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Technische Anforderungen an das digital vernetzte Fahrzeug

Erstellt am: 12.01.2018 | Stand des Wissens: 29.07.2021
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig

Durch die digitale Vernetzung in Güterverkehr und Logistik entstehen zahlreiche neue Anforderungen an die Transportmittel. Neben benötigten Investitionen in die digitale Infrastruktur treten an den Fahrzeugen selbst neue technische Herausforderungen in den Bereichen Fahrerassistenz, aktive Sicherheit, Fahrumgebungserfassung und der Mensch-Maschine-Interaktion auf.
Die Entwicklung von intelligenten Fahrassistenzsystemen spielt insbesondere auf der Straße für den Ausbau der digitalen Vernetzung eine bedeutende Rolle. Im Güterverkehr ist hierbei das Ziel, den Transporteur vor und während der Auslieferungstour optimal zu unterstützen, indem auf unvorhersehbare Ereignisse wie Verkehrsstaus, Straßensperrungen sowie zusätzliche Abholaufträge flexibel und dynamisch reagiert werden kann [BMBF05d]. Des Weiteren gilt es, trotz der ansteigenden Fahrzeugdichte auf den Straßen ein möglichst effizientes Fahren zu ermöglichen [VDA15c].

Hinsichtlich der Sensorik und der Kommunikationstechnologien in Fahrzeugen sind hierfür Entwicklungen von Kreuzungs-, Querführungs- und Stauassistenten von Bedeutung, die mit Sensorsystemen wie Laser, Ultraschall oder Radar sowie mittels Videobildverarbeitung Daten bereitstellen. Eine Funktion der Sensorik ist beispielsweise die Umfelderkennung. Warnsysteme geben bei querendem Verkehr oder Stoppschildern einen entsprechenden Hinweis an die Fahrer. Das Verlassen der Autobahnspur und das Fahren in Stausituationen werden ebenfalls erleichtert. Die verschiedenen Sensortechnologien werden unterschiedlichen Anforderungen gerecht. Mithilfe von Lidar-Systemen (Light Detection And Ranging), Laserstrahlen oder Fernbereichsradargeräten kann beispielsweise der Abstand zu anderen Objekten bestimmt werden. Sie werden deshalb für die Abstandsregelung (ACC) eingesetzt, wobei erstere eine bessere laterale Auflösung erzielen als das Fernbereichsradar. Ein Nachteil der Lidar-Systeme ist jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Witterung (Nebel, Schnee und Regen, aber auch Gischtfahnen von vorausfahrenden Fahrzeugen) und die mögliche Verschmutzung der Empfangsoptik [BMBF05d]. Besondere Anforderungen ergeben sich zusätzlich aus den spezifischen verkehrsrechtlichen Bedingungen wie Streckensperrungen für Lkw, Brückenbefahrbarkeiten, Durchfahrthöhen oder Informationen über fehlende Wendemöglichkeiten [BGL15].

Die Fahrassistenzsysteme gelten jedoch nur als Vorstufe auf dem Weg zum autonomen Fahren. In verschiedenen Zwischenstufen vom teilautomatisierten über das hochautomatisierte, vollautomatisierte bis hin zum autonomen Fahren übernehmen die Systeme mehr und mehr Aufgaben der Fahrer und schließlich die vollständige Steuerung des Fahrzeugs [Gass12]. Die verschiedenen Stufen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Automatisierungsgrade.pngAbb. 1: Automatisierungsgrade [VDA15c]


