EP1298620A2 - System zum Steuern von Lichtsignalgebern an Kreuzungen - Google Patents

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EP1298620A2
EP1298620A2 EP02020174A EP02020174A EP1298620A2 EP 1298620 A2 EP1298620 A2 EP 1298620A2 EP 02020174 A EP02020174 A EP 02020174A EP 02020174 A EP02020174 A EP 02020174A EP 1298620 A2 EP1298620 A2 EP 1298620A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
traffic
characteristic
traffic condition
traffic conditions
node
Prior art date
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EP02020174A
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English (en)
French (fr)
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EP1298620B1 (de
EP1298620A3 (de
Inventor
Paul Dr. Mathias
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1298620A2 publication Critical patent/EP1298620A2/de
Publication of EP1298620A3 publication Critical patent/EP1298620A3/de
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Publication of EP1298620B1 publication Critical patent/EP1298620B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/07—Controlling traffic signals
    • G08G1/08—Controlling traffic signals according to detected number or speed of vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling Light signaling devices at a node according to the generic term of claim 1 and a control device for implementation the procedure according to the preamble of the procedure.
  • a traffic light system consists of a combination of traffic lights for the different accesses to the Node and the necessary operating facilities for Control of traffic flow.
  • a light signal generator in this Senses is a telecommunications device that the road users visible signals transmitted.
  • a signal program runs in the intersection in which the signal times the traffic light system in terms of duration and assignment are set.
  • Fixed-time signal control is a Light signal control with fixed signal times without the possibility of action for road users.
  • This Macroscopic signal control is based on long-term Consideration of the traffic condition at the node.
  • the method uses people working on fixed time tables Signal programs with a rigid daily or weekly automatic.
  • the switching times are for fixed-time controlled individual nodes for changing signal programs, for example set for the respective weekday.
  • the procedure is simple in itself, there are no detectors to run It is necessary to record the traffic condition at the node.
  • Hard Timed Procedures are due to their medium planning effort Although relatively inexpensive, they are neither flexible in the short and long term regarding a change the traffic conditions at the intersection, so again and again Rescheduling is required.
  • DE 44 36 339 A1 describes a method for adapting to traffic Control of a traffic light system known by sensors supplied for traffic detection in the intersection area Data processed.
  • the method used except for traffic safety necessary principles no ready-made models or algorithms, but it learns the cheapest methods for traffic flow control of all typical for the intersection Traffic situations, saves them and applies them, thus depending on temporal fluctuations in traffic to adapt the green phases to the traffic flow.
  • a so-called feed-forward network is selected for control, that is trained using reinforcement learning. From The signals obtained from the sensor measurement data are sent to the Network inputs so that during a decision cycle, in which each neuron of the network has its initial value determined from its inputs provided with synapses the network outputs in processed form to control the Signal groups are available. The result of this Traffic flow resulting in switched signal groups is evaluated by calculating a real number, the the larger the more vehicles pass the intersection and the fewer vehicles are waiting at the stop line. During one Learning cycle will then change this real number into appropriate changes of the weights implemented in the synapses, so that after many sequences of decision and learning cycles the real one Set the number to the largest possible value, the cheapest Traffic flow regulation corresponds. With the complication the traffic node increases the time required for pre-training of the neural network. To increase the speed of learning are on the stop line except for one sensor each additional sensors at certain intervals for each lane required in front of the stop lines.
  • US 3,818,429 discloses a traffic control system consisting of from control methods and devices, for selecting a specific one Program for the control of traffic lights one or more consecutive crossings from one Variety of programs saved in advance on paper tape.
  • the control device of the traffic control system is included Intersection devices for controlling the traffic lights as well as with Vehicle detectors to record traffic conditions connected to the respective intersections.
  • a electronic calculation and analysis of current traffic conditions selected the optimal program. From the Signals from the vehicle detectors are averaged values various dynamic traffic parameters such as density, speed and volume of traffic. Different Traffic volumes are pre-selected Assigned areas of traffic parameters and it will determines in which parameter area the current traffic volume lies.
  • the selection of a program can be done by targeted programming of the control unit even after the time of day and day of the week.
  • Under a program a Data block understood by periods of time during a cycle define the switching times for the light signal transmitter.
  • the current parameter range becomes in a running cycle in the following cycle, a new one is added to the current one Program coordinated with traffic
  • the known controls suffer with a considerable effort on the part of supply and testing of the traffic planner or commissioning engineer and require Rescheduling due to often fundamental changes in the Traffic conditions over the course of months or years.
  • the invention is therefore based on the object of a system for to provide local node control, which is a greater flexibility in changing traffic conditions as pure fixed-time controls and at the same time high performance with minimal planning and supply costs as well as with moderate detector equipment shows.
  • each characteristic traffic condition one on this coordinated signal program is assigned as a measure for the mutual position of two traffic conditions defines a metric the current one with regard to the defined metric Traffic condition closest characteristic traffic condition is determined, and the closest characteristic Signal program assigned to the traffic condition to issue switching commands for the light signal transmitter planning and supply costs are limited on the specification of basic data, such as the node topology, Main directions, signal group definition, minimum green and Transition times, intermediate times and installation lengths, and some framework conditions, such as priorities and optimization criteria.
  • the process changes on a short-term time scale Adjust traffic conditions.
  • the invention Process a significantly greater flexibility than fixed-time controlled procedures on and at proportionally simple detection of traffic conditions in the form of simple Counts.
  • the traffic technology is reduced Maintenance effort, since the method according to the invention independently adapts to changing framework conditions.
  • Traffic conditions can be summarized into classes, and for each class of traffic conditions is a characteristic traffic condition when their representative is determined, the Variety of traffic conditions occurring at a node according to the frequency of their occurrence and their distribution classified in the area of all traffic conditions.
  • a characteristic traffic condition for example be calculated as a focus or cluster point.
