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Auswirkungen von Platooning auf die bestehende Verkehrsinfrastruktur und Verkehrstechnik

Polziehn, Christian (2017):
Auswirkungen von Platooning auf die bestehende Verkehrsinfrastruktur und Verkehrstechnik.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

„Vollsperrung nach LKW-Unfall auf der A7“, „Dicke Luft: Köln plant Durchfahrt-Verbot für LKW“ oder auch „EU Studie – Leere LKWs verstopfen die Autobahn“, das sind Meldungen, die in der heutigen Zeit nicht selten zu hören sind. Der Verkehrsträger Straße ist eine der wichtigsten Möglichkeiten, um Güter an ihr Ziel zu transportieren; wirtschaftliche Erfolge oder Misserfolge hängen von einem reibungslosen Ablauf ab. Als Reaktion auf die Globalisierung sind jedoch nicht mehr nur lokale Auslieferungen die Regel, längst werden Güter national oder gar global mit LKWs ausgeliefert. Durch Unkonzentriertheit oder durch individuelle Fahrfehler kommt es in regelmäßigen Abständen zu Verkehrsunfällen unter Beteiligung von Nutzfahrzeugen. Tote, Verletzte und hohe volkswirtschaftliche Schäden sind Folgen davon. Ausgelöst durch die steigende Nutzung des Verkehrsträgers Straße kommt das Verlangen nach innovativen Lösungen auf, mit Hilfe derer die Verkehrssituation auf den Straßen zukünftig besser gestalten werden kann. Fahrerassistenzsysteme, nachfolgend FAS genannt, sind in der Lage diese Neuorganisation auf den Straßen zu leisten, da sie bereits vor der Entstehung einer Gefahrensituation eingreifen können. Ergeben sich trotzdem gefährliche Situationen für andere Verkehrsteilnehmer, kann durch weitere eingreifende Assistenten ein drohender Unfall abgewendet oder dessen Schwere gemindert werden. In der Ausarbeitung wird auf den Stand der Technik dieser Fahrerassistenzsysteme detailliert eingegangen. Es wird aufgezeigt, wie sich die FAS von einfachen Systemen, wie dem Bremskraftverstärker oder dem ABS, zu fortschrittlichen Assistenten entwickelten. Sie besitzen die Fähigkeit Umfeldinformationen wie z.B. das Straßenprofil in die Regelstrategie mit einzubeziehen. Beispiele hierfür sind die adaptive Geschwindigkeitsregelanlage (ACC), der fortschrittliche Notbremsassistent (AEB) oder auch der autonome Spurwechselassistent. Außerdem findet eine Beschreibung der verschiedenen Automatisierungsgrade von Fahrzeugen statt. Doch nicht allein durch FAS wird die Sicherheit, der Verkehrsfluss und der Komfort gesteigert; auch die neue Fahrzeugkommunikation, genannt Car2X-Kommunikation, leistet dafür ihren Beitrag. Das X im Namen steht für einen möglichen Kommunikationspartner. Das kann ein anderes Fahrzeug (Car2Car-Kommunikation) oder beispielweise eine Lichtsignalanlage (Car2Infrastructure-Kommunikation) sein. Die Funktionsweise dieser Kommunikation basiert auf verschiedenen Sensoren am Fahrzeug, die gemessene oder gemeldete Daten an andere Fahrzeuge oder die Infrastruktur weiterleiten können. Die Besonderheit hierbei ist, dass keine gesonderte Infrastruktur am Straßenrand installiert werden muss, da die Datenübertragung durch ein von Fahrzeugen gebildetes Ad-hoc-Netz gewährleistet wird. Um die hohe Verkehrsbelastung besser umgehen zu können, besteht im Bereich des Gütertransports durch Nutzfahrzeuge das Konzept des Platoons. Das Wort Platoon stammt ursprünglich aus dem militärischen und beschreibt einen Zusammenschluss einer kleinen taktischen Kampfeinheit. Übertragen auf den Straßenverkehr bedeutet der Begriff des Platoonings ein Aneinanderreihen von Fahrzeugen, die mit einem verkürzten Abstand von ca. 10 m verkehren. Um einen derart geringen Abstand in der Praxis umsetzen zu können, bedarf es einer Aufrüstung der Fahrzeuge u.a. mit den eben beschriebenen FAS und der Möglichkeit zur Car2X-Kommunikation. In