Verkehrsmodellierung: Herausforderungen und Lösungen

Wie erstellt man ein Verkehrsmodell? Wofür werden Verkehrsmodelle benötigt? Welche Rolle spielen Verkehrsmodelle in der Verkehrsplanung? Braucht meine Stadt ein Verkehrsmodell? Was ist das Ziel und der Zweck der Verkehrsnachfragemodellierung? Wir klären die wichtigsten Fragen rund um das Thema Verkehrsmodellierung.

Stadt- und Verkehrsplaner stehen heute vor vielen teils gegensätzlichen Anforderungen. Eine Verkehrswende hin zu nachhaltiger Mobilität ist dringen notwendig, um Herausforderungen wie den Klimawandel oder die wachsende Urbanisierung zu bewältigen und ein lebenswertes Umfeld zu schaffen. Gleichzeitig wächst die Nachfrage nach Mobilität und einfach zugänglichen Verkehrsmitteln stetig. Jeder von uns erwartet eine möglichst sichere, komfortable und schnelle Mobilität. Planner stehen dabei zusätzlich unter dem Druck, zuverlässige, effiziente und möglichst kostengünstige Lösungen zu finden.

In der Verkehrsplanung und der Entwicklung von fortschrittlichen Mobilitätssystem spielt die Prognose des Reiseverhaltens und damit der Nachfrage nach Mobilität eine entscheidende Rolle. Nur wer einschätzen kann, wie und wo sich wie viele Menschen in Zukunft bewegen werden, kann die richtigen Entscheidungen für ein zukünftiges Mobilitätssystem treffen. Die Verkehrsmodellierung ermöglicht es den Planern, die aktuellen Probleme in ihrem Verkehrssystem zu verstehen, Möglichkeiten zu erkennen und die potenziellen Auswirkungen geplanter Entwicklungen und zu messen. Dies ist die Grundlage für fundierte Entscheidungen und die Festlegung des richtigen Rahmens für die Zukunft des Verkehrs.

Produktempfehlung:

Was ist ein Verkehrsmodell?

Ein Verkehrsmodell ist eine detaillierte digitale Nachbildung eines realen Verkehrs- und Flächennutzungssystems. Es bildet die zahlreichen komplexen Bewegungsmuster und -entscheidungen der Menschen und damit die Höhe der Nachfrage nach Mobilität in Relation zu den Kapazitäten im Netz ab.

Verkehrsmodellierungen sind dabei nicht auf den Autoverkehr beschränkt, sondern multimodal. Alle Verkehrsträger und Verkehrsteilnehmer, einschließlich des öffentlichen Verkehrs, und ihre Interaktionen können modelliert werden.  Verkehrsmodelle sind eine Art digitale Spielwiese, um die Auswirkungen verschiedener Verkehrs- und Flächennutzungsoptionen zu bewerten und zu ermitteln, wie leistungsfähig das Verkehrssystem in Zukunft sein wird.  

Die Verkehrsmodellierung ist somit entscheidendes Instrument für eine zuverlässige Stadt- und Verkehrsentwicklungsplanung. 

Wofür werden Verkehrsmodelle benötigt?

Verkehrsmodelle sind das Herz und die Grundlage jeder Verkehrsplanung. Verkehrssysteme bestehen aus zahlreichen Komponenten. Zahlreiche Akteure bringen ihre Perspektiven und Interessen ein. Zudem ist Verkehr mit vielen anderen Gesellschaftsaspekten verknüpft. Es geht in der Verkehrsplanung daher in der Regel nicht darum, die "eine optimale Lösung" zu finden, sondern eine Reihe möglicher Strategien und äußerer Bedingungen zu berücksichtigen, um geeignete Maßnahmen für die politische oder wirtschaftliche Entscheidungsfindung vorzuzuschlagen.

Tools zur Verkehrsmodellierung ermöglichen es Modellierern, schnell verschiedene Szenarien für ein Verkehrssystem zu entwickeln und sie unter einer Reihe von angenommenen zukünftigen demografischen oder wirtschaftlichen Bedingungen zu testen.

Die Frage, wo die Menschen in Zukunft leben und arbeiten und wie und wohin sie sich fortbewegen werden, ist entscheidend für die Planung von Infrastruktur und Verkehrsdienstleistungen und für die Schaffung eines zukunftsfähigen Mobilitätssystems. Verkehrsnachfragemodelle bilden alle mobilitätsrelevanten Entscheidungsprozesse ab, die zu Ortveränderungen führen. Im Modell werden Zukunftsszenarien für Bevölkerungswachstum, Flächennutzung, Verkehrsnetze und Mobilitätsverhalten erstellt, um die Auswirkungen dieser Veränderungen zu bewerten. Im virtuellen Umfeld kann dann beispielweise analysiert werden, ob in Bezug auf die zukünftige Nachfrage eine neue Autobahnspur sinnvoll ist, wie das öffentliche Nahverkehrsnetz am besten ausgebaut werden sollte, wo gute Standorte für neue Bus-Terminals oder auch Logistik-Hubs sind, oder wie sich das Mobilitätsverhalten der Menschen verändert, wenn autonome Fahrzeuge zur Verfügung stehen.

Die Verkehrsmodellierung ermöglicht den Planern

  • fortschrittliche und zukunftssichere Verkehrsstrategien und -lösungen zu entwickeln
  • Verkehrsanalysen und -prognosen durchzuführen
  • Den öffentlichen Verkehr zu planen 
  • den Rahmen für die Anpassung an neue Mobilitätsdienste wie das autonome Fahren festzulegen

Wie werden Verkehrsmodelle eingesetzt?

