TU Darmstadt / ULB / TUprints

Verkehrsverhalten und Verkehrsablauf auf Fernstraßen mit eHighway-System

Wauri, Danny (2024)
Verkehrsverhalten und Verkehrsablauf auf Fernstraßen mit eHighway-System.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026899
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

[img] Text
Wauri_Dissertation_Verkehrsverhalten_und_Verkehrsablauf_auf_Fernstraßen_mit_eHighway-System.pdf
Copyright Information: CC BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (112MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Verkehrsverhalten und Verkehrsablauf auf Fernstraßen mit eHighway-System
Language: German
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred ; Kaßens-Noor, Prof. Eva
Date: 15 April 2024
Place of Publication: Darmstadt
Series: Schriftenreihe des Instituts für Verkehr, Institut für Verkehrsplanung und Verkehrstechnik
Series Volume: V53
Collation: 391 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 6 March 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026899
Abstract:

Der Straßengüterverkehr als notwendiger Treiber für wirtschaftliche Aktivitäten ist für die meisten Volkswirtschaften unverzichtbar, verursacht jedoch gleichzeitig einen großen Teil der Luftschadstoff- und Treibhausgasemissionen, die dem Güterverkehrssektor weltweit zugerechnet werden. Studien zufolge ist mit einer etwa vierfachen Zunahme des Straßengüterverkehrs von 6,4 Billionen tkm im Jahr 2010 auf 30,9 Billionen tkm im Jahr 2050 zu rechnen. Unter der Annahme, dass konventionelle Diesel-Lkw bis dahin noch immer die überwiegende Mehrheit der schweren Nutzfahrzeuge ausmachen, resultiert ein Anstieg der CO2-Emissionen um rund 300 %. In Deutschland ist der Straßengüterverkehr für 35 % der straßenverkehrsbedingten Treibhausgasemissionen und für mehr als 6 % der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich. Der unentwegt steigende Beitrag schwerer Nutzfahrzeuge zu den Treibhausgasemissionen sowie kaum nennenswerte Verlagerungen des Straßengüterverkehrs auf den Verkehrsträger Schiene erfordern eine rasche Umsetzung verschiedener Maßnahmen, die einen weitgehend emissionsfreien und klimaverträglichen Straßengüterverkehr ermöglichen. Angesichts des bisher erreichten Entwicklungsfortschritts stellt das dynamische Laden per Oberleitung (eHighway-System) eine vielversprechende zukünftige Handlungsalternative dar. Mit dem Feldversuch ELISA wird der Betrieb des eHighway-Systems unter realen Verkehrsbedingungen am Beispiel einer hoch belasteten Fernstraße evaluiert. Durch einen ganzheitlichen interdisziplinären Evaluationsansatz soll der Nachweis eines qualifizierten, sicheren und akzeptierten Systems erbracht werden, das nachweislich in ein Straßenverkehrssystem integriert werden kann. Der Feldversuch ELISA soll somit einen Grundstein für zukünftige Ausbaubestrebungen des eHighway-Systems legen und die Vision eines nahezu emissionsfreien Straßengüterverkehrs Wirklichkeit werden lassen. Vor diesem Hintergrund und der hohen Bedeutung einer verkehrstechnischen Bemessung des eHighway-Systems im Hinblick auf zukünftige Ausbaubestrebungen ist es das Ziel dieser Dissertation, den Verkehrsablauf unter Berücksichtigung des Verkehrsverhaltens der Verkehrsteilnehmenden infolge des eHighway-Systems zu analysieren und zu bewerten. Anhand des Feldversuchs ELISA wird am Beispiel einer Fernstraße mit vierstreifiger Richtungsfahrbahn untersucht, inwieweit sich das Verkehrsverhalten infolge des eHighway-Systems ändert und inwiefern ein Einfluss des eHighway-Systems auf den Verkehrsablauf besteht. Für die Untersuchungen wird das eHighway-System zunächst anhand des bisher erreichten Entwicklungsfortschritts in einen technologischen Reifegrad eingeordnet. Anschließende Betrachtungen zum Feldversuch ELISA schaffen den Übergang zum Verkehrsverhalten und Verkehrsablauf auf Fernstraßen. Hierfür werden Grundlagen zum Verkehrsverhalten und zum Verkehrsablauf auf Fernstraßen dargelegt. Anhand identifizierter relevanter Kenngrößen zum Verkehrsverhalten und zum Verkehrsablauf werden im Verbund mit Beschreibungen zum eHighway-System Forschungshypothesen zum Verkehrsverhalten und zum Verkehrsablauf aufgestellt. Für die Überprüfung der Forschungshypothesen finden drei Untersuchungsmethoden Anwendung, die je nach Forschungsfrage separat, sequenziell oder im Verbund herangezogen werden. Eine Personenbefragung zum Verkehrsverhalten auf