  • the procedure is the distance between a newly determined characteristic traffic condition of a class of traffic conditions and the currently valid characteristic traffic condition in this class, if one is exceeded Predefinable threshold for the distance of the currently valid characteristic traffic condition by the newly determined characteristic traffic condition for this class replaced, and a newly determined characteristic traffic condition assigned signal program calculated. hereby will temporal fluctuations in the static distribution of the Traffic conditions are taken into account with a movement or a drift in the characteristic traffic conditions. If the characteristic traffic condition is one Class drifts too much, becomes a new characteristic Traffic condition determined for this class and one on it coordinated signal program calculated. This creates a process available, which is on a medium to adapts long-term timescale to changing traffic conditions. The integrated signal program calculation wins a non-aging control with high flexibility and Efficiency, because always an optimally coordinated set Signal programs is available.
  • the procedure is used when the characteristic traffic condition changes a switching process from the previously executed Signal program determined for the signal program currently to be executed. As long as the current traffic condition at his cyclical recording does not change or changes only slightly, the maintain characteristic traffic condition and thus that to him assigned signal program active. However, results from a shift in the static distribution is a new characteristic Traffic condition or is due to a current Change in the traffic condition of the characteristic Traffic condition of another class is more obvious execute a new signal program after the cycle change.
  • traffic data of the node are continuously monitored by detectors recorded in the form of raw measured values
  • Raw measured values are queried cyclically and by averaging or Smoothing prepared, substitute values in the case of missing measured values used, and from the processed and if necessary replaced the measured traffic values.
  • the detectors have sensibly usable measurements, which cyclically show the current traffic condition node to be regulated even in the event of a possible failure of Provides detectors.
  • Traffic control devices known per se are typically in a device cabinet installed, in which the individual components, such as power supply, control, signal protection, I / O modules and lamp switch, mounted on a U-shaped frame are.
  • the control module essentially consists from a main processor, for example up to 48 signal groups controls, from memory modules and various interfaces.
  • a control device 10 comprises a core module 20 and a control module 30.
  • the switching takes place in the core module 20 21 of light signal generators 40 having signal groups and the continuous acquisition 22 of traffic data by detectors 50 instead.
  • Via the basic supply 24 of the core module 20 are intermediate times, minimum release times, offset times and Transition times can be specified.
  • the control module 30 is encapsulated, the only interfaces go to traffic-dependent Core module 20 of the control unit 10.
  • the control component 30 does not use the signal program memory of the Core module 20, but manages its own signal programs and only issues the corresponding switching commands.
  • the control module 30 comprises means 31 for processing the currently measured raw measured values of the detectors 50.
  • this Data preprocessing is cyclically shown in FIG 2 Means 23 for storing the raw measured values in the core module 20 queried.
  • the pipe readings may change then by special smoothing or averaging compacted.
  • Different types of measured values are available , such as count and time gap, are derived Sizes such as LOS values by linking the original Values calculated.
  • the replacement measured values can optionally be at the supply 60 of the control module 30 can be defined. It is also possible to have substitute values specific to different ones Specify day types and hour ranges.
  • the so prepared Measured values represent the traffic condition recorded at the node represents in the means shown in FIG 2 32 for storing processed measured values.
  • the control module 30 further comprises means 33 for deriving of traffic conditions characteristic of the node.
  • traffic conditions characteristic of the node are continuously statistics on the current traffic data created, with special calendar days, such as working days, Weekends and public holidays are taken into account. By the use of appropriately smoothed or averaged values are only medium to long-term statistics Trends captured. The inclusion of calendar dates is important to rare but important traffic conditions to be able to react adequately.
  • the maximum number of classes can be about the supply 60 of the control module 30 can be specified. For every Class is calculated a representative representative, the so-called characteristic traffic condition.
  • the determination of classes and their representatives is based on metrics, thus certain distance functions, the expression for special Performance criteria such as waiting times or installation lengths are.
  • the type of criteria can be used in care 60 of the control module 30 can be selected.
  • the characteristic Traffic conditions are stored in means 34.
  • the control module 30 further comprises means 35 for monitoring of changes in the characteristic traffic conditions.
  • the currently valid characteristic Traffic conditions with the newly calculated characteristic Compared traffic conditions and determines whether the new, if necessary drifted from the currently valid characteristic Traffic conditions beyond a certain, predeterminable level removed. If a threshold is exceeded, a is replaced new, drifted characteristic traffic condition the current valid representative for this class. To determine the Distance between two characteristic traffic conditions the same metrics as when clustering traffic conditions used.
  • the control module 30 also includes means 36 for calculation of signal programs, each on a saved characteristic traffic condition coordinated and assigned to this are. For every new, drifted characteristic Traffic condition is using an optimal signal program Using a "genetic algorithm" based on attributes a characteristic traffic condition, for example Counts or traffic densities, from the node topology and other additional information, such as directional priorities, Installation lengths and offset times, calculated. there is the optimization criterion, i.e. the objective function, freely definable. The maximum number of signal groups is in limited to sixteen in this embodiment.
  • the recalculated Signal program is stored in means 37 for Signal programs filed, it being the characteristic Traffic status to which it is tailored becomes.
  • the control module 30 comprises means 38 for determining the characteristic closest to the current traffic condition Traffic condition with assigned signal program.
  • Dependency of the online traffic conditions happens the selection of the appropriate signal program via the Determination of the closest characteristic traffic condition.
  • the same metrics are used to determine the distance like analyzing and clustering traffic conditions used.
  • unusual A free emergency signal program is available to be able to react to situations available at short notice depending on the situation can be overwritten and switched and in particular not the drift of the characteristic traffic conditions subject.
  • phase transitions determined which are the usual Take general conditions such as intermediate and offset times into account. For the calculation of the phase transitions, existing ones Routines of the core module 20 are used.
  • control module 30 comprises means 39 for executing a signal program. According to the currently active Signal programs become switching commands for the light signal transmitter every second 40 to the core module 20 of the control device 10 passed.
  • the control module 30 thus has its own Fixed time control with self-managed signal programs.
