FRIEDRICH-SCHILLER-UNIVERSITÄT JENA JENAER SCHRIFTEN MATHEMATIK UND INFORMATIK - ZUR

FRIEDRICH-SCHILLER-
UNIVERSITÄT JENA

 JENAER SCHRIFTEN
 ZUR

 MATHEMATIK UND INFORMATIK
 Eingang: 07.11.2013 Math/Inf/06/2013 Als Manuskript gedruckt

 Clustered Swarm - Gemeinsam gegen den Stau
 Christian Stolcis

Clustered Swarm
Gemeinsam gegen den Stau – Eine erste Einführung

 Christian Stolcis
 christian.stolcis@uni-jena.de

 Friedrich Schiller Universität Jena,
 Fakultät für Informatik

 “The best for the Group comes when everyone in the group does what's best for
 himself AND the group.”

 John Nash

Inhaltsverzeichnis

1. Abstract ........................................................................................................................................... 3
2. Einleitung ......................................................................................................................................... 4
3. Das lokale Optimum ........................................................................................................................ 6
4. Das globale Optimum finden ........................................................................................................... 8
5. Einsatzszenarien ............................................................................................................................ 12
 5.1. Szenarien ............................................................................................................................... 12
 5.1.1. Szenario Stadt ................................................................................................................ 12
 5.1.2. Szenario Autobahn (Fernverkehrsverbindungen) ......................................................... 13
 5.1.3. Szenario Bundesstraße, Landstraße (Überlandverbindungen) ..................................... 13
 5.2. Lösungsstrategien.................................................................................................................. 14
6. IT-basierte Ziellösung .................................................................................................................... 16
 6.1. Client-Server .......................................................................................................................... 17
 6.2. Peer 2 Peer ............................................................................................................................ 19
 6.3. Clustered Swarm ................................................................................................................... 20
7. Zusammenfassung & Ausblick ....................................................................................................... 23
8. Literaturverzeichnis ....................................................................................................................... 26

 2

Abstract

 1. Abstract

Stau. Ein Phänomen welches eines der größten und zugleich interessantesten Probleme des 21.
Jahrhunderts darstellt und dem Steuerzahler jährlich nicht nur Milliarden 1 Euro sondern auch Nerven
und Zeit kostet. Lösungsideen und -Ansätze gibt es seit es den Stau selbst gibt, aber keine der
Maßnahmen brachte bisher den durchschlagenden Erfolg. Aktuelle Entwicklungen und Fortschritte
im Bereich der mobilen Datenkommunikation, welche in den nächsten Jahren Einzug in jedes
moderne Fahrzeug halten werden [2], eröffnen ganz neue Perspektiven im Kampf gegen den Stau
und den befürchteten Verkehrsinfarkt. Dieses Paper stellt ein Konzept vor, welches das Ziel einer
globalen Optimierung zur verbesserten Routenführung aktueller Navigationssysteme verfolgt und
dadurch eine potentielle Lösung für das Stauproblem darstellt.

1
 Um genau zu sein 7,8 Milliarden Euro pro Jahr (Stand 10.12.2012) [1]
 3

Einleitung

 2. Einleitung

Aktuelle Navigationssysteme der 2. Generation bieten eine Vielzahl von Funktionalitäten, welche
weit über eine einfache Routenführung hinausgehen. So bieten viele Navigationssysteme Sicherheits-
und Fahr-unterstützende Funktionen wie z.B. Kurvenwarner, Fahrspurassistent,
Geschwindigkeitsassistent, Straßenschilderassistenten, text-to-speech uvm. und ermöglichen zur
besseren Orientierung eine 3D- Darstellung der Karte von Städten und Landschaften (z.B. Navigon
Services [3]). Neben der Routenführung, stellt seit jeher die Routenberechnung eine der
Hauptfunktionalitäten eines Navigationssystems dar, auf Basis welcher eine Routenführung
überhaupt erst ermöglicht wird. Auch in diesem Bereich bieten moderne Navigationssysteme bereits
erweiterte Funktionalitäten. So beziehen viele Hersteller nicht mehr nur das Fahrzeugprofil in die
Routenberechnung mit ein, sondern berücksichtigen auch persönliche Vorlieben der Fahrer
(Bundestraßen, Autobahnen, schönste Strecke usw.) [4] sowie Uhrzeitprofile, welche die Staugefahr
bzw. Verkehrsauslastung pro Streckenabschnitt, Datum und Uhrzeit anhand von Erfahrungswerten
definieren [5]. Besonders die genannten Zeitprofile bieten bereits eine gute Möglichkeit, das
erwartete Verkehrsaufkommen bei der Routenberechnung zu berücksichtigen und Fahrer um
mögliche Staus zu leiten. Erweitert wird dies durch die Einbeziehung von Informationen über die
aktuelle Verkehrslage, was eine Neuberechnung der Route ermöglicht, sollte dies auf Grund des
Verkehrsaufkommens nötig bzw. von Vorteil sein. Dabei spielt besonders die Aktualität und Qualität
der Meldungen eine große Rolle, da sich diese direkt auf die Güte der neu berechneten Route bzw.
die Entscheidung für eine Neuberechnung auswirkt. Konnte die Aktualität und Qualität der
Meldungen über das herkömmliche TMC (Traffic Message Channel) [6] bedingt durch die Aufnahme
der Informationen über Polizei und Anrufermeldungen nicht immer gewährleistet werden, so wurde
diese durch die Einführung von automatischen Datenerfassungssystemen wie z.B. FCD (Floating Car
Data) [7] und die Nutzung von Sensoren im Straßennetz deutlich verbessert.

Aber auch die Art und Weise wie die Verkehrsinformationen auf das Navigationsgerät gelangen spielt
eine große Rolle für die Qualität. So wird TMC sowie das neuere TMCpro im nichthörbaren Bereich
des UKW- Signals verbreitet, worüber nur eine geringe Bandbreite möglich ist (TMC: ca. 37 Bit/Sek,
TMCpro: ca. 100 Bit/Sek) [8]. Dieser Nachteil wird bereits seit Jahren durch die Nutzung des
Mobilfunknetzes über GPRS bzw. UMTS umgangen. So bieten fast alle großen Navigationsgeräte-
Hersteller sog. Traffic-Live-Dienste an (z.B. TomTom HD Traffic, Navigon Traffic Live) welche nicht
zuletzt durch die immer besser ausgebauten Handynetze und das dadurch immer und überall
verfügbare Internet schnellere und häufigere Updates von Verkehrsinformationen ermöglichen.

Moderne Navigationssysteme bieten also bereits eine dynamische Zielführung, welche die aktuelle
Verkehrssituation in die Routenberechnung einbeziehen und bei Bedarf Ausweichrouten berechnen.
Dabei werden jedoch weitere wichtige Aspekte des allgemeinen Straßenverkehrs außer Acht
gelassen, wodurch Staus und stockender Verkehr entstehen und teilweise gefördert werden. Diese
noch vorhandenen Defizite aktueller Herangehensweisen bei der Fahrzeugnavigation sowie
allgemeinen Stauprävention werden im weiteren Verlauf des Papers aufgezeigt. Auf Basis der
existierenden Defizite wird anschließend ein Konzept vorgestellt, welches eine globale Optimierung
des Straßenverkehrs zum Ziel hat. Hierdurch soll den vorhandenen Defiziten bei der Staubekämpfung
sowie Routenführung entgegengewirkt werden. Dabei werden zunächst die Kernidee sowie anhand
von Szenarien, die für die Umsetzung der globalen Optimierung erforderlichen Strategien vorgestellt.
 4

Einleitung

Abschließend werden drei technische Umsetzungsmöglichkeiten aufgeführt, welche sowohl
etablierte Architekturen technischer Systeme betrachten, als auch neuartige Algorithmen aus dem
Bereich der Schwarmintelligenz berücksichtigen, um die globale Optimierung im vorgestellten
Umfang auf den allgemeinen Straßenverkehr anwenden zu können.

