Zusammfassung der Thesis Automatisierte Aufbereitung und Analyse von LKW-Mautstrecken in Deutschland am Beispiel von OpenStreetMap-Daten
Hintergrund
In Europa werden verschiedene Mautsysteme verwendet, die sich in ihren Erfassungs- oder Abrechnungsmethoden unterscheiden. Diese Methoden werden in dieser Bachelorarbeit kurz aufgegriffen und mit den EU-Ländern Deutschland, Österreich und Schweiz auf ihre Besonderheiten verglichen. Da die Berechnung der Maut in einigen EU-Staaten speziellen Randbedingungen unterliegt (streckenbezogene oder gewichtsbezogene Abgabe), müssen diese Aspekte auch im Schema der Datenbank berücksichtigt werden. Hinzu kommen zusätzliche Informationen, die für die Visualisierung mautpflichtiger Strecken wichtig sind, wie beispielsweise Informationen über die betroffenen Fahrzugtypen oder über den Betreiber der Strecke.
Überblick der OSM-Mautdaten in Europa (overpass turbo, CC-BY-SA OpenStreetMap)
Mit der öffentlichen Debatte zur Ausweitung der LKW-Maut auf ausgewählten Bundesstraßen und zur Einführung einer PKW-Maut in Deutschland rücken Geodaten, speziell die Verkehrsdaten, wieder in den Fokus der Nutzer. Die Straßennutzung durch LKWs wird in Deutschland auf Grundlage des Mautgesetzes des Bundes mit einer Abgabe, der LKW-Maut, belegt. Die Berechnung der Maut basiert in Deutschland auf mautpflichtigen Abschnitten und nicht auf der gesamten, gefahrenen Strecke. Derzeit ist es schwierig die Mautdaten mit den Verkehrsdaten zu vereinigen. Die Mautabschnitte besitzen nur eine BASt interne Bezeichnung und sind nur über die räumliche Geometrie oder das lokale Wissen editierbar.
Bachelorarbeit
Das in dieser Arbeit beschriebene Tool und die damit erzeugten Mautdaten erleichtern dem Nutzer (OSM-Mapper) die Arbeit. Für ihn validiert das Tool durch die Dijkstra-Routinganalyse die OSM-Daten, basierend auf dem Tagging-Schema mit mautbezogenen Routingparametern, wie Fahrzeug-, Achs-, Gewichtsklasse und Betreiber. Die erzeugten Mautdaten helfen auch Nutzern, die mit Hilfe von OSM die mautbezogenen Routingparameter interpretieren oder auswerten wollen. Beispielsweise lässt sich so die schnellste und günstigste Strecke, bezogen auf die zu entrichtende Straßenmaut, ermitteln und grafisch anzeigen.
Im Rahmen der Bachelorarbeit ging es um die Aggregierung von verkehrsbezogenen Daten, die von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) und OpenStreetMap (OSM) zur Verfügung gestellt werden. Projektziel war es, ein Vorgehen zu entwickeln, das mautbezogene Verkehrsdaten ausliest und diese einheitlich, im OSM-Tagging-Format, in einer OSM-Datenbank ablegt.
Dem Mapper soll eine WMS-Schnittstelle oder eine Korrekturliste zur Verfügung gestellt werden, die das Erfassen und Validieren von Mautdaten erleichtern sollen. Für den allgemeinen Nutzer lassen sich, mit Hilfe einer Applikation, die Daten als mautpflichtige Route anzeigen. Zudem sollen die Daten grafisch ansprechend in einer Lagekarte visualisiert werden. Für das zu entwickelnde System werden die ursprünglichen Daten der BASt und OSM nach PostgreSQL importiert. Danach werden die Daten mit verschiedenen Analysen und Verarbeitungsverfahren mit Hilfe der PostGis- und PgRouting-Bibilothek aufbereitet.
Das Gesamtprojekt besteht aus drei Elementen:
- Erzeugen einer Korrekturliste und einen WMS-Dienst für den OSM-Mapper
- einem Maut-Informationsportal
- Maut-Routing für den LKW-Fahrer
Korrekturliste der mautpflichtige Strecken mit OSM_ID & BASt Abschnitte
Maut-Informationsportal
Maut-Routing für den LKW-Fahrer
OSM-Maut-Taggingshema erweitern
Maut wird für eine bestimmte Fahrzeug-, Achs- oder Gewichtsklasse oder einen bestimmten Betreiber erhoben. Die Fahrzeugklassen werden von der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen (UNECE) vorgegeben. Die Fahrzeugklassen werden von allen 56 Mitgliedern und Nichtmitglieder, wie Australien, der ECE ratifiziert, sodass sich viele Länder dem Vorschlag anschließen. Diese Informationen müssen in OSM hinterlegt werden. Das aktuelle Tagging-Schema dafür ist in nachfolgende Tabelle beschrieben.