  • the method of controlling light signalers 40 on one 2 consists of the three cyclical sub-processes "Data preparation and clustering of traffic conditions" 70, "Monitoring the characteristic traffic conditions and signal program calculation "80 and” signal program selection and signal group circuit "90, which are the partially common local means 23 for storing raw measured values of the detectors 50, means 32 for storing processed measured values or traffic conditions, means 34 for storing more characteristic Traffic conditions and means 37 for storing the signal programs associated with characteristic traffic conditions use. Otherwise, the subprocesses work largely independent of each other.
  • Sub-process 70 begins in step 71 with the cyclical one Reading out the raw measured values from the memory 23.
  • these raw measured values are aggregated, i.e. smoothed and if necessary averaged over time, and linked. With failed or missing detectors 50, substitute values can be used become.
  • the measured values prepared in this way form the Traffic conditions with which the method works; you will be stored in the memory 32.
  • step 73 the room of traffic conditions according to a statistical distribution of traffic conditions in a fixed number of Classes divided. For each class, a representative is a so-called characteristic traffic condition.
  • step 74 the most recent characteristic Traffic conditions stored in memory 34 and there if necessary cyclically overwritten.
  • the memory 34 contains also the currently valid characteristic traffic conditions, on which the automatic signal program selection is currently active surgery.
  • the sub-process 80 begins in step 81 with the retrieval of the currently valid and the newly calculated characteristic Traffic conditions from the memory 34. Cyclical is in Step 82 checks whether there is a newly calculated characteristic Traffic condition beyond a threshold of the currently valid characteristic traffic condition away. When determining the mutual position of characteristic Traffic conditions becomes a predetermined metric applied as a measure of the distance. If the In step 83, the threshold value becomes the characteristic that was previously valid Traffic condition due to the newly calculated, drifted characteristic traffic condition replaced and im Memory 34 filed. Furthermore, in step 84, an on the signal program tailored to the new characteristic traffic condition calculated and associated with this in memory 37 filed.
  • Sub-process 90 starts in step 91 with the polling the current traffic condition from the memory 32.
  • step 92 the currently valid characteristic traffic condition retrieved from memory 34 to step 93 determine which of the valid characteristic traffic conditions the current traffic situation with regard to a predefined metric is closest.
  • step 94 decided whether a change in the characteristic traffic condition - either due to drift within the same Class or by changing class - based on the current Traffic condition. If so, step 95 will associated signal program loaded from memory 37 and in Step 96 a suitable phase transition for switching from previously active on the newly loaded signal program determined.
  • step 97 switching commands for the light signal transmitter 40 signal groups corresponding to the current signal plan or after the determined phase transition issued.
  • the collection of the stored signal programs constantly adapts to the current statistical distribution of the market values, whereby the control device according to the invention 10 self organized.

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Abstract

Mit einem Verfahren (70, 80, 90) zum Steuern von Lichtsignalgebern (40) an einem Knotenpunkt, wobei ein Verkehrszustand am Knotenpunkt zyklisch erfasst wird, ein auf den erfassten Verkehrszustand abgestimmtes Signalprogramm ausgewählt wird, und die Lichtsignalgeber (40) von dem ausgewählten Signalprogramm Schaltbefehle erhalten, bei dem aus den erfassten Verkehrszuständen für den Knotenpunkt charakteristische Verkehrszustände abgeleitet werden, jedem charakteristischen Verkehrszustand ein auf diesen abgestimmtes Signalprogramm zugeordnet wird, als Maß für die gegenseitige Lage zweier Verkehrszustände eine Metrik definiert wird, der bezüglich der definierten Metrik dem aktuellen Verkehrszustand nächstliegende charakteristische Verkehrszustand ermittelt wird, und das dem nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustand zugeordnete Signalprogramm zum Auslösen von Schaltbefehlen für die Lichtsignalgeber (40) ausgeführt wird, und mit einem Steuergerät (10) zur Durchführung des Verfahrens wird ein System zur lokalen Knotenpunktssteuerung bereitgestellt, welches eine größere Flexibilität bei Änderungen der Verkehrsverhältnisse als reine Festzeitsteuerungen und eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimalem Planungs- und Versorgungsaufwand und bei moderater Detektorausstattung (50) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern von Lichtsignalgebern an einem Knotenpunkt nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Verfahrens.
Der Verkehr auf Kreuzungen von Straßen, sogenannten Knotenpunkten, wird heute hauptsächlich durch Lichtsignalanlagen geregelt. Eine Lichtsignalanlage besteht aus einer Kombination von Lichtsignalgebern für die verschiedenen Zufahrten zum Knotenpunkt und den erforderlichen Betriebseinrichtungen zur Steuerung des Verkehrsablaufs. Ein Lichtsignalgeber in diesem Sinne ist ein Fernmeldegerät, das den Verkehrsteilnehmern sichtbare Signale übermittelt. In einem lokalen Steuergerät der Kreuzung läuft ein Signalprogramm ab, in dem die Signalzeiten der Lichtsignalanlage bezüglich Dauer und Zuordnung festgelegt sind. Hier unterscheidet man im wesentlichen festzeitgesteuerte und verkehrsabhängige Verfahren zum Steuern der Signalgeber an einem Knotenpunkt.
Bei der Festzeit-Signalsteuerung handelt es sich um eine Lichtsignalsteuerung mit festgelegten Signalzeiten ohne Einwirkungsmöglichkeit für den Verkehrsteilnehmer. Diese makroskopische Signalsteuerung basiert auf einer langfristigen Berücksichtigung des Verkehrszustandes am Knotenpunkt. Das Verfahren verwendet auf fixen Zeittabellen arbeitende Signalprogramme mit einer starren Tages- oder Wochenautomatik. Beim festzeitgesteuerten Einzelknoten sind die Schaltzeitpunkte zum Wechseln von Signalprogrammen also beispielsweise für den jeweiligen Wochentag eingestellt. Das Verfahren ist an sich einfach, es sind keine Detektoren zur laufenden Erfassung des Verkehrszustandes am Knoten notwendig. Festzeitgesteuerte Verfahren sind aufgrund ihres mittleren Planungsaufwands zwar relativ kostengünstig, sind aber weder kurz- noch langfristig flexibel bezüglich einer Veränderung der Verkehrsverhältnisse am Knotenpunkt, so dass immer wieder Nachplanungen erforderlich sind.