Fernstraßen (subjektive Betrachtungsweise) analysiert verschiedene Gruppen von Verkehrsteilnehmenden hinsichtlich ihrer spezifischen Reaktionen auf das eHighway-System und möglicher Änderungen im Verkehrsverhalten. Das Kernstück der Dissertation bildet die Analyse des Verkehrsablaufs über definierte Zeiträume und über definierte Klassenbreiten einer Kenngröße zum Verkehrsablauf (objektive Betrachtungsweise). Hierbei werden die Kenngrößen des Verkehrsablaufs ohne eHighway-System den Kenngrößen des Verkehrsablaufs desselben Streckenabschnitts mit eHighway-System gegenübergestellt. Dadurch gelingt es, mögliche Änderungen infolge einer Errichtung des eHighway-Systems zu identifizieren. Die Analyse über definierte Zeiträume erfolgt arithmetisch unter Berücksichtigung des Handbuchs für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen. Die Analyse über definierte Klassenbreiten einer Kenngröße zum Verkehrsablauf erfolgt gemäß der empirischen Verteilung der aggregierten Verkehrsdaten über mathematische Beweisführungen. Hierbei werden einerseits die kumulierten Häufigkeiten einer definierten Klasse betrachtet. Anderer-seits werden mehrere Stichproben je Messquerschnitt und messquerschnittsübergreifend hinsichtlich Änderungen in deren Standardabweichungen und Mittelwerten gegenübergestellt. Dabei werden im Falle einer Normalverteilung ausgewählter Stichproben der Betrachtungsjahre 2017, 2019, 2020 und 2021 der parametrische zweiseitige t-Test (gleiche Varianzen) und der parametrische zweiseitige Welch-Test (ungleiche Varianzen) herangezogen. Folgt die Stichprobe nicht der Annahme einer Normalverteilung, findet der nicht-parametrische zweiseitige Mann-Whitney U-Test Anwendung. Das Bindeglied zwischen der subjektiven Betrachtungsweise auf der einen Seite und der objektiven Betrachtungsweise auf der anderen bildet eine Simulation des Verkehrsablaufs. Mit Hilfe der Simulation (PTV Vissim 2020) wird die zukünftige Entwicklung des Verkehrsablaufs unter Berücksichtigung eines erhöhten prozentualen Anteils an Oberleitungs-Lkw abgeschätzt und bewertet. Dadurch gelingt es, den Einfluss des eHighway-Systems auf das Verkehrsverhalten und auf den Verkehrsablauf einer Gesamtprüfung zu unterziehen. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen eine grundsätzliche Aufgeschlossenheit der Verkehrsteilnehmenden gegenüber dem eHighway-System. Auch dem Feldversuch ELISA wird eine hohe Sinnhaftigkeit beigemessen. Infolge eines bisher noch als unzureichend anzusehenden Grades an Informiertheit werden jedoch Befürchtungen vor einer erstmaligen Befahrung des eHighway bei den Verkehrsteilnehmenden deutlich. Dabei werden vermehrt Befürchtungen bzgl. Behinderungen von Rettungseinsätzen und Ablenkungen vom Verkehrsgeschehen identifiziert. Befürchtungen resultierend aus der Oberleitungsinfrastruktur oder den Oberleitungs-Lkw bestehen hingegen weniger. Grundsätzlich zeigen die Betrachtungen, dass sich die Verkehrsteilnehmenden nicht in ihrem Sicherheitsempfinden bei einem Befahren des eHighway-Streckenabschnitts beeinträchtigt fühlen. Unter Berücksichtigung der identifizierten Befürchtungen der Verkehrsteilnehmenden zeigen die Analysen, dass die daraus resultierenden hypothetischen Änderungen im Verkehrsverhalten mit vermehrten Befahrungen des eHighway-Streckenabschnitts abnehmen. Es stellt sich heraus, dass nur ein geringer Anteil der Verkehrsteilnehmenden in den Fahrtätigkeiten von dem eHighway-System beeinflusst wird. Dabei wird den Oberleitungs-Lkw ein größerer Einfluss zugesprochen als der eHighway-Infrastruktur. Detaillierte Analysen zeigen, dass etwa die Hälfte der Verkehrsteilnehmenden dazu neigt, bzw. dazu neigen würde, die Geschwindigkeit infolge des eHighway-Systems zu reduzieren - ähnlich dem Fahrstreifenwechselverhalten aus Neugier und nicht aus Unsicherheit oder Angst. Analysen der erhobenen Verkehrsdaten belegen dies. So zeigen Untersuchungen bzgl. der Fahrstreifenbelastungen und der mittleren lokalen Geschwindigkeiten vernachlässigbar kleine Unterschiede, die nicht auf das eHighway-System zurückzuführen sind. Die Änderungen im Verkehrsverhalten sind demnach vermeintlich und entsprechen nachweislich nicht dem tatsächlichen Verkehrsverhalten. Insgesamt ergibt sich die Erkenntnis, dass sich das Verkehrsverhalten nicht infolge der eHighway-Infrastruktur oder der Oberleitungs-Lkw ändert. Folglich zeigen unter Berücksichtigung nachweislich vernachlässigbar