Aktuelles Taggingschema für die Maut
abstrakte Darstellung des Ways mit Mautbeschränkungen
In Deutschland und anderen EU-Ländern existieren Mautsysteme, die nur für bestimmte Strecken Maut erheben. Diese Strecken müssen durch das Taggingschema darstellbar sein. Außerdem ist die Auswertung der Map-Features einer Straßenkante bezüglich der Maut recht aufwendig.
Damit die Informationen effektiver ausgewertet werden können, müssen sie anders hinterlegt werden. Der Vorschlag eines diesbezüglich überarbeiteten OSM-Taggingschema mit PKW-Maut ist in nachfolgende Tabelle beschrieben.
Neues Maut-Tagging-Schema in Anlehnung an OSM Tagging-Schema
In der nachfolgende Abbildung wird exemplarisch gezeigt, wie die Eigenschaften einer Straßenkante durch Anwendung des neuen Schemas zukünftig gemappt werden sollten.
Technische Umsetzung
Das gesamte Projekt wurde mit den Open-Source-Programmen auf einem Ubuntu-Server umgesetzt. Als Basis dient ein objektrelationales Datenbankmanagementsystem (ORDBMS) PostgreSQL. Die Datenbank wird mit der SQL-Datenbanksprache bedient und unterstützt die gängigen Datentypen, Operatoren, Funktionen und Aggregate. Die Erweiterungen PostGIS und PgRouting unterstützen die räumlichen Daten in einer PostgreSQL-Datenbank. In PostGIS werden neben der Speicherung und Bearbeitung von räumlichen Daten auch Analysefunktionen benutzt. PgRouting bietet Funktionen für “Kürzeste-Wege”- Berechnung und andere netzorientierte Algorithmen an.
Ein weiteres wichtiges Element ist ein Applikation-Server, wie Apache-Server. Der Apache-Server nimmt die Anfragen vom User-Interface entgegen und leitet sie an den MapServer weiter. Der verwendete MapServer ist ein Karten-Server, der es ermöglicht, Geodienste gemäß den Spezifikationen des Open Geospatial Consortium (OGC) zur Verfügung zu stellen.
Das User-Interface besteht aus einem CSS-Framework und einer Leaflet-Applikation. Unter Leaflet versteht man eine auf JavaScript basierende Bibliothek. Ziel ist es, die Geodaten mit einer grafische Benutzeroberfläche zu kombinieren, wie z. B. die Zoomfunktion oder die Schnittstellenabfrage Web Map Service (WMS). Die Foundation von der Firma Zurb ist ein freies CSS-Framework, mit eigener JavaScript-Bibliothek zum Erstellen von Webseiten auf mobile- oder Desktop-Plattformen. Die Foundation unterstützt die gängigen HTML-, CSS-, CSS(Sass)-Format.
Technologieübersicht des Servers
Zusammenfassung
In dieser Bachelorarbeit wurde ein Vorgehen entwickelt, bei dem mautbezogene Verkehrsdaten erfasst und umgewandelt werden, sodass sie in OSM abgelegt werden können. In diesem Zusammenhang wird eine neue Kartierungsvorschrift vorgestellt, die als Tagging-Schema für das OSM-Datenmodell dient.
Der Umgang mit dem Script hilft Nutzern, wenn sie die Überprüfung der Daten automatisieren wollen. Das Script erzeugt Vorlagen für das Maut-Tagging mit Hilfe eines Routing Algorithmus, der Eigenschaften wie Fahrzeug-, Achs- oder Gewichtsklasse und Betreiber berücksichtigt. Dadurch lässt sich zukünftig die schnellste und günstigste Route, bezogen auf die entrichtende Straßenmaut, erzeugen.
Das Vorgehen und das Script sind jetzt schon eine kostengünstige Alternative zu kommerziellen Lösungen. Die Ergebnisse haben eine gute Qualität, da sie auf Grundlage von aktuellen und weltweit erfassten Daten beruhen.
Langfristig soll ein weltweites Routing von Mautinformationen für Lkw oder andere Fahrzeugklassen angeboten werden. Hierzu wird angestrebt ein OpenTollMap-Projekt zu starten, wo interessierte OSM-Mapper herzlich eingeladen sind, Mautinformation oder andere Daten zu mappen oder analysieren. Außerdem soll eine Integration und Weiterentwicklung von vorhandenen Routing Engine vorangetrieben werden.
Eine Demoversion und die Bachelorarbeit steht zur Ansicht bereit.
Änderungsvorschläge
Damit zukünftig der aufwendige Workflow und die Berechnung der Geokoordinaten für Mautpunkte entfallen kann, sollte die BASt die benötigten Geokoordinaten zusammen mit den anderen Information für Mautpunkte in einer Datei bereitstellen.
Damit das neue Tagging-Schema in OSM integriert werden kann, müssen die Änderungen im OSM-Wiki hinreichend dokumentiert werden. Zur Dokumentation gehört neben dem neuen Tagging-Schema auch eine genaue Erklärung anhand von Beispielen, wie das neue Tagging-Schema benutzt werden soll.
Außerdem wäre auch eine Tagging-Vorlage in JOSM vorstellbar.
Interssierte Leute zu Thema Mautdaten können sich bei mir melden.