Home

Funkbasierte energieautarke Kommunikation für Eisenbahngüterzüge

1. Abbildung 6 2 Funkverbindungen der Stern Topologie Bus Funktions Topologie Eine weitere Grundstruktur aus funktionaler Sicht stellt die Bus Topologie dar vgl Abbildung 16 3 Dabei wird ausgehend von der Kommunikationseinrichtung des F h rungsfahrzeugs zu der Kommunikationseinrichtung des jeweils n chsten Fahrzeugs eine Funkverbindung aufgebaut Dazu ist die Kenntnis der genauen Fahrzeugreihung obli gatorisch Bock 2001 1 2 3 4 u A ne tee KO W2 Wi W 4 Abbildung 6 3 Funkverbindungen der Bus Topologie Baum Funktions Topologie F r den Einsatz einer Baum Funktions Topologie in einem Fahrverband ergibt sich aus Verfahrenssicht eine Funkzellenstruktur entsprechend TALKE und WIEMERS 2002a 92 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Diese Struktur ist z B einzusetzen f r DECT basierte Funksysteme im Zugverband vgl Abschnitt 4 1 5 Technologiebedingt kann eine DECT Basisstation nur mit ei ner begrenzten Anzahl von Kommunikations Klienten Verbindungen aufbauen d h die prinzipiell einfachste Netzstruktur der Direktverbindungen l sst sich bei Fahrver b nden mit einer zu gro en Anzahl von Kommunikationsteilnehmern bei Nutzung der DECT Technologie nicht realisieren In TALKE und WIEMERS 2002a wurde eine L sung f r eine Netzstruktur mit mindestens vier Kommunikationseinrichtungen und f r prinzipiell beliebig lange Fahrverb nde zum Patent angemeldet welche auf der Struktu
2. chnittstellen f Sensorik gt isualisierung Geometrische Anforderungen Anforderungen an die Umweltbedingungen emm reem GET teinschag Gand O Elektrische Anforderungen gt C Energeerzeugung gt EnergleversorgungLokgert _ gt CP wermanagemen CMS EOOOOOOOO gt Hpannungsfestigk gt gt ersorgungsspannung _ tromfestigkeit tromunterbrechung LtEtt und ESD gt nergieversorgung Wagenger M w hrend Fahrt gt Windestpannung gt Nennspannung gt Maximalspannung Spannungsbereich bei Versorgung mit Wechselrichter oder rotierendem Umformer leichstromwelligkeii Kommunikationszeit d Zeitliche Anforderungen Initialisierungszeit Betriebszeit endelatenz vom letzten Wagen zur Lok gt Datenweiterleitungsgeschwindigkeit SSC eit f r Fertigstellung der Inauguration gt Eahrzeiten Fahrprofil e pGfandzeiten Fahrprofile Abbildung 3 18 Top Down Darstellung der Systemdarstellung 38 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN des Anforderungsquerschnitts zusammenfassen vgl Abbildung 8 19 Diese ergibt sich unmittelbar aus der Top Down Darstellung der Systemdarstellung Abbildung B 18 Wie bereits in Abschnitt erw hnt werden die Werte durch Kunden und nor mative Vorgaben sowie Richtlinien und Gesetze ermittelt vgl Abschnitt B
3. 34 CES 34 VIII 3 14 Dekomposition der energetische Systemanforderungen 35 3 15 Systemanforderungen an das Zeitverhalten der Kommunikation 35 3 16 Dekomposition der funktionalen Basisanforderungen 36 3 17 Dekomposition der funktionalen Anforderungen an das Zeitverhalten 36 3 18 Top Down Darstellung der Systemdarstellung 2 2 2 2 2 37 3 19 Paradigmatische Darstellung des Lastenhefts als Lastenheftmatrix 39 3 20 Grunds tzliche Systemstruktur des Gesamtsystems 40 4 1 Bewertung des Stands der Technik bez glich des Anforderungsquerschnitts 53 5 1 Wochenfahrprofil eines Ganzzuges f r Szenario 1 2 2 2 2 61 5 2 Monatsfahrprofil eines Kesselwagens f r Szenario EE ee et 62 EEN EE E EES 66 5 5 Eigenschaftenmatrix der Energiequellen und erzeuger Teil 1 74 5 6 Eigenschaftenmatrix der Energiequellen und erzeuger Teil 2 75 5 10 Priorisierung der Anforderungen f r die Energiespeicher nach der Me EE 80 nen en 80 EE 81 a ee ee ee 82 5 14 Dimensionierung des Energiespeichers f r verschiedene Nutzungsszenarien 86 5 15 Dimensionierung des Photovoltaikgenerators in Abh ngigkeit vom Nut EE GE 87 5 16 Grundprinzipien der Energiewandlung und erzeugung 88 5 17 Realisierungsvorschl ge der Energieversorgung abh ngig vom Einsatz Se ae ne ge een een 88 SEET EE EE 89 Bd mieg i ee 91 ER a a a 91 pep ea ee 92 EB a
4. 30 4 2 CH Geschwindigkeit km h k CH KEE DEET CECR Zeit d Abbildung 5 1 Wochenfahrprofil eines Ganzzuges f r Szenario 1 W Aen 984 7 Wh pro Jahr bzw Wiwertmesintewen Se 3 5 kWh pro 6 Jahre 5 3 2 Szenario 2 Einzelwagenverkehr auf Werks und Nor malstrecken am Beispiel eines Kesselwagens im Zugriff der BASF AG Zur Ableitung des Fahrprofiles eines Wagens im Einzelwagenverkehr ohne kombinier ten Verkehr wurd ein vierachsiger Kesselwagen im Zugriff der BASF AG betrachtet Ein Werksdurchlauf dauert je nach Produkt in der Regel zwischen zwei bis sechs Wo chen und wurd hier angenommen mit durchschnittlich 30 Tagen W hrend dieser Zeit wird ein Kesselwagen gereinigt zum Beladen bereitgestellt beladen und schlie lich der Zugbildungsanlage zugef hrt Mit dem zusammengestellten Zug wird der Wagen dann zum Kunden transportiert Die mittlere Transportentfernung betr gt dabei ca 260 km vgl Tabelle 5 3 Unter Umst nden werden auf der Reise zum Zielbahnhof noch wei tere Reihungen durchgef hrt so dass die sich die Durchschnittsgeschwindigkeit auf ca 15 km h verringert Die Reisedauer ergibt sich rechnerisch zu Fr 17 3 Stunden Dieser zeitliche Ablauf ist vergleichbar mit dem anderer Privatbahnen wobei jedoch in der Regel externe Zugbildungsanlagen f r die Zugzusammenstellung benutzt werden Das Monatsfahrprofil ist in Abbildung B 2 dargestellt Die entsprechenden spezifischen 62
5. ChT5 Abbildung 7 17 Modell des bertragungskanals 7 4 ANALYSE DES MODELLS 159 Die Kopplung der Teilmodelle kann prinzipiell durch folgende Vorgehensweisen erfolgen e Vervielf ltigung der Teilmodelle durch Kopieren Copy amp Paste e Verwendung farbiger Petrinetze CPN e Analyse h herer Komplexit ten durch Monte Carlo Simulation am Petrinetzmo dell e Transformation des Petrinetzes in C Quellcode objektorientierte Implementie rung der Randbedingungen sowie Monte Carlo Simulation mit dem C Quellcode Das f r die Modellierung der Teilmodelle eingesetzte Werkzeug TimeNET 3 0 un terst tzt keine farbigen Petrinetze und ist daher f r die Modellierung und Analyse beliebiger Kombinationen im h herdimensionalen Fall ungeeignet Die h heren Dimen sionen sind nur durch Vervielfachung der Teilmodelle im Gesamtmodell darstellbar Dieses Vorgehen f hrt zur Un bersichtlichkeit des Gesamtmodells ist aufw ndig und sehr fehlertr chtig Die Analysem glichkeiten sind dadurch begrenzt Als Vorgriff sei hier auf Tabelle verwiesen Die Analyse und Diskussion der einzelnen M glichkeiten der Vervielf ltigung ist in Abschnitt 7 4 ausgef hrt 7 4 Analyse des Modells Die Analyse der Teilmodelle Wagenger t und Lokomotivenger t und wenn m glich einer beliebigen Kombination dient der Qualit tssicherung des Systems Jeder Fehler der schon zu Beginn bzw w hrend der Implementierungsphase entdeckt wird vermin dert das Risiko
6. Abbildung 6 21 Bedrohungs Schutzma nahmenmatrix nach EN50159 2 2002 Nach Entscheidung des Auftraggebers soll in der prototypischen Realisierung jedoch kein kryptographischer Sicherheitscode verwendet werden so dass explizit keine Nach richtenstruktur nach BO bzw B1 eingesetzt werden soll sondern vielmehr eine Struktur entsprechend A0 vgl Abbildung 6 23 Die Begr ndung hierf r ist dass durch Mith ren der gesendeten Nutzdaten kein Wettbewerbsvorteil f r ein Konkurrenzunternehmen entst nde F r die sp tere Evolution des Kommunikationssystems kann entweder der Nachrichten typ Al mit kryptographischem Sicherheitscode oder B1 mit nichtkryptographischem Sicherheitscode und kryptographischem Codeanhang adaptiert werden wobei sich die Erweiterung der Nachrichtenstruktur AO durch einen kryptographischen Sicherheitsco de anbietet Dadurch resultiert die Nachrichtenstruktur B1 vgl Abbildung 6 22 Die Details und der Telegrammaufbau sind in Abschnitt 16 9 ausgef hrt 6 9 Telegrammtypen und Aufbau 6 9 1 Telegrammtypen und Auswahl Die Anforderungen an die Funkverbindung und damit auch an das Protokoll beinhal tet die Einhaltung der Norm EN50159 2 2002 bez glich der Bedrohungs Schutzma nahmenmatrix vgl Abbildung 6 21 Aufgrund der u eren Randbedingungen des Projektablaufs war die Nutzung eines bereits existierenden und erprobten Telegramms auf durch den Auftraggeber gesch tz 6 9 TELEGRAMMTYPEN UND AUFBAU
7. bei ES 5 E 5 SS E 5 z Tg e ZS 2 N Ab ZS E oD N D 3 u 5 NE N p4 2 gt E S oxy os 5 L x SS D 3 3 8c S 3 ER m 3 so S SH ER E 5 29 Kategorie Kriterium En SI N N os Spannung 15V 15V 15V 14V 3 4V typ 3 6 V 1 55 V herstellerabh ngig 10 Jahr bzw 10 Jahr bzw 4 I Monat Selbstentladungsrate 20 2 4 Jahren 20 2 4 Jahren Panasonic 7 nicht bekannt 1 Monat nicht bekannt nicht bewertbar bei 20 C bei 20 C Jahr unempfindlich bei unempfindlich bei unempfindlich bei unempfindlich bei unempfindlich bei unempfindlich bei Verschmutzungsanf lligkeit gesch tzten gesch tzten gesch tzten gesch tzten gesch tzten gesch tzten unempfindlich Elektroden Elektroden Elektroden Elektroden Elektroden Elektroden Zuverl ssigkeit RAMS zuverl ssig zuverl ssig zuverl ssig zuverl ssig zuverl ssig zuverl ssig gut jederzeit jederzeit jederzeit jederzeit jederzeit jederzeit verf gbar verf gbar verf gbar verf gbar verf gbar verf gbar nicht bekannit technisch Verf gbarkeit RAMS Duty Cycle nicht bekannt nicht bekannt 2 Jahre Duty 3 Jahre Duty 10 Jahre nicht bekannt nicht bekannt Lebensdauer 1 Jahr Lagerung 2 Jahre Lagerung sehr gut PR 8 Ko con Energiedichte 1 1 5 Wh in 2 2 5 Wh in 260 Wh kg 140 Wh kg 500 Wh kg nicht bekannt 400 3000 Wh kg Temperaturbereich Alterung und Betankung m ssen gel st werden Temperaturbereich Sicherhe
8. http www aar com ttci recp 4320 htm Rev 5 3 DRAFT AAR 20001 AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROADS 2000 Perfor mance Requirements For Electronically Controlled Pneumatic ECP Radio Based Freight Brake Systems http www aar com ttci recp 4300 htm Rev 0 5 draft TT AAR 2002 AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROADS 2002 Telecon ference Meeting Schedule RECP Brake Specification Development Process AECA 1996 AEcA 1996 Montage und Betriebsanleitung f r den Solarladeregler Aeca Batterieladesysteme und Pr zisionselektronik GmbH ALLES 1999 Ars H 1999 Marktstudie Schieneng terverkehr SCI Verkehr GmbH im Auftrag des Ministerium f r Wirtschaft Mittelstand Technologie und Verkehr des Landes NRW ANDERSEN 1996 ANDERSEN T 1996 SECU DES Improved Methodology For The Design Of Communication Protocols In Security Systems v2 ESSI Project 10937 Abschlussbericht Dalcotech A S ATMEL 2006 ATMEL 2006 ATmega128 ATMEL BACHEM BACHEM FIRMA Datenblatt Neigungsschalter 15 CW 1300 E Bachem GmbH amp Co KG BALan s 2005 BALANIS C A 2005 Antenna Theory Wiley Interscience 183 184 LITERATURVERZEICHNIS BALZERT 1998 BALZERT H 1998 Lehrbuch der Software Technik Software Management Software Qualit tssicherung Unternehmensmodellierung Nr ISBN 3 8274 0065 1 Spektrum Akademischer Verlag Band 1 Aufl BARANEK 2001 BARANEK M 2001 Telematiksysteme im schi
9. ner Plausibilit tspr fung auf eine m gliche Fahrverbandszugeh rigkeit berpr ft vgl Abschnitt 7 2 2 Beurteilt werden dazu die Abst nde zwischen den Fahr zeugen die Fahrzust nde und falls vorhanden die Anfahrtszeitpunkte der Fahrzeuge vgl Abschnitt 7 2 2 F llt das Ergebnis der Plausibilit tspr fung positiv aus so quittiert das Kommu nikationsger t des F hrungsfahrzeugs den Empfang eines Standardtelegramms mit einem Best tigungstelegramm Acknowledge Weiterhin wechselt das ent sprechende Kommunikationsger t des F hrungsfahrzeugs von dem Energiespar modus Standby in den Modus der Businitialisierung Inauguration Grunds tzlich ist die Sendeh ufigkeit der Wagen Kommunikationsger te im Mo dus der Businitialisierung Inauguration am gr ten Das Kommunikations ger t des F hrungsfahrzeugs kann die H ufigkeit der gesendeten Telegramme im Betriebsmodus Operation individuell f r jedes Kommunikationsger t ei nes Wagens parametrieren Dazu wird innerhalb des Nutzdatenfelds des Best tigungstelegramms die ensprechende Wartezeit f r den zeitlichen Abstand zwi schen zwei Standardtelegrammen an das Wagen Kommunikationsger t gesendet So kann erreicht werden dass z B die Sendeh ufigkeit der Telegramme des Kom munikationsger ts an dem potenziell letzten Wagen des Fahrverbands gr er ist als die der Kommunikationsger te eines Wagens innerhalb des Fahrverbands Dies ist z B f
10. sehr gut sehr gut Anschaffungspreis nicht bekannt noch keine Angabe da Vorserienmodell nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bekannt nicht bekannt nicht bekannt nicht bekannt Betriebskosten laut Vorgabe des Herstellers laut Vorgabe des Herstellers nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bekannt durch empfohlene j hrliche Kontrollen Sichtpr fung S ubern Kontrolle der mech amp el Verbindungen vermutlich keine da wartungsfrei vermutlich keine oder nur geringe da wartungsfrei Verf gbarkeit am Markt kein Anbieter bekannt Firma FAG kein Anbieter bekannt kein Anbieter bekannt kein Anbieter bekannt kein Anbieter bekannt z B Rutland 503 kein Anbieter bekannt mehrere Anbieter z B RWE Schott Solar Abbildung 5 6 Eigenschaftenmatrix der Energiequellen und erzeuger Teil 2 76 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG klimatisch mechanisch GEWICHT Zeilensumme Umweltanforderungen n o JEinsetzbarkeit N gt gt o Lebens Nutzungsdauer n n N Verschmutzungsanf lligkeit N n N N Verschlei anf lligkeit o o o RAMS S Einsetzbarkeit NIN In N N Energiedichte Zeitliche Anfoderungen Lebens Nutzungsdauer Verschmutzungsanf lligkeit R
11. Beurteilen von E p Alternativen u Risikoanalyse x e u Risiko a D Risiko analyse Zustimmun j analyse eme rev snsiyse d gt z N zyklus wes berpr fung planung t Konzept Planung der Ant f r Anforder Antor Grob Betrieb ungen derun t Fein u gt gen i ent Entwicklungs has sta wu j wurf BS Validation _ m Code Verifikation Testplanung amp 2 3 Validation Integration Planung des SR RE Test 7 n chsten Zyklus Abnahme tierung er Entwicklung und Test Abbildung 2 5 Produktentwicklung nach dem Spiralmodell nach BOEHM 1988 2 1 STRUKTURIERUNG DES SYSTEMENTWURFS 13 2 1 3 Systementwicklung nach BASYSNET Alle zu realisierenden Aufgaben k nnen zu Beginn eines Systementwurfs nicht vollst n dig festgelegt werden auch wenn eine Vielzahl von allgemeinen Anforderungen an ein System bereits formuliert sind F r die Realisierung komplexer Systeme in der Auto matisierungstechnik ist eine vorausgehende Modellierung z B in Form eines Ressour cenmodells sinnvoll Dadurch l sst sich ein leicht verst ndliches aber exaktes Abbild des zu realisierenden Systems erstellen Das Funktionsmodell erfasst die funktionalen Zusammenh nge innerhalb eines Systems Im Aufbau oder Implementierungsmodell werden erste Schritte zum ger tetechnischen Aufbau unternommen Anhand von Eigenschafts und Anforderungsmatrizen aus diesem Vorgehen ergibt sich die Ent
12. Binomial Poissonverteilung mit ohne Grenzen Abbildung A 4 Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen A 2 ANALYSEMETHODEN VON PETRINETZMODELLEN 181 A 2 Analysemethoden von Petrinetzmodellen Ausgehend von einer definierten Initialmarkierung des Petrinetzes wird durch das Schalten einer schaltf higen feuerbaren Transition die n chste Folgemarkierung des Petrinetzes markiert usw Bei dynamischen Konflikten w ren alternative Folgemarkie rungen denkbar bei Nebenl ufigkeiten existieren unterschiedliche Reihenfolgen Alle Folgemarkierungen bzw Transitionsfolgen die von einer Initialmarkierung aus erreicht werden k nnen bilden den Erreichbarkeitsgraphen eines Petrinetzes der somit die voll st ndige Dynamik des Petrinetzes explizit darstellt A 2 1 Erreichbarkeitsanalyse Der Graph der Menge aller von der Initialmarkierung eines Petrinetzes erreichbaren Markierungen und schaltbaren Transitionen wird als Erreichbarkeitsgraph EG be zeichnet Die erreichbaren Markierungen stellen die nummerierten Knoten des Erreich barkeitsgraphen dar die schaltbaren Transitionen werden als Kanten dargestellt Der EG kann sowohl graphisch als auch tabellarisch dargestellt werden Der Erreichbarkeitsgraph dient z B der Analyse des Modells auf Lebendigkeit des Mo dells mit einer gegebenen Anfangsmarkierung Ebenfalls lassen sich die Reversibilit t und die Beschr nktheit des Netzes nachweisen oder widerlegen Erreichbarkeitsgraphen lassen sich nu
13. Das V Modell XT Release 1 2 Bundesministerium des Innern KIEFER 1995 KIEFER J 1995 Methodische Partitionierung und Parametrierung von Feldbussen Dissertation KIRSTEIN 1994 KIRSTEIN H 1994 Qualit tsmanagement im Unternehmen Phi losophie Strategie Methode Die Hohe Schule des Total Quality Management G F Kaminske LITERATURVERZEICHNIS 187 KUPKE 2006 KUPKE T 2006 Entwurf eines funkbasierten Zugbussystems zur Nachrichten bertragung Unver ffentlichter Beitragsentwurf KUPKE et al 2007 KUPKE T E SCHNIEDER P FAUBEL W WINDOLF und H HEIKE 2007 Verfahren zur automatischen Inauguration eines Funkbusses zum Informationsaustausch in Fahrverb nden Erfindungsmeldung Siemens Aktenzei chen 2007P15387 DE LAUKAMP 2002 LAUKAMP H 2002 IEA Reliability Study of Grid Connected PV Systems Field Experience and Recommended Design Practice Report IEA PVPS T7 08 2002 Fraunhofer Institut f r Solare Energiesysteme Freiburg LIGGESMEYER 2000 LIGGESMEYER P 2000 Qualit tssicherung softwareintensi ver technischer Systeme Spektrum Verlag ISBN 3 8274 1085 1 MAXSTREAM 2005 MAXSTREAM 2005 Produktbeschreibung f r das RF Modem 2 X Stream 2 4 GHz OEM RF Module Internet Homepage der Firma MaxStream MAXSTREAM 20001 MAXSTREAM 2006 Produktdatenblatt f r das ZigBee Modul X Bee Mays und WESLEY 2003 MAys und WESLEY 2003 Method Apparatus and Sys tem for W
14. bertragung d h bertragungsverfahren Codierung der Infor mation Signalpegel und das Protokoll Bei einer Funkkommunikation ist dies die Luftschnittstelle mit den verschiedenen Frequenzen und Modulationsverfahren e Schicht 2 ist die Sicherungsschicht data link layer Diese Schicht ist f r Aufbau Abbau und Aufrechterhaltung einer oder mehrerer Verbindungen verantwortlich Dazu geh rt die Absicherung der bertragung durch Fehlererkennungs bzw korrekturmechanismen Datenflusskontrolle und die Steuerung des Zugriffs auf das bertragungsmedium e Schicht 3 ist die Vermittlungsschicht network layer Sie legt den Datenpfad fest ber den die Nachrichten bertragen werden sollen Dies ist z B notwendig wenn abweichend vom Konzept der Punkt zu Punkt Verbindung mehrere unterschied liche Datenpfade m glich sind e Schicht 4 ist die Transportschicht transport layer Diese Schicht schirmt die h heren anwendungsorientierten Schichten gegen ber den netzorientierten Schich ten ab kann mehrere Kan le einrichten Daten in Pakete teilen bzw zusam mensetzen Pakete in die richtige Reihenfolge sortieren bzw unabh ngig von der urspr nglichen Reihenfolge versenden und Pakete bei Fehlern oder Verlust erneut anfordern bzw senden e Schicht 5 ist die Sitzungsschicht session layer Sie enth lt Dienste zum Aufbau Abbau und berwachen von Verbindungen und Dienste zur Datenflusskontrolle e Schicht 6 ist die Darstellungsschicht
15. ferenz Energie Verschmutzungsanf lligkeit speicherung Zuverl ssigkeit Verf gbarkeit Wartungsintervall Maintainability Betriebssicherheit bez des Systems Bahn Verschlei anf lligkeit Energiedichte Marktverf gbarkeit Wartungskosten Kapazit t Ladestrom Schnellladef higkeit Ladestrom Abbildung 3 14 Dekomposition der energetische Systemanforderungen E Kommunikationszeit Sendelatenz vom letzten Wagen zur Lok Zeitliche Anforderungen Datenweiterleitungsgeschwindigkeit Abbildung 3 15 Systemanforderungen an das Zeitverhalten der Kommunikation 36 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN 3 4 3 Funktionale Anforderungen Die funktionalen Anforderungen an das Kommunikationssystem ergeben sich aus den funktionalen Basisanforderungen und den zeitlichen Anforderungen Funktionale Basisanforderungen Die Eigenschaften Merkmale und Gr en der funktionalen Basis oder Grundanforde rungen werden nach Abbildung dekomponiert Funktionale Grundanforderungen Meldungen Meldungen vom Wagen zur Lok Meldungen von Lok zum Wagen Alarme Alarme vom Wagen zur Lok Interaktion Schnittstellen f r Sensorik Visualisierung Abbildung 3 16 Dekomposition der funktionalen Basisanforderungen Zeitliche Anforderungen Die funktionalen Anforderungen an das Zeitverhalten beschr nken sich auf die Inau gurationszeit d h die Zeit nach der die Initialisierung des Kommunikationssystems abgeschlossen ist sowie die Betri
16. rel Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel rel Luftfeuchtigkeit in 30 Tagen absolute Luftfeuchtigkeit unregelm ige Kondensation Feuchtigkeit durch Niederschlag Resistenz gegen Hagelschlag Schwingungs amp Sto festigkeit max solare Bestrahlung belastete Fl ssigkeiten bioaktive Substanzen Salzspr hnebel Staub Steinschlag Gras Pollen Insekten Sand Beeinflussung von Fahrzeugen Beeinflussung von Ger ten Beeinflussung der Umgebung Betriebszeit Standbyzeit Nutzungsh ufigkeit Abbildung 3 2 Dekomposition der allgemeinen Anforderungen 26 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an das Gesamtsystem Anforderungen an die Kommunikation betriebliche Anforderungen geometrische Anforderungen Anordnung beliebige Reihung Montage Antennenstandort am Wagen Anforderungen an die Umweltbedingungen geografisch max Betriebsh he klimatisch Betriebstemperatur Feuchtigkeit Schwingungs amp Sto festigkeit Strahlung max solare Bestrahlung chemisch amp biologisch belastete Fl ssigkeiten bioaktive Substanzen Salzspr hnebel Dichtigkeit Staub Steinschlag Gras Pollen Insekten Sand EMV Beeinflussung von Fahrzeugen Beeinflussung von Ger ten Beeinflussung der Umgebung zeitliche Anforderungen zur Lok Kommunikationszeit T Sendelatenz vom letzten Wagen bertragungsgeschwindigkeit Abbildung 3 3 Dekomposition der Anforderungen an das Subsystem Kommunikation Teil
