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Entwicklung eines Verfahrens zur Planung von Ladestationen für Oberleitungs-Lkw im Fernstraßennetz

Monzert, Tobias Aiko (2017):
Entwicklung eines Verfahrens zur Planung von Ladestationen für Oberleitungs-Lkw im Fernstraßennetz.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Um die Emissionen von Kraftfahrzeugen zu senken, wurden in den vergangenen Jahren vermehrt politische Ziele vereinbart, die durch die Industrie umgesetzt werden sollen. Nicht zuletzt durch verschiedene Abgasskandale in jüngster Zeit stehen konventionelle Antriebe, insbesondere der Dieselmotor, in zunehmender Kritik. Im Fokus der Betrachtungen stehen dabei zumeist Pkw und deren mögliche alternative Antriebe wie rein elektrisch angetriebene oder Hybrid-Fahrzeuge. Durch das hohe Aufkommen an dieselbetriebenem Schwerverkehr im Transportsektor ist aber auch die Forschung für künftige Antriebsmodelle von Lkw von hoher Dringlichkeit. Durch seine hohe Flexibilität und niedrigen Kosten wird der Lkw als Verkehrsmittel auch in Zukunft eine tragende Rolle im Transportgewerbe einnehmen. Im Kontext staatlicher Emissionsminderungsziele wird daher derzeit die abschnittsweise Ausstattung von Straßen mit Oberleitungs-Ladestationen diskutiert. Oberleitungs-Hybrid-Lkw (OH-Lkw) können so während der Fahrt Energie zuführen, die verbauten Batterien werden nur für den Nahbereich benötigt. Zur Planung der Standorte dieser Anlagen sind Kenntnisse über die räumliche Struktur der Güterverkehrsnachfrage essentiell. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, die Länge und Lage von Oberleitungs-Ladestationen auf der Straßenverkehrsinfrastruktur aus simulierten, aber realistischen Fahrtverläufen schwerer Nutzfahrzeuge abzuleiten. Im ersten Abschnitt der Arbeit sollen die Rahmenbedingungen für das zu entwickelnde Verfahren geprüft und auf ihren Einfluss für das Modell untersucht werden. Hierbei wird zunächst der Stand der Forschung zu OH-Lkw betrachtet. Es wird geschildert wie das Funktionsprinzip aufgebaut ist, welche baulichen Aspekte bei der Verfahrensentwicklung zum Tragen kommen und inwiefern die elektrische Sicherheit Einfluss auf das System hat. Im Weiteren werden Vor- und Nachteile des Systems aufgezeigt und aktuelle Teststrecken vorgestellt. Das Verfahren soll auf einem Modell aufbauen, welches das Verhalten von OH-Lkw im Einsatz innerhalb einer Lieferkette simuliert. Dazu werden sowohl die technischen Grundlagen von OH-Lkw untersucht, als auch der generische Modellbildungsprozess dargestellt, an dem sich die Modellentwicklung orientiert. Vor der Modellbildung wird der Leser über die agentenorientierte Modellierung sowie über die Mehrmethoden-Software AnyLogic informiert, die den Entwicklungsraum des Modells darstellen. Im Rahmen der Modellbildung werden zunächst die Anforderungen an einem ersten Prototyp erarbeitet, der zur Fahrtensimulation eingesetzt werden soll. Durch einen Modelscope wird genauer definiert, was die Aufgaben des Prototyps sind. Zu Beginn der Modellbildung werden zunächst die Eingangsparameter untersucht. Mit Hilfe von Quellen des Systemherstellers können aus empirischen Daten lineare Zusammenhänge hergeleitet werden, die im Prototyp Anwendung finden. Neben dem Lade- und Entladeverhalten der Batterien werden u.a. auch die Masse der OH-Lkw sowie Betriebs- und Umschlagszeiten im Modell berücksichtigt. Im Kapitel „Modellstruktur“ wird der Aufbau des Modells