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Das Bundesfernstraßennetz ist verschiedenen Herausforderungen wie u.a. das gesteigerte Verkehrsaufkommen und die hohe Altersstruktur der Bauwerke ausgesetzt. Aktuell basiert das Erhaltungsmanagement von Brücken auf regelmäßigen Bauwerksinspektionen, die weitestgehend aus einer visuellen Bewertung bestehen. Um den derzeitigen Herausforderungen adäquat zu begegnen sowie vorausschauend handeln zu können, müssen neue, effektive und effiziente Lösungen gefunden werden. Daher hat die BASt 2011 den Forschungsschwerpunkt „Intelligente Brücke“ ins Leben gerufen. Unter Verwendung digitaler Technologien und Methoden wurde damit eine Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement geschaffen, welches Bauwerkseigentümer bei der Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ihrer Bauwerke unterstützen soll.
Im Rahmen dieses Berichts wurden die relevanten zumeist konzeptionellen Arbeiten aus den Jahren 2011 bis 2020 zusammengestellt. Der Fokus liegt dabei auf den Aspekten Datenerfassung, -aufbereitung, -analyse und -bewertung, -management sowie Qualitätssicherung. Die erfolgten Arbeiten bilden die Grundlage für die Realisierung verschiedener Reallabore, in denen ausgewählte Entwicklungen und Forschungsansätze an Bauwerken unter realen Bedingungen erprobt, bewertet und weiterentwickelt werden.
Das Reallabor „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wird in diesem Bericht im Detail vorgestellt und die eingesetzten Systeme hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und Dauerhaftigkeit beurteilt.
Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine vierfeldrige Spannbeton-Hohlkastenbrücke, die mit den vier Messsytemen „Brückenkennwerte“, „drahtloses Sensornetzwerk“, „instrumentierte Lager“ und „instrumentierter Fahrbahnübergang“ ausgestattet ist. Über einen Zeitraum von 5 Jahren erfolgen an dem Reallabor Forschungsprojekte, mit dem Ziel, die Messsysteme im Zusammenhang zu Demonstrieren und Verfahren zur zuverlässigen Erfassung und automatisierten Auswertung sowie eine Webanwendung zur Publikation der Ergebnisse zu entwickeln. Damit stehen Informationen zu Verkehr, Wetter- und Klimaeinflüssen, bauteil- und bauwerksbezogene Kennwerte zur Verfügung.
Durch die kontinuierlichen Erkenntnisse zu Einwirkungen und Status des Bauwerks und der instrumentierten Bauteile kann der Betreiber der Brücke unterstützt werden. Die im Rahmen des Reallabors „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen schaffen eine wichtige Grundlage für die Konzeption weiterer Reallabore.
Anhand von Reallaboren werden kontinuierlich Realdaten generiert, die als Grundlage für weitere Forschung dienen können im Hinblick auf u.a. die Verifizierung von Systemannahmen, Überprüfung und Kalibrierung von Ingenieurmodellen sowie die Weiterentwicklung von datenbasierten Algorithmen. Darüber hinaus bieten Reallabore optimale Bedingungen zur Erprobung und Weiterentwicklung von praxistauglichen und zuverlässigen Innovationen.
