620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Initiative der Einführung kooperativer Systeme in einem Korridor von Rotterdam über Frankfurt/Main nach Wien, dem sogenannten C-ITS Corridor, und damit auch in Deutschland wurde im Juni 2013 durch die Unterzeichnung einer entsprechenden Absichtserklärung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung mit den Verkehrsministern der Niederlande und Österreichs offiziell gestartet. In vielen Forschungsprojekten wurden vorher die Grundlagen erarbeitet, um eine solche Einführung technisch überhaupt erst möglich zu machen. Im Beitrag werden diese Ergebnisse nochmals kurz aufgegriffen und um den aktuellen Stand bei den Entwicklungen im C-ITS Corridor erweitert. Als erstes Einführungsszenario wurden die Baustellenwarnung und Kooperatives Verkehrsmanagement unter Einbeziehung von Fahrzeugdaten gewählt. Nicht verschwiegen werden sollen hierbei auch die wesentlichen Herausforderungen, die im Übergang von Forschung und Feldtests zu realen Anwendungen liegen.
Die Forschungsarbeit behandelt die Vor- und Nachteile der Teilung einer vierstreifigen Richtungsfahrbahn einer Autobahn in eine Hauptfahrbahn ohne Anschlussstellen für den Fernverkehr und eine getrennte Fahrbahn für den lokalen Verkehr hinsichtlich des Verkehrsablaufs. Diese getrennte Fahrbahn erschließt die Anschlussstellen ins nachgeordnete Netz und verfügt nur am Anfang und Ende über eine Verbindung zur durchgehenden Hauptfahrbahn. Während eine solche Verkehrsführung in den Ballungsräumen im Ausland erfolgreich Verwendung findet, ist sie in Deutschland bisher weitestgehend unbekannt. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden lange Verteilerfahrbahnen an Autobahnen zur räumlichen Trennung von durchfahrendem und ausfahrendem Verkehr hinsichtlich ihres Verkehrsablaufs untersucht. Anhand einer umfangreichen empirischen Untersuchung und darauf aufbauenden mikroskopischen und makroskopischen Simulationen sollten insbesondere Einsatzkriterien für lange Verteilerfahrbahnen festgelegt werden. Ziel der Untersuchung ist es, anhand der gewonnenen Erkenntnisse aus Gründen des Verkehrsablaufs Entscheidungsgrundlagen für die Trennung von Fernverkehr und örtlichem Verkehr mit langen Verteilerfahrbahnen bereitzustellen.
Der Entwurf und der Betrieb von Tunneln im Zuge von Bundesautobahnen sind in den Richtlinien für die Anlage von Autobahnen (RAA 2008) und in den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT 2006) geregelt. Hier sind die Hinweise zu der Wahl des Tunnelquerschnittes und zu den anzusetzenden Trassierungsgrenzwerten sowie die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Betriebsabläufen enthalten. Zielsetzung des Forschungsvorhabens war es daher, die Tunnelbauwerke bezüglich ihrer Verkehrssicherheit zu untersuchen. Auf Grundlage der vorhandenen Informationen zur Trassierung wurden die Tunnelbauwerke gemäß ihrer Besonderheiten typisiert. Die Typisierung der 41 untersuchten Tunnel wurde anhand der Merkmale Fahrstreifenanzahl, dem Vorhandensein von Seitenstreifen und Ein- und Ausfahrten in Tunneln sowie der Höhe der zulässigen Höchstgeschwindigkeit vorgenommen. Im nächsten Arbeitsschritt wurde eine makroskopische Unfallanalyse durchgeführt. Für die Analyse wurden die Verkehrsunfallanzeigen bzw. vergleichbare Unfalldaten aus Lieferungen der Polizeidienststellen herangezogen. Darauf