und die uugrunde liegenden Logiken erläutert. Es wird dargestellt, wie sich Aktivitätsfolgen der OH-Lkw zusammensetzen, deren gesammelte Informationen dazu dienen können, Daten zu Lage und Länge von benötigten Oberleitungen herzuleiten. Ein großer Teil der Arbeit wird anschließend von der Beschreibung der Modellimplementierung eingenommen. Die Funktionen und Beziehungen der einzelnen Agenten werden näher beleuchtet und ihre Aufgaben im Prototypen herausgestellt. Der entwickelte Prototyp kann für zwei verschiedene Lieferketten angewendet werden. Im ersten Fallbeispiel wird ein OH-Sattelzug simuliert, der volle und leere Trailer zwischen Ober-Ramstadt im Kreis Darmstadt-Dieburg und Frankfurt am Main transportiert. Dem gegenübergestellt ist ein Fallbeispiel, das eine Lieferkette mit einem kleineren OH-Lkw darstellt. Bei diesem Fallbeispiel wird neben der Simulation von Oberleitungsladestationen auch eine lokale Energieversorgung im Distributionsgebiet untersucht. In ersten Untersuchungen werden für beide Fallbeispiele Standardfälle gebildet. Anschließend werden Eingangsparameter wie Batteriekapazität und Ladefaktoren durch Veränderung in verschiedenen Szenarien auf ihre Sensitivität hin untersucht. Die Ergebnisse aller Fälle werden in Tabellen exportiert, die wiederum von einer weiteren implementierten Anwendung in AnyLogic grafisch ausgelesen werden können. Auf diese Weise lassen sich die Anforderungspunkte von OH-Lkw für Ladestationen auf einer Karte direkt betrachten. Der Modellprototyp enthält lediglich quantitative Eingangsparameter und stellt somit noch kein selbstständiges Verfahren zur Planung von Lage und Länge für Oberleitungsladestationen dar. Zum Zweck der Verfahrensbildung werden daher in einem weiteren Schritt qualitative Einflussfaktoren gesucht. In der Kombination mit den aus dem Grundlagenteil angesprochenen Faktoren werden mögliche Einflussfaktoren vorgestellt. Diese werden in die vier grundsätzlichen Zielbereiche des Verkehrs – Sicherheit, Leistungsfähigkeit, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit – aufgegliedert. Aus der Kombination von quantitativen und qualitativen Daten wird ein Verfahren entwickelt, an dessen Ende eine Empfehlung zu Lage und Länge von Oberleitungsladestationen in einem betrachteten Bereich ausspricht. Das entworfene Verfahren setzt sich aus fünf Stufen zusammen. Auf der ersten Stufe werden zunächst mit Hilfe des Modellprototyps quantitative Daten erzeugt. Diese generierten Daten werden auf der zweiten Stufe gesichtet und strukturiert. Auf der dritten Stufe erfolgt eine Bewertung der Ergebnisse auf Basis der qualitativen Einflussgrößen. Auf dieser Stufe sollen möglichst alle Interessen der Systemteilnehmer berücksichtigt werden, um sowohl die Effektivität wie auch Akzeptanz der Oberleitungspositionen zu maximieren. Stufe vier dient dazu, aus den verbliebenen Möglichkeiten von Oberleitungspositionierungen unterschiedliche Varianten zu bilden. Diese Varianten können dann in eigenen Simulationen überprüft werden. Auf Stufe fünf werden die Ergebnisse der Variantensimulationen miteinander verglichen und es wird eine Variantenempfehlung ausgesprochen. Um das entwickelte Verfahren zu testen, wird es am Ende der Arbeit anhand eines aktuellen Projektes durchgeführt. Als Abschluss der Arbeit, werden die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefasst und ein Ausblick für weitere Forschungsmöglichkeiten zu OH-Lkw gegeben.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Monzert, Tobias Aiko