Im Jahr 2022 ist das Unfallgeschehen nur noch sehr wenig geprägt durch die Covid-19-Pandemie. Nach den starken Rückgängen in 2020 und 2021 steigt die Anzahl der Verkehrstoten in 2022 erstmalig wieder an. Ebenso steigt die Jahresfahrleistung aller Kraftfahrzeuge nach den starken Einbrüchen in den zwei Jahren der Pandemie in 2022 voraussichtlich wieder deutlich an. Die Anzahl der Verkehrstoten in Deutschland wird in 2022 zum ersten Mal seit 2018 wieder steigen – um knapp 9 % auf etwas weniger als 2.800 Getötete. Damit knüpft dieser Wert an die positive Entwicklung vor Ausbruch der Covid-19 Pandemie an, die in den beiden Jahren vor der Prognose durch einen deutlichen Rückgang im Verkehrsaufkommen maßgeblich zu einer Reduzierung im Unfallgeschehen beigetragen hat. Die Betrachtung des Unfallgeschehens nach Ortslagen zeigt die stärksten Anstiege innerhalb von Ortschaften, während die Entwicklung auf den anderen Ortslagen weniger deutlich ausfällt. Nach teilweise deutlichen Rückgängen in den beiden durch Covid-19 geprägten Vorjahren sind bei fast allen Arten der Verkehrsbeteiligung wieder Anstiege bei der Anzahl der Getöteten zu erwarten. Die Anzahl der getöteten Verkehrsteilnehmenden steigt in allen Altersklassen, jedoch fallen die Anstiege bei den Erwachsenen zwischen 18 und 64 Jahren eher gering aus, während die Anstiege bei den Seniorinnen und Senioren und den Kindern unter 15 Jahren deutlich stärker sind.
Aufgrund der Verschiebung der SVZ 2020 in das Jahr 2021 wurde eine alternative Methode zur Bereitstellung von Verkehrsdaten für die Bundesfernstraßen (Autobahnen und Bundesstraßen) erarbei¬tet, sodass diese Daten für die Lärmkartierung bis Juni 2022 genutzt werden können. Es wurde eine Fortschreibung und Hochrechnung der Ergebnisse der SVZ 2015 in Verbindung mit den automatischen Dauerzählstellendaten sowie den TM-Zählungen der Jahre 2016 – 2019 auf das Jahr 2019 durchgeführt. Im Ergebnis liegen die Verkehrskenngrößen gemäß der SVZ-Schnellübersicht für das Jahr 2019 vor, dies sind die durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärken, die Bemessungsverkehrsstärken und die Lärmkennwerte. Die Lärmkennwerte werden sowohl nach RLS-90 als auch nach RLS-19 ausgewiesen.
Die IVS-Referenzarchitektur für Verkehrsinformation im Individualverkehr konkretisiert das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste (RAIM) für die IVS-Dienstekategorie Verkehrsinformation im Individualverkehr.
Gegenstand der IVS-Referenzarchitektur für Verkehrsinformation im Individualverkehr sind alle auf Straßenverkehrsteilnehmer unmittelbar wirkenden On-Trip-Verkehrsinformationen, unabhängig vom Kommunikationsmedium. Dies umfasst z. B. über Funkkommunikation (Rundfunk, WLAN, Mobilfunk, etc.) in Endgeräte der Verkehrsteilnehmer übertragene Informationen inkl. C2X sowie Informationen auf dynamischer Beschilderung.
Zur Erarbeitung der IVS-Referenzarchitektur wird das IVS-Architektur-Vorgehensmodell des Rahmenwerks für IVS-Architektur in Deutschland – basierend auf dem TOGAF (The Open Group Architecture Framework) -Vorgehensmodell – angewendet.
Folgende Phasen werden dabei durchlaufen:
1) Vorbereitungsphase
2) Phase A: Architekturvision
3) Phase B: Geschäftsarchitektur
4) Phase C: Informationssystemarchitektur bestehend aus Datenarchitektur und Anwendungsarchitektur
In der Vorbereitungsphase wird die Einbindung zugrundeliegender Modelle geklärt, Modellanpassungen definiert sowie wichtige Prinzipien für die Architekturentwicklung festgelegt. In Phase A werden die Ziele der Architekturentwicklung und die daran Beteiligten festgelegt. Die Ergebnisse der Phasen B und C stellen die eigentliche IVS-Architektur dar. In Phase B werden der aktuelle und der gewünschte Zustand der Geschäftsarchitektur beschrieben. Dafür werden die Unterschiede herausgearbeitet und unter anderem mit Hilfe von Geschäftsprozessdiagrammen dokumentiert. In Phase C werden der aktuelle sowie der gewünschte Zustand der Daten- und Anwendungsarchitektur beschrieben.
