Forschen gegen den Phantomstau: Wenn ein Fahrzeug ausreicht, den Verkehr zu beruhigen

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Warum entsteht auf einer Autobahn plötzlich ein Stau, obwohl es weder
einen Unfall noch eine Baustelle gibt? Mit dieser Frage beschäftigt sich
Prof. Dr. Benjamin Seibold von der Temple University in Philadelphia bei
uns am Fraunhofer ITWM. Als Gastforscher arbeitet er gemeinsam mit einem
Team des Bereichs »Mathematik für Fahrzeuge, Systeme und Anlagen« an
Studien im Fahrsimulator RODOS®. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie
Assistenzsysteme und automatisierte Fahrzeuge, aber auch Fahrer:innen
selbst, den Verkehrsfluss stabilisieren und sogenannte Phantomstaus
vermeiden können.

Frühere Analysen haben bereits gezeigt: Unter bestimmten Bedingungen kann
sogar ein einziges intelligent gesteuertes Fahrzeug ausreichen, um
Stauwellen zu dämpfen und den Verkehrsfluss für viele andere Fahrzeuge zu
verbessern. Nun untersucht die Gruppe, wie menschliches Fahrverhalten,
Fahrzeugautomatisierung und Verkehrsfluss zusammenwirken.

Dadurch verbinden sie mathematische Modelle, Computersimulation, reale
Verkehrsexperimente und Simulatorstudien mit einer Frage, die uns fast
jeden Tag betrifft: Wie kommen wir flüssiger, sicherer und nachhaltiger
ans Ziel? Wir haben Prof. Dr. Benjamin Seibold zu diesem Thema interviewt:

Benjamin, Du beschäftigst Dich seit vielen Jahren mit Verkehrsfluss. Was
fasziniert Dich an diesem Thema?
Verkehr ist ein spannendes Beispiel für ein komplexes System. Schon kleine
Entscheidungen einzelner Fahrerinnen und Fahrer können große Auswirkungen
auf viele andere Verkehrsteilnehmende haben. Mich interessiert besonders,
wie sich solche Effekte mathematisch beschreiben lassen und wie wir dieses
Wissen nutzen können, um den Verkehr sicherer und effizienter zu
gestalten.

Viele Menschen kennen das Phänomen: Der Verkehr stockt plötzlich, obwohl
es keinen Unfall und keine Baustelle gibt. Was steckt hinter solchen
Phantomstaus? Was passiert dort eigentlich?
Phantomstaus entstehen wenn der Verkehrfluss instabil ist, d.h. kleine
Geschwindigkeitsänderungen schaukeln sich auf. Bremst ein Fahrzeug leicht
ab, bremsen die nachfolgenden Fahrzeuge stärker, sodass irgendwann
Stauwellen entstehen, die sich durch den Verkehr fortpflanzen und
rückwärts entlang der Straße laufen. Das geschieht, obwohl kein sichtbares
Hindernis vorhanden ist.

In einem früheren Vortrag am Fraunhofer ITWM hast Du Phantomstaus mit
Detonationswellen verglichen. Was macht diese Analogie so spannend?
Auf den ersten Blick haben Verkehr und Physik wenig miteinander zu tun.
Tatsächlich aber zeigen beide Systeme ähnliche Muster bei der Ausbreitung
von Wellen. Solche Analogien helfen uns, neue mathematische Werkzeuge auf
Verkehrsprobleme anzuwenden und komplexe Prozesse besser zu verstehen.

Jetzt gerne nochmal im Detail: Woran arbeitest Du aktuell während Deines
Aufenthalts am Fraunhofer ITWM?
Gemeinsam mit den Forschenden am Fraunhofer ITWM untersuche ich, wie sich
menschliches Fahrverhalten auf den Verkehrsfluss auswirkt und insbesondere
wie menschliche Fahrer:innen mit möglichen Assistenzsystemen interagieren,
die Stauwellen dämpfen und verhindern können. Dabei interessieren uns
insbesondere Situationen, in denen sich Staus aus dem normalen Verkehr
heraus entwickeln.

Welche Rolle spielt dabei der Fahrsimulator RODOS®?
RODOS® ermöglicht es, Verkehrssituationen unter kontrollierten Bedingungen
zu untersuchen. Die Versuchspersonen bewegen sich in einer realistisch
erlebbaren Verkehrsumgebung und interagieren mit simulierten Fahrzeugen.
So können wir Daten erfassen, die sich im realen Straßenverkehr nur sehr
schwer oder gar nicht erheben lassen. In meinen bisherigen Experimenten
mit echten Fahrzeugen passiert jedes Szenario genau einmal. RODOS®
hingegen erlaubt es uns, belastbare Statistiken über menschliches
Fahrverhalten zu gewinnen.

Im Rahmen der Studie fahren die Teilnehmenden auf einer virtuellen
Kreisstrecke. Warum gerade dieses Szenario?
Eine Kreisstrecke eignet sich besonders gut, um die Entstehung von
Phantomstaus zu beobachten. Es gibt keine Kreuzungen, Ampeln oder andere
Störeinflüsse. Dadurch können wir uns ganz auf die Wechselwirkungen
zwischen den Fahrzeugen konzentrieren und besser verstehen, wie
Verkehrsverdichtungen entstehen.