kleiner Unterschiede in den Verkehrsstärken zwischen den Jahren 2017 und 2019 sowie 2020 und 2021 die Analysen zum Verkehrsablauf infolge des eHighway-Systems ein äußerst positives Gesamtbild. Die in den Forschungshypothesen formulierten Änderungen im Verkehrsverhalten spiegeln sich nicht in den Kenngrößen zum Verkehrsablauf wider. Auch bei einem gesteigerten Anteil der Oberleitungs-Lkw werden keine wesentlichen Unterschiede deutlich. Es sind lediglich für den Leichtverkehr vernachlässigbar kleine Unterschiede erkennbar. Diese werden mit einem weiter zunehmenden Anteil an Oberleitungs-Lkw und resultierenden abnehmenden Überholvorgängen der konventionellen Lkw (Anzahl konventionelle Lkw verringert sich) rückläufig. Insgesamt wird durch die Analysen eindeutig belegt, dass sich der Verkehrsablauf infolge der Oberleitungs-Lkw nicht wesentlich ändert. Bei einem gesteigerten Anteil der Oberleitungs-Lkw von 50 % am Schwerverkehrsanteil ist anfangs davon auszugehen, dass kleine Unterschiede in den Kenngrößen bestehen, diese werden jedoch mit einem weiter zunehmenden Anteil und durch einen Gewöhnungseffekt der Verkehrsteilnehmenden abnehmen. Der Verkehrsablauf bleibt folglich auch mit einer zunehmenden Anzahl von Oberleitungs-Lkw unverändert. Dies verdeutlichen Analysen der Qualitätsstufen des Verkehrsablaufs auf dem eHighway-Streckenabschnitt. Ein Vergleich vor und nach der Errichtung der eHighway-Infrastruktur zeigt keine wesentlichen Veränderungen. Es wird somit nachgewiesen, dass kein Einfluss des eHighway-Systems auf die Qualitätsstufen des Verkehrsablaufs besteht. Die Analysen zum Verkehrsverhalten der Verkehrsteilnehmenden und zum Verkehrsablauf am Beispiel einer hoch belasteten Fernstraße zeigen schlussendlich, dass das eHighway-System keinen bedeutungsvollen Einfluss auf Verkehrsverhalten und den Verkehrsablauf ausübt. Mit diesen Erkenntnissen können die Wirkungen des eHighway-Systems im realen Verkehrssystem im Zusammenwirken mit bestehenden Strategien des Verkehrsmanagements und der Instandhaltung der Straßeninfrastruktur bewertet werden. Zudem ermöglichen die Ergebnisse, betriebliche Prozesse des eHighway in Wechselwirkung mit den Anforderungen der Verkehrsbeeinflussung, des Straßenbetriebsdienstes und des Störfallmanagements gezielt zu steuern und aufeinander abzustimmen. Das Ergebnis bietet letztlich eine weitere Entscheidungsgrundlage für zukünftige Planungen und verkehrstechnische Bemessungen des eHighway-Systems. Die hier erbrachten Ergebnisse in Kombination mit einem breiten interdisziplinären Forschungsspektrum sowohl in ELISA als auch in anderen Forschungsprojekten können im Einklang mit den stetigen technischen Weiterentwicklungen zum eHighway im Verbund mit anderen Technologien maßgeblich dazu beitragen, in Zukunft einen weitgehend emissionsfreien Straßengüterverkehr Wirklichkeit werden zu lassen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Road freight transport, as a necessary driver of economic activities, is indispensable for most economies, however, it simultaneously causes a large share of greenhouse gas emissions that are attributed to the freight transport sector globally. According to studies, road freight transport will approximately quadruple from 6.4 trillion tkm in 2010 to 30.9 trillion tkm in 2050. Assuming that conventional diesel trucks will still make up the vast majority of heavy goods vehicles by that time, this will result in an increase in CO2 emis-sions of around 300 %. In Germany, road freight transport is responsible for 35 % of road traffic-related greenhouse gas emissions and for more than 6 % of the total CO2 emissions. The continuously increasing contribution of heavy goods vehicles to greenhouse gas emissions, as well as hardly any significant shifts of road freight transport onto the rail mode, demands a rapid implementation of various measures that enable a substantially emission-free and climate-friendly road freight transport. In view of the development progress achieved so far, the eHighway system represents a promising alternative future course of action. In the ELISA field trial, the operation of the eHighway system has been evaluated under real traffic conditions using a heavily trafficked highway as an example. Through a holistic interdisciplinary evaluation approach, the aim of ELISA is to provide evidence of a qualified, safe, and accepted system that can be integrated