17. reset_locomotive e d wel d A H e wat Tor message z standby_mode y receive_s1 N receive_s2 J check_4_plausibility_s check failed_s k re k y inauguration_mode busy_s EN Z N re Z gt wat for message i ya L 7 Twaggon_is_known check Tief check _for_plausibility _i La i receive_il receive_i3 i marker_telegram e 1 R Waggon_is_pla usible N do_pla usibilitycheck check_passed acknowledge_telegram 4 ZS N en send_ack_2_waggen Ges emm P1 u pi delete_list_of_plausible_waggons operation_mode y manual_deauguration T6 E F AN 7y deauguration busy_o A dont_send_ack DB 2 Ke KEE N x check A paus o T9 u wait_for_telegram_o e ya _generate_telegram_o H Abbildung 7 14 Modell des Lokomotivenger ts 7 3 MODELLIERUNG SOFTWAREKONZEPT UND IMPLEMENTIERUNG 155 7 3 2 Modell des Wagenger ts F r das Modell des Wagenger ts sind analog zu dem des Lokomotivenger ts ebenfalls drei Betriebsmodi vorzusehen In dem Energiesparmodus P_standby_mode sendet das Wagen Kommunikationsger t zyklisch alle 15 Minuten ein Standardtelegramm Marker per Broadcast aus Dies ist in Abbildung 7 15 implizit durch die Transition T_loop_s modelliert Dabei werden die aktuellen kinematischen Gr en des Wagens wie z B Position und Geschwindi
18. vom Einsatzbereich zwischen 10 und 75 m Als Frequenzbereich wird international der 2 4 GHz ISM Bereich verwendet In Europa kann zus tzlich noch der 868 MHz Bereich verwendet werden Da ZigBee den gleichen Frequenzbereich wie WLAN benutzt und auch ein sehr hn liches Modulationsverfahren DSSS verwendet werden ZigBee Netzwerke stark durch WLAN Netzwerke beeinflusst wodurch die bertragungszuverl ssigkeit sinkt Als To pologie kann eine Punkt zu Punkt Punkt zu Mehrpunkt Teilnehmer zu Teilnehmer oder Maschen Aufbau realisiert werden Ein neuer Teilnehmer kann innerhalb von 30 ms erkannt und verbunden werden 102 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Der Vorteil von Zig Bee Anwendungen besteht in der F higkeit des schnellen Sen dens der zu bertragenden Information des Trennens und des Eintritts in einen Tief schlafmodus was sich in einer sehr geringen Energieaufnahme niederschl gt ZiGBEE ALLIANCE 2004 Das Aufwecken eines Teilnehmers aus dem Schlafmodus dauert etwa 15 ms Die Firma MaxStream bietet eine erste Version von Modulen mit der Markenbezeich nung XBee an welche nach dem ZigBee Standard IEEE 802 15 4 funktionieren Die Module verwenden nur das 2 4 GHz ISM Band und stellen 16 Kan le bereit MAx STREAM 2006 Der Adressraum betr gt 16 Bit d h pro bertragungskanal k nnen bis zu 65536 einmalige Teilnehmer angesprochen werden EnOcean Die EnOcean Technologie ist im Jahre 2002 eingef hrt worden und ist z B f r Sen
19. 0 nicht nativ unterst tzt werden Es wurden zwei m gliche Umgehungsans tze Worka rounds f r dieses Problem untersucht die jedoch f r die Analyse nicht anwendbar waren Die Begr ndung liegt in der Tatsache dass aufgrund der Nebenl ufigkeit der zeitlosen Transitionen des Ersatzmodells Workaround und der Transitionen innerhalb des Lokomotivenger te Teilmodells nicht gew hrleistet werden kann dass das Ersatz modell vor dem Schalten aller anderen Transitionen ausgewertet wird In der Folge ruft die Substitution der Inhibitorkanten durch das Ersatzmodell eine Verklemmung des Modells hervor Deadlock Die Portierung des TimeNET Modells in farbige Netze unter Verwendung des Werk zeugs CPNTools war daher nicht m glich 7 4 3 Analyse unter Verwendung einer Monte Carlo Simulation Die Monte Carlo Simulation MC Simulation ist ein Verfahren aus der Stochastik bei dem sehr h ufig durchgef hrte Zufallsexperimente die Basis darstellen Auf Basis der Wahrscheinlichkeitstheorie und vor allem des Gesetzes der gro en Zahlen wird ver sucht analytisch unl sbare Probleme im mathematischem Kontext numerisch zu l sen Das Modell des Lokomotiven Kommunikationsger ts wurde inklusive des Modells des realen bertragungskanals per Monte Carlo Simulation analysiert Durch Simulation wurde festgestellt dass dieses durch erforderliche zeitbehaftete Berechnungen der Plau sibilit tspr fung das begrenzende Glied der Kommunikation darstellt
20. 1 3 3 DEKOMPOSITION DER ANFORDERUNGEN 27 Anforderungen an das Gesamtsystem Anforderungen an die Kommunikation funktionale Anforderungen Allg Anforderungen an den Komm kanal Meldungen St zeitdiskrete und ereignisdiskrete Meldungen vom Wagen zur Lok Daten von Lok zum Wagen Alarme Alarme vom Wagen zur Lok Interaktion T Schnittstellen f r Sensorik Visualisierung zeitliche Anforderungen Initialisierung Zeit bis Abschluss des Busaufbaus Betrieb tertragungszeit f r Meldungen und Alarme Abbildung 3 4 Dekomposition der Anforderungen an das Subsystem Kommunikation Teil 2 28 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an das Gesamtsystem Anforderungen an die Kommunikation technische Anforderungen Allg Anforderungen an den Komm kanal Datenkanal Datenfluss richtung strukturelle Anf Migration HF Organisation Topologie HF Kanal bertragungsmedium Funkreichweite Fehlersicherung Resistenz gegen Manipulation Gesetze Richtlinien Frequenzbereich Hardware Datenrate F bertragungsgeschwindigkeit Initialisierungszeit RAMS S Gesetze Richtlinien Frequenzbereich Datenrate bertragungsgeschwindigkeit Initialisierungszeit geometrische Anforderungen Antennenstandort am Wagen energetische Anforderungen Energiebedarf Energiebedarf bei Empfang
21. 118 6 8 2 Schutzma nahmen zur Sicherung der bertragung 6 8 3 Auswahl der Sicherungsma nahmen und der Nachrichtenstruktur 121 ECG 122 6 9 1 Telegrammtypen und Auswahl 22 222222 122 Sase ee ee le 125 6 10 Zusammenfassung 128 Realisierung 130 7 1 Hardwarekonzept sw 2 u an aan er a re En 131 7 1 1 Erweiterung der Anforderungen um Betriebsarten 131 zer 133 135 EECHER 136 7 1 9 Komponenten s s ae Fr Bade 137 7 1 6 Energiebedarfsermittlung unter neuen Randbedingungen 140 7 2 Businitialisierung 2 2 a RE a en Bea a er ae d 144 7 2 1 Inauguration der Kommmikation 2 24 222 00 144 zw 149 7 3 Modellierung Softwarekonzept und Implementierung 151 7 3 1 Modell des Lokomotivenger tsl 2222220 152 7 3 2 Modell des Wagenger ts na n en 155 7 3 3 Kombination der Teilmodellel 158 a ee ch E Bee Aa eek weh 159 EE EES 160 7 4 2 Analyse unter Verwendung gef rbter Petrinetze 160 7 4 3 Analyse unter Verwendung einer Monte Carlo Simulation 161 7 4 4 Analysm glichkeiten des Quellcodes per Monte Carlo Simulation 165 7 4 5 Bewertung der Analysemethoden 167 7 5 Softwareintegration und Codegenerierung 2 2 2222222 169 nee 169 7 5 2 Ansatz zur Codegenerierung aus II Iool l 2 2 2 2 172 7 5 3 Werkzeuge zur Softwareintegration 172 7 5 4 Softwaredesign und Implementierung 2 2 2 2 173 8
22. 123 sicherheitsrelevantes bertragungssystem nur autorisierter Zugriff unautorisierter Zugriff nicht ausgeschlossen kryptogr Techniken mit geheimen Schl sseln separater sicherheitsrelevanter Zugriffsschutzprozess nichtkryptogr nichtkryptogr nichtkryptogr kryptogr Sicherheitscode amp Sicherheitscode amp Sicherheitscode Sicherheitscode o Verschl sselung kryptogr Code Typ AO Typ A1 Typ BO Typ B1 Nachrichtenstruktur A3 DEER ia a i Abbildung 6 22 Auswahl einer Nachrichtenstruktur nach EN50159 2 2002 entspre chend der Randbedingungen z B Header zus Daten z B bertragungscode z B zez A Nutzdaten SC Sicherheitscode zus Daten des offenen bertragungssystems Abbildung 6 23 Modell der Nachrichtendarstellung innerhalb des bertragungssystems Typ A0 amp Al nach EN50159 2 2002 124 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION z B Zeitstempel z B Header zus Daten N bertragungscode A Nutzdaten E Sicherheitscode kryptographischer Code zus Daten des offenen bertragungssystems Abbildung 6 24 Modell der Nachrichtendarstellung innerhalb des bertragungssystems Typ Bl nach EN50159 2 2002 te Telegramme eingeschr nkt worden Die normgerechten Schutzma nahmen sind in einem hnlichen Protokoll f r die sicher heitsrelevante Kommunikation dem SAHARA Protokoll bereits erprobt Die Lizenz an diesem Telegrammaufbau besitzt ein Konsortium dem Alcatel und die Siemens AG angeh re
23. 18 Modell des Lokomotivenger ts inkl realem bertragungskanal zur Monte Carlo Simulation 164 KAPITEL 7 REALISIERUNG Grenzen der Monte Carlo Simulation Die Modelle machen von dem Beschreibungsmittel der erweiterten generalisierten sto chastischen Petrinetze Gebrauch Telegramme von anderen Kommunikationsteilneh mern werden durch Marken abgebildet Die Grenzen des Modells bestehen in der nicht m glichen Unterscheidung der Marken nach Absender D h sobald der erste Wagen die Plausibilit tspr fung bestanden hat so wird das Modell des Lokomotiven Kommunikationsger ts jedem empfangenen Telegramm ein Antworttelegramm schicken und somit die im Modell angenommene Buslast erheblich verf lschen Es wurde daher eine Analyse abh ngig vom jeweiligen Betriebsmodus durchgef hrt Ergebnisse der Monte Carlo Simulation Die Genauigkeit dieser Simulation ist immer nur so genau wie das Modell Die exakte Nachbildung der Realit t ist durch diesen Ansatz aufgrund der fehlenden Nebenl ufig keit und Fahrzeugdynamik nicht erreichbar Mit Hilfe der Monte Carlo Simulation wurde der Nachweis der Zuverl ssigkeit und Kor rektheit der Teilmodelle unter den angenommen Randbedingungen des Kanalmodells erbracht und somit die Funktion des Verfahrens zur Businitialisierung sowie des model lierten Zustandsautomaten nachgewiesen Die Analyse des Modells des Lokomotiven Kommunikationsger ts inklusive des bertragungskanals je Betriebsmodus hat erge be
24. 1999 EN61373 1999 Bahnanwendungen Betriebsmittel von Bahnfahr zeugen Pr fungen f r Schwingen und Schocken IEC 61373 1999 EN61373 1999 g ltig EN62280 2 2003 EN62280 2 2003 Bahnanwendungen Telekommunikations technik Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme Teil 2 Sicherheitsrelevante Kommunikation in offenen Ubertragungssystemen EN 62280 2 g ltig ENOCEAN 2007 ENOCEAN 2007 Produktdatenblatt ETSI 2003a ETSI 2003a ETSI EN 300 175 1 Digital Enhanced Cordless Tele communications DECT Part 1 Overview v1 7 0 Aufl ETSI 2003bl ETSI 2003b ETSI EN 300 175 2 Digital Enhanced Cordless Tele communications DECT Part 2 Physical Layer v1 7 0 Aufl ETSI 2003c ETSI 2003c ETSI EN 300 175 3 Digital Enhanced Cordless Tele communications DECT Part 3 Medium Access Control Layer v1 7 0 Aufl FISHMAN 1996 FISHMAN G S 1996 Monte Carlo concepts algorithms and ap plications Springer Verlag 1st Aufl SUPERWIND GMBH 2004 GMBH SUPERWIND 2004 Benutzerhandbuch f r das su perwind sw 350 Windrad superwind GmbH Br hl HASHEMI 1993 HASHEMI H 1993 The Indoor Radio Propagation Channel Proc of the IEEE Bd 81 S 943 968 186 LITERATURVERZEICHNIS HECHT 1999 HECHT M 1999 Diagnose und Telematikkonzepte f r den Schie neng terverkehr Bericht Nr 7 99 Technischer Bericht FB 10 Verkehrswesen und angewandte Mechanik TU Berlin TU Berlin FG Schien
25. 31 Nicht alle Anforderungen lassen sich zu Beginn des Entwicklungsprozesses bereits eindeu tig festlegen Aufgrund der methodischen Entwicklung des Produktmodells und der w hrend der Entwicklungsphase des Requirements Engineering klassifizierten Anfor derungen k nnen offene Anforderungen auch zu einem sp teren Zeitpunkt sp testens jedoch zu Beginn der Entwicklungen der Subsysteme also der Energieversorgung und Kommunikation aufgegriffen gekl rt und festgelegt werden Die Beurteilung m glicher L sungen und Komponenten anhand der dekomponierten Gr en der klassifizierten Anforderungen des Gesamtsystems bzw der entsprechenden Subsysteme Energieversorgung vgl Kapitel i oder Kommunikation vgl Kapitel 6 erfolgt mit der Bewertungsmethode des Paarweisen Vergleichs vgl Abschnitt BEI 3 4 QUERSCHNITT DER ANFORDERUNGEN 39 E E EE Isystemanforderungen Datenkanal Datenfluss nidirektional bei Bedarf aufgrund Sicherungsverfahren bidirektional entsprechend Kommunikationsbetriebskonzept Strukturelle Systemanforderungen Migration Mischbetrieb von ausger steten und nicht ausger steten Wagen soll m glich sein Organisation Master Slave Topologie entpsrechend Kommunikationsbetriebskonzept HF Kanal Funkreichweite mindestens 700 Meter Fehlersicherung entpsrechend Kommunikationsbetriebskonzept Verschl sselung entsprechend Kommunikationsbetriebskonzept
26. Analyse schl gt schon bei der Kombination aus einem Lokomotivenger t und zwei Wagenger ten unter Verwendung eines realen Kommunikationskanals fehl 7 4 2 Analyse unter Verwendung gef rbter Petrinetze F r die Analyse der geforderten Komplexit t sind andere Methoden wie z B die Ver wendung farbiger Petrinetze oder eine Monte Carlo Simulation erforderlich F r die Analyse mit Hilfe farbiger Petrinetze kam z B das Werkzeug C PNTools in Betracht da weiterhin eine M glichkeit der Codegenerierung aus diesem Werkzeug heraus m g lich schien Da CPNTools keine Schnittstelle f r den Import von TimeNET Modellen 7 4 ANALYSE DES MODELLS 161 TEILNEHMER KERNE EGI DEADLOCKS Modell d realen Kanals 8 9 1 Lok 0 Wagen idealer Kanal 25 24 3 1 0 Loks 1 Wagen idealer Kanal 16 16 4 1 1 Lok 1 Wagen idealer Kanal 42 45 878 0 1 Lok 1 Wagen realer Kanal 46 51 2287 0 2 Loks 0 Wagen 66 50 8 1 2 Loks 1 Wagen idealer Kanal 64 66 11498 4 2 Loks 1 Wagen realer Kanal 70 75 119494 0 1 Lok 2 Wagen idealer Kanal 61 72 139354 0 1 Lok 2 Wagen realer Kanal 73 90 nicht l sbar nicht l sbar Tabelle 7 2 Zustandsraumanalyse mit II Tool bietet wurden die Teilmodelle h ndisch portiert Zur Verwendung in den bestehenden Teilmodellen sind Testkanten Inhibitorkanten erforderlich welche von dem eingesetzten Werkzeug CPNTools in der Version 2 2
27. Angriffe auf das System gerade bei der Nutzung einer Funkkommuni kation von au en nicht ausgeschlossen werden so k nnen diese durch Verschl sselungs techniken aufgedeckt werden Verschl sselungstechniken implizieren die Verwendung von Schl sseln und Algorithmen Der Grad der Effektivit t h ngt von der St rke der verwendeten Algorithmen und der Geheimhaltung der verwendeten Schl ssel durch dem Einsatzzweck entsprechende Auswahl einer geeigneten Schl ssell nge und eines geeigneten Schl sselmanagements ab 6 8 3 Auswahl der Sicherungsma nahmen und der Nachrich tenstruktur Die EN50159 2 2002 stellt eine Bedrohungs Schutzma nahmenmatrix zur Verf gung welche in Abbildung dargestellt ist Anhand des Entscheidungsbaums in Abbildung ist eine Nachrichtenstruktur auszuw hlen EN50159 2 2002 Gerade bei einer Daten bertragung per Funk kann ein nichtautorisierter Zugriff nicht ausgeschlossen werden so dass f r den sp teren Einsatz entsprechend EN50159 2 2002 kryptographische Techniken mit geheimen Schl sseln verwendet werden m ssen 122 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Schutzma nahme E z S 2 9 E Q N N D D O e o E Es o E ER E E ke E EI SIS Eil a 3 o amp p5 N Se C CO z E h bd N E 1 OO bal O Fe E D Z be x Ba D s i2z 3 2 z 5 3 sI 1 3 13 8 1 2 s Bedrohung Z nl o E 8 5 x inf gung Resequenzierung Resequenzierung Br Maniputaton Ixix x
28. Annahme einer Sendung nach jeweils 15 Minuten ist ein berlauf alle ca 682 Tage zu erwarten F r die Implementierung ist vorgesehen dass eine R ckset zung dieses Sequenzz hlers bei erfolgreicher Inauguration erfolgt Ein Z hler berlauf w hrend einer Zugfahrt ist ausgeschlossen Zeitstempel Die Bestimmung des Sendezeitpunktes aus dem Positionstelegramm stellt eine zeitli che Aufl sung im Sekunden Bereich zur Verf gung In der Regel sind GPS Zeit und UTC Zeit unkorreliert d h die GPS Zeit weicht um einige Sekunden von der UTC Zeit und damit von der lokalen Zeit ab Dies ist durch eingef hrte Schaltsekunden der gesetzlichen Zeit begr ndet Am 6 Januar 1980 um 0 00 Uhr betrug die Zeitdifferenz 0 s heute betr gt sie 14 s Ihttp www leapsecond com java gpsclock htm http www endruntechnologies com leap htm 6 9 TELEGRAMMTYPEN UND AUFBAU 127 Der Zeitstempel wird aus dem Systemtakt des Mikrocontrollers abgeleitet Der 5 Byte Lebenszeit Z hler setzt sich dabei aus einem 1 Byte Z hler des Mikrocontrollers und einem 4 Byte Z hler in Software zusammen Das h chste Byte des Z hlers l uft dabei nach ca 8 5 Jahren ber Somit ist ein eindeutiger Zeitstempel w hrend eines War teungsintervalls von 6 Jahren gew hrleistet F r den Zeitstempel der Nachrichten werden die untersten vier Byte des Lebenszeit Z hlers lifetime counter genutzt Nutzdatenfeld Innerhalb des Nutzdatenfeldes wird die bertragung vo
29. Entwicklung bisher fehlender Telegramm Weiterleitungs Algorithmen Rou ting ist daher f r die weitere Entwicklung in dieser Arbeit nicht notwendig Aus der pragmatischen Bewertung der funktionalen Topologien hinsichtlich der dar aus resultierenden Auswirkungen auf die Anforderungen an die Energieversorgung und an die Kommunikation resultiert die Auswahl der Stern Topologie 6 8 Sichere Kommunikation Eine sichere Kommunikation ist abh ngig von der Resistenz gegen ber den Bedro hungen welche auf die Bit bertragungs und die Sicherungsschicht entsprechend des ISO OSI Referenzmodells vgl Abschnitt wirken EN50159 2 2002 nennt und spezifiziert diese Bedrohungen f r eine Daten bertragung in offenen bertragungs 118 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION systemen wie der Funkkommunikation im Hinblick auf die Grundanforderungen zur Wahrung der Informationssicherheit Die Grundanforderungen sind folgend kurz auf gez hlt e Verf gbarkeit availlability Verf gbarkeit ist die Eigenschaft berechtigten Nutzern bei Bedarf im Rahmen der Spezifikationen zug nglich und nutzbar zu sein e Vertraulichkeit confidentiality Vertraulichkeit ist die Eigenschaft dass Daten oder der darin enthaltenen Infor mationen nur f r berechtigte Nutzer zug nglich sind e Integrit t integrity Integrit t ist die Eigenschaft dass es einem nicht berechtigten Teilnehmer un m glich ist Daten unbemerkt zu erzeugen zu ver ndern zu ersetzen oder zu l
30. KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Werte dieses Einsatzszenarios sind in TabelleB dargestellt Das Tagesraster entspricht dabei einer Dauer von 24 Stunden so dass die Balkenbreite der Nutzungsdauer ent spricht Gr e Wert Nutzungh ufigkeit 1 Fahrt pro Monat Fahrten pro Jahr 12 Gefahrene Strecke ca 260 km je Weg Fahrzeit pro Strecke 17 33 Stunden unter Annahme der mitt leren Reisegeschwindigkeit von 15 km h Mittlere Geschwindigkeit ca 15 km h maximale Standzeit im Mittel 1 Monat Information der BASF AG Tabelle 5 5 Jahresbetriebsprofil f r einen Kesselwagen im Einzelwagenverkehr Szena rio 2 60 50 gt E Geschwindigkeit km h D zc DN o o st H o E o 09 r Kaff ff ee E e ek EE le fk 0 D A A DND OD DN D ON o o Zeit d Abbildung 5 2 Monatsfahrprofil eines Kesselwagens f r Szenario 2 Anhand der ermittelten Werte wurde nun f r dieses Szenario berschl gig der indivi duelle ber ein Jahr gemittelte Energiebedarf berechnet Angenommen wurden dabei die gleichen Werte wie in in Abschnitt also Data 750 mW im Betrieb w h rend der Fahrt und Pstana 0 W im Energiesparmodus w hrend l ngerer Standphasen Die Fahrtzeit betr gt t2 Fanr Monat 17 33 h pro Monat bzw t2 Fahrt Jahr 207 96 h pro Jahr 5 3 ENERGIEBETRACHTUNG F R INDIVIDUELLE FAHRPROFILE 63 Die Standzeit betr gt demnach ta Stand Jahr 87
31. Loopback Adapter tragbarer PC Funkmodul 1 Funkmodul 2 Abbildung 6 9 Versuchsanordnung zur Reichweitenvalidierung entsprechend des MaxStream Development Kits 108 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Messumgebung 1 und Ergebnisse Die erste Messumgebung befand sich an einem Feld mit einer dreieckigen Grundfl che und einer Kantenl nge von ca 1 km bei der Ortschaft Flechtorf Das Feld war berspannt mit Hochspannungsleitungen Es wurden dort die XBee PRO und die 24XStream Module unter Freifeldbedingungen untersucht vgl Abbildungen 6 10 und 6 11 Gro Brunsrode Flechtorf Abbildung 6 10 Skizze der Messumgebung 1 Die XBee PRO Module wurden mit einer Sendeleistung von 10 mW 10 dBm betrie ben und untersucht Sie erreichten nicht die erforderliche Mindestfunkreichweite von 750 m Bei einer Entfernung zwischen den Funkmodulen von 460 m brach die Kommu nikation komplett ein d h der Paketverlust betrug 100 Die in Messumgebung 1 f r die XBee PRO Module ermittelten Ergebnisse sind in Abbildung 6 12 dargestellt Die Messdaten f r die 24XStream Module wurden in zwei Messdurchl ufen A und B ermittelt Pro Messpunkt wurden zwei Messungen zu je 100 Telegrammen durchge f hrt Die Sendeleistung betrug 50 mW 17 dBm Die Funkverbindung zwischen den 24XStream Modulen riss in dieser Messumgebung bis zu der Mindestentfernung und dar ber hinaus nicht ab Die f r die 24XStream Module ermittelten Ergebnis
32. Nachbereich genug Kapazit t haben um zus tzlich zu den vorhandenen Marken eine dem Kantengewicht entsprechende Anzahl von Marken aufzunehmen Im Beispiel der Abbildung A 2 w re t in a schaltf hig in b hingegen nicht A 1 2 S T Petrinetze mit Test und Verbotskanten Bei der Modellierung des Kommunikationskonzepts wird auch Gebrauch von speziel len Kanten gemacht Es handelt sich dabei um Testkanten und Inhibitorkanten vgl Abbildung A 21 F r das Systemmodell tragen Testkanten keine Marken d h es wird A 1 PETRINETZE ALS BESCHREIBUNGSMITTEL 179 lediglich die Belegung eines Platzes abgefragt und bei Belegung das Schalten einer Tran sition erm glicht Testkanten k nnen auch gewichtet sein In der Softwareentwicklung entspricht dies einer if then do Konstruktion Das Komplement dazu bilden Inhibitor kanten Falls ein Platz belegt ist so darf eine entsprechende Transition nicht schalten Auch Inhibitorkanten k nnen gewichtet sein d h dass eine Transition nur dann ge hemmt w rde wenn der Platz mit einer Mindestkapazit t belegt ist Wie in Abbildung a zu sehen ist ist der Vorbereich der Transition t erf llt Der Platz p ist ber eine Testkante mit t verbunden Der Platz p hingegen mit einer Verbotskante die jedoch nur dann das Schalten hemmt wenn p3 mit mindestens zwei Marken belegt ist Von dem Platz p werden nun zwei Marken abgezogen die Marken auf pa und ps bleiben erhalten Der Platz p4 wird mit den zwei