Du hast in einer bekannten Studie gezeigt, dass in einer solchen Situation
bereits ein einziges kontrolliertes Fahrzeug ausreichen kann, um den
Verkehrsfluss von rund 20 Fahrzeugen zu stabilisieren. Das klingt fast
unglaublich. Wie funktioniert das?
Viele Menschen stellen sich Verkehr als die Summe einzelner Fahrzeuge vor.
Tatsächlich verhält sich Verkehrsfluss wie ein komplexes dynamisches
System, in dem Phänomene entstehen können, die von den einzelnen
Fahrer:innen nicht beabsichtigt sind, beispielsweise Phantomstaus. Wenn
nun aber ein Fahrzeug besonders gleichmäßig und vorausschauend fährt, kann
es Stauwellen dämpfen, bevor sie sich durch den Verkehr ausbreiten. In
unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass bereits ein einzelnes
entsprechend gesteuertes Fahrzeug ausreicht, um 20 andere Fahrzeuge zu
stabilisieren. Im Fahrsimulator RODOS® haben wir dieses Ringexperiment
virtuell reproduziert.

Du hast Deine Forschung vom Ringexperiment inzwischen auf reale Autobahnen
übertragen. Was konntet Ihr dabei zeigen?
Im Projekt »CIRCLES« (Congestion Impacts Reduction via CAV-in-the-loop
Lagrangian Energy Smoothing) haben wir untersucht, ob sich die
Erkenntnisse aus Theorie, Computersimulation und kontrollierten
Experimenten auch unter realen Bedingungen anwenden lassen. Dabei zeigte
sich, dass automatisierte Geschwindigkeitsregelung grundsätzlich auch im
echten Verkehr funktionieren kann. Solche Feldversuche sind wichtig, um
den Schritt von der Forschung in die Praxis zu schaffen.

Viele Menschen denken, autonome Fahrzeuge würden Phantomstaus automatisch
lösen. Ist das tatsächlich so?
Nicht unbedingt. Unsere Forschung zeigt, dass Automatisierung allein keine
Garantie für stabilen Verkehrsfluss ist. Entscheidend ist, wie die
Fahrzeuge gesteuert werden und wie sie aufeinander reagieren. Selbst
moderne Assistenzsysteme können unter bestimmten Bedingungen
Instabilitäten verstärken. Deshalb ist es wichtig, die dahinterliegenden
Mechanismen genau zu verstehen.

Aber wie können denn schon wenige automatisierte Fahrzeuge einen
Unterschied machen?
Diese Frage beschäftigt die Forschung seit einigen Jahren. Theoretische
Arbeiten, Computersimulationen und reale Experimente deuten darauf hin,
dass weniger als fünf Prozent gut abgestimmte Fahrzeuge ausreichen, um
Stauwellen zu dämpfen und den Verkehr deutlich gleichmäßiger zu machen.
Darüber hinaus müssen diese Kontrollfahrzeuge nicht voll selbstfahrend
sein, im Gegenteil: unsere Forschung zeigt, dass mit bereits existierender
Technologie Verkehrsflüsse geglättet werden können.

Was erhoffst Du Dir von den Experimenten im RODOS®?
Wir möchten besser verstehen, unter welchen Bedingungen sich Verkehrsfluss
stabilisieren lässt. Besonders interessiert uns, welchen Beitrag spezielle
Fahrassistenzsysteme leisten können und wie sie mit menschlichen
Fahrerinnen und Fahrern zusammenwirken. Dieser letzte Aspekt ist besonders
zentral, weil moderner Verkehr ein komplexes dynamisches System ist, in
dem Menschen mit Mechanik und Automatisierung in Echtzeit interagieren.

Du warst auch an groß angelegten Feldexperimenten beteiligt. Was macht
solche Versuche so besonders?
Sie ermöglichen es uns, Erkenntnisse aus Theorie und Computersimulation
unter realen Bedingungen zu überprüfen. Dabei arbeiten Forschende aus
unterschiedlichen Disziplinen zusammen, von der Mathematik über die
Ingenieurwissenschaften bis hin zu Industrie und Behörden.

Du hast an der Universität Kaiserslautern promoviert und forschst heute in
Philadelphia. Wie fühlt sich die Rückkehr nach Kaiserslautern an?
Kaiserslautern hat meine wissenschaftliche Laufbahn stark geprägt,
insbesondere die Vernetzung von Mathematik mit industriellen
Fragestellungen, in der Kaiserslautern schon immer ein absoluter Vorreiter
war. Ich habe 1997 meine Studien der Mathematik in Kaiserslautern
begonnen, als das Fraunhofer ITWM gerade ein Fraunhofer-Institut wurde,
und habe in Kooperation mit dem Fraunhofer ITWM promoviert.

Diese Erfahrungen waren wesentlich für meine weitere Karriere am
Massachusetts Institute of Technology (MIT) und dann an der Temple
University. Es ist schön, für ein Forschungsprojekt zurückzukehren und
aktiv mit neuen Kolleginnen und Kollegen zusammenzuarbeiten, die sich mit
ähnlichen Fragestellungen beschäftigen. Solche internationalen
Kooperationen sind für die Wissenschaft immer enorm wertvoll. Dass sich
eine so tolles Projekt in Kaiserslautern ergeben hat, ist, wie wir in den
USA sagen, »the icing on the cake«.