Siemens Mobility / Innovationen Bahntechnik

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1 Fertigungsprozesse Gemeinsam Zukunft gestalten TU Dresden 2008 Siemens / Innovationen Bahntechnik Thomas Gerhard, Industry Sector, Division Leiter I MO Technology and Innovation Dresden, 09. Juli 2008 Seite 1 Juli 2008 Copyright. Siemens All rights AG reserved. 2008

2 Thomas Gerhard Beruflicher Werdegang Thomas Gerhard, geb. am 11. Juli 1950 Seite 2 Juli Abschluss Dipl.-Ing. Maschinenbau FH Niederrhein Wagonfabrik Uerdingen / DUEWAG AG 1976 Konstruktionsingenieur 1979 Forschungsgemeinschaft Projekt Rad / Schiene in Mannheim 1981 Gruppenleiter Konstruktion 1986 Leitung ICE 1 Mittelwagen 1991 Leitung Technischer Vertrieb Vollbahnen Siemens AG, Transportation Systems 1994 Leitung Projekt ICE 2 Mittelwagen 1996 Leitung Projekt ICE Leiter Engineering Trains Mechanisch 1999 Leiter Engineering Trains Gesamt 2006 Leitung Group Technology 2006 Ernennung zum Top-Innovator 2007 Ernennung zum CTO für den Bereich Rolling Stock bei TS

3 Themen 1 Siemens 2 Hochgeschwindigkeitsverkehr 3 Simulationstechniken 4 Beispiele für Innovationen 5 Picture of the Future Seite 3 Juli 2008

4 Complete für ein perfektes Zusammenspiel aller Verkehrssysteme Mit Complete schafft Siemens nachhaltige Mobilitätslösungen, um die verschiedenen Verkehrssysteme miteinander zu vernetzen und Menschen sowie Güter effizient, sicher und umweltverträglich zu transportieren. Siemens hat dafür in der neuen Division alle Kompetenzen gebündelt von Betriebsführungssystemen für Bahn- und Straßenverkehrstechnik, der Bahnstromversorgung sowie Schienenfahrzeugen für den Nah-, Regional- und Fernverkehr bis hin zur Flughafenlogistik und Postautomatisierung. Seite 4 Juli 2008

5 Division: integrierte Verkehrs- und Logistiklösungen aus einer Hand Dr. Hans-Jörg Grundmann (CEO) Michael Schulz-Drost (CFO) Rolling Stock Traffic Solutions Public Transit Locomotives & Components Integrated Services Modification Combino Traffic Solutions Infrastructure Networks Infrastructure Logistics Turnkey Systems Postal Airport Rail Automation Electrification Turnkey Systems Automation Logistics Seite 5 Juli 2008

6 Division: Daten & Fakten Entwicklungs-, Test- und Fertigungsstandorte Nashik Uerdingen Berlin Wegberg-Wildenrath Braunschweig Erlangen (Headquarters) Konstanz Nürnberg München Columbus Offenbach Augsburg Sacramento Arlington/Irving Austin Ashby De La Zouch Poole Brüssel (ADB) Paris Prag (SKV) Wien Graz Xian (SSCX) Nanjing (SREN) Shanghai (SMEC) Wallisellen Maribor Zhuzhou (STEZ) Nashik Umsatz weltweit: 6,2 Mrd. Euro* Mitarbeiter weltweit: ca * * kumulierte Werte, Stand 30. September 2007 Seite 6 Juli 2008

7 Die Trends der Elektrotechnik und Elektronik bestimmen maßgeblich auch Bahnsysteme Software ersetzt Hardware Steigende Komplexität der Systeme erfordert Simulation Dezentralisierung der Intelligenz Integration von Fertigungsprozessen Miniaturisierung Virtualisierung Modularisierung Standardisierung Nachhaltigkeit Kompetenz: interdisziplinäre Forschung und Wissensmanagement Seite 7 Juli 2008

