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Die drei Haupttheoreme der Stauforschung: Der Schmetterlingseffekt, unsichtbare Wellen (= Phantomstau) und die Tragik des Zufalls

Artikelaktualisierung Zukunft MobilitätDie Entstehung von Staus hat sehr viele unterschiedliche Gründe. Am Einleuchtendsten sind uns meistens Baustellen, und die sogenannten Elefantenrennen, bei dem ein Lkw einen anderen, vermeintlich langsameren, Lkw überholt. Aufgrund der auf 80 km/h und des geringen Geschwindigkeitsunterschiedes wird für den Überholvorgang vergleichsweise viel Zeit benötigt.

Dies sind aber keinesfalls die häufigsten Gründe, wieso ein entsteht.

Das Hauptproblem von Staus ist ein Sättigungsproblem. Auf einem Kilometer Straße ist nur ein gewisser begrenzter Raum vorhanden, der den Autos zur Verfügung steht. Typischerweise liegt die Kapazität einer Straße bei 1500 bis 2500 Fahrzeugen pro Stunde und Spur, wenn sich die Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von 80-100 km/h bewegen. Schnelleres und langsameres Fahren verringert die Kapazität. Das Sättigungsproblem beginnt, wenn die Nachfrage nach diesem Raum größer ist als das Raumangebot. Etwa 50 Prozent der Staus entstehen durch Überlastung des Straßennetzes.

Nachfragespitzen über den Tag (morgendliche und abendsliche Hauptverkehrszeit) und über das Jahr (Urlaubszeit) treffen auf ein starres Angebot. Die Straßenkapazität kann kurzfristig nicht erhöht werden, es kommt zur Überlastung des Netzabschnittes. Ein Ausbau der Straße lindert die Problematik ebenfalls nur kurzfristig, da sich die Nachfrage dem ausgeweiteten Angebot anpasst. Durch den Ausbau der Straße sinkt kurzfristig das Stauaufkommen, der Zeitaufwand für einen bestimmten Netzabschnitt und somit die verbundenen Zeitkosten sinken ebenfalls. Da jeder Verkehrsteilnehmer im Unterbewusstsein mehrere Optionen hinsichtlich Verkehrsmittel- und Routenwahl abwägt, kommt er nach dem Ausbau zu dem Ergebnis, dass die vormals staubelastete Strecke durch den Ausbau attraktiver geworden ist. Er wird diese Route ebenfalls wie alle anderen Verkehrsteilnehmer Alternativrouten vorziehen, bis der vormalige Zustand mit entsprechendem Stauaufkommen wieder erreicht ist. Erst durch den Stau und die entsprechenden Stauzeitverluste werden die Bewertung der Strecke wieder geändert und andere Verkehrsmittel oder Routen in Betracht gezogen.

Neben des Wahlverhaltens der Verkehrsteilnehmer beeinflussen drei weitere Effekte das Stauaufkommen sehr stark: der Schmetterlingseffekt, unsichtbare Wellen (= ) und die Tragik des Zufalls.

Der Schmetterlingseffekt oder auch „Stau aus dem Nichts“

Die Theorie des Schmetterlingseffekts geht davon aus, dass ein einzelner Fahrer für einen Stau verantwortlich sein kann. Sein Verhalten löst eine Kettenreaktion aus, die folgendermaßen abläuft:

Durch einen Verbremser, einen Überholvorgang oder ein anderes Fahrmanöver kann viele Kilometer und Minuten später ein Stau entstehen.

Beispiel: Auf einer viel befahrenen fährt Fahrer A mit 120 km/h. Da er ein anderes Fahrzeug überholen will, schert er auf die sich links neben dem Fahrzeug befindende Fahrspur aus. Die dort fahrenden Autos von Fahrer B und Fahrer C, die ebenfalls mit 120 km/h unterwegs waren, müssen ihre Geschwindigkeit auf 100 km/h reduzieren, um Fahrer A auf ihre Spur einfädeln zu lassen. Natürlich müssen auch alle anderen Fahrer, die hinter Fahrer B und C fahren, ihre Geschwindigkeit auf weniger als 100 km/h reduzieren, um einen Auffahrunfall zu vermeiden und den notwendigen Fahrzeugabstand einzuhalten. Das übermäßige Bremsen setzt sich ähnlich einer Kettenreaktion fort und verstärkt sich dermassen von Fahrzeug zu Fahrzeug, bis ein erstes Fahrzeug zum Stillstand kommt. Ein Stau aus dem Nichts entsteht.

