Frequenztechnik im Straßenverkehr

Das primäre Ziel einer Ampel (Lichtsignalanlage, LSA) ist die Erhöhung der Verkehrssicherheit, sekundär auch die Steigerung des Verkehrsdurchsatzes.

Die Leistungsfähigkeit einer LSA wird im wesentlichen durch deren Verkehrsabhängigkeit, also gewissermaßen durch deren Intelligenz bestimmt. Das bedeutet, daß die Steuerung sich auf die tageszeitlichen und saisonbedingten Schwankungen der Verkehrsstärken anpassen muss. Vorraussetzung dafür ist die Erfassung des aktuellen Verkehrs. Dies geschieht z.B. über Magnet-Wechselfeld-Detektoren, bekannter unter dem Namen “Induktionsschleife“, die in die Fahrbahn eingelassen werden.

Die Auswertung geschieht auf verschiedene Arten. Im einfachsten Falle wird die Anzahl der Fahrzeuge erfasst, um dieser Situation die Signalzeiten anzupassen. Zusätzlich kann die Belegungszeit einer Schleife gemessen werden, um gezielt Staubildungen entgegen zu wirken. Über die „Nichtbelegungsdauer“ einer Schleife kann die Abbruchbedingung der Grünzeit beeinflußt werden. Durch eine logische Verknüpfung von zwei hintereinander liegenden Schleifen wird eine richtungsabhängige Anforderung erreicht. Für Geschwindigkeitsmessungen wird die Zeitdifferenz zwischen dem Überfahren zweier im bestimmten Abstand montierten Schleifen ermittelt, wobei Messungenauigkeiten von unter drei Prozent erreicht werden. Und nicht zuletzt ist eine Fahrzeugerkennung mittels Schleifen möglich, z.B. von LKW, Bus, PKW etc..

Bei den Schleifen handelt es sich um Spulen aus Kupferlitze von 1,5 bis 2,5 mm², die in ein bis fünf Windungen ca. acht Zentimeter tief in die Fahrbahn eingelassen und mit der Auswerteschaltung im Steuergerät verbunden werden. Die Meßergebnisse werden dem Prozessor der Signalsteuerung zugeführt. Der Aufbau des Systems ist in Bild 1 zu sehen.

Bild 1: Aufbau eines Induktionsschleifensystems

Das Auswertegerät enthält eine Schwingkreis und erzeugt in den Schleifen ein elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz im Bereich von 40 bis 120 kHz und baut dabei eine Induktion von ca. 50 bis 2000µH auf. Ein Fahrzeug, welches in den Einflußbereich dieses Wechselfeldes gerät, verändert durch seinen Metallkörper die Induktivität und so den Verlustwiderstand R_v des Schwingkreises. Der eingetretene Wirbelstromverlust hat eine Bedämpfung und somit eine Erhöhung von R_v zur Folge. Die Induktivität erhöht sich und gleichzeitig auch die Ruhefrequenz um etwa drei Prozent. Es handelt sich also prinzipiell um einen Schwingkreis, bestehend aus Oszillator, Zuleitung und Spule. Eine Auswertung erfolgt auf verschiedene Weise:

Amplitudenmessung:

Die Güteverschlechterung bei Belegung bedämpft den Schwingkreis und verringert die Amplitude. Die Differenz wird je nach Empfindlichkeitseinstellungen mit Schwellwerten verglichen und führt zu dem Ergebnis: belegt oder nicht belegt.

Phasenmessung:

Die Schleife wird über eine Brückenschaltung mit zwei Wechselspannungen gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Phase, erregt. Die Induktivitätsänderung bei Annäherung eines Fahrzeuges bewirkt eine Verschiebung der Phasenlage, die dann entsprechend ausgewertet wird.

Frequenzmessung:

Die mit der Induktivitätsänderung einhergehende Frequenzänderung wird ausgewertet.

In allen Fällen ist die Induktivitätsänderung Delta L die Ausgangsgröße für den Verstimmungsgrad, der sich nach Delta L / L berechnet und zwischen sechs Prozent für Fahrzeuge und 0,01% für Fahrräder liegt. Eine Auswertung muß z.B. noch bei einer Schleifeninduktivität von 400µH und einer Empfindlichkeitseinstellung von 0,1% (Motorrad) bei 0,4µH Induktivitätsänderung möglich sein.

