Umweltsensitive Verkehrssteuerung

Pilotprojekt COMO in Essen: Was kann smartes Verkehrsmanagement bewirken?

Die zentrale Lage von Essen mitten im Ruhrgebiet ist ein wesentlicher Grund für die Attraktivität der Stadt – und gleichzeitig für ihr hohes Verkehrsaufkommen. Das betrifft auch die innerstädtischen Straßen, auf denen die Umweltbelastungen hoch sind. Ein innovatives Projekt soll auf den Strecken mit der höchsten Verkehrsbelastung für eine umweltsensitive, smarte Verkehrssteuerung sorgen.

Digitalisierte Verkehrssysteme: Mehr Verkehrsfluss, weniger Schadstoffe

Die Ausgangslage

Viel Verkehr, hohe Stickstoffdioxidbelastung – die Alfredstraße in Essen

In Essen leben fast 600.000 Menschen, dazu kommen täglich 156.000 Berufspendler. Die zentrale Lage im Ruhrgebiet, die Einkaufs- und Bildungsangebote und die sehr gute Verkehrsanbindung an die umliegende Region machen die Stadt zu einem attraktiven Ziel. Allerdings führt diese Konstellation dazu, dass Essen ein hohes Verkehrsaufkommen zu bewältigen hat.

Im Hinblick auf Umweltbelastungen durch den Autoverkehr erweist es sich ebenfalls als problematisch, dass mit der A 40 und der A 52 gleich zwei Bundesautobahnen durch die Stadt verlaufen. Dazu kommt die Bundesstraße B 224, die als wichtige Nord-Süd-Verbindung zwischen der A 42 im Norden und der A 52 im Süden dient – und dabei streckenweise durch dicht bebaute Straßenräume verläuft. Eine dieser Straßen ist die Alfredstraße.

Umweltsensitive LSA-Steuerung statt Luftreinhalteplan

Als Grundlage für schnelle Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbelastungen hatte die Stadt Essen 2018 den bestehenden Luftreinhalteplan von 2011 fortgeschrieben und die „Umweltsensitive LSA-Steuerung“ als Prüfauftrag mit aufgenommen. Die Deutsche Umwelthilfe klagte beim VG Gelsenkirchen gegen diesen ersten Entwurf. Dadurch sollten schneller wirkende Maßnahmen für eine nachhaltige Senkung der NO2-Werte bis 2020 erreicht werden.

Vor dem OVG Münster konnte ein Vergleich erzielt werden, nachdem die „Umweltsensitive LSA-Steuerung“ als förderfähiges Umsetzungsprojekt mit einer Inbetriebnahme Mitte 2020 in den Luftreinhalteplan aufgenommen wurde. Neben der Konkretisierung des Konzepts entwickelte die Stadt Essen noch weitere Maßnahmen.

Hotspots für Luftbelastung in Essen

Die Alfredstraße steht exemplarisch für mehrere Straßen der Ruhrmetropole, auf denen die gesetzlichen Jahresgrenzwerte für Stickstoffdioxid (NO2) regelmäßig und deutlich überschritten wurden. Ähnlich verhielt es sich an der Brückstraße, der Gladbeckerstraße, der Krayer Straße oder der Hausackerstraße.

Obwohl es bereits seit 2011 einen Luftreinhalteplan gibt und die Stadt Essen als „Grüne Hauptstadt 2017“ verschiedene Anstöße für eine Mobilitätswende unternommen hat, blieben die NO2-Belastungen vorerst über den Grenzwerten. Seit 2019 sind die Überschreitungen rückläufig, diese Daten wurden allerdings erst 2020 veröffentlicht.

Zu dieser Zeit hatte die Stadt Essen bereits einen „Masterplan Verkehr 2018“ erarbeitet, der 36 Maßnahmen zur Verbesserung der Umweltbelastungen untersucht und bewertet hat. Abgesehen von den Kosten erwies sich die „Umweltsensitive LSA-Steuerung“ (Lichtsignalanlagen) für eine kurzfristige Verringerung der NO2-Belastungen als Einzelmaßnahme am wirksamsten.

Zielsetzungen für eine effizientere Verkehrssteuerung

Maßnahmen und Anpassungen für eine geringere Umweltbelastung in der Alfredstraße

Die Herausforderung bei der Umsetzung der Umweltsensitiven LSA-Steuerung für die Alfredstraße bestand darin, die komplexen Zusammenhänge von Verkehr, Umwelt und Meteorologie in einem einzigen Modell gemeinsam abzubilden. Durch die Verknüpfung der Daten von Verkehrs- und Umwelt-Messstellen mit den Lichtsignalanlagen soll der Verkehr so gesteuert werden, dass die gesetzlichen Grenzwerte durch situationsgerechte Maßnahmen eingehalten werden können.

