Definition von makroskopischen Streckenmerkmalen für Straßen. Markus KOBER

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1 Definition von makroskopischen Streckenmerkmalen für Straßen Markus KOBER Zusammenfassung Die Anforderungen, die an neue Produkte der DaimlerChrysler AG gestellt werden, erfordern die Definition neuer geeigneter Strecken für Versuchszwecke. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, um die Beeinflussung von Strecken auf Fahrzeugbelastungen und -zustände hinreichend genau zu beschreiben. Darauf aufbauend besteht die Möglichkeit, eine geeignete Strecke mit bundesrepubliktypischen Fahrzeugbelastungen in Deutschland zu suchen. 1 Einleitung Die DaimlerChrysler AG nutzt neben nichtöffentlichen Testgeländen zur Erprobung ihrer Neufahrzeuge auch Strecken des öffentlichen Straßennetzes in verschiedenen Regionen des Bundesgebietes. Die Strecken weisen unterschiedliche Streckenparameter auf: topograph i- sche Parameter wie z.b. Kurvenradien, Steigungen, verkehrsregelnde Parameter wie z.b. Geschwindigkeitsbegrenzungen, Überholverbote, Vorfahrtsregeln, und bauliche Parameter wie Fahrspuranzahl, Ortsstraßen, Landstraßen und Autobahnen. Diese Streckenparameter beeinflussen reale Fahrten, so daß ein Fahrzeug realen Belastungen ausgesetzt wird sowie Simulationen von Fahrten unter realistischen Verkehrsbedingu n- gen. Per Simulation werden realistische Verbräuche, Emissionen, Fahrzeugbelastungen und Häufigkeiten von Fahrzeugzuständen, z.b. Drehzahlen, Ganganteile, Brems- und Kühlerleistungen erhalten, die der tatsächlichen Kundennutzung und dem Kundenerlebnis besser entsprechen. Anhand von makroskopischen Streckenmerkmalen, wie Ampeln pro Kilometer, Steigungsund Gefälleanteile, Kurvigkeiten etc., sollen verschiedene Strecken künftig besser beschrieben und objektiv verglichen werden. Für zwei unterschiedliche Strecken soll folge n- des gelten: makr. Streckenmerkmale von Strecke 1 = makr. Streckenmerkmale von Strecke 2 Fzg-Belastung, Verbrauch, etc. von Strecke 1 = Fzg-Belastung, Verbrauch, etc. von Strecke 2 makr. Streckenmerkmale von Strecke 1 makr. Streckenmerkmale von Strecke 2 Fzg-Belastung, Verbrauch, etc. Fzg-Belastung, Verbrauch, etc. von Strecke 1 von Strecke 2 Abb. 1: Definition des Verhältnisses makroskopische Streckenmerkmale zu Fahrzeugb e- lastungen, Verbräuche, etc. und deren Umkehrung

2 Markus Kober Dazu soll eine mehrere tausend Kilometer lange, in der DaimlerChrysler AG bereichsübergreifend akzeptierte, bundesrepubliktypische Strecke festgelegt werden. Daraufhin kann eine kürzere Teilstrecke gesucht werden, deren makroskopische Streckenmerkmale weitgehend mit denen der Definitionsstrecke übereinstimmen. Falls auf diesen beiden Strecken die realen gemessenen und die simuliert en Fahrzeugbelastungen zu ähnlichen Werten führen, würde damit eine kurze Teilstrecke gefunden, deren Einfluß, neben dem Fahrstil des Fahrers, zu einer wirklichkeitsnahen bundesrepubliktypischen Fahrzeugbelastung führt. 2 Definition der bundesrepubliktypischen Strecke Die Festlegung dieser Strecke erfolgt über die Jahresfahrleistungen, die Topographie 1 Deutschlands und den Straßenklassen. Vorgehensweise zur Festlegung einer bundesrepubliktypischen Strecke: Einteilung des Straßennetzes in Straßenklassen (Autobahn, Land- und Ortsstraßen) Zuweisung der Jahresfahrleistungen zu den Straßenklassen aller Bundesländer Schätzung des Flächenanteils der Bundesländer an den topographischen Zonen Deutschlands Ermittlung der Jahresfahrleistungen der Straßenklassen in Abhängigkeit von der topographischen Zone Ermittlung des prozentualen Anteils der Jahresfahrleistungen in den topographischen Zonen an der Gesamtjahresfahrleistung: Tab. 1: Prozentanteil an Gesamt-JFL der Straßenklassen in Abhängigkeit der topographischen Zone (STATISTISCHES BUNDESAMT 1998) BAB Landstraßen Ortsstraßen Norddtsch. Tiefebene 14,82 20,7 3,0 Mittelgebirge 19,37 28,1 3,9 Alpenvorland 3,55 4,9 0,55 Alpen 0,45 0,6 0,06 Bei Annahme einer Gleichverteilung der Straßenbelastungen können die Streckenabschnitte der Definitionsstrecke aus Tabelle 1 innerhalb der topographischen Zonen beliebig festgelegt werden. 1 Deutschland wird in vier topographische Zonen gegliedert: Norddeutsche Tiefebene, Mittelgebirge, Alpenvorland und Alpen. Diese Zonen werden durch unterschiedliche Höhenlagen charakterisiert und beeinflussen somit maßgeblich die Steigung sowie die Kurvigkeit einer Strecke.