aufbauend wurden Unfallkenngrößen der einzelnen Tunnelröhren ermittelt. Das Tunnelkollektiv umfasste Tunnelstrecken sowohl mit als auch ohne Anschlussstellen. In der makroskopischen Unfallanalyse wurden die ermittelten Unfallkenngrößen der Tunnelteilkollektive gegenübergestellt sowie mit denen der Aussenstrecken verglichen. Die Bewertung des Unfallgeschehens in Tunneln führte zu der Erkenntnis, dass eine Anordnung von Seitenstreifen zur Senkung der Unfallrate und der mittleren Unfallkostenrate bei 2-streifigen Tunnelquerschnitten beitragen kann. In der anschließenden mikroskopischen Unfallanalyse wurden die Anschlussstellen innerhalb der Tunnelbauwerke untersucht. Hierbei wurden vor allem die Unfallmerkmale wie Unfallursachen und Unfallumstände näher betrachtet. Die Betrachtung der Lage von Ein- und Ausfahrten in Tunneln hat ergeben, dass diese keine eindeutige Auswirkung auf das Unfallgeschehen hat. Infolge der Ein und Ausfahrvorgänge treten jedoch vermehrt Unfälle in diesen Bereichen auf. Somit sind die Ein- und Ausfahrten in Tunneln nach Möglichkeit zu vermeiden. Darüber hinaus wurde eine Analyse zum Verkehrsablauf in Tunneln durchgeführt. Im Rahmen dieser Analyse erfolgten für ausgewählte Tunnel die Modellierung von q-V-Beziehungen und die Ermittlung von Kapazitätswerten.
Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens werden Überwachungskonzepte, die tragfähigkeitsrelevante Verstärkungen von Brückenbauwerken aus Beton dauerhaft überwachen und beurteilen sollen, entwickelt. Die praktische Umsetzung des Konzeptes erfolgt anhand einer Pilotanwendung. Die konzeptionellen Arbeitsschritte umfassen die Vorstellung der tragfähigkeitsrelevanten Verstärkungsverfahren, die sich in der Praxis bewährt haben. Diese werden zusammengestellt und hinsichtlich der Anforderungen und Bedingungen für eine geeignete Überwachung analysiert. Daran anschließend werden die für eine Dauerüberwachung von Verstärkungsmaßnahmen geeigneten Sensoren dargestellt und für die wesentlichen Verstärkungsverfahren in Diagrammen zusammengefasst. Den Kernpunkt des Überwachungssystems stellt die Merkmalsextraktion und Diagnose aus den Messdaten dar. Dazu werden das Leistungsspektrum und die Unterschiede physikalischer und nichtphysikalischer Modelle unter Angabe von Vor- und Nachteilen analysiert. Auf der Grundlage der vorherigen Arbeitsschritte wird ein geeignetes Überwachungskonzept für die konkrete Umsetzung entwickelt und im Anschluss an der Talbrücke Germinghausen im Zuge der BAB 45 umgesetzt. Die Beurteilung der Funktion und Zuverlässigkeit des Überwachungssystems erfolgt dabei anhand der Wirksamkeit der vorhandenen Stahllaschen, der Effektivität bzw. Wirksamkeit der zusätzlichen externen Vorspannung, des Einflusses der zusätzlichen externen Vorspannung auf die vorhandenen Stahllaschen, sowie der dauerhaften Funktionsfähigkeit der zusätzlichen externen Vorspannung. Die Grundlage der Messdatenanalyse bildet der Vergleich von Messwerten innerhalb definierter Referenzzustände vor und nach der Verstärkung auf Basis der Regressionsanalyse. Insgesamt kann mit der Pilotanwendung gezeigt werden, dass sich das im Vorfeld erarbeitete Konzept unter Berücksichtigung der dargestellten Randbedingungen und vorgenommenen Anpassungen als geeignete Methode zur Überwachung und qualitativen Bewertung der Verstärkungsmaßnahme bewiesen hat.