33. S S 8 5 ZS g 3 5 2 S S SECHS Z Ze nicht zutreffende Kriterien werden mit gekennzeichnet ES o ER p ZS SS gs53 As z ZS Ze SEREA 5838 5 ceB588 c83 2 Ze gt 58 53 3 387 S ss FE Si ei 558 SE 885 52g 3235 353 EER SPRES 5908 DE PER 22958 SEP 5 Sg 253 lt uU80n SS SZ u2 ER Abbildung 4 1 Bewertung des Stands der Technik bez glich des Anforderungsquer schnitts Kapitel 5 Betriebliche Bedingungen und Energieversorgung Eine durchgehende elektrische Leitung zur Energieversorgung ist in G terz gen nicht praktikabel Gr nde sind die notwendige h ndische Sicherstellung der Stromversorgung beim Koppeln der Wagen die mangelnde Zuverl ssigkeit der Steckerverbindungen zwi schen den Wagen sowie vor allem die in diesem Falle bestehende Notwendigkeit der Ausr stung s mtlicher Fahrzeuge eines Fahrverbands auch derjenigen ohne vorhande ne Kommunikationseinrichtung Bez glich Realisierungsm glichkeiten und Nutzungsszenarien der Energieversorgung von elektrischen Ger ten auf G terwagen wird der Energiebedarf in Abschnitt 5 2J ber schl gig berechnet Der Energiebedarf setzt sich zusammen aus dem Energiebedarf der Komponenten Funkkommunikation Ortung und Steuerung vgl Abschnitt B 5 wobei Sensorik an dieser Stelle nicht betrachtet wird Die Energieerzeugung auf dem G terwagen kann mit einem oder mehreren unter schiedlichen Energiequellen gegebenenfalls mit einem Energiespeicher und unter Ein satz eines ko
34. Zeitverz gerungen durch Nach richtenbehandlung zu ber cksichtigen G ltigkeitsbeschr nkung f r die Nachrichten W hrend einer Daten bertragung kann der Empf nger die Zeitdifferenz zwischen zwei Nachrichten detektieren berschreitet die Empfangsverz gerung der Best tigungs nachricht des Empf ngers einen vorher definierten Zeitbereich so gilt ein Telegramm als nicht empfangen und wird mit einer Fehlerreaktion seitens des Senders behandelt Dazu ist eine angemessene zul ssige und vom Einsatzzweck abh ngige Verz gerung zwischen dem Senden des Nachrichtentelegramms und dem Empfang der Best tigungsnachricht zu definieren z B einige Millisekunden In Kombination mit einer bidirektionalen Ver bindung und Realisierung eines R ckkanals mit Nachrichtenbest tigung Acknowledge kann die berwachung vom Sender erfolgen Nachrichtenbest tigung Acknowledge Ist ein bidirektionaler bertragungskanal zwischen Sender und Empf nger vorhanden so kann der Empf nger eine Best tigungsnachricht zur ck an den Sender schicken Es wird zwischen Schiebefenstertechnik sliding window und Senden und Warten Technik Send and wait unterschieden Bei der Senden und Warten Technik sendet der Sender eine Nachricht und wartet mit dem Senden der n chsten Nachricht so lange bis der Empf nger den Empfang best tigt hat Bei der Schiebefenstertechnik werden zun chst mehrere Datenpakete bertragen bevor auf eine Best tigung des Empf ngers gewarte
35. an Hindernissen Der Effekt der Beugung kann erst ab Frequenzen oberhalb von etwa 5 GHz vernach l ssigt werden e Abschattung Shadowing d h D mpfung durch Hindernisse im direkten Weg zwischen Quelle und Senke Dieser Effekt der auch als Shadowing bezeichnet wird ist neben der Reflexion im Bahnumfeld besonders ausgepr gt e Man made noise d h externe St rungen hervorgerufen durch andere Kommuni kationssysteme im gleichen Frequenzband Charakterisierung der Bitfehlerrate Ziel jeder Funkkommunikation ist eine m glichst fehlerfreie Informations bertragung Die Bitfehlerrate p ist ein Ma f r die St rempfindlichkeit eines bertragungskanals Sie stellt das Verh ltnis der Anzahl fehlerhafter Bits zur Anzahl der gesendeten Bits dar Durch Einsatz einer Fehlererkennung kann festgestellt werden ob das bertragene Datenwort g ltig ist Eine Korrektur ist nicht m glich F r mobile Kommunikationssys teme wird eine Restbitfehlerwahrscheinlichkeit von weniger als 10 angestrebt BRUNS 2002 F r die Restbitfehlerwahrscheinlichkeit P eines Codes gilt mit den Formelzei chen aus Tabelle 6 2 WALKE 2001 Seck De N 6 5 6 2 ANFORDERUNGEN AN DIE FUNKKOMMUNIKATION 95 k Anzahl der Bits vor Codierung Datenwortl nge n Anzahl der Bits nach Codierung Codewortl nge P Restfehlerwahrscheinlichkeit Tabelle 6 2 Formelzeichen aus 6 5 6 2 Anforderungen an die Funkkommunikation Die Anforderungen an di
36. der Technischen Universit t Braunschweig wird seit dem Jahr 2006 ein eigenes Tool namens II Tool zur Modellierung und Analyse von deterministischen und stochastischen S T Petrinetzen entwickelt Die hierarchische Modellierung wird dabei ebenso unterst tzt wie die gra fische Darstellung des Zustandsraumes Die Komplexit t eines Netzes kann ebenfalls 2 4 PETRINETZ WERKZEUGE 21 leicht ermittelt werden Deadlocks und Traps werden durch die Berechnung des Erreich barkeitsgraphen ggf aufgedeckt sowie der Weg zu diesen Markierungen ausgegeben Weiterhin beherrscht dieses Tool die Codegenerierung f r C Code aus einem Petrinetz heraus CPNTools CPNTools ist der Nachfolger von Design CPN und wird von der sog CPN Group an der d nischen Universit t Aarhus seit dem Jahre 2001 weiterentwickelt CPN GROUP 2007 Das Tool ist geeignet f r die Modellierung Simulation und Analyse von farbi gen Petrinetzen CPNs und ist f r nicht kommerzielle Zwecke kostenlos Es existieren Versionen f r Windows XP und Linux Systeme Der Nachteil von CPNTools liegt in der unvollst ndigen Unterst tzung bez glich der Kantenarten d h Inhibitorkanten werden nicht nativ unterst tzt und m ssen durch Ersatzkonstruktionen substituiert werden Das resultierende Petrinetz besitzt daher ei ne gr ere Anzahl von Pl tzen und Transitionen als notwendig d h also auch einen gr eren Erreichbarkeitsgraphen Weiterhin kann dieser Umstand dazu f hren dass die Si
37. der erreichbaren Verf gbarkeit a GA bei der Dimensionierung mit dem Jahresmittel der Einstrahlung Gaim GA Wird eine Verf gbarkeit von z B gt 95 erreicht Wenn ja Gaim GA w hlen sonst Gaim anhand eines Graphen aus WAGNER 1999 h her ansetzen Gaim gt 95 EWR m2 Berechnung der optimalen Spitzenleistung des Photovoltaikgenerators Wisst kW 2 Gdim N Anpassung Batterie NLaderegler M gt Pokop amp 1 2 5 13 berpr fung der sich aus der ausgew hlten Realisierung ergebenden Verf gbar keit Gef fektiv Gdim 5 14 pk 86 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 6 4 Quantitative Dimensionierung einer Photovoltaikanlage in Abh ngigkeit vom Nutzungsprofil In Abschnitt wurden drei Nutzungsszenarien entwickelt f r die nun berschl gig ein Energieversorgungssystem auf Basis eines Photovoltaiksystems dimensioniert wird Dabei wird eine elektrische Last von 750 mW im Betrieb angenommen Die Dimensio nierung des notwendigen Energiespeichers mit Annahme eines Autonomiefaktors von A 3 zeigt Abbildung 5 14 Der Photovoltaik Generator wird unter der Vorgabe der Verf gbarkeit vom a 95 l Leistungsaufnahme Batterie optimiert Nenn 12V Nenn 5V Nutzungsdauer pro Tag Energiebedarf pro Tag S 5 S D E O O Abbildung 5 14 Dimensionierung des Energiespeichers f r verschiedene Nutzungssze narien entsprechen
38. des Kombiverkehrs f r Szenario 3 5 3 ENERGIEBETRACHTUNG F R INDIVIDUELLE FAHRPROFILE 65 Anhand der ermittelten Werte wird nun berschl gig der individuelle ber ein Jahr gemittelte Energiebedarf dieses Szenarios berechnet Angenommen wird dabei eine Leistungsaufnahme von 750 mW im Betrieb w hrend der Fahrt und 0 W im Ener giesparmodus w hrend l ngerer Standphasen Die Fahrtzeit betr gt t3 Fahrt Woche 14 8 hx 5 74 h pro Woche also t3 Fahrt Jahr 3848 h pro Jahr Die Standzeit betr gt demnach t3 Stand Jahr 4912 h pro Jahr Aufgrund der Regelm igkeit des Zuglaufs kann der in diesem Szenario ben tigte Ener giebedarf auf 43 9 der Energiemenge des Dauerbetrieb vgl Abschnitt gesch tzt werden Es ergeben sich hier folgende Werte W3 Jahr 2 89 kWh pro Jahr und W3 Wartungsintervall 17 3 kWh pro 6 Jahre 5 3 4 Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassend l sst sich die f r die Dimensionierung der Energieversorgung relevan te Energiemenge f r einen Dauerbetrieb der Kommunikationsger te auf den Wert von ca 6 57 kWh pro Jahr was ca 39 42 kWh f r den Zeitraum von 6 Jahren entspricht sch tzen F r die Bereitstellung dieser Energiemenge mit Prim rbatterien w ren hohen Investitionskosten notwendig F r die individuellen Nutzungsprofile ergeben sich die Energiebedarfe entsprechend Tabelle In Abschnitt werden Einsatzm glichkeiten von Energiequellen und in Abschnitt M glichkeiten der Energiespeic
39. einem Sender und einem Empf nger kann durch zwei Ar ten manipuliert werden Ein Angreifer kann sich gegen ber dem Empf nger als Sender ausgeben um Zugriff auf die sensiblen Daten zu erlangen oder um als legaler Nutzer des Systems betrachtet zu werden Durch einen Netzwerkfehler kann der Empf nger des Kommunikationssystems 1 f lsch licherweise glauben dass die Nachricht vom Sender des Kommunikationssystems 1 kommt obwohl der wirkliche Sender der des Kommunikationssystems 2 ist 6 8 2 Schutzma nahmen zur Sicherung der bertragung Im Folgenden werden die entsprechend EN50159 2 2002 einsetzbaren Schutzma nahmen gegen die in Abschnitt benannten Bedrohungen genannt 120 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Nummerierung der Nachrichten Unter der Nummerierung der Nachrichten sequence numbering wird das Hinzuf gen einer durchlaufenden Nummer zu jeder Nachricht verstanden Dadurch kann ein Ver lust und die Reihenfolge detektiert werden Dazu sind die L nge der Sequenznummer meist 8 Bit der Initialwert meist 0 sowie die Fehlerbehandlung bei Verlust oder Nichteinhaltung der Reihenfolge zu definieren Zeitstempelung der Nachrichten Der Informationsgehalt einer Nachricht ist oft zeitbezogen d h eine veraltete Infor mation ist m glicherweise unbrauchbar F r die Anwendung der Zeitstempelung bei der Aussendung ist der Wert und die Genauigkeit eines Zeitinkrements die Gr e des Z hlers die Zeitbasis sowie die Synchronisation und
40. einer parametrierbaren Zeit automatisch aus dem Betriebsmodus Inauguration zur ck in den Betriebsmodus Standby Empf ngt ein Wagen Kommunikationsger t zum wiederholten Mal ein Best ti gungstelegramm vom selben potenziellen F hrungsfahrzeug so wird das Wagen Kommunikationsger t vom Betriebsmodus Inauguration in den Betriebsmodus Operation versetzt In dem Betriebsmodus Operation ist die Sendeh ufigkeit der Standardtelegramme geringer als im Betriebsmodus Inauguration Der Funkbus zwischen den beiden Teilnehmern ist inauguriert d h der Kom munikationseinrichtung des F hrungsfahrzeugs ist damit sein zugeh riger Kom munikationspartner bekannt Die Inauguration ist mit dem Anfahren des Fahrverbands und einer damit ver bundenen abschlie enden Plausibilit tspr fung unter Verwendung dynamischer Gr en z B Anfahrtszeitpunkt Abstands nderung zwischen Lokomotive und Wagen Geschwindigkeit Beschleunigung o abgeschlossen Der Plausibilit ts pr fung werden die Daten der bisher bekannten d h in der vorl ufigen Rei hungsliste befindlichen und der bisher plausibel bewerteten Wagen unterzogen Im Modus Betrieb oder Operation sendet jedes Wagen Kommunikationsger t zyklisch ein Standardtelegramm an das Lokomotiven Kommunikationsger t Sofern Wagen Kommunikationsger t im Lokomotiven Kommunikationsger t re gistriert ist und plausibel bewertet wurde sendet das Lokomotiv
41. elektrischer Energie direkt am Wagen erforderlich machte F r den IVSGV Versuchstr ger kam die manuelle Nachladung ebenfalls in Frage was jedoch aus Kundensicht grunds tzlich unzul nglich und unerw nscht ist F r die erforderliche Energiegewinnung f r den Betrieb des Telematiksystems auf einem G terwagen wurden zwei grunds tzliche Arten vorgeschlagen 1 Nutzung der Akkumulatoren des Fahrmotors Dies ist sowohl bei Vorhandensein eines Verbrennungsmotors als auch eines elek trischen Antriebes m glich Die Nutzung einer Brennstoffzelle des elektrischen Antriebes wurde ebenfalls vorgeschlagen 2 Autarke Energieversorgung Hier kamen Solarzellen herk mmliche und neuartige Achsgeneratoren Windr der und Brennstoffzellen in Betracht F r die Energiespeicherung wurden herk mmliche Blei Gel Akkumulatoren f r den Einsatz in der Solartechnik ausgew hlt Allerdings war nur ein Fahrprofil Grundla ge f r die Absch tzung des ben tigten Energiebedarfs und auch angebots welches eine Bewegungszeit von 6 Stunden pro Tag vorsieht HECHT und RIECKENBERG 2002 Die Forschungen hatten zwar die Entwicklung eines intelligenten G terwagens als Ziel jedoch nicht die Entwicklung eines sogenannten intelligenten G terzuges d h eine Intrazugkommunikation war nicht vorgesehen Es ist daher evident dass die Anforde rungen bez glich der Kommunikation nicht auf die des zu realisierenden Kommunika tionssystems bertragbar sind 4 1 4
42. ermittelte Energiebedarf aus Kosten Nut zen Sicht au erhalb des Rahmens so w re dies ein Ausschlusskriterium f r die weitere Entwicklung Die berschl gige Energiebetrachtung bezieht sich auf den Betrieb der Kommunika tionsger te ohne Verwendung von Sensorik Als Sensorik sind hier z B Anfahrtsdetek toren Vibrations und Schocksensoren zur Entgleisungsdetektion und Ladungs berwa chung T rkontakte Temperatur und Drucksensoren Radarsensoren zur Geschwindig keitsermittlung zu nennen Die Konfiguration welche Sensorik Bestandteil des Kom munikationsger tes ist ist kundenspezifisch und kann an dieser Stelle noch nicht ab gesch tzt werden Betrachtungen zum Energiebedarf von an den Wagen montierter Sensorik finden sich in CORDIS 2000 und RIECKENBERG 2004b Auch wenn die Energiebetrachtung f r Kommunikationsger te mit integrierter Sen sorik an dieser Stelle nicht m glich ist so m ssen M glichkeiten der Energieversorgung auch f r gr ere Energiebedarfe analysiert werden Es wurde daher die Energieversor gung mittels Energiequellen und speichern auf einem Wagen gepr ft Dazu werden in Abschnitt Energiequellen und in Abschnitt Energiespeicher bez glich ih rer Einsatzm glichkeiten f r die Verwendung in einem Energieversorgungssystem auf G terwagen untersucht und anhand der in Abschnitt 3 3 3 ermittelten Anforderungen bewertet Folgende Energiequellen wurden hinsichtlich der in der Entwicklungsphase des Require
43. geblich abh ngig von der Verf gbarkeit und Zuver l ssigkeit der Energieversorgung Bei der Entwicklung des Energieversorgungssystems ist daf r Sorge zu tragen dass zu jeder Zeit Energie verf gbar ist und die Energieversor gung f r die Dauer einer Zugfahrt entsprechend der Nutzungsszenarien vgl Abschnitt 5 6 EXEMPLARISCHE DIMENSIONIERUNG EINES PHOTOVOLTAIKSYSTEMS 83 5 3 sichergestellt werden kann Dies bedeutet gerade bei einer Energieversorgung durch den Einsatz eines Photovoltaiksystems dass die gewonnene Energie z B f r Nachtzei ten in einem Energiespeicher z B einer Sekund rbatterie gespeichert werden muss An dieser Stelle werden die Komponenten Photovoltaikgenerator und Energiespeicher eines Photovoltaiksystems f r den Einsatz in dem zu entwickelnden Kommunikati onssystem in Abh ngigkeit vom Einsatzszenario entsprechend Abschnitt zun chst qualitativ und in Abschnitt quantitativ dimensioniert Dimensionierung des Energiespeichers Wie bereits in Abschnitt 5 4 10 erw hnt kann einem Photovoltaikgenerator nur dann Energie entnommen werden wenn das Strahlungsangebot hinreichend ist F r einen Betrieb von Ger ten w hrend der Nacht muss die Energie in einer Sekund rbatterie gespeichert werden Die ben tigte Kapazit t dieser Sekund rbatterie kann anhand der folgenden Vorgehensweise abgesch tzt werden WAGNER 1999 REICHELT 2003 1 Bestimmung des Energiebedarfs Wzast der i Verbraucher in Wh pro Tag mit je w
44. hrend der Entwicklung im FE BIS Projekt ber eine LON Powerline Daten bertragungsleitung Sp ter ist entspre chend der Ergebnisse des INTELFRET Projekts der Einsatz eines Achsgenerators inkl eines Energiespeichers vorgesehen Die Kommunikation innerhalb des Zuges kann wahlweise ebenfalls leitungsgebunden oder funkbasiert erfolgen Die Nachteile einer durchgehenden elektrischen Leitung ent sprechen denen der Energieversorgung s o Die heute g ltige Begrenzung der Zugl n ge auf max 750 m in den sogenannten DACH L ndern Deutschland sterreich und 44 KAPITEL 4 STAND DER TECHNIK der Schweiz kann und soll gel st und die maximale Zugl nge k nnte auf bis zu 2250 m mit bis zu max 128 Fahrzeugen erweitert werden was erst durch die Realisierung der elektronisch gesteuerten Pneumatikbremse m glich w rde Innerhalb des FEBIS Konzepts wurde festgelegt dass jedes Fahrzeug im Zugverband mit einer Funkkommunikationseinheit Funkknoten ausger stet und mit der Elektro nikeinheit des Fahrzeugs gekoppelt wird Die maximale Funkausgangsleistung wurde angestrebt mit max 100 mW wobei angrenzende Fahrzeuge in einem Abstand bis et wa 100 m erreichbar sein sollten F r eine Daten bertragung ber die gesamte Zugl nge ist somit die Realisierung von Weiterleitungs Stationen sogenannter Repeater Knoten erforderlich Begleitend zur FEBIS Entwicklung bei der Deutschen Bahn AG wurden zusammen mit der Fachhochschule Lippe Untersuchu
45. in ein ad quates Programm w re ein sinnvoller Schritt in der Entwick lungsphase der Implementierung Ob dieser Schritt m glich ist oder eine h ndische Pro grammimplementierung f r das Lokomotiven und das Wagenger t erforderlich bleibt wurde daher untersucht Grunds tzlich ist ein formales Petrinetzmodell f r eine Codegenerierung in jeder Pro grammiersprache geeignet Daf r sind in SCHNIEDER 1999 mehrere M glichkeiten genannt 1 F r jede Transition des Petrinetzmodells wird ein St ck Programmcode erzeugt in dem die Vorbedingungen gepr ft werden und in dem Fall des Schaltens einer Transition die nderung der Markierung von Vor und Nachpl tzen durchgef hrt wird Dies ist f r Platzkapazit ten von 1 realisierbar 2 F r Platzkapazit ten gr er 1 oder zeitbewertete Marken ist die sequenzielle Umsetzung durch die Speicherung dieser Informationen und der Informationen ber den aktuellen Zustand des Netzes im Datenbereich sinnvoll Die Struktur information ist direkt im Programmcode enthalten 170 KAPITEL 7 REALISIERUNG 3 In der Arbeit von OBER 1998 wurde ein anderer Ansatz verwirklicht der als strukturiert bezeichnet wird Neben der Informationen ber den Zustand des Netzes werden auch alle Daten ber die Netzstruktur im Datenbereich gespei chert An der d nischen Universit t Aarhus ist im Rahmen des Projekts AC DC eine generelle Methode zur automatischen Quellcodegenerierung aus
46. mindestens ein Jahr e Sicherheit gegen Vandalismus und Diebstahl Als Technologie kam DECT mit einer erweiterten Bus Topologie zum Einsatz vgl Abschnitt 16 1 2 Die Initialisierung des Zugbusses wird von der Hauptkomponente auf der F hrungslokomotive gesteuert wof r sie zu Beginn Kenntnis ber die Zugeh rigkeit und Reihung der weiteren Komponenten des Zugverbandes besitzen muss Entweder kommt dabei eine vorgegebene hardcodierte Topologie oder eine dynamische Initia lisierung anhand ausgew hlter Parameter Verbindungsqualit t Feldst rke o zum Einsatz Die Anmeldung eines DECT Clients an einem DECT Master ist f r die Initia lisierung eines Zugbusses technologisch problematisch da der jeweilige DECT Master aktiv nach neuen Teilnehmern suchen muss Dieses Vorgehen ist von DECT Telefonen im Heimgebrauch bekannt Die volle m gliche Distanz der Zugl nge von 700 m kann funktechnisch nicht berbr ckt werden Daher m ssen Relais oder Routingstationen innerhalb des Zuges d h die sogenannten DECT Zellen Master zumindest w hrend der Initialisierungsphase und w hrend des Betriebes also w hrend der Fahrt permanent aktiv sein Dies bedeutet einen gro en Energiebedarf Des weiteren existieren parallel zueinander mehrere DECT Basen an die sich die DECT Clients anmelden k nnten Das Problem der automati schen Bewertung welcher DECT Client sich an welcher DECT Basis anmelden soll 4 2 MARKTREIFE PRODUKTE 49 sowie das
47. ngerseite ns Antennenwirkungsgrad auf der Senderseite ng Antennenwirkungsgrad auf der Empf ngerseite ng Antennenanpassungs und Polarisationsverluste gs Gewinn der Sendeantenne gg Gewinn der Empfangsantenne ITs Reflexionsfaktor am Antennenausgang Ir Reflexionsfaktor am Antenneneingang A Wellenl nge der Funk bertragung L Freiraumd mpfung Ps Sendeleistung Pg Empfangsleistung Tabelle 6 1 Formelzeichen aus 6 1 und 6 2 Wegen der willk rlichen Ausrichtung der Sende und Empfangsantennen zueinander ist der Einsatz von Antennen mit Rundstrahlcharakteristik erforderlich Aus den begrenz ten Bauvolumina sowie den nicht vorhandenen Freiraumbedingungen durch die Ein bettung der Funkmodule und der Antennen in die mechanischen Aufbauten resultieren ebenfalls Verluste Ber cksichtigt werden diese unterschiedlichen Umgebungsbedingun gen in einem modifizierten Modell durch den Ausbreitungskoefhizienten y HASHEMI 1993 F r diesen Ausbreitungskoefhizienten gilt bei Freiraumausbreitung y 2 bei st dtischer Bebauung y 5 d h in der Realit t nimmt die Empfangsleistung schneller als mit dem Quadrat des Abstandes d zwischen Sender und Empf nger ab Durch einen sog Diversity Empf nger mit zwei Antennen im Abstand n kann der Emp fangspegel unter Umst nden erheblich verbessert werden Diese Antennenanpassungs und Polarisationsverluste sind durch den Faktor n in der Formel 6 1 ber cksichtigt Somit ergibt sich i P 1