 5

Das lokale Optimum

 3. Das lokale Optimum

Dem Ansatz der dynamischen Zielführung durch Einbeziehen der aktuellen Verkehrssituation in die
Routenberechnung liegt ohne Zweifel eine interessante Idee zu Grunde. Allerdings wird ein sehr
wichtiger Aspekt außer Acht gelassen: Verkehr besteht aus vielen individuellen Teilnehmern. Bei der
Routenberechnung werden allerdings nur persönliche und individuelle Ziele des jeweiligen Fahrers
berücksichtigt, nämlich schnellstmöglich das jeweilige persönliche Ziel zu erreichen. Aktuelle
Navigationssysteme führen bei der Routenberechnung also eine individuelle lokale Optimierung
durch. Dabei wird zwar die aktuelle Verkehrslage berücksichtigt, mündet aber immer in ein
individuelles, allein für den Einzelnutzer optimiertes Ergebnis. Diese Tatsache ist zum Teil auch Grund
für viele Probleme im Straßenverkehr, da die persönlichen Ziele und das persönliche Wohl über dem
anderer Verkehrsteilnehmer steht und die Gründe und Ursachen für das Verhalten anderer sowie
deren Ziele nicht bekannt sind bzw. nicht interessieren. Treffen zu viele lokale Optima aufeinander,
bzw. besitzen diese eine ähnliche Ausprägung, so kann dies insbesondere in Kombination mit den
allgemeinen Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen unter Umständen negative Auswirkungen auf den
Gesamtverkehr haben. Nehmen zu viele Autofahrer die gleiche Umleitung, weil sie diese von ihren
„Navis“ vorgeschlagen bekommen oder ist diese Umleitung auf Grund der allgemeinen
Verkehrsbeeinflussungsmaßnahme als „die Umleitung“ für den Stau auf der Autobahn auserwählt, so
entsteht genau dort sehr schnell ein neuer Stau. Viele lokale Optima können also unter Umständen
einem gemeinsamen globalen Optimum entgegenwirken. Somit stehen sich zwei unterschiedliche
Herangehensweisen gegenüber, welche in ihrer aktuellen Form keine Schnittstellen bieten um im
Sinne eines globalen Optimums zusammenarbeiten zu können.

Tatsächlich scheint der Schlüssel für einen stabilen und kontinuierlichen Verkehrsfluss zunehmend in
der Zusammenarbeit der vielen Verkehrsteilnehmer zu liegen. Wie in vielen anderen Bereichen
unseres Lebens und unserer Gesellschaft, wird auch im Straßenverkehr aufgrund der stetig
zunehmenden Anzahl von Verkehrsteilnehmern 2 ein „Miteinander“ wichtiger, um langfristig eine
Lösung für aktuelle Probleme im Straßenverkehr liefern zu können. Ähnlich einem Ameisenvolk,
welches das gemeinsame Ziel der Nahrungssuche zum Wohle des gesamten Volkes hat, könnte die
strukturierte Zusammenarbeit der am Verkehrsgeschehen teilnehmenden Fahrzeuge zu einer
Verbesserung des allgemeinen Straßenverkehrs und somit der individuellen Ziele führen. So kann
nach John Nash und dem von ihm begründeten Nash-Gleichgewicht das beste Ergebnis für eine
Gruppe nur erzielt werden wenn jeder Einzelne das tut was für ihn selbst und für die Gruppe das
Beste ist [10]. Laut Definition besagt dieser aus der Spieletheorie stammende Begriff:

 „Ein Nash-Gleichgewicht liegt dann vor, wenn in einem nicht-kooperativen Spiel ein Zustand
 eines strategischen Gleichgewichts herrscht, von dem ausgehend kein einzelner Spieler für
 sich einen Vorteil erzielen kann wenn er allein seine Strategie verändert.“

Demnach kann eine Verbesserung des Spielergebnisses für den Einzelnen nur dann erzielt werden,
wenn jeder der Teilnehmer seine Strategie verändert. Angewandt auf den Straßenverkehr ist dies
allerdings nur durch die Kooperation der verschiedenen Teilnehmer möglich. Dabei kann eine für den
Einzelnen getroffene Entscheidung, subjektiv vielleicht nicht optimal erscheinen, ist dies für die
Allgemeinheit aber sehr wohl und dadurch im Schnitt wiederum für jeden Einzelnen.

2
 Bis zum Jahr 2020 +20% im Personenverkehr [9]
 6

Das lokale Optimum

Im Sinne des allgemeinen Straßenverkehrs oder besser gesagt im Sinne aller Verkehrsteilnehmer,
wäre daher eine Routenberechnung, welche sowohl die individuellen Ziele aller Verkehrsteilnehmer,
als auch die Ziele des allgemeinen Straßenverkehrs berücksichtigt, deutlich effektiver. Mit Hilfe
solcher Routingalgorithmen könnten die Routenführung, Routenberechnung und
Verkehrsflusssteuerung miteinander gekoppelt und somit Navigationsgeräte der 3. Generation
ermöglicht werden, welche im Sinne jedes einzelnen Teilnehmers, aber unter Berücksichtigung aller
Verkehrsteilnehmer handeln können. Neben der alleinigen Stauumfahrung bzw. Umleitung von
Fahrzeugen könnten so neue Möglichkeiten der Stauprävention entstehen und die Reisezeiten jedes
einzelnen sowie der Kraftstoffverbrauch insgesamt deutlich reduziert werden.

 7

Das globale Optimum finden

 4. Das globale Optimum finden

Gegenwärtig konzentrieren sich Herangehensweisen im Kampf gegen Verkehrsbehinderungen
hauptsächlich auf den Ausbau der Verkehrsinfrastruktur sowie Verkehrsleitsystemen auf Autobahnen
und stark befahrenen Hauptverbindungsstrecken [11]. So plant die Bundesregierung bis 2015 dem
Problem Stau durch verschiedene technische Systeme mit einem Gesamtvolumen von 300 Mio. Euro
entgegenzuwirken. Mit Hilfe solcher geplanter Streckenbeeinflussungsanlagen soll der Verkehr
zumindest innerhalb eines geographisch begrenzten Autobahnabschnitts beeinflusst und bei Bedarf
kontrolliert umgeleitet werden. Allerdings ist das Straßennetz vieler Länder bereits heute sehr gut
ausgebaut. Deutschland liegt mit seinen ca. 231.500 km Straßen weltweit zwar weit abgeschlagen,
noch hinter Polen, Indonesien, Mexiko und Pakistan, besitzt aber eines der qualitativ besten
Straßennetze weltweit [12]. Das Problem liegt also nicht in einer schlechten Infrastruktur. Ganz im
Gegenteil. Die Qualität und Anzahl vorhandener Verkehrswege fördert sogar die Entstehung von
Staus. So besagt das „fundamental law of highway congestion“ welches vor 40 Jahren von dem
amerikanischen Ökonom Anthony Downs formuliert wurde: Mehr Straßen erzeugen mehr Verkehr
[13]. 2011 wurde tatsächlich ein Zusammenhang zwischen der Anzahl von Straßenkilometern und
der Anzahl von Verkehrsteilnehmern in einer Studie der Universität Toronto und der London School
of Economics nachgewiesen. Dabei konnte eine fast 1 zu 1 Zunahme des Verkehrs in Abhängigkeit der
Anzahl neuer Straßenkilometer belegt werden [14].