Demgegenüber stehen die verkehrsabhängigen Verfahren, bei welchen die Signalsteuerung mikroskopisch, also unter kurzfristiger Berücksichtigung des Verkehrszustandes am Knotenpunkt erfolgt. Während beim teilverkehrsabhängigen Verfahren die Lichtsignalanlage nach in einem Signalplan festgelegten Zeiten mit Umschaltung der Grün- bzw. Freigabezeiten einzelner weniger Signalgruppen abhängig von einzelnen eintreffenden Verkehrsteilnehmern gesteuert wird, erfolgt beim vollverkehrsabhängigen Verfahren die Einstellung aller Freigabezeiten an einer Lichtsignalanlage eines Knotenpunkts aufgrund von Messungen einzelner eintreffender Verkehrsteilnehmer. Diese komplexen Verfahren, wie z.B. die Phasensteuerung mit dezentraler Modifikation, Rahmenphasenpläne oder Flussdiagramme, erfordern eine aufwendige automatische Erfassung von Verkehrszuständen oder Zustandsänderungen mit oft mehreren Detektoren, wie z.B. Induktionsschleifen, Infrarotsensoren oder Radardetektoren, pro Kreuzungszufahrt. Dadurch sind diese Steuerverfahren kurzfristig sehr flexibel, weisen langfristig allerdings nur eine mittlere Flexibilität auf, so dass Nachplanungen erforderlich werden. Insgesamt sind verkehrsabhängige Verfahren kostenintensiv und bringen einen großen Planungsaufwand mit sich.
Aus der DE 44 36 339 A1 ist ein Verfahren zur verkehrsadaptiven Steuerung einer Verkehrsampelanlage bekannt, die von Sensoren zur Verkehrserfassung im Kreuzungsbereich gelieferte Daten verarbeitet. Das Verfahren verwendet außer zur Verkehrssicherheit nötige Prinzipien keine vorgefertigten Modelle oder Algorithmen, sondern es erlernt die günstigsten Methoden zur Verkehrsstromregelung aller für die Kreuzung typischen Verkehrssituationen, speichert diese und wendet sie an, um somit in Abhängigkeit von zeitlichen Schwankungen des Verkehrsaufkommens die Grünphasen dem Verkehrsstrom anzupassen.
Zum Steuern wird ein sogenanntes Feed-Forward-Netz gewählt, das mittels Reinforcement-Learning trainiert wird. Die aus den Sensor-Messdaten gewonnenen Signale werden dabei an die Netzeingänge gelegt, so dass sie während eines Entscheidungszyklus, in dem jedes Neuron des Netzes seinen Ausgangswert aus seinem mit Synapsen versehenen Eingängen ermittelt, an den Netzausgängen in verarbeiteter Form zur Ansteuerung der Signalgruppen zur Verfügung stehen. Der sich aus den auf diese Weise geschalteten Signalgruppen ergebende Verkehrsstrom wird bewertet, in dem eine reelle Zahl berechnet wird, die umso größer ist, je mehr Fahrzeuge die Kreuzung passieren und je weniger Fahrzeuge an der Haltelinie warten. Während eines Lernzyklus wird dann diese reelle Zahl in geeignete Änderungen der Gewichte in den Synapsen umgesetzt, so dass sich nach vielen Abfolgen von Entscheidungs- und Lernzyklen die reelle Zahl auf einen größtmöglichen Wert einstellt, der der günstigsten Verkehrsstromregelung entspricht. Mit der Verkomplizierung des Verkehrsknotens steigt der Zeitaufwand zum Vorabtraining des neuronalen Netzes an. Zur Erhöhung der Lerngeschwindigkeit sind außer je einem Sensor an der Haltelinie für jede Fahrbahn zusätzliche Sensoren in gewissen Abständen vor den Haltelinien erforderlich.
Die US 3,818,429 offenbart ein Verkehrsleitsystem, bestehend aus Steuerungsverfahren und -gerät, zum Auswählen eines bestimmten Programms für die Steuerung von Lichtsignalgebern an einer oder mehrerer aufeinander folgender Kreuzungen aus einer Vielzahl von vorab auf Lochstreifen gespeicherten Programmen. Das Steuerungsgerät des Verkehrsleitsystems ist mit Kreuzungsgeräten zur Steuerung der Lichtsignalgeber sowie mit Fahrzeugdetektoren zur Erfassung der Verkehrsbedingungen an den jeweiligen Kreuzungen verbunden. In Zyklen wird durch eine elektronische Berechnung und Analyse der aktuellen Verkehrsbedingungen das optimale Programm ausgewählt. Aus den Signalen der Fahrzeugdetektoren werden dazu gemittelte Werte verschiedener dynamischer Verkehrsparameter, wie Dichte, Geschwindigkeit und Volumen des Verkehrs, berechnet. Unterschiedliche Verkehrsaufkommen werden bestimmten vorausgewählten Bereichen der Verkehrsparameter zugeordnet und es wird bestimmt, in welchem Parameterbereich das aktuelle Verkehrsaufkommen liegt. Die Auswahl eines Programms kann durch gezielte Programmierung des Steuergeräts auch nach Tageszeit und Wochentag erfolgen. Unter einem Programm wird dabei ein Datenblock von Zeitdauern verstanden, die während eines Zyklus die Schaltzeitpunkte für die Lichtsignalgeber festlegen. Wird in einem laufenden Zyklus der aktuelle Parameterbereich verlassen, so wird im folgenden Zyklus ein neues, auf die aktuellen Verkehrsbedingungen abgestimmtes Programm aktiviert.
