Die drei Haupttheoreme der Stauforschung: Der Schmetterlingseffekt, unsichtbare Wellen (= Phantomstau) und die Tragik des Zufalls~6 Minuten Lesezeit

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.

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