48. noch betrachtet wird F r eine Analyse w re das folgende Vorgehen denkbar 1 Vervielf ltigung des dem Zustandsautomaten und der Programmfunktionen ent sprechenden Codes der Teilmodelle f r Lokomotiven und Wagenger t in einer Laufzeitumgebung auf die gew nschte Komplexit t z B 1000 Wagenger te und 40 Lokomotivenger te 2 Zusammenfassung der Wagen und Lokomotiven zu Fahrverb nden d h Festle gung der SOLL Konfiguration der Wagen und Lokomotivenger te Dieses muss vor Beginn der Simulation geschehen darf jedoch auf diese keinen unmittelba ren Einfluss haben d h die vorhergehende Bildung von Fahrverb nden dient der Nachbildung der GPS Positionstelegramme f r die einzelnen Wagen und Loko motivenger te 3 Abbildung der Bewegungsdynamik der Fahrzeuge und Mitteilung der Daten an die Fahrzeuge via GPS Schnittstelle 4 Stochastische Bewegungen der Fahreinheiten 166 KAPITEL 7 REALISIERUNG 5 Modellierung des bertragungskanals mit entsprechenden Verlustraten 6 Ber cksichtigung der Nebenl ufigkeit aller Fahrzeuge z B durch 1040 unabh n gige Threads 7 Simulation eines Zeitraumes von entsprechend z B 10 Jahren durch Beschleuni gung der Simulationsgeschwindigkeit und Validation der Eigenschaften Die gew nschte exakte Abbildung des Kommunikationskanals der Nebenl ufigkeit und der Dynamik von Fahrzeugbewegungen innerhalb eines Bahnhofs w re m glich durch die objektorientierte Vervielfachung der
49. positiv oder negativ ausfallen Im positiven Fall sendet das Lokomotivenger t ein Best ti gungstelegramm Acknowledge oder ACK Telegramm zur ck an das Wagen ger t Im negativen Fall wird kein Best tigungstelegramm an das Wagenger t gesendet 2 Ist die Identit t des Wagenger ts bereits bekannt so wird unmittelbar eine Plau sibilit tspr fung durchgef hrt check_for_plausibility Diese Pr fung kann po sitiv oder negativ ausfallen Im positiven Fall sendet das Lokomotivenger t ein Best tigungstelegramm zur ck an das Wagenger t impliziert in T_loop_i Im negativen Fall wird kein Best tigungstelegramm an das Wagenger t gesendet 3 Ist die in dem Telegramm enthaltene Identit t des Wagenger ts bereits als plau sibel bewertet und dem Lokomotivenger t zugeordnet worden so entf llt eine erneute Plausibilit tspr fung und das Lokomotivenger t sendet ein Best tigungs telegramm zur ck an das Wagenger t impliziert in T_loopA Ein Moduswechsel in den Betriebsmodus P_operation_mode erfolgt unmittelbar nach Detektion der Anfahrt der Lokomotive und damit des Fahrverbands Schalten von T2 in Abbildung 7 13 bzw von T10 in Abbildung 7 14 Die Kommunikationsger te der Wagen die Bestandteil des selben Fahrverbands sind aktualisieren ihre kinematischen Gr en zeitgleich aus den GPS Positionsinformationen und senden diese zusammen mit Ihrer Identit t an das Lokomotivenger t Das Lokomotivenger t f hrt f r alle b
50. presentation layer Diese Schicht gibt den bertragenen Nachrichten eine andere f r die Anwendung verst ndliche Darstel lungsform z B die Ver oder Entschl sselung von Anwenderdaten e Schicht 7 ist die Anwendungsschicht application layer Sie stellt Programmier schnittstellen f r die an den Knoten der Kommunikationsverbindung arbeitenden Prozesse zur Verf gung 6 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 91 6 1 2 Topologische Grundstrukturen F r die Kommunikation im Allgemeinen und innerhalb eines Fahrverbands im Speziel len kann die Schicht 3 des ISO OSI Modells verschieden geartet sein d h es sind unter schiedliche Topologien der Funkkommunikation denkbar BIELEFELD et al 2002 BOCK 2001 JASMER et al 2004 TALKE und WIEMERS 2002a SCHNIEDER 1993 WALKE 2001 Folgende Grundstrukturen sind als Stand der Technik anzusehen Stern Funktions Topologie Die einfachste Grundstruktur aus funktionaler Sicht ist die Stern Topologie Aufgrund der typischen geographischen Formation der Kommunikationsteilnehmer wird diese To pologie auch Direct Link genannt Bei ihr wird von der Kommunikationseinrichtung des F hrungsfahrzeugs zu jeder Kommunikationseinrichtung eines zum Fahrverband geh renden Fahrzeugs jeweils eine Funkverbindung aufgebaut vgl Abbildung DER Eine Reihungsliste ist f r die Businitialisierung nicht erforderlich Bock 2001 ee nn Lg w1 w2 w3 wa Se Se See ee See ee See ee
51. r eine Zugvollst ndigkeits berwachung sinnvoll Empf ngt ein Wagen Kommunikationsger t ein Best tigungstelegramm zum ers ten Mal so wechselt dessen Modus vom Betriebsmodus Standby in den Be triebsmodus Inauguration vgl bergang 2 zu 3 in Abbildung 7 11 3 In dem Modus der Businitialisierung Inauguration senden die Wagen Kom munikationsger te in einem in dem Best tigungstelesramm des Lokomotiven Kommunikationsger ts an das Wagen Kommunikationsger ts festgelegtem zeit lichen Abstand von standardm ig 2 Minuten weitere Standardtelegramme Das Lokomotiven Kommunikationsger t empf ngt diese und wertet sie aus Falls das Wagen Kommunikationsger t dem Lokomotiven Kommunikationsger t bereits be kannt ist werden die vorhandenen Daten ggf aktualisiert 4 Ist das Wagen Kommunikationsger t bereits als plausibel zu dem Fahrverband ge h rig bewertet worden vgl Abschnitt 7 2 2 so sendet das Lokomotiven Kommu nikationsger t ein Best tigungstelegramm an das Wagen Kommunikationsger t zur ck Ist es noch nicht plausibel dem Fahrverband zugeh rig bewertet worden und f llt die Plausibilit tspr fung negativ aus sendet das Lokomotiven Kommu nikationsger t kein Best tigungstelegramm an das Wagen Kommunikationsger t 148 KAPITEL 7 REALISIERUNG Hat das Wagen Kommunikationsger t bereits einmal ein Best tigungstelegramm erhalten und bleiben weitere Best tigungstelegramme aus so wechselt es nach
52. schen e Authentizit t authentication Benutzerauthentizit t bezeichnet dass ein Nutzer wirklich derjenige ist f r den er sich ausgibt Die Datenauthentizit t bezeichnet die G ltigkeit der Daten be z glich Sender und Empf nger sowie Ver nderungen e Nichtabstreitbarkeit non repudation Nichtabstreitbarkeit ist die Eigenschaft dass das Automatisierungssystem im Nachhinein in der Lage ist den Urheber einer Handlung beweisbar zu benen nen 6 8 1 Bedrohungen Die in EN50159 1 2003 und EN50159 2 2002 identifizierten Bedrohungen f r die Kommunikation innerhalb eines Kommunikationssystems werden folgend benannt Bedrohung durch Wiederholungen von Nachrichten Wird eine Nachricht mit dem selben Informationsgehalt von einem Angreifer kopiert oder wird eine Nachricht durch einen Fehler eines Kommunikationsger ts kopiert und in eine Situation eingespielt wo sie dem Empf nger schaden k nnte so besteht die Gefahr dass veraltete Informationen bertragen und innerhalb des technischen Systems verwendet werden Bedrohung durch Auslassungen von Nachrichten oder Informationen Wird eine Nachricht durch einen Angreifer entfernt oder durch eine Fehlfunktion eines Kommunikationsger ts ausgelassen so kann dies zu einer Fehlfunktionen des techni schen Systems f hren 6 8 SICHERE KOMMUNIKATION 119 Bedrohung durch Einf gungen von Nachrichten Wird von einem Angreifer absichtlich oder von einem autorisierten dritten Kommuni
53. seien hier die sinngem en Definitionen der VDI Richtlinie 3682 erw hnt V DI3682 2005 e Ein Beschreibungsmittel beschreibt in grafischer Form bestimmte Sachverhalte zur visuellen Wahrnehmung und Speicherung Es umfasst alphanumerische Zei chen Symbole oder sonstige graphische Darstellungselemente Semiotik sowie Konventionen ber deren Kombination Syntax Den einzelnen Darstellungsele menten ihren Kombinationen und Zuordnungen werden bestimmte Bedingungen oder Konzepte aus einem bestimmten fachlichen Kontext zugeordnet die mehr oder weniger detailliert und formal spezifiziert sind Semantik e Eine Methode ist eine auf einem Regelsystem aufbauende Vorgehensweise nach Sache und Ziel planm ig zur Erlangung von Erkenntnissen und praktischen Ergebnissen e Ein Werkzeug dient der Unterst tzung des Menschen bei oder w hrend der Herstellung von Ergebnissen Heute wird der Begriff Tool meist als durch Re chensysteme Hard Software realisiert verstanden 2 1 2 Modelle von Entwicklungsprozessen Ein Modell bildet nach allgemeinem Verst ndnis eine anwendungsorientierte Sicht auf die Realit t ab d h relevante Eigenschaften werden erfasst andere Eigenschaften wer den dagegen nur verk rzt dargestellt so dass die Beschreibung einen bestimmten Sach verhalt darstellt dem Erkenntnisgewinn dient oder das reale System ersetzt Strukturierte Analyse Prozesse k nnen durch unterschiedliche Ans tze gegliedert und beschrie
54. stellt da bei nach wie vor ein ungel stes Problem dar In den bis zum Jahre 2004 dauernden Forschungen im TrainLink Projekt wurde die aut arke Energieversorgung nicht realisiert und als Kommunikationssystem wurde DECT unter Verwendung einer Funkzellentopologie nach TALKE und WIEMERS 2002a ge w hlt Eine leitungsgebundene Energieversorgung ist in dem in dieser Arbeit zu ent wickelnden Kommunikationssystem explizit nicht gefordert und gew nscht obwohl ein Vorteil die einfache Beurteilung der Zugintegrit t w re Der Stand der Technik der betrachteten Forschungsprojekte Systeme und gesch tz ter Verfahren wurde anhand der Anforderungsklassifzierung vgl Kapitel 3 bewertet siehe Abbildung H Die Bewertung erfolgte anhand dreier Bewertungsstufen d h eine in den Anforderungen an das zu entwickelnde Kommunikationssystem definier te Eigenschaft kann ungekl rt unbekannt oder unzureichend erf llt sein was durch ein gekennzeichnet wird Eine theoretische Erarbeitung bzw eine nicht vollst ndig abgedeckte und daher nicht bertragbare Figenschaft wird durch s t ausgedr ckt Eine Erf llung der Anforderung wird durch ny visualisiert Die Bewertung ergab dass aus heutiger Sicht kein die Anforderungen erf llendes Sys tem existiert welches energieautark ist und eine automatisch aufbauende Bustopologie Inauguration f r eine Intrazugkommunikation bietet 4 4 ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG 53 Gesamtsystem Trai
55. und ein Warmstart ist nur unwesentlich schneller als ein Kaltstart e F r den Energiesparmodus Standby des Wagen Kommunikationsger ts vgl Abschnitt 7 1 1 wird angenommen dass alle 15 Minuten ein Telegramm gesendet wird Nach dem Senden wird f r 3 Sekunden auf ein Best tigungstelegramm eines Lokomotiven Kommunikationsger ts gewartet F r das Senden und Empfangen wird eine Operationszeit des Mikrocontrollers von 10 Sekunden angenommen In der brigen Zeit soll das Verh ltnis von Energiespar zu Tiefschlaf Betrieb des Mikrocontrollers 1 zu 9 Standby zu Sleep betragen e F r die Businitialisierung Inauguration wird f r das Wagenger t eine durch schnittliche Dauer von 30 Minuten pro Fahrt angenommen Zu Beginn der In auguration sollen zweimalig die GPS Daten ermittelt und ausgewertet werden Nach dem min tlichen Senden des Telegramms wird f r 10 Sekunden auf ein Best tigungstelegramm gewartet F r das Senden Empfangen und Auswerten der Positionsdaten wird eine Operationszeit des Mikrocontrollers von 20 Sekun den pro Minute angenommen Nach der Anfahrt werden erneut zweimalig die GPS Daten ermittelt und ausgewertet In der brigen Zeit soll das Verh ltnis von Energiespar zu Tiefschlaf Betrieb des Mikrocontrollers 1 zu 9 Standby zu Sleep betragen e F r den Betriebsmodus Operation des Wagen Kommunikationsger ts wird ein Telegrammversand alle 2 Minuten angenommen Nach dem Senden wird f r 3 Se kunden auf
56. vorhanden Eine provisorische Montage des Kunst stoffgeh uses an einem G terwagen ist mittels vier angeschraubter starker Magnete zu realisieren 7 1 6 Energiebedarfsermittlung unter neuen Randbedingun gen Die berschl gige Berechnung des f r den Betrieb eines Kommunikationsger ts ben tig ten Energiebedarfs wurde in den Abschnitten B 2 und 5 3 durchgef hrt Nach Auswahl der einzusetzenden Komponenten l sst sich aus den Nutzungsprofilen unter Annahme von pr ziseren Randbedingungen entsprechend Abschnitt berschl gig der ben tigte Energiebedarf f r den Betrieb eines Wagen Kommunikationsger ts berechnen Die Energie f r die Speisung der Lokomotiven Kommunikationsger te wird aus der Bordenergieversorgung entnommen so dass eine Energiebedarfsermittlung nicht erfor derlich ist Es ist ein ununterbrochener Betrieb f r den Zeitraum von sechs Jahren anzunehmen F r eine konservative Kalkulation werden folgende Annahmen getroffen 7 1 HARDWAREKONZEPT 141 e Die Telegramml nge des Standardtelegramms betr gt 68 Byte vgl Abschnitt 16 10 und die bertragungsgeschwindigkeit der eingesetzten Funkmodule betr gt 9600 Bi Die Dauer f r die bertragung eines Telegramms ergibt sich somit zu TX Telegramm 56 ms e F r die Positionsermittlung werden die Zeiten entsprechend der Angaben in Ab schnitt angenommen Ein Kaltstart dauert durchschnittlich 42 Sekunden ein Hei start liefert einen Fix innerhalb weniger Sekunden
57. zu k nnen Die Energiebilanz eines Wagen Kommunikationsger ts w rde dadurch negativ beeinflusst 2 Wagen Kommunikationsger te k nnten zyklisch Telegramme aussenden auf die dann ein Lokomotiven Kommunikationsger t reagiert Die Energieversorgung ei nes Lokomotivger ts erfolgt dabei durch die lokale Energieversorgung der Loko motive Die Anforderung nach einem m glichst minimalen Energiebedarf entsprechend Ab schnitt schlie t die erste M glichkeit aus so dass folgend eine Businitialisierung nach dem zweiten Verfahren entwickelt wurde Angenommen wird dass sich die zu einem Fahrverband geh renden Teilnehmer vor Beginn der Inauguration und der Reihungsermittlung in Funkreichweite zueinander befinden Die Kommunikationsger te aller ausger steten Fahrzeuge senden in regelm Bigen Zeitabst nden ein Standardtelegramm an alle erreichbaren Kommunikationsger te der m glichen F hrungsfahrzeuge z B der Lokomotiven im Funkreichweitenbereich aus Abbildung 7 10 zeigt eine bersicht der Ausgangssituation in der Richtungsgruppe eines Bahnhofs Die Lokomotive L1 im Richtungsgleis 7 ist das einzige F hrungsfahr zeug in der Richtungsgruppe Das von den Kommunikationsger ten auf den Wagen gesendete Standardtelegramm beinhaltet als essentielle Nutzdaten die Wagen Identifikation den Zeitstempel der letz ten g ltigen Positionsdaten die letzte g ltige Position GPS die letzte g ltige Ge schwindigkeit sowie den ggf vorhandenen A
58. 00 Ce 6 3 Unter den idealisierten Annahmen ns Ds 1 und ng Dp 1 l sst sich aus das Streckend mpfungsma Lp berechnen Lpl dB 10 log E 6 4 St reffekte Gerade im Bahnumfeld sind aufgrund der Funkausbreitung der Signale Beeinflussungen in der Schicht 1 des ISO OSI Referenzmodells zu erwarten Existente Abschattungs effekte Mehrwegeausbreitung und die Dynamik der Kommunikationspartner f hren 94 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION dazu dass die realen Feldst rken die von den meisten Funkkommunikationsmodulen in Form des sogenannten Received Signal Strength Indicators RSST ausgegeben wird stark von den theoretischen Mittelwerten abweichen SCHOLL et al 2007 Die zu er wartenden Beeinflussungsfaktoren sind e D mpfung e Rauschen mit dem Signal Rausch Verh ltnis SR 10 log een dB und dem thermischen Rauschen AN 4 k T Af W e D mpfungsverluste durch Einfach oder Mehrfachreflexion und Mehrwegeausbrei tung e Dispersion eines zeitlich verz gerten Signals durch Mehrwegeausbreitung Lauf zeitdifferenzen unterschiedlicher Ausbreitungswege die als Root Mean Square Delay Spread RMS Delay bezeichnet werden e Schwund oder Fading z B durch Mehrwegeausbreitung aufgrund von Reflexi on oder Streuung phasenverschobene konstruktive oder destruktive Inteferenz Abhilfe kann ein Diversity Empf nger mit zwei Antennen im Abstand d n schaffen e Beugung d h die Beeinflussung sich ausbreitender Wellen
59. 004b Als wichtigste Vorteile wurden genannt e permanent nachverfolgbare Logistik e ladungsspezifischer Nutzen lauftechnisch sicherheitsrelevante Diagnose Erh hung der Transportsicherheit Erh hung der Wagenverf gbarkeit Als L sungsm glichkeit schlug Rieckenberg ein Konzept f r die Kommunikationsstruk tur sowie ein Energieversorgungskonzept vor Konkrete L sungsvorschl ge f r die Si cherstellung einer Energieversorgung Produktvorschl ge wurden nicht gegeben Folgende technischen Aspekte wurden betrachtet und beurteilt HECHT und RIECKEN BERG 2002 e Sensorik und auswertung Motor Motorsteuerungs und Betriebsmittel berwa chung e Laufwerksdiagnose Entgleisungsdetektion Radsatzlager und Bremsdiagnose e Definition der onboard Diagnose z B Vormeldung von Wartungsbedarf e Elektrische Energieversorgung und Konzeptideen zur Realisierung e Kommunikationskonzept Technologie zentrale Kommunikation mit Betreiber per GSM GSM R u e Selbstortung per GPS zur Ladungsverfolgung e Eingriffskonzepte im Fehlerfall bzw bei Wartungsbedarf 46 KAPITEL 4 STAND DER TECHNIK Bez glich des Bedarfs und damit der Bereitstellung elektrischer Energie waren die Anforderungen des IVSGV Waggons im Vergleich zu den Anforderungen an das in dieser Arbeit zu entwickelnde Kommunikationssystem sehr anspruchsvoll Der Ener giebedarf f r den Betrieb der Sensorik betrug ca 1 92 Ah pro Tag was die Erzeugung und Speicherung
60. 1 Messumgebung 2 und Ergebnisse Das Ergebnis der Freifeldmessungen in der ersten Messumgebung hat gezeigt dass die XBee PRO Module nicht den Anforderungen bez glich der Funkreichweite gerecht werden Um die Funkeigenschaften der 24XStream Module insbesondere unter Nicht Freifeld Bedingungen besser beurteilen zu k nnen wurden die Funkreichweitenmessungen ent lang eines Wirtschaftsweges in der N he der Ortschaft Cremlingen wiederholt vgl Abbildung 6 15 Die Messstrecke war auf der einen Seite etwa bis zur H lfte als Al lee mit dichtem Blattwerk und Bewuchs links und rechts der Strecke ausgebildet vgl Abbildung 16 16 Sie war ca 900 m lang und wies bei ca 450 m einen H gel aus so dass die Sichtverbindungen nicht ber die komplette Distanz vorhanden waren vgl Abbildung 6 17 Pro Messpunkt wurden vier Messungen durchgef hrt Die 24XStream Module werden mit einer maximalen Sendeleistung von 50 mW 17 dBm betrieben Die ermittelten Verl ufe des Empfangspegels und des prozentualen Paketverlust an Funkmodul 1 in Messumgebung 2 sind in Abbildung 6 18 dargestellt Eine bersicht der Ergebnisse ist in Tabelle 6 4 zusammengefasst Modul Sendeleistung maximale Reichweite 24XStream 17 dBm 50 mW ca 899 m Tabelle 6 4 Ergebnis f r die 24XStream Module in Messumgebung 2 112 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Abbildung 6 15 Skizze der Messumgebung 2 Abbildung 6 16 Teil 1 der Messumg
61. 1 Anforderungen an Energiespeicher auf G terwagen Auch aufgrund der Erfahrungen in der Automobilindustrie liegt die Verwendung von Blei Akkumulatoren nahe HECHT 1999 Die Auswahl der jeweiligen Akkumulator Technologie darf hier allerdings nicht nur auf Erfahrungen fu en sondern muss auch den Anforderungen gen gen vgl Abbildung 5 9 Die Anforderungen an die Energiespeicher wurden in Abschnitt dekomponiert und in den Abbildungen 3 6 und 3 7 klassifiziert Energiespeicher sollen mit einer hohen Zuverl ssigkeit innerhalb des Revisionsinter valls von sechs Jahren verf gbar und unempfindlich gegen ber Verschmutzung sein Bahntechnische Systeme sollen nicht beeinflusst werden Der Einsatztemperaturbereich wurde gem EN50155 2001 entsprechend des geographischen Einsatzbereichs in Eu ropa zwischen 25 und 40 C definiert Die Lebensdauer eines Energiespeichers bis zum Erreichen der 80 prozentigen Speicherf higkeit soll mehr als 3 Jahre bzw mehr als 300 Ladezyklen erreichen In AbbildungB 9 sind die f r die Bewertung der Energiespeicher f r den Einsatz auf G terwagen relevanten Anforderungen und deren Werte zusam menfassend dargestellt klassifizierte Anforderung Wert Selbstentladungsrate pro Monat lt 25 Verschmutzungsanf lligkeit keine Zuverl ssigkeit Spannungs amp Stromfestigkeit Festigkeit gegen ESD hohe Zuverl ssigkeit Verf gbarkeit jederzeit unabh vom Fahrzustand Wartungsinte
62. 2 82 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 6 Exemplarische Dimensionierung eines Photovol taiksystems 5 6 1 Komponenten einer Photovoltaikanlage bliche Photovoltaikanlagen besitzen einen Laderegler ohne ein eigenes Energiemana gement vgl Abbildung 5 13 d h ohne Uberwachung der Batterie und der Umge bungstemperatur AECA 1996 BENZ 2002 HEINZE und MAYER 1999 Sofern nicht im Laderegler integriert ist zwischen Solargenerator und Laderegler eine Sperrdiode vorzusehen welche die R ckspeisung elektrischer Energie in den Solargene rator w hrend Dunkelzeiten z B bei Nacht verhindert Der Laderegler berwacht den Ladezustand d h die Batteriespannung sowie die Lade bzw Entladeschlussspannung des Akkumulators und sch tzt ihn vor berladung und Tiefentladung Ein Verbraucher bezieht seine Energie blicherweise nicht direkt aus dem Photovoltaik generator sondern aus einer Sekund rbatterie Wesentlich f r den Betrieb des Photo voltaiksystems ist somit die Anpassung der Batterie an den Solargenerator sowie die Anpassung des Verbrauchers an die Batterie WAGNER 1999 Laderegler Photovoltaik generator U N Last Akkumulatorbatterie Abbildung 5 13 Typische Komponenten einer Photovoltaikanlage ohne Energiemana gement 5 6 2 Dimensionierung von Photovoltaiksystemen Die Verf gbarkeit eines energieautarken Kommunikationsger ts und damit des Kom munikationssystems selbst ist ma
63. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 0 0 2 2 2 2 2 2 2 0 0 2 2 0 0 0 2 2 2 2 Einsetzbarkeit 1 1 1 1 1 A 1 1 1 1 1 a 1 1 1 1 1 Zeitliche Anfoderungen Lebens Nutzungsdauer 0 0 1 1 2 1 1 1 2 2 0 0 0 0 1 1 2 energetische Anforderungen Verschmutzungsanf lligkeit 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 RAMS S 2 2 2 1 2 1 1 1 2 2 0 0 0 0 1 1 2 Verschlei anf lligkeit 2 2 2 2 2 2 0 0 2 2 2 2 2 0 2 0 2 Energiedichte 2 2 2 2 2 0 2 2 D 0 0 0 0 0 2 0 2 Investitionskosten 2 2 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Wartungskosten 2 2 2 2 2 2 0 0 2 2 0 0 0 0 1 0 2 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 Gewichtungspunktzahl gewichteter Rangplatz Eine Ablehnung des Kunden wird in der Bewertung mit 1 bewertet Die fehlende Marktverf gbarkeit ist ein Ausschlusskriterium Abbildung 5 8 Gewichtete Bewertung der Energiequellen und Energieerzeuger 5 5 M GLICHKEITEN DER ENERGIESPEICHERUNG TT 5 5 M glichkeiten der Energiespeicherung F r die Speicherung von elektrischer Energie auf G terwagen eignen sich prim r Sekun d rbatterien also Akkumulatoren jedoch kommen auch Kondensatoren mit einer sehr gro en Kapazit t bis 2 5 F je Kondensator in Betracht welche unter dem Markennamen SuperCap von der koreanischen Firma nuin TEK angeboten werden Sekund rbatterien weisen zum Teil stark variierende Eigenschaften in Abh ngigkeit von den Umgebungs und Betriebsbedingungen auf Als Einflussgr en sind zu nennen und ggf bei e