Der Straßenverkehr wird somit durch gut ausgebaute Straßen auf diese wenigen Strecken gelenkt
und kanalisiert, wohingegen Nebenstrecken und weniger gut ausgebaute Strecken ungenutzt
bleiben. Der starke Ausbau von Hauptverbindungsstrecken führt also zu einer ungleichen Verteilung
bzw. Nutzung vorhandener Verkehrswege was häufig Ursache von Überlastungen auf stark genutzten
Verbindungen ist. So ist das Hauptproblem bzw. die Hauptursache für Stau in den allermeisten Fällen
ein Sättigungsproblem, bei dem die Nachfrage über das Angebot der Ressource Straße hinausgeht.
50% aller Staus entstehen durch die Überlastung des Straßennetzes [15]. Sowohl die Straßen selbst,
als auch der auf ihnen zur Verfügung stehende Raum sind begrenzt. Dies bedeutet im
Umkehrschluss, dass eine Straße nur eine begrenzte Anzahl von Fahrzeugen innerhalb eines
Abschnitts und Zeiteinheit „bewältigen“ kann. So liegt die Kapazität von gut ausgebauten Straßen bei
1500 bis 2500 Fahrzeugen pro Stunde und Spur. Dabei kann ein optimaler Verkehrsfluss aber nur
erreicht werden, wenn sich alle Fahrzeuge mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von 80-100
km/h bewegen. Schnelleres und langsameres Fahren verringert die Kapazität [16]. Steigt nun die
Nachfrage nach diesem Raum über das Angebot hinaus so entsteht ein Sättigungsproblem, also eine
Überlastung der Straße. Die „Tragik der Allmende“ oder auch „Tragödie des Allgemeinguts“, welches
ein aus der Sozialwissenschaft stammendes, evolutionstheoretisches Modell ist, beschreibt eben
dieses Sättigungsproblem. Dem Modell nach führt die nicht effiziente Nutzung frei verfügbarer, aber
nur begrenzt zur Verfügung stehender Ressourcen zu einer Übernutzung dieser, was auch die Nutzer
selbst bedroht [17]. Aber welche Optionen zur Lösung des Sättigungsproblems bleiben, wenn im Falle
des Straßenverkehrs eine Erhöhung und Verbesserung der Ressource Straße nicht
erfolgsversprechend und die Reduktion der Nutzer schwer umsetzbar ist? Die effizientere Nutzung
vorhandener Verkehrswege!

Das zu verfolgende Ziel sollte also eine möglichst gute Verteilung aller Verkehrsteilnehmer auf das
vorhandene Straßennetz sein, sodass die verfügbaren Straßen hinsichtlich der
 8

Das globale Optimum finden

Durchflussgeschwindigkeit und Kapazität bestmöglich ausgelastet sind. Diese balancierte Verteilung
der Verkehrsteilnehmer auf das vorhandene Straßennetz stellt das übergeordnete Ziel des
allgemeinen Straßenverkehrs dar und entspricht somit dem globalen Optimum welches es zu
verfolgen gilt. Mit aktuell zur Verfügung stehenden Mitteln und Vorgehensweisen zur
Verkehrsbeeinflussung ist eine solche Strategie aber kaum umsetzbar, da diese nur begrenzt auf die
vielen Verkehrsteilnehmer als einheitliche Instanz Einfluss nehmen können. Anwendbar ist eine
solche ganzheitliche Strategie nur, wenn die Ziele der Verkehrsteilnehmer bekannt sind und diese
sich entsprechend dem errechneten globalen Optimum individuell leiten lassen. Einen Ansatzpunkt
für ein solches „Miteinander“ im Straßenverkehr bieten Navigationssysteme, ob mobil für die
Frontscheibe auf dem Smartphone oder fest im Fahrzeug verbaut. Berücksichtigt man, anders als
bisher, bei der individuellen Routenberechnung eines Verkehrsteilnehmers nicht nur seine eigenen
persönlichen Ziele sondern auch die Ziele der anderen Verkehrsteilnehmer („was tun alle anderen“),
die aktuelle Verkehrssituation sowie Ziele des allgemeinen Straßenverkehrs, so können die daraus
resultierenden individuellen Routen im Sinne aller ausgeprägt sein. Die Verknüpfung von
individuellen mit allgemeinen Zielen könnte folglich sowohl eine qualitative Verbesserung der
individuellen Routen der einzelnen Verkehrsteilnehmer, als auch das Anwenden allgemeiner
Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen ermöglichen.

Aus der aktuell verfolgten lokalen Optimierungsstrategie gilt es somit eine globale Optimierung zu
etablieren, welche als übergeordnetes Ziel die Verteilung der Verkehrsteilnehmer auf alle zur
Verfügung stehenden Straßen unter Berücksichtigung folgender Bedingung hat:

 (1) ∀ ∈ : ( ) ≤ ( )

Für alle Straßen aus der Menge der zur Verfügung stehenden Straßen muss gelten, dass die
aktuelle Verkehrsdichte der Straße ( ) kleiner gleich der optimalen Verkehrsdichte ( )
der Straße ist. Dabei entspricht ( ) derjenigen maximalen Verkehrsdichte, die unter
Berücksichtigung der Geschwindigkeiten auf der Straße den bestmöglichen Verkehrsfluss und somit
den größtmögliche Fahrzeugdurchsatz pro Zeiteinheit ermöglicht. Erreichen alle Straßen diesen
Wert so muss die Verteilung der Fahrzeuge durch folgende Bedingung erweitert werden:

 (2) ∀ ∈ : ( ) < ( )

Für alle Straßen aus der Menge der zur Verfügung stehenden Straßen muss gelten, dass die
aktuelle Verkehrsdichte der Straße ( ) kleiner der maximalen Verkehrsdichte ( ) der
Straße ist. Dabei entspricht ( ) der maximalen Verkehrsdichte, die noch einen stabilen
Verkehrsfluss auf der Straße garantiert. Erreichen alle zur Verfügung stehenden Straßen selbst
diesen maximalen Wert so entspricht dies der Sättigung des Gesamtnetzes wodurch ein stabiler
Verkehr allein durch die Verteilung der Fahrzeuge auf das Straßennetz nicht mehr gewährleistet
werden kann. Unter der Annahme, dass die Kapazität bzw. Verkehrsdichte ( ) die Qualität der
Straße berücksichtigt (höheres ( ) entspricht einer besser ausgebauten Straße), könnten bei
der Verteilung der Fahrzeuge, Straßen mit größerem ( ) bevorzugt werden bis obige
Bedingung (1) nicht mehr erfüllt ist. Dies allein reicht aber nicht aus um auch im Sinne der
Verkehrsteilnehmer möglichst akzeptable Routen zu liefern. Hierfür sind noch weitere Informationen
erforderlich welche in Kapitel 6 aufgezeigt werden.

