Niemand wartet gerne an der Ampel. Insbesondere in Ballungszentren verlängert sich durch Rückstaus an Kreuzungen die Reisezeit. So ist in der Rushhour viel Geduld gefragt. Die Motoren laufen, doch es geht nicht voran. Um die dadurch entstehenden Abgase und Wartezeit zu reduzieren, optimiert das Verkehrsmanagement die Ampelschaltung. Doch wie wird entschieden, wer Rot hat und wie lange eine Ampelphase dauert? Woher kommen die dafür notwendigen Verkehrsinformationen? Welche Technologien sind hierfür im Einsatz? In diesem Blogartikel erfahren Sie mehr über Systeme für die Verkehrsdetektion und Radartechnik für die Ampelsteuerung.

Programmierung & Datenerhebung

Bei Kreuzungen regeln meist standardisierte Abläufe und Zeiten das Durchwechseln der Lichtzeichen. Für eine grüne Welle ist diese Programmierung teilweise zwischen mehreren Kreuzungen abgestimmt und eine optimale Fahrgeschwindigkeit vorgegeben. Durch regelmäßige Verkehrszählungen sind Stoßzeiten sowie Hauptverkehrsadern ermittelbar. Mit dieser aufwendigen Methode lassen sich Rückschlüsse auf das allgemeine Verkehrsaufkommen ziehen.

Die Standardeinstellungen sind jedoch nicht effizient. Die Programmierung reagiert nicht flexibel, falls die aktuelle Verkehrssituation von den Durchschnittswerten abweicht. Ist in der Nacht die Straße kaum befahren, ist das gleiche Ampelprogramm wie zum Berufsverkehr unpassend. Während an manchen kleinen Kreuzungen die Ampeln ausgeschaltet sind, ist dies für unübersichtliche, große Verkehrsknoten zu unsicher.

Eine weitere Problematik gibt es, wenn mobile Ampelanlagen vorübergehend den Verkehr regeln. Beispielsweise an Baustellen, an denen die Durchfahrt in nur Fahrtrichtung möglich ist. Hier fehlen aufgrund der Änderungen des Verkehrsflusses die notwendigen Datensätze. Oder das Standardprogramm der Kreuzung passt nicht zur vorübergehenden Verkehrssituation.

Ampelsteuerung nach Bedarf mit technischer Unterstützung

Aufgrund dessen verlässt sich das Verkehrsmanagement nicht nur auf Zählungen und Erfahrungswerte. An Kreuzung hat sich die Montage von technischen Helfern bewährt, die Informationen über die aktuelle Lage vor Ort liefern und eine bedarfsgerechtere Ampelsteuerung ermöglichen.

Voraussetzung hierfür ist die Erkennung von Verkehrsteilnehmern. Häufig sind Kameras oder Induktionsschleifen an Kreuzungen zu finden. Die beiden Technologien unterscheiden sich nicht nur in ihrer Funktionsweise, sondern auch in ihren Einsatzmöglichkeiten.

Kontaktschleifen im Asphalt

Die Induktionsschleife ist im Straßenbelag eingelassen oder unter der Fahrbahndecke verbaut. Mittels elektromagnetischer Induktion erfasst die Technik punktuell metallische Fahrzeuge, die auf den in der Straße verlegten Kabelsträngen stehen. Durch die direkte Nähe eines metallischen Gegenstands ändern sich die Parameter der Induktionsschleife. Die Kabelschleifen geben die Information über die Präsenz eines Fahrzeugs an die Ampelsteuerung weiter. Mit dieser Technik ist eine Fahrzeugerkennung nur unmittelbar an der Position der Sensoren möglich. Eine Fahrzeugtypunterscheidung und Verkehrszählung ist an Ort und Stelle der Induktionsschliefe mit entsprechender Auswertung realisierbar. Manche Induktionsschleifen nutzen eine bestimmte Frequenz, um Ambulanzfahrzeuge mit einer speziell eingerichteten Signalanlage zu bevorzugen.