Im Rahmen der Untersuchung wurde der Einfluss von Lang-Lkw auf den Verkehrsablauf an planfreien Knotenpunkten mit Hilfe des mikroskopischen Simulationsprogramms BABSIM analysiert. Dazu wurde der Verkehrsablauf an verschiedenen Typen von Ausfahrten und Einfahrten sowie einer Verflechtungsstrecke nachgebildet. Die Simulationsmodelle der Untersuchungsstellen wurden anhand der Daten von Dauerzählstellen für Schwerverkehrsanteile zwischen 10 % und 15 % kalibriert und validiert. Für jede Untersuchungsstelle wurden Simulationen mit Lang-Lkw-Anteilen von 0 %, 1 %, 2 % und 5 % der Gesamtverkehrsstärke sowie in der Regel drei unterschiedlichen Verkehrsstärkeanteilen des ein- bzw. ausfahrenden Verkehrs durchgeführt. In einem weiteren Ansatz wurden Szenarien verglichen, bei denen die Transportleistung von drei herkömmlichen Lkw durch zwei Lang-Lkw ersetzt wurde. Für jedes Szenario wurde der Mittelwert der Verkehrsstärken vor Zusammenbrüchen des Verkehrsflusses als Schätzwert der Kapazität ermittelt. Insgesamt liefern die Ergebnisse der Verkehrsflusssimulationen einen Anhaltspunkt dafür, dass die Kapazität von planfreien Knotenpunkten bei den hier analysierten hohen Lang-Lkw-Anteilen von 1 bis 5 % der Gesamtverkehrsstärke im Allgemeinen nur gering beeinflusst wird. Die ermittelten Auswirkungen der Lang-Lkw auf die Kapazität liegen in der Größsenordnung der Bandbreite der Kapazität, die in der Realität auch im Vergleich unterschiedlicher Knotenpunkte mit ähnlichen verkehrlichen und streckengeometrischen Randbedingungen auftreten.
Aufgabe der Studie war eine erstmalige umfassende Erhebung der Ausstattung der Pkw in Deutschland mit Fahrzeugsicherheitssystemen. Dazu wurden 5.070 Haushalte zur Ausstattung eines ihnen zur Verfügung stehenden Fahrzeugs befragt. Für die Befragung wurden 53 Fahrzeugsicherheitssysteme ausgewählt. Darunter sind neue Systeme wie Stauassistenten und Kreuzungsassistenten sowie auch weitgehend etablierte Systeme wie die Fahrdynamikregelung (ESP) und Airbags. Neben den Nutzern wurden auch Experten befragt, die beruflich mit dem Ein- oder Verkauf von Pkw für Unternehmensflotten befasst sind. Diese zehn qualitativen Interviews geben einen Einblick in die Bedeutung verschiedener Kriterien bei der Fahrzeugwahl und speziell den Stellenwert von Fahrzeugsicherheitssystemen. Die weiteste Verbreitung haben passive Sicherheitssysteme wie Airbags, die darauf abzielen, die Folgen eines Unfalls für die Beteiligten abzumildern. Aber auch aktive und intervenierende Systeme, die Risiken vermeiden oder einzelne Fahraufgaben übernehmen, gehören häufig zur Fahrzeugausstattung. Die häufigsten Vertreter aus dieser Gruppe sind der Bremsassistent, ESP und der Tempomat. Die meisten Fahrzeugsicherheitssysteme sind in Fahrzeugen der oberen Mittelklasse und Oberklasse zu finden. Mit der jährlichen Fahrleistung und der Nutzungshäufigkeit nimmt die Anzahl der Sicherheitssysteme ebenso zu wie bei jüngeren Fahrzeugen und Dienstwagen. Die Ergebnisse zeigen ein Muster: Sind Systeme insgesamt selten, unterscheiden sich die Anteile innerhalb der verschiedenen Fahrzeugsegmente teilweise erheblich. Neue Systeme sind dann in den Fahrzeugen der oberen Mittelklasse und Oberklasse deutlich häufiger zu finden und in den Minis und Kleinwagen teilweise mit nicht messbaren Anteilen. Die Experteninterviews, die mit Flottenbetreibern und Fahrzeugverkäufern geführt wurden, zeigen, dass solche Fahrzeugsicherheitssysteme in die Standardausstattung aufgenommen werden, deren Nutzen nachgewiesen ist.