 9

Das globale Optimum finden

Das Ergebnis der Zielfunktion sind viele individuelle Routen für die verschiedenen
Verkehrsteilnehmer, welche sowohl im Sinne einer bestmöglichen Verteilung der
Verkehrsteilnehmer, als auch im Sinne des Verkehrsteilnehmers und dessen Ziele ausgeprägt sind.
Dabei ist die konkrete Ausprägung der Zielfunktion abhängig von der gewählten Optimierungsgröße
der verschiedenen Verkehrsteilnehmer wie z.B. Zeit, Distanz oder Verbrauch. Beim Verfolgen des
globalen Optimums dürfen sich die errechneten Routen allerdings nicht zu stark von den Routen
ohne globale Optimierung entfernen. Anders gesagt: Die persönlichen Routen dürfen sich durch die
globale Optimierung nicht zu sehr verschlechtern. Die Zielfunktion muss somit ein weiteres Kriterium
erfüllen um dieser Tatsache gerecht zu werden, unabhängig von der gewählten Optimierungsgröße:

 (3) ∑ ∈ � ( ) − ( ) � → 0

Es sei ( ) die durch die lokale Optimierung bezogen auf eine bestimmte Größe berechnete
Route eines Fahrzeugs welche im weiteren Verlauf als individuelles lokales Optimum bezeichnet
wird. Weiterhin bezeichnet ( ) die durch die globale Optimierung bezogen auf dieselbe
Größe erhaltene Route des Fahrzeugs welche im weiteren Verlauf als individuelles globales
Optimum bezeichnet wird. Unter der Voraussetzung dass ( ) die bestmögliche individuelle
Route darstellt, welche unter Verwendung aktueller Algorithmen zur Routenberechnung ermittelt
wird, so gilt es die Summe der Differenzen zwischen den individuellen globalen Optima und den
individuellen lokalen Optima der Fahrzeuge zu minimieren. Dabei soll die Summe aller Differenzen
möglichst gegen 0 tendieren um sich dem globalen Optimum bestmöglich nähern zu können. Dies
bedeutet aber auch, dass einige individuelle globale Optima deutlich schlechter und einige deutlich
besser ausgeprägt sein könnten und die Summe trotzdem gegen 0 tendieren würde. Tatsächlich ist
dies korrekt und sogar erwünscht. Je nach persönlichem Profil des Fahrers kann somit die allgemeine
Verkehrsbelastung mehr oder weniger in das individuelle globale Optimum einfließen um insgesamt
einen flüssigen Verkehr aufrechtzuerhalten. Eine Familie die in den Urlaub fährt nimmt eine
Verspätung von 15 Minuten eher in Kauf als ein Pendler der pünktlich auf Arbeit sein muss. So kann
die Last auf den „Urlaubsfahrer“ gelegt werden damit der „Pendler“ pünktlich ankommt. Dies
bedeutet aber nicht, dass einige auf Kosten anderer eine Verbesserung erfahren. Vielmehr soll eine
kleine Verschlechterung des tatsächlichen Optimums für einen stabilen Verkehrsfluss sorgen, was
sich wiederum auf jeden einzelnen Verkehrsteilnehmer positiv auswirkt. Nach John Nash (Siehe Kap.
3) könnte dies im Falle des Urlaubfahrers bedeuten, dass sich die Verspätung auf der 1200 km
Strecke bis ans Urlaubsziel von 40 Minuten auf 15 reduziert. Was auf den ersten Blick wie eine
Verschlechterung aussieht, kann im Kontext eines ganzheitlich verfolgten Optimums einer
tatsächlichen Verbesserung entsprechen.

 10

Das globale Optimum finden

 Abbildung 1a: Ist- Zustand Abbildung 1b: Soll- Zustand

Navigationssysteme der nächsten Generation, welche ein „Miteinander“ im Straßenverkehr im Sinne
einer bestmöglichen Auslastung des Straßennetzes verfolgen, könnten neben einer Verbesserung der
individuellen Routen bzw. Fahrzeiten zudem eine Stabilisierung des allgemeinen Straßenverkehrs
sowie eine Verringerung von Stau und Verkehrsbehinderungen mit sich bringen. Anders gesagt
könnte die Verbesserung der individuellen Routen durch Betrachtung sämtlicher individueller wie
allgemeiner Ziele eine Verbesserung des Straßenverkehrs mit sich bringen und umgekehrt.

 11

Einsatzszenarien

 5. Einsatzszenarien

Die alleinige Verteilung bzw. Balancierung der Verkehrsteilnehmer auf alle zur Verfügung stehenden
Straßen ist hinsichtlich der unterschiedlichen Straßentypen nicht immer in gleichem Umfang sinnvoll.
So macht in geschlossenen Ortschaften eine präventive Verteilung der Verkehrsteilnehmer durchaus
Sinn, auf Autobahnen bringt dies in der Regel aber keine Vorteile. Entscheidend für die zu wählende
Vorgehensweise ist somit der Straßentyp bzw. die Straßenqualität sowie die räumliche
Beschaffenheit der Straßen, oder anders gesagt deren Dichte innerhalb eines bestimmten räumlichen
Bereiches. Aber auch externe Faktoren wie Unfälle, Wetter usw. nehmen Einfluss auf die zu
wählende Vorgehensweise. Diesen Umstand beachtend konnten drei Szenarien definiert werden,
welche die unterschiedlichen Straßenbedingungen darstellen sollen. Daraus konnten wiederum 4
Lösungsstrategien ermittelt werden, welche auf Basis der Ursachen für Verkehrsbehinderungen der
jeweiligen Szenarien eine mögliche Lösung darstellen.

 5.1. Szenarien

 5.1.1. Szenario Stadt

Städte und Metropolregionen besitzen in der Regel ein sehr dichtes Straßennetz, welches aus einigen
wenigen gut ausgebauten Hauptverbindungsstrecken und vielen meist kleineren Nebenstraßen
besteht. Da die meisten Verkehrsteilnehmer die gut ausgebauten Hauptverbindungsstrecken nutzen,
sind diese häufig einer Übernutzung ausgesetzt. Dies führt insbesondere zu Stoßzeiten sehr schnell
zu Verkehrsbehinderungen und Staus, obwohl genügend Ressourcen in Form von Straßen zur
Verfügung stehen die nicht genutzt werden. Aber auch Ampeln stellen eine deutliche
Beeinträchtigung des Verkehrsflusses dar, welche durch die Nutzung von Nebenstraßen umgangen
werden können, da diese selten durch Ampeln geregelt werden. Durch die hohe Straßendichte
bieten Städte und Ballungszentren also ideale Voraussetzungen für alternative Routen auch auf
kurzen Strecken und somit für eine Verteilung der Verkehrsteilnehmer auf möglichst viele Straßen.
Um auf das hohe Verkehrsaufkommen im innerstädtischen Bereich angemessen zu reagieren, kommt
die Verteilung des Verkehrs einer präventiven Balancierung aller Verkehrsteilnehmer gleich, also
einer Verteilung noch bevor es zu Verkehrsbehinderungen kommt. Je nach Verkehrsaufkommen
können hierdurch Hauptverkehrswege entlastet werden um einen stetigen Verkehrsfluss aufrecht zu
erhalten. Durch diese Vorgehensweise können Flaschenhälse frühzeitig erkannt und den
Verkehrsteilnehmern alternative Wege angeboten werden.