Neben den genannten Nachteilen leiden die bekannten Steuerungen unter einem erheblichen Versorgungs- und Testaufwand seitens des Verkehrsplaners bzw. Inbetriebsetzers und erfordern Nachplanungen aufgrund von oft grundlegenden Änderungen der Verkehrsverhältnisse im Laufe von Monaten oder Jahren. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur lokalen Knotenpunktsteuerung bereitzustellen, welches eine größere Flexibilität bei Änderungen der Verkehrsverhältnisse als reine Festzeitsteuerungen aufweist und gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimalem Planungs- und Versorgungsaufwand sowie bei moderater Detektorausstattung zeigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen und durch ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 7. Indem bei einem gattungsgemäßen Verfahren aus den erfassten Verkehrszuständen für den Knotenpunkt charakteristische Verkehrszustände abgeleitet werden, jedem charakteristischen Verkehrszustand ein auf dieses abgestimmtes Signalprogramm zugeordnet wird, als Maß für die gegenseitige Lage zweier Verkehrszustände eine Metrik definiert wird, der bezüglich der definierten Metrik dem aktuellen Verkehrszustand nächstliegende charakteristische Verkehrszustand ermittelt wird, und das dem nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustand zugeordnete Signalprogramm zum Abgeben von Schaltbefehlen für die Lichtsignalgeber ausgeführt wird, beschränkt sich der Planungs- und Versorgungsaufwand auf die Angabe von Basisdaten, wie die Knotentopologie, Hauptrichtungen, Signalgruppendefinition, Mindestgrünund Übergangszeiten, Zwischenzeiten und Aufstelllängen, und einiger Rahmenbedingungen, wie Prioritäten und Optimierungskriterien. Mit Hilfe der automatischen Auswahl eines auf die aktuelle Verkehrssituation abgestimmten Signalprogramms kann sich das Verfahren auf einer kurzfristigen Zeitskala an wechselnde Verkehrsbedingungen anpassen. Dadurch weist das erfindungsgemäße Verfahren eine deutlich größere Flexibilität als festzeitgesteuerte Verfahren auf und zwar bei verhältnismäßig einfacher Detektion der Verkehrszustände in Form einfacher Zählwerte. Darüber hinaus reduziert sich der verkehrstechnische Wartungsaufwand, da das erfindungsgemäße Verfahren sich selbständig an wechselnde Rahmenbedingungen anpasst.
Indem nach jeder Erfassung des aktuellen Verkehrszustandes eine statische Verteilung aller erfassten Verkehrszustände gebildet wird, entsprechend der statistischen Verteilung die Verkehrszustände zu Klassen zusammengefasst werden, und für jede Klasse von Verkehrszuständen ein charakteristischer Verkehrszustand als ihr Repräsentant ermittelt wird, wird die Vielfalt an einem Knotenpunkt auftretender Verkehrszustände entsprechend der Häufigkeit ihres Auftretens und ihrer Verteilung im Raum aller Verkehrszustände klassifiziert. Mit Hilfe der Metrik als Maß für die gegenseitige Lage zweier Verkehrszustände kann innerhalb einer Klasse von Verkehrszuständen ein charakteristischer Verkehrszustand, beispielsweise als Schwer- oder Häufungspunkt berechnet werden. Durch diese Clusterung wird die Vielfalt der an einem Knotenpunkt auftretenden Verkehrszustände auf eine sinnvoll begrenzte Anzahl von typischerweise auftretenden Verkehrszuständen, den charakteristischen Verkehrszuständen, begrenzt. Diese schränkt wiederum die Anzahl an zu speichernden, auf die charakteristischen Verkehrszustände abgestimmten Signalprogrammen ein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abstand zwischen einem neu ermittelten charakteristischen Verkehrszustand einer Klasse von Verkehrszuständen und dem aktuell gültigen charakteristischen Verkehrszustand dieser Klasse bestimmt, bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für den Abstand der aktuell gültige charakteristische Verkehrszustand durch den neu ermittelten charakteristischen Verkehrszustand für diese Klasse ersetzt, und ein dem neu ermittelten charakteristischen Verkehrszustand zugeordnetes Signalprogramm berechnet. Hierdurch wird zeitlichen Schwankungen der statischen Verteilung der Verkehrszustände Rechnung getragen, mit der eine Bewegung bzw. ein Driften der charakteristischen Verkehrszustände einhergeht. Wenn der charakteristische Verkehrszustand einer Klasse zu stark abdriftet, wird ein neuer charakteristischer Verkehrszustand für diese Klasse ermittelt und ein auf diesen abgestimmtes Signalprogramm berechnet. Dadurch steht ein Verfahren zur Verfügung, welches sich auf einer mittel- bis langfristigen Zeitskala an wechselnde Verkehrsbedingungen anpasst. Durch die integrierte Signalprogrammberechnung gewinnt man eine nicht alternde Steuerung hoher Flexibilität und Leistungsfähigkeit, da stets ein optimal abgestimmter Satz an Signalprogrammen zur Verfügung steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Wechsel des charakteristischen Verkehrszustandes ein Umschaltvorgang vom bislang ausgeführten Signalprogramm zum aktuell auszuführenden Signalprogramm bestimmt. Solange sich der aktuelle Verkehrszustand bei seiner zyklischen Erfassung nicht oder nur wenig ändert, bleibt der charakteristische Verkehrszustand erhalten und damit das ihm zugeordnete Signalprogramm aktiv. Ergibt sich jedoch aufgrund einer Verschiebung der statischen Verteilung ein neuer charakteristischer Verkehrszustand oder ist aufgrund einer aktuellen Veränderung des Verkehrszustandes der charakteristische Verkehrszustand einer anderen Klasse naheliegender, so ist nach dem Zykluswechsel ein neues Signalprogramm auszuführen.