Verkehrsplaner und -ingenieure setzten Verkehrsmodellierungen für verschiedenste Anwendungsfälle ein. Hier einige Beispiele:

Masterpläne für den Verkehr und Infrastrukturplanung

Städte und Gemeinden stehen heute vor der großen Herausforderung, eine Mobilitätsinfrastruktur zu schaffen, die alle möglichen Bedürfnisse berücksichtigt. Dabei spielen nicht nur die effiziente Fortbewegung von Menschen und Gütern eine Rolle, sondern auch Aspekte wie Sicherheit und Nachhaltigkeit. Ein Verkehrsmodell hilft dabei, neue Infrastrukturen so zu planen und zu konzipieren, dass zukünftige Entwicklungen berücksichtigt werden und sie leicht an sich verändernde demografische, wirtschaftliche oder räumliche Gegebenheiten angepasst werden können.

Verkehrsmodellierung ermöglicht:

  • Die Planung neuer Infrastruktur
  • Eine langfristige Entwicklung der Verkehrsinfrastruktur entsprechend den demografischen Prognosen und der Entwicklung der Flächennutzung 
  • Erreichbarkeit

Planung von öffentlichem Verkehr und Bahnverkehr

Wie und wo sollte das Liniennetz erweitert werden? Wo werden neue Haltestellen benötigt? Welche Taktung bedient die Nachfrage und schafft ein attraktives Angebot? Verkehrsmodelle unterstützten Planer im öffentlichen Verkehr in der nachfragebasierten und serviceorientierten ÖV-Netz- und Angebotsplanung für alle Arten von öffentlichen Verkehrsmitteln – egal Busse, Straßenbahnen, U-Bahnen, Taxis oder Züge, zum Beispiel bei:

  • Der Entwicklung von Linien und Fahrplänen für die kommenden Jahre (1, 5, 10 Jahre) 
  • Flottenplanung (langfristige Fahrzeugbeschaffung), Fahrzeugzuweisung 
  • Der Planung für den Betrieb von Elektrobussen 
  • Der Planung von Dienstleistungen, 
  • Der Ausschreibung von Teilnetzen etc. in öffentlichen Verkehrsbetrieben 
  • Der Zuteilung von Einnahmen und Subventionen an die Betreiber nach Agenten
  • Der Bewertung von Tarifstrukturen 

Entwicklung von Regularien in der Verkehrspolitik

Verkehrsmodelle liefern eine wichtige Grundlage, um Rahmenbedingungen und Regularien in der Verkehrspolitik festzulegen. Beispielsweise bei der Einführung von Umweltzonen oder anderen verkehrsregulierenden Maßnahmen, oder als Basis für ein effizientes Verkehrsmanagement.

Planung von neuen Mobilitätsdiensten

Die Zukunft der Mobilität ist elektrisch und autonom. Ride- und Carsharing werden immer wichtiger. In der Verkehrsplanung gilt es, sich auf diese Mobilitätsdienste und -angebote einzustellen und die Infrastruktur entsprechend anzupassen. Wie kann die Ladeinfrastruktur für E-Mobilität strategisch geplant werden? Welche Auswirkungen werden autonome Fahrzeuge auf den Verkehrsfluss und die Verkehrskapazität haben? Wie können On-Demand- und Sharing-Dienste so geplant werden, dass sie den bestehenden öffentlichen Verkehr bereichern? Um die richtigen Weichen für ein zukunftsfähiges Mobilitätsökosystem zu stellen, sind Verkehrsmodellierungen unverzichtbar.

 

Wie sieht der Arbeitsablauf bei der Entwicklung, Pflege und Anwendung eines Verkehrsmodells aus?

In der strategischen Verkehrsplanung unterscheidet man in der Regel zwischen Modellentwicklung und Modellanwendung. Im Prozess der Modellentwicklung wird ein Basismodell erstellt, das die Mobilität in den Planungsregionen zu einem bestimmten Zeitpunkt (dem Basisjahr) so genau wie möglich abbildet. Dieses Modell wird aus verschiedenen Datenquellen aufgebaut, die sich auf das Basisjahr beziehen. Durch die Anpassung verschiedener Parameter wird das Modell so kalibriert, dass es mit Erhebungsdaten (z. B. Fahrzeugzählungen, Fahrgastzahlen im öffentlichen Nahverkehr, Fahrtstreckenverteilungen usw.) übereinstimmt, die ebenfalls für das Basisjahr erhoben wurden. Aufgrund dieser Anforderungen an Daten und Kalibrierung bildet das Basisjahr häufig nicht das eigentliche Jahr ab, in dem das Modell entwickelt wird, sondern ein vorangegangenes.

Wenn das Basismodell kalibriert und abgenommen ist, kann es in vielen verschiedenen Anwendungen zur Entwicklung von Projekten und Testszenarien genutzt werden. So wird es meist verschiedenen Behörden oder Beratungsunternehmen für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt.

Da sich ein Verkehrssystem im Laufe der Zeit weiterentwickelt, muss auch das Basismodell gepflegt und aktualisiert werden, damit es für die Modellregion repräsentativ bleibt. Größere Aktualisierungen eines Modells erfordern in der Regel auch eine Rekalibrierung. Wie auf ein Modell aktualisiert wird, hängt vom Budget und vom Umfang der Mobilitätsveränderungen ab.

Was sind makroskopische, mesoskopische und mikroskopische Modelle?