 12

Einsatzszenarien

 5.1.2. Szenario Autobahn (Fernverkehrsverbindungen)

Autobahnen stellen insbesondere für den Fern- und Güterverkehr Hauptverbindungsstrecken dar
und bieten schnelle Reisezeiten. Durch ihre charakteristischen Eigenschaften wie Mehrspurigkeit und
hohe Reisegeschwindigkeiten stellen Autobahnen bis zu einem bestimmten Grad die bestmögliche
Straßenwahl dar, selbst wenn alternative Strecken bezüglich ihrer Länge um einiges kürzer wären.
Eine ständige Balancierung der Verkehrsteilnehmer auf die zur Verfügung stehenden Straßen würde
im Fernverkehr somit keinen großen Vorteil bringen so lange ein flüssiger Verkehr gewährleistet
werden kann. Erst wenn die Staugefahr durch zu viele Verkehrsteilnehmer steigt, oder die Autobahn
aufgrund eines Unfalls komplett gesperrt wird, ist eine weiträumige Verteilung der
Verkehrsteilnehmer auf Umleitungsstrecken notwendig und sinnvoll. Erschwert wird diese
Vorgehensweise allerdings von der Tatsache, dass es nur wenige Möglichkeiten gibt, von der
Autobahn abzufahren bzw. auf diese wieder aufzufahren. So liegen zwischen Autobahn Ab- und
Auffahrten häufig einige Kilometer, was eine schnelle Reaktion auf das Verkehrsgeschehen nur
schwer zulässt. Aber auch die Kapazität von alternativen Straßen ist im Vergleich zu Autobahnen
deutlich geringer, wodurch es sehr schnell zu Überlastungen auf Umleitungen kommen kann. Diese
Eigenschaften müssen bei der Balancierung der Verkehrsteilnehmer auf Umleitungsstrecken
berücksichtig werden. So muss eine balancierte Umleitung bereits viele Kilometer vor der
Verkehrsbehinderung beginnen und die Verkehrsteilnehmer großräumig verteilen. Dabei sollte der
Fokus darauf liegen, die Fahrzeuge so schnell wie möglich wieder auf die Autobahn zurückzuführen
und einige vielleicht sogar in den Stau zu leiten um auf Umleitungsstrecken und Alternativrouten mit
einer deutlich geringeren Kapazität einen flüssigen Verkehr aufrechterhalten zu können.

 5.1.3. Szenario Bundesstraße, Landstraße (Überlandverbindungen)

Überlandverbindungen können in Bezug auf ihre Eigenschaften zwischen dem Szenario Stadt und
dem Szenario Autobahn eingeordnet werden. Im Überlandbereich existieren zwar deutlich weniger
Verbindungen als im innerstädtischen Bereich aber im Vergleich zu Autobahnen ist das Überlandnetz
erheblich verzweigter. Auch die Auslegung für eine Vielzahl an Fahrzeugen und hohe
Reisegeschwindigkeiten übersteigt jene der innerstädtischen Straßen, erreicht aber nicht die
Charakteristika von Autobahnen. Diese Eigenschaften führen meist, noch mehr als im
innerstädtischen Bereich, zur vermehrten Nutzung der besser ausgebauten
Hauptverbindungsstrecken wie z.B. Bundesstraßen und Landstraßen. Somit werden auch im
Überlandbereich häufig Hauptverbindungen überbenutzt obwohl weitere Nebenverbindungen
ungenutzt bleiben. Durch die deutlich geringere Menge zur Verfügung stehender Straßen im
Überlandbereich im Vergleich zum innerstädtischen Bereich ist ein ständiges und präventives
Verteilen der Verkehrsteilnehmer nicht immer sinnvoll, da selbst bei geringen
Verkehrsbehinderungen das Verbleiben auf der Hauptverbindung schneller zum Ziel führt bzw.
Alternativen häufig einen zu großen Umweg darstellen. Vielmehr sollte bereits bei der
Routenberechnung eine sinnvolle Balancierung der Verkehrsteilnehmer durchgeführt werden, bzw.
erst im Falle einer gravierenden Verkehrsbehinderung eine frühzeitige und balancierte Umleitung
aller nachfolgenden Fahrzeuge durchgeführt werden. Anders als im Szenario Autobahn muss der
Fokus aber nicht zwingend auf das schnelle Zurückführen aller Fahrzeuge auf die Ausgangsstrecke
 13

Einsatzszenarien

liegen, da genügend alternative Straßenverläufe zur Verfügung stehen die ähnliche Kapazitäten
bieten und unter Berücksichtigung der Einschränkungen auf der Ausgangsstrecke sogar die bessere
Wahl darstellen können.

Je nach Straßenkategorie und Beschaffenheit des Straßennetzes innerhalb eines räumlichen
Bereiches besitzt die anzuwendende Vorgehensweise beim Verfolgen der globalen Optimierung in
Form der Verteilung von Fahrzeugen also unterschiedliche Ausprägung. Dies ist notwendig, um den
jeweiligen Charakteristika der Szenarien gerecht zu werden.

 5.2. Lösungsstrategien

Auf Grundlage der vorgestellten Szenarien konnten 4 Strategien identifiziert werden, welche je nach
Szenario geeignete Herangehensweisen für die angestrebte globale Optimierung darstellen.
Ausgehend von dem zu verfolgenden Ziel einer möglichst guten Verteilung der Verkehrsteilnehmer,
besitzen diese Strategien Eigenschaften welche die Besonderheiten der dargestellten Szenarien aus
5.1 berücksichtigen. Dabei bedingen sich die Strategien teilweise indirekt und schließen sich je nach
Anwendungsbereich gegenseitig ein. Die tatsächliche Ausprägung der eingesetzten
Herangehensweise ist dabei hauptsächlich von der Dichte und Beschaffenheit des Straßennetzes
innerhalb eines bestimmten räumlichen Bereichs sowie vom Verkehrsaufkommen selbst abhängig.
Diese Strategien sind:

 1. Global optimierte individuelle Ausgangsrouten: Zu Beginn jeder Reise bzw. Autofahrt soll
 jeder Verkehrsteilnehmer eine individuelle global optimierte Route bekommen, welche
 sowohl die aktuelle Verkehrssituation und Straßenauslastung als auch die persönlichen Ziele
 der Verkehrsteilnehmer berücksichtigt. Diese entspricht somit dem individuellen globalen
 Optimum ( ) aus Bedingung (3).
 2. Präventive Balancierung von Fahrzeugen: Besonders in Bereichen einer hohen
 Straßendichte wie innerhalb von Ballungszentren soll eine ständige balancierte
 Fahrzeugverteilung zu einer besseren Auslastung der vorhandenen Straßen führen, wodurch
 Staus und Verkehrsbehinderungen bereits im Voraus vermieden werden könnten. Dabei
 muss insbesondere Bedingung (1) und bei Bedarf Bedingung (2) für die Berechnung
 berücksichtig werden um eine möglichst gleichmäßige Verteilung gewährleisten zu können.
 3. Balancierte Umleitungen / Alternativrouten: Sinkt der Durchsatz einer Straße unter eine
 kritische Grenze oder wird ein bestimmter Straßenabschnitt zeitweise komplett gesperrt so
 sollten bestenfalls alle nachfolgenden Fahrzeuge auf alternative Routen bzw. Umleitungen
 verteilt werden. Dabei soll die Verteilung der Fahrzeuge unter Berücksichtigung der globalen
 Optimierung durchgeführt werden um weitere Staus auf Ausweichstrecken zu vermeiden. Je
 nach Straßenkategorie bzw. Szenario liegt der Fokus der Strategie auf schnellem
 Zurückführen der Verkehrsteilnehmer auf die Hauptstrecke (Szenario Autobahn) oder auf
 einer großräumigen Verteilung (Szenario Stadt). Abhängig vom Szenario wird diese Strategie
 indirekt bereits durch die allgemeine präventive Balancierung angewandt (Szenario Stadt)
 oder kommt erst bei einer tatsächlichen Einschränkung der Befahrbarkeit zur Anwendung.
 Letzteres betrifft insbesondere Bereiche mit geringer Straßendichte, sowie Missverhältnisse
 zwischen Qualität der Hauptverbindungsstrecken und alternativer Strecken, wie es bei
 14