Gleichzeitig sollen diese Maßnahmen den Verkehrsfluss und damit die Verkehrsteilnehmer möglichst geringfügig beeinträchtigen. Die Grundlage hierfür ist ein Regelkreis: Verkehrssensoren, Umweltsensoren und andere Datenquellen liefern Messwerte zu Verkehrs- und Umweltbelastung. Die damit erfassten Daten fließen in Mess-Systeme, die mit Daten- und Kommunikationsschnittstellen verbunden sind.

Komponenten der Umweltsensitiven LSA-Steuerung

Das Steuerungsmodell für die umweltgerechte LSA-Steuerung umfasst unter anderem folgende Elemente:

Datenbank und Prognosemodell unter Nutzung von KI für die tägliche Prognose des NO2-Tagesmittelwerts
qualitative Bewertung der zu erwartenden NO2-Überschreitung (anhand der drei Zustände leicht, mittel, stark)
kontinuierliche Messung des Umweltdetektors Alfredstraße Nord
Stauüberwachung des Autobahnverkehrs und Berücksichtigung des Messeverkehrs
ausgewählte Maßnahmen zur konkreten Umsetzung (Anpassung der Grünen Welle, Neuprogrammierung der Lichtsignalanlagen, Aktivierung der Umweltsteuerung über Informationstafeln)

Im Zentrum steht ein Datenbank-Server, der auf Basis dieser Informationen die aktuelle Verkehrs- und Umweltlage beurteilt – und daraufhin Maßnahmen zur Verkehrssteuerung einleitet oder deaktiviert. Konkret bedeutet das, dass seit der Inbetriebnahme der neuen Ampelsteuerung am 13. Oktober 2020 an verschiedenen Standorten dynamische Verkehrsinformationstafeln die Verkehrsteilnehmer über den Betriebszustand der Verkehrssteuerung und die daraus resultierenden Verkehrsregulierungen informieren.

Die sogenannten Pförtnerungen beinhalten beispielsweise die Umleitung des Verkehrs auf alternative Strecken. Sie werden nur ausgespielt, wenn die Messwerte dies erforderlich machen. Grundlage für die Pförtnerungen sind dabei die Messdaten des jeweiligen Vortags, die in eine Prognose einfließen. Eine Regulierung gilt dann immer für den Folgetag. Sie kann aber je nach Verkehrslage mit differenzierten Ampelschaltungen zu den Spitzenzeiten am Morgen, Mittag und Abend angepasst werden.

Die Maßnahmen der Umweltsensitiven Verkehrssteuerung erwiesen sich als wirksam, der zulässige Jahresgrenzwert der NO2-Belastung konnte eingehalten werden.

COMO Essen: Digitalisierung des Verkehrssystems

Neues Pilotprojekt macht das Verkehrsmanagement in Essen digital

Der Essener „Masterplan Verkehr 2018“ sieht neben der Reduzierung der Luftschadstoffbelastung auch die Digitalisierung des Verkehrs vor. Mit der umweltsensitiven Ampelsteuerung wurde dazu ein erster Schritt abgeschlossen. Durch das anschließende Projekt soll die Digitalisierung der Verkehrsinfrastruktur auf das Hauptstraßennetz ausgeweitet werden.

Im Rahmen des Projekts „connected.mobility@Essen – Digitalisierung und umweltgerechte Steuerung des Straßenverkehrs“ (COMO) werden die Anfänge des Vorläuferprojekts an der Alfredstraße fortgeführt. Aus dem Förderprogramm „Digitalisierung kommunaler Verkehrssysteme“ des Bundesverkehrsministeriums wurden für das im Mai 2020 gestartete Projekt mehr als 10 Millionen Euro bereitgestellt.

Damit soll eine IT-Infrastruktur aufgebaut werden, die die notwendigen Kapazitäten für eine Übertragung und Speicherung von Sensordaten in Echtzeit erlaubt.