Ob ein Modell als makroskopisch, mesoskopisch und mikroskopisch bezeichnet wird, hängt vom Detailgrad ab, mit dem insbesondere der Straßenverkehr modelliert wird. Bei makroskopischen Modellen wird der Verkehr mit einem Flussmodell, ähnlich wie ein Wasserstrom, modelliert. Die Ergebnisse sind Ströme bzw. Mengen an Fahrzeugen oder Personen auf z.B. auf Strecken oder Abbiegern – sog. Belastungen –, die mit rationalen Zahlenwerten wiedergegeben werden. Makroskopische Modelle können zur Bewertung des Verkehrs in großräumigen Netzen verwendet werden – ohne allzu feine Simulationsdetails.

Mikroskopische Modelle bieten dagegen eine detaillierte Simulation einzelner Fahrzeuge mit samt ihrer Geschwindigkeiten und präzisen Bewegungen. Daraus ergeben sich detaillierte Trajektorien einzelner Fahrzeuge. Aufgrund des höheren Rechenaufwands sind mikroskopische Modelle für große Netze weniger geeignet. 

Mesoskopische Modelle (oder simulationsbasierte Umlegungsmodelle) kombinieren Aspekte makro- und mikroskopischer Modelle, indem sie den Verkehr in großen Netzen anhand eines vereinfachten Fahrverhaltensmodells simulieren. Dabei werden Aspekte wie Beschleunigung oder Abbremsung ignoriert. So bieten mesoskopische Modelle ausreichend Details für die Bewertung von Verkehrsmanagementmaßnahmen usw., sind aber dennoch auf große Netze anwendbar.  

Welche Methoden werden in der Verkehrsmodellierung angewandt?

Es stehen verschiedene mathematische Ansätze in der Verkehrsmodellierung zur Verfügung. Welche zum Einsatz kommen, hängt von verschiedenen Aspekten, wie etwa dem erforderlichem Detaillierungsgrad, dem Prognosezeitraum, den verfügbaren Eingangsdaten oder auch von Ressourcen und Know-how ab. Über einen langen Zeitraum hat sich dabei insbesondere eine aggregierte Methode, das so genannte 4-Stufen-Modell, etabliert. In jüngster Zeit wurden zudem detailliertere, disaggregierte Ansätze, die als aktivitätsbasierte oder agentenbasierte Modellierung (ABM) bezeichnet werden, eingeführt. Beide Ansätze und einige andere Modelltypen werden im Folgenden erläutert:

Das klassische 4-Stufen-Modell zur Prognose der Verkehrsnachfrage

Das 4-Stufen-Modell ist eine etablierte Methode, um die städtische, regionale und nationale Verkehrsnachfrage zu modellieren. Das Verkehrsmodell umfasst vier Schritte, die sich auf Entscheidungen im Reiseverhalten beziehen.

1. Stufe: Verkehrserzeugung – Wie viele?

In der ersten Stufe des 4-Stufen-Modells geht es um die Berechnung des Verkehrsaufkommens oder der Verkehrsleistung im Personen- oder Güterverkehr. Wie viele Fahrten haben in einem bestimmten Gebiet ihren Ursprung oder enden dort? Die verschiedenen Gebiete im Untersuchungsgebiet werden als so genannte Verkehrszellen oder -bezirke – bezeichnet. Es handelt sich dabei beispielsweise um Stadtteile, die Quelle oder Ziel von Ortsveränderungen sind. Verkehrszellen werden auch mit Flächennutzungsdaten wie der Anzahl der Haushalte und der Arbeitsplätze hinterlegt, um das Fahraufkommen zu verstehen.  Der Quell- und Zielverkehr hängt mit verschiedenen Reisezwecken zusammen, zum Beispiel dem Weg zur Arbeit, zum Einkaufen oder zur Freizeitaktivität. Die Erzeugung solcher Ortsveränderungen wird anhand so genannter Mobilitätsraten bestimmt. Das sind Durchschnittswerte, die auf der Anzahl der Personen in Haushalten oder der Anzahl der verfügbaren Fahrzeuge basieren.

In manchen Fällen werden spezielle Verkehrszellen in das Modell aufgenommen, um beispielsweise Einrichtungen wie Flughäfen oder große Fabriken darzustellen, die besondere Merkmale hinsichtlich der Verkehrserzeugung oder -attraktion aufweisen.

Das Ergebnis der Stufe Verkehrserzeugung sind eine Reihe von Quell- und Zielwerten, die jedem Untersuchungsgebiet zugeordnet sind.

 

2. Stufe: Verkehrsverteilung – Wohin?

Die Verteilung des berechneten Verkehrs auf mögliche Ziele ist die zweite Komponente der vierstufigen Verkehrsplanung. Dabei werden die Ausgangsorte der Fahrten mit den Zielorten verknüpft. Die Attraktivität des potenziellen Ziels wird mit dem Aufwand, der erforderlich ist, um dorthin zu gelangen (z. B. Entfernung, Reisezeit und Kosten), abgeglichen. 

Die Gravitationsformel wird auf jedes Verkehrszellenpaar angewandt, mit dem Ergebnis, dass die Ausgangsnachfrage einer Verkehrszelle auf mehrere Zielbezirke aufgeteilt wird. Je nach Segmentierung des Modells können mehrere Verteilungsmatrizen erstellt werden, z. B. nach Reisezweck oder Haushaltseinkommen.

 

3. Stufe: Verkehrsaufteilung – Womit?

Im dritten Schritt werden die genutzten Verkehrsmittel bestimmt, also die Fahrten zwischen den Verkehrszellen den verschiedenen Verkehrsmitteln zugeordnet. Welches Verkehrsmittel die Menschen nutzen, hängt von ihren Präferenzen und weiteren persönlichen Aspekten ab, etwa ob ein Haushalt ein Auto besitzt.  Andere Faktoren wie Reisezeit, Kosten, Verfügbarkeit von Parkplätzen und die Zahl der nötigen Umstiege im ÖV haben einen zusätzlichen Einfluss auf den Modal Split. Diese Variablen und Parameter werden in der Regel in ein Logit-Modell integriert, um die Aufteilung der Nachfrage auf die einzelnen Verkehrsträger zu berechnen.