Momentan sind insbesondere die Stufen eins bis drei in der Diskussion und finden teilweise bereits Anwendung im Straßengüterverkehr. Die Akteure erhoffen sich hierbei unter anderem eine Verbesserung der Genauigkeit und Sicherheit sowie eine Neudefinition des Aufgabenfeldes der Lkw-Fahrer. Jede nächsthöheren Automatisierungsstufe verändert die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Die daraus resultierende Modifizierung der Ansprüche an die Fahrer kann neben Chancen auch Risiken bedeuten, da hier Potenzial für menschliche Fehler entsteht. Bereits bei teilautomatisierten Systemen steht der Mensch vor der Aufgabe, ein potenziell fehlerhaftes System zu überwachen, während er gleichzeitig eine Reihe von Aufgaben weiterhin selber bearbeiten muss, die von der Automatisierung nicht abgedeckt werden. Das Ziel der Automatisierung, eine Reduktion der mentalen und motorischen Beanspruchung zu generieren, stellt somit weiterhin eine Herausforderung in der Entwicklung dar. Als ein besonders kritischer Zeitraum wurde der Moment der Übernahme der manuellen Steuerung nach einer Phase des automatisierten Fahrens identifiziert. Nach der Studie "Übergabe von hochautomatisiertem Fahren zu manueller Steuerung" brauchen die Fahrer durchschnittlich zwölf bis 15 Sekunden nach einer Übernahmeaufforderung, um nach einer starken Ablenkung wieder ein Situationsbewusstsein für die Fahrsituation zu haben. Damit sind die Reaktionen der Fahrer im Vergleich zu einer manuellen Fahrt bis zu fünf Sekunden verzögert [VVKHG16].

Auch bei der technischen Umsetzung des sogenannten Lkw-Platoonings sehen sich Industrie und Logistik noch vor zahlreiche Herausforderungen gestellt. So müssen beispielsweise die unterschiedlichen Ladungsgewichte und die verschiedenen Motorleistungen einzelner Lkw im Platoon-Konvoi berücksichtigt werden. Erste Testfahrten haben zudem gezeigt, dass Pkw versuchen, trotz des verkürzten Abstands zwischen den Lkw in die Kolonne einzuscheren. Darauf muss der Lkw-Platoon mit einer Vergrößerung der Abstände reagieren, was einer Entkoppelung der Kolonne gleichkommt. Zudem beeinträchtigen Regelwerke wie unter anderem die Richtlinie für Signalanlagen und die Straßenverkehrszulassungsordnung derzeit noch das Konzept des Platoons [Polz17]. Weitere Forschungsprojekte und Testfahrten treiben das Truck Platooning voran. So testen beispielsweise der Nutzfahrzeughersteller MAN und das Logistikunternehmen DB Schenker seit dem Jahr 2018 vernetzte Lkw-Kolonnen auf der Autobahn A 9. Darüber hinaus erfolgt der Einsatz Testbetrieb automatisierter "Wiesel" auf dem Nürnberger Werksgelände von DB Schenker, die Wechselbrücken auf dem Gelände selbstständig bewegen [DB18d].
Neben dem Straßengüterverkehr steht auch der Schienengüterverkehr vor neuen Herausforderungen bei der technischen Umsetzung der digitalen Vernetzung. So müssen beispielsweise ältere Lokomotiven in die neuen, intelligenten Systeme eingebunden werden, wodurch die Notwendigkeit einer Entwicklung von herstellerunabhängiger Technik entsteht [Obre15]. Zudem sollen Sensoren an den Güterwagons über Standort und Zustandsdaten informieren. Die DB Cargo hat sich das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2020 alle rund 2.000 Lokomotiven und etwa 40.000 Güterwagen mit Sensoren auszustatten [Wygo17].

Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Nutzen und Herausforderungen der digitalen Vernetzung in Güterverkehr und Logistik (Stand des Wissens: 29.07.2021)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?478030
Literatur
[BGL15] Bundesverband Güterkraftverkehr Logistik und Entsorgung (BGL) e.V. (Hrsg.) Positionspapier 'Digitalisierung in der Logistik', Frankfurt am Main, 2015/05/23
[BMBF05d] k.A. INVENT "erfahren" - mobil mit 8 Sinnen (Ergebnisbericht), 2005
[DB18d] DB Schenker (Hrsg.) Autonome Wiesel - DB Schenker setzt auf Automatisierung in der Logistik, 2018/07/13
[Gass12] Tom M. Gasser, (Projektgruppenleitung), Clemens Arzt, Mihiar Ayoubi, Arne Bartels, Lutz Bürkle, Jana Eier, Frank Flemisch, Dirk Häcker, Tobias Hesse, Werner Huber, Christine Lotz, Markus Maurer, Simone Ruth-Schumacher, Jürgen Schwarz, Wolfgang Vogt Rechtsfolgen zunehmender Fahrzeugautomatisierung, veröffentlicht in Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe "Verkehrstechnik", Ausgabe/Auflage Heft F 83, Bergisch Gladbach, 2012/01
[Obre15] Obrenovic, Miroslav Digitalisierung? Wir sind mittendrin!, veröffentlicht in Railway Interview DB Cargo AG, 2015
[Polz17] Polziehn, Christian Auswirkungen von Platooning auf die bestehende Verkehrsinfrastruktur und Verkehrstechnik, 2017
[VDA15c] Verband der Automobilindustrie (Hrsg.) Automatisierung. Von Fahrerassistenzsystemen zum automatisierten Fahren., 2015/09
[VVKHG16] Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V. Unfallforschung der Versicherer, Tobias Vogelpohl, Mark Vollrath, Matthias Kühn, Thomas Hummel, Tina Gehlert Übergabe von hochautomatisiertem Fahren zu manueller Steuerung, 2016
[Wygo17] Wygoda, Herrmann Schienengüterverkehr soll zukunftsfähig bleiben: Digitale Intelligenz für Loks und Güterwaggons., 2017/02/09
Glossar
Schienengüterverkehr
Unter Schienengüterverkehr (SGV) wird der Transport von Gütern mit der Eisenbahn verstanden. Diese werden in Güterzügen unter Verwendung (spezieller) Güterwagen befördert. Diese Verkehre können entweder auf gesonderten Güterverkehrsstrecken oder im Mischverkehr, auf gemeinsam durch den Güter- und Personenverkehr genutzten Strecken, realisiert werden. Leistungen des Schienengüterverkehrs werden häufig als Teil einer Logistikkette in logistische Gesamtkonzepte eingebunden.
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
Platooning
Der Begriff Platooning beschreibt die Organisationform von mehreren fahrerlosen Fahrzeugen als Konvoi. Dabei befindet sich lediglich im führenden Vehikel ein Fahrer. Die Fahrzeuge sind mittels digitaler Datenverbindung miteinander verknüpft. Mit Hilfe verschiedenster Softwaresysteme wird versucht, das Betreten und Verlassen dieser Konvois so flexibel wie möglich zu gestalten.
Lidar Lidar (Light Detection And Ranging) oder auch Laserentfernungsmessung funktioniert im Prinzip ähnlich wie Radar, nur dass anstatt der elektromagnetischen Wellen Laserstrahlen verwendet werden. Im Gegensatz zu Radar wird die Objektgeschwindigkeit gewöhnlich über mehrere Entfernungsmessungen bestimmt und nicht direkt durch Auswertung des Dopplereffektes. Ein Nachteil der Lidar-Systeme ist die Empfindlichkeit gegenüber Witterung (Nebel, Schnee und Regen, aber auch Gischtfahnen von vorausfahrenden Fahrzeugen) und die mögliche Verschmutzung der Empfangsoptik.
Radar Radio Detecting and Ranging Dieses elektromagnetische Ortungsverfahren beruht auf dem Prinzip des Echos. Man unterscheidet zwischen Primär- und Sekundärradar.
Transporteur Transporteure (auch Frachtführer genannt) führen den physischen Transport aus.
Triebfahrzeug
Ein Triebfahrzeug (Tfz) ist ein einzelnes Regeleisenbahnfahrzeug mit einem eigenen Fahrzeugantrieb (Lokomotiven, Triebwagen). Eine Sonderform bilden Triebköpfe, die in einem fest gekoppelten Triebzug zusammen mit antriebslosen Mittel- und Steuerwagen betrieben werden. Lokomotiven kommen normalerweise im Verbund mit gekoppelten Reisezug- oder Güterwagen zum Einsatz. Triebwagen sowie auch Triebzüge werden als gekoppelten Einheiten gleichen Typs in sogenannten Triebwagenzügen eingesetzt. Weitere Tfz sind Kleinlokomotive und selbstfahrende Nebenfahrzeuge.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?478009

Gedruckt am Montag, 4. Juli 2022 15:06:38