Einsatzszenarien

 Überland- und Fernverbindungen der Fall ist. Auch für diese Strategie ist die Einhaltung von
 Bedingung (1) und (2) von zentraler Bedeutung, da eine gleichmäßige Verteilung der
 Fahrzeuge nur hierdurch gewährleistet werden kann.
 4. Geschwindigkeit anpassen: Eine von Verkehrsleitsystemen bereits eingesetzte Methode ist
 die großflächige Geschwindigkeitsanpassung im Falle von Verkehrsbehinderungen sowie
 großem Verkehrsaufkommen [18]. Dadurch kann der gesamte Verkehrsfluss stabilisiert
 werden um einen höheren Durchsatz zu erreichen und somit die Ressource „Straße“ besser
 auszunutzen. Zusätzlich bietet die Geschwindigkeitsanpassung die Möglichkeit den Zufluss
 zu einer Verkehrsbehinderung, bei gleichbleibender Abflussgeschwindigkeit, zu reduzieren.
 Hierdurch können Verkehrsbehinderungen aufgelöst werden ohne alternative Routen
 nutzen zu müssen. Ist das Verkehrsaufkommen allerdings zu hoch sollte diese
 Vorgehensweise mit Strategie 2 oder 3 gekoppelt werden. So könnten einige Fahrzeuge auf
 der Autobahn verbleiben sowie weitere über Umleitungsstrecken geleitet werden, ohne die
 Autobahn aus der weiteren Balancierung auszuschließen. Erst eine Totalsperrung der
 Autobahn würde dieses Vorgehen nutzlos machen.

 Abbildung 2: Einsatzbereiche der Strategien

 15

IT-basierte Ziellösung

 6. IT-basierte Ziellösung

Die Umsetzung eines solchen ganzheitlichen Navigationssystems, welches globale und individuelle
Ziele im Sinne einer kooperativen Optimierungsstrategie miteinander verknüpft, stellt hohe
Ansprüche sowohl an die technische als auch an die praktische Umsetzbarkeit. Schon allein auf
Grund der vielen zeitkritischen Routenberechnungen und der Übertragung dieser an die
entsprechenden Verkehrsteilnehmer, muss das System sehr hohen Anforderungen gerecht werden.
Um diesen Anforderungen entsprechen zu können, muss ein solches System folgende Eigenschaften
aufweisen:

 • Dynamisch: Da sich die Verkehrsbedingungen unabhängig von dessen Steuerung trotzdem
 schnell ändern, sowie neue Verkehrsteilnehmer hinzukommen und wegfallen können, muss
 das System dynamisch auf Veränderungen reagieren können.
 • Skalierbar: Da die Anzahl der Verkehrsteilnehmer selbst, vor allem aber jener welche das
 System nutzen, stark schwanken kann, muss das System sowohl bei wenigen, als auch bei
 sehr vielen Nutzern noch angemessen reagieren und funktionieren sowie hinreichend schnell
 qualitativ konstante Routen liefern.
 • Robust: Da das System Dienste in einem hochdynamischen und zeitkritischen Kontext
 bereitstellt ist eine angemessene Reaktion auf evtl. auftretende Fehler notwendig um die
 Gesamtstabilität nicht zu gefährden. So sollte das System entsprechend der graceful
 degradation [19] auf Fehler und unerwartet eintretende Ereignisse sicher reagieren, indem
 die Funktionalität schrittweise durch Verminderung der Qualität oder/und Verringerung des
 Funktionsumfangs reduziert wird. So wird bereits durch das Anpassen der Bedingung (1)
 mittels Bedingung (2) bei zu hohem Verkehrsaufkommen eine schrittweise Reduktion der
 Qualität der Fahrzeugverteilung durchgeführt. Insgesamt müssen folgende System-
 Eigenheiten berücksichtig werden welche gleichzeitig Anforderungen an das System
 darstellen:
 - Infrastrukturunabhängig: Da im Vordergrund des Systems der Informationsaustausch
 bzw. die Kommunikation steht muss das System je nach technischer Umsetzung auch
 im Falle einer teilweise oder gänzlich ausgefallenen Infrastruktur möglichst lange
 stabil funktionieren.
 - Fehlertolerant: Wenn Nutzer den Routenanweisungen durch ihre individuelle Route
 nicht Folge leisten so darf das globale Optimum sowie die dadurch berechneten
 individuellen globalen Optima nicht zu stark beeinträchtigt werden bzw. sich im
 besten Fall nur minimal verschlechtern.
 - Stabil: Da nur ein bestimmter Prozentsatz aller Verkehrsteilnehmer das System
 nutzen wird, muss das System auch dann noch annehmbare Ergebnisse in Form von
 individuellen Routen liefern, wenn die Mindestanzahl von Nutzern unterschritten
 wird.
 Beim Auftreten von Fehlern sowie dem nicht Vorhandensein der nötigen Informationen und
 Daten zur Berechnung und Aufrechterhaltung des globalen Optimums soll die Stabilität des
 Systems also auf Kosten der Qualität der Routen gewährleistet werden. Dabei muss die
 Sinnhaftigkeit des Systems aber weiterhin sichergestellt werden um eine allgemeine

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 Verbesserung im Vergleich zur Routenberechnung ohne globale Optimierung möglichst lange
 zu gewährleistet.
 • Akzeptiert: Da der Erfolg eines solchen Systems maßgeblich von den Nutzern abhängig ist,
 welche die Anweisungen befolgen müssen, muss die Akzeptanz des Systems sehr hoch sein.
 Hier können Faktoren wie Zeit und Geld genutzt werden, um ein angemessenes Anreizsystem
 zu etablieren.

Zentrale Komponente eines solchen Systems sind ohne Zweifel die zugrundeliegenden Algorithmen,
auf deren Basis die individuellen Routenberechnungen im Sinne eines globalen Optimums
durchgeführt werden. Da aktuelle Routingalgorithmen ausschließlich eine lokale Optimierung für den
einzelnen Nutzer durchführen, müssen für das propagierte Navigationssystem neue, auf die
ganzheitliche Vorgehensweise optimierte Algorithmen entwickelt werden. Neben der klassischen
digitalen Straßenkarte welche die Datengrundlage für das Finden einer kürzesten oder schnellsten
Route darstellt, spielen für eine globale Optimierung noch weitere Informationen eine Rolle. So
müssen insbesondere die persönlichen Ziele der Verkehrsteilnehmer mit denen des allgemeinen
Straßenverkehrs in Einklang gebracht werden. Insgesamt sind folgende Informationen notwendig:

 • Optimierungsziele der Verkehrsteilnehmer: Fahrtdauer, Streckenlänge, Verbrauch usw.
 • Geographische Ziele der Verkehrsteilnehmer
 • Straßenkapazität: Aktuelle und maximale Verkehrsdichte von Straßen
 • Allgemeine Verkehrssituation: Aktuelles und voraussichtliches Verkehrsaufkommen
 • Fahrzeugeigenschaften/Fahrzeugprofil: Fahrzeugklasse (LKW, PKW), Größe (Höhe, Breite,
 Länge), Gewicht, Maximale Geschwindigkeit, Ladung (Gefahrstoffe usw.)
 • Fahrerprofil (persönliche Ziele der Verkehrsteilnehmer): Gründe für die Fahrt (Urlaub,
 Arbeit, Transport/Logistik usw.), bevorzugter Straßentyp (Autobahn, Landstraße usw.),
 bevorzugte Route (schnellste, schönste, ökologischste, kürzeste usw.)
 • Weitere Straßenbeschaffenheit: Aktuelle Wetterlage, Gefahrenpotential, Maut/Kosten für
 Befahrung, Straßenstruktur (hügelig, kurvenreich), Straßenumgebung, Eignung für
 Schwerverkehr, Anzahl Ampeln usw.
 • Umweltbelastende Faktoren: Treibstoffverbrauch, Abgasbelastung, Lärmbelastung usw.