Damit bei diesem Umschaltvorgang keine verkehrsgefährdenden Signalzustände auftreten, wird ein stetiger Phasenübergang zwischen den sich abwechselnden Signalprogrammen bestimmt und ausgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden fortlaufend Verkehrsdaten des Knotenpunktes durch Detektoren in Form von Rohmesswerten erfasst, die erfassten Rohmesswerte zyklisch abgefragt und durch Mittelung oder Glättung aufbereitet, im Falle fehlender Messwerte Ersatzwerte verwendet, und aus den aufbereiteten und gegebenenfalls ersetzten Messwerten der aktuelle Verkehrszustand abgeleitet. Hierdurch werden aus den kontinuierlich erfassten Rohmesswerten der Detektoren sinnvoll verwertbare Messwerte gewonnen, die dem Verfahren zyklisch einen aktuellen Verkehrszustand am zu regelnden Knotenpunkt auch bei einem möglichen Ausfall von Detektoren zur Verfügung stellt.
Das erfindungsgemäße System zum Steuern von Lichtsignalgebern an einem Knotenpunkt umfasst auch ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 6 genannten Merkmalen. Zu Vorteilen und weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Steuergerätes wird auf die Unteransprüche 7 bis 9 sowie auf die nachfolgende Beschreibung der Zeichnungen verwiesen, in deren
FIG 1
die Module und Mittel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes und in
FIG 2
die Teilprozesse und einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens
schematisch anhand von Flussdiagrammen dargestellt sind.
An sich bekannte Verkehrssteuergeräte sind typischerweise in einem Geräteschrank eingebaut, worin die einzelnen Komponenten, wie Stromversorgung, Steuerung, Signalsicherung, I/O-Module und Lampenschalter, auf einem U-förmigen Rahmen montiert sind. Die Steuerungsbaugruppe besteht im wesentlichen aus einem Hauptprozessor, der beispielsweise bis zu 48 Signalgruppen steuert, aus Speichermodulen und diversen Schnittstellen.
Ein Steuergerät 10 umfasst gemäß FIG 1 ein Kernmodul 20 und ein Steuerungsmodul 30. Im Kernmodul 20 findet das Schalten 21 von Lichtsignalgeber 40 aufweisenden Signalgruppen sowie das fortwährende Erfassen 22 von Verkehrsdaten durch Detektoren 50 statt. Über die Basisversorgung 24 des Kernmoduls 20 sind Zwischenzeiten, Mindestfreigabezeiten, Versatzzeiten und Übergangszeiten vorgebbar. Das Steuerungsmodul 30 ist gekapselt, die einzigen Schnittstellen gehen zum verkehrsabhängigen Kernmodul 20 des Steuergerätes 10. Die Steuerungskomponente 30 nutzt dabei nicht die Signalprogrammspeicher des Kernmoduls 20, sondern verwaltet seine eigenen Signalprogramme und setzt lediglich die entsprechenden Schaltbefehle ab.
Das Steuerungsmodul 30 umfasst Mittel 31 zum Aufbereiten der aktuell erfassten Rohmesswerte der Detektoren 50 auf. In dieser Datenvorverarbeitung werden zyklisch die in FIG 2 dargestellten Mittel 23 zum Speichern der Rohmesswerte im Kernmodul 20 abgefragt. Die Rohrmesswerte werden unter Umständen anschließend durch besondere Glättungen oder Mittelwertbildungen verdichtet. Falls verschiedenartige Messwerttypen verfügbar sind, etwa Zählung und Zeitlücke, werden abgeleitete Größen wie z.B. LOS-Werte durch Verknüpfung der ursprünglichen Werte berechnet. Im Falle fehlender oder ausgefallener Detektoren 50 werden anstelle der originalen Messwerte Ersatzwerte verwendet. Die Ersatzmesswerte können optional bei der Versorgung 60 des Steuerungsmoduls 30 definiert werden. Es ist auch möglich, Ersatzwerte spezifisch für verschiedene Tagestypen und Stundenbereiche anzugeben. Die derart aufbereiteten Messwerte stellen den am Knotenpunkt erfassten Verkehrszustand dar, der in den in FIG 2 dargestellten Mitteln 32 zum Speichern aufbereiteter Messwerte abgelegt wird.
Das Steuerungsmodul 30 umfasst ferner Mittel 33 zum Ableiten von für den Knotenpunkt charakteristischen Verkehrszuständen. Hier werden fortlaufend Statistiken über die aktuellen Verkehrsdaten erstellt, wobei spezielle Kalendertage, wie Werktage, Wochenenden und Feiertage, berücksichtigt werden. Durch die Verwendung entsprechend geglättet bzw. gemittelter Werte werden über die Statistiken nur mittel- bis langfristige Trends erfasst. Die Einbeziehung von Kalenderdaten ist wichtig, um auf selten vorkommende, aber wichtige Verkehrszustände adäquat reagieren zu können. Mit Hilfe eines Cluster-Verfahrens wird auf Basis der Statistiken der gesamte Raum der möglichen Verkehrszustände in disjunkte Klassen eingeteilt. Die maximale Anzahl der Klassen kann über die Versorgung 60 des Steuerungsmoduls 30 vorgegeben werden. Für jede Klasse wird ein repräsentativer Vertreter berechnet, der sogenannte charakteristische Verkehrszustand. Die Bestimmung der Klassen und ihrer Repräsentanten basiert auf Metriken, also bestimmten Abstandsfunktionen, die Ausdruck für spezielle Leistungsfähigkeitskriterien wie Wartezeiten oder Aufstelllängen sind. Die Art der Kriterien kann in der Versorgung 60 des Steuerungsmoduls 30 angewählt werden. Die charakteristischen Verkehrszustände werden in Mitteln 34 abgespeichert.
Weiterhin umfasst das Steuerungsmodul 30 Mittel 35 zum Überwachen von Änderungen der charakteristischen Verkehrszustände. Es werden jeweils die aktuell gültigen charakteristischen Verkehrszustände mit den neu berechneten charakteristischen Verkehrszuständen verglichen und bestimmt, ob sich die neuen, ggf. gedrifteten, von den aktuell gültigen charakteristischen Verkehrszuständen über ein bestimmtes, vorgebbares Maß hinaus entfernt haben. Bei Überschreitung einer Schwelle ersetzt ein neuer, gedrifteter charakteristischer Verkehrszustand den aktuell gültigen Vertreter für diese Klasse. Zur Bestimmung der Entfernung zweier charakteristischer Verkehrszustände werden die gleichen Metriken wie beim Clustern der Verkehrszustände verwendet.