Die Montage der Schleifen ist ohne Baustelle nicht möglich, da bestehende Straßen aufgerissen und neu geteert werden. Verkehrsteilnehmer, die der Bodensensor nicht erfasst, aktivieren keine Umschaltung der Ampel. Die Erkennung ist in der Regel abhängig von der Sensitivität, die in erster Linie für Kraftfahrzeuge optimiert ist.

Verkehrskameras

Videotechnik ist in vielen Ländern an zahlreichen Kreuzungen und Straßenabschnitten zu finden. Die Kameras überwachen das Geschehen vor Ort und liefern visuelles Bildmaterial. Manchmal sind auch Softwarealgorithmen im Einsatz, um einzelne Fahrzeuge und bestimmte Ereignisse zu erkennen oder gezielt Daten zu ermitteln. In Deutschland sind die Videokameras vorrangig zur Beurteilung der Verkehrslage im Einsatz. Die technische Verkehrsleitung nutzt die Bildübertragung unter anderem, um Verkehrsbehinderungen zu identifizieren und diese Information an öffentliche Kommunikationsstellen (wie Radiosender) als Warnung weiterzugeben. Die Webcam-Übertragungen dienen der Verkehrsoptimierung. Eine Speicherung der Datensätze erfolgt aufgrund der notwendigen Server- und Speicherleistung für die Datenverarbeitung in der Regel nicht. Dennoch steht die Videoüberwachung aufgrund der fehlenden Anonymität häufig in der Kritik. Kennzeichen und sogar Identitäten sind ohne starkes Verpixeln oder Filter identifizierbar. In der aktuellen Lage in Europa sind der jedoch sehr eingeschränkt. Ein weiterer Nachteil der Verkehrskameras ist die schnelle Verschmutzung und die damit verbundene Wartung. Tiere vor der Linse, Dreck oder auch Regentropfen und Eis machen das übertragene Bild unbrauchbar.

Selten im Einsatz: Infrarot

Eine weitere Technik zur Fahrzeugerkennung ist die Wärmebildkamera. Die Infrarotsensoren sind insbesondere in Amerika im Einsatz und haben einige Tücken. Sie sind beispielsweise leicht manipulierbar durch die Anbringung eines Infrarot Transmitters im Fahrzeug. Ursprünglich für die Ermöglichung von Grünphasen für Rettungsfahrzeuge und Polizei gedacht, konnten in den USA auch private Autos mit solchen mobilen Geräten ausgerüstet werden. Außerdem haben Infrarotkameras aufgrund der technischen Eigenschaften Schwierigkeiten bei extremen Temperaturen, mit der Auflösung und wärmeisolierenden Materialien.

Radar ist für Verkehrstechnik prädestiniert

Die Anforderungen im Bereich der Verkehrstechnik steigen. Die Technik soll mehr Aufgaben übernehmen, automatisierter und präziser sein, um effizientes Verkehrsmanagement zu realisieren. Gefragt sind fortschrittliche Systeme, die den Weg für Smart City sowie bessere Zeit- und CO2 Reduzierung ebnen.

Eine vielversprechende Technologie ist Radar. Von der klassischen Radarfalle bis hin zur digitalen Geschwindigkeitsanzeige – aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften ist die Technik im Verkehrsbereich seit vielen Jahren fest etabliert. Sie ist prädestiniert für die Verkehrsüberwachung und hat starkes Entwicklungspotential. Die Sensortechnologie ist robust und präzise. Sie funktioniert unabhängig von Wetter- und Lichtverhältnissen und toleriert extreme Hitze oder Kälte. Verschmutzungen stören bei der Detektion nicht.

Ein weiterer Vorteil der Technologie ist die große Funktionalität. Mit Radartechnologie sind nicht nur die Fahrzeuge erkennbar oder zählbar. Die Messtechnik ermöglicht die anonyme Erhebung umfangreicher Daten über die Verkehrsteilnehmer. Beispielsweise sind Informationen über die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung, die Winkelposition und die Entfernung ermittelbar. Auch für die Ampelsteuerung bieten fortschrittliche Radarsysteme viele Vorzüge.