Title: Entwicklung eines Verfahrens zur Planung von Ladestationen für Oberleitungs-Lkw im Fernstraßennetz
Language: German
Abstract:

Um die Emissionen von Kraftfahrzeugen zu senken, wurden in den vergangenen Jahren vermehrt politische Ziele vereinbart, die durch die Industrie umgesetzt werden sollen. Nicht zuletzt durch verschiedene Abgasskandale in jüngster Zeit stehen konventionelle Antriebe, insbesondere der Dieselmotor, in zunehmender Kritik. Im Fokus der Betrachtungen stehen dabei zumeist Pkw und deren mögliche alternative Antriebe wie rein elektrisch angetriebene oder Hybrid-Fahrzeuge. Durch das hohe Aufkommen an dieselbetriebenem Schwerverkehr im Transportsektor ist aber auch die Forschung für künftige Antriebsmodelle von Lkw von hoher Dringlichkeit. Durch seine hohe Flexibilität und niedrigen Kosten wird der Lkw als Verkehrsmittel auch in Zukunft eine tragende Rolle im Transportgewerbe einnehmen. Im Kontext staatlicher Emissionsminderungsziele wird daher derzeit die abschnittsweise Ausstattung von Straßen mit Oberleitungs-Ladestationen diskutiert. Oberleitungs-Hybrid-Lkw (OH-Lkw) können so während der Fahrt Energie zuführen, die verbauten Batterien werden nur für den Nahbereich benötigt. Zur Planung der Standorte dieser Anlagen sind Kenntnisse über die räumliche Struktur der Güterverkehrsnachfrage essentiell. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, die Länge und Lage von Oberleitungs-Ladestationen auf der Straßenverkehrsinfrastruktur aus simulierten, aber realistischen Fahrtverläufen schwerer Nutzfahrzeuge abzuleiten. Im ersten Abschnitt der Arbeit sollen die Rahmenbedingungen für das zu entwickelnde Verfahren geprüft und auf ihren Einfluss für das Modell untersucht werden. Hierbei wird zunächst der Stand der Forschung zu OH-Lkw betrachtet. Es wird geschildert wie das Funktionsprinzip aufgebaut ist, welche baulichen Aspekte bei der Verfahrensentwicklung zum Tragen kommen und inwiefern die elektrische Sicherheit Einfluss auf das System hat. Im Weiteren werden Vor- und Nachteile des Systems aufgezeigt und aktuelle Teststrecken vorgestellt. Das Verfahren soll auf einem Modell aufbauen, welches das Verhalten von OH-Lkw im Einsatz innerhalb einer Lieferkette simuliert. Dazu werden sowohl die technischen Grundlagen von OH-Lkw untersucht, als auch der generische Modellbildungsprozess dargestellt, an dem sich die Modellentwicklung orientiert. Vor der Modellbildung wird der Leser über die agentenorientierte Modellierung sowie über die Mehrmethoden-Software AnyLogic informiert, die den Entwicklungsraum des Modells darstellen. Im Rahmen der Modellbildung werden zunächst die Anforderungen an einem ersten Prototyp erarbeitet, der zur Fahrtensimulation eingesetzt werden soll. Durch einen Modelscope wird genauer definiert, was die Aufgaben des Prototyps sind. Zu Beginn der Modellbildung werden zunächst die Eingangsparameter untersucht. Mit Hilfe von Quellen des Systemherstellers können aus empirischen Daten lineare Zusammenhänge hergeleitet werden, die im Prototyp Anwendung finden. Neben dem Lade- und Entladeverhalten der Batterien werden u.a. auch die Masse der OH-Lkw sowie Betriebs- und Umschlagszeiten im Modell berücksichtigt. Im Kapitel „Modellstruktur“ wird der Aufbau des Modells und die uugrunde liegenden Logiken erläutert. Es wird dargestellt, wie sich Aktivitätsfolgen der OH-Lkw zusammensetzen, deren gesammelte