8 HGV-Verkehr weltweit als Ergebnis langjähriger Forschung und Entwicklung Derzeit forschen acht Doktoranden zzgl. Diplom- und Studienarbeiter gemeinsam an folgenden Themen: Optimierung von Bahn-Gesamtsystemen Lastfluss- und Leistungsbilanz in umrichtergespeisten Netzen Hilfsbetriebemanagement auf elektrischen Triebfahrzeugen Seite 8 Juli 2008

9 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV - Projekte weltweit England Belgien Russland USA 1991 Deutschland Frankreich 1981 Portugal Italien 1992 Spanien 1981 Niederlande Türkei Indien 1964 Japan 2006 China Taiwan Korea Argentinien in Betrieb geplant Seite 9 Juli 2008

10 Hochgeschwindigkeitsverkehr Strecken in Europa, Ausbaustand bis 2025 Seite 10 Juli 2008 Quelle: UIC

11 Hochgeschwindigkeitsverkehr Verkehrsleistung in Europa Seite 11 Juli 2008 Quelle: UIC

12 Hochgeschwindigkeitsverkehr Generierung zusätzlichen Verkehrs durch HGV Jahr Quelle: UIC Seite 12 Juli 2008

13 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV in Deutschland, Entwicklung der Fahrzeuge Technology Locomotive hauled trains Push-Pull-train-evolution (i.e. Thyristor GTO) Revolution PP EMU EMU-Evolution (i.e. 350 km/h, TSI compliance, GTO IGBT, ETCS) Distributed Traction (EMU) ICE 3 Mehrsystem ICE 3 Einsystem Velaro E Velaro RUS Velaro CN Push-Pull (PP) ICE V ICE 1 ICE 2 ICE S, ICE D Year Seite 13 Juli 2008

14 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV in Deutschland Dänemark ICE TD Betrieb seit: 1991 Netzlänge: km Linien: Netz Spurweite: mm Niederlande ICE 3M I Stromversorgung: 1 AC 15 kv, 16,7 Hz Anzahl Züge: 237 Belgien ICE 3M I Neubaustrecken für 300 km/h Neubaustrecken für mind. 250 km/h Ausbaustrecken für 200 km/h oder 230 km/h Altbaustrecken, für 160 km/h ausgebaut Frankreich ICE 3M F Österreich ICE T Schweiz ICE 3 E Seite 14 Juli 2008 Schweiz ICE T Österreich ICE 1

15 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV in Spanien national Talgo 350 vmax = 330 km/h Madrid Barcelona AVE 100 (TGV-Atlantique) vmax = 300km/h Velaro E vmax = 350 km/h Sevilla Lanzaderas AVE (Pendolino) vmax = 250 km/h Betrieb seit: 1992 Netzlänge: km Linien: 3 Spurweite: mm Stromversorgung: 1 AC 25 kv, 50 Hz Anzahl Züge: 96 Seite 15 Juli 2008 Alvia 120 vmax = 250km/h Talgo 250 vmax = 250 km/h

16 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV in China national CRH-2 (E2-1000) vmax = 250 km/h In Betrieb seit Züge Netzlänge: km Quelle: UIC, 2005 CRH-3 (Velaro CN) vmax = 300 km/h Betrieb ab 2008 (Olympiade) 60 Züge Spurweite: mm Stromversorgung: 25 kv, 50 Hz Anzahl Züge: > 500 Seite 16 Juli 2008

17 Hochgeschwindigkeitsverkehr Hochgeschwindigkeitsstrecke Beijing - Tianjin Projekt-Information Streckenlänge 115 km Anzahl der Bahnhöfe 5 Erste Strecke eines 5000 km umfassenden Hochgeschwindigkeitsnetzes, das in China bis 2010 gebaut werden soll. Mit dieser Strecke setzt Siemens Systemstandards z.b. mit dem Zugbeeinflussungssystem ETCS Level 1 und CTCS. Siemens-Lieferanteil: Projektmanagement Systemintegration Signaltechnik Telekommunikation Oberleitung Bahnstromversorgung Geschwindigkeit (max.) Zugfolge 300 km/h 3 Minuten Züge/p.h/Richtung 20 Reisezeit Fertigstellung 30 Minuten August 2008 Seite 17 Juli 2008