einem Platoon ist zwischen dem Führungsfahrzeug der Kolonne und einem Folgefahrzeug zu unterscheiden. Damit ein LKW als Führungsfahrzeug den Platoon anführen kann, benötigt er ein Fahrerinformationssystem (FIS), welches mit einem Netzwerk verbunden ist, von dem es aktuelle Informationen über Routing, Staus etc. erhält. Zusätzlich dient das FIS dem Fahrer des Führungsfahrzeugs als Schnittstelle zum Fahrzeug, durch das er in der Lage ist die Anfragen zum Zutritt in den Platoon zu bearbeiten. Die folgenden LKWs imitieren die Fahrmanöver des Führungsfahrzeuges und werden bei einem abrupten Bremsvorgang, gesteuert durch die eingebauten FAS, nahezu ohne Reaktionszeit automatisch abgebremst, so dass ein Auffahrunfall vermieden wird. Für die Bildung des Platoons sind insbesondere zwei verschiedene Konzepte von Bedeutung: Das Konzept der Spontanen Bildungen sowie eines mit anzusteuerndem HUB. Ferner werden die Szenarien der Trennung einzelner Teilnehmer des Platoons sowie die Auflösung des gesamten Platoons ausgearbeitet. Bereits durchgeführte Projekte, bei denen LKW-Platoons auf deutschen Autobahnen getestet wurden, werden hinsichtlich der auftretenden Probleme untersucht und mit in das Kapitel des Sicherheitsgedanken des Platoons einbezogen. Im weiteren Verlauf werden betriebliche Probleme identifiziert, hinterfragt und mit Lösungsvorschlägen versehen. Auffällig bei der Herausarbeitung der betrieblichen Probleme ist das Verhalten der anderen Verkehrsteilnehmer. Trotz des verkürzten Abstands zwischen den LKWs in der Kolonne zwängen sich in regelmäßigen Abständen PKWs in die nur sehr kleinen Lücken. Auf diese Fahrmanöver hat der LKW-Platoon mit einer Vergrößerung der Abstände, was einer Entkoppelung gleichzusetzen ist, zu reagieren. Außerdem werden weitere gefährliche Situationen beschrieben und mit einem Lösungsansatz versehen. Überdies wird die Kompatibilität mit bestehenden Regelwerken sowie mit verkehrstechnischen Anwendungen untersucht. Als Regelwerke sind u.a. die RiLSA, die StVO und auch das Wiener Übereinkommen über den Straßenverkehr von Bedeutung. Jedes dieser genannten Regelwerke beeinträchtigt das Konzept des Platoons auf seine Weise. Um einen gesetzestreuen Betrieb zu gewährleisten sind daher Anpassungen an bestimmten Stellen der Regelwerke unabdingbar. Verkehrstechnische Anwendungen, wie beispielweise die Zuflussregelungsanlage, werden hinsichtlich des Konzepts des Platoons untersucht und bewertet. Zusätzlich findet eine Betrachtung des Platoons im Stadtgebiet statt. Um einzelne Knotenpunkte nicht unnötigerweise durch den Verkehr von gekoppelten LKWs zu belasten ist es notwendig dem Platoon eine optimal auf seine Eigenschaften abgestimmte Route vorzugeben. Um das FIS des Konvois mit Informationen zu versorgen sind Routen im Stadtgebiet festzulegen, die der Platoon befahren darf. Ferner sind Routen zu kennzeichnen, die für ihn gesperrt sind. Ein Blick in die Zukunft rückt die Elektromobilität in das Blickfeld. Die Elektrofahrzeughersteller stehen derzeit noch vor dem Problem der kurzen Reichweite und der Einrichtung einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur. Würde ein Platoon mit der Elektromobilität verknüpft, könnten aufgrund der Energieeinsparung längere Strecken rein elektrisch gefahren werden. Letztlich zeigt eine Gegenüberstellung der Chancen und Risiken ein Übergewicht der noch existierenden Probleme. Wenn jedoch die Grundlagen durch eine gezielte Anpassung der Regelwerke und die Aufrüstung der Fahrzeuge auf einen hohen Automatisierungsstandard geschaffen werden, hat der LKW-Platoon durchaus die Möglichkeit sich im realen Straßenverkehr, jedoch hauptsächlich auf Fahrbahnen mit mehreren Fahrstreifen pro Richtung (z.B. einer Autobahn), zu implementieren.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Polziehn, Christian