Um äußere Einflüsse wie Temperatur und Nässe wirkungslos werden zu lassen, sind die Auswerteschaltungen mit einem Differenzierglied ausgestattet, mit Hilfe dessen ein Abgleich an langsam veränderliche Umgebungseinflüsse geschieht. Ein Fahrzeug bewirkt dagegen eine schnelle Induktivitätsänderung und führt deshalb zu einer eindeutigen Erkennung. Steht ein Fahrzeug allerdings lange genug auf der Schleife, ist es möglich, dass ein Abgleich auf diese neue Induktivitätsgröße erfolgt und erst nach Verlassen der Schleife eine neue Anforderung wirksam werden kann. Diese Trägheit ist also bei der Auswahl der Empfindlichkeit zu berücksichtigen.

In einem Schwingkreis können auch mehrere Schleifen parallel geschaltet sein. Delta L sinkt dann mit der Zunahme der Schleifenanzahl:

Delta L / L = ( 1 / n ) * ( Delta L_i / L_i )

mit n = Anzahl der Windungen und L_i = Induktivität der i-ten Windung.

Delta L nimmt mit dem Quadrat des Fahrzeugabstandes ab. Bei Schleifen größer als die Fahrzeugbreite nimmt die Verstimmung linear mit der Länge ab.

Bild 2: Verstimmung einer Schleife (1,5 bis 2,5m breit) und entsprechender Länge durch einen PKW

Die typische Verstimmungskurve von Fahrzeugarten lässt sich zur Bestimmung von Fahrzeugarten nutzen, wie schon erwähnt. Bei dem Vergleich von PKW und LKW wird deutlich, dass nicht die metallene Masse maßgebend für die Verstimmung von Delta L / L ist, sondern maßgeblich die Nähe zur Schleife, in geringerem Maße auch dessen räumliche Ausdehnung (Bild 3).

Bild 3: Typische Verstimmungskurven

Neben dieser passiven Erfassung gibt es noch die aktive, die nur einer Auswahl von Fahrzeugen (z.B. Linienbusse) eine bevorzugende Beeinflussung auf die LSA ermöglichen. Diese Linienfahrzeuge besitzen Sender, die nicht nur eine Induktivitätsänderung in den Schleifen bewirkt, sondern eine Auswertung von bestimmten Fahrtrichtungswünschen mittels Tonfrequenzmodulation anfordern kann (Bild 4).

Sendebaugruppe, wie sie an Linienbussen zur induktiven Beeinflussung angebracht sind. Deutlich zu sehen ist der Spulenkern, bestehend aus sechs Ferritstäben, sowie der Langwellenwicklung.

Anwendung des DCF-Signales im Straßenverkehr

In Städten ist eine sinnvolle Verkehrssteuerung mittels Signalanlagen nur möglich, wenn die einzelnen Knotenpunktgeräte zur Bildung von “grünen Wellen” miteinander koordiniert werden. Das heißt, die Schaltzeiten der einzelnen Anlagen haben einen bestimmten und festen Versatz zu den umliegenden und müssen gleiche Umlaufzeiten besitzen.

Je nach Verkehrsaufkommen, das z.B. u.a. durch Induktionsschleifen ermittelt wird, erhalten die Steuergeräte an den Kreuzungen Schaltbefehle, um gemeinsam und zeitgleich – wohl unter Beibehaltung des Zeitversatzes – in ein dem Verkehrsaufkommen angemessenes Signalprogramm zu schalten.

Insellösungen, etwa dem Stadtkern ferne Straßenachsen, sahen noch in der Blütezeit der Relaistechnik dafür vor, dass jedes Steuergerät zu einem genau definierten Zeitpunkt einen Synchronisierimpuls an das nächste Steuergerät sendete. Dieser Impuls veranlasste das folgende Steuergerät zur Abarbeitung eines weiteren Umlaufes.

Bei Städten ab mittlerer Größe wird dies heute durch zentrale Verkehrsrechner realisiert, da hier der Aufwand, z.B. auch wegen der umfangreichen Erdarbeiten für die Verkabelung zu den Knotenpunkten, in ein akzeptables Verhältnis rückt.

Die Verbindung wird über Fernmeldekabel (verschiedene Anzahl von 0,8 mm² verdrillten Doppeladern) hergestellt. Dabei kamen bis Ende der siebziger Jahre das Schalten verschiedener Spannungsstufen im Bereich –60V bis zu +60V zum Einsatz, welches nur wenige Befehlszustände zuließ und einen immensen Stromkonsum bedeuteten, da die Relais in den Steuergeräten ständig über diese Stromkreise erregt werden mussten, um dann bei einem Umschaltbefehl des zentralen Rechners durch Abfallen oder anders herum durch Anziehen den Schaltwunsch zu erfüllen.

Ein Fortschritt bedeutete das Verfahren der Zeit-Frequenz-Multiplex-Übertragung, die pro Adernpaar im CCITT-Raster 25 Kanäle zur Übermittlung von Datentelegrammen ermöglicht. Informationsträger sind hier Tonfrequenzen im Bereich von 420-3300Hz.