Als Ergebnis der Verkehrsaufteilung werden die Fahrtenmatrizen aus der vorherigen Stufe der Verkehrsverteilung weiter in Fahrtenmatrizen pro Verkehrsmittel verfeinert.

4. Stufe: Verkehrsumlegung – Wo lang?

In der letzten Stufe, der Verkehrsumlegung, werden die gewählten Routen bestimmt, d.h. die Fahrten mit einem bestimmten Verkehrsträger zwischen Start- und Zielpunkt einem bestimmten Weg zugewiesen. Die Reisematrizen aus den vorangegangenen Stufen werden als Grundlage genutzt, um die Verkehrsströme dem tatsächlichen Netz zuzuordnen.  Das Verkehrsaufkommen auf bestimmten Straßenabschnitten und die Auslastung von öffentlichen Verkehrsmitteln werden berechnet und im Ergebnis analysiert. Für die unterschiedlichen Verkehrsträger werden dabei unterschiedliche Umlegungsverfahren eingesetzt:

Verkehrsumlegung im Straßenverkehr

Straßenverkehr durch Pkw, Lkw usw. ist durch die Straßenkapazität eingeschränkt, daher wird eine iterative Verkehrsumlegung angewandt. Die Verteilung des Verkehrs auf die verschiedenen Strecken beruht in diesem Verfahren auf der Tatsache, dass die tatsächliche Reisegeschwindigkeit auf einer Strecke sinkt, wenn die Auslastung – d.h. das Verhältnis von Verkehrsmenge zu Kapazität -steigt.  Dieser Zusammenhang wird durch eine mathematische Funktion abgebildet, die durch Parameter and die spezifischen Eigenschaften der Strecken angepasst werden kann.  Mit zunehmender Verkehrsbelastung und abnehmender Geschwindigkeit weichen Verkehrsteilnehmende dann z.B. von Hauptverkehrsstraßen auf sekundäre Strecken aus.

Die Verkehrsumlegung verschiebt iterativ Anteile der Nachfrage auf verschiedenen Strecken, bis alle Routen, die einem Paar von Quell- und Zielzellen zugewiesen sind, dieselbe (oder eine sehr ähnliche) Reisezeit (oder generalisierte Kosten) aufweisen. Dieser Ausgleich wird für alle Paare simultan durchgeführt und führt zu einem netzweiten Gleichgewichtszustand, dem so genannten Wardrop-Gleichgewicht. Aufgrund der großen Anzahl der betrachteten Strecken wird das Gleichgewicht nie genau erreicht. Um den Konvergenzgrad anzuzeigen, der im Umlegungsprozess erreicht wurde, wird ein Konvergenzmaß ermittelt. Eine gute Konvergenz des Basismodells ist für die Verkehrsplanung von entscheidender Bedeutung, da es bei einer schlechten unmöglich ist, die Wirkungen der modellierten Maßnahmen zuverlässig von Artefakten und Rauschen des iterativen Umlegungsprozesses abzugrenzen.

Verkehrsumlegung im öffentlichen Verkehr

Umlegungsverfahren für öffentliche Verkehrsnetze funktionieren anders als solche für den Straßenverkehr.  ÖPNV-Netze bestehen aus verschieden Linien mit bestimmten Fahrplänen sowie konkreten Abfahrtszeiten an Haltestellen. Fahrgäste können nur dort zu- und aussteigen. Für manche Bezirkspaare gibt es möglicherweise keine direkte Verbindung, was einen oder mehrere Umstiege erforderlich macht. Auch die Fahrpreise spielen eine Rolle bei der Verbindungswahl.

Es gibt verschiedene Faktoren, die die Routenwahl beeinflussen, wie z. B. die Reisezeit, die Anzahl der Umstiege, die Wartezeiten oder die Ein- und Ausstiegszeiten. In ÖPNV-Umlegungsverfahren werden diese Faktoren in einem Wahlmodell berücksichtigt.

Aus dem ÖPNV-Netz und dem Fahrplan werden verschiedene Verbindungsalternativen abgeleitet. Die Verteilung der Fahrten auf diese Alternativen erfolgt dann auf Grundlage der Präferenzen der Fahrgäste und den bestehenden Lienen, Haltestellen und den Kapazitäten, die für die Analyse zur Verfügung stehen.

Aktive Modi / Verkehrsumlegung im Radverkehr

Obwohl Radfahrer oft die gleiche Infrastruktur nutzen, wie Autofahrer, wird ihre Routenwahl von anderen Faktoren beeinflusst. Die Fahrgeschwindigkeit von Radfahrern hängt anders als bei PKW kaum von Netzkapazitäten ab. Dagegen spielen Aspekte wie Steigungen, der Straßenbelag, Ampeln usw. eine Rolle. Für die Umlegung werden daher Wahlmodelle genutzt, die diese Merkmale widerspiegeln, um die Verkehrsnachfrage der aktiven Modi den verschiedenen Routenalternativen zuzuordnen.

Disaggregierte aktivitätsbasierte / agentenbasierte Modelle (ABM)

Im Gegensatz zu aggregierten fahrt-basierten Verkehrsmodellen, werden in disaggregierten Modellen einzelne Individuen, also Personen und/oder Haushalte mit ihrem genaueren Wohn- und Tätigkeitsort, modelliert. Da individuelle Daten nicht für die gesamte Bevölkerung verfügbar sind, wird aus statistischen Daten und Kenngrößen wie der Verteilungen von Haushaltseinkommen und Alter eine "synthetische Bevölkerung" generiert.