Informationen dazu dienen können, Daten zu Lage und Länge von benötigten Oberleitungen herzuleiten. Ein großer Teil der Arbeit wird anschließend von der Beschreibung der Modellimplementierung eingenommen. Die Funktionen und Beziehungen der einzelnen Agenten werden näher beleuchtet und ihre Aufgaben im Prototypen herausgestellt. Der entwickelte Prototyp kann für zwei verschiedene Lieferketten angewendet werden. Im ersten Fallbeispiel wird ein OH-Sattelzug simuliert, der volle und leere Trailer zwischen Ober-Ramstadt im Kreis Darmstadt-Dieburg und Frankfurt am Main transportiert. Dem gegenübergestellt ist ein Fallbeispiel, das eine Lieferkette mit einem kleineren OH-Lkw darstellt. Bei diesem Fallbeispiel wird neben der Simulation von Oberleitungsladestationen auch eine lokale Energieversorgung im Distributionsgebiet untersucht. In ersten Untersuchungen werden für beide Fallbeispiele Standardfälle gebildet. Anschließend werden Eingangsparameter wie Batteriekapazität und Ladefaktoren durch Veränderung in verschiedenen Szenarien auf ihre Sensitivität hin untersucht. Die Ergebnisse aller Fälle werden in Tabellen exportiert, die wiederum von einer weiteren implementierten Anwendung in AnyLogic grafisch ausgelesen werden können. Auf diese Weise lassen sich die Anforderungspunkte von OH-Lkw für Ladestationen auf einer Karte direkt betrachten. Der Modellprototyp enthält lediglich quantitative Eingangsparameter und stellt somit noch kein selbstständiges Verfahren zur Planung von Lage und Länge für Oberleitungsladestationen dar. Zum Zweck der Verfahrensbildung werden daher in einem weiteren Schritt qualitative Einflussfaktoren gesucht. In der Kombination mit den aus dem Grundlagenteil angesprochenen Faktoren werden mögliche Einflussfaktoren vorgestellt. Diese werden in die vier grundsätzlichen Zielbereiche des Verkehrs – Sicherheit, Leistungsfähigkeit, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit – aufgegliedert. Aus der Kombination von quantitativen und qualitativen Daten wird ein Verfahren entwickelt, an dessen Ende eine Empfehlung zu Lage und Länge von Oberleitungsladestationen in einem betrachteten Bereich ausspricht. Das entworfene Verfahren setzt sich aus fünf Stufen zusammen. Auf der ersten Stufe werden zunächst mit Hilfe des Modellprototyps quantitative Daten erzeugt. Diese generierten Daten werden auf der zweiten Stufe gesichtet und strukturiert. Auf der dritten Stufe erfolgt eine Bewertung der Ergebnisse auf Basis der qualitativen Einflussgrößen. Auf dieser Stufe sollen möglichst alle Interessen der Systemteilnehmer berücksichtigt werden, um sowohl die Effektivität wie auch Akzeptanz der Oberleitungspositionen zu maximieren. Stufe vier dient dazu, aus den verbliebenen Möglichkeiten von Oberleitungspositionierungen unterschiedliche Varianten zu bilden. Diese Varianten können dann in eigenen Simulationen überprüft werden. Auf Stufe fünf werden die Ergebnisse der Variantensimulationen miteinander verglichen und es wird eine Variantenempfehlung ausgesprochen. Um das entwickelte Verfahren zu testen, wird es am Ende der Arbeit anhand eines aktuellen Projektes durchgeführt. Als Abschluss der Arbeit, werden die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefasst und ein Ausblick für weitere Forschungsmöglichkeiten zu OH-Lkw gegeben.

Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 26 Jan 2018 11:52
Official URL: https://www.verkehr.tu-darmstadt.de/media/verkehr/fgvv/beruf...