64. 2 in Kombination mit einem Mikrocontroller und einem GPS Satellitennavigationsempf nger betrieben Die genannten Komponenten waren wetterfest in einem Geh use angeord net was im folgenden als Kommunikationsger t 2 bezeichnet wird Der Abstand zwischen Funkmodul 1 und Kommunikationsger t 2 wurde durch Va riierung der Position des Kommunikationsger ts 2 ver ndert und so die Empfangsfeld st rke von Hin und R ckrichtung RSSI ber dem Abstand im Bereich zwischen 0 m und 500 m ermittelt Das Kommunikationsger t 2 wurde w hrend der Messung zum einen etwa auf halber L nge seitlich an jedem Wagen und zum anderen am Ende je des Wagens im Bereich der Puffer mittels starker Magnete provisorisch befestigt Der Abstand wurde aus den Positionsinformationen des ortsfesten Funkmoduls 1 sowie des ortsver nderlichen Kommunikationsmoduls 2 berechnet Pro Messpunkt wurde 10 mal h ndisch ein Telegramm von dem tragbaren PC ber das Funkmodul 1 an das Kommunikationsger t 2 gesendet Dieses bestimmte darauf hin mittels des GPS Satellitennavigationsempf ngers die aktuelle Position sowie die 6 6 ERMITTLUNG UND VALIDIERUNG DER FUNKEIGENSCHAFTEN 115 Empfangsfeldst rke RSSI auf der bertragungsstrecke zwischen dem Funkmodul 1 und dem Kommunikationsger t 2 Diese Informationen sendete das Kommunikationsge r t 2 zusammen mit der aktuellen Zeitinformation des Kommunikationsger ts 2 Zeit stempel zur ck an das Funkmodul 1 und damit an den tra
65. 60 h 207 96 h 8552 04 h pro Jahr Aufgrund der Regelm igkeit des Zuglaufs kann der in diesem Szenario ben tigte Ener giebedarf auf 2 37 der Energiemenge des Dauerbetrieb vgl Abschnitt gesch tzt werden Es ergeben sich folgende Werte W2 Jahr 155 7 Wh pro Jahr und W2 wartungsintervall SZ 934 3 Wh pro 6 Jahre 5 3 3 Szenario 3 Kombinierter Verkehr am Beispiel der rol lenden Landstra e im internationalen europ ischen Ein satz Der Kombinierte Verkehr lebt vor allem vom Alpentransit und ist im Vor und Nach lauf auf Lastkraftwagen LKW angewiesen Weit weniger als die H lfte des Trans portvolumens des Kombinierten Verkehrs kann als fest zusammengeh riger Zug also als Ganzzug direkt zwischen den Umschlagterminals bef rdert werden Als Beispiel f r Z ge des Kombinierten Verkehrs werden die Z ge der Rollenden Land stra e der Hupach AG f r den grenz berschreitenden G terzugverkehr f r LKW be trachtet Bei solchen Z gen werden komplette Lastwagen bzw Sattelz ge auf spezielle kurzgekoppelte Niederflurwagen vornehmlich des Typs Saadmks mit 8 Achsen und ei ner durchgehenden Fahrspur verladen Aus den kleinen Raddurchmessern von 360 mm bzw 335 mm folgen hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten der R der was wiederum die Drehgestelle wartungsintensiv macht R GER 2005 Die aufgrund der Wartungsinten sit t h heren Ausfall bzw Wartungszeiten k nnten falls vom Kunden erm glicht bei der Dimensionierun
66. 99 der Ganzzugverkehr der Einzelwagenverkehr sowie der Kombinierte Verkehr vgl Tabelle B 3 F r diese drei Nutzungsarten wurden folgende Einsatzszenarien mit individuellen Nut zungsprofilen und berschl gig ermitteltem Energiebedarf erarbeitet Anteil an der Anteil an der Mittlere Trans Verkehrsmenge Verkehrsleis portweite km 7 tung Ganzz ge 65 0 53 9 204 Einzelwagenverkehr 25 1 26 3 257 ohne Kombiverkehr Kombinierter Verkehr 9 9 19 8 490 Tabelle 5 3 Mittlere Transportentfernungen im Schieneng terverkehr der DB Cargo ALLES 1999 5 3 1 Szenario 1 Shuttlezug einer Privatbahn am Beispiel des Germersheim Shuttles der BASF AG Bei der BASF AG wird ein Shuttle Zug f r den Transport von Containern vom Stamm werk in Ludwigshafen zum CTX Containerterminal in Germersheim eingesetzt Die L nge dieses Zuges variiert abh ngig von der ben tigten Kapazit t In der Regel be steht der Zug aus zwei F hrungslokomotiven des Typs V100 in Doppeltraktion sowie etwa 20 4 Containertragwagen des Typs SGNS mit einer L nge ber Puffer von je 19 64 Metern Der Betrieb erfolgt in der Regel an f nf Tagen pro Woche also an 261 Tagen im Jahr Die Streckenl nge je Richtung betr gt etwa 46 km welche in 1 5 bis zwei Stun den bew ltigt wird An einem Betriebstag wird diese Strecke einmal im Pendelver kehr absolviert Die Reisegeschwindigkeit des Zuges ergibt sich rechnerisc
67. AMS S energetische Anforderungen nv n lo lnIin n olInvestitionskosten In v nm N Wartungskosten Verschlei anf lligkeit Energiedichte Verf gbarkeit am Markt ojojojnjo j njo lo N N N N o jo nm oI ololo olo o o oo o o o o Verf gbarkeit am Markt o n o n N Kundenpr ferenz y Di ololo o In 1 l01 o o Q o fe 8 S fe E E d rkleklel kllcekM Ge 2 unwichtiger N N N wichtiger 2 Abbildung 5 7 Priorisierung der Anforderungen f r die Energiequellen und erzeuger nach der Methode des Paarweisen Vergleichs 5 er T Ki O KS D c a 5 gs 5 2 5 dp las ERR 5 CE T O gt e w ki A E H Ge SleisiElsl izisgle N S SIS trsltS leisst N 2 si2l amp 2 2 3 3 3 2 3 3 E bd N Ki Ei d D O Ro 5 2 5 a 5 2 2 H a EK z D i eil S Io Fer S s 3 ej 8 P PEA N b 2 Ei gt e 5 T EO bi N N ke E E E bi SE 5 E D 55 d x 5 EW Ss 5 3 H 5 else amp S s 3 15 5 5 2 s 5 5 5 E 2 8 5 23 T E E SACH ECH 2 2 Bel e e ECH ECH EN ECH o l N lt N z d Q a I E H H bi D ira Ed D Umweltanforderungen 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 1 0 2 0 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2
68. Carlo Simulation inkl der Entwicklung und Implementierung eines Umweltmodells und der Fahrzeugdynamik entsprechend Abschnitt 7 4 4 realisiert und durchgef hrt werden Die Entwicklung und Implementierung eines Umweltmodells ist dabei ein weiterer kom plexer Ansatz welcher nicht weiter vertieft wurde Doch auch wenn die notwendigen Vorarbeiten f r diese Analyse durch vollst ndige Implementierung der Kommunikati onsger te f r Wagen und Lokomotive sowie zus tzlich des Kanals des dynamischen Verhaltens und des Umweltmodells den eigentlichen Implementierungsaufwand ber steigen so w re es nur mit dieser Analysemethode m glich eine exakte Analyse durch zuf hren und eine Aussage ber das dynamische Verhalten von 1000 Wagen und 40 Lokomotiven Kommunikationsger ten zu treffen Gegenstand weiterer Untersuchungen k nnte ferner zur Steigerung der Verf gbarkeit und bertragungszuverl ssigkeit die Adaption redundanter Verbindungen in die beste hende Topologie und die Entwicklung und Optimierung eines zugeh rigen Algorithmus f r ein Telegrammrouting sein welcher der Forderung nach Energiebedarfsminimierung und einer Erh hung der Ausfallsicherheit gerecht wird Anhang A Petrinetze In diesem Kapitel werden verschiedene Arten von Petrinetzen sowie Analyse und Be wertungsmethoden vorgestellt mit denen das Systemverhalten und das Kommunika tionskonzept modelliert und bewertet werden kann Aufgrund der relativ kompakten Modellier
69. Energiebedarf bei Sendung Energiebedarf bei Standby ESD Festigkeit gegen ESD zeitliche Anforderungen Kommunikationszeit T Sendelatenz vom letzten Wagen zur Lok bertragungsgeschwindigkeit Abbildung 3 5 Dekomposition der Anforderungen an das Subsystem Kommunikation Teil 3 3 3 DEKOMPOSITION DER ANFORDERUNGEN 29 Anforderungen an das Gesamtsystem Anforderungen an die Energieversorgung betriebliche Anf Anforderungen an die Umweltbedingungen geografisch max Betriebsh he klimatisch Betriebstemperatur rel Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel rel Luftfeuchtigkeit in 30 Tagen absolute Luftfeuchtigkeit unregelm ige Kondensation Feuchtigkeit durch Niederschlag Resistenz gegen Hagelschlag mechanisch Schwingungs amp Sto festigkeit Strahlung max solare Bestrahlung chemisch amp biologisch belastete Fl ssigkeiten bioaktive Substanzen Salzspr hnebel Dichtigkeit Staub Steinschlag Gras Pollen Insekten Sand EMV Beeinflussung von Fahrzeugen Beeinflussung von Ger ten Beeinflussung der Umgebung zeitliche Anforderungen Energieerzeugung Lebensdauer 1 Fahrzeiten Standzeiten Frequenz Zyklus der Fahrten Speicherung Energiespeicherung bp Lebensdauer Ladezyklen Selbstentladungsrate pro Monat Abbildung 3 6 Dekomposition der Anforderungen an die Energieversorgung Teil 1 30 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an das Gesamtsystem Anf
70. Energieversorgung gegeben Diese Bewertungsmethode wurde ebenfalls bei der Auswahl geeigneter Funk hardware eingesetzt 175 176 KAPITEL 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Auf Basis der Entwicklungsmethode BASYSNET BMW Prinzip Referenzmodell wur de die Realisierungsphase in den Abschnitten Hardwarekonzept Softwarekonzept und Kommunikationskonzept bearbeitet und theoretisch gel st Das Kommunikationskonzept wurde mit Hilfe des Beschreibungsmittels EGSPN un ter Nutzung der Werkzeuge TimeNET v3 0 und II Tool modelliert und analysiert und es beinhaltet die Ermittlung der zu einem Zugverband geh renden Fahrzeuge sowie deren Reihung Aufgrund der Beschr nkungen des Energiebedarfs wurde eine einfache Topologie ausgew hlt die jedoch keine redundante Funkverbindungen ber cksichtigt Die Analyse des Modells und Nachbildung hochdimensionaler Extremf lle in einem Zugbildungsbahnhof mit z B 1000 Wagen und 40 Lokomotiven sowie der Umweltbe dingungen konnte durch die Methode der Monte Carlo Simulation mittels der Petri netzteilmodelle von Wagen und Lokomotivger t durchgef hrt werden vgl Abschnitt 7 4 3 8 2 Ausblick Das Inaugurationskonzept sowie die Erprobung wurden aufgrund der u eren Bedin gungen des Projektablaufs nicht im praktischen Einsatz innerhalb des realen Bahnum felds nachgewiesen F r eine Risikominimierung im Falle einer Serienproduktion dieser Kommunikationsein richtungen kann eine quellcodebasierte Monte
71. Fahrzeugger te und der exakten Implementie rung der Umweltbedingungen sowie der Fahrzeugdynamik vgl Abbildung 7 20 F r die Ber cksichtigung des Zustandsautomaten inkl der Programmfunktionen sowie zus tzlich des Umweltmodells sind Wagen und Lokomotivenger te vorab vollst ndig zu implementieren d h die Analyse w rde nicht vor der Implementierung sondern in deren Anschluss durchgef hrt werden Umgebungs und Kommunikationsmodell Abbildung 7 20 Analyseansatz f r die Monte Carlo Simulation unter Verwendung ob jektorientierter Programmierung 7 4 ANALYSE DES MODELLS 167 Folgende Nachteile stehen der exakteren Analysegenauigkeit dieses Vorgehens gegen ber e die aufw ndige objektorientierte Implementierung aufgrund der abzubildenden Nebenl ufigkeit der Fahrzeuge zueinander d h in Falle des Beispiels 1040 unab h ngige Threads e die aufw ndige Implementierung der Umgebung d h des bertragungskanals der Fahrzeugdynamik und der Nebenl ufigkeit e vollst ndige Implementierung der Zustandsautomaten und der Programmfunk tionen f r die Analyse e die stochastische Bewegungsdynamik der virtuellen Fahrverb nde im Modell e die genaue Abbildung der zu erwartenden und bisher unbekannten Telegramm verlustraten bei vielen Teilnehmern Das hier beschriebene Vorgehen wurde nicht weiter verfolgt 7 4 5 Bewertung der Analysemethoden In Abbildung 7 21 sind die Vor und Nachteile der Analyse mittels Monte Carl
72. Funkbasierte energieautarke Kommunikation f r Eisenbahng terz ge Von der Fakult t f r Maschinenbau der Technischen Universit t Carolo Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der W rde eines Doktor Ingenieurs Dr Ing genehmigte Dissertation von Dipl Ing Thorben Kupke aus Varel eingereicht am 13 November 2007 m ndliche Pr fung am 18 Dezember 2007 Referenten Prof Dr Ing Dr h c E Schnieder Prof Dr Ing J U Varchmin 2008 Danksagung Jede wissenschaftliche Arbeit ist unabh ngig vom pers nlichen Engagement des Dokto randen auf ein ad quates Arbeitsumfeld angewiesen W hrend der Bearbeitung der vor liegenden wissenschaftlichen Arbeit zum Thema Funkbasiertes Bussystem zur Nach richten bertragung im Eisenbahng terverkehr wurde mir dies von der Siemens AG Transportation Systems TS RA D 8 in Braunschweig auf Initiative von Herrn Prof Dr Ing Varchmin jedoch auch durch einen engen Kontakt zum Institut f r Verkehrs sicherheit und Automatisierungstechnik der Technischen Universit t Braunschweig er m glicht Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof Dr Ing Dr h c E Schnie der dem Leiter des Instituts f r Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik der Technischen Universit t Braunschweig f r die Unterst tzung und F rderung sowie die zahlreichen fachlichen Anregungen Hinweise und Gespr che Herrn Prof Dr Ing J U Varchmin dem ehemaligen Leiter des Institu
73. Gesetze Beachtung der in der EU geltenden Richtlinien und Gesetze Frequenz Verwendung einer Frequenz im ISM Band 2 4 GHz gt Interoperabilit t IKommunikationshardware Datenrate ca 5 BUS bis 15 Bit s oder gr er abh ngig vom verwendeten Sicherungsverfahren Spezifikation im Kommunikationsbetriebskonzept EN 62280 2 Datenweiterleitungsgeschwindigkeit mindestens 250 m s abh vom Nachrichtentyp sicherheitsrelevante Daten m ssen innerhalb einer Sekunde den Zug durchquert haben Initlalisierungszeit z B bei Zugferligstellung weniger als 10 Minuten RAMS S Reliability Avaliability Maintainability wartungsfrei innerhalb Revisionszeitraum der G terwagen 4 bzw 6 Jahre bzw innerhalb der Zeit bis au erplanm igem Werkstattaufenthalt Safety keine Beeintr chtigung der Betriebssicherheit des Bahnbetriebs r ckwirkungsfrei Security Funktionale Anforderungen Meldungen bertragung von Meldungen vom Wagen zur Lok Temperaturen 16 Bit Digitalwert Dr cke 16 Bit Digitalwert Beschleunigungen 16 Bit Digitalwert Bremsenverschlei bin r digital Datenvolumen etwa 2 Bit s 128 Bit Sicherung bzw 7 Bit s 384 Bit Sicherung pro Sensor bertragung von Meldungen von der Lok zum Wagen Bremsbefehle Annahme 16 Bit Digitalwert muss Innerhalb einer Sekunde den Wagen erreicht haben Offenbarungszeit 1 Datenvo
74. IKATION RSSI dBm Paketverlust Abstand m m RSSI Wert e Paketverlust Abbildung 6 20 Messergebnisse f r die 24XStream Module im Bahnumfeld 6 6 3 Zusammenfassung der Ergebnisse Das Ergebnis der Validationsversuche l sst sich wie folgt zusammenfassen 1 Die XBee PRO Module erreichen die in den Anforderungen festgelegte Funkreich weite nicht vgl Abschnitt 6 2 Die 24XStream Module zeigten in den ersten Versuchsumgebungen sporadische Pegeleinbr che und Paketverluste Eine Fehlererkennung oder korrektur kam noch nicht zum Einsatz Unter idealen Freifeldbedingungen erzielten die 24XStream Module nachweislich ungest rte Verbindungen mit geringem Paketverlust bis zu einer Entfernung von 963 m Entfernungen von mehr als 963 m wurden messtechnisch jedoch nicht mehr erfasst Die 24XStream Module konnten im Bahnumfeld trotz widriger Umwelteinfl sse und betriebstechnisch anspruchsvoller Randbedingungen ohne Sichtverbindung und unter Verwendung von Dipolantennen eine Distanz von 500 m ungest rt berbr cken Die 24XStream Module entsprechen damit den Anforderungen be z glich der Funkreichweite nicht in vollem Umfang allerdings k nnten Antennen mit Richtwirkung die Reichweite weiter erh hen Die Versuche wurden jedoch nicht durchgef hrt 6 7 AUSWAHL DER TOPOLOGIE DER KOMMUNIKATIONSSTRUKTUR 117 Die Empfehlung auf Basis der Validationsergebnisse lautet daher die 24XStream Funkmod
75. IS j jo Io Kundenpr ferenz Abbildung 6 7 Priorisierung der Eigenschaften m glicher Funktechnologien nach der Bewertungsmethode des Paarweisen Vergleichs 106 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION IRF Modem im 2 4 GHz ISM Band Aerocomm AC 4424 100 XBee PRO IEEE 802 15 4 XBee IEEE 802 15 4 MaxStream EnOcean Transceiver Modul TCM 120 Bluetooth Klasse 1 BR C30 BR SC30 UWB Wireless USB derzeit IEEE 802 15 3a IRF Modem Anbieter JAnschaffungspreis Betriebskosten Systemanforderungen Datenrate Funkreichweite Frequenzbereich Anzahl der Teilnehmer Geometrische Anforderungen Montage Reihung Umweltbedingungen Klima Verschmutzung Feuchtigkeit EMV Elektrische Anforderungen ie Bedarf amp Toleranz Festigkeit Technologie il il Topologie Organisation o r n n n n Jo n n m m o NanNET n o n o n n In m o m m m WLAN IEEE 802 11b o oJo ojJo n olo lo o o n n m o e WiMax IEEE 802 16d fr her a IKundenpr ferenz 100 Gewichtete Bewertungspunktzahl 185 8 180 4 168 3 148 3 Rang 1 2 3 4 Abbildung 6 8 Bewertungsmatrix m glicher Funktechnologien Anhand der Bewertung wurden Funk Modems f r das 2 4 GHz ISM Band der Firma MaxStream sowie solche eines zweiten Herstellers Aerocomm auf den ersten beiden Rangpl tzen platziert gefolgt von XBee PRO Modulen der Firma
76. Ihttp wiki daimi au dk cpntools help inhibitor_arcs wiki 162 KAPITEL 7 REALISIERUNG Monte Carlo Modell zur Analyse des Lokomotiven Kommunikationsger ts F r die Modellierung und Validation eines Lokomotivenger ts inklusive einer gr eren Anzahl von 1000 Wagenger ten wurde der Kommunikationskanal modelliert und der Markenfluss zwischen den Wagenger ten und dem Lokomotivenger t durch eine ent sprechend gew hlte Rate von Telegrammen nachgebildet vgl Abbildung 7 18 Diese ergibt sich durch Annahme eines Telegrammversands der 1000 Wagen Kommunika tionsger te w hrend eines Zeitraums von 15 Minuten im Energiesparmodus bzw 60 Sekunden im Betriebsmodus Inauguration Die Rate der Kanalbelegung also die Schaltrate der Transition ChT1 ergibt sich somit rechnerisch zu m 11 im Ener giesparmodus bzw 100 16 66 je Sekunde im Betriebsmodus Inauguration Theoretisch nutzbar sind f r die bertragung sieben physikalische FHSS Kommuni kationskan le In der Realit t sind diese durch konkurrierende Funktechnologien im 2 4 GHz Band nie vollst ndig nutzbar F r die Monte Carlo Simulation wird ange nommen dass sich die Last auf drei FHSS Kan le verteilt Modelliert ist dies durch die Kapazit t des Platzes ChP3 von kcnpa 3 Eine zeitgleiche Belegung des Kanals mit mehr als kepp Telegrammen ist modellgem nicht m glich Die bertragungs dauer eines Telegramms der L nge 68 Byte entsprechend Abschnitt ergibt sich b
77. Marken von pm gef llt da die Kapa zit ten der Pl tze und die Kantengewichte entsprechend gew hlt wurden Im Beispiel der Abbildung A 3 w re t in a schaltf hig in b hingegen nicht Abbildung A 3 S T Netze mit Test und Verbotskanten A 1 3 Determinierte zeitbewertete Petrinetze Besonders f r ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen ist es gem des vierten Sys temaxioms Temporalit t zweckm ig zeitliche Aspekte speziell in Petrinetzen zu modellieren Petrinetze erm glichen die Modellierung von zeitlichen Vorg ngen der Prozesssteue rung der Signalverz gerung und der Definition von Schaltzeitpunkten sowie die Unter suchung der zeitlichen Synchronisation von nebenl ufigen Aktivit ten Grunds tzlich besteht in einem Petrinetz die M glichkeit jedes der vier Grundelemente Platz Tran sition Kante und Marke zeitbewertet darzustellen Viele der daraus resultierenden Konzepte zur Integration von Zeiten k nnen ineinander berf hrt werden Da in dieser Arbeit nicht die Analyse mit Hilfe der linearen Algebra im Vordergrund steht kommt lediglich eine der f nf Zeitbewertungsformen von Petrinetzen die Schaltverz gerung zur Anwendung Dabei wird das Schalten einer Transition nach Erreichen der kausalen Schaltbedingungen so lange verz gert bis die deterministische Zeitkonstante t verstri 180 ANHANG A PETRINETZE chen ist W hrend des Aktivierungszustands bleiben die Marken auf den Vorpl tzen der a
78. MaxStream auf dem 3 Platz RF Modems haben einen h heren Energiebedarf als ZigBee PRO Module Eine ab schlie ende Auswahl anhand der Datenbl tter ist nicht abschlie end m glich Bedingt durch die u eren Randbedingungen des Projekts war nur jeweils ein Vertreter einer Funktechnologie zugelassen Die Eigenschaften der RF Modems der beiden Hersteller MaxStream und Aerocomm sind sehr hnlich so dass bedingt durch die vom Herstel ler angegebene gr ere Sendereichweite und des etwas geringeren Energiebedarfs vgl Abbildung 6 6 die 24X Stream Module des Herstellers MaxStream ausgew hlt wurden F r die Validierung der Herstellerangaben bez glich der Funkeigenschaften in Freifeld versuchen und im Bahnumfeld wurde daher die Komponenten des jeweiligen Demonstrations Sets f r die 24XStream und die XBee PRO Module des Herstellers MaxStream ver wendet 6 6 ERMITTLUNG UND VALIDIERUNG DER FUNKEIGENSCHAFTEN 107 6 6 Ermittlung und Validierung der Funkeigenschaf ten Die Herstellerangaben bez glich der erzielbaren Funkreichweiten wurden in mehreren Versuchen und unter unterschiedlichen Bedingungen ermittelt Um einen berblick ber die Eigenschaften der Funkmodule zu erhalten wurden zun chst Messungen un ter Freifeldausbreitungsbedingungen durchgef hrt vgl Abschnitt 16 6 1 Anschlie end wurden Messungen unter Nicht Freifeldbedingungen wiederholt und abschlie end im Bahnumfeld validiert vgl Abschnitt 6 6 2 Beide zu
79. OSEUEH aoad 08 s q 1 nepsu q 7 u jy z peT ys s sq nyessdwo J0 sIolLyema J9 sI8 I yema J9 s a UL yema Jyeyuuney J9yd s Juge Jos UEMaf JosiaUuUEMaf U YHYISIOA SHOUIOUDIS Jap Bunyypeag og Josie lyema SW Lasel Nay sys ssgeueg 194sBunyem y z p f 1914sBunyem yoz apal 194 sBunyem yoz apal 194 sBunyem y z p f 194sBunyem yoz apal 194 sBunyem y z p f S1 S1 H S P sqebuoN DEU y z p f SWV Angeureyuiew puemyne jjeasaju sbunyem SWV Apqeeay yoayeqBnuA bissellannz uopopjelg us ZzInyosa og ya puydwesun bisseuaanz uopo4pjelg us zInyosa og ya puydweun bi sseuaanz uopo1pl9l us ZzInyosa og ya puydweun bisseuaanz uapopiel3 us ZzIny9sa og yo puydweun bisseuaanz uopo1pl9l us ZzInyosa og ya puydweun bissellannz uopo4pjelg us zInyosa 1 q ya puydweun bisseuaanz uopopjelg u s qnes pun usjz1nyasa eg y lpuydw un SW Ayqey Noy sseusanz yoy lejues unzinwyssio deuedne Bei od 0 6 Bei od el 06 3 Sr 9q Or E I 02 1989 GL EI s uoseued 3 Sr 19qN duet 8q Op S q pun Bunpe7 yoeu y pz ylauu Ol I DE SI Z SANES I2IA ya qanyaq yas uy93J euo osd aye s unpeqyuasqjas yeyssua z icher iespe Eigenschaftenmatrix der Energ Abbildung 5 1
