Analyse Straßenverkehr

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

Stau Luftbild Pkw Stauerscheinung oben
Foto: Denys Nevozhai @ Unsplash - Unsplash-Lizenz

Die 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 Geschwindigkeitsbegrenzung 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 Stau 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 abendliche 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 dem Wahlverhalten der Verkehrsteilnehmer beeinflussen drei weitere Effekte das Stauaufkommen sehr stark: der Schmetterlingseffekt, unsichtbare Wellen (= Phantomstau) 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 Autobahn 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).

Die oben verbal beschriebene Bildung eines “Stau aus dem Nichts” oder “Phantomstaus” wurde im Jahr 1992 von den Physikern Kai Nagel und Michael Schreckenberg im sogenannten “Nagel-Schreckenberg-Modell” mathematisch ausformuliert:

v_{n}(t+1)=min(v_{max},v_{n}(t)+1, d_{n}(t))

Gegeben ist eine konkrete Zahl von Fahrzeugen, dargestellt durch die Zahl n. Jedes Fahrzeug benötigt eine bestimmte Fläche der Straße, welche durch die Größe der Fahrzeuge vorgegeben ist (zum Thema: Vergleich unterschiedlicher Flächeninanspruchnahmen nach Verkehrsarten [pro Person]). Jedes Auto verkehrt mit einer bestimmten Geschwindigkeit (v_{n}), welche die zulässige (v_{max}) nicht überschreiten darf. Vor dem Hintergrund dieser Bedingungen entwickelt sich der Verkehr entsprechend von vier Regeln, die mathematisch aus dem Nagel-Schreckenberg-Modell abgeleitet werden:

  1. Falls die Maximalgeschwindigkeit eines Fahrzeuges im Zeitpunkt (t) noch nicht erreicht ist, wird seine Geschwindigkeit bis zum nächsten Zeitpunkt (t+1) um eine Einheit erhöht. (Beschleunigen)
  2. Falls die Lücke zum nächsten Fahrzeug d_{n}(t) zu klein ist für die aktuell gefahrene Geschwindigkeit, wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf die Größe der Lücke reduziert. (Kollisionsfreiheit)
  3. Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs wird mit der Wahrscheinlichkeit p um eins reduziert, sofern es nicht schon steht (Trödeln).
  4. Alle Fahrzeuge werden ihrer momentanen Geschwindigkeit entsprechend vorwärts bewegt.

Im Rahmen des Modells entstehen “Staus aus dem Nichts” in Schritt 3 des Modells. Da kein Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit verkehrt, sondern fortwährend kleine Geschwindigkeitsunterschiede entstehen (minimale Beschleunigung, zu wenig Beschleunigung oder gar Bremsen), bleibt der notwendige Sicherheitsabstand ebenfalls nicht konstant. Beim Versuch des Fahrers, diesen wieder herzustellen (Lücke zu vergrößern oder zu schließen), kommt es entweder zu übermäßigem Bremsen oder zu übermäßigem Beschleunigen. Dies erzeugt die bereits beschriebene Kettenreaktion.

Starres Angebot, schwankende Nachfrage und Marktversagen

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.

Der Versuch “Stau zu beseitigen” muss scheitern

Aus diesem Grund versucht auch die entgegen zu steuern. Der deutsche Bundesverkehrsminister Peter Ramsauer hatte während seiner Amtszeit im Jahr 2015 beispielsweise sein – in meinen Augen uneffektives – “Anti-Stau”-Programm vorgestellt. Durch den Einsatz von Anlagen zur Zuflussregelung, Wechselwegweisungsanlagen und Freigabe von Busspuren (innerstädtisch) sollte der beschleunigt werden und die Auswirkungen von Staus vermindert werden. Auch Jahre später ist das Stauaufkommen nicht gesunken.

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 durchführen lassen. Notfalls muss die Möglichkeit von Lkw-Verkehren auf gewissen Autobahnabschnitten zu gewissen Tageszeiten eben eingeschränkt werden.Stauforschung Infografik Entstehung von Staus Wissenschaft WellenAktualisierung – 10.05.2014

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

Martin Randelhoff

Martin Randelhoff

Herausgeber Zukunft Mobilität.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Fachgebiet Verkehrswesen und Verkehrsplanung an der Fakultät Raumplanung der Technischen Universität Dortmund.
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.

Kontaktaufnahme:

Telefon +49 (0)351 / 41880449 (voicebox)

E-Mail: randelhoff [ät] zukunft-mobilitaet.net

Abonnieren
Benachrichtige mich bei
guest
13 Kommentare
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments

Auszeichnungen

Grimme Online Award Preisträger 2012

Zukunft Mobilität hat den Grimme Online Award 2012 in der Kategorie Information erhalten. Ich möchte mich bei all meinen Lesern für die Unterstützung bedanken!

PUNKT Preisträger 2012

Zukunft Mobilität hat den PUNKT 2012 der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) in der Kategorie "Multimedia" gewonnen.

Logo VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen

Der Verband Deutscher Verkehrsunternehmen e.V. (VDV) hat mich im Rahmen der VDV-Jahrestagung 2013 in Mainz als “Talent im ÖPNV” des Jahres 2013 ausgezeichnet. Der VDV vertritt rund 600 Unternehmen des Öffentlichen Personennahverkehrs, des Schienenpersonennahverkehrs, des Schienengüterverkehrs, der Personenfernverkehrs sowie Verbund- und Aufgabenträger-Organisationen.

Lizenz

Zukunft Mobilität Creative Commons

Die Inhalte dieses Artikels sind - soweit nicht anders angegeben - unter CC BY-SA 3.0 de lizensiert. Grafiken sind von dieser Lizenz aus Vereinfachungs- und Schutzgründen ausgenommen (Anwendung aufgrund der Verwendung von Grafiken / Bildern mit unterschiedlichen Lizenzen zu kompliziert) außer die CC-Lizenz ist ausdrücklich genannt.

Weitere Informationen

Verfasst von:

Martin Randelhoff

Martin Randelhoff

Herausgeber Zukunft Mobilität.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Fachgebiet Verkehrswesen und Verkehrsplanung an der Fakultät Raumplanung der Technischen Universität Dortmund.
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.

Kontaktaufnahme:

Telefon +49 (0)351 / 41880449 (voicebox)

E-Mail: randelhoff [ät] zukunft-mobilitaet.net