Title: Auswirkungen von Platooning auf die bestehende Verkehrsinfrastruktur und Verkehrstechnik
Language: German
Abstract:

„Vollsperrung nach LKW-Unfall auf der A7“, „Dicke Luft: Köln plant Durchfahrt-Verbot für LKW“ oder auch „EU Studie – Leere LKWs verstopfen die Autobahn“, das sind Meldungen, die in der heutigen Zeit nicht selten zu hören sind. Der Verkehrsträger Straße ist eine der wichtigsten Möglichkeiten, um Güter an ihr Ziel zu transportieren; wirtschaftliche Erfolge oder Misserfolge hängen von einem reibungslosen Ablauf ab. Als Reaktion auf die Globalisierung sind jedoch nicht mehr nur lokale Auslieferungen die Regel, längst werden Güter national oder gar global mit LKWs ausgeliefert. Durch Unkonzentriertheit oder durch individuelle Fahrfehler kommt es in regelmäßigen Abständen zu Verkehrsunfällen unter Beteiligung von Nutzfahrzeugen. Tote, Verletzte und hohe volkswirtschaftliche Schäden sind Folgen davon. Ausgelöst durch die steigende Nutzung des Verkehrsträgers Straße kommt das Verlangen nach innovativen Lösungen auf, mit Hilfe derer die Verkehrssituation auf den Straßen zukünftig besser gestalten werden kann. Fahrerassistenzsysteme, nachfolgend FAS genannt, sind in der Lage diese Neuorganisation auf den Straßen zu leisten, da sie bereits vor der Entstehung einer Gefahrensituation eingreifen können. Ergeben sich trotzdem gefährliche Situationen für andere Verkehrsteilnehmer, kann durch weitere eingreifende Assistenten ein drohender Unfall abgewendet oder dessen Schwere gemindert werden. In der Ausarbeitung wird auf den Stand der Technik dieser Fahrerassistenzsysteme detailliert eingegangen. Es wird aufgezeigt, wie sich die FAS von einfachen Systemen, wie dem Bremskraftverstärker oder dem ABS, zu fortschrittlichen Assistenten entwickelten. Sie besitzen die Fähigkeit Umfeldinformationen wie z.B. das Straßenprofil in die Regelstrategie mit einzubeziehen. Beispiele hierfür sind die adaptive Geschwindigkeitsregelanlage (ACC), der fortschrittliche Notbremsassistent (AEB) oder auch der autonome Spurwechselassistent. Außerdem findet eine Beschreibung der verschiedenen Automatisierungsgrade von Fahrzeugen statt. Doch nicht allein durch FAS wird die Sicherheit, der Verkehrsfluss und der Komfort gesteigert; auch die neue Fahrzeugkommunikation, genannt Car2X-Kommunikation, leistet dafür ihren Beitrag. Das X im Namen steht für einen möglichen Kommunikationspartner. Das kann ein anderes Fahrzeug (Car2Car-Kommunikation) oder beispielweise eine Lichtsignalanlage (Car2Infrastructure-Kommunikation) sein. Die Funktionsweise dieser Kommunikation basiert auf verschiedenen Sensoren am Fahrzeug, die gemessene oder gemeldete Daten an andere Fahrzeuge oder die Infrastruktur weiterleiten können. Die Besonderheit hierbei ist, dass keine gesonderte Infrastruktur am Straßenrand installiert werden muss, da die Datenübertragung durch ein von Fahrzeugen gebildetes Ad-hoc-Netz gewährleistet wird. Um die hohe Verkehrsbelastung besser umgehen zu können, besteht im Bereich des Gütertransports durch Nutzfahrzeuge das Konzept des Platoons. Das Wort Platoon stammt ursprünglich aus dem militärischen und beschreibt einen Zusammenschluss einer kleinen taktischen Kampfeinheit. Übertragen auf den Straßenverkehr bedeutet der Begriff des Platoonings ein Aneinanderreihen von Fahrzeugen, die mit einem verkürzten Abstand von ca. 10 m verkehren. Um einen derart geringen Abstand in der Praxis umsetzen zu können, bedarf es einer Aufrüstung der Fahrzeuge u.a. mit den eben beschriebenen FAS und der Möglichkeit zur Car2X-Kommunikation. In einem Platoon ist zwischen dem Führungsfahrzeug der Kolonne und einem Folgefahrzeug zu unterscheiden. Damit ein LKW als Führungsfahrzeug