den Verkehrsfluss, den sie prognostizieren. Wenn das Navi zur Fahrt über die Autobahn rät, dann bedeutet das meistens, dass dort im Moment kein Stau ist, aber nicht, dass dort nicht bald einer ­entsteht. Zwar nutzen die Navigationssysteme sowohl amtliche Verkehrs­warnungen als auch die Floating-Car-­Daten (FCD) ihrer Nutzer, also im Grunde deren Ort und Geschwindigkeit. Aber die Aus­wirkung der eigenen Routen­vorschläge bleiben bei den Berechnungen unberücksichtigt. Selbst wenn eine ­Verkehrswelle heranrollt, die sich schon durch die Suchanfragen ankündigt, reagieren die Navis erst mit Ausweichempfehlungen, wenn ein Stau bereits ent­standen ist.

Verkehrsmanager kennen daher das Phänomen des oszillierenden Verkehrs: Eine Autobahn läuft voll, der Stau ist da, dann füllt sich die Ausweichstrecke, bis sich der Verkehr auch hier staut, während sich gleichzeitig die Autobahn wieder leert. So geht es hin und her, weil die ­Navigations-Tools zu jedem Zeitpunkt alle vergleichbaren Anfragen auch mit den gleichen Routenvorschlägen beantworten.

Das Bundesland Niedersachsen setzt dagegen seit Januar auf Navigationstechnik vom Hannoveraner Unternehmen Graphmasters. Die Verkehrsmanagementzentrale des Landes tauscht dazu ihre Daten mit den Navigationsexperten aus und bietet eine Suchmaske des NUNAV-Routenplaners auf der eigenen Website an (siehe ct.de/ywwr). Zudem setzt man intern auf eine Suite von Programmen, die den Verkehrsmanagern Überblick verschafft und Planungen unterstützt.

Kollaborativ unterwegs

Der Grundgedanke der Navigations-App aus Hannover lautet „kollaboratives Routing“. Auch das NUNAV-System nutzt FCD, um die aktuelle Verkehrslage auf den Straßenabschnitten einzuschätzen. Zusätzliche FCD-Pakete kauft Graphmasters von anderen Telematikanbietern. Wichtige weitere Daten insbesondere aus den Innenstädten gewinnt das Unternehmen durch Kurierfahrer von Hermes und eines Teils der DPD-Flotte. Jedes dritte Paket in Deutschland wird laut Graphmasters mit der Software NUNAV Courier ausgeliefert, die Tagestouren mit vielen Stopps optimieren kann. Gerade ist auch der Roll-out einer Software für die österreichische Post komplettiert worden.

Um aus den FCD-Paketen für jeden Streckenabschnitt die Anzahl der Fahrzeuge und die jeweils gefahrene Geschwindigkeit zu bewerten, kommt künstliche Intelligenz zur Mustererkennung zum Einsatz. Jeder Streckenabschnitt hat eine eigene Aufnahmekapazität für Fahrzeuge. Mit steigender Fahrzeugzahl und sinkenden Geschwindigkeiten kündigen sich Staus auf jedem Abschnitt anders an. Für viele Millionen Straßenteilstücke sind eigene einfache KIs entstanden, die bei jeder neuen Messung einer Induktionsschleife oder eines FCD die Lage neu berechnen. So aktualisiert Graphmasters die Werte zur Verkehrslage etwa 1,5 Millionen Mal in der Minute und gibt damit sogar Prognosen auf bevorstehende Staus.

Dann aber erfolgt der Kniff: Zu Routingabfragen berechnet der Algorithmus nicht nur die günstigste Strecke anhand der vorliegenden Verkehrssituation. Darüber hinaus schickt er das Fahrzeug virtuell über diese Strecke und vermerkt für jeden beteiligten Streckenabschnitt eine Reservierung, also eine um ein Fahrzeug höhere Verkehrsdichte.

Straßenraum fürs Auto reserviert

Damit ergibt sich für weitere Abfragen ein verändertes Bild, obwohl sich auf den Straßen selbst noch nichts verändert hat. Zwei vergleichbare Routingabfragen zur selben Zeit erhalten dadurch nicht einfach den gleichen Streckenvorschlag. Stattdessen verteilt der Algorithmus die Fahrzeuge gleichmäßiger auf die verfügbaren Straßen. Die Fahrzeuge gehen einander aus dem Weg.