into a road transport system. ELISA is thus intended to lay a foundation for future efforts to expand the eHighway system and realize the vision of nearly emission-free road freight transport. In light of this background and the great importance of a traffic-related assessment of the eHighway system in regard to future expansion efforts, the main objective of this dissertation is to analyze and evaluate the traffic flow under consideration of the traffic behavior of the road users as a result to the implementation of the eHighway system. Based on the ELISA field trial, this study will examine the extent to which traffic behavior changes as a result of the implementation of the eHighway system and the extent to which the eHighway system influences traffic flow using the example of a four-lane highway. For this study, the eHighway system will first be classified into its technological readiness level based on the development progress achieved so far. Subsequent examinations of the ELISA field trial establish the transition for analyzing traffic behavior and traffic flow on highways. For this purpose, fundamentals of traffic behavior and traffic flow on highways will be presented. Based on identified relevant parameters of traffic behavior and traffic flow in combination with a general description of the eHighway system, research hypotheses are developed to investigate the impact of the eHighway system on traffic behavior and traffic flow. These research hypotheses are examined using three different methods, which are used separately, sequentially, or in combination, depending on the specific research question. A survey of the traffic behavior on highways (subjective approach) will analyze various groups of road users regarding their specific reac-tions to the eHighway system and the possible resulting changes in their traffic behavior. The core of the dissertation is the analysis of the traffic flow over defined periods of time and over defined class ranges of a traffic flow parameter (objective approach). Through this objective approach, the parameters of traffic flow without the eHighway system are compared to the parameters of traffic flow with the eHighway system on the same road section. This allows the identification of possible changes as a result of the construction of the eHighway system. The analysis over defined periods of time is carried out arithmetically, considering the guidelines provided in the "Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen" (“manual for the design of road traffic facilities”). According to the empirical distribution of parameter, the analysis over defined class ranges of a traffic flow parameter is carried out via mathematical proofs. For this purpose, on the one hand, the cumulated frequencies of a defined class are considered and, on the other hand, several samples per cross-section measurement and per across cross-section measurement are compared regarding changes in their standard deviations and median values. In the case of a normal distribution of selected samples for the years 2017, 2019, 2020 and 2021, the parametric two-sided t-test (equal variances) and the parametric two-sided Welch test (unequal variances) are used. If the sample does not follow the basic assumption of a normal distribution, the non-parametric two-sided Mann-Whitney U test is applied. The link between the subjective approach on the one hand and the objective approach on the other represents a simulation of the traffic flow. With the help of the simulation (PTV Vissim 2020), the future development of the traffic flow can be estimated and evaluated, considering an increased percentage of overhead contact line trucks. This makes it possible to assess the influence of the eHighway system on traffic behavior and traffic flow to an overall test. The results of this dissertation show that road users are generally open to the eHighway system. The ELISA field trial is also perceived as highly meaningful. However, due to a perceived lack of sufficient information, fear about driving on the eHighway for the first time are apparent among road users. Fears regarding potential obstruction of rescue operations and distractions from traffic are identified more frequently than concerns related to the eHighway infrastructure or overhead contact line trucks. Generally, the analyses show that the road users do not feel impaired in