Hinzu kommt eine zeitliche Verzögerung bei der Auflösung eines Staus. Ein bis zwei Sekunden vergehen, bis ein Fahrer sein Fahrzeug an der Staufront wieder startet und eine Straßenlänge von 5 bis 10 Meter freigibt. Somit wandert die Staufront mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 15 km/h gegen die Fahrtrichtung. Es kommt in nachgelagerten Streckenabschnitten zu Staus, obwohl die ursprüngliche Stauursache in einem anderen Autobahnabschnitt bereits beseitigt ist

Dieser Effekt lässt sich nur stoppen, wenn alle Fahrzeuge immer mit konstanter und identischer Geschwindigkeit fahren könnten. Da dies aufgrund des Faktors Mensch nicht der Fall ist, werden immer wieder Staus entstehen.

Bei einer Untersuchung der Universität Köln wurden vier menschliche Fehlerursachen festgestellt:

  1. Zu dichtes Auffahren, was ein abruptes Abbremsen des ersten und aller folgenden Autos auslösen kann,
  2. zu schnelles Aufschließen und dadurch bedingtes ebenso schnelles Abbremsen und
  3. eine geistige Unterforderung in zähfließendem Verkehr ständig einen ausreichenden Abstand einzuhalten, weil die Autofahrer mit ihren Gedanken abschweifen.
  4. kontraproduktives Fahren, um auf der Spur mit vermeintlich fließenderem Verkehr schneller voranzukommen (Kolonnenspringen).

Ein weiteres Problem ist ein ökonomisches. Da die meisten Straßen mautfrei sind, kostet die Nutzung dieser Straßen den Autofahrer nichts (Grenzkosten der Infrastrukturnutzung = 0). Er wird daher die Bereitstellung dieser Dienstleistung gerne und oft in Kauf nehmen. Da die ökonomischen Kosten des Straßenbaus, des Unterhalts und des volkswirtschaftlichen Schadens dem Autofahrer nicht klar sind, wird er auf die Straßennutzung nicht verzichten. Da viele Autofahrer so denken, kommt es zu einer Überlastung des gesamten Straßennetzes oder bestimmter Abschnitte, die sich im Symptom Stau äußert.

Aus diesem Grund bringt der Neubau und Ausbau von Straßen nicht viel. Dies mag zwar auf den ersten Blick Staus in den ersten Monaten vermindern, allerdings steigt die Nachfrage durch den frei gewordenen Raum und die damit verbundene Angebotssteigerung wieder an. Dadurch wird der durch den Ausbau geschaffene Raum wieder belegt. Die Nachfrage steigt solange, bis die Opportunitätskosten des Staus wieder erreicht sind. Aus diesem Grund vermindern gut gemeinte „Entlastungsstraßen“ den Straßenverkehr keinesfalls, sondern erhöhen die Nachfrage sogar! Die einzige Möglichkeit, Staus effizient zu bekämpfen wäre eine Verringerung des Straßenverkehrs. Dies ist aus ökonomischen Gründen dringend notwendig.

Weltweit gibt es noch kein allgemein anerkanntes Modell zur Berechnung des volkswirtschaftlichen Schadens, der durch Staus entsteht. Man kann diese nur näherungsweise schätzen. (siehe auch: Welche Auswirkungen haben Staus auf die Wirtschaft?) Man geht allerdings davon aus, dass der volkswirtschaftliche Schaden jedes Jahr in die Milliarden gehen muss.