Das Steuerungsmodul 30 umfasst außerdem Mittel 36 zum Berechnen von Signalprogrammen, welche je auf einen gespeicherten charakteristischen Verkehrszustand abgestimmt und diesem zugeordnet sind. Für jeden neuen, gedrifteten charakteristischen Verkehrszustand wird ein optimales Signalprogramm mit Hilfe eines "genetischen Algorithmus" auf der Basis von Attributen eines charakteristischen Verkehrszustandes, beispielsweise Zählwerte oder Verkehrsdichten, von der Knotentopologie und von weiteren Zusatzinformationen, wie Richtungsprioritäten, Aufstelllängen und Versatzzeiten, berechnet. Dabei ist das Optimierungskriterium, also die Zielfunktion, frei vorgebbar. Die maximale Anzahl an Signalgruppen ist in diesem Ausführungsbeispiel auf sechzehn begrenzt. Das neu berechnete Signalprogramm wird in Mitteln 37 zum Speichern von Signalprogrammen abgelegt, wobei es dem charakteristischen Verkehrszustand, auf den es zugeschnitten ist, zugeordnet wird.
Das Steuerungsmodul 30 umfasst Mittel 38 zum Bestimmen des dem aktuellen Verkehrszustandes nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustandes mit zugeordnetem Signalprogramm. In Abhängigkeit der online erfassten Verkehrszustände geschieht die Auswahl des jeweils passenden Signalprogramms über die Bestimmung des nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustandes. Zur Entfernungsbestimmung werden die gleichen Metriken wie beim Analysieren und Clustern der Verkehrszustände verwendet. Um kurzfristig auf besonders extreme, ausgefallene Situationen reagieren zu können, steht ein freies Notfall-Signalprogramm zur Verfügung, welches je nach Situation kurzfristig überschrieben und geschaltet werden kann und insbesondere nicht dem Drift der charakteristischen Verkehrszustände unterliegt. Im Falle eines Signalprogrammwechsels werden entsprechende Phasenübergänge bestimmt, die die üblichen Rahmenbedingungen, wie Zwischen- und Versatzzeiten, berücksichtigen. Für die Berechnung der Phasenübergänge werden vorhandene Routinen des Kernmoduls 20 genutzt.
Schließlich umfasst das Steuerungsmodul 30 Mittel 39 zum Ausführen eines Signalprogramms. Entsprechend dem gerade aktiven Signalprogramm werden sekündlich Schaltbefehle für die Lichtsignalgeber 40 an das Kernmodul 20 des Steuerungsgeräts 10 weitergegeben. Damit besitzt das Steuerungsmodul 30 seine eigene Festzeitsteuerung mit eigenverwalteten Signalprogrammen.
Das Verfahren zum Steuern von Lichtsignalgebern 40 an einem Knotenpunkt besteht gemäß FIG 2 aus den drei zyklischen Teilprozessen "Datenaufbereitung und Clustern der Verkehrszustände" 70, "Überwachung der charakteristischen Verkehrszustände und Signalprogrammberechnung" 80 und "Signalprogrammauswahl und Signalgruppenschaltung" 90, die die teilweise gemeinsamen lokalen Mittel 23 zum Speichern von Rohmesswerten der Detektoren 50, Mittel 32 zum Speichern aufbereiteter Messwerte bzw. Verkehrszustände, Mittel 34 zum Speichern charakteristischer Verkehrszustände sowie Mittel 37 zum Speichern von den charakteristischen Verkehrszuständen zugeordneten Signalprogrammen nutzen. Ansonsten arbeiten die Teilprozesse aber weitgehend unabhängig voneinander.
Der Teilprozess 70 beginnt im Schritt 71 mit dem zyklischen Auslesen der Rohmesswerte aus dem Speicher 23. Im Schritt 72 werden diese Rohmesswerte aggregiert, d.h. geglättet und gegebenenfalls zeitlich gemittelt, und verknüpft. Bei ausgefallenen oder fehlenden Detektoren 50 können Ersatzwerte verwendet werden. Die derart aufbereiteten Messwerte bilden die Verkehrszustände, mit denen das Verfahren arbeitet; sie werden in den Speicher 32 abgelegt. In Schritt 73 wird der Raum der Verkehrszustände entsprechend einer statistischen Verteilung der Verkehrszustände in eine festgelegte Anzahl von Klassen eingeteilt. Für jede Klasse wird ein Repräsentant, ein sogenannter charakteristischer Verkehrszustand, berechnet. In Schritt 74 werden die jeweils neuesten charakteristischen Verkehrszustände im Speicher 34 abgelegt und dort gegebenenfalls zyklisch überschrieben. Der Speicher 34 enthält außerdem die gerade gültigen charakteristischen Verkehrszustände, auf denen die automatische Signalprogrammauswahl aktuell operiert.
Der Teilprozess 80 beginnt im Schritt 81 mit dem Abrufen der aktuell gültigen und der neu berechneten charakteristischen Verkehrszustände aus dem Speicher 34. Zyklisch wird in Schritt 82 überprüft, ob sich ein neu berechneter charakteristischer Verkehrszustand über einen Schwellenwert hinaus von dem aktuell gültigen charakteristischen Verkehrszustand entfernt. Bei der Bestimmung der gegenseitigen Lage von charakteristischen Verkehrszuständen wird eine vorgegebene Metrik als Maß für den Abstand angewendet. Bei Überschreiten des Schwellenwertes wird in Schritt 83 der bisher gültige charakteristische Verkehrszustand durch den neu berechneten, gedrifteten charakteristischen Verkehrszustand ersetzt und im Speicher 34 abgelegt. Ferner wird in Schritt 84 ein auf den neuen charakteristischen Verkehrszustand zugeschnittenes Signalprogramm berechnet und unter Zuordnung zu diesem im Speicher 37 abgelegt.