18 Hochgeschwindigkeitsverkehr HGV in Russland Velaro RUS vmax = 250km/h St. Petersburg Moscow national In Betrieb ab 2010 Spurweite: mm Stromversorgung: 25 kv, 50 Hz und DC 3 kv Anzahl Züge: 8 Seite 18 Juli 2008

19 Simulationstechniken Gesamtsystem, Zusammenwirken OL - Panto Simulation aller dynamischen Vorgänge bei Hochgeschwindigkeit zwischen Fahrleitung und Pantograph. Seite 19 Juli 2008

20 Simulationstechniken Interaktion zwischen Fahrzeugen Seite 20 Juli 2008

21 Simulationstechniken Ergebnis einer Stabilitätsuntersuchung Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Fahrzeugen im Netz - Stabilitätsgrenze Seite 21 Juli 2008

22 Simulationstechniken Lauftechnische Auslegung am Fahrzeugmodell Ausgangsituation: allgemein nichtlineares Fahrzeugmodell nichtlinearer Kontakt lineare Ersatzgeometrie lineares Fahrzeugmodel l Methoden der linearen Systemanalyse x& = A x + B u Stabilität: - Eigenwerte y = C x + D u (sin-lauf 3Hz) - Wurzelortskurve - minimale Dämpf. - Annahme: Bewegung entspricht einer harmonischen Schwingung, wobei sich der Kontaktpunkt im Bereich A bewegt. A A Störgrößenverh. - Frequenzgang - Spektren, - Realität nichtlineares Modell lineares Modell Beschreibung Analyse Seite 22 Juli 2008

23 Simulationstechniken Typische lauftechnische Auslegung Quasi-Statik Störgrößenverhalten nichtlinear Störgrößenverhalten linear Stabilität nichtlinear Stabilität linear Verschleißkennwerte Antreiben und Bremsen (Längsschlupf) Seite 23 Juli 2008

24 Simulationstechniken Fahrkomfort Determined comfort level by computer based models of... c: Passenger perception b: Vehicle response Spectrum of track irregularities Seite 24 Juli 2008

25 Simulationstechniken Fahrkomfort, Strukturdynamik Beschleunigung (Messung / Gefühl) Strukturantwort Messstellen: - über Drehgestell - Wagenkasten-Mitte - außermittig Aero Kraftanregung (direkt) Krafteinleitung in die Struktur Übertragungsfunktion: Drehgestell mit Primärund Sekundärstufe Anregung (indirekt) Seite 25 Juli 2008

26 Simulationstechniken Fahrkomfort, Strukturdynamik Strukturschwingungen (Dachboden) Beeinflussung der Nick- und Wankpole des Wagenkastens Optimale Auslegung der Schlingerdämpfer Optimale Anbindung schwerer Unterflurgeräte als Schwingungs-Tilger bezogener ISO RMS-Wert [ ] 1.18 Vertikalbiegung u. lokale E M 1.14 Bodenausbeulung: f > 10 Hz E Tilgerfrequenz [Hz] Seite 26 Juli 2008

27 Simulationstechniken Aerodynamik Seite 27 Juli 2008

28 Simulationstechniken Seitenwindstabilität / Windkennkurve Seitenwind v wind und Fahrgeschwindigkeit v x führen zu seitlicher Anströmung mit dem Winkel β mit unsymmetrischer Druckverteilung. Radentlastung aus Quasistatik-Simulation a) seitliche Windkräfte und Momente drücken das Fahrzeug zur Seite. v x β v res v wind Wind Entlastung V wind [m/s ] b) Berücksichtigung von Fliehkraft und Gleisüberhöhung in Kurven Darstellung als Windkennkurve v x,fahrzeug [km/h] Seite 28 Juli 2008