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Rolko, M. Sc. Kevin
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Over the last couple of years governments have made many decisions to reduce air pollution generated by motor vehicles. The industry which should turn those decisions into actual actions has recently been confronted with several pollution affairs. Especially Diesel engines are criticized due to their high amount of emissions. The discussions mostly concentrate on passenger cars and alternative drives like fully electric driving or hybrid automobiles. Because of the high amount of heavy traffic in the sectors of traffic and transport research must focus also on future drives of trucks with great urgency. Due to their high flexibility and low costs trucks will keep the leading role as one of the most important means of freight transport. In the context of national objectives to reduce emissions discussions are made to install overhead contact lines on several sections of highways. Trolleytrucks could use the energy to drive while filling up their batteries which they could use for short distances. Planning such infrastructure facilities knowledge on space structure of the freight transport demand are highly needed. Therefore, the aim of this work is to develop a procedure to determine the locations of overhead contact line charging stations for the German highway network. To do so, simulated but realistic movements of heavy commercial vehicles must be investigated to identify the needed information. In the first section, basic preconditions and their influence on the model are investigated. For this purpose, the current state of research in the field of trolleytrucks is going to be considered. The functional principle of trolleytrucks will be explained as well as constructional aspects. It will also be briefly discussed how big the influence of electrical safety is on the model. Additionally, the advantages and disadvantages of the system are going to be characterized. The procedure should be built upon a model which simulated the behavior of trolleytrucks used in a supply chain. Therefore, the technical fundamentals are investigated. Also, the generic model design process as a template to the model prototype is portrayed Prior to the model design the reader is introduced to the basics in agent based modelling. A brief introduction into the multi method modelling software AnyLogic is also given. Within the model design process the basic requirements of the input parameters of a first prototype are compiled. A model scope defines more precisely which tasks the prototype should fulfill. Starting the model design the input parameters are investigated. With the aid of sources from the system developer empirical data can be transferred into linear relations which are used in the prototype later. Besides the behavior of the loading and unloading processes of the battery, also parameters such as truck mass or turnaround time are considered within the model. In the next chapter the model structure and the logic of its parts is explained. Also, explanations are made on how activity tracks of trolleytrucks are used to generate Data which helps to find the right length and position for overhead contact lines on highways. A big share of the work describes the implementation of the model. The features and relations of single agents are specified such as their functions in the prototype. In this master thesis the first prototype can be applied on two different case studies which take place in the same geographical region. In the first case study a big trolleytruck (40 t) is simulated. The trolleytruck delivers freight from Ober-Ramstadt in the Darmstadt-Dieburg district to a distribution center located in Frankfurt am Main. The second case study shows a smaller truck (12 t) which is used in a supply chain which also contains the possibility of local charge in the distribution area. For the first investigations, standard cases are defined. Then input parameters such as battery capacity or loading factors are changed in several different scenarios to investigate the sensitivity of their influence on the model. The results of all cases will be exported to tables which could be read out by another implemented AnyLogic Application. In this way, the starting and ending points could be easily viewed directly on the map. The prototype contains only quantitative input parameters and cannot be used as a standalone procedure to plan the position and length of overhead contact lines. For this purpose, also qualitative influence factors must be considered. With factors raised in the basic research chapter possible influence factors are introduced. They are divided in groups of the four targeted areas of traffic engineering: safety, performance, environmental combability and economic efficiency. Through the combination of quantitative and qualitative data, a procedure is developed which can recommend an overhead contact line variant in an observed area. The developed procedure is divided into five stages. The first stage generates quantitative data with the designed model prototype. In the second stage the generated data is sighted and structured. In the third stage the data is rated using the qualitative influence factors. On this stage, a high share of all system participant interests should be considered to ensure acceptance and effectivity of the overhead contact line in its possible position. In stage four the left possibilities are transferred into different variants. Those variants can now be reviewed in their own variant simulation. In the fifth stage the results of those simulations are compared. As a result, a recommendation of a variant is made. The developed procedure is tested with a current project at the end of the work to test its abilities. To conclude the work, a summary of the achieved results is given as well as an outlook on further possible research issues.English
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