Wie funktioniert die Ampelsteuerung mit Radar

Moderne Radarsysteme sind an Ampelträger angebracht. Der Radarstrahl ist nach vorne ausgerichtet, um eine möglichst große Fläche des Kreuzungsbereichs zu erfassen. Die Antennen blicken in der Regel auf die Straße herab. Sie bieten eine hohe Reichweite, um lange Streckenabschnitte und frühzeitig, heranfahrende Fahrzeuge zu detektieren.

Die Radargeräte senden elektromagnetische Wellen aus, die auf die Verkehrsteilnehmer treffen und reflektiert werden. Daraufhin empfangen die Antennen ein Antwortsignal bestehend aus zahlreichen Detektionspunkten. Diese Rohdaten sind geprägt von verschiedenen Messeffekten. Ohne eine nachfolgende Signalverarbeitung ist der Output für die Ampelsteuerung nicht nutzbar. Bei fortschrittlichen Systemen ist deswegen meist eine Einheit und Software für die weitere Auswertung verfügbar.

Um die gewünschten Messdaten und spezifischen Objektinformationen zu erhalten, erfolgt eine Filterung, Auswertung und Aufbereitung der einzelnen Detektionen. Ein dafür genutztes Verfahren ist unter anderem das Clustering. Dabei bündelt die Signalverarbeitungseinheit zusammengehörige Einzelpunkte entsprechend deren Werte zu einem Objektziel. Um mehrere Objekte zu unterscheiden, nutzt Radar multiple Sende- und Empfangsantennen und misst in verschiedenen Dimensionen. So verfügen die Systeme über eine hohe Auflösung für die Objekttrennung. Algorithmen ermöglichen zudem die Verfolgung des Zieles und die Darstellung der Bewegungshistorie. Die Objekte sortiert das Radar anhand festgelegter Messwerte (z. B. Radarquerschnitt) in eine bestimmte Fahrzeugkategorie ein. Das Messverfahren liefert außerdem Objektinformationen wie die Geschwindigkeit, Entfernung, Bewegungsrichtung und Winkelposition. Mit diesen Features sind die Verkehrsteilnehmer lokalisierbar, beobachtbar und sogar einer Fahrspur zuzuordnen.

Nach einem weiteren Verarbeitungsschritt sind die umfangreichen Echtzeitdaten nutzbar, um über das Eintreten bestimmter Ereignisse zu informieren. Hierzu werden in der Software des Radarsystems Bedingungen festgelegt. Beispielsweise kann das Verkehrsmanagement einstellen, dass in einer frei wählbaren Zone innerhalb des großen Erfassungsbereichs, ein eindeutiges Signal ausgegeben wird, sobald die gewünschte Bedingung eintritt. Typische Szenarien sind das Überfahren der Haltelinie, die Bewegung in die falsche Fahrtrichtung und Autos, die im Kreuzungsbereich oder auf dem Pannenstreifen stehen. Auch die Erkennung von hohem Verkehrsaufkommen durch Verkehrszählung und Erfassung der stehenden Fahrzeuge an der Kreuzung in Echtzeit (wie bei einer Induktionsschleife) deckt Radar ab.

Soll eine automatisierte Ampelsteuerung vor Ort erfolgen, gibt das Radar die aufbereiteten Informationen und Ereignisse an das Steuerungsgerät der Ampel weiter. Es folgt eine Übersetzung der empfangen Signale in einen Schaltimpuls, den die Relais der Ampel verstehen und umsetzen können.

Eine zusätzliche Übertragung der Radardaten in eine Zentrale ist mit leichten Latenzzeiten verbunden. Deswegen erfolgt die Ampelsteuerung meist lokal und nicht ferngesteuert. Weitergeleitete Informationen an das Verkehrsmanagement dienen beispielsweise der Statistik und Analysen über das Verkehrsgeschehen.