Die Dichte des Netzes an Glättemeldeanlagen (GMA) an Bundesautobahnen ist wesentlich höher als im nachgeordneten Netz. Eine Verdichtung des Messstellennetzes analog zu Bundesautobahnen ist jedoch aus finanziellen und organisatorischen Gründen nicht realisierbar. Ziel der Forschungsvorhaben ist daher die vereinfachte Erfassung von winterlichen Fahrbahn- und Witterungszuständen, um eine wesentliche Verdichtung des Messstellennetzes unter wirtschaftlich akzeptablen Bedingungen zu ermöglichen. Hierdurch soll den Winterdienstverantwortlichen eine netzweite Beurteilung des Streckenzustandes ermöglicht werden, um die Winterdiensteinsätze anforderungsgerechter und wirtschaftlicher durchführen zu können. Im Rahmen einer Lebenszykluskostenanalyse wurden Investitions- und Betriebskostendaten von über 200 GMA ausgewertet. Die Analyse ergab durchschnittliche Investitionskosten von 38.300 € je Messstelle. Diese Kosten werden hauptsächlich durch die Art der Stromversorgung (netzgebunden/autark) sowie den Umfang und die Art der Sensorik beeinflusst. Die bei Energieverbrauchsmessungen an bestehenden GMA erfassten Daten zeigen, dass GMA teils stark unterschiedliche Leistungsverbräuche besitzen, eine energieoptimierte Ausstattung jedoch eine wirtschaftlich akzeptable autarke Energieversorgung ermöglicht. Im Winter 2011/2012 wurden in drei Meistereien Einsatzentscheidungen untersucht. GMA sind hierbei die wichtigste Informationsquelle; sie werden in über 60 % aller Entscheidungen herangezogen. Luft- und Fahrbahnoberflächentemperatur sind die wichtigsten Parameter. Große Bedeutung für die Nutzer hat vielfach auch ein Kamerabild. Wesentlich für einen wirtschaftlichen Betrieb von GMA und einen gleichbleibenden Nutzen für die Anwender ist eine hohe Zuverlässigkeit in die angezeigten Messdaten. Daher sollte die Qualitätssicherung bei Installation und laufendem Betrieb größere Bedeutung gewinnen, indem durch die Straßenbauverwaltungen neben der regelmäßigen Wartung und Kalibrierung standardisierte Abnahme- und regelmäßige Kontrollprüfungen auf Grundlage der geltenden technischen Normen vorgesehen werden.
Im Anschluss an Erörterungen über das Problem der Unfallstellenbeseitigung und einen Überblick über die Kenngrößen zur Unfallstellenerkennung werden bisherige Verfahren erörtert. Anschließend werden Identifikationsmodelle vorgestellt, die die Gesichtspunkte Unfallhäufigkeit, Unfallschwere und mittleres Risiko jeweils in einem geschlossenen Modell vereinigen. Die Anwendung ist möglich sowohl für den Innerorts- als auch fuü den Ausserortsbereich des Straßennetzes. Um praktische Erfahrung in die Vorschläge zur Grenzwertfestlegung einfließen zu lassen, fand eine versuchsweise Anwendung der Modelle auf Unfalldaten des klassifizierten Straßennetzes im Regierungsbezirk Karlsruhe statt. Mit den Ergebnissen der versuchsweisen Anwendung wurden die theoretischen Annahmen des Arbeitskreises abgesichert. Daneben erfolgte eine Sensitivitätsanalyse für die Modellparameter, die zur Empfehlung bestimmter Werte führte. Die Ergebnisse fügen sich in die von Bund und Ländern entwickelte Auswertungskonzeption ein. Das vorgestellte Identifikationsverfahren führt gegenüber der Unfalltypensteckkarte zu einer besseren Unfallstellenerkennung, kann jedoch nicht in allen Belangen die Unfalltypensteckkarte ersetzen.