Jede Phase ist wiederum in mehrere Schritte unterteilt. Damit wird ein methodisches und umfassendes Vorgehen bei der Entwicklung einer IVS-Architektur sichergestellt.
Die IVS-Referenzarchitektur für multimodale Reiseinformation konkretisiert das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste (RAIM) für die IVS-Dienstekategorie multimodale Reiseinformation.
Multimodale Reiseinformationsdienste (MMRI) unterstützen Reisende bei der Planung ihrer Reise von A nach B durch einen Vergleich verschiedener Reiseoptionen unter Kombination verschiedener Beförderungsarten, Preise und folgender Verkehrsträger: Luftverkehr, Schienenverkehr, Straßenverkehr, Schiffsverkehr, Reisebusverkehr, öffentlicher Personenverkehr, bedarfsgesteuerter Verkehr, Fuß und Radverkehr. MMRI bieten dem Reisenden personalisierte Reisewege entsprechend spezifischer Reisepräferenzen an.
Zur Entwicklung der IVS-Referenzarchitektur wurde neben einer Bestandsaufnahme auch eine Analyse der bestehenden Ansätze zur Etablierung der multimodalen Reiseinformation durchgeführt. Die betrachteten Projekte und Initiativen sind hierbei EU Spirit, DELFI sowie die ÖV-IVS-Rahmenarchitektur. Darüber hinaus fand ein stetiger Austausch mit der VAO GmbH aus Österreich statt, die als assoziierter Partner an der Entstehung der IVS-Referenzarchitektur für multimodale Reiseinformation mitgewirkt haben.
Es gibt die Rollen Inhalteanbieter, Dienstbetreiber und Dienstanbieter mit den der jeweiligen Rolle zugeordneten typischen Aktivitäten zur Erzeugung des Wertschöpfungsbeitrags, den die Akteure leisten. Aktivitäten führen zur Erzeugung von Produkten, die als Informationsobjekte in der IVS-Wertschöpfungskette zwischen den Geschäftsprozessen weitergereicht werden. Hierbei wird von den Akteuren ein definiertes politisches (Einhaltung des Rechtsrahmens, der Verhaltensnormen und Gepflogenheiten), wirtschaftliches (Bereitstellung von Personal, Finanzierung und Controlling, Steuerung der eigenen Aktivitäten), und technisches Verhalten (Erfassung und Aufbereitung von Daten und Informationen, Erzeugung, Bereitstellung und Darstellung von IVS-Diensten) erwartet.
Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen wurde vom Bearbeiterteam KE-CONSULT Kurte& Esser GbR und studio next mobility Wittowsky Garde Groth GbR das 2017 in Kraft getretene Carsharinggesetz (CsgG) evaluiert. Die vorliegende Evaluation verwendet den Input-Output-Outcome-Impact- Ansatz (Input: CsgG, Output: Begleitungs- und Umsetzungsschritte in Bund, Bundesländern und Kommunen; Outcome: Wirkungen auf dem Carsharingmarkt; Impact: intendierte langfristige Wirkungen) und basiert auf einer Analyse der Literatur sowie eigenen empirischen Erhebungen bei den Bundesländern, den Kommunen und Kommunalverbänden, den Carsharinganbietern und den Verkehrsteilnehmern.
Das CsgG ist die Grundlage, Carsharingfahrzeuge zur Förderung des Carsharing zu bevorrechtigen. Dies betrifft die Erteilung von Sondernutzungserlaubnissen an öffentlichen Straßen an Anbieter von stationsbasierten Carsharingfahrzeugen sowie das Parken und das Erheben von Parkgebühren auf öffentlichen Straßen für stationsunabhängige und stationsabhängige Fahrzeuge. Damit stößt das CsgG eine Wirkungskette an, die über die Aktivitäten des Bundes, der Länder und der Kommunen den Carsharingmarkt stimulieren soll, was wiederum eine höhere Marktdurchdringung des Carsharing begünstigt und somit die mit dem Carsharing verbundenen Verkehrs- und Umweltwirkungen begünstigen kann.
