3V - Verteilte Verkehrssimulation und Visualisierung

Das im August 1997 gestartete und inzwischen abgeschlossene Projekt Gigabit-Testbed West (GTB) wurde vom DFN eingeleitet und vom BMBF gefördert. Ziel dieses Projektes war die Erprobung und Untersuchung der Gigabit-Netztechnik, welche inzwischen vom DFN in Betrieb genommen wurde. Hierzu wurden verschiedene wissenschaftliche Anwendungen entwickelt, die sich die neue Netztechnik zu nutze machen sollten und sich ohne die im GTB vorhandene hohe Brandbreite nicht umsetzen ließen.

**Abbildung 3.3:** *3D-Visualisierung (echtzeit GmbH) der von PLANSIM-T erzeugten Daten.*
$\begin{figure}\noindent \epsfig{file=verkehr/figures/3d.eps,width=\linewidth} \end{figure}$

In dem von uns in Zusammenarbeit mit der GMD, dem DLR und der Firma echtzeit GmbH bearbeiteten Teilprojekt 3V, wurde die vom ZAIK entwickelte Simulationssoftware PLANSIM-T weiterentwickelt, um Möglichkeiten zu schaffen, die in Echtzeit errechneten Daten auf mehreren Rechnern, welche über das GTB miteinander verbunden sind, zu visualisieren. Dies war aufgrund des hohen Datenaufkommens der Mikrosimulation von etwa 400 Mbits/s bisher nicht möglich.

Durch die Trennung von Simulation und Visualisierung sowie der Option, verschiedene Visualisierungen an unterschiedlichen Arbeitsplätzen betreiben zu können, ergeben sich vielfältige neue Nutzungsmöglichkeiten. So sind von einer einfachen zweidimensionalen, über verschiedene wissenschaftliche Darstellung bis hin zur komplexen VR-Visualisierung verschiedene Darstellungsformen denkbar, von denen zwei innerhalb des Projektes realisiert wurden. Durch die Unabhängigkeit der Visualisierung von der Simulation lässt sich diese einfach auf die Bedürfnisse verschiedener Benutzergruppen zuschneiden. Heterogene Gruppen können räumlich voneinander getrennt durch die Nutzung der Datenübertragung im GTB zusammenarbeiten. Denkbar wäre die gemeinsame Erarbeitung und Bewertung von verkehrlichen Maßnahmen durch verschiedene Entscheidungsträger aus Politik, Stadtplanung und Wissenschaft, indem den Gruppen simultan, die aus der Simulation einmal erzeugten Informationen, benutzergerecht präsentiert werden.

Eine weitere wichtige Funktion, um die PLANSIM-T erweitert wurde, ist die Möglichkeit der Interaktion zwischen dem Anwender der Visualisierung und der Simulation. Mit Hilfe eines Rückkanals können verschiedene Befehle an die Simulation übermittelt werden, die dann sofort im aktuellen Simulationsprozess ausgeführt werden. Die Anwendungsbereiche dieser Option reichen von einer einfachen Aufforderung an die Simulation, Daten über das Netz zu verschicken, bis hin zu einem direkten Eingreifen in die Simulation und die Ausführung vorgefertigter Szenarien.

Die Übertragung der Daten über das GTB wird mit Hilfe der multicastfähigen Netzprotokolle IP-Multicast und ATM vorgenommen. Dadurch muss der Datenstrom nur ein einziges mal durch den Simulator erzeugt werden, und die Netzbelastung lässt sich so auch für mehrere angeschlossene Visualisierungen konstant halten. Während IP-Multicast sehr weit verbreitet und auf nahezu jedem modernen Rechner verfügbar ist, bietet ATM den Vorteil, eine gewisse Bandbreite für die Daten reservieren zu können. Es kann bei der Verwendung von ATM also gewährleistet werden, dass die gewünschten Daten auch rechtzeitig bei der Visualisierung ankommen. Für den Rückkanal wird zwischen jeder Visualisierung und der Simulation eine eigene TCP/IP-Verbindung hergestellt.

Zur Demonstration der erzielten Ergebnisse wurde ein Teil des Berliner Stadtkerns in ein Beispielszenario übernommen und simuliert. Die daraus gewonnenen Daten ließen sich auf verschiedenen über das Gigabit-Testbed West angeschlossenen Rechnern darstellen. Dies geschah mit Hilfe der im Rahmen des Projektes entwickelten wissenschaftlichen 2D-Visualisierung und der von der Firma echtzeit GmbH entwickelten 3D-Visualisierung (siehe Abbildung 3.3).

Die Visualisierungen konnten sich zu jeder Zeit während des Simulationslaufes mit Hilfe des Rückkanals an die Simulation an- und wieder abmelden. Um die weiteren Fähigkeiten des Rückkanals aufzuzeigen, wurde ein Szenario erstellt, in dem die Sperrung einer Straße vom Anwender innerhalb der Visualisierung durchgeführt werden kann. Die Verkehrsströme zwischen den Quellen und Senken werden hierfür in Form einer Start/Zielmatrix vorgegeben und die Fahrzeuge suchen sich in Abhängigkeit vom momentanen Verkehrszustand den kürzesten Weg. Sperrt man nun während des Simulationslaufes die gewählte Straße, so kann man die Auswirkungen dieser Maßnahme direkt mit Hilfe der angeschlossenen Visualisierungen analysieren.

**Abbildung 3.4:** *Gemessener Fluss auf drei Kanten des Systems für das Beispielszenario ,,Straßensperrung``. Kante 1 wird zeitweise gesperrt, die anderen beiden stellen Ausweichstrecken dar.*
$\begin{figure}\noindent \epsfig{file=verkehr/figures/szenario.eps,width=\linewidth} \end{figure}$

In einem Beispielszenario wurde eine Straße alle 1000 Zeitschritte für 500 Zeitschritte gesperrt. Abbildung 3.4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Flusses auf drei Kanten des Systems. Kante 1 ist diejenige, die gesperrt wird. Die Kanten 2 und 3 liegen auf Alternativrouten der betrachteten Start/Ziel-Beziehung. Deutlich erkennt man den schnellen Abfall des Flusses während der Sperrzeiten, sowie die Verteilung des Verkehrs auf die Ausweichstrecken.

Es lassen sich leicht weitere Beispiele entwickeln, anhand deren man die Vorteile der Trennung zwischen Simulation und Visualisierung sowie des Rückkanals zeigen kann. Nicht zuletzt die Möglichkeit den Verlauf einer Simulation zwischendurch optisch kontrollieren zu können, ohne eine dauerhafte Visualisierung (welche die Simulationsgeschwindigkeit nur vermindern würde) zu betreiben, machen die im 3V-Projekt durchgeführten Arbeiten PLANSIM-T zu einem mächtigen Instrument zur Verkehrsflusssimulation.

Weitere Informationen über das Projekt 3V finden sich auch auf unseren Internetseiten.