80. Problem der automatisierten dynamischen Initialisierung sind nicht gel st Die Energieversorgung wurde per durchgehender Kabelverbindung sichergestellt SCHI MANSKI 2003 ETSI 2003a ETSI 2003b ETSI 2003c Nach Abschluss der Projektarbeit war die autarke Energieversorgung nicht realisiert F r die Realisierung einer leitungsgebundenen Energieversorgung war die Ausr stung jedes Fahrzeugs des Fahrverbands erforderlich Die Probleme einer leitungsgebundenen Energieversorgung wurden dabei unter anderem w hrend der praktischen Versuchs phase deutlich Der Ausfall der Energieversorgung oder eine Leitungsunterbrechung an einem Wagen hat den Ausfall der nachfolgenden Komponenten zur Folge und mit zunehmender L nge des Zuges wirkt sich auch der Spannungsabfall entlang der elek trischen Leitung negativ aus was wiederum die Anpassung der Speisespannung und leistung sowie ggf den Einsatz von Pufferbatterien notwendig macht Somit sind die wichtigsten Anforderungen f r das zu entwickelnde Kommunikations system n mlich die automatische Initialisierung und die autarke Energieversorgung nicht erf llt und realisiert worden 4 2 Marktreife Produkte Gerade im Bereich der Telematikanwendungen im Schieneng terverkehr besteht gro es Potenzial f r die Ladungsverfolgung und Disposition Exemplarisch werden die zwei marktverf gbaren Produkte ATIS MT der Firma Timtec Telematik und OPTIVIA der Firma Bombardier Transportation analysiert Dabei wird deut
81. STAND DER TECHNIK Teilergebnisse der Projekte Freight Electronic Brake and Information System FEBIS und TrainLink am ehesten den Vorgaben an das in dieser Arbeit zu entwickelnde Kom munikationssystem jedoch werden hier unter funktionalen Aspekten lediglich diejeni gen verstanden die das Mensch Maschine Interface MMT und das transparente d h nach Au en erkennbare Verhalten betreffen Die daf r bereitzustellenden Schnittstel len und weitere Verfahrensschritte werden hingegen unter den technischen Aspekten behandelt 4 1 1 INTELFRET Intelligent Freight Train Das EU Forschungsprojekt Intelligent Freight Train INTELFRET wurde von August 1997 bis Juni 1999 unter Federf hrung des ehemaligen European Rail Research Institute ERRI von bekannte Firmen und Institutionen wie z B Mannesmann Rexroth Pneu matik GmbH Knorr Bremse SAB WABCO GmbH und dem Institut f r Regelungs und Automatisierungstechnik der Technischen Universit t Braunschweig IfRA bear beitet CORDIS 2000 Ziel war die Steigerung der Wettbewerbsf higkeit des Schie neng tervekehrs gegen ber dem Stra eng tertransport durch die Analyse Spezifika tion und Realisierungskonzeption eines Systems mit folgenden Funktionalit ten zur Steigerung der Leistung der Transportqualit t der Bereitstellung von Ladungs und Wageninformationen und der Erh hung der Verf gbarkeit und Sicherheit des Verkehrs tr gers durch e Bremsfunktion e automatische Kupplung der F
82. Stochastic Discrete Event Systems Modeling Evaluation Applications Habilitation TU Berlin
83. TrainTalk Die Firma GE Harris erarbeitete eine Reihe von Spezifikationen welche Anforde rungen und Aufbau eines Kommunikationssystems f r drahtlose Kommunikation auf G terz gen beschreiben um eine zugweiten Kommunikation zu erm glichen AAR 2000 AAR 1999c AAR 1999a AAR 1999b AAR 2002 Die offene Architek tur forderte prim r die bertragung von sicherheitsrelevanten Daten zur Bet tigung elektropneumatisch gesteuerter Bremsen ECP Brakes ECPB nach AAR Standard sowie zur Kopplung mehrerer Zugfahrzeuge zu einer Mehrfachtraktion Die sekund re bertragung von nicht sicherheitsrelevanten Statusdaten oder Abfragebefehlen sollte damit ebenso m glich sein Das Kommunikationssystem besteht aus einem Ger t am Zuganfang Lead Head End 4 1 STUDIEN UND FORSCHUNGSPROJEKTE 47 Unit Lead HEU also meist auf der Lokomotive mindestens einem Wagenger t Car Control Device CCD und einem Zugschluss Ger t End Of Train Device EOT De vice Gegebenenfalls k nnen sich noch ein oder mehrere Trail Head End Units Trail HEU im Netz befinden Ein Lead HEU befindet sich auf der f hrenden Lokomotive koordiniert den Netzwerkverkehr stellt unter anderem eine Bedienungsschnittstelle f r den Lokomotivf hrer bereit berwacht den Systemstatus und reagiert entsprechend auf Fehler Die Energieversorung der einzelnen Fahrzeug Einheiten erfolgt lokal durch Achsgeneratoren Da die Fahrzeug Einheiten eine Bremsensteuerung und berwach
84. Zusammenfassung und Ausblick 175 8 1 EE e AE AE e nr real nalen 175 RE GEESCHT ENEE 176 177 EEE TR 177 a ne re A gene 178 EE 178 ee ee na ger 179 DEE EE 180 A 2 Analysemethoden von Petrinetzmodellen 2 2222 2 2 2 2 181 A 2 1 Erreichbarkeitsanalyse 181 A 2 2 Software Zuverl ssigkeit 182 A 2 3 Analysemethoden der Verl sslichkeit e 182 VII Abbildungsverzeichnis 1 1 Gliederung dieser Arbeit oo a a a 4 2 1 Gliederung des zweiten Kapitels 0 0 a 2 2 2 2 a 5 2 2 Phasenmodell und BMW Prinzip in der Systementwicklung 6 2 3 Systementwicklung nach dem erweiterten Wasserfallmodell 8 2 4 System und Softwareentwicklung nach dem V Modelll 10 2 5 Produktentwicklung nach dem Spiralmodell nach BOEHM 1988 12 2 6 Methodische Systementwicklung nach Phasenmodell mit BMW Prinzip nach SCHNIEDER 1999 2 7 TOP Down Darstellung der Anforderungsklassifizierung nach SCHNIE SEENEN 16 er 16 PR 17 anne 18 OEN 19 Er 20 2 ea 25 TIT TEE 26 EBERLE SEIEITERFITEE 27 TEIE DEER 28 3 6 Dekomposition der Anforderungen an die Energieversorgung Teil 1 29 3 7 Dekomposition der Anforderungen an die Energieversorgung Teil 2 30 3 8 Dekomposition der geometrischen Systemanforderungen aus dem be REENEN 31 3 9 Dekomposition der Systemanforderungen an die Umweltbedingungen 32 rt 32 ERR 33 3 12 Dekomposition der Systemanforderungen an den Funkkanall
85. ach V DI3682 2005 f r das Kommunikationssystem erarbeitet vgl Abbildung 2 9 Das Gesamtsystem setzt sich neben dem Kommunikationssystem aus weiteren Teilsystemen zusammen die sich analog dekomponieren lassen vgl Abschnitt B 5 2 3 BEWERTUNGSMETHODE DES PAARWEISEN VERGLEICHES 17 Eigenschaften des Kommunikationssystems Eigenschaften des bertragungskanals Funktionale Eigenschaften Datenkanaleigenschaften Strukturelle Systemeigenschaften HF Kanaleigenschaften Eigenschaften der Kommunikationshardware Verl sslichkeitseigenschaften RAMS S Interaktion Umwelteigenschaften geografisch klimatisch mechanisch S i Strahlungfestigkeit Mechanische Eigenschaften chemisch amp biologisch d Fremdk rperdichtigkeit Elektromagnetische Vertr glichkeit Kommunikationshardware Zeitliche Eigenschaften Funkhardware Kommunikationszeit Initialisierungszeit Betriebszeit Abbildung 2 9 Klassifizierung von Kommunikationssystemen 2 3 Bewertungsmethode des Paarweisen Vergleiches Die Methode des Paarweisen Vergleichs ist pr destiniert f r eine objektivierte Entschei dungsfindung in Entwicklungs bzw Entscheidungsteams wenn die zu realisierenden Kundenw nsche d h also die Anforderungen das Lastenhefts im Fokus stehen Im Rahmen der Komponentenbewertung bei der Entwicklung eines Produktmodells vgl Abschnitt werden die definierten Anforderungskriterien in einem Formular f r d
86. ah len von 0 bis 2 bewertet Der Wert 2 wird dabei interpretiert als die Erf llung der Anforderung im vollen Umfang der Wert 1 als Erf llung der Anforderung mit Einschr nkungen die durch technische Ma nahmen toleriert werden k nnen also z B eine Kapselung zum Schutz vor Verschmutzung und der Wert 0 f r die Nichterf l lung der Anforderung Alle Energiespeicher weisen einen gewissen Verschlei auf so dass nur Energiespei cher eingesetzt werden k nnen die das Wartungsintervall von 6 Jahren ohne Aus fall sicher berstehen Hierbei kann auf Erfahrungen mit wartungsfreien Blei S ure Akkumulatoren aus dem Automotive Bereich zur ckgegriffen werden Nickel Cadmium Akkumulatoren weisen eine etwas h here Selbstentladungsrate jedoch eine bis zu dop pelt so gro e Energiedichte einen erweiterten Temperaturbereich und eine h here Zy klenzahl auf Abbildung 5 12 zeigt die paradigmatische Darstellung der Eigenschaften der Energiespeicher anhand einer Eigenschaftenmatrix Ohne empirische Untersuchungen werden Ni Cd Akkumulatoren daher am besten be wertet gefolgt von Supercap Kapazit ten und Blei S ure Akkumulatoren vgl Abbil dung 5 11 Eventuelle Kundenvorgaben sind in dieser Bewertung nicht ber cksichtigt 80 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Lebens Nutzungsdauer Investitionskosten Verschmutzungsanf lligkeit Wartungskosten lUmweltanforderun
87. ahrzeuge e Wagenautomatisierung berwachung und diagnose e Fracht berwachung e Positionsbestimmung e Informationsaustausch sowohl zugintern als auch zugextern d h mit einem Service Center e Kundeninformationssystem e Energieversorgung auf jedem Wagen Innerhalb dieses Forschungsprojekts wurden die funktionalen und technischen Grund lagen Funktionalit ten Umweltbedingungen Energieversorgungsbedingungen usw f r weitere Forschungen und Entwicklungen wie z B FEBIS und TrainLink erarbei tet und definiert Das FEBIS Projekt hatte die Umsetzung der Anforderungen des INTELFRET Projekts zum Ziel 4 1 STUDIEN UND FORSCHUNGSPROJEKTE 43 4 1 2 FEBIS Freight Electronic Break and Information Sys tem Die Deutsche Bahn AG und die franz sische Bahn SNCF erprobten seit dem Fr hjahr 1999 gemeinsam mit Industriepartnern ein u a funkbasiertes Kommunikationssystem im G terzug mit der Bezeichnung FEBIS zur Erm glichung eines Datenaustausches zwischen allen Fahrzeugen im Zugverband und damit verteilter elektronischer Systeme im G terzug z B zur Realisierung der elektronisch gesteuerten Bremse Das Ziel dieser Bestrebungen ist die Realisierung des intelligenten G terzuges WITTE et al 2000 Ans tze dazu wurden bereits im EU Forschungsprojekt INTELFRET erarbeitet und untersucht Beispiele f r solche Ans tze sind e Systeme die eine automatische Bestimmung der Zugzusammensetzung und der Zugeigenschaften erm glichen
88. amp EN50121 3 2 Klima Temperaturbereich 25 C bis 40 C EN50155 Elektrische Anforderungen Energiebedarf Senden Empfangen minimal Standby ESD Festigkeit muss gew hrleistet sein Mischbetrieb mit von ausger steten und nicht ausger steten Wagen soll m glich sein Topologie Vermeidung von Telegrammweiterleitungen Organisation verbindungsorientiert bertragungsmedium Funk Funkreichweite mindestens 750 m Einsetzbarkeit x Kundenpr ferenz Kundenpr ferenz entsprechend der Projektentwicklung x Abbildung 6 5 Anforderungen an die Kommunikation Sendeh ufigkeit d Wagenger te f H Technologische Anforderungen Technologie Migration T T Teek H 96 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION 6 3 Funkbusse Funkbusse werden aufgrund des gegen ber drahtgebundenen Bussystemen geringe ren Installationsaufwands zunehmend bei der Geb udeautomatisierung eingesetzt Auf der anderen Seite sind funkbasierte Bussysteme sensibler gegen ber unbeabsichtigten und beabsichtigten St rungen und Angriffen Entscheidend sind hier das eingesetzte Modulations und das Buszugriffsverfahren 6 3 1 Modulationsverfahren Modulationsverfahren beschreiben die Art und Weise der Bit bertragung und lassen sich folglich der Schicht 1 des ISO OSI Modells zuordnen vgl Abschnitt 6 1 1 Analo ge Modulationsverfahren sind relativ st rungsempfindlich und werden an dieser Stelle nicht betrachtet Digitale Modulat
89. anhand des Abstandes zwischen den Wagen und der Lokomotive sortiert sowie der n chste Schritt der Plausibili t tspr fung ausgewertet Aus der vorl ufigen Teilnehmerliste wird so eine vor l ufige Reihungsliste generiert die f r die m gliche Parametrierung der Sende h ufigkeit z B des Kommunikationsger ts des letzten Wagens im Fahrverbands erforderlich ist e Fahrzustand der Fahrzeuge und des F hrungsfahrzeugs Die Kommunikationsger te der zum Fahrverband geh renden Wagen und das Kommunikationsger t der Lokomotive sind mit einem geeigneten Sensor zur An fahrtsdetektion ausgestattet Damit wird der Fahrzustand des Fahrzeugs ermit telt Nach einer Anfahrt wird zweimal in Folge die GPS Position ermittelt Die Geschwindigkeit zweier zeitlich nacheinander erfasster Positions Datens tze muss bei einer Anfahrt gr er als Null und zunehmend sein So kann die Fahrverbandszugeh rigkeit zweifelsfrei festgestellt werden auch wenn sich mehrere Fahrzeuge hintereinander in einem Gleis befinden jedoch nicht alle zum selben Fahrverband geh ren D h wenn sich mehrere Zugteile hintereinander in einem Gleis befinden k nnen nur die Wagen zu dem Fahrverband der Loko motive geh ren deren Fahrzustand dem des Lokomotivenger ts entspricht e Detektierte Anfahrtszeitpunkte der Wagenger te und des Lokomboti venger ts Der Zeitpunkt der Anfahrt wird ebenfalls detektiert und als Zeitstempel gespei chert welcher anhand des interne
90. ann wechselt der Betriebsmodus des Wagen Kommunikationsger ts in den Energie sparmodus Standby 2 Empfang des Best tigungstelegramms w hrend der Betriebsmodus Inaugura tion des Wagen Kommunikationsger ts aktiv ist also Schalten der Transition acknowledge_received_i vgl Abbildung und Abschnitt 7 2 1 Es erfolgt der Wechsel in den Operation Modus vgl Abbildung 7 11 In dem Betriebsmodus Operation bestimmt ein Wagenger t entsprechend der parame trierbaren zeitbehafteten Transition build_and_send_telegram_o zyklisch die kinema tischen Gr en des zugeh rigen Wagens generiert und sendet ein Standardtelegramm an das Kommunikationsger t der F hrungslokomotive vgl Abbildung 7 16 156 KAPITEL 7 REALISIERUNG Die Zeit der Transition build_and_send_telegram_o kann durch das Best tigungstele gramm des Lokomotivenger ts ge ndert werden Dies ist z B f r die Realisierung einer Zugvollst ndigkeitspr fung erforderlich so dass das Lokomotivenger t h ufiger Infor mationen des letzten ausger steten Wagens erh lt z B build_and_send_telegram_o 120 s Wird vor dem Schalten der zeitbehafteten Transition acknowledge_not_received_o ein Best tigungstelegramm des Lokomotiven Kommunikationsger ts empfangen so wird nach Schalten der Transition build_and_send_telegram_o erneut die Position bestimmt und an das Kommunikationsger t der F hrungslokomotive gesendet Der Betriebsmodus Opera
91. ation RIPLEY 1987 RIPLEY BRIAN D 1987 Stochastic Simulation John Wiley amp Sons lst Aufl ROYCE 1970 Royce WINSTON 1970 Managing the Development of Large Softwa re Systems Concepts and Techniques In Technical Papers of Western Electronic Show and Convention WesCon SCHIMANSKI 2003 SCHIMANSKI M 2003 Entwicklung und Erprobung eines De monstrators f r einen drahtlosen Zugbus auf einem realen Versuchstr ger Diplom arbeit Institut f r elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik TU Braunschweig SCHMIDT und HOLZM LLER 2002 SCHMIDT M und G HOLZM LLER 2002 Er fahrungen beim Einsatz eines Telematiksystems f r Industriebahnen In Signal und Draht Nr 6 S 32 35 ISCHNIEDER 1993 SCHNIEDER E 1993 Proze informatik Automatisierung mit Rechensystemen Einf hrung mit Petrinetzen Friedr Vieweg amp Sohn Verlagsgesell schaft mbH Braunschweig 2 Auflage Aufl SCHNIEDER 1999 SCHNIEDER E 1999 Methoden der Automatisierung Beschrei bungsmittel Modellkonzepte und Werkzeuge f r Automatisierungssysteme Vieweg Verlag Braunschweig Wiesbaden 1 Aufl SCHNIEDER 2007 SCHNIEDER L 2007 Formalisierung von Begriffs und Modell konzepten zur Beschreibung von Funktionsimplementierung in Eisenbahnleit und Sicherungssystemen In 21 Verkehrswissenschaftliche Tage Dresden Fakult t Verkehrswissenschaften Friedrich List der TU Dresden und Verband Deutscher Ver k
92. ation Positionsermittlung Steuerung der Komponenten vgl Abschnitt und Abbildung 7 2 Daten Daten Quelle Senke Kommunikations system Leistungs bereitstellung Leistung Sensor Energiequelle erzeuger Umgebung Energie Energiespeicher N speicherung Abbildung 7 2 Kanal Instanzen Netz des Kommunikationsger ts Messzustand 7 1 1 Erweiterung der Anforderungen um Betriebsarten Resultierend aus den u eren Randbedingungen w hrend der Projektbearbeitung er geben sich erweiterte Anforderungen an das Kommunikationssystem e Es soll keine dezentrale Energiequelle oder Sensorik per Kabel an das Wagen Kommunikationsger t angebunden sein sowie keine Wartung des Ger tes inner halb des Revisionszyklus von sechs Jahren erfolgen e Der jeweils letzte Wagen eines Fahrverbands soll zur Erm glichung der Zug vollst ndigkeits berpr fung mit einem Kommunikationsger ts ausger stet sein Kann diese Anforderung nicht durch den betrieblichen Ablauf erreicht werden ist ein Zugschluss Kommunikationsger t vorzusehen welches z B mittels starker Magnete vor jeder Fahrt durch das Betriebspersonal im Rahmen der Bremsen pr fung angebracht werden m sste e Im Fehlerfall sollen Meldungen von den Wagen Kommunikationsger ten zu dem Lokomotiven Kommunikationsger t gesendet werden 132 KAPITEL 7 REALISIERUNG e Zur Sicherung der Kommunikation und Steuerung der Businitialisierung sollen gesen
93. ben werden KIEFER 1995 Die strukturierte Analyse SA hat sich seit den Anf ngen in der Mitte der 1970er Jahre als eine wichtige Standardmethode der Systemanalyse durchgesetzt Ziel ist die Erstellung eines Modells das sowohl die Einordnung in den Gesamtzusam menhang als auch Systemdetails zeigt Die Vorteile der SA sind die graphische Modellnotation die pr zise Definition von Bedeutung Zusammenhang und Funktionsweise in Funktionalit t und Datenstruktur sowie die einfache Integration von Anwenderwissen in das Modell wodurch mehrdeu tige schlecht berpr fbare Spezifikationen im Flie text vermieden werden Es werden unterschiedliche Strategien zur Zerlegung unterschieden e Bei der funktionsorientierten Zerlegung wird das Gesamtsystem durch eine Top Down Zerlegung untergliedert und die Beschreibung verfeinert e Bei der essentiellen Zerlegung des Gesamtsystems steht die Analyse der Ziele im Vordergrund Hierbei werden die zu behandelden Ereignisse aufgelistet KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 8 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN e Die ereignisorientierte Zerlegung der Funktionalit t und objektorien tierte Zerlegung vereint beide Ans tze wodurch ein klarer und nachvollzieh barer Systemaufbau mit allerdings gro en Datenkatalogen entsteht Wasserfallmodell der Systementwicklung Traditionell erfolgt die strukturierte Systementwicklung durch eine funktionsorientierte Zerlegung nach dem Wasserfallmodell vgl Abbildun
94. bertragung ber mittlere bis gro e Distanzen im Haus im Gesundheitswesen Fabriken Warenh usern Handel und Bildung und Forschung eingesetzt Verwendet wird daf r das ISM Band zwischen 2 400 GHz und 2 4835 GHz In Deutschland werden 11 Kan le mit einem Kanalabstand von 5 MHz bereit gestellt In anderen L ndern gelten andere Bestimmungen so dass teils mehr teils weniger Kan le nutzbar sind Die Reichweite betr gt bis zu 300 m Es k nnen Ad hoc Netzwerke mit zwei Teilnehmern und Client Server Netzwerke mit mehr als 100 Teilnehmern rea lisiert werden Die Ger te m ssen sich allerdings die Bandbreite eines Kanals teilen wobei nur drei der 11 Kan le berlappungsfrei sind WiMax Die spezifizierte Reichweite der WiMax Technologie betr gt 50 km wobei der Frequenz bereich zwischen 2 und 11 GHz benutzt wird Die theoretisch erreichbare Datenrate betr gt 70 MBit s Diese Technologie befindet sich derzeit noch in der Entwicklung und wird aufgrund der sehr gro en Reichweite einen hohen Energiebedarf aufweisen UWB Die Ultra Breitband Technologie nach dem Standard IEEE 802 15 3a Ultra Wideband UWB befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase UWB ist f r den Einsatz 104 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION im Endverbraucher Bereich gedacht z B als Ersatz von USB Kabelverbindungen am Heim Computer Module dieser Technologie nutzen den Frequenzbereich von 3 1 GHz bis 10 6 GHz in 14 B ndern Bedingt durch die gro e Bandbreite s
95. cherheitsrelevanten Alarmen und Fehlermeldun gen wie Hei l uferortung Entgleisungsdetektion und Zugtrennung Ans tze f r kabelgebundene Informationssysteme auf G terz gen wurden unter an derem im Projekt TrainLink erforscht STEINBERG 2002 VARCHMIN und STEINBERG 2005 JASMER et al 2004 Dabei zeigte sich dass das Buskabel des kabelbasierenden Bussystems in der rauen Umgebung des Schieneng terverkehrs trotz geeigneter Stecker verbindungen eine relativ hohe Fehleranf lligkeit z B aufgrund von Korrosion aufweist Aus den Erfahrungen heraus erwuchs die Aufgabe der Untersuchung eines funkbasie renden selbstkonfigurierenden Zugbusses mit energieautarken Wagenger ten so dass auf eine durchgehende Kabelverbindung vollkommen verzichtet werden kann Die wichtigsten Ziele und Anforderungen f r ein neues Bussystem sind somit die Rea lisierung energieautarker Wagenger te mit minimalem Energiebedarf und die vollau tomatische Konfiguration und Initialisierung des Zugbusses Umgangssprachlich wird dies als Zugtaufe bezeichnet wobei der Begriff streng genommen den Vorgang der Zu sammenstellung eines Fahrverbands im Zugbildungsbahnhof und der anschlie enden mechanischen Kopplung der Wagen des Fahrverbandes untereinander bezeichnet Zur Abgrenzung wird der Vorgang des organisatorischen Aufbaus des Funkbusses im Fol genden als Inauguration bezeichnet 2 KAPITEL 1 MOTIVATION Das in dieser Dissertation entwickelte und zum Patent angemeld