Mit dem CsgG wurden vor allem Verkehrs- und Umweltziele verbunden, namentlich die Verringerung des motorisierten Individualverkehrs, die Vernetzung des Öffentlichen Personennahverkehrs, die Schließung der Lücke zwischen den Verkehrsmitteln des Umweltverbundes, der Ersatz privater Pkw und damit die Senkung des Pkw-Bestandes und die Entlastung des öffentlichen Raums, die erhöhte Marktdurchdringung mit neuen und umweltschonenden Antriebstechnologien, die Vereinfachung und Stärkung der Nutzung von Carsharing und die Förderung einer nachhaltigen Mobilität sowie die Verbesserung der Bedingungen für die Leistungsfähigkeit der Volkswirtschaft.
Die im Rahmen der Evaluation des CsgG durchgeführte Erfolgskontrolle kommt zu dem Ergebnis, dass zentrale Interventionsziele des CsgG und der damit einhergehenden weiteren gesetz- bzw. verordnungsgeberischen Aktivitäten auf Bundes- und Landesebene erreicht worden sind. Die positiven Wirkungen, die durch das CsgG auf Output-, Outcome- und Impact-Ebene ausgelöst werden, könnten durch ergänzende Maßnahmen perspektivisch noch verstärkt werden. Ein akuter Fortschreibungsbedarf wird derzeit jedoch nicht gesehen. Diesbezüglich wird empfohlen, die weitere Marktentwicklung abzuwarten. Auf Basis der Evaluationsergebnisse werden 12 Punkte auf 4 Handlungsebenen zur Verstetigung und Verstärkung vorgeschlagen.
Füllsysteme für Fugen in Betonfahrbahnen sind während ihrer Nutzungsdauer vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Daraus leiten sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ab. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Änderunge spielen insbesondere zyklische Beanspruchungen durch den überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle.
Ziel dieses Forschungsprojekts war es, ein praxisorientiertes Prüfverfahren zu entwickeln, das zum einen das Gesamtsystem „Fuge“ bestehend aus Betonfugenflanke, Voranstrichmittel sowie der Fugenmasse umfasst und andererseits die maßgebenden Szenarien der in-situ-Beanspruchungen realistisch abbildet. Dazu wurden Systemprüfkörper bestehend aus Beton und Fugenfüllstoff definiert, an denen über die herkömmlichen Prüfungen am Füllstoff hinaus, statische Zug-/Scherversuche und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche an neuen und künstlich gealterten Proben vorgenommen wurden. Diese Prüfungen wurden sowohl an Laborproben (Referenz) als auch an Systemprüfkörpern aus Bohrkernen von originären Bestandstrecken durchgeführt.
Die Untersuchungen zeigten u.a., dass die heiß verarbeitbaren Fugenmassen, mit Ausnahme der modifizierten Fugenmasse vom Typ N2+, infolge künstlicher Alterung erheblich versprödeten, d.h. bei deutlich reduziertem Dehnvermögen höhere Maximalspannungen aufwiesen. Dieser Effekt zeichnete sich auch bei den im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln ab. Unter der Annahme eines exponentiellen Verlaufs der Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen, konnte für die künstliche Laboralterung ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren ermittelt werden. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen erwies sich die für heiß verarbeitbare Fugenmassen herangezogene künstliche Alterung unter Druck und Temperaturbeanspruchung als nicht zweckmäßiges Verfahren.
Zur ersten Validierung der entwickelten Laborprüfverfahren wurde im BAB-Netz eine heiß und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse über die ersten 21 Monate Nutzungsdauer intensiv beobachtet.
Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem, anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte, Fugenmassen im nicht gealterten ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können.