Die Struktur der Wahlmodelle in agentenbasierten Modellen ist üblicherweise sehr flexibel. So können leichter als bei den aggregierten 4-Stufen-Modellen zusätzliche Entscheidungsebenen wie z.B. der Lauf eines Monatstickets oder eines Elektrofahrzeuges einbezogen werden. Mit Hilfe verschiedener Variablen zum Haushalt (z. B. Nutzung des Familienautos), zu langfristigen Entscheidungen (z. B. Autobesitz) und zur Art der Tour (z. B. Fahrt zur Arbeit) können Mobilitätsentscheidungen genau bestimmt werden. Da diese persönlichen oder haushalsbezogenen Merkmale, den einzelnen Person zugeordnet und ihre früheren Mobilitätsentscheidungen bekannt sind, können alle diese Aspekte in jedem folgenden Entscheidungsschritt berücksichtigt werden.  Auch die räumliche und zeitliche Auflösung der Modelle ist in der Regel präziser als bei aggregierten Modellen, so dass realistisch dargestellt werden kann, wie sich eine Person über einen Simulationstag hinweg fortbewegt.

Agentenbasierte Modelle erzeugen Aktivitätspläne, die die täglichen relevanten Ortsveränderungen jeder Person inklusive des Standorts, der Zeit, der Verkehrsmittel sowie der Route umfassen. Dieser synthetische “Tagesplan” bietet eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Modellergebnisse für die Analyse. Da die Ergebnisse als einzelne Touren, Fahrten und Aktivitäten generiert werden, sind sie auch für Nichtfachleute leichter zu verstehen als die traditionellen numerischen Verkehrsströme, die von aggregierten Modellen erzeugt werden. Andererseits sind die Einrichtung und Kalibrierung von ABM-Modellen komplexer als die von aggregierten Modellen.

Andere Modellierungsmethoden

Aggregierte tourbasierte/aktivitätsbasierte Modelle

Aggregierte tourbasierte Modelle beinhalten neben der räumlichen Bündelung und Segmentierung der klassischen 4-Stufen-Modelle auch die Bewegungsmuster von Individuen, die mehrere Aktivitäten an verschiedenen Orten umfassen. Diese Modellierungsmethode enthält also Aspekte von ABM-Modellen sowie von traditionellen aggregierten Modellen.

Inkrementelle / Pivot-Point-Modelle

Pivot-Point-Modelle ähneln einfachen Wachstumsmodellen, die die Änderung der Verkehrsnachfrage aus Änderungen von abhängigen Variablen (z. B. der Änderung des Ticketpreises) ableiten. Anstatt jedoch einfach eine feste Elastizität in Bezug auf eine oder wenige ausgewählte Variablen anzuwenden, spiegeln sie in der Regel die komplexen Entscheidungen der Menschen in einem inkrementellen Logit-Modell wider. Da dieser Ansatz es ermöglicht, verschiedene Variablen zu berücksichtigen, die die Reiseentscheidungen beeinflussen, wird er vielfach bei der Kosten-Nutzenanalyse zur Projektbewertung eingesetzt. Einige nationale Leitlinien (z. B. die britische TAG-Leitlinie, (Transport, 2022)) für die Projektbewertung enthalten detaillierte Anweisungen und Modellparameter für den Arbeitsablauf.

Multimodale Modellierung

Viele Menschen beschränken sich nicht auf ein einziges Verkehrsmittel, um von A nach B zu gelangen. Sie fahren beispielsweise mit dem privaten Pkw zu einem Park & Ride Parkplatz, nutzen dann den öffentlichen Nahverkehr, um ins Stadtzentrum zu gelangen und steigen zum Schluss noch auf den E-Scooter um, um ihr Ziel zu erreichen. Andere Beispiele sind Carsharing- oder Ride-Sharing-Dienste, die zwar mit Autos betrieben werden, aber aus Sicht der Nutzer eine Art öffentliches Verkehrsmittel darstellen. In multimodalen Modellierungen können diese Rahmenbedingungen und die spezifischen Eigenschaften dieser Angebote durch spezielle Verfahren berücksichtigt werden.

Wie wird der Güterverkehr und der Wirtschaftsverkehr berücksichtigt?

Güter- und Wirtschaftsverkehre haben einen großen Anteil am Gesamtverkehrsaufkommen. Aufgrund der großen Vielfalt der beteiligten Akteure sowie der Heterogenität und Komplexität der Logistikketten sind Modellierungen in diesem Bereich weniger standardisiert. Die Verfügbarkeit von Eingabedaten und die Kalibrierung von Modellen schränken ihre breite Anwendung ein. Viele Modelle kleineren Maßstabs (für städtische Gebiete) geben nur eine grobe Einschätzung des Wirtschafts- und Güterverkehrs. Komplexere, maßgeschneiderte Modelle werden oft auf nationaler Ebene erstellt, um den Güterverkehr auf der Grundlage interner und externer Lieferketten zu bewerten.

Wie sind aggregierte Verkehrsmodelle aufgebaut?

Räumlicher Modellaufbau - Was sind Verkehrszellen?