96. cht verwendet Die feste Nachrichtenl nge kommt einer besseren Fehlererkennung zu Gute 126 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Kommunikationsger t Kommunikationsger t 1 Standardtelegramm der Lokomotive 1 E ET Ee Kommunikationsger t Kommunikationsger t gung 9 der Lokomotive des Wagens Standardtelegramm Kommunikationsger t Kommunikationsger t mit Verschl sselung des Wagens der Lokomotive S Best tigungstelegramm Kommunikationsger t Kommunikationsger t 2 3 g mit Verschl sselung der Lokomotive des Wagens Abbildung 6 25 M gliche Versionen des bertragungsprotokolls und zugeh rige Nach richtentypen Empf nger und Absenderkennung Die Fahrzeugnummer eines Eisenbahnwagens ist innerhalb des Einzugsbereichs des In ternationalen Eisenbahnverbands UIC eindeutig So m ssen auch die Teilnehmer Identifikationen der Kommunikationsger te innerhalb des Einzugsbereichs der UIC ein deutig sein Es wird f r die Empf nger und die Absender Identifikatoren jeweils ein 4 Byte Datenfeld vorgesehen so dass mehr als 4 Mrd Fahrzeugger te unterschieden werden k nnen Sequenznummer Die Sequenznummer nimmt im SAHARA Protokoll eine L nge von 4 Bytes ein Auf grund der relativ seltenen Sendungen innerhalb des zu entwickelnden Kommunikati onssystems ist eine Datenfeldgr e von 2 Byte hinreichend Weiterhin ist ein Z hler berlauf w hrend einer Zugfahrt auszuschlie en Bei einer Datenfeldgr egr e von 2 Byte und unter
97. d Realisierungsmitteln insbesondere Werkzeugen nach dem Phasenmodell gekennzeichnet vgl Abbildung 2 2 Zwischen den Mitteln der Ent wicklung bestehen Wechselwirkungen und Abh ngigkeiten die einzelnen Bestandteile sind jedoch eigenst ndig und in weiten Teilen orthogonal zueinander SCHNIEDER 1999 Anforderungs n sierungs mittel bungs mittel Abbildung 2 2 Phasenmodell und BMW Prinzip in der Systementwicklung Beschreibungsmittel sind in jedem Fall essentielle Voraussetzungen zur Formulierung der Vorgehensweise der Aufgabenstellung sowie deren L sung und ihrer Realisierungs mittel und zur Bedienungshandhabung Methoden und Werkzeuge zu ihrer Entwicklung sind nicht unbedingt notwendig Der methodische Entwurf unterscheidet sich vom h ufig handwerklich intuitiv prak tizierten oder industriell werkzeuggest tzten Entwurf durch die explizite Anwendung eines heuristisch empirischen Regelsystems Ohne unterst tzende Werkzeuge ist der Einsatz von Beschreibungsmitteln und Methoden bei allen T tigkeiten im Lebenszy klus nur begrenzt von Nutzen Notwendigerweise beziehen sich die Werkzeuge auf be stimmte Beschreibungsmittel und verk rpern die technische Umsetzung von Methoden Elementare Aufgaben von Werkzeugen sind z B die Dokumentationsunterst tzung mit Editierung Archivierung Dokumenten und Versionsverwaltung Volltextsuche usw 2 1 STRUKTURIERUNG DES SYSTEMENTWURFS 7 Zur Verdeutlichung des Zusammenhangs
98. d der Vorgehensweise aus Abschnitt dimensioniert 1 Die ben tigten Energiebedarfe pro Tag und die erforderlichen Batteriekapazi t ten abh ngig vom Einsatzszenario sind in Abbildung zusammenfassend dargestellt 2 Die mittlere Verf gbarkeit a in Abh ngigkeit von der mittleren Einstrahlung G 3a in Deutschland betr gt ca 95 so dass die Dimensionierungsein strahlung Gaim des Photovoltaik Generators nahezu der mittleren Einstrahlung entspricht d h Gaim G 3 m 3 Die optimale Spitzenleistung Aa des Photovoltaik Generators wird entspre chend 5 13 berechnet Dabei werden folgende typischen Werte f r die Wirkungs grade angenommen 1 Anpassung 0 95 N Batterie 0 8 und NLaderegler 0 95 5 6 EXEMPLARISCHE DIMENSIONIERUNG EINES PHOTOVOLTAIKSYSTEMS 87 Die optimalen Spitzenleistungen abh ngig vom Nutzungsszenario sind Abbildung D laun entnehmen 1 66 W 3 P eak opt Szenario2 7 20 W P peak opt Szenario3 6 1 DW Abbildung 5 15 Dimensionierung des Photovoltaikgenerators in Abh ngigkeit vom Nutzungsszenario 88 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 7 Zusammenfassung Die Auslegung der Energieversorgung der Kommunikationsger te muss abh ngig von den Randbedingungen wie Nutzungsszenario Wartungsintervall Lebensdauer und elek trischer Last der gew hlten Hardware erfolgen Der spezifische Energieverbrauch eines Fahrzeugger ts ist aufgrund der noch nicht ausgew hl
99. dem Werkzeug De sign CPN heraus entwickelt worden ANDERSEN 1996 MORTENSEN 1999 Dabei wur de ein System zur Zutrittskontrolle mit dem Werkzeug Design CPN modelliert simu liert und schlie lich ber die Beschreibungssprache Standard ML mittels des Interpre ters MLton in C Quellcode berf hrt Das Vorgehen ist in Abbildung 7 22 dargestellt Das Werkzeug Design CPN wurde in der Vergangenheit weiterentwickelt und tr gt heute den Namen C PNtools Das in ANDERSEN 1996 MORTENSEN 1999 beschriebene Vorgehen wurde mittels des weiterentwickelten Werkzeugs nachvollzogen vgl Abbil dung 7 22 Es war jedoch unklar ob die Qualit t des auf diesem Weg generierten Codes kompatibel zu dem des C Compilers AVR GCC ist F r die Codegenerierung auf diesem Weg wurde das TimeNET Modell h ndisch in CPNTools portiert Es zeigte sich dass das Werkzeug C PNtools nicht f r die exakte Abbildung des mit dem Werkzeug TimeNET entwickelten Petrinetzes geeignet ist vgl Abschnitt 7 4 2 Weiterhin zeigte sich dass eine Inkompatibilit t zwischen dem ML Compiler MLton und dem aus dem CDN Tools Modell generierten ML Code besteht Eine automatische Codegenerierung war nach dieser Vorgehensweise nicht m glich 7 5 SOFTWAREINTEGRATION UND CODEGENERIERUNG 171 i Design CPN KR model gt o 1 j H ER S R Simulation in Design CPN Emulation library 2 ER O 4 21 1 Reliable model ci Code generation S in De
100. der Grundlage von Petrinetzen BMW zer Beschreibungsmittel Methode und Werkzeug DAN Gere Controller Area Network CAN ne melden Feldbus Controller Area Network CDMA rare Code Division Multiple Access Codemultiplex Verfahren GEN Ars geen E Coloured Petrinets gef rbte od h here Petrinetze BEE Cyclic Redundancy Check zyklische Redundanzpr fung EE Buszugriffsverfahren Carrier Sense Multiple Access CSMA CA Buszugriffsverfahren Carrier Sense Multiple Access mit Kollisions vermeidung CSMA CD Buszugriffsverfahren Carrier Sense Multiple Access mit Kollisions erkennung DB aa Deutsche Bahn DECT un Digital Enhanced Cordless Telecommunication DED eege elen Datenflussdiagramm Do af Depth of discharge DOPNS Zr Deterministische stochastische Petrinetze eer Direct Sequence Spread Spectrum Frequenzspreizungsverfahren der Modulation EBA euer Eisenbahn Bundesamt EBO an eek Eisenbahn Bau und Betriebsordnung ECPB terina electronically controlled pneumatic brake system et EEN Erreichbarkeitsgraph EGSPN was Erweitertes generalisiertes Stochastisches Petrinetz 113 0 ieor End Of Train BERRI verirrt ehem European Rail Research Institute eingestellt am 30 06 2004 ESTW arena Elektronisches Stellwerk FDMA ren Frequency Division Multiple Access Frequenzmultiplex Verfahren XIII FEBS 22 442228 Freight Electronic Brake and Information System FHSS desdiere Frequency Spread Spectrum System Frequenzsprungverfahr
101. des Zuges besitzt eine Abh ngigkeit vom spezifischen Zugtyp d h nach dem bef rderten Gut sowie von der Verkehrsart d h Ganzzugverkehr nationaler oder internationaler Verkehr 5 1 1 G terbereiche und Transportentfernungen im nationa len Umfeld Die transportierten Gutarten des gr ten deutschen Bahnbetreibers und spediteurs f r G terverkehr der Deutschen Bahn AG Cargo DB Cargo verteilen sich wie in Tabelle 5 1 dargestellt ALLES 1999 Anteil Gutart Beispiele 49 6 Montan z B Kohle Stahl 17 5 Chem Produkte z B Gefahrg ter Mineral l 16 0 Industrieg ter z B Fertig und Halbfertigprodukte 13 6 Baustoffe amp Entsorgung z B Beton M ll 3 3 Land amp Forstwirtschaft z B Holz Tabelle 5 1 Anteil der G terbereiche am Verkehrsaufkommen der DB Cargo ALLES 1999 Montan wird typischerweise mit Ganzz gen transportiert so dass das erste m gliche Einsatzszenario den Ganzzugverkehr abdeckt Dieses wird aufgrund fehlender Daten basen durch Ganzz ge der Hupach AG substituiert 5 1 G TERBEREICHE UND TRANSPORTENTFERNUNGEN 87 Chemische Produkte werden vor allem im Einzelwagenverkehr transportiert Anhand von Daten eines gro en Chemiekonzerns der Badischen Anilin und Sodafabrik Aktien gesellschaft BASF AG konnte dieses Szenario entwickelt werden Weiterhin soll das zu realisierende Kommunikationssystem auch dem Einsatz im Werkss huttleverkehr g
102. dete Nachrichten der Wagen durch eine Best tigungsnachricht mit Senden und Warten Technik best tigt werden k nnen F r das Zeitfenster werden die Werte Lait Standby wait Operation 3s bzw wait Inauguration 10s angenommen e Die Busaufl sung soll durch manuellen Eingriff initiiert werden Die u eren Randbedingungen des Projektablaufs wirken sich auf die Realisierung der Energieversorgung auf die Auswahl der notwendigen Sensorik sowie auf das software gesteuerte Energiemanagement aus Die Energieversorgung soll so einfach wie m glich und vor allem wartungsfrei aus schlie lich durch Verwendung von Prim rbatterien realisiert werden Achsgeneratoren und eine photovoltaische Energieerzeugung sind ausgeschlossen F r die Energiever sorgung eines Kommunikationsger ts werden mit den erweiterten Anforderungen und entsprechend der Ergebnisse in Abschnitt Lithium Prim rbatterien ausgew hlt Energiespeicher werden nicht ben tigt Dadurch m ssen die Anforderungen bez glich der Energieversorgung und des Energiebedarfs eines Kommunikationsger ts erweitert werden vgl Abschnitt 7 1 6 Eine Spannungs berwachung des Batteriezustands wird durch diese Anforderungen erforderlich Wie in Abschnitt betrachtet sind die Nutzungszeiten d h die Fahrt und die Standzeiten abh ngig vom jeweiligen Einsatzszenario Zur Minimierung des ben tig ten Energiebedarfs ist die Realisierung eines Energiesparmodus notwendig In diesem soll das Komm
103. dus und Energiesparmoden sowie die Kommunikation zwischen Steuereinheit und Kommunikationseinheit und zwischen verschiedenen Kommunikationsger ten An dererseits verwaltet die Steuereinheit die Energieversorgung der Kommunikationsein heit und der ggf vorhandenen Sensorik sowie die Auswertung der Sensorik selbst F r den Einsatzzweck der Ortung und Fahrtverfolgung Tracking ist ein Satelliten navigations Empf nger vorzusehen Zus tzliche wagenspezifische und oder ladungsspe zifische Messgr en erfordern den Einsatz von Sensorik im Kommunikationsger t selbst F r die Funktion der Aufzeichnung des Fahrprofils ist besonders im Hinblick auf eine Minimierung des Energiebedarfs der Einsatz eines Anfahrtdetektors als Sensor sinnvoll vgl Abschnitt 7 1 4 Kommunikations Steuereinheit Sensorik einheit Energieversorgung Abbildung 3 20 Grunds tzliche Systemstruktur des Gesamtsystems Kapitel 4 Stand der Technik In diesem Kapitel wird der Stand der Technik von Intrazug Kommunikationssystemen im Eisenbahng terverkehr und von M glichkeiten der autarken Energieversorgung wa genseitiger technischer Systeme ermittelt Dabei werden Anforderungen und Realisie rungskonzepte aus Forschungsprojekten sowie Produkte und bestehende Patentanspr che eroiert und entwickelt Die Qualit t der bestehenden Anforderungen und oder der Produkte sowie die Art der Patentanspr che entscheiden letztlich ber den Einstiegs punkt in ein Ent
104. e Access Das Raummultiplex Verfahren SDMA bezeichnet die r umliche Aufteilung der ver wendeten Frequenzen wie es z B beim GSM Mobilfunk durch Bildung von Funkzellen angewandt wird Das Raummultiplex Verfahren nutzt die Ausbreitungsd mpfung eines Funksignals mit dem Abstand vom Sender vgl Abschnitt 6 1 3 Bei einem gen gend gro en Abstand vom Sender ist das Signal so schwach dass die St rungen durch In terferenz bei Wiederverwendung dieser Frequenz durch einen anderen Sender toleriert werden k nnen Clusterprinzip vgl WALKE 2001 CSMA Carrier Sense Multiple Access Die Zugriffsstrategie mit Tr gerpr fung Carrier Sense Multiple Access CSMA be zeichnet ein Zugriffsverfahren mit Busarbitration z B in Feldbussystemen und in der Netzwerktechnik Ethernet Dabei pr ft der Teilnehmer vor dem Buszugriff den Sta tus des Mediums Bei dem Buszugriff wird zwischen zwei Varianten unterschieden dem Buszugriff mit Kollisionserkennung CSMA CD und dem mit Kollisionsvermei dung CSMA CA Bei dem CSMA CD Verfahren wird die aktuelle Sendung nach Detektion einer Kolli sion abgebrochen und nach einer stochastischen Zeit erneut gesendet Dieses Verfahren wird z B in der Netzwerktechnik Ethernet IEEE 802 3 eingesetzt Bei dem CSMA CA Verfahren wird eine Kollision bei einem gleichzeitigen Sendebe ginn vermieden indem das Medium vorher arbitriert wird Dieses Verfahren ist nicht deterministisch und wird z B bei CAN Bussen eing
105. e Bewertung der Energieerzeuger erfolgt durch die Punkteverteilung ent sprechend Tabelle Eine Ausnahme machen die Kriterien Kundenpr ferenz und Marktverf gbarkeit F r die Kundenpr ferenz dr ckt der Wert 1 Ablehnung der Wert 0 Neutralit t und der Wert 1 Zustimmung aus Die Marktverf gbarkeit ist entweder negativ 0 oder positiv 1 wobei 0 ein Ausschluss Kriterium darstellt Die gewichtete Bewertungsmatrix ist in Abbildung 5 8 dargestellt Bewertungspunktzahl Bedeutung 0 erf llt die Anforderungen nicht 1 erf llt die Anforderungen mit Einschr nkungen 2 erf llt die Anforderungen Tabelle 5 9 Bedeutung der Bewertungspunktzahlen f r die gewichtete Bewertung In der gewichteten Bewertung der Energiequellen und erzeuger wurden Lithium Prim r batterien vor Photovoltaikanlagen gefolgt von Prototypen der neuartigen Achsgenera toren der Firma FAG auf dem 3 Rang als am geeignetsten bewertet Der Nachteil der Achsgeneratoren und Photovoltaikanlagen besteht in der Notwendigkeit der Kombina tion mit einem Energiespeicher Bei einer entsprechend stromsparenden Hardware der Kommunikationseinheiten eig nen sich entsprechend dimensionierte Prim rbatterien mit einer hohen Zellenspannung und einer geringen Selbstentladungsrate wie z B Lithium Prim rbatterien 74 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG IDM Brennstoffzellen von SmartFuelCe ZS T ES
106. e Funkkommunikation wurden bereits in Abschnitt 3 3 2 klas sifiziert und dekomponiert Die Werte der dekomponierten Gr en sind in Abbildung dargestellt und werden f r die Bewertung in Abschnitt 6 5 herangezogen betriebliche Anforderung funktionale Anforderung technische Anforderung nicht mehr als gesetzlich entspr ETSI zul ssig abh von Funktechnologie Anzahl der Teilnehmer max 65535 2 Byte Adressbereich bertragungsrichtung bidirektional Gesetzeskonformit t ETSI Telegrammaufbau entspr EN50159 2 Frequenzbereich lizenzfrei nutzbar Fehlersicherung entspr Bitfehlerrate Verschl sselung entspr EN50159 2 h chstens 10 Minuten amp sp testens 30 Sekunden nach Abfahrt Betriebszeit entsprechend Nutzungsprofil Allgemeine Anforderungen HF Kanal Sendeleistung Zeitverhalten Initialisierungszeit Sendelatenz Weiterleitungsgeschwindigkeit abh von Zugl nge mehr als 250m s Einflussnahme auf Sendeh ufigkeit der Wagen Kommunikationsger te durch den Busmaster Hardware Datenrate gering mehr als 250 kBit s Anbieter Marktverf gbarkeit gesichert auch zuk nftig Anschaffungspreis Kosten Nutzen optimiert Betriebskosten kostenneutral Telegrammtypen Meldungen Statusmeldungen beliebiger Sensorik Alarme Alarmmeldungen z B Bremsenverschlei u Geometrische Anforderungen Geometrie Montage Beachtung d Lichtraumprofils Reihung beliebig Umweltbedingungen Beeinflussung EMV Festigkeit EN50121 3 1
107. e Produktentwicklung erfolgen kann In Abschnitt werden Petrinetz Werkzeuge vorgestellt Kapitel 2 Modelle von Entwicklungsprozessen und von Entwicklungsprodukten Eigenschaften Abschn 2 3 Paarweiser Vergleich Abschn 2 1 methodische Prozesse Entwicklung Entwurf Modellierung Realisierung Anforderungen Kapitel 3 Abschn 2 2 Produktmodelle Ressourcenmodelle Abschn 2 4 Beschreibungsmittel Methoden und Werkzeuge Aufbau Eigenschaft _ Funktions Verhaltens Eigenschaft Verifikation Validation betrieblich Requirements lt funktional technisch Abbildung 2 1 Gliederung des zweiten Kapitels KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 6 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN 2 1 Strukturierung des Systementwurfs Eine Automatisierungseinrichtung ist das Resultat des Systemengineerings d h eines in der Regel phasenorientierten Prozesses Die Systementwicklung die dieser Arbeit zu Grunde liegt l sst sich in die drei Phasen Anforderungsdefinition Entwurf bzw Realisierungskonzepte und Realisierung unterteilen In allen Phasen kommen dabei Beschreibungsmittel Methoden und Werkzeuge zum Einsatz SCHNIEDER 1999 2 1 1 BMW Prinzip der Systementwicklung Die als BMW Prinzip bezeichnete methodisch systematische Vorgehensweise der Sys tementwicklung ist von dem aufeinander abgestimmten Zusammenspiel von Beschrei bungsmitteln Methoden un
108. e z B Vogelkot Moos und Schmutz ablagerungen an den R ndern eines Solarmoduls werden bei regelm igen Niederschl gen nicht oder nicht komplett herunter gewaschen LAUKAMP 2002 In WAGNER 1999 wurde der Einfluss von Staub und Verschmutzung auf die relative Ausbeute der Solarzelle anhand einer Langzeitstudie in Dakar Senegal in den Jah ren 1989 und 1990 erl utert Untersucht und ausgewertet wurden vier unterschiedliche Reinigungsstrategien e Bei t glicher Reinigung kann eine konstante relative Ausbeute von 100 ange nommen werden e Bei w chentlicher Reinigung schwankt die relative Ausbeute zwischen 100 und 90 e Bei monatlicher Reinigung schwankt die relative Ausbeute zwischen 100 und 70 e Bei Wegfall jeder Reinigung sinkt die relative Ausbeute innerhalb 170 Tagen auf unter 20 ab e Ab Beginn der Regenzeit schwankt die relative Ausbeute bei allen Reinigungs strategien zwischen 100 und 95 F r einen Einsatz in Europa ist mit geringerer Verstaubung sowie mit regelm igen Niederschl gen zu rechnen so dass der Einfluss von Staub als gering zu bewerten ist In KARL 1984 wird berichtet dass ein Solargenerator am Standort Stuttgart nach 6 Monaten ohne Reinigung noch eine relative Ausbeute von 90 besa Nach zwei Jahren ohne Reinigung wurden 86 relative Energieausbeute gemessen In WAGNER 1999 wird trotzdem auch f r den Betrieb in Mitteleuropa mindestens eine j hrliche Reinigung der Solargenera
109. ebszeiten Abbildung 3 17 Zeitliche Initialisierung Zeit f r Abschluss des Busaufbaus Anforderungen Inauguration Betrieb Ft bertragungsdauer f r Meldungen und Alarme Abbildung 3 17 Dekomposition der funktionalen Anforderungen an das Zeitverhalten 3 4 4 Zusammenfassende Darstellung Aus der vorhergehenden Analyse und Festlegung der Anforderung im Querschnitt sowie in orthogonaler Darstellung bez glich des Gesamtsystems und dessen Teilsystemen l sst sich eine paradigmatische systemorientierte Darstellung der Struktur Dekomposition Kausalit t und Temporalit t des Systems in einer Top Down Darstellung entsprechend Abbildung erarbeiten In einer Anforderungsmatrix lassen sich die dekomponierten Systemanforderungen be z glich Eigenschaft Merkmal und Gr e durch eine zu einer anschaulichen bersicht 3 4 QUERSCHNITT DER ANFORDERUNGEN 37 Gesamtsystem Systemanforderungen Datenkanal trukturelle Anf HF Kanal KommunikationsHW gt Topologie DD gt Funkreichweie ehlersicherung CH Verschl sselung gt Geseze Rchlnien DO gt Ffreuerzbereichr gt QDatenrate DD _ Datenweiterleitungsgeschwindigkeit Gesetze Richtlinien gt Frequenzbereich_____ Q Datenrate DD Funktionale Anforderungen Interaktion gt C Alame __ gt Alarme vom Wagen zur Lok Meldungen vom Wagen zur Lol gt Meldungen von Lok zum Wagen
110. ebung 2 in Cremlingen 6 6 ERMITTLUNG UND VALIDIERUNG DER FUNKEIGENSCHAFTEN 113 RSSI dBm Paketverlust Abstand m RSSI Wert Messung 1 RSSI Wert Messung 2 A RSSI Wert Messung 3 RSSI Wert Messung 3 t Theoretischer RSSI Wert bei Freifeldausbreitung Paketverlust Abbildung 6 18 Messergebnisse f r die 24XStream Module in Messumgebung 2 6 6 2 Funkeigenschaften im Bahnumfeld Nach Ermittlung der positiven Messergebnisse vgl Abschnitt wurden die 24X Stream Module unter den Bedingungen des Bahnbetriebs w hrend der Betriebsruhe betrieben und Ergebnisse bez glich der Funkreichweite in dem Umfeld ermittelt Die Messungen wurden in der Richtungsgruppe des G terbahnhofs Braunschweig durchge f hrt Daf r wurden eigens Schadwagen unterschiedlichen Typs d h Flach und Schie bewandwagen mit einer Gesamtl nge von ca 500 m in einem ebenso langen Abstell 114 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION gleis in einer leichten Rechtskurve abgestellt Im Nebengleis der Schadwagen wurden Schiebewandwagen und zwei Elektrolokomotiven abgestellt Aufgrund des gebogenen Gleisverlaufs und der Anordnung der Elektrolokomotiven direkt zu Beginn der Mess strecke war der Gro teil der Gleise durch die Lokomotiven abgeschattet d h es war keine Sichtverbindung vorhanden vgl Abbildung 6 19 Abbildung 6 19 Messumgebung 3 im G terbahnhof Braunschweig Im Gegensatz zu dem Versuchsaufbau in Abschnitt wurde das Funkmodul
111. edarfen pro Revisionszyklus in Abbildung die Anforderungen an die Mindestladung der Batterien von 47 82 Ah in Szenario 1 27 82 Ah in Szenario 2 und 85 25 Ah in Szenario 3 F r die Ermittlung der realen Kapazit t sind Zuschl ge aufgrund von Selbstentladung Alterung und Temperatur sowie der Tatsache dass Batterien nicht zu 100 entladen werden sollten zu ber cksichtigen Die entnehmbare Energie wird mit 80 angenom men so dass sich f r die effektive erforderliche Mindestkapazit t ein Aufschlag von 20 d h 57 83 Ah in Szenario 1 33 38 Ah in Szenario 2 und 102 31 Ah in Szenario 3 ergibt ber Spannungswandler werden aus der anliegenden Spannung die erforderlichen Ver sorgungsspannungen von 3 3 V und 5 0 V generiert 144 KAPITEL 7 REALISIERUNG 7 2 Businitialisierung Die Initialisierung des Funkbusses erfolgt w hrend der Inauguration vgl Abschnitt 7 2 1 welche eine Plausibilit tspr fung als einen Bestandteil enth lt vgl Abschnitt 7 2 2 Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte modellierte und validierte Verfahren wurde ber die Siemens AG zum Patent angemeldet und ist im Folgenden beschrieben KUPKE et al 2007 7 2 1 Inauguration der Kommunikation Ausgangssituation F r das Verfahren der Inauguration sind grunds tzlich zwei Vorgehensweisen denkbar 1 Wagen Kommunikationsger te k nnten permanent empfangsbereit sein um so auf eine Verbindungsanforderung eines Lokomotiven Kommunikationsger ts rea gieren