Aktuell kommen serielle Semi-Duplex-Übertragungsverfahren mit bis zu 9600Bd zur Anwendung. Sie ermöglichen neben Schaltbefehlen zudem die vollständige Übertragung von Betriebszuständen im Online-Modus.

In kleineren Städten oder auf Landstraßen wird die Koordinierung über das DCF-Signal erreicht. Schaltzeiten werden in den Uhren eines jeden Steuergerätes programmiert und da für alle Geräte das DCF-Signal eine genaue Zeitreferenz darstellt, kann sich der Schaltzeitenversatz zu einander nicht verschieben. Zum Einsatz kommt hier eine Empfangseinheit mit Ferritantenne, die das DCF-Telegramm in weiter auswertbare Sekundentakte umwandelt und an den Prozessor der Signalsteuerung gibt.

Der DCF-Sender steht in Mainflingen und sendet mit einer Leistung von 27kW das von Atomuhren stammende Signal im BCD-Format (Absenkung des Trägers im 100 bzw. 200 ms-Takt) aus, also durch Amplituden- und Impulsdauermodulation. Die Reichweite des Senders soll für das Bundesgebiet ausreichen, in der Praxis müssen jedoch diesbezüglich oft Abstriche gemacht werden, da der übliche Montageort, der Signalmaste oder Geräteschränke, den Empfang der Ferritantenne durch seine Metallmasse bedämpfen.

Nutzung der elektromagnetischen Mikrowelle im GHz-Bereich

Bekannte Anwendung ist das sogenannte “Radar” zur Geschwindigkeitsmessung durch die Behörden oder die Geschwindigkeitsanzeigen an Ortseingängen. Die grundsätzliche Funktion des Mikrowellensystems basiert auf dem Dopplereffekt.

Auch der ÖPNV (Öffentlicher Personennahverkehr) nutzt diesen Frequenzbereich zur Anforderung und Bevorzugung seiner Fahrtrichtung an LSA. Für diese Anwendung kommt aber auch der 70cm-Frequenzbereich zum Einsatz.

Dabei wird per Codeübertragung vom Sender des Fahrzeuges zu einem Empfänger am Knotenpunkt nicht nur schnellst möglich die Grünphase eingeleitet, sondern auch jedes Fahrzeug identifiziert und über ein Rechnersystem die genaue Fahrplaneinhaltung überprüft. Eine Positionserfassung der Fahrzeuge durch die Leitzentrale ist durch GPS-Lokalisierung, in erstaunlich genauem Maße aber auch durch die Messung der Radumdrehungen der Busse möglich. Diese Positionserfassung, die als dritte Möglichkeit auch durch Referenzbaken sichergestellt werden kann, ist vorallem dafür erforderlich, um die Lichtsignalanlage zum richtigen Zeitpunkt zu beeinflussen, denn wirksam wird die Anforderung von Grünphasen nur in bestimmten Zeitfenstern.

Für allgemeinen Anforderungsbetrieb werden außer den Induktionsschleifen auch Mikrowellendetektoren verwendet. Die über eine Richtantenne abgestrahlten, unmodulierten elektromagnetischen Wellen decken einen bestimmten Erfassungsbereich ab (ca. 30 bis 50 Grad), in dem jeder Gegenstand eine Reflexion der Wellen verursacht. Diese werden wieder empfangen. Handelt es sich um einen unbeweglichen Gegenstand, ist die reflektierte Frequenz gleich der gesendeten. Bewegt sich dagegen z.B. ein Fahrzeug vom Sender weg oder hin, so ändert sich die vom Fahrzeug reflektierte Frequenz. Wie aus der Akustik bekannt erhöht sich die Frequenz bei einem sich nähernden Fahrzeug. Diese Frequenzverschiebung ermittelt der Empfänger durch Mischung mit einem abgeschwächten Signal der Sendefrequenz in einer Schottky-Mischer-Diode. Die nach der Formel ermittelte Differenzfrequenz (=Dopplerfrequenz)

f_d = f_e – f_s

und

f_d = 2 * f_s * (V_r / c)

mit V_r = Fahrgeschwindigkeit und c = Lichtgeschwindigkeit

wird verstärkt, gefilter und nach der Digitalisierung in einem Rechner anhand von Logiken ausgewertet.

Die einfachste Form der Auswertung ist die Erkennung der Anwesenheit, wenn die Signalamplitude einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Diese Form ist recht störanfällig, da z.B. ein schnell geöffnetes Fenster oder spielende Kinder zu einer Auswertung führen können.