Teilprozess 90 startet in Schritt 91 zyklisch mit dem Abrufen des aktuellen Verkehrszustandes aus dem Speicher 32. Weiter in Schritt 92 wird der aktuell gültige charakteristische Verkehrszustand aus dem Speicher 34 abgerufen, um in Schritt 93 festzustellen, welcher der gültigen charakteristischen Verkehrszustände dem aktuellen Verkehrszustand bezüglich einer vorgegebenen Metrik am nächsten liegt. In Schritt 94 wird entschieden, ob ein Wechsel des charakteristischen Verkehrszustandes - bedingt entweder durch Drift innerhalb derselben Klasse oder durch Klassenwechsel - aufgrund des aktuellen Verkehrszustands vorliegt. Wenn ja, wird in Schritt 95 das zugehörige Signalprogramm aus dem Speicher 37 geladen und in Schritt 96 ein passender Phasenübergang zum Umschalten vom bisher aktiven auf das neu geladene Signalprogramm bestimmt. Schließlich werden in Schritt 97 Schaltbefehle für die Lichtsignalgeber 40 aufweisenden Signalgruppen entsprechend dem aktuellen Signalplan oder nach dem bestimmten Phasenübergang abgegeben. Die Kollektion der gespeicherten Signalprogramme passt sich ständig an die aktuelle statistische Verteilung der Verkehrswerte an, wodurch sich das erfindungsgemäße Steuergerät 10 selbst organisiert.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Steuern von Lichtsignalgebern (40) an einem Knotenpunkt, wobei
    ein Verkehrszustand am Knotenpunkt zyklisch erfasst wird,
    ein auf den erfassten Verkehrszustand abgestimmtes Signalprogramm ausgewählt wird,
    und die Lichtsignalgeber (40) von dem ausgewählten Signalprogramm Schaltbefehle erhalten,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus den erfassten Verkehrszuständen für den Knotenpunkt charakteristische Verkehrszustände abgeleitet werden,
    jedem charakteristischer Verkehrszustände ein auf diesen abgestimmtes Signalprogramm zugeordnet wird,
    als Maß für die gegenseitige Lage zweier Verkehrszustände eine Metrik definiert wird,
    der bezüglich der definierten Metrik dem aktuellen Verkehrszustand nächstliegende charakteristische Verkehrszustand ermittelt wird,
    und das dem nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustand zugeordnete Signalprogramm zum Abgeben von Schaltbefehlen für die Lichtsignalgeber (40) ausgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach jeder Erfassung des aktuellen Verkehrszustandes eine statistische Verteilung aller erfassten Verkehrszustände gebildet wird,
    entsprechend der statistischen Verteilung die Verkehrszustände zu Klassen zusammengefasst werden,
    und für jede Klasse von Verkehrszuständen ein charakteristischer Verkehrszustand als ihr Repräsentant ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand zwischen einem neu ermittelten charakteristischer Verkehrszustand einer Klasse von Verkehrszuständen und dem aktuell gültigen charakteristischen Verkehrszustand dieser Klasse bestimmt wird,
    bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes für den Abstand der aktuell gültige charakteristischer Verkehrszustand durch den neu ermittelten charakteristischen Verkehrszustand für diese Klasse ersetzt wird,
    und ein dem neu ermittelten charakteristischen Verkehrszustand zugeordnetes Signalprogramm berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel des charakteristischen Verkehrszustandes ein Umschaltvorgang vom bislang ausgeführten Signalprogramm zum aktuell auszuführenden Signalprogramm bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    fortlaufend Verkehrsdaten des Knotenpunktes durch Detektoren (50) in Form von Rohmesswerten erfasst werden,
    die erfassten Rohmesswerte zyklisch abgefragt und durch Mittelung oder Glättung aufbereitet werden,
    im Falle fehlender Messwerte Ersatzwerte verwendet werden,
    und aus den aufbereiteten und gegebenenfalls ersetzten Messwerten der aktuelle Verkehrszustand abgeleitet wird.
  6. Steuergerät (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit
    Mitteln (32) zum Speichern von an einem Knotenpunkt erfassten Verkehrszuständen
    und Mitteln (39) zum Ausführen eines Signalprogramm, welches zur Abgabe von Schaltbefehlen an die Lichtsignalgeber (40) ausgebildet ist,
    gekennzeichnet durch
    Mittel (33) zum Ableiten von für den Knotenpunkt charakteristischern Verkehrszuständen aus den gespeicherten Verkehrszuständen,
    Mittel (34) zum Speichern der abgeleiteten charakteristischen Verkehrszustände,
    Mittel (36) zum Berechnen von Signalprogrammen, welche je auf einen gespeicherten charakteristischen Verkehrszustand abgestimmt und diesem zugeordnet sind,
    Mittel (37) zum Speichern von den charakteristischen Verkehrszuständen zugeordneten Signalprogrammen,
    und Mittel (38) zum Bestimmen des dem aktuellen Verkehrszustand nächstliegenden charakteristischen Verkehrszustandes mit zugeordnetem Signalprogramm,
  7. Steuergerät nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (33) zum Ableiten von für den Knotenpunkt charakteristischen Verkehrszuständen
    Mittel zum Bilden einer statistischen Verteilung der erfassten Verkehrszustände,
    Mittel zum Zusammenfassen der Verkehrszustände zu Klassen entsprechend der statistischen Verteilung,
    und Mittel zum Ermitteln eines charakteristischen Verkehrszustandes als Repräsentant für eine Klasse von Verkehrszuständen
    aufweisen.
  8. Steuergerät nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Mittel (35) zum Überwachen der gegenseitigen Lage je zweier charakteristischer Verkehrszustände aufweist, wobei der Abstand der beiden charakteristischen Verkehrszustände mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird.
  9. Steuergerät nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Mittel (31) zum Aufbereiten der aktuell erfassten Detektor-Rohmesswerte aufweist, wobei die aufbereiteten Messwerte den am Knotenpunkt erfassten Verkehrszustand darstellen.
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