Aber auch die technische sowie logische Architektur des Gesamtsystems nimmt einen großen
Einfluss auf die Umsetzbarkeit der oben genannten Eigenschaften sowie auf die Ausprägung der
Routingalgorithmen. So bieten aktuelle Technologien sowie zukünftige Entwicklungen im automotive
Bereich verschiedene Möglichkeiten ein solches Gesamtsystem umzusetzen.

 6.1. Client-Server

Betrachtet man den Straßenverkehr auf seiner feingranularen Ebene als eine Vielzahl von
Verkehrsteilnehmern, so liegt es für die Umsetzung der genannten Ziele nahe, eine zentrale Instanz
zu nutzen, welche die ständige Sicht auf die aktuelle Lage behält und damit eine kontinuierliche
Neuberechnung der individuellen Routen durchführt um die Verteilung der Verkehrsteilnehmer
aufrecht zu erhalten. Umgesetzt als Client-Server-Architektur würde somit ein zentraler Server die
aktuelle Lage anhand der gegebenen Informationen aufbereitet vorhalten. An diesen könnten sich
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die teilnehmenden Nutzer wenden um ihre individuelle Route zu erhalten. Verändert sich auf Grund
des hochdynamischen Straßenverkehrs die Verkehrslage kann je nach Vorgehensstrategie die Route
für die Verkehrsteilnehmer angepasst und an diese übermittelt werden.

Eine zentrale Instanz, welche zu jedem Zeitpunkt sämtliche Daten sammelt, aggregiert und bereithält
bietet viele Vorteile im Kontext des geplanten Systems. Die globale Sicht auf die aktuelle Lage
innerhalb eines unbegrenzt großen geographischen Bereichs sowie die Skalierbarkeit im Sinne der
Rechenleistung sind dabei wohl die interessantesten Charakteristika. Auch aus technologischer Sicht
 bietet sich eine solche Architektur an, da
 alle notwendigen technologischen
 Grundlagen für eine Umsetzung
 vorhanden sind. Ermöglicht wird dies
 durch mobile Datenverbindungen wie
 UMTS, HSDPA und LTE sowie hoch
 verfügbare Cloud-Computing-Dienste. So
 werden viele Fahrzeuge schon seit Jahren
 bereits ab Werk mit verschiedenen
 Onlinediensten ausgestatten und bieten
 hierdurch die nötigen
 Abbildung 3: Client-Server-Architektur Kommunikationsmöglichkeiten.

Wenngleich eine Client-Server-Architektur viele Vorteile mit sich bringt, welche eine Nutzung zur
Umsetzung des propagierten Systems sinnvoll erscheinen lassen, so birgt eine solche Architektur
auch große Schwachstellen. Durch die stark zentralisierte Struktur sowie die Abhängigkeit zur
Infrastruktur in Form von mobilen Datennetzen wäre eine Client-Server Architektur sehr anfällig auf
Kommunikationsabbrüche. In einem derart zeitkritischen Umfeld wäre ein angemessenes Verhalten
im Sinne einer graceful degradation nicht ohne weiteres möglich, da weiterhin eine ausreichend
schnelle Reaktion auf die sich verändernde Verkehrslage erforderlich ist. Aber auch die Bandbreiten
sowie die Netzabdeckung aktueller mobiler Datennetze insbesondere im ländlichen Bereich würden
für das Kommunikationsaufkommen der potenziell vielen tausend Fahrzeuge innerhalb einer
einzelnen Funkzelle nicht ausreichen [20]. Nur durch massiven Ausbau von Mobilfunknetzen könnten
ausreichend Kapazitäten geschaffen werden, um der ohnehin schon erwarteten Vervierfachung des
IP-Traffics (2010 bis 2014) [21] standhalten zu können.

Eine reine Client-Server-Architektur würde somit die notwendigen Anforderungen aus Kap. 6 nicht
ausreichend erfüllen. Insbesondere die starke Infrastrukturabhängigkeit und die nicht ausreichend
vorhandene Skalierbarkeit der Datennetze stellen große Nachteile einer solchen Architektur dar. Um
die genannten Anforderungen an das System zu erfüllen und die Nachteile einer reinen Client-Server-
Architektur zu vermeiden, muss die Architektur noch weiter verfeinert werden.

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 6.2. Peer 2 Peer

Einen gänzlich gegenteiligen Ansatz eine globale Optimierung im Sinne aller Verkehrsteilnehmer
durchzuführen stellt die Nutzung von Algorithmen und Strukturen der Schwarmintelligenz 3 dar.
Ähnlich einem Ameisenvolk, welches beim gemeinsamen Ziel der Nahrungssuche durch die
Einhaltung bestimmter Verhaltensweisen [22] stets einen stabilen Verkehrsfluss ohne Behinderungen
aufrechterhalten, könnte durch den direkten Austausch von relevanten Informationen zwischen den
Fahrzeugen eine globale Optimierung im Sinne des Straßenverkehrs erreicht werden. Dabei würde
das Wissen sowie die Neuberechnung der Routen nicht von einer zentralen Instanz kontrolliert und
überwacht werden, sondern von den Verkehrsteilnehmern (von der Elektronik der Fahrzeuge!)
selbst, welche als Teil des Straßenverkehrs zum Nutzen aller Informationen sammeln und
weiterverbreiten aber gleichzeigt relevante Informationen von anderen Verkehrsteilnehmern
aufnehmen und zum eigenen Wohl nutzen. So könnte nach dem Prinzip des Emergent Behaviors [23]
durch kleine lokale Veränderungen das gesamte System ins Gleichgewicht gebracht werden, was im
Falle des Straßenverkehrs durch einen stabilen und gut verteilten Verkehrsfluss dargestellt wird.

Technologisch wird diese Herangehensweise durch die, in den letzten Jahren immer mehr in den
Fokus der Wissenschaft geratene
Technologie der Car-to-Car (C2C)-
Kommunikation ermöglicht, welche
einen direkten
Informationsaustausch zwischen
Fahrzeugen erlaubt. In Europa

existiert hierzu eine Vielzahl von Abbildung 4: Peer 2 Peer-Architektur
Projekten und Konsortien (z.B. simTD
[24], COM2REACT [25], Car2Car Communication Consortium [26]) welche sich mit der Entwicklung
und Nutzung der Technologie in verschiedenen Anwendungsfällen beschäftigen. Im Vordergrund der
anwendungsorientierten Forschungsprojekte stehen dabei insbesondere die Erhöhung der Sicherheit
im Straßenverkehr sowie die Verbesserung des Verkehrsflusses durch die fahrzeugbasierte
Datenerfassung. So könnten beispielsweise entgegenkommende Fahrzeuge direkt nach einem Unfall,
von anderen Fahrzeugen darüber informiert werden um weitere Unfälle zu vermeiden.