Das Grundprinzip von aggregierten Modellen ist die räumliche Unterteilung des Untersuchungsgebiets in Verkehrszellen. Diese Zonen decken das Untersuchungsgebiet nahtlos ab und sind oft mit administrativen Einheiten (Gemeinden, statistische Blöcke, ...) verbunden, in denen statistische Daten gesammelt werden. Die meisten Eingangsdaten und Ergebnisse werden auf Basis dieser Verkehrszellen aggregiert und können mit GIS-Tools aufbereitet und analysiert werden. Da Verkehrszellen die zentralen Einheiten der Modellberechnungen sind, werden viele Ergebnisse wie Indikatoren für das Leistungsniveau des Netzes, so genannte Kenngrößen (Reisezeit, Kosten, Anzahl der Umstiege im öffentlichen Verkehr usw.) und Verkehrsnachfrageströme (Personenfahrten usw.) zwischen den Verkehrszellen in Form von quadratischen Matrizen erstellt.  Die Zeilen sind die Herkunftszonen und die Spalten sind die Zielzonen.

Segmentierung der Bevölkerung

Menschen haben abhängig von der Lebenssituation und anderen Aspekten unterschiedliche Mobilitätsmuster. Wer arbeitet legt andere Strecken zurück als Studierende oder Rentner.   Menschen in Städten haben einen anderen Zugang zu verschiedenen Verkehrsmitteln als dies in ländlichen Gebieten der Fall ist. In 4-Stufen-Modellen wird das durch eine Segmentierung der Gesamtbevölkerung der Verkehrszellen in verschiedene Gruppen oder "Nachfragesegmente" berücksichtigt. Die Anzahl der Segmente und die für die Segmentierung berücksichtigten Merkmale (z. B. Alter, Beschäftigungsstatus, Pkw-Verfügbarkeit) hängen vom Modellumfang, dem Budget und der Datenverfügbarkeit ab. Für jedes Segment können dann in den Modellierungsschritten individuelle Parameter für Mobilitätscharakteristika nach Zweck, Verkehrsmittelpräferenz, Zeitwert usw. verwendet werden.

Zeitliche Auflösung

Die meisten Verkehrsnachfragemodelle werden für strategische Überlegungen verwendet. Der Planungshorizont liegt im Bereich von Jahren. In diesem Zusammenhang ist es oft ausreichend, das durchschnittliche tägliche Verkehrsaufkommen zu betrachten. Daher sind viele strategische Modelle so konzipiert, dass sie das Verkehrsaufkommen und die Fahrten pro durchschnittlichen Tag modellieren. Da Mobilitätsmuster – insbesondere im Berufsverkehr - in der Regel einen ähnlichen zeitlichen Verlauf haben und die Verkehrsinfrastruktur so gestaltet werden muss, dass sie den Spitzenbelastungen gerecht wird, werden häufig separate Modelle für die Schätzung des Spitzenstundenverkehrs erstellt. Werden Modelle für operative Studien, z. B. für Verkehrsmanagementstrategien, verwendet, kann eine höhere zeitliche Auflösung der Nachfrage, z. B. auf Stundenwerte, erforderlich sein.

Wie werden Verkehrsmodelle erstellt?

Welche Datensätze werden für die Erstellung von Verkehrsmodellen verwendet?

Soweit dies möglich ist, werden Verkehrsmodelle aus vorhandene Datenquellen erstellt, die z.T. speziell dafür aufbereitet werden müssen. Im Allgemeinen werden dafür mehrere Arten von Eingabedaten benötigt.

Verkehrsnetze und Versorgungsdaten

Verkehrsnetze bilden die Grundlage für jedes Verkehrsmodell. Straßennetze können aus Navigationsdatenbanken oder aus GIS-Datensätzen extrahiert werden. Eine gewisse Bearbeitung kann erforderlich sein, um wesentliche, für Verkehrsmodelle spezifische Attribute, wie z. B. die Kapazität, bereitzustellen. Netze des öffentlichen Nahverkehrs und Fahrpläne sind oft in gängigen Formaten wie GTFS aus Fahrplansystemen verfügbar. Andere Netze, z. B. für den Rad-, Schiffs- oder Flugverkehr, können aus GIS-Datensätzen oder anderen Online-Quellen verfügbar sein. Obwohl dies für die meisten Berechnungen nicht erforderlich ist, ist es am besten, wenn die modalen Netze zu einem einzigen multimodalen Netz zusammengeführt werden können, z. B. durch Zuordnung von Buslinien zum Straßennetz. Dies ermöglicht eine multimodale Analyse und die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen den Verkehrsträgern.

Flächennutzung, sozio-demografische und wirtschaftliche Daten

Um Quelle und Ziel von Verkehrsnachfrage zu ermitteln, werden Flächennutzungsdaten, sozio-demographische Daten (Bevölkerung, Alter, Beschäftigung, Einkommen, ...) sowie weitere Daten (Arbeitsplätze, Schulplätze, ...) benötigt. Viele davon liegen beispielweise aus Erhebungen zur Bevölkerung oder Landnutzung in Datenbanken oder GIS-Formaten vor. Bei aggregierten Modellen werden diese Informationen in der Regel auf die Verkehrszellen-Ebene verdichtet, während ABM-Modelle die einzelnen Tätigkeitsorte, Haushaltsstandorte und die synthetische Bevölkerung erhalten.

Parameter zum Mobilitätsverhalten

Die meisten Berechnungen im Verkehrsmodellierungsprozess - unabhängig vom Modelltyp - beruhen auf Parametern, die das menschliche Mobilitätsverhalten beschreiben. Diese Parameter können anhand Haushaltsumfragen oder durch statistische Methoden aus anderen Datensätzen, wie z. B. Mobilfunkdaten, geschätzt werden.