29 Simulationstechniken Crashszenarien nach TSI Crash Scenario Relative Speed Criteria 10 m/sec = 36 km/h Cab not damaged worth mentioning 10 MJ 10 m/sec = 36 km/h 3,3 MJ 30,5 m/sec = 110 km/h 6,7 MJ Limited cab deformation, survival area not deformed Limited cab deformation, survival area not deformed Additional Requirements Absorbed energy at front end 75% of 6 MJ energy absorption capability Average deformation force of crash elements 1500 kn lower than structural strength of passenger areas Climbing of cars shall be avoided Seite 29 Juli 2008

30 Simulationstechniken Berechnung am Mehrmassenmodell Seite 30 Juli 2008

31 Simulationstechniken Hardware in the Loop Reale Regelungstechnik mit Modell des Fahrzeugs mit Wechselwirkungen simuliert Fahrerpult Steuergeräte Stromrichter Motorsteuerung el. Moment. Antriebstrang Fahrzeug, Umgebung M soll i ist M ist ZSG, ASG, BSG, SIP, Starkstrom ω real Impulsfolge Sensor Steuergeräte in HW Labortest in HW (dunkel) Labortest Simulation der Regelstrecke (hell) und zwar in Echtzeit = HiL, bei dieser Systemgröße ein Alleinstellungsmerkmal Aufgaben: Stateflow Dynamik : Regelung Anteil: 90% 10% Anwendung: Seite 31 Juli Logik, - Ablaufsteuerung, - - Rattern, - Gruppenschwingung, - Zugkraftausnutzung, - Gleitschutzregelung - Störströme

32 Fertigungsprozesse IT-Kette von der Entwicklung zur Fertigung Seite 32 Juli 2008

33 Fertigungsprozesse Jeder Schritt der Entwicklung ist analysiert Seite 33 Juli 2008

34 Fertigungsprozesse Planung der Geräteanbauten in 3D Seite 34 Juli 2008

35 Fertigungsprozesse Virtual Reality in 3D Virtual Reality Ein leistungsfähiges Simulationstool zur Optimierung und Automatisierung der Konstruktionsund Produktionsprozesse in punkto Qualität, Zeit und Kosten Erhöhte Projekttransparenz und -flexibilität durch effiziente Unterstützung der Gesamtprojekte durch Arbeit mit 3D-Objekten in Echtzeit Optimierung von Einbau- und Konstruktions-Lösungen, Fertigung und Montage sowie Kundenpräsentationen Seite 35 Juli 2008

36 Fertigungsprozesse Ergonomie- und Designstudien Seite 36 Juli 2008

37 Fertigungsprozesse Montageanleitung in IT durchgängig bis ins Werk Seite 37 Juli 2008

38 Beispiele für Innovationen Fahrerlose U-Bahn Nürnberg Flexibilität Höhere Leistungsfähigkeit der Leittechnik und der Fahrzeuge Flexiblerer Zugeinsatz auch in Spitzenzeiten Sicherheit ZusätzlicheSicherheitsausrüstung Bahnsteigsicherungssystem für Fahrgäste Reduzierung der Betriebskosten Energieeinsparung (energieoptimales Fahren) Weniger Fahrzeuge Attraktivität / Service Dichterer Takt (Zugfolgezeiten 100 s) Fahrerloser Betrieb gewährleistet hohe Effizienz, Sicherheit und Kosteneinsparungen Seite 38 Juli 2008

39 Beispiele für Innovationen Vollautomatischer Metro-Betrieb Paris, Linie 14, Linie 1 & Ouragan Budapest, Linie M4 Barcelona, Linie 9 Paris, CDGVAL Sao Paulo, Linie 4 Seite 39 Juli 2008

40 Beispiele für Innovationen Cityval / Airval vollautomatisch und hochflexibel Angepasst an Bedürfnisse schnell wachsender Megacities Hoher Fahrgastkomfort, modular aufgebaut, flexibel an Fahrgastaufkommen anpassbar Mit Cityval and Airval Kapazität von bis Fahrgäste pro Stunde, Energieeffizienz und THG- Reduktion sind integraler Bestandteil des Produkt-Designs Seite 40 Juli 2008

