Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik
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Neue Perspektiven für die Bahn in der Produktions- und Distributionslogistik durch Prozessautomation
(2019)
Deutschland braucht mehr Eisenbahn um CO2-Emissionen aus dem Verkehr zu reduzieren. Sie muss zum Rückgrat aktueller Logistikprozesse, z.B. bei Kaufmannsgütern und E-Commerce, werden. Dies geht nicht ohne neuartige betriebliche Konzepte und eine Transformation des Güterwagens von einem „dummen Stück Stahl“ zu einem modernen Werkzeug der Logistik.
Als „Güterwagen 4.0“ wird ein kommunikativer und kooperativer Güterwagen verstanden, der die Voraussetzung zur Automatisierung aller Prozesse der Zugvorbereitung bereitstellt, sich aber ansonsten vollkommen kompatibel mit heutigen Betriebsverfahren im Hauptlauf präsentiert. Durch Kommunikation zwischen Güterwagen und umgebenden intelligenten Systemen im Sinne eines „Internet der Dinge“ gelingt damit unter Anderem die Realisierung hoch effizienter Gleisanschlussverkehre, die der Güterbahn neue Märkte abseits der klassisch bahn-affinen Verkehre erschließen und letztlich den Wandel zu einer nachhaltigen Gütermobilität fördern.
Lokomotiven sind dank modernster Konzepte der Antriebstechnik heute energiesparend und umweltfreundlich. Eine Ausrüstung mit Telematik und Assistenzfunktionen ist Standard. Auf der Strecke zeigt sich moderne Technik in Form elektronischer Stellwerke und Zugsicherungssysteme und in Rangier- und Abstellanlagen als EOW-Technik. Am Güterwagen hingegen ist der technische Fortschritt komplett vorbeigegangen. Auch beim modernsten Wagen (Abb. 1) ist die einzige „Automatik“-Funktion die zentral über die Hauptluftleitung (HL) versorgte und betätigte Luftbremse.
Das Diskussionspapier beschreibt einen Prozess an der FH Aachen zur Entwicklung und Implementierung eines Self-Assessment-Tools für Studiengänge. Dieser Prozess zielte darauf ab, die Relevanz der Themen Digitalisierung, Internationalisierung und Nachhaltigkeit in Studiengängen zu stärken. Durch Workshops und kollaborative Entwicklung mit Studiendekan:innen entstand ein Fragebogen, der zur Reflexion und strategischen Weiterentwicklung der Studiengänge dient.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der digitalen Nachbildung eines Testgeländes sowie eines Schienenfahrzeugs in der Simulationsumgebung Gazebo. Der Schwerpunkt liegt auf der präzisen Abbildung der Umfeldsensorik anhand eines realen Schienenfahrzeuges. Ziel ist die Erzeugung äquivalenter Messdaten der Simulationsumgebung und des realen Schienenfahrzeuges unter gleichen Einsatzbedingungen. Dazu werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt, um die Parameter der einzelnen Sensorik so zu konfigurieren, dass die Messergebnisse mit den Messdaten der realen Sensorik konvergieren.
Die Ergebnisse der Messdaten zeigen, dass obwohl die Simulationsumgebung einige physikalische Materialeigenschaften nicht berücksichtigt, eine präzise Abbildung der Sensorik und geometrischen Strukturen des Testgeländes möglich ist. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Gazebo und ROS2 Integrationstests und die Entwicklung von Softwareanwendungen sowohl in der Simulation als auch auf dem realen Schienenfahrzeug. Eine realitätsnahe und reproduzierbare Auswertung der Sensormessdaten der Simulationsumgebung für Schienenfahrzeuge ist somit realisierbar.
Industrie 4.0 stellt viele Herausforderungen an produzierende Unternehmen und ihre Beschäf-tigten. Innovative und effektive Trainingsstrategien sind erforderlich, um mit den sich schnell verändernden Produktionsumgebungen und neuen Fertigungstechnologien Schritt halten zu können. Virtual Reality (VR) bietet neue Möglichkeiten für On-the-Job, On-Demand- und Off-Premise-Schulungen. Diese Arbeit stellt ein neues VR Schulungssystem vor, welches sich flexible an unterschiedliche Trainingsobjekte auf Grundlage von Rezepten und CAD Modellen anpassen lässt. Das Konzept basiert auf gerichteten azyklischen Graphen und einem Level-system. Es ermöglicht eine benutzerindividuelle Lerngeschwindigkeit mittels visueller Ele-mente. Das Konzept wurde für einen mechanischen Anwendungsfall mit Industriekomponen-ten implementiert und in der Industrie 4.0-Modellfabrik der FH Aachen umgesetzt.
Die IMechE Railway Challenge wird jährlich in Stapleford, Großbritannien ausgetragen. Im Rahmen der Challenge entwickeln und bauen Studierende eine Lokomotive und vergleichen sich in verschiedenen Disziplinen, darunter eine automatisierte Zielbremsung, optimale Energierückgewinnung beim Bremsen und minimale Geräuschemissionen. Neben diesen und weiteren technischen Wettbewerbsdisziplinen treten die Fahrzeuge und die Teams auch in nicht-technischen Disziplinen wie einer Business Case Challenge an.
Bei Schienenfahrzeugen, die mit dem Zugsicherungssystem ETCS betrieben sind, wird die Odometrie durch eine diskrete Ortung mittels physischen Balisen zurückgesetzt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Innovation von virtuellen Balisen. Virtuelle Balisen, können eingesetzt werden, um physische, im Gleisbett montierte Balisen zu ersetzen. Durch den Einsatz von virtuellen Balisen soll der Infrastrukturausbau von ETCS vorangetrieben werden, indem sie als virtuelle Komponente auf Schienenfahrzeugen eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fragestellung beantwortet, ob eine bordautonome Zugortung mittels virtuellen Balisen in einem ausgewählten Szenario mit einem akzeptablen Risiko verbunden ist? Das Szenario besteht aus einem Schienenfahrzeug, welches mit dem Zugsicherungssystem ETCS Level 2 auf einer eingleisigen Nebenstrecke betreiben wird. Hierzu werden zunächst die Grundlagen von ETCS und der satellitenbasierten Ortung erläutert. Des Weiteren werden die Grundlagen des CSM Prozesses und der expliziten Risikoabschätzung eingeführt.
Aufbauend auf diesen Grundlagen wird der CSM Prozess angewandt und dabei eine Systemdefinition mit den Schnittstellen des Systems zur Umwelt erstellt. Mit der Hazop-Methode werden die Gefährdungen der Schnittstellen erfasst und beurteilt. Die sicherheitsrelevanten Gefährdungen werden in einer FMEA bewertet. In der folgenden Diskussion werden sicherheitsrelevante Gefährdungen nochmals betrachtet.
Das Ergebnis der Arbeit ist, dass im ausgewählten Szenario, unter der Verwendung der CSM-Prozesse und der industriell anerkannten Methoden Hazop und FMEA, die Integration der Board-autonomen-Ortung mit einem akzeptablen Risiko verbunden ist.