Intelligente Mobilitätsdienste sind datenbasierte Anwendungen im Bereich von Verkehr und Mobilität, die von Nutzern beansprucht werden können. Aufgrund des Paradigmenwechsels in der Nutzung und im Betrieb von verkehrlicher Infrastruktur stehen nicht lediglich technische Fragestellungen im Fokus. Zunehmend wird eine gesamtheitliche Perspektive auf den Dienst und all seine Facetten eingenommen, was nicht zuletzt am zunehmenden Interesse privatwirtschaftlicher Akteure an der Mobilitätsdomäne liegt.
Der strategische und geschäftliche Teil eines Dienstes inklusive der Ziele und Erwartungshaltung beteiligter Akteure hat zunehmend an Bedeutung gewonnen. Für privatwirtschaftliche Akteure, die in Kooperation mit der öffentlichen Hand Mobilitätsdienste realisieren und betreiben, stellt es ein Hindernis dar, ähnliche Dienste von Fall zu Fall mit starken Abweichungen zu implementieren. Dies verursacht auf Seiten der Unternehmen einen großen Aufwand, einen entsprechenden Beitrag zur Wertschöpfung zu leisten.
Das verstärkte Aufkommen datenbasierter Mobilitätsangebote erfordert neue, ganzheitliche Konzepte und Mechanismen zur effektiven Zusammenarbeit verschiedener Akteure. Der zunehmende Abstimmungsbedarf zwischen privaten und öffentlichen Akteuren erhöht die Komplexität in der Zusammenarbeit zusätzlich.
RAIM – das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste – bietet einen Leitfaden für die gestalterische Planung sowie die funktionale, technische und wirtschaftliche Realisierung intelligenter Mobilitätslösungen. Auf vertraglicher, organisatorischer und technischer Ebene unterstützt RAIM somit die reibungslose Kommunikation zwischen den beteiligten Akteuren.
Anwendung kann RAIM beispielsweise finden, bestehende Dienste im Verkehrssektor nachträglich zu strukturieren oder die Kooperation von privaten und öffentlichen Akteuren bei der Erstellung von intelligenten Mobilitätsdiensten zu ermöglichen. RAIM soll vor allem Mobilitätsdienstleister, ÖPNV-Betriebe, Navigationsdienstleister, App-Betreiber, Regulatoren, Behörden und städtische Akteure ansprechen. Vor allem bei neuen Diensten (Mobilitätsangeboten) ist Dialog und Konsens zwischen den Akteuren zu fördern.
Intelligente Verkehrssysteme (IVS) bilden heute in den Anwendungsbereichen des Straßenverkehrs eine wichtige technologische und organisatorische Basis. Zudem nimmt die Bedeutung der Informations- und Kommunikationstechnik für die zunehmende Vernetzung dieser Systeme zu und bringt neue Herausforderungen bei der Einführung und Integration neuer Systeme in bestehende IVS-Landschaften mit sich. Mit dem Projekt „IVS-Rahmenarchitektur“ wurde ein „Rahmenwerk zur Entwicklung von Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste“ erstellt.
Neben der bislang im Vordergrund stehenden technischen Sichtweise sind heute vor allem auch die Aspekte der Kooperation zwischen den mit der Erbringung von Mobilitätsdienstleistungen befassten Akteuren zu betrachten.
Die entwickelte IVS-Rahmenarchitektur liefert nun einen ganzheitlichen Umsetzungsrahmen für die Realisierung aller Aspekte von IVS-Architekturen. Es werden grundlegende Festlegungen getroffen, die für die Interoperabilität der auf verschiedenen Ebenen arbeitenden, verteilt kommunizierenden Organisationen und Anwendungen sicherzustellen. Dazu werden formale Definitionen zum gemeinsamen Verständnis sowie die erforderlichen Methoden und Voraussetzungen zur Zielerreichung festgelegt.
Auf der Basis der IVS-Rahmenarchitektur wurden drei IVS-Referenzarchitekturen erarbeitet, von der jede einen spezifischen Anwendungsbereich konkretisiert und so die Grundlage zur Entwicklung einer IVS-Architektur für einen konkreten Anwendungsfall liefert.