112. egrammaufbau gem EN50159 2 2002 Funktechnologien existente Probleme beim Busaufbau und deren L sung sowie ein Inaugurationsverfahren behan delt und eine sinnvolle Kombination ausgew hlt vgl Abbildung 6 1 Kommunikation Technologische Grundlagen Abschnitt 6 1 Favorisierte Module Topologie Abschnitt 6 4 Abschnitt 6 7 Bewertung der Sicherung der Funktechnologien Kommunikation Abschnitt 6 5 Abschnitt 6 8 Anforderungen Abschnitt 6 2 Funkbusse Validationsversuche Telegrammaufbau Abschnitt 6 3 Abschnitt 6 6 Abschnitt 6 9 Abbildung 6 1 Gliederung des Kapitels Kommunikation 89 90 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION 6 1 Technologische Grundlagen 6 1 1 Das ISO OSI Referenzmodell der Kommunikation Eine Kommunikation zwischen zwei Kommunikationspartnern basiert auf sogenann ten Protokollen oder Diensten Das siebenstufige ISO OSI Referenzmodell strukturiert diese in bereinanderliegende Schichten die jeweils Teilaufgaben des Kommunikations vorgangs bernehmen wobei sich die n te Schicht nur auf Leistungen und Dienste der n 1 ten Schicht st tzt H ufig sind nicht alle Schichten ausgebildet da Funktionen der nicht ausgebildeten Schichten von Diensten bergeordneter Schichten bernommen oder nicht ben tigt werden e Schicht 1 ist die Bit bertragungsschicht physical layer und stellt die unterste Schicht des ISO OSI Referenzmodells dar Sie beschreibt alle Eigenschaften der physikalischen
113. ehr 12 6 Quellverkehr 14 4 Zielverkehr 3 1 Transitverkehr Tabelle 5 2 Anteile der Verkehrsart am Schieneng terverkehr ALLES 1999 Der Begriff Quellverkehr bezeichnet den Anteil des Verkehrs der in der betrachteten Verkehrszelle in diesem Fall Deutschland beginnt und aus dieser herausf hrt Der Be griff Zielverkehr bezeichnet demgegen ber den Anteil des Verkehrs der in benachbarten Verkehrszellen beginnt und in die Zielzelle hineinf hrt Beispiele hierf r sind z B die 58 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Z ge der Rollenden Landstra e Der Schienentransitverkehr stellt eine untergeordnete Position dar 5 2 Energiebedarfsabsch tzung f r Energieversor gung mit Prim rbatterien Die intuitivste Energiequelle f r die Energieversorgung sind Prim rbatterien In einem ersten Schritt wird der Energiebedarf f r den ununterbrochenen Betrieb eines Fahr zeugger ts f r ein Revisionsintervall abgesch tzt Es gelten die Annahmen aus der Einleitung des Kapitels 5 Energiesparmodi sollen keine Relevanz haben Rechnerisch ergeben sich folgende Werte stengen Se Paps F PRKommunik tion SR ae Ppetrieb 80mAx5V 50mAx5V 100m W 750mW W Betrieb Jahr PBetrieb Betrieb Jahr 6 57 kWh pro Jahr W Betrieb Wartungsintervall Ppetrieb Betrieb Wartungsintervall 39 42 kWh in 6 Jahren Es zeigt sich dass mit den angenommenen Werten f r den Betrieb e
114. ehrsunternehmen VDV SCHOLL et al 2007 SCHOLL G H J K RBER und H WATTAR 2007 Wie viel Energie braucht Echtzeit Energieautarke Funksysteme in Echtzeitanwendungen atp 49 64 68 SCHROM 2003 SCHROM H 2003 Realisierung eines optimierten Feldbussystems und Modellierung mit Petrinetzen Dissertation SLOV K 2006 SLOV K R 2006 Methodische Modellierung und Analyse von Siche rungssystemen des Eisenbahnverkehrs Diplomarbeit Institut f r Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik der TU Braunschweig LITERATURVERZEICHNIS 189 SOLAR 2006 SOLAR RWE SCHOTT 2006 Produktdatenblatt f r Solarpanels mit EFG Solarzellen SOLARSERVER 2005 SOLARSERVER 2005 Photovoltaik Solarstrom und Solarzellen in Theorie und Praxis STEINBERG 2002 STEINBERG S 2002 TrainLink Kommunikationskonzept Tech nischer Bericht Institut f r Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektro technik unver ffentlicht TALKE 2003a TALKE W 2003a Seismischer Generator Deutschlandpatent DE 103 11 569 A1 TALKE 2003bl TALKE W 2003b Seismischer Generator und Fahrzeuge mit einem seismischen Generator Deutschlandpatent DE 103 11 567 B3 TALKE und WIEMERS 2002a TALKE W und T WIEMERS 2002a Daten bertra gungseinrichtungen f r einen Wagenverbund Deutschlandpatent DE 100 29 126 A 1 TALKE und WIEMERS 2002b TALKE W und T WIEMERS 2002b Daten bertra gungseinrichtungen f r einen Wagenverbu
115. ei der bertragungsrate von 9600 Bit s rechnerisch zu 56 ms Unter der Annahme dass von 1000 Wagen lediglich maximal 35 zu einer Lokomotive geh ren ergibt sich die Wahrscheinlichkeit dass eine Plausibilit tspr fung jeweils in maximal 3 5 aller F lle positiv ausfallen kann F r die Analyse des Modells wurde das das Werkzeug II Tool eingesetzt 7 4 ANALYSE DES MODELLS 163 reset_locomotive initialization start 7N pa enter_standby ne _ wait_for_message_s anne 2 lt ESCH J receive_s2 C V e Ru Si check_4_plausibility_s check teg fit e d Toi PN busy_s PN busy_i PN busy_o ar gt Bee t S e Loss_T1 Loss_T2 Loes 3 A Lem inauguration_mode As ug oA receive_i3 marker_telegram waggon_is_knoypg check fail N busy_i Dun check_for_plausibility_i a a S Ke N i aggon_is_plausible E do_plausibilitycl l E Sch A E j heck_passed IN A KR SE Chp4 er SiS gt d gt per send_ack_2_waggo vw del et ot _known_wagg ns N acknowiedge_tell N acknowl elegram delete_list_of_plausible_wa zz ge_telegram Es 7 i P1 T1 Pa ee E mn check_4_plausibility o D a 1 wat for rel operation_mode Y wait_for_telegram_o GE j ymanual_deauguration MM Se e e L receive_o deaugurston bk dont send ach Abbildung 7
116. eiliger mittlerer Leistung P und t glicher Dauer t Wrast K 5 1 i 1 2 Zur Verbesserung der Verf gbarkeit des Systems wird die Batterie um den Au tonomiefaktor A vergr ert Der Autonomiefaktor gibt an dass mit anfangs voll geladener Batterie ber eine Dauer von A Tagen der Betrieb des Verbrauchers auf rechterhalten werden kann ohne dass die Batterie nachgeladen werden muss Dies dient der berbr ckung von Tagen mit witterungsbedingt geringerer Sonnenein strahlung Da aber auch an solchen Tagen die Batterie geringf gig nachgeladen wird kann tats chlich eine l ngere Schlechtwetterperiode als A Tage berbr ckt werden In konventionellen Photovoltaikanlagen wird A 3 angenommen F r den Einsatz in einem Energiespeicher f r Wagenger te auf G terz gen wird dieser Autonomiewert ebenfalls angesetzt W Batterie Wrast 5 2 Eine Batterie deren gespeicherte Energie um den Faktor A gr er ist als die t gli che Energieentnahme Wir wird t glich auf die Entladetiefe D entladen Daraus folgt f r die Teilzyklenfestigkeit Zr die den Erwartungswert f r die Lebensdauer der Batterie darstellt 1 D Zr A Z 5 4 84 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Dem ben tigten Energieangebot der Batterie Wpatterie ist zus tzlich eine Leis tungsreserve vom Faktor 3 33 aufzuschlagen REICHELT 2003 Bee Reserve 1 33 f W Batterie 5 5 Die maximale Entladetiefe wird angenommen mi
117. ein Best tigungstelegramm eines Lokomotiven Kommunikationsger ts gewartet Alle zwei Stunden sollen GPS Daten ermittelt werden F r das Senden Empfangen und Auswerten der GPS Daten wird eine Operationszeit das Mikro controllers von 10 Sekunden pro 2 Minuten angenommen In der brigen Zeit soll das Verh ltnis von Energiespar zu Tiefschlaf Betrieb des Mikrocontrollers 1 zu 9 Standby zu Sleep betragen Die f r die Berechnung des Energiebedarfs des Wagenger ts relevanten Werte der Ein satzszenarien entsprechend Abschnitt sind in Tabelle zusammengefasst Unter diesen Randbedingungen wurden in einem ersten Schritt die durchschnittlichen Energiebedarfe in den einzelnen Betriebsmodi entsprechend Abbildung berechnet In einem zweiten Schritt wurde der erforderliche Energiebedarf pro Jahr und pro Re visionszyklus entsprechend Abbildung 7 9 berechnet 142 KAPITEL 7 REALISIERUNG Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Fahrzeit pro Jahr 780 h 207 96 h 3848 h Standzeit pro Jahr 7980 h 8552 04 h 4912 h Fahrten pro Jahr 261 12 261 Tabelle 7 1 Relevante Werte f r die Berechnung des Energiebedarfs Energiebedarf pro Stunde Standby Wert Leistung Energie Cyce Rate ax pro Sunde Tale 5M 4 654Wsph Sleep 6600 s TX RX Operation 90 3226 25 0 00 019Wsph Energiebedarf pro Inauguration J Wen Leistung Energie Dosen REECH 36 19 Wsp tzn 2x GPSnachantm REECH 36 10 Ws
118. eit Be schleunigung Fahrt Standrichtung Anfahrtzeitpunkt evtl EOT Kennung amp ggf Befehl Sicherheitscode 8 Bytes 2 B CRC64 Kryptogr Code 6 Byte nicht definiert Tabelle 6 6 Telegrammaufbau einer Nachricht entsprechend Telegrammtyp B1 der EN50159 2 2002 Kapitel 7 Realisierung Die Entwicklungsphase der Realisierung kann als ein Abschnitt der methodischen netzbasierten Systementwicklung nach BASYSNET verstanden werden vgl Abschnitt 2 1 3 Nach Abschluss der Versuche und der Auswahl der ben tigten Komponenten wird in diesem Kapitel die Realisierung der Komponenten in Hard wie in Software und ihre Integration beschrieben vgl Abbildung 7 1 Realisierung Hard und Softwarekomponenten eines Kommunikationsger ts Energieversorgung Kapitel 5 Kommunikations hardware Kapitel 6 Businitialisierung Abschnitt 7 2 Steuerungs SW Modell Abschnitt 7 3 Steuerungs HW Abschnitt 7 1 Analyse des Kommunikations modells Abschnitt 7 4 Softwareintegration Abschnitt 7 5 m ne Hardware Software Abbildung 7 1 Hard und Softwarekomponenten eines Kommunikationsger ts und Gliederung des Kapitels Realisierung 130 7 1 HARDWAREKONZEPT 131 7 1 Hardwarekonzept Aus den funktionalen Anforderungen an das zu entwickelnde Kommunikationssystem vgl Abschnitt 3 4 3 ergibt sich die Verwendung der Komponenten Energieversor gung bzw Energieerzeugung Funkkommunik
119. eitet Anforderungen an energieautarke Kommu nikationseinrichtungen und deren L sungsm glichkeiten sind diese nicht unmittelbar bertragbar Erweiterte Randbedingungen und daraus resultierende Anforderungen wie z B Verzicht auf Radsatzgeneratoren oder Solarzellen ergab sich erst im Laufe des Projekts vgl Abschnitt 7 1 1 Die eingangs vorgegebenen globalen Anforderung und rudiment ren Randbedingun gen wurden analysiert und daraus in Kapitel 3 die spezifischen Produktanforderungen an ein Kommunikationssystem f r den Einsatz und die Realisierung einer Kommu nikation im Schieneng terverkehr definiert Dazu wurden bestehende Anforderungen an ein energieautarkes Kommunikationssystem aus Forschungsprojekten Produktspe zifikationen und Patenten adaptiert angepasst um neue Anforderungen erg nzt und schlie lich in Form einer Dekompositions sowie in einer Querschnittsdarstellung mit Eigenschaften Merkmalen und Gr en zusammengefasst vgl Abschnitte 3 3 und 3 4 Aus den definierten Eigenschaften und Merkmalen der Anforderungen entstand im Rah men dieser Arbeit eine Bewertungsmethode f r die Beurteilung von L sungsans tzen und Produkten welche eine quasi objektive Bewertung durch Einsatz der Bewertungs methode des Paarweisen Vergleichs entsprechend Abschnitt 2 3 zul sst Anhand dieser Methode wurden Energiewandler und speicher beurteilt und unter Ber cksichtigung von Einsatzszenarien eine Empfehlung f r die Realisierung einer
120. ell D i S Codegenerierung in IT Tool ER o C g 2 i 8 ga goe ZS C Code Abbildung 7 23 Vorgehen f r die Codegenerierung aus einem TimeNET Petrinetzmodell 7 5 3 Werkzeuge zur Softwareintegration Die Softwareentwicklung und implementierung erfolgt mit dem Werkzeugs Eclipse und der Werkzeugsammlung WinAVR Abbildung zeigt einen Bildschirmausdruck der Entwicklungsumgebung Eclipse Bestandteil der Werkzeugsammlung WinAVR ist die 7 5 SOFTWAREINTEGRATION UND CODEGENERIERUNG 173 sog GNU Compiler Collection AVR GCC ein kostenloser GNU C Cross Compiler f r AVR Mikrocontroller mit dem aus dem C Quellcode der Maschinencode f r den Mi krocontroller erzeugt wurde Mittels des ATMEL Werkzeugs AVR Studio wurde der kompilierte Code in den Mikrocontroller geladen Java pn_Comm_37_5_Wagen_impl c Eclipse SDK Fie Edit Refactor Navigate Search Run Project Window Help N 08 0 886 888 E a s H E es HE Package 23 Hierarchy E R trainlinkTelegrams h global c P pn Comm_37_5 Wage 6 im ES Outline SCH DS include lt avr pgmspace h gt Dave S E Trainlink idee EES a H ayr pgmspace h a Debug Minchuge global uart h globalfglobal h E description Senee global powerSave h San globaljuart h amp diagrams aus global switch ndRoute h au oloballpowersave h amp include L Ee lh VK globalfswitch ndRoute h GC objst include lt stdio h gt SR Geck source o H stdi
121. em f r das Kriterium bestimmten normierten Gewichtungsfaktor AB C 2 3 BEWERTUNGSMETHODE DES PAARWEISEN VERGLEICHES 19 DEER A wi w Aw aw EE 8 a e ea ee Kriterium 3 O DEER o a 2 oe ra Bewertung d 1 Produkts oder L sungsansatzes Bewertung d 2 Produkts oder L sungsansatzes Gewichtete Bewertung u Entscheidungs Rangreihe f r 1 Gewichtete Bewertung u Entscheidungs Rangreihe f r 2 Priorit t gt Abbildung 2 11 Priorisierte Bewertung von Produkten oder L sungsans tzen Im Rahmen dieser Arbeit wird mit Hilfe dieser Methode eine objektive Bewertung m glicher Realisierungsans tze der Energieerzeuger vgl Abschnitt SA der Energie speicher vgl Abschnitt 5 5 und der Hardwaremodule anhand der definierten Anfor derungen vgl Kapitel See und eine Auswahl abgeleitet KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 20 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN 2 4 Petrinetz Werkzeuge Als geeignetes Beschreibungsmittel zur Modellierung und Simulation der Systemeigen schaften wurden in dieser Arbeit Petrinetze gew hlt PETRI 1962 IS015909 1 2004 2004 Die Petrinetz Beschreibung bildet in Symbolik Syntaktik und Pragmatik ein all gemein g ltiges und umfassendes Fundament f r die Beschreibung der Systemaxiomatik und Objektorientierung sowie vor allem inhaltlicher Aspekte von Automatisierungssys temen SCHNIEDER 1999 Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Petrine
122. en der Modulation ESK es Frequency Shift Keying Frequenzumtastung der Modulation GOG eds isra pia eg GNU C Compiler Kb au Gaussian Frequency Shift Keying siehe FSK GEN RE General Public License GSPN 240400 Generalisiertes Stochastisches Petrinetz HEU rar Head End Unit HE en Hochfrequenz HAMI a eas Human Machine Interface RA REN Institut f r Regelungs und Automatisierungstechnik der TU Braun schweig heute IVA INTELFRET EU Project Intelligent Freight Train ISM Band Industrial Scientific and Medical Band BO International Standardization Organization BP ENTER In System Programmer Du Institut f r Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik der TU Braunschweig INSCN Saw Machbarkeitsstudie Individualisierter Schieneng terverkehr BON ae Renee Local Operating Network der Echelon Corporation Palo Alto USA DIN eines Mensch Maschine Interface MRE es eui Multiple Ruled Chain NMEA National Marine Electronics Association Nationale Vereinigung f r Marineelektronik VOR iah On Off Keying bin re Umtastung der Modulation OST sa N Open Systems Interconnection PN etz Petrinetz petrinet PSK are ass Phase Shift Keying Phasenumtastung der Modulation QPSK mee bas Quadratur Phase Shift Keying siehe PSK RAM SS Random Access Memory fl chtiger Arbeitsspeicher RAMSS u Reliability Availability Maintainability Safety Security RISG aurin ornai Reduced Instruction Set Comp
123. en gen z B bei der BASF AG der Volkswagen AG Transport VAG Transport der DuisPort Rail sowie bei Betreibern von Kohletransportz ge Es konn ten an dieser Stelle ebenfalls Daten der BASF AG genutzt werden und das Szenario anhand des sogenannten Germersheim Shuttles entwickelt werden Im Gegensatz zu den Ganzz gen der Rollenden Landstra e der Hupach AG weisen die Ganzz gen von Privatbahnen relativ geringe Transportentfernungen unter 100 km auf 5 1 2 G terbereiche und Transportentfernungen im interna tionalen Umfeld Schieneng terverkehrsunternehmen die in einem EU Land zugelassen sind d rfen grenz berschreitende G terverkehrsdienstleistungen innerhalb der EU erbringen Dies gilt f r alle Betreiber die bestimmte technische und wirtschaftliche Auflagen erf llen und beschr nkt sich nicht auf die gro en nationalen Bahnen Der Zugang ist nicht auf allen Strecken m glich sondern beschr nkt sich im Wesentlichen auf die Hauptstrecken des transeurop ischen Schieneng terverkehrsnetzes Die f r die Bestimmung des Energieangebots und bedarfs ma geblichen Anteile des Schieneng terverkehrs an der Verkehrsleistung des Verkehrstr gers Bahn in Deutsch land teilen sich dabei wie in Tabelle 5 2 dargestellt auf Der Schieneng terverkehr tr gt dabei einen Anteil von 12 am internationalen Verkehr Die mittlere Tranportentfer nung des Schienenverkehrs der DB AG betr gt 250 290 km Anteil Verkehrsart 69 9 Binnenverk
124. en Kommunika tionsger t ein Best tigungstelegramm zur ck an das Wagen Kommunikationsge r t Anderenfalls wird kein Best tigungstelegramm zur ckgesendet Durch manuellen Eingriff wird das Lokomotiven Kommunikationsger t so pa rametriert dass es auf Standardtelegramme der Wagen Kommunikationsger te keine Best tigungstelegramme mehr sendet und nach einer Schutzzeit von z B 15 Minuten in den Energiesparmodus Standby wechsel Bleiben weitere Best tigungstelegramme des Lokomotiven Kommunikationsge r ts an einen zum Fahrverband geh renden Wagen f r eine Zeit von z B 15 Minuten aus so wechselt das Wagen Kommunikationsger t in den Energiespar modus Standby 7 2 BUSINITIALISIERUNG 149 7 2 2 Plausibilit tspr fung als Bestandteil der Inauguration Die Plausibilit tspr fung besteht aus der Untersuchung der im folgenden genannten Parameter e Abstand der Fahrzeuge zum F hrungsfahrzeug berschreitet der Abstand zwischen den Kommunikationseinrichtungen von Fahr zeugen des Fahrverbands und dem zugeh rigen F hrungsfahrzeug den den Anfor derungen entsprechenden maximal zugelassenen Abstand von 750 m f r G ter z gen in Deutschland sterreich und der Schweiz also den sog DACH L ndern so wird das Lokomotivenger t kein Best tigungstelegsramm generieren und sen den Befinden sich Wagen und die Lokomotive innerhalb des zul ssigen Entfernungs bereichs so wird die vorl ufige Teilnehmerliste
125. en Paarweisen Vergleich gegeneinander gewichtet Das Ergebnis dieser Gewichtung dient in einem zweiten Schritt der objektiven Bewertung m glicher Realisierungsans t ze und so der Entwicklung einer objektiven Rangreihe der Realisierungsans tze HEI NEN 1983 KIRSTEIN 1994 Die Priorisierung der Kriterien erfolgt mittels der sog Priorit tenmatrix vgl Ab bildung 10 die priorisierte Bewertung der Produkte bez glich ihrer Eigenschaften erfolgt mittels der Bewertungsmatrix vgl Abbildung 2 11 Das Vorgehen beim Paarweisen Vergleich gliedert sich in folgende Schritte 1 Schritt Bestimmung der zu vergleichenden Kriterien Kriterien sind hier die Elemente und Eigenschaften des Lastenhefts Im folgenden Beispiel sind n 4 Elemente angenommen 2 Schritt Aufbau der Priorit tenmatrix Die Priorit tenmatrix ist in zwei Teiltabellen Vergleich und Priorit t geglie dert vgl Abbildung 2 10 Die Kriterien werden in der Teiltabelle Vergleich 18 KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON ENTWICKLUNGSPRODUKTEN angeordnet und die Teiltabelle diagonal geteilt wobei die Zellen in der Diagonale die Zellen 11 22 33 usw keine weiteren Bedeutungen haben Die Kriterien werden gegeneinander gewichtet indem im rechten oberen Teil der Teiltabelle Vergleich f r jede der Zellen xy oberhalb der Diagonalen beurteilt wird ob das zugeh rige Spalten Kriterium x a weniger wichtig Wertig
126. enengebundenen Gefahrguttransport In Eisenbahntechnische Rundschau ETR Nr 4 S 218 223 Benz 2002 Benz J 2002 Energiemanagement f r autonome Photovoltaik Systeme Fraunhofer Institut f r Solare Energiesysteme ISE Freiburg Fraunhofer Institut f r Solare Energiesysteme ISE Freiburg BIELEFELD et al 2002 BIELEFELD J L BIELEFELD W TALKE und T WIE MERS 2002 DE 100 45 810 BIKKER und Bock 1999 BIKKER G und U Bock 1999 Einsatz eines Proze modells zur Analyse und Spezifikation von Bussystemen EKA Tagung S 509 526 BITSCH 2006 B tscH F 2006 Verfahren zur Spezifikation funktionaler Sicher heitsanforderungen f r Automatisierungssysteme in Temporallogik Dissertation In stitut f r Automatisierungs und Softwaretechnik der Universit t Stuttgart BLUERADIOS 2004 BLUERADIOS 2004 Produktdatenblatt der Bluetooth Module BR C30 der Firma BlueRadios Bock 2001 Bock U 2001 Betriebs und Kommunikationskonzept f r dynamische Rendezvous Man ver von Z gen Dissertation TU Braunschweig BOEHM 1988 BOEHM BARRY W 1988 A Spiral Model of Software Development and Enhancement Bruns 2002 Bruns W 2002 Vorlesungsskripten Codierungstheorie und Kryp tographie Osnabr cker Schriften zur Mathematik CHIP45 C0M 2005 CHIP45 CoM 2005 Crumb128 v2 0 chip45 com CORDIS 2000 CORDIS 2000 INTELFRET Final Summary Report CPN GRouPp 2007 CPN GRoUP 2007 CPNTools Computer T
127. enfahrzeuge Sekr SG 14 Salzufer 17 19 D 10587 Berlin HECHT et al 1999 HECHT M M JANIK T RIECKENBERG und D SALz 1999 Telematik im Schieneng terverkehr Anwendung bei Gefahrguttransporten In Ei senbahntechnische Rundschau ETR Nr 12 S 837 849 FG Schienenfahrzeuge TU Berlin Prof Dr Ing M Hecht HECHT und RIECKENBERG 2002 HECHT M und T RIECKENBERG 2002 Te lematik In Machbarkeitsstudie Individualisierter Schieneng terverkehr IVSGV Bd XV TU Berlin FG Schienenfahrzeuge Prof Dr Ing M Hecht HEINEN 1983 HEINEN E 1983 Industriebetriebslehre E Heinen 7 Aufl HEINZE und MAYER 1999 HEINZE R und S MAYER 1999 Unterbrechungsfreie Stromversorgung Technik Trends Anwendungen Technischer Bericht VDE Verlag Berlin Offenbach Horux 2005 HoLux 2005 Holux GR 213 Holux IHLENFELD 2004 IHLENFELD J 2004 UWB Die drahtlose Zukunft von USB und FireWire World Wide Web 1S015909 1 2004 2004 ISO