Herausforderungen von Radarsensoren

Radar kann im Vergleich zu Infrarot und Induktion mit maximaler Funktionalität für die Ampelsteuerung punkten. Einfache radarbasierte Bewegungsdetektoren erfüllen die hohen Anforderungen des effizienten Verkehrsmanagements an Hauptverkehrsadern nicht zur vollsten Zufriedenheit. Je mehr das Radar für die Ampelsteuerung leistet, desto präziser und zuverlässiger muss das Gerät sein. Für eine starke Performance sind modernste Technik und Komponenten nötig.

Die fortschrittlichen Systeme benötigen eine hohe Messgenauigkeit, ein sehr gutes Auflösungsvermögen und ein großes Sichtfeld, um viele Fahrzeuge gleichzeitig zu erfassen. Hierzu müssen mehrere Antennen kombiniert werden. Dabei entstehen Multipath-Effekte, die zu Fehldetektionen führen können. Das Antennendesign und die Signalverarbeitung sind gefordert, diese Problematik auf ein Minimum zu reduzieren. Um hochpräzise Messungen durchzuführen, ist die Radardetektion sehr sensitiv. Irrelevante Detektionen müssen dementsprechend gefiltert werden. Ein Beispiel ist der Regenfilter.

Das Tracking der Verkehrsteilnehmer und die weiteren Features für die bedarfsgerechte Ampelsteuerung machen die Signalverarbeitung anspruchsvoll. Während der Entwicklung ist innovative Technik und Expertise gefragt, um die detektierten Daten zu verarbeiten. In der Regel sind neben dem Entwicklungsaufwand für eine starke Performance auch teure Komponenten notwendig. Eine Herausforderung der Verkehrsradar ist deswegen, die Systeme zu einem attraktiven Marktpreis anbieten zu können.

Eine zusätzliche Problemstellung entsteht bei der Nutzung mehrerer Radarkomponenten in unmittelbarer Nähe. Die Geräte können sich gegenseitig stören. Die Interferenzen sind mit optimaler Abstimmung der Frequenzen und entsprechender Signalverarbeitung vermeidbar.

Zukunft der Ampelsteuerung auf dem Radar

Die genannten Herausforderungen der Technologie sind für die Ampelsteuerung keineswegs ein K.O.-Kriterium. Denn im Vergleich zu Kamera, Induktion und Infrarot, verfügen die Radarsysteme über viele Vorzüge. Bereits heute sind auf dem Markt fortschrittliche Systeme verfügbar, deren Performance durch die typischen Schwierigkeiten nicht weiter beeinträchtigt ist.

Ein Beispiel hierfür sind die Radarsysteme iSYS-5220 und ITR-3810 der InnoSenT GmbH. Der entstandene Mehrwert der Verkehrsradare durch die ausgereifte Technik und Kostenoptimierung heben die Sensortechnologie von ihrer Konkurrenz ab. In den kommenden Jahren ist zunehmend mit einer Weiterentwicklung der Radarsysteme im Verkehrsbereich zu rechnen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Zum einen schreitet im Bereich Software-Entwicklung, Datenverarbeitung und -Speicherung der technische Fortschritt schnell voran. Zum anderen sinken die Preise der Bauteile im Laufe der Zeit. Durch die Freigabe weiterer Frequenzen für die Anwendung sind Verbesserungen bezüglich Präzision absehbar.

So führt an der Sensortechnologie für die effiziente Ampelsteuerung in einer Smart City kaum ein Weg vorbei. Die Zukunft der Verkehrstechnik hat Radar auf dem Schirm.

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Zuverlässige Fahrzeugdetektion mit Traffic Radaren

Im Verkehrswesen bietet die Radartechnologie vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Radar ist prädestiniert für die Verkehrsdetektion und hat sich seit vielen Jahren als herausragende Techniklösung im Traffic Bereich etabliert. Ein typisches Beispiel ist die Radarfalle der Polizei. Aber auch komplexere Anwendungen wie Verkehrsbeobachtung und Statistiken für das Kreuzungsmanagement sind mittels radarbasierter Fahrzeugdetektion realisierbar.