Die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur erfolgte durchgehend in engem Austausch mit den drei Referenzarchitekturen. Zudem brachte ein Betreuerkreis seine Expertise in das Projekt ein. Auf zwei öffentlichen Workshops wurden die Ergebnisse über 40 Organisationen und Unternehmen aus dem Bereich intelligenter Verkehrssysteme vorgestellt.
Die IVS-Architektur-Pyramide dient dem Projekt als geeignetes Metamodell zur Darstellung und Beschreibung von IVS-Diensten. Diese besteht aus fünf Schichten – der Leitbild-/Strategie-Ebene, der Prozessebene, der Informationsstrukturebene, der IT-Dienste und IT-Infrastrukturebene – die alle gemeinsam den potentiell möglichen Betrachtungs- und Darstellungsbereich einer IVS-Architektur aufspannen.
Den methodischen Ausgangspunkt zur Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur bilden der internationale Standard ISO/IEC/IEEE 42010 sowie das etablierte Architekturrahmenwerk The Open Group Architecture Framework (TOGAF). TOGAF ist als weltweit verbreitetes Rahmenwerk zur Entwicklung von Unternehmensarchitekturen angesehen. Es bietet als zentrales Element ein Vorgehensmodell zur Entwicklung von Unternehmensarchitekturen, die so genannte Architecture Development Method (ADM). Aufgrund der Ausrichtung auf ein einzelnes Unternehmen erfolgte eine Anpassung – Tailoring – der ADM zur Entwicklung von IVS-Architekturen. Für die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur 1.0 wurde der Schwerpunkt auf die Architekturvision, die Geschäfts- und Informationssystemarchitektur gelegt (Phasen A bis C und initiale Phase in der ADM).
In Phase A werden die Ziele der Architekturentwicklung und die daran Beteiligten festgelegt. In Phase B werden der aktuelle und der gewünschte Zielzustand der Geschäftsarchitektur beschrieben, dabei werden die Unterschiede herausgearbeitet und mit Hilfe von Geschäftsprozessdiagrammen dokumentiert. In Phase C werden der aktuelle sowie der gewünschte Zustand der Daten- und Anwendungsarchitektur beschrieben. Dazu werden die konkreten Datenmodelle und Anwendungen verwendet.
Alle erarbeiteten Ergebnisse sind in einem IVS-Wiki festgehalten und damit der Öffentlichkeit zugänglich. Für die Weiterentwicklung der Rahmenarchitektur kann ebenfalls auf das Wiki zurückgegriffen werden.
Die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur erfolgte durch die Beteiligung von u. a. Unternehmen, öffentlichen Einrichtungen, Softwareentwicklungs- sowie Beratungshäusern – im ständigen Austausch mit der Praxis. Im Rahmen der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit dem Thema IVS-Architektur entstanden während der Projektlaufzeit zwei Veröffentlichungen, die sowohl eine wissenschaftliche Prüfung des Vorgehens und der Ergebnisse ermöglicht haben, als auch die Diffusion der Erkenntnisse in die Wissenschaft und Praxis befördern.
Mit Abschluss des Projekts hat Deutschland nun eine IVS-Rahmen- und drei konforme IVS-Referenzarchitekturen für den Bereich Straße. Durch den holistischen Ansatz nimmt Deutschland dabei in der EU eine Sonderstellung ein und grenzt sich bewusst von verwandten Ansätzen ab.
Mit dem Hilfsmittel der dokumentierten und von vielen Beteiligten empfohlenen IVS-Architekturen können zukünftig IVS-Dienste schneller entwickelt und einfacher betrieben werden, d. h. Unternehmen und weitere Organisationen im Bereich IVS können nun darauf basierende Dienste und Innovationen anbieten.
Eine ständige Anpassung und Weiterentwicklung ist angestrebt und auch erforderlich, damit die IVS-Rahmenarchitektur den Anforderungen aus der Praxis gerecht werden kann.