Die meisten Navigationssysteme auf dem Markt verfolgten schlicht einen egoistischen Ansatz, das sogenannte Selfish Routing, erläutert Graphmasters-COO und Mitgründer Sebastian Heise im Gespräch mit c’t. Dabei blenden sie die Belange anderer Verkehrsteilnehmer aus und versuchen nur, für die jeweilige Abfrage die kürzeste Reisezeit zu finden. Dieses Konzept kann aber nicht nur die beschriebenen Staus verursachen, sondern droht zudem, das Vertrauen der Autofahrer in Navigationssysteme zu schwächen. Kollaborativ lassen sich Staus vermeiden und alle kommen schneller an ihr Ziel.

Verkehrsforscher haben schon vor Jahrzehnten bewiesen, dass eine egozentrische Navigationsstrategie nicht optimal ist und stattdessen nur kollaborative Ansätze unnötige Staus vermeiden können. Bereits 1968 belegte der Mathematiker Dietrich Braess, dass ohne eine zentrale Abstimmung der Bau zusätzlicher Straßen die Fahrtzeit für alle sogar erhöhen kann. Sein Beweis ist heute unter Verkehrs­planern als das Braess-Paradox bekannt. In diesem Beispielfall, der die Verkehrsströme zwischen vier Städten schematisch vereinfacht darlegt, verbinden zwei gut ausgebaute Autobahnen (und zwar A–C und B–D) und zwei stauanfällige Landstraßen (A–B und C–D) die Orte (siehe auch ct.de/ywwr). Für die Reise von Stadt A zu Stadt D gibt es zwei Möglichkeiten, A–B–D und A–C–D. Im Falle eines Gleichgewichts lässt sich die Reisezeit in beiden Verkehrsströmen leicht errechnen.

Es existiert aber im Modell zwischen den zwei benachbarten Städten B und C keine Straße. Nachdem nun eine neue Landstraße die offensichtliche Lücke schließt, lockt diese neue Route zwangsläufig mehr Verkehr auch auf die anderen beiden Landstraßen. Das allein führt schon zu der paradoxen Situation, dass fortan bei einer Gleichverteilung auf inzwischen drei möglichen Routen (A–B–D, A–C–D und neu A–B–C–D), jede Gesamtstrecke mehr Zeit erfordert als vor dem Straßenneubau. Die Landstraßen A–B und C–D sind jedes Mal verstopft und beanspruchen viel Zeit. Weitere Berechnungen belegen sogar, dass dieser schlechtere Zustand stabil ist: Jede kleine Abweichung von der Gleichverteilung des Verkehrs ­bestraft die beteiligten Autofahrer mit zusätzlichem Zeitverlust, sodass sie versuchen werden, die Abweichung zurück­zunehmen. Ohne eine koordinierende Schwarmleitung sind die Fahrer dazu verflucht, jeden Tag aufs Neue unnötig Zeit zu verlieren – wegen des Baus einer zusätzlichen Straße.

Lemminge im Verkehr

Die Frage ist allerdings, ob die Verbreitung der NUNAV-App genügt, um koordinierend zu wirken und Staus zu verhindern. Neben großen Anbietern wie Google und TomTom schätzt man bei Graphmasters den Einsatz der NUNAV-App im deutschsprachigen Raum auf gerade einmal zwei bis fünf Prozent der Autofahrer. Die Entwickler berufen sich allerdings auf verschiedene Studien, wonach bereits eine Routenplanung, die nur wenige Prozent der Fahrzeuge auf Nebenstrecken leitet, den Verkehr auf der Hauptstrecke spürbar entlasten kann. Wenn es gelänge, nur 100 Fahrzeuge von einer belasteten Route wegzuleiten, dann ergäbe sich dort ein bis zwei Kilometer mehr Platz auf der Straße, schildert Heise, wobei die gefahrenen Geschwindigkeiten eine große Rolle spielen. Der gewonnene Platz könne den Unterschied ausmachen zwischen Stauungen mit Stillstand oder einem fließenden ­Verkehr.

Darüber hinaus setzen die Verkehrsplaner auf den Lemming-Effekt. Bei zähfließendem Verkehr könnten Ortskundige oder besser informierte Fahrer sehr wohl auch andere Verkehrsteilnehmer mitreißen. „Wir beobachten ein solches Verhalten mit unseren Kameras zum Beispiel im Messeverkehr“, sagt Nico Aigner von der Verkehrsmanagementzentrale Niedersachsen gegenüber c’t. Dies allerdings sowohl im positiven wie auch im negativen Sinne; auch unkluge Aktionen finden Nachahmer. Ein intelligentes Navigationssystem, das den Besucherverkehr besser verteilt, könne somit auch dann einiges bewirken, wenn es nur einen Bruchteil der Fahrer direkt erreicht.