their perception of safety when driving on the eHighway section. Considering the identified fears of road users, the analyses show that the resulting hypothetical changes in traffic behavior decrease with increased usage of the eHighway section. It demonstrates that only a small proportion of road users are influenced by the eHighway system in their driving behavior. The influence of the overhead line trucks is considered to be greater than that of the eHighway infrastructure. Detailed analyses reveal that approx. half of all road users tend resp. would tend to reduce their speed due to the eHighway system. Similarly, the lane-changing behavior is also based on curiosity rather than insecu-rity or fear. Analyses of the traffic data prove these facts. Investigations into lane occupancy and average local speeds show negligible differences that cannot be attributed to the eHighway system. The changes in traffic behavior are therefore also hypothetical in their nature and demonstrably do not correspond to actual traffic behavior. Overall, it is evident that traffic behavior does not change because of the eHighway infrastructure or the presence of overhead contact line trucks. Consequently, considering demonstrably negligible differences in traffic volumes between the years 2017 and 2019 and 2020 and 2021, the analyses of traffic flow resulting from the eHighway system show a posi-tive overall picture. The hypothetical changes in traffic behavior are not reflected in the actual traffic flow parameters. Even with an increased share of overhead contact line trucks in heavy goods traffic, no significant differences become apparent. Only minor differences are discernible for light traffic. However, with an increasing share of overhead contact line trucks and resulting decreasing numbers of overtaking maneuvers by conventional trucks (number of conventional trucks decreases), these minor differences will decrease further. The analyses, however, clearly show that the traffic flow does not change significantly because of the introduction of overhead contact line trucks. With an increased overhead contact line trucks share of 50 % of heavy goods vehicles, slight differences in the parameters can be assumed initially, but these will decrease with increasing shares and due to a habituation effect of the road users. Consequently, the traffic flow remains unchanged regardless of the increasing number of overhead contact line trucks. This is also shown by analyses of the traffic flow quality levels on the eHighway section. A direct comparison before and after the construction of the eHighway infrastructure shows no significant changes. It is thus proven that the eHighway has no influence on the quality levels of the traffic flow. The analyses of the traffic behavior of the road users and the traffic flow on highly frequented highways conclusively show that the eHighway system has no significant influence on traffic behavior and traffic flow. With these conclusions, the effects of the eHighway system on real traffic system can be evaluated along with existing traffic management and road infrastructure maintenance strategies. In addition, the results allow the operational processes of the eHighway to be controlled and coordinated in interaction with the requirements of traffic control, road operation services, and incident management. Finally, the results provide a basis for future decision-making for future planning and traffic-related assessments of the eHighway system on highways. The results achieved by this research, in combination with a broad interdisciplinary research spectrum both from ELISA as well as in other research projects, will most probably contribute significantly to achieving largely emission-free road freight transport in the future, along with the constant technical developments of the eHighway in conjunction with other technologies.

English
Uncontrolled Keywords: eHighway, Verkehrsablauf, Verkehrsverhalten, Oberleitung, Dynamische Ladesysteme, Simulation, Analyse
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-268995
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
TU-Projects: Bund/BMU|16EM3127-2|ELISA
VDI|16EM4002-1|ELISA II-B
Date Deposited: 15 Apr 2024 12:12
Last Modified: 16 Apr 2024 06:54
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26899
PPN: 517158337
Export:
Actions (login required)
View Item View Item