Zählwerte und Erhebungsdaten zur Modellkalibrierung

Obwohl sie für die Modellberechnung selbst nicht benötigt werden, sind Kontrolldatensätze für den Modellkalibrierungsprozess wichtig. Dabei kann es sich um Zählwerte aus manuellen oder automatischen Fahrzeug- oder Fahrgastzählungen oder aus Ticketingsystemen handeln. Verteilungen der tatsächlichen Reisedistanzen, Reisezeiten usw. sind für die Kalibrierung von Nachfragemodellen ebenfalls nützlich und stammen häufig aus Haushaltserhebungen oder Big Data-Analysen.

 

Den Modellablauf definieren

Eine Modellsequenz beschreibt die Abfolge von Berechnungen, Datenverarbeitungsschritten und der Generierung von Ergebnissen, die durchgeführt werden, um das Modell "laufen" zu lassen oder ein Szenario zu bewerten. Abhängig davon welche Software für die Modellierung eingesetzt wird, kann die Sequenz zusammen mit den Berechnungsparametern über eine grafische Benutzeroberfläche oder über eine Skript-/Programmiersprache definiert werden. In vielen Fällen enthalten Modelle für die Verkehrsnachfrage Rückkopplungsschleifen, so dass Teilbereiche der Modellsequenz während eines einzigen Modelllaufs mehrmals ausgeführt werden. Komplexe Modelle oder spezifische Berechnungen können sogar externe Software-Tools für zusätzliche Komponenten aufrufen.

Modellkalibrierung

Um als zuverlässiges Planungsinstrument eingesetzt werden zu können, müssen Verkehrsmodelle eine genaue Nachbildung der Verkehrsmuster im Bezugsjahr darstellen. Nur so können zukünftige Szenarien sinnvoll bewertet werden. Um dies zu erreichen, werden die Modellergebnisse mit erhobenen Daten verglichen, in der Regel zumindest mit Fahrzeugzählungen oder Fahrgastzählungen im öffentlichen Verkehr und/oder der Verteilungen von Fahrstrecken und Fahrzeiten. Auf der Grundlage dieser Vergleiche werden die Modellparameter und andere Aspekte angepasst, bis die Kalibrierungsanforderungen erfüllt sind (z. B. max. +/- 5 % Abweichung an 85 % der Zählstellen). Die Kalibrierung ist oft ein zeitaufwändiger Prozess, der Expertenwissen und Erfahrung erfordert. Es gibt eine Reihe automatisierter Verfahren zur automatischen Anpassung der Modellkomponenten an die erhobenen Daten, z. B. durch Hinzufügen von Konstanten zu den Nutzenfunktionen oder durch automatische nachträgliche Matrixanpassung. Diese Methoden beschleunigen zwar den Kalibrierungsprozess, können aber Probleme hinsichtlich der Modellaussagekraft mit sich bringen und zu einer Überanpassung des Modells führen.

Wie werden Verkehrsmodelle analysiert?

Welche Ergebnisse können durch Verkehrsmodellen erzeugt werden?

Verkehrsmodelle liefern verschiedene Ergebnisse auf unterschiedlichen Detail- und Segmentierungsebenen. Die am häufigsten verwendeten Ergebnisse sind die Verkehrsmengen für die verschiedenen Verkehrsträger und Strecken. Diese liefern direkte Einblicke in lokale Verkehrsauswirkungen, z.B. hinsichtlich Lärm- und Emissionswerten. Für die Planung des öffentlichen Personennahverkehrs sind vergleichbare Ergebnisse das Verkehrsaufkommen auf einzelnen Linien oder die Zahl der Personen, die an einzelnen Haltestellen ein-, um- und aussteigen. Die Umlegungen generieren vollständige Wege vom Ausgangspunkt der Reise zum Zielort durch das Netz und ordnen ihnen eine Belastung zu, was eine detaillierte Analyse der Verkehrsmengen auf den einzelnen Strecken ermöglicht. Dies ist z. B. bei der Planung von Baustellen und Umgehungsstraßen sehr hilfreich.

Für umfassendere Szenariobewertungen kann eine Vielzahl von globalen KPIs für das gesamte Netz oder für Teilabschnitte wie bestimmte Relationen oder Ziele bereitgestellt werden. Für Studien zur Dekarbonisierung können dies beispielsweise Metriken wie die Gesamtkilometerzahl oder die Staulänge sein. Für ÖPNV-bezogene Untersuchungen werden KPIs wie die Gesamtzahl der Fahrgäste, die durchschnittliche Reisezeit oder die Anzahl der Umsteigevorgänge, die geschätzten Fahrgeldeinnahmen und die Betriebskosten bereitgestellt. Die verschiedenen, während der Modellberechnung erstellten Kenngrößenmatrizen bieten wertvolle Einblicke in Fragen der Erreichbarkeit und Konnektivität.

Welche Werkzeuge können für die Analyse der Ergebnisse von Verkehrsmodellen verwendet werden?

Viele der Ergebnisse, die von Verkehrsmodellen erzeugt werden, können einfach in Tabellen, Diagrammen oder GIS-Karten analysiert werden. Zur Visualisierung der Strecken und Verbindungen sind 2D- oder 3D-Balkendarstellungen eine beliebte Art der Visualisierung.

Die Vielfalt an Ergebnissen und deren Struktur ermöglichen allerdings auch anspruchsvollere Analysen. Im Folgenden können nur einige der vielen verfügbaren Tools beschrieben werden:

Eines der wichtigsten Werkzeuge ist die "Spinnenanalyse“. Dabei werden alle Wege extrahiert, die ausgewählte Netzelemente (Strecken, Haltestellen…) überqueren. Analysten können damit abschätzen, welche Reisenden von Änderungen an diesen Elementen betroffen sein werden.

