Navigation für bessere Straßenauslastung

Kollaborative Navigation verspricht, möglichst staufreie Strecken vorzuschlagen und dabei Straßen gleichmäßig auszulasten. Der Dienst NUNAV wertet dafür alle Fahrdaten ­anonym aus und schlägt bei ­gleichen Anfragen unterschiedliche Routen vor. Das soll zu ­kürzeren Fahrzeiten führen. In Niedersachsen nutzen auch Verkehrsplaner dieses Know-how.

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 Systeme für Navigation 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 Experten für Navigation 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.

Kollaborative Navigation für 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. 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 Strategie bei der Navigation 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. 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.

Bewusst kein Google bei der Navigation

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 System speichere für die Navigation 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)

Teile dieses Beitrages wurden erstmals veröffentlicht auf Heise Online, heise online ist eine seit 1996 bestehende Nachrichten-Website des Heise-Zeitschriften-Verlags.