Auf der Grundlage von Unfallauswertungen unter Berücksichtigung der Verkehrsstärken werden Unfallrisiken für Anlagen des Fußgängerquerverkehrs quantifiziert, um daraus Einsatzbereiche für den jeweiligen Anlagentyp abzuleiten. Besonderes Augenmerk gilt dem möglichen Einsatzbereich für den Fußgängerüberweg (Zebrastreifen) und die Abgrenzung des Fußgängerüberwegs gegenüber dem Einsatzbereich der Fußgängerfurt. Gegenüber einer früheren Untersuchung mit gleicher Zielsetzung wurde die Zahl der erfassten Anlagen erhöht und bei der Auswahl der ergänzend erfassten Fußgängerquerungsanlagen verstärkter Wert auf die anlagentypspezifische Repräsentanz gelegt. Verstärkt wurden Fußgängerquerungsanlagen auf freier Strecke (im Unterschied zu Knotenpunktbereichen 3- oder 4-armiger Knoten) berücksichtigt. Merkmale der Umgebungsnutzung (z.B. Sichtbehinderung durch parkende Fahrzeuge, Bebauungsart und -dichte in der Umgebung) der jeweiligen Anlage wurden erfasst und auf eine mögliche Sicherheitswirkung hin untersucht.
Mit Abschluss dieses Forschungsprojekts ist eine Wissensbasis erarbeitet, die es ermöglicht relativ schnell die Eigenschaften beliebiger Schutzhelme im Voraus zu berechnen. Es wurde ein Rechenprogrammsystem erstellt, welches mit Hilfe der Schalentheorie und der Methode der Übertragungsmatrizen für alle denkbaren Aufschlagpunkte ingenieurmäßige Aussagen liefert über die Tauglichkeit eines Helms. Mit diesem Programmsystem wurde eine Parameterstudie anhand von 27 Helmvarianten mit dem Ziel durchgeführt, die Abstimmung von Helmschale und Schutzpolsterung so zu wählen, dass eine optimale Energieumsetzung möglich ist, optimal im Sinne einer Minimierung der aus dem Stoß resultierenden Kopfbeschleunigung. Es erfolgte eine Variation der Parameter Schutzpolsterungsdicke und Helmschalendicke. Die Abhängigkeit der Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie wurde ebenfalls untersucht. Neben Vergleichsrechnungen mit der Methode der finiten Elemente wurden auch gemessene Beschleunigungen zur Absicherung der Ergebnisse herangezogen. Die Parameterstudie mittels Übertragungsmatrizen ist auch mit einer parallel entwickelten PC-Programmversion durchführbar. Unter der Voraussetzung hinreichenden Energieaufnahmevermögens sind für den Polycarbonat-Polystyrol-Helm handelsüblicher Machart eine geringe Helmschalendicke, eine geringe Schutzpolsterungsdichte und eine dicke Schutzpolsterung anzustreben, wobei dieser letzte Einfluss weniger stark ist. Nach Abschluss der laufenden Polystyrol-Werkstoffversuche bleibt zu klären inwieweit die beschriebenen Einflüsse abhängig von der Aufprallenergie sind. Die Berechnungen zeigen, dass eine starke Abhängigkeit der maximalen Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie vorliegt, was vom Regelwerk ECE 22/02 nicht hinreichend berücksichtigt wird. Es ist notwendig in den Helmtests unterschiedliche Aufprallenergien zu realisieren. Der Tauglichkeitsnachweis muss den unfallrelevanten Geschwindigkeitsbereich abdecken. Die Prüfkopfmasse muss erhöht werden. Sie repräsentiert die reduzierte Masse und ist im Grenzfall gleich der Masse des Motorradfahrers. Anzustreben ist ideal plastisches Verhalten der Schutzpolsterung, so dass in Kombination mit einer biegesteifen Helmschale über einen weiten Energiebereich Beschleunigungskonstanz erzielt wird. Ein Schritt in diese Richtung wäre der Einsatz von Wabenstrukturen (honeycomb) zwischen Helmschale und Komfortpolsterung.