Künstliche Intelligenz für Daten in Echtzeit

Das Ziel des COMO-Projekts ist also der Aufbau einer intelligenten Sensorik, mit der die Verkehrs- und Umweltsituation in Echtzeit erfasst werden kann. Gleichzeitig braucht es für diese Daten eine leistungsfähige Plattform, die Analysen für die digitale, umweltgerechte Steuerung des Verkehrs durchführen kann.
Konkret bedeutete das während der Erprobungsphase:

An zwei Stellen in der Stadt wurden „Reallabore“ für Tests im praktischen Betrieb eingerichtet (Nordallee sowie nördliche Hauptzufahrtstraßen zur Innenstadt).
Insgesamt wurden etwa 200 Kameras zur Naherfassung im Kreuzungsbereich sowie zur Fernerfassung von heranfahrenden Fahrzeugen installiert.
Zur technischen Ausstattung der Reallabore gehörten außerdem 15 Umweltsensoren zur Überprüfung der Luftqualität.

Datenschutzkonforme Verkehrsdaten

Die Messung der Verkehrsströme in Echtzeit ist ein wesentlicher Bestandteil der digitalen Verkehrsleitung. Auf dieser Grundlage lassen sich mögliche Rückstaubildungen frühzeitig erkennen. Beim Projekt zur Umweltsensitiven Verkehrssteuerung wird dann etwa durch die Pförtnerung der Verkehr auf Ausweichrouten umgeleitet.

Voraussetzung für die Nutzung der Daten ist jedoch deren datenschutzkonforme Erfassung. Connected Mobility Essen wird deshalb von einem Datenschutz- und Informationssicherheitskonzept begleitet. So kann sichergestellt werden, dass die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten werden. In der Praxis bedeutet das unter anderem, die Bildqualität der Kamerabilder so weit zu reduzieren, dass die Kennzeichen und Gesichter der Autofahrer nicht zu erkennen sind.

Begleitet wurden diese ersten Maßnahmen von der Einrichtung einer neuen digitalen Verkehrsmanagementzentrale. Sie umfasst nicht nur die Störungsleitstelle, bei ihr laufen auch die zahlreichen Daten für die Verkehrssteuerung zusammen. Hierzu gehören:

Lagebilder und Dashboards
Videostreams aus den Kameras zur Verkehrsbeobachtung
Fahrzeugzahlen zu verschiedenen Tageszeiten, Geschwindigkeiten und Abbiegebeziehungen
Wetterdaten
Daten zu Veranstaltungen im Stadtgebiet
ÖPNV-Daten der Ruhrbahn
Daten des städtischen Parkleitsystems

Neben den Kameras und Sensoren der Messstationen werden außerdem die Messdaten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus genutzt, die bei vielen Städten in die Erstellung von Stadtklimamodellen einfließen. Auf dieser Grundlage lässt sich die räumliche Verteilung der Umweltbelastungen besser erfassen.

Das Projekt „Digitalisierung und umweltgerechte Steuerung des Straßenverkehrs“ verbessert die bisherigen Möglichkeiten zu Analysen und Modellrechnungen für die Verkehrssteuerung deutlich, indem es mit der entsprechenden Infrastruktur Echtzeitdaten bereitstellt. Dank Digitalisierung und Verknüpfung mit KI-gestützter Analytik kann die Stadt Essen somit den Verkehr bedarfsgerecht und flexibel anpassen. Die weiträumige Optimierung des Verkehrsflusses bedeutet nicht nur weniger Zeit im Stau für die Verkehrsteilnehmer, sondern vor allem eine schnelle Reduzierung von Luftschadstoffen für die Einwohner.

Quellen:
Dahmen, Benjamin/Demny, Andreas/Doll, Christoph/Brückner, Uwe: Umweltsensitive Verkehrssteuerung auf der Alfredstraße in Essen – Zielsetzung, Konzept und vorläufige Ergebnisse
https://verlag.fgsv-datenbanken.de/media/upload/tagungsbaende/FGSV_002_131/FGSV_002_131-9.pdf

Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV): Digitalisierung und umweltgerechte Steuerung des Straßenverkehrs – connected.mobilty@Essen
https://bmdv.bund.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/DKV/dkv-essen.html

ITK Engineering: Intelligentes Verkehrsmanagement in Essen
https://www.itk-engineering.de/stories/intelligentes-verkehrsmanagement/

Stadt Essen: Projekt COMO bringt in Essen die Digitalisierung auf die Straße
https://www.essen.de/meldungen/pressemeldung_1508718.de.html

Stadt Essen: Umweltsensitive Ampelsteuerung geht nächste Woche in Betrieb
https://www.essen.de/meldungen/pressemeldung_1401797.de.html

Bilder:

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