41 Beispiele für Innovationen Stationäre und mobile Energiespeicher Energiespeicher ermöglichen Nutzung der Bremsenergie und oberleitungslosen Betrieb Innovative Doppelschicht- Kondensatoren besonders geeignet für stationäre und mobile Energiespeicher im Schienenverkehr Nutzung der Bremsenergie Einsparung von bis zu 30% der zum Fahren benötigten Energie Damit Beitrag zur Senkung der CO2- Emissionen Oberleitungsfreies Fahren im Dienste von Infrastruktur und Ästhetik in der Stadt Seite 41 Juli 2008

42 Beispiele für Innovationen Syntegra Drehgestell mit Direktantrieb Nachfrage nach höherer Effizienz und Senkung der - Lebenszykluskosten - Kosten des Energieverbrauchs - Kosten zu Lasten der Umwelt Syntegra ein integrierter Ansatz zu einem mechatronischen System Hauptmerkmale: - permanent erregter Synchronantrieb - Gewichtsparendes Triebdrehgestell Seite 42 Juli 2008

43 Beispiele für Innovationen Desiro ML für die Belgische Staatsbahn SNCB Technische Daten Typ Desiro ML Baujahr ab 2009 Anzahl der Wagen 3 Netzspannung 3 kv DC / 25 kv AC Neue Plattform für Regionaltriebzüge von Siemens Höchstgeschwindigkeit 160 km/h Mehr Flexibilität für die Betreiber dank modularen Aufbaus Spurweite Sitzplätze mm Wahlmöglichkeit zwischen verschiedenen Innenausstattungen Anzahl der Züge 305 Seite 43 Juli 2008

44 Beispiele für Innovationen Environmental Traffic Management Berechnung von Fahrzeug- Emissionen auf der Basis von aktuellen oder prognostizierten Verkehrsdaten aus Siemens Verkehrsmanagement-Zentralen Meteorologische Daten (Temperatur, Wind, Inversionslagen) werden ebenso berücksichtigt, wie andere Verschmutzungsquellen Die Verteilung aller Emissionen entlang der Straßen und zwischen Gebäuden wird in real-time als Modell dargestellt Resultat: Ein Bild des Grades der Luftverschmutzung im Stadtgebiet in real-time und mit Vorhersage Seite 44 Juli 2008

45 Beispiele für Innovationen Abbildung der Feinstaubentwicklung Modelle der Luftqualität geben einen detaillierten, gebietsweiten Überblick zur Immissionsentwicklung Auswirkungen von Stoßzeiten, Hot-spots und Urbanisierung werden deutlich sichtbar Seite 45 Juli 2008

46 Beispiele für Innovationen Metropolregion Ruhr - Verkehrsknoten in Europa Das Ruhrgebiet - Deutschlands größter Ballungsraum Wirtschaftsstandort Lebensraum für 5,3 Millionen Menschen Kultur- und Freizeit Technologieregion Messestandorte Verkehrsaufkommen 1,1 Mio. Pendler täglich, ohne Umland 480 PKW pro Einwohner 20 % Zuwachs im Personenverkehr* 60 % Zuwachs im Güterverkehr* * Prognose für die kommenden 10Jahre, laut Bundesverkehrswegeplan Seite 46 Juli 2008

47 Picture of the Future: Langfristige Prognose zu Verkehrsbedürfnissen und Entwicklungstrends Ausblick und Business Opportunities bis 2025 in fünf Hauptregionen Trendsetting mobility Picture of the Future 2010: Marktreife für neue Telematik- Lösungen; dynamische Zugbildung 2015: Zugbeeinflussung über Satellit intelligentes intermodales Verkehrsmanagement 2025: verschleißfreie Energieübertragung Hochgeschwindigkeits-Metros Seite 47 Juli 2008

48 Fertigungsprozesse Gemeinsam Zukunft gestalten TU Dresden 2008 Siemens / Innovationen Bahntechnik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thomas Gerhard, Industry Sector, Division Leiter I MO Technology and Innovation Dresden, 09. Juli 2008 Seite 48 Juli 2008

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