Im Gegensatz zum zentralisierten Ansatz einer Client-Server-Architektur, könnte durch diese stark
dezentralisierte Herangehensweise der Schwarmintelligenz, sofort auf Veränderungen im
Straßenverkehr reagiert werden. Der Straßenverkehr würde sich somit eigenständig an die
hochdynamischen Ereignisse anpassen. Hierdurch würde auch eine Infrastrukturabhängigkeit
vermieden werden und gleichzeitig die Ausfallsicherheit durch die Vielzahl der Verkehrsteilnehmer
erhöht werden. Damit sich lokale Veränderungen aber im Sinne des Emergent Behaviors positiv auf
den globalen Verkehrsfluss auswirken, können individuelle Ziele nicht stark genug berücksichtigt
werden, was die Akzeptanz des Systems senken und damit das Gesamtsystem schwächen würde.
Dies liegt insbesondere in der Tatsache begründet, dass durch die angestrebten Algorithmen der
Schwarmintelligenz Anpassungen und Veränderungen in nur sehr lokalen Bereichen möglich sind, da

3
 „Verhalten von vielen Individuen, die nach einfachen Regeln handeln um komplexe Verhaltensmuster zu
erzeugen“ [22].
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für eine globalere Sicht die nötigen Informationen fehlen. Dies gilt insbesondere in Gebieten mit
einer geringen Straßendichte bzw. großer Unterschiede in den Straßenkategorien. Demnach werden
Autobahnen bevorzugt befahren, wohingegen umliegende Strecken kaum genutzt werden. Durch die
geringe Nutzung alternativer Strecken sinkt die Anzahl der Fahrzeuge die Informationen im Sinne
eines global effizienten Routings sammeln wodurch eine globale Optimierung und somit eine
balancierte Verteilung der Verkehrsteilnehmer nicht zu jedem Zeitpunkt gewährleistet werden kann.

Eine voll dezentrale, auf Schwarmintelligenz basierende Vorgehensweise ist somit ebenfalls nicht
ausreichend um den in Kapitel 6 gelisteten Anforderungen gerecht zu werden. Obwohl eine solche
Lösung eine erhöhte Ausfallsicherheit und eine gänzliche Infrastrukturunabhängigkeit mit sich
bringen würde, sind es genau diese Eigenschaften die im Falle einer zu geringen Dichte von
Teilnehmern zum Verlust der Stabilität und Qualität des globalen Optimums führen können.

 6.3. Clustered Swarm

Sowohl die Client-Server- als auch die Peer 2 Peer-Architektur besitzen Eigenschaften, welche für die
Umsetzung eines kooperativen Routingsystems im Straßenverkehr unerlässlich sind. Beide
Architekturen weisen aber auch Nachteile auf, wodurch ein alleiniger Einsatz einer der beiden
Herangehensweisen als nicht sinnvoll erachtet wird. Auf Grund der sehr gegensätzlichen
Vorgehensweisen der beiden Architekturen lässt sich aber schnell feststellen, dass beide jeweils
Merkmale mit sich bringen, durch die Nachteile des anderen ausgeglichen werden können. So ist der
größte Vorteil der Client-Server-Architektur die sehr große Sichtweite bzw. die Möglichkeit der
Aggregierung sämtlicher relevanter Informationen innerhalb eines unbegrenzt großen
geographischen Gebietes. Zugleich ist die zentralistische Herangehensweise aber auch ihr größter
Nachteil, da eine schnelle Reaktion auf das dynamische Verkehrsgeschehen auf Grund zu langer
Übertragungszeiten bei zu vielen Verkehrsteilnehmern nicht möglich wird. Die schnelle Reaktion auf
Veränderungen im Straßenverkehr stellt allerdings eines der Hauptmerkmale der Peer 2 Peer-
Architektur dar und die unter Umständen eingeschränkte Sicht der Peer 2 Peer-Architektur kann
wiederum durch die große Sichtweite der Client-Server-Architektur kompensiert werden. Es liegt also
nahe, die beiden Architekturen zu kombinieren, um die Gesamtarchitektur derart zu erweitern, dass
die Vorteile beider Architekturen die jeweiligen Nachteile eliminieren.

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 Abbildung 5: Kombinierte Architektur (Clustered swarm Architektur)

Aber für welche Strategien und Vorgehensweisen zur Umsetzung der globalen Optimierung sind
welche Systemeigenschaften notwendig und sinnvoll um diese realisieren zu können? Auf den ersten
Blick bietet sich eine Zuordnung zwischen den angestrebten Lösungsstrategien aus Kapitel 5.2 und
den Architekturen an. So bietet die Peer 2 Peer-Architektur alle nötigen Eigenschaften um die
Strategie 2 zur präventiven Balancierung von Fahrzeugen umsetzen zu können. Bei näherer
Betrachtung ist eine direkte Zuordnung und alleinige Abdeckung der Strategien durch eine
bestimmte Architektur allerdings nicht sinnvoll. Selbst im Falle von Strategie 2 zur präventiven
Balancierung von Fahrzeugen kann es beispielsweise durch eine zu geringe Anzahl an teilnehmenden
Fahrzeugen oder einer zu geringen Nutzung alternativer Straßen notwendig werden, dass über eine
zentrale Überwachungsinstanz wichtige Informationen an den Schwarm übermittelt werden. Ein
solches unterstützendes Eingreifen durch Übermittlung gezielter Informationen ist auch für die
anderen drei Strategien sinnvoll, wobei sich die Last je nach Strategie und Ausprägung der aktuellen
Informationslage, unterschiedlich auf die beiden Vorgehensweisen bzw. Architekturen verteilt. So
sind für die Berechnung global optimierter individueller Ausgangsrouten je nach Distanz,
Informationen über einen sehr großen geographischen Bereich hinweg notwendig. Je nach
Entfernung kann also entweder eine zentrale Instanz (große Distanzen), der Schwarm selbst (kurze
Distanzen) oder eine Kombination aus beiden für die Berechnung der Routen zuständig sein. Auch im
Falle der Strategie zur balancierten Umleitung von Fahrzeugen ist eine Kombination beider
Vorgehensweisen erforderlich. Hierbei könnte der Verkehr stetig durch eine zentrale Instanz
überwacht werden welche den Schwarm bei Bedarf durch gezielte Informationen handlungsfähig
macht. Neben den Aufgaben Informationen zu sammeln und zu verteilen, welche von beiden
Instanzen durchgeführt werden, würde im Gesamtsystem die zentrale Einheit also hauptsächlich als
überwachende und der Schwarm als umsetzende Instanz agieren.

Auf Basis der beschriebenen Verhaltensweisen und Eigenschaften wird eine Gesamtarchitektur
vorgeschlagen, welche als Kombination einer zentralisierten (Client-Server) und einer
dezentralisierten (Peer 2 Peer) Vorgehensweise alle nötigen Voraussetzungen erfüllt, um die
angestrebte globale Optimierung im Sinne des Straßenverkehrs umsetzen zu können. Das
Gesamtsystem sollte somit eine zentrale Überwachungsinstanz besitzen, welche Informationen über
 21