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, Unfälle 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 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 ) und über das Jahr (Urlaubszeit) treffen auf ein starres Angebot. Die Straßenkapazität kann kurzfristig nicht erhöht werden, es kommt zur Überlastung des Netzabschnittes. Ein der Straße lindert die Problematik ebenfalls nur kurzfristig, da sich die Nachfrage dem ausgeweiteten Angebot anpasst. Durch den 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 - 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 oder Routen in Betracht gezogen.

Neben dem Wahlverhalten 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.

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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 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 Höchstgeschwindigkeit (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 Politik 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 Verkehrsfluss 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 Verkehrsverlagerung 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.

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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.

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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

Kalaha chaot

Leider unterscheiden sich Theorie und Praxis bei Autofahrern deutlich. Anscheinend sind in den Köpfen der Leuten Regeln eingemeißelt, nach denen Sie sich richten, ohne jemals darüber nachzudenken, ob die überhaupt einen Sinn machen. In einer Autoschlange verhalten sich die Teilnehmer wie in der Schlange an der Kasse im Supermarkt: Gas geben und bremsen, Gas geben und bremsen, usw.. Und das jeden Tag. Woche für Woche. Und vollkommen unabhängig vom Bildungsgrad.
Diese Autofahrer können wir nicht ändern und nicht zu irgendetwas zwingen. Und solange das so bleibt, macht es auch keinen Sinn, Straßen auszubauen.

Ein stressfreie Autofahrt wünsche ich allen

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

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.

Kingbill

Ich befürworte Erlaubnis des Überholens von rechts. Ein weiterer positiver Effekt wäre mittel und langfristig, daß sich Verkehrteilnehmer häufiger umsehen. Dies wird offensichtlich zu wenig praktiziert.

Ein Mindestgeschwindigkeit auf den linken Fahrspuren würde die sogenannten Elefantenrennen unterbinden und ist somit auch eine gute Sache.

Eine öffentliche Publizierung von Verkehrssündern verstößt meiner Meinung nach gegen den Schutz Privatsphäre und Würde des Menschen. Hier begeben wir uns eindeutig in Themenbereiche der Ethik etc. und weichen vom hiesigen ab. Eine Lösung wären höhere Bußgelder. Im europäischen Vergleich ist man in Deutschland relativ komfortabel und kulant bedient.

In Bezug auf Autobahnauffahrten haben wir in Deutschland angesichts gut ausgebauter Beschleunigungsstreifen ein Luxusproblem. Hier gilt ebenfalls das Prinzip des Gratisangebotes mit dem Effekt der Nachfragesteigerung auf beiden Seiten. Gemeint sind die Seite der Auffahrer und die der fahrenden. Der Auffahrer ignoriert das Vorfahrtsrecht des fahrenden, der fahrende die Begrenztheit der Beschleunigungs- und Auffahrmöglichkeit. In Japan, Dänemark und vielen Teilen des USA (New Jersey Turnpike I95) ist der Beschleunigungsstreifen minimal, und ein Trafficmerge zwischen fahrenden auf Auffahrern wird geradezu erzwungen (notfalls durch Spurwechsel). Dennoch führt das Bewustsein über die begrenzte Resource “Beschleunigungsstreifen” dazu, daß dieser Merge reibungsloser verläuft.
Mein Lösungsvorschlag: Redesign des Beschleunigungsstreifens, wobei nach 100m dieser allmählich über die nächsten 300m in die Rechte Spur hineinführt, sowie Einschränkung des Vorfahrtsrechtes für die fahrenden.

Anonym

Wozu eine Einschränkung des Vorfahrtsrechtes? Soll hier das Recht an die Gewohnheit angepasst werden? Die Regelung in der StVO ist eindeutig und muss einfach nur umgesetzt werden, dann gibt es o.g. Probleme nicht. Wer sich bis zum Ende des Streifens nicht einordnen kann, hat anzuhalten. Punkt. Leider kann sich anscheinend niemand an dieses Thema aus seiner Fahrschulzeit erinnern – weder diejenigen, die fälschlich von der rechten auf die linke Spur wechseln, um Platz zu machen, noch diejenigen, die denken, sie hätten Vorrang vor dem fließenden Verkehr.

Mister x

Eine reduzierung des Verkehrsaufkommen würde deiner Logik folgend automatisch zu einer Reduzierung der Straßen folgen, da die öffentliche Hand kein Geld mehr für diese Ausgeben würde, und damit würden wieder Staus wntstehen.

julian

Es müssen keine Strafen erhöht werden. Es sollten geltende Gesetze eingehalten und kontrolliert werden. Schon alleine bei den massiven Geschwindigkeitsübertretungen auf der Autobahn (in 80 km/h Zonen z.B.) sind die meisten Raser ihren Führerschein weg. Führerschein Entzug schmerzt. Nicht ob man 50, 80, oder 200 Euro zahlen muss.

Zudem: wie hoch soll die Strafe denn sein, wenn kaum Kontrolliert wird. Mich würde mal eine Statistik interessieren, wie groß (bzw. klein) die Wahrscheinlichkeit ist (in ‰), dass ein zu schneller Autofahrer “erwischt” wird.

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