3 Beschreibung von vermessenen Straßen 3 Makroskopische Streckenmerkmale Mit einem Fahrzeug werden Strecken abgefahren, um obige Streckenparameter mit einem Meßsystem und einem mitfahrenden Beobachter kontinuierlich zu erfassen. Durch statistische Auswertung und Klassierung der kontinuierlich erfaßten Streckenparameter besteht die Möglichkeit, makroskopische Streckenmerkmale zu bestimmen: horizontale Linienführung: Kurvigkeit, Kurvenanteil, Klassierung der Linienführung vertikale Linienführung: mittlere Neigung, Steigungs- und Gefälleanteile, maximale Neigung abschnittsgültige makroskopische Streckenmerkmale: Prozentanteil am Streckenabschnitt (Geschwindigkeitsbegrenzungen, Überholverbote, Straßentyp, Fahrspuranzahl) ortsgültige makrsokopische Streckenmerkmale: Merkmal/km (Stopschilder, Ampeln, "Rechts-vor-links", usw.) dynamisierte Pilotgeschwindigkeit: mittlere dyn. Pilotgeschwindigkeit, Varianz der dyn. Pilotgeschwindigkeit, Geschwindigkeitsdifferenz der dyn. Pilotgeschwindigkeit Die makroskopischen Streckenmerkmale werden für bestimmte Streckenabschnittslängen, sogenannte Längenintervalle, berechnet. Die Berechnung läßt beliebig große Längenintervalle zu. Beispiel: Kurvigkeit Die Kurvigkeit beeinflußt die Geschwindigkeitswahl, die Geschwindigkeitsschwankungen und somit die Wahl der Gänge und den Kraftstoffverbrauch des Autos. Der Verbrauch wird zusätzlich erhöht, wenn die Lenkunterstützung (Servo) bei kurvenreichen Strecken stark beansprucht wird. Der Mehrverbrauch kann je nach Art der Lenkunterstützung bis zu 8% betragen (CONNOR 1996). Der Verlauf einer Trasse im Lageplan wird u.a. durch das makroskopische Streckenmerkmal Kurvigkeit beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine gängige Kenngröße aus dem Bauingenieurwesen (BARTELT 1990). Kurvigkeit [gon/km]: Summe der absoluten Winkeländerungen pro Längeneinheit. α 1 Definition gon: 400 gon = 360 s 1 R 1 s2 α 2 R i = Kurvenradius α i = Winkeländerung im Radialmaß s i = zurückgelegter Weg R1 Abb. 2: Berechnung der Kurvigkeit einer Strecke

4 Markus Kober 4 Berechnung makroskopischer Streckenmerkmale Zur Durchführung der Berechnung makroskopischer Streckenmerkmale wurde ein auf MATLAB 2 basierendes Softwarewerkzeug erstellt. Exemplarisch werden hierzu Ergebniswerte der Kurvigkeit eines 50 km langen Teilstücks einer Versuchsstrecke vorgestellt, welche vom Automagazin AutoMotorSport (AMS) zur Ermittlung real gemessener Verbräuche benutzt wird, siehe Abbildung 3. Der Berechnung wurde ein Längenintervall von einem Kilometer zugrunde gelegt. Streckenbeschreibung: Der etwa 87 km lange Rundkurs 3 befindet sich am nördlichen Rand des Schwarzwaldes nahe Pforzheim. Der Kurs startet in Heimsheim und führt über die Autobahn A8 Richtung Karlsruhe bis zur Anschlußstelle Pforzheim-West. Nach Verlassen der Autobahn verläuft der Kurs über Landstraßen südlich von Pforzheim zurück nach Heimsheim. Abb. 3: Kartenausschnitt: AMS-Rundkurs Makroskopisches Streckenmerkmal: Kurvigkeit Für den Autobahnabschnitt von Kilometer 4 bis 25 ergibt die Berechnung der Kurvigkeiten, siehe Abbildung 4, die für Autobahnen typischen niedrigen Werte (ELSNER 1990) zw i- schen 20 und 60 gon/km. Ab Kilometer 26 werden die durch hohe und stark schwankende Kurvigkeiten gekennzeichneten Land- und Ortsstraßen befahren. Maximale Kurvigkeiten befinden sich bei Kilometer 26 mit 420 gon/km (Autobahnabfahrt Pforzheim-Ost) und bei Kilometer 42 mit 540 gon/km (Schleife zwischen Eisenfurt und Waldrennbach). 2 MATLAB by the MathWorks, Inc. 3 Für die Verbrauchsmessung wird der Kurs zweimal durchfahren.

