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Simulationen mit IDM

Das Intelligent-Driver-Model (IDM)

Bei unseren Recherchen stießen wir auf das Intelligent-Driver-Model, ein Mikromodell zur realistischen Simulation von staugefährdeten Verkehrssituationen. Professor Dr. Dirk Helbing und Professor Dr. Martin Treiber von der TU Dresden erkannten, dass ein Fahrzeugstrom auf der Autobahn ähnlichen Gesetzen wie die Bewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem Rohr gehorcht.

Die Theorie

Helbings Vergleich ist überzeugend: Beim Übergang von der freien Fahrt über den Kolonnenverkehr bis hin zum Stau macht der Verkehr Phasenübergänge durch wie ein Stoff, der vom gasförmigen über den flüssigen in den festen Zustand übergeht. Freier Verkehr entspricht dem Gas: die einzelnen Autos können sich nahezu unabhängig voneinander bewegen. Wird der Verkehr dichter, dann fließt er wie Wasser. Die Fahrzeuge schwimmen wie ein Fischschwarm im Wasser. Jeder Fahrer muss allerdings sein Verhalten dem des Vordermanns anpassen. Er verliert gewissermaßen an Individualität. Wenn zu viele Fahrer auf ihrer Individualität beharren, also wesentlich schneller oder wesentlich langsamer fahren, die Spur wechseln und überholen wollen, dann geht der flüssige Zustand sehr schnell in den festen über. Der Verkehr klumpt, er friert ein.

Den beiden Physiker gelang es, ein relativ einfaches Modell mit wenigen und sehr anschaulichen Parametern zu entwickeln. Neben Verkehrsdichte und Geschwindigkeit lassen sich über einen Höflichkeitsfaktor auch unterschiedliche Fahrstile einstellen.

Die Praxis

In der Praxis hat sich gezeigt, dass Kolonnen, die sich mit etwa 85 km/h bewegen sehr stabil sind. Dem Fischschwarm vergleichbar folgen die Autos einander dicht genug, so dass das Lückenspringen eher die Ausnahme ist. Die Fahrer ordnen sich - noch - problemlos in den Schwarm ein. Bei einem solchen entindividualisierten Fahrzeugschwarm verkraftet eine Autobahn bis zu 2 600 Fahrzeuge pro Stunde, also rund 30 - 40 Prozent mehr als sonst.

Sinkt die Kolonnengeschwindigkeit unter 85 km/h, wird die Situation labil. Die Fahrer reagieren teilweise frustriert. Eine kurze Unaufmerksamkeit, ein zu starkes Bremsen, ein Spurwechsel löst eine Kettenreaktion aus. Die kleinste Störung kann nun den Verkehr vom flüssigen in den zähfließenden Zustand oder zum Stillstand bringen.

Simulation: Wie entsteht ein Stau?

Simulation eines Staus
Simulation eines Staus

Die Vorteile einer realistischen Verkehrssimulation liegen auf der Hand. Auf der Basis von realen Verkehrsdaten können für kritische Bereiche Maßnahmen zur Streckenbeeinflussung durchgespielt und ihre Wirksamkeit überprüft werden. Solche Maßnahmen könnten Geschwindigkeitsbeschränkungen, Überholverbote für Lastwagen oder neue Straßenführungen sein. Auch die Auswirkungen von Fahrer-Assistenzsystemen wie die Adaptive Cruise Control (Abstandsassistent) lassen sich bei unterschiedlicher Verbreitungsdichte simulieren und geben damit wichtige Hinweise für die Markteinführungsphase.

Fünf Java-Applets sind im Internet verfügbar auf der Seite "Dynamic traffic simulation" unter www.traffic-simulation.de. Sehr beeindruckend ist die Simulation einer zweispurigen Ringstraße. Abhängig von der Verkehrsdichte lässt sich die Entstehung einer Stop-and-Go-Welle bzw. eines Staus aus dem Nichts simulieren. Übrigens haben 24 Versuchspersonen dieses Experiment mit ihren Autos real durchgeführt. Ein Video des Schweizer Fernsehens SF1 zeigt das erstaunliche Ergebnis.
Video des SF1: Wie entsteht ein Stau?

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