Isochronenberechnungen bieten Einblicke in die Erreichbarkeit auf der Grundlage detaillierter Informationen über Reisezeiten und Netzkonnektivität, die in einem Verkehrsmodell enthalten sind.

Die in Kenngrößen- und Nachfragematrizen erfassten Informationen können visualisiert und aggregiert werden, um Nachfrageströme und allgemeine Reisemuster zu identifizieren.

Auch der zeitliche Verlauf von Aktivitäten an ausgewählten Orten kann untersucht werden, z. B. das Aufladen von Elektrofahrzeugen an Ladestationen oder die Anwesenheit von Besuchern in einem Einkaufszentrum.

Verschiedene Formen von Weg-Zeit-Diagrammen ermöglichen die Analyse z.B. von Nutzungsprofile und Umsteigestellen im öffentlichen Verkehr oder der Koordinierung der Signalgebung in grünen Wellen im Straßenverkehr.

 

Wie ist die Verkehrsmodellierung mit anderen Planungsprozessen verbunden?

Mobilität ist das Herzstück menschlicher Aktivität. Aus diesem Grund steht die Verkehrsplanung nie allein.  Sie ist mit vielen anderen Stadtplanungsvorgängen verknüpft und liefert einen wichtigen Beitrag zu verschiedenen Prozessen und Instrumenten. Hier einige Beispiele:

Bewertung der Luftqualität und Klimawandel

Der Straßenverkehr ist für einen großen Teil der Co2 Emissionen und anderer Schadstoffe verantwortlich, die die Luftqualität in Städten beeinträchtigen. Viele Verkehrsplanungsprojekte zielen daher darauf ab, diese Emissionen zu verringern, z. B. durch die Einführung von Umweltzonen in den Stadtzentren. Verkehrsmodelle berechnen das Verkehrsaufkommen, das sich aus solchen Maßnahmen ergibt, und zeigen gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte, wie z. B. die Zunahme der Gesamtverkehrsleistung durch Umwege. Die Kombination mit Emissionsmodellen ermöglicht es Planern beispielsweise, unterschiedliche Flottenzusammensetzungen von Elektro- und Verbrennungsmotoren zu bewerten.

Lärmbewertungen

Ähnlich wie bei der Luftqualität kann auch das von Verkehrsmodellen berechnete Verkehrsaufkommen in Lärmemissionsmodelle einfließen. Auf der Grundlage detaillierter Modelle der bebauten Umgebung usw. können die Planer die Lärmbelastung und mögliche Lärmminderungen mit speziellen Instrumenten bewerten.

Erreichbarkeit

Mobilität ist ein wichtiges Element für die Daseinsvorsorge. Sie ermöglicht den Zugang zu Bildung, Gesundheitsfürsorge, Arbeitsplätzen etc. Dabei sind nicht alle Mobilitätsalternativen für alle Menschen gleichermaßen geeignet. Die detaillierte Darstellung aller Verkehrsträger und die Segmentierung von Verkehrsmodellen für verschiedene Bevölkerungsgruppen ermöglichen eine präzise Planung für eine gerechte Bereitstellung von Dienstleistungen.

Flottenplanung im ÖV, bei der Bahn und für Ride-Sharing

Die Beschaffung von Fahrzeugen für den öffentlichen Nahverkehr, den Schienenverkehr oder Ride-Sharing-Angebote erfordert hohe finanzielle Investitionen und hat lange Vorlaufzeiten. Daher ist die Einführung oder Anpassung solcher Dienste in der Regel keine kurzfristige Angelegenheit, sondern verlangt eine angemessene Vorausplanung. Insbesondere die Umstellung von Dieselbussen auf E-Busflotten erfordert eine sorgfältige Bewertung der verschiedenen Betriebskonzepte (Laden über Nacht, Gelegenheitsladen usw.) und der erforderlichen Ladeinfrastruktur. Mit Hilfe von Verkehrsmodellen lässt sich die erforderliche Fahrzeugflotte bewerten und analysieren, wie Betriebskonzepte für unterschiedliche Fahrzeugtypen gestaltet werden können.

Planung von Baustellen

Wenn Infrastruktur gewartet oder ersetzt werden muss oder andere Straßenbauarbeiten die verfügbare Straßenkapazität beeinträchtigen, helfen Verkehrsmodelle dabei, die Verlagerung von Verkehrsströmen zu bewerten, um ausreichende Kapazitäten und einen reibungslosen Betrieb auf den Ausweichstrecken zu gewährleisten.

Flächennutzung und Energienetze

Wird die Flächennutzung einer Stadt oder Region geplant, müssen die Verkehrssysteme angepasst werden. Verkehrsmodelle sind hier ein wichtiges Werkzeug.  Ein Beispiel ist der Ausbau der Ladeinfrastruktur für die E-Mobilität. Dafür müssen ggf. auch andere Teile der städtischen Infrastruktur wie das Stromnetz angepasst werden. Verkehrsmodelle liefern wichtige Erkenntnisse für die Dimensionierung dieser Anlagen.

Verkehrssicherheit

Die Sicherheit im Straßenverkehr spielt eine wichtige Rolle bei der Schaffung lebenswerter Städte. Verkehrsmodelle können dabei helfen, Unfallschwerpunkte zu identifizieren und zu analysieren und Netzalternativen zur Entschärfung zu entwerfen.

Sind Sie auf der Suche nach der besten Lösung für Verkehrsmodellierung?

Holen Sie sich Ihre kostenlose Demoversion von PTV Visum - der weltweit führenden Verkehrsplanungssoftware. 30 Tage lang können Sie die Software mit fast allen Funktionen in Aktion erleben.

PTV Visum Demo