5 Beschreibung von vermessenen Straßen Abb. 4: Kurvigkeit auf der AMS Verbrauchsstrecke 5 Konvergenzuntersuchung Zunächst soll die Abhängigkeit der makroskopischen Streckenmerkmale der bundesrep u- bliktypischen Strecke von der Streckenlänge untersucht werden. Das Ergebnis dieser Untersuchung entscheidet über die Durchführung einer Teilstreckensuche. Zur Konvergenzuntersuchung werden die makroskopischen Streckenmerkm ale der genannten Strecke mit einem Längenintervall, welches sich über die gesamte Streckenlänge erstreckt, berechnet. Hierbei werden alle 50 km streckengewichtete Mittelwerte der gesamten Strecke berechnet und als Zwischenergebnisse gespeichert. Schwanken mit zunehmender Streckenlänge alle berechneten Mittelwerte nur noch geringfügig um ihren merkmalspezifischen Grenzwert, dann handelt es sich um die Konvergenz der makroskopischen Streckenmerkmale. Abbildung 5 verdeutlicht beispielhaft den oben geschilderten Fall für zwei unterschiedliche makroskopische Streckenmerkmale. makr. Streckenmkmale Grenzwert eines ersten makr. Streckenmerkmals Grenzwert eines zweiten makr. Streckenmerkmals Abb. 5: 1000 km Strecke Schematische Darstellung der Grenzwertbildung der streckengewichteten Mittelwerte

6 Markus Kober Falls sich keine Konvergenz einstellt, müssen evtl. weitere Strecken erfaßt werden, um zu überprüfen, ob die Konvergenz bei größeren Strecken als der Definitionsstrecke auftritt. Ansonsten wäre die Berechnung der makroskopischen Streckenmerkmale der bundesrep u- bliktypischen Strecke nicht sinnvoll, somit entfiele auch die weitere Teilstreckensuche. 6 Teilstreckensuche Mit Hilfe eines MATLAB-basierten Softwarewerkzeugs können zusammenhängende Teilstrecken auf der Grundlage der bundesrepubliktypischen Strecke gesucht werden. Die makroskopischen Streckenmerkmale der Teilstrecke sollen dabei weitgehend ähnliche Werte aufweisen wie die der bundesrepubliktypischen Strecke. Da nach Abbildung 1 die realen und die simulierten Fahrzeugbelastungen zu ähnlichen Werten führen, wäre eine kürzere belastungsäquivalente Strecke gefunden. 7 Schlußbetrachtung Die Definition der makroskopischen Streckenmerkmale ist ein erster Schritt zur objektiven Streckenbeschreibung bzgl. Fahrzeugbelastungen, Verbräuche etc. Durch eine Verknüpfung der kontinuierlich erfaßten Streckenparameter mit digitalen Straßenkarten, die weitere Streckeninformationen beinhalten, besteht die Möglichkeit, die makroskopischen Streckenmerkmale zu ergänzen. Darüber hinaus könnten die makroskop i- schen Streckenmerkmale zur Fahrzeugnavigation und Routenführung hilfreich sein. Zur Festlegung einer kundenspezifischen bundesrepubliktypischen Strecke lassen sich z.b. durch Befragungen Mobilitätsprofile von Mercedes-Kunden entwerfen. 8 Literatur Bartelt, B.; Regniet, G.; Schmidt, G. (1993): Untersuchungen des repräsentativen Fahrverhaltens von PKW auf Stadt- und Landstraßen, Im Auftrag des Umweltbundesamtes, Berlin Connor, B. (1996): Elektrische Lenkhilfen für PKW als Alternative zu hydraulischen und elektrohydraulischen Systemen, in: Automobiltechnische Zeitschrift (ATZ), Heft , S Elsner, A. (1990): Planungsrelevante Kenngrößen des Bundesfernstraßennetzes, in: Aut o- bahn , S Semmel, A (1996): Geomorphologie der Bundesrepublik Deutschland, Franz Steiner Verlag Stuttgart, 5. Auflage Statistisches Bundesamt (1998): Statistisches Jahrbuch für die Bundesrepublik Deutschland 1998.