den Platoon anführen kann, benötigt er ein Fahrerinformationssystem (FIS), welches mit einem Netzwerk verbunden ist, von dem es aktuelle Informationen über Routing, Staus etc. erhält. Zusätzlich dient das FIS dem Fahrer des Führungsfahrzeugs als Schnittstelle zum Fahrzeug, durch das er in der Lage ist die Anfragen zum Zutritt in den Platoon zu bearbeiten. Die folgenden LKWs imitieren die Fahrmanöver des Führungsfahrzeuges und werden bei einem abrupten Bremsvorgang, gesteuert durch die eingebauten FAS, nahezu ohne Reaktionszeit automatisch abgebremst, so dass ein Auffahrunfall vermieden wird. Für die Bildung des Platoons sind insbesondere zwei verschiedene Konzepte von Bedeutung: Das Konzept der Spontanen Bildungen sowie eines mit anzusteuerndem HUB. Ferner werden die Szenarien der Trennung einzelner Teilnehmer des Platoons sowie die Auflösung des gesamten Platoons ausgearbeitet. Bereits durchgeführte Projekte, bei denen LKW-Platoons auf deutschen Autobahnen getestet wurden, werden hinsichtlich der auftretenden Probleme untersucht und mit in das Kapitel des Sicherheitsgedanken des Platoons einbezogen. Im weiteren Verlauf werden betriebliche Probleme identifiziert, hinterfragt und mit Lösungsvorschlägen versehen. Auffällig bei der Herausarbeitung der betrieblichen Probleme ist das Verhalten der anderen Verkehrsteilnehmer. Trotz des verkürzten Abstands zwischen den LKWs in der Kolonne zwängen sich in regelmäßigen Abständen PKWs in die nur sehr kleinen Lücken. Auf diese Fahrmanöver hat der LKW-Platoon mit einer Vergrößerung der Abstände, was einer Entkoppelung gleichzusetzen ist, zu reagieren. Außerdem werden weitere gefährliche Situationen beschrieben und mit einem Lösungsansatz versehen. Überdies wird die Kompatibilität mit bestehenden Regelwerken sowie mit verkehrstechnischen Anwendungen untersucht. Als Regelwerke sind u.a. die RiLSA, die StVO und auch das Wiener Übereinkommen über den Straßenverkehr von Bedeutung. Jedes dieser genannten Regelwerke beeinträchtigt das Konzept des Platoons auf seine Weise. Um einen gesetzestreuen Betrieb zu gewährleisten sind daher Anpassungen an bestimmten Stellen der Regelwerke unabdingbar. Verkehrstechnische Anwendungen, wie beispielweise die Zuflussregelungsanlage, werden hinsichtlich des Konzepts des Platoons untersucht und bewertet. Zusätzlich findet eine Betrachtung des Platoons im Stadtgebiet statt. Um einzelne Knotenpunkte nicht unnötigerweise durch den Verkehr von gekoppelten LKWs zu belasten ist es notwendig dem Platoon eine optimal auf seine Eigenschaften abgestimmte Route vorzugeben. Um das FIS des Konvois mit Informationen zu versorgen sind Routen im Stadtgebiet festzulegen, die der Platoon befahren darf. Ferner sind Routen zu kennzeichnen, die für ihn gesperrt sind. Ein Blick in die Zukunft rückt die Elektromobilität in das Blickfeld. Die Elektrofahrzeughersteller stehen derzeit noch vor dem Problem der kurzen Reichweite und der Einrichtung einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur. Würde ein Platoon mit der Elektromobilität verknüpft, könnten aufgrund der Energieeinsparung längere Strecken rein elektrisch gefahren werden. Letztlich zeigt eine Gegenüberstellung der Chancen und Risiken ein Übergewicht der noch existierenden Probleme. Wenn jedoch die Grundlagen durch eine gezielte Anpassung der Regelwerke und die Aufrüstung der Fahrzeuge auf einen hohen Automatisierungsstandard geschaffen werden, hat der LKW-Platoon durchaus die Möglichkeit sich im realen Straßenverkehr, jedoch hauptsächlich auf Fahrbahnen mit mehreren Fahrstreifen pro Richtung (z.B. einer Autobahn), zu implementieren.

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 21:28
Official URL: https://www.verkehr.tu-darmstadt.de/media/verkehr/fgvv/beruf...