Aus diesem Grund versucht auch die Politik entgegen zu steuern. Der deutsche Bundesverkehrsminister Peter Ramsauer hat beispielsweise sein – in meinen Augen uneffektives – „Anti-Stau“-Programm vorgestellt. Durch den Einsatz von Anlagen zur Zuflussregelung, Wechselwegweisungsanlagen und Freigabe von Busspuren (innerstädtisch) soll der beschleunigt werden und die Auswirkungen von Staus vermindert werden.

Die effektivste Maßnahme zur Verringerung von Staus wäre eine verstärkte Verlagerung von Gütertransporten auf die Schiene und die Wasserwege. Möglichkeiten und Wege zur schnellen Lkw-Verladung bestehen bereits oder sind schon seit Längerem einsatzfähig. Durch steuerliche Anreize, einer Förderung von KV-Anlagen und -Verkehren sowie der Schlechterstellung des herkömmlichen Lkw-Verkehrs müsste sich eine Verkehrsverlagerung durchführen lassen. Notfalls muss die Möglichkeit von Lkw-Verkehren auf gewissen Autobahnabschnitten zu gewissen Tageszeiten eben eingeschränkt werden.

Die Infografik kann nach einem Klick auf „Weiterlesen“ betrachtet werden.

Stauforschung Infografik Entstehung von Staus Wissenschaft WellenAktualisierung – 10.05.2014

Den falschen Begriff “Stundenkilometer” gegen die korrekte physikalische Einheit [km/h] ausgetauscht.

 

Verfasst von:

Martin Randelhoff

Herausgeber Zukunft Mobilität. Studium der Raumplanung an der TU Dortmund, Studium der Verkehrswirtschaft an der TU Dresden. Ist interessiert an innovativen Konzepten zum Lösen der Herausforderungen von morgen insbesondere in den Bereichen urbane Mobilität, Verkehr im ländlichen Raum, Wirkung autonomer Fahrzeugsysteme und nachhaltige Verkehrskonzepte.

3 Kommentare

  1. Carsten Menzel

    Hallo wertes Team !

    Ich hätte eine Anmerkung, was Staus b.z.w. Autobahnbaustellen angeht.
    In Autobahnbaustellen zu überholen wird immer riskanter. 1. wegen immer breiterwerdenden PKW’s ( was ja eigentlich mit einer Breite über 2m nicht zulässig ist und den stärkerwerden Güterverkehr) Ohnehin sind meistens nur 80 Km/h (LKW-Geschwindigkeit)vorgeschrieben und deshalb ein Überholen eigentlich nicht notwendig.
    Deshalb meine Anmerkung.
    Warum schafft man nicht einfach die Doppelspur ( 2 Fahrspuren in eine Richtung) in Autobahnbaustellen ab und läßt bei gleicher Fahrbahnbreite mittig nur einen großzügigen Fahrbahnstreifen verlaufen. Linsks und rechts verläuft eine durchgehende Linie und markiert die Seitenstreifen. Somit kommt keiner mehr so weit an den Fahrbahnrand (links Leitplanke, rechts Schotter) und riskante Situation werden absolut vermieden. Falls ein Fahrzeug im Baustellenbereich liegen bleibt, ist trotzdem noch durch die allgemeine Breite der Fahrbahn ein Überholen b.z.w. Vorbeifahren im Notfall möglich. Mit einem Mindestabstands-Verkehrsschild sollte ein flüssiges und schnelles Durchkommen mit 80 oder sogar 90Km/h ohne Behinderungen möglich sein. Dies wäre ein großer Vorteil für alle Verkehrsteilnehmer und Ängste vieler Autofahrer wären damit abgebaut.
    Für mich wäre es jedenfalls die idealste Lösung stressfrei Baustellen zu durchfahren!

    Mit freundlichen Grüßen
    Carsten Menzel

    Antworten
  2. maeny

    Hallo

    Viele Autofahrer fahren bei einer dreispurigen Autobahn immer in der Mitte, sodass die rechte Spur häufig über mehrere Kilometer frei bleibt. Aber da man ja nicht rechts überholen darf, wird eine dreispurige Autobahn so automatisch wieder zu einer zweispurigen. Warum machen Autofahrer sowas? Daher müsste es erlaubt sein, rechts überholen zu können!