Partner gesucht

Kooperationen könnten die Effekte verstärken. Wenn ein großer Autohersteller eine Million Fahrzeuge in Deutschland mit kollaborativem Routing ausstatten würde, gäbe es hierzulande keine Staus mehr. Die Durchschnittsgeschwindigkeit stiege um vier bis fünf Kilometer pro Stunde und die Klimaziele würden erreicht, behauptet Heise.

Wenn man sich auf einzelne Großveranstaltungen beschränkt, kann man aber auch schon jetzt höhere Nutzungsraten und damit deutliche Effekte erzielen. Bereits zur Agritechnica 2017 in Hannover, einer internationalen Fachmesse für Agrartechnik, bat die Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft als Ausrichter gezielt Busunternehmen, die NUNAV-Bus-App zu nutzen. Diese Software nutzt die Schwarmintelligenz und berücksichtigt auch Höhenbegrenzungen und Gewichtsklassen für Busse. Datenauswertungen belegten, dass letztlich etwa 30 Prozent darauf eingingen und das Routing der ­Anreisenden gelang in dem Jahr spürbar besser als in den Vorjahren, wie Aigner ­berichtet. Ein Drittel umgeleitete Busse bedeuteten nicht nur für diese eine kür­zere Anfahrtszeit, sondern auch eine ­deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit der sonst überfüllten Zufahrtsrouten.

Behörde will kurzen Draht

Auch für das niedersächsische Verkehrsministerium gibt es einige Gründe, mit einem Technologieanbieter für kollaboratives Routing zu kooperieren, etwa wenn es um das Management von Straßen- und Autobahnsperrungen geht, um Bombenräumungen oder Großveranstaltungen. Das Land suchte einen Partner, der die behördlichen Entscheidungen und Regelungen mit seiner App unterstützt. Was hinter diesem Wunsch steckt, verdeutlichen zwei Negativbeispiele.

Staunend beobachtete die Polizei in Hannover 2017 eine kuriose Auswirkung der herrschenden Navigationsalgorithmen: Vor ihren Augen lehrte sich morgens um 7:15 Uhr der Messeschnellweg, wo an normalen Tagen dichter Berufsverkehr strömt. Gleichzeitig mussten die Verkehrsmanager in der Zentrale mitansehen, wie die Ausweichstrecken und Nebenstraßen vollliefen. Der Grund war eine Pressemitteilung, die die Sperrung der wichtigen Stadtautobahn für 7:15 Uhr angekündigt hatte. Zwar verschoben Planer die Sperrung später auf 8 Uhr, aber das kam bei den Routingalgorithmen der verbreiteten Navigationssysteme nicht an und der ­Verkehr in Hannover wurde unnötig lahmgelegt.

Ein anderes Beispiel ist die Anordnung Österreichs im Sommer 2019, dass ausländische Touristen auf der Durchreise die Autobahn nicht verlassen sollten. Bei den ersten Staus änderten die Naviga­tions-Apps ihre Routenvorschläge und leiteten die Touristen doch von der Autobahn auf Ausweichstrecken – vor denen die Polizei aber Durchreisende abfing. Auch mit behördlichen Anrufen bei Google ließ sich dieses Durcheinander nicht stoppen.

Im Frühjahr 2019 begann man in Niedersachsen, ein Konzept gemeinsam mit Graphmasters zu erarbeiten. Anonymisierte Floating-Car-Daten fließen vom Technologieanbieter an die Behörde und im Gegenzug gehen Sensordaten der Messschleifen und Radardetektoren von den Autobahnen in das Navigationssystem ein. Zudem ist in den zwei Jahren eine ­interne Verkehrsmanager-Suite namens NUNAV Traffic Strategies gewachsen. In der Kartenansicht zeigt dieses Tool zu jedem Straßenabschnitt den Verkehrsfluss in Relation zur vorgegebenen Richtgeschwindigkeit. Ein Farbsystem verdeutlicht freie Fahrt (grün), zähfließenden (gelb) oder stockenden Verkehr (rot). In der Wochenauswertung lässt sich die aktuelle Geschwindigkeit auf der Straße mit dem Wochendurchschnitt vergleichen. Zusätzlich ist die Datenbank mit Informationen zum Straßenzustand verknüpft.

