Simulation von Verkehr und Energie - Grundlagen für neue Anwendungen in der autonomen Logistik

Simulation von Verkehr
    und Energie
    Grundlagen für neue Anwendungen
    in der autonomen Logistik

    Dr.-Ing. Alexander Kaiser
    ifak – Institut für Automation und Kommunikation e.V.
    Geschäftsfeld Verkehr & Assistenz
    Werner-Heisenberg-Str. 1, 39106 Magdeburg
    alexander.kaiser@ifak.eu
    www.ifak.eu
                            AuLoRa Innovationsforum – Session F3 „Simulation und Optimierung“
                                                            3. März 2021

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ifak – Institut für Automation und Kommunikation

    Institut der angewandten Forschung
     gemeinnütziger Verein ifak e.V. als Rechtsträger
     1991 gegründet
     seit 1993 An-Institut der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
     seit 2008 in der „Denkfabrik“ im Magdeburger Wissenschaftshafen (Bild)
     vier Geschäftsfelder:

         Verkehr & Assistenz   Informations- und Kommunika-    Wasser & Energie   Messtechnik & Leistungselektronik
                               tionstechnologie & Automation

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Gliederung des Vortrags

     Grundlagen
     Anwendungsfelder
     Anwendungsbeispiele
        Parkraumsimulation
        Energieverbrauchssimulation
     Ausblick

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Was ist Simulation?

     vereinfachte Abbildung von realen oder gedachten Systemen in einem Modell
     mehrstufiges iteratives Verfahren („Simulationsstudie“)

              konzeptionelles Modell                                               formales Modell                                                     ausführbares Modell
           (grafisches Gesamtmodell „Top Down“)                              (mathematische Teil-/Submodelle)                        (experimentierfähiges und animierbares Computermodell)

                                                                  [1]
                                                                                                                            [2]                                                                     [3]

     Simulation ist nicht nur Animation, sondern auch Systemanalyse und Modellierung
    [1] Schenk/Wirth/Müller: Fabrikplanung und Fabrikbetrieb: Methoden für die wandlungsfähige, vernetzte und ressourceneffiziente Fabrik. 2. Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2014.
4   [2] Borshchev/Filippov: From System Dynamics and Discrete Event to Practical Agent Based Modeling. In: Proceedings of the 22nd International Conference of the System Dynamics Society, 2004.
    [3] Tecnomatix: Plant Simulation. URL: https://www.plm.automation.siemens.com/global/de/products/manufacturing-planning/plant-simulation-throughput-optimization.html, Zugriff: 22.02.2021.

Ablauf einer Simulationsstudie

     mehrstufig                                                                        iterativ

                                                                                          Schrittweise Anpassung des Modells an das reale System
                                                                                               durch wiederholte Kalibrierung und Validierung

                                                                                                                                                                                           [3]

     Ablauf nach
     VDI 3633                                                                [1;2]

    [1] Rabe/Spiekermann/Wenzel: Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik: Vorgehensmodelle und Techniken. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008.
5   [2] Verein Deutscher Ingenieure: VDI 3633, Simulation von Logistik-, Materialfluss- und Produktionssystemen: Grundlagen. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2014.
    [3] eigene Darstellung in Anlehnung an: Kutzner/Schoof: MATLAB/Simulink: Eine Einführung. 2., veränderte Auflage. Hannover: RRZN - Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen, 2010.

Wie die Simulationszeit voranschreitet?

                                                                                                                                                                                   [1]

                                                                                                                                                                                                         [2]
    [1] eig. Darst. in Anl. an: Mattern/Mehl: Diskrete Simulation – Prinzipien und Probleme der Effizienzsteigerung durch Parallelisierung. Informatik-Spektrum, 1989. Band 12, Ausgabe 4, S. 198–210.
6   [2] Hrdliczka et al.: Leitfaden für Simulationsbenutzer in Produktion und Logistik. Arbeitsgemeinschaft Simulation, 1997.