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Gillich, M. Sc. Kim
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
“Blockage of Motorway 8 after HGV accident”; “Bad air: Cologne plans to close off city to trucks”, or “EU study – empty trucks block motorway”. Headlines like these are not infrequent in the present-day world. As a mode of transport, the road system is one of the most important ways of conveying goods to their destination; economic success or failure depends on efficient transport procedures. Globalisation, however, has led to a situation where the rule is not just delivery within a geographically local framework. It has long been the case that goods are carried to international or even global destinations by HGVs using the communal road system. Lack of concentration or individual driver errors regularly cause accidents involving commercial vehicles. Death, injury and severe economic damage are the results. This increasing use of the road traffic network has initiated demands for innovative solutions which will help in the future to improve the organization of the transport system on public roads. Driver assistance systems, hereafter referred to as DAS, can make an important contribution to innovative traffic regulation, as they go into effect as soon as danger situations arise and thus block their escalation. Where danger nevertheless arises for other motorists, further assistance systems can intervene, in order to avert an impending accident or at least considerably reduce its severity. This work deals in detail with the current technical status of driver assistance systems, showing how DAS have developed from simple systems like the brake booster or the ABS into more sophisticated information systems which are capable of gathering data on local road conditions and utilizing it in regulation strategies. Examples of this are the Adaptive Cruise Control (ACC), Autonomous Emergency Braking (AEB) and the Autonomous Active Lane Change Assist system. There is additional assessment of the various degrees of automation with different vehicles. It is not just through DAS, however, that safety, efficient traffic-flow and comfort are increased. An important contribution is made also by a new form of vehicle communication called Car2X-Communication, whereby the X in the name stands for a possible communication partner in the form, for instance, of another vehicle (Car2Car-Communication) or, say, a set of light signal installations. The functioning of this communication is based on various sensors on the vehicle which can convey measured or otherwise registered data to other vehicles or the traffic infrastructure system. The special feature in this is that no extra infrastructural devices need be installed on the roadside, as data conveyance is guaranteed by an ad-hoc network formed by vehicles themselves. In order to deal more efficiently with the trend towards increasing volumes of traffic, the concept of the platoon has been developed for the sector of goods conveyance by commercial vehicles. The term platoon has its origins in military usage and refers to a small tactical battle unit. In reference to road traffic the concept of platooning is applied to a sequence of vehicles with a very short spatial interval of approx. 10 metres between each of them. In order to keep such a short distance in practice, the vehicles have to be equipped, among other things, with the DAS just described and a car2X-communication device. With a platoon, a distinction must be made between the leading vehicle in the convoy and those following it. In order to lead the platoon, a truck requires a Driver Information System (DIS) which is connected into a data network containing current information on routing, traffic queues, roadworks, etc. The driver has access to comfort, information- and communication-functions. In addition, the DIS serves the lead-driver as an interface to the vehicle, enabling him to process an application for entry into the platoon. A following HGV imitates the driving manoeuvres of the lead vehicle and in the case of an abrupt braking action and guided via the installed DAS can automatically decelerate almost instantaneously to prevent collision with the vehicle ahead. Two different concepts are important in the formation of a platoon: that of spontaneous formation and that effected through HUB. In addition scenarios are analysed which involve the departure of individual members from the platoon, as well as the disbanding of the whole unit. Projects already carried out in which HGV platoons were tested on German motorways are examined with regard to the problems occurring, and included in the chapter on concepts of platoon safety. In the further course of the work, operational problems are identified and examined, and solution approaches suggested. A special factor in the enquiry into operational problems is the conduct of other motorists. Despite the short distances between trucks in the convoy, other car drivers regularly force their way into the very small gaps. The HGV platoon must react to such manoeuvres by others by increasing distances, which amounts to a detachment from the platoon. Other situations of endangerment are described, and strategic solutions discussed. Furthermore the compatibility with existing regulatory systems, as well as with traffic-technical applications are examined. Among important regulation systems are the RiLSA, the German Road Traffic Regulations (StVO) and the Vienna Convention on Road Traffic. Each of these regulatory systems impedes the platoon in its own way. In order to guarantee legality in the vehicle operations described, it is essential to modify and adapt them in accordance with given laws and ordinances. Traffic regulation measures such as inflow control systems or temporary release of the hard shoulder are assessed in terms of their effects on the concept of the platoon. Additionally, there is discussion on the use of platoons in urban areas. In order not to burden individual junctions unnecessarily with the passage of HGV convoys, it is necessary to provide the platoon with a route optimally set to its requirements. In order to provide the DIS of the convoy with co-ordinated information, urban routes must be specified which the platoon is allowed to use. And on the other hand, routes must be shown which they are prohibited to take. With regard to future developments, a factor of consideration is electromobility. Producers of electric vehicles are at present grappling with problems of short range and the provision of a viably extensive re-charging infrastructure. If the platoon were associated with electro-mobility, energy could be saved by travelling longer distances on purely electric power. Finally, a comparison of opportunities and risks clearly shows a preponderance of risks. However, the still extant risks could be minimalized by specific adaptation of particular regulation practices and a high degree of vehicle automation, providing the HGV platoon with a basis for implementation in real road traffic conditions.English
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