    Im Weiteren bin ich damit einverstanden, dass Staus häufig durch Fahrer verursacht werden, die mit geringer Geschwindigkeit auf die Überholspur wechseln und somit die nachfolgenden Fahrzeuge abbremsen müssen. Daher würde ich befürworten, dass auf der Überholspur eine Mindestgeschwindigkeit herrscht, sodass ein Fahrer, der überholen möchte, auf diese Mindestgeschwindigkeit beschleunigen muss. Somit würde auf der Überholspur permament die Mindestgeschwindigkeit gelten und es gäbe keine Staus.

    Zum Thema Unfälle: Ich verstehe nicht, warum der Unfallverursache lediglich seinen und allenfalls den Scahden eines anderen Fahrzeuglenkers übernehmen muss (resp. die Versicherung). Schliesslich ist er verantwortlich, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht rechtzeitig am Arbeitsplatz oder sonst wo sind. Daher schlage ich vor, dass der Unfallverursacher öffentlich publiziert wird und dieser somit angeklagt werden kann.

    Kritisch in meinen Augen sind auch Autobahnauffahrten. Hier haben die Automobilisten immer das Gefühl, sie wären vortrittsberechtigt und können einfach auf die Autobahn auffahren. Viele weichen dann von der Normal- auf die Überholspur und verlangsamen den gesamten Verkehr. Einerseits müsste eine Kampagne wieder auffrischen, dass diese keinen Vortritt haben und halt allenfalls stoppen oder (wenn möglich) den Pannenstreifen benützen müssen. Zudem wäre ein Überholverbot (also der Wechsel von der Normal- auf die Überholspur) sinnvoll.

    Beste Grüsse

    Antworten
    • ThinkNewB

      Viele Autofahrer fahren auf einer dreispurigen Autobahn in Deutschland in der Mitte, da sie das Bedenken haben, durch rasende Autos von hinten nicht mehr auf die mittige Überholspur zu kommen und somit hinter einem langsam fahrenden LKW „eingeklemmt“ werden d.h. den LKW (allg. das langsamer fahrende Fahrzeug) nicht überholen können, da der schnelle Verkehr von hinten kein Überholen zulässt.
      Eine Lösung sehe ich hier nur durch eine allgemeine Geschwindigkeitsbegrenzung auf der deutschen Autobahn. Dadurch gäbe es weniger Staus, weniger Unfälle, einen entspannteren Verkehr (weniger Stress für die Fahrer) und weniger Umweltbelastung (Kraftstoffverbrauch steigt extrem bei hohen Geschwindigkeiten).
      Die Raserei muss gestoppt werden – 130 km/h (s. Österreich) sind optimal. Jeder der denkt, man sei mit dauerhafter Raserei auf der linken Spur schneller am Ziel, denkt naiv und egoistisch. Bei einer vollkommen leeren Autobahn mag dies stimmen…ist die Autobahn aber auf deutschem Niveau belastet, sorgen diese Raser nur für Stau, Unfälle und Hektik, was bei starkem Verkehrsaufkommen völlig kontraproduktiv wirkt.
      Eine bessere Kontrolle des Rechtsfahrgebotes und das Setzen des Blinkers bei Fahrspurwechsel wäre auch angebracht.

      Spätestens wenn du einen Unfall verursachst, wirst du dich über die öffentliche Publikation des Unfallverursachers „freuen“…Wir sind doch alle nur Menschen – und kein Mensch wird nie einen Fehler machen!
      Sinnvoller wäre es, härter gegen Verkehrsverstöße vorzugehen mit z.B. sehr hohen Geldbußen oder Unfälle die durch erhöhte Geschwindigkeit, aggressivem Fahrstil, wenig Sicherheitsabstand u.ä. passiert sind, extra und hoch zu bestrafen.

      Antworten

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