Unfall schon vor Notruf erkannt

Der Verkehrsmanager kann die Anzeige über die Festlegung von Schwellwerten steuern. Am Farbschema erkennt er Problemstellen und erhält zusätzliche Infos wie FCD oder Messschleifendaten, wenn er in das Verkehrsgeschehen hineinzoomt. So kann es passieren, dass in der Verkehrsmanagementzentrale ein Unfall aufgrund des entstehenden Staus auffällt, und der Operator bei Straßenmeisterei und Polizei nachfragt, noch bevor die den Vorfall ­bemerkt haben.

Für die Zukunft plant das Land, weitere Daten in das Traffic Strategies Tool zu integrieren, erläutert Carsten Althaus von der niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr. Beispielsweise soll die Bedienoberfläche Daten von dynamischen Anzeigetafeln zur Stauinformation sowie Bilder von Autobahnkameras in Zukunft direkt zur Verfügung stellen.

Events gezielt routen

Daten fließen aber nicht nur von der NUNAV-App zur Verkehrsmanagementzentrale. Anders herum gehen Entscheidungen der Zentrale auch direkt in den Algorithmus der App ein. Bei großen Konzerten in Hannover vor dem Corona-Lockdown wurden diese Möglichkeiten erstmals voll ausgespielt. Zunächst holten die Kooperationspartner auch den Konzertveranstalter mit ins Boot, sodass dieser einen QR-Code auf die Eintrittstickets druckte, der die Besucher auf die Navigation zum Veranstaltungsort lenkte. Auf diese Weise lassen sich erfahrungsgemäß 15 bis 25 Prozent der Navi-Nutzer dazu bewegen, die NUNAV-App einzusetzen.

Für die Anreise können die Operatoren in der Verkehrsmanagementzentrale dann gezielt mehrere Anfahrtswege auswählen beziehungsweise Straßen – etwa in Wohnvierteln – explizit ausschließen. Sie können zusätzlich Park-and-Ride-­Parkplätze (P+R) einbinden, deren aktuelle Auslastung das Traffic-Strategies-Tool berücksichtigt. Die Auswahl oder Abwahl von Anfahrtswegen und auch die Umleitung auf P+R-Plätze können sie sogar live vornehmen, während der Anreiseverkehr schon rollt.

Den Unterschied erlebten die Hannoveraner, als im Sommer 2019 zuerst Phil Collins und zwei Wochen später Rammstein im Stadion auftraten. Bei Collins leiteten die Planer den Anreiseverkehr zum Parken auf die Schützenwiese und ließen damit viel Verkehr in der Innenstadt zu. Zwei Wochen später entschieden sie sich, die Innenstadt zu schonen und die Rammstein-Fans auf die P+R-Plätze und damit auf die Stadtbahnen zu verteilen. Tatsächlich blieb die Schützenwiese zur Überraschung der eingesetzten Ordnungskräfte halb leer.

Auch die Köln-Messe ist ein Partner von Graphmasters und leitet über NUNAV die Besucher auf mehreren parallelen Wege zum Messegelände. Am Ende landen die Anreisenden nicht vor einem ­Messetor, sondern direkt auf einer ihnen zugewiesenen Parkfläche.

Bewusst kein Google

Graphmasters setzt auf Kartenmaterial des Geodatendienstes OpenStreetMap. Ganz bewusst verweigere man sich einer Zusammenarbeit mit Google, denn „mit deren SDK würden wir uns ja in den Fuß schießen“, sagt Heise. Aus ähnlichen Gründen verzichte man bei der App-­Gestaltung auf das Facebook-SDK. Das Datenschutz-Versprechen des Unternehmens: Was nicht benötigt wird, wird auch nicht erhoben. Beispielsweise seien von den Nutzern nur anonymisierte Fahrdaten bekannt und diese auch nur für die aktuell verwendeten und die für später reservierten Teilstrecken. Das Navigationssystem speichere nicht die vollständige Fahrroute und lege erst recht kein Profil der regelmäßigen Fahrstrecken an.

Diese Haltung ist auch bedeutend für die Zusammenarbeit mit dem Land Niedersachsen. „Wir können unsere Strategien zur Verkehrslenkung einbringen und wir wissen, nach welchen Prinzipien die NUNAV-App routet“, erklärt Althaus. Bei einem Anbieter wie Google wäre hingegen völlig unklar, wonach die Algorithmen ­entscheiden oder welche Daten das Unternehmen sammelt. Auf der anderen Seite kann das Land durch die Kooperation ­direkt Einfluss auf die Routingstrategie der Navigations-Apps des Partners nehmen. Auf Standard-Navis haben die Planer ­bestenfalls indirekt Zugriff über Warn­meldungen. (agr@ct.de)

Weitere Infos: ct.de/ywwr