Bei einer weiteren Auswerteart wird die Form der Signaländerung berücksichtigt, indem sie die Plausibilität des zeitlichen Verlaufs der Signaländerung mit Vorgaben vergleicht. Ähnliche Anwendungen sind die elektronische Spracherkennung oder die von der EDV her bekannte Schrifterkennung, bei der die Signalform auf eine gewisse, besser gesagt typische Form hin überprüft wird. Kurze Sörimpulse oder Signaleinbrüche führen hier nicht so schnell zur Fehlinterpretation.

Geschwindigkeitsmessungen erfordern die Auswertung der Dopplerfrequenz. Die häufigste Fehlerursache bei Geschwindigkeitsmessungen ist, dass die Messung nicht frontal, sondern mit einem Seitenabstand durchgeführt wird. Das betrifft besonders Handgeräte, da der Betreiber am Straßenrand steht. Der Messfehler unterliegt dabei der geometrischen Sinusfunktion.

Mit prinzipiell gleicher Auswertelogig finden auch Infrarot-Detektoren Anwendung. Durch die noch kürzere Wellenlänge der IR-Frequenz (spektrale Empfindlichkeit bei 8 -14 µm) ändert sich aber das Störverhalten. Dabei spielen Reflektionen keine Rolle mehr, dafür aber ungewollte Wärmeausstrahlungen. Objektgeschwindigkeiten von unter 0,2 m/s sind hiermit detektierbar.

Bild 5: Beeinflussung der Signalanlage durch Straßenbahn

Bild 6: Beeinflussung der Signalanlage durch Linienbus

Die Feldversuche des Autobahn-Gebühren-Erfassungssystem AGE auf der A555 Anfang der 90iger Jahre haben gezeigt, dass sich die ganze Breite der VHF, UHF und EHF-Frequenzen zur Detektion und Datenübertragung im Straßenverkehr prinzipiell eignen.

Angesichts des mittlerweile in Betrieb befindlichen Mautsystems von TollCollect mag AGE anachronistisch erscheinen, aber die Erkenntnisse durch die AGE-Forschung sind schließlich in das heutige System eingeflossen. Außerdem wissen wir heute, dass mit unseren Steuergeldern ein System geschaffen wurde, dass für Geschwindigkeiten über 200km/h und gleichzeitigem Spurwechsel ausgelegt, also auch für ganz schnelle LKW geeignet ist!

Zurück zum AGE: So z.B. im Bereich von 5.795 MHz bis 5.805 MHz. Trotz Dopplereffekte, klimatisch widrigster Bedingungen (Niederschlag, Nebel) und verschiedener Beschaffenheiten von Windschutzscheiben waren über die Anwesenheitserkennung hinweg auch Datenübertragungen möglich sind. Die Grundfunktion ist einfach. In den über der Fahrbahn angeordneten Sendeempfängern wird bei Erkennung eines Fahrzeuges ein Aktivierungssignal ausgesandt, welches die Einheit im Fahrzeug dazu veranlaßt, seine Kennung auszusenden. Mit dem Empfang und der Zuordnung dieser Kennung werden dann z.B. Buchungsvorgänge bei Banken eingeleitet. Eine andere Variante ist die Abbuchung eines Betrages je Streckenabschnitt von der Fahrzeugeinheit, die beispielsweise wie eine Telefonkarte ein gewisses Geldvolumen bereithält. Hierbei werden unter Anderem IR – Sendeempfänger sowohl stationär als auch im Fahrzeug eingestetzt.

Darüber hinaus verwendete ein anderes System den Frequenzbereich von 24,125 GHz zur Fahrzeugerfassung (Radar) kombiniert mit einem Identifizierungssystem, welches im Bereich von 2,4 – 2,5 GHz für Datenübertragung zuständig ist. Zu nennen wäre außerdem noch ein System, welches im Frequenzbereich von 400 – 500 MHz arbeitet. Dieses würde keine fahrspurenbezogene Einrichtung von Sendeempfängern erfordern, statt dessen reichen hier zur Erfassung und Identifizierung der Fahrzeuge einfache Baken am Straßenrand.

Funkampeln

Funkampeln gibt es auch im wörtlichen Sinne, bei der die einzelnen Signalgeber in direktem Funkkontakt zueinander stehen. Übermittelt werden hier die jeweiligen Schaltzustände, die die weiteren Signalgeber erst zum richtigen Zeitpunkt veranlassen, ihr Signalbild zu ändern. Die Sender modulieren in Frequenzmodulation spezielle Adresscodierungen mit einer Rate von ca. 20 Telegrammen pro Sekunde. Auf 151,09 MHz erreichen die 100mW-Sender laut Hersteller eine garantierte Reichweite von etwa 1,5 km. Tatsächlich würde sich aber kein Betreiber darauf verlassen.