Anwendungsfelder für Simulation

     Straßenverkehrsfluss
              makroskopisch
              mikroskopisch
     Fahrdynamik und Fahrzeugtechnik
              Energieverbrauch und Emissionen                                                                                                            PTV Vissim [1]                       PTV Visum
                                                                                                                                                                                                      [2]

     Produktion und Logistik
     Infrastruktur
              Trink- und Abwassernetze
              Energienetze
              Kommunikationsnetze
     …                                                                                                                                                                                        PHEM [3]

    [1] PTV Planung Transport Verkehr AG: PTV Vissim. URL: https://www.ptvgroup.com/de/loesungen/produkte/ptv-vissim/ (Zugriff: 22.02.2021).
7   [2] PTV Planung Transport Verkehr AG: PTV Visum. URL: https://www.ptvgroup.com/de/loesungenprodukte/ptv-visum/ (Zugriff: 22.02.2021).
    [3] IVT, TU Graz: PHEM - Passenger car and Heavy duty Emission Model. In: Rexeis et al. Update of Emission Factors for EURO 5 and EURO 6 vehicles for the HBEFA Version 3.2. Graz, 2013.

Anwendungsbeispiel Parkraumsimulation [1]

            Park-and-Ride-Anlage
             Lochhausen Nord, München
            mikroskopische Simulation
             des Parksuchverkehrs mit Ein-
             und Ausparkvorgängen
            Ziel: Ermittlung des
             Einsparpotenzials durch
             Stellplatzreservierung
              Zeit, Energie, Emissionen

    © ParkHere GmbH, November 2019
                                                                                                                                                                                           [2]
    [1] BMVI/mFUND-Projekt PAMIR - Stellplatzfeine Parkplatzbelegungsinformation und Parkplatzreservierung für ein komfortableres multimodales Reisen. ifak et al., 2018-2021 (laufend).
8   [2] Screenshot und Animation des eigenen Simulationsmodells, implementiert in AnyLogic 8 (Road Traffic Library)

Anwendungsbeispiel Energieverbrauchssimulation [1]

     Einfluss reduzierter Autobahn-Höchstgeschwindigkeiten bei Nutzfahrzeugen
                   Fahrzyklen                                                                         Simulationsmodell                                                            Kraftstoffverbrauch
           (ohne/mit Reduzierung vmax)                                                                      (MATLAB/Simulink)                                                        CO2-Emissionen
                                                                                                                                                                                      Zeitaufwand
                                                                                                                                                                                          Kosten

                                                                                   Schwere Nutzfahrzeuge: 15 repräsentative Klassen (FZK)

                                                                                                                                                               [2]

    [1] Kaiser, A.: Entwicklung eines integrierten Kraftstoffverbrauchs- und Fahrtenkettenmodells des Straßengüterverkehrs am Beispiel schwerer Nutzfahrzeuge. Dissertationsschrift, Magdeburg, 2018.
9   [2] Bildquelle (von links nach rechts): Verkehrsrundschau, Heft 11/2010, 33-34/2013, 46/2013, 7/2014 bzw. 9/2013

Ausblick: aktuelle Herausforderungen

      gleichzeitige Ausführung von Verkehrs- und Energiesimulation ist sehr zeitintensiv
         Energiesimulation notwendig, da am genauesten zur Ladezustands- und Reichweitenprognose
         Ansatz: zeitliche Entkopplung durch Verknüpfung über ein künstliches neuronales Netz (KNN)

      realitätsnahes Verhalten autonomer Fahrzeuge in der Verkehrsflusssimulation
         komplexe Interaktion mit anderen, nicht-automatisierten bzw. nicht-vernetzten Fahrzeugen
         Modellierung in den vorhandenen Tools steht noch am Anfang (z. B. in PTV Vissim, SUMO)

      Diese und andere Themen werden im AuLoSim-Projekt beleuchtet (►Session P3).

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
     Dr.-Ing. Alexander Kaiser
     ifak – Institut für Automation und Kommunikation e.V.
     Geschäftsfeld Verkehr & Assistenz
     Werner-Heisenberg-Str. 1, 39106 Magdeburg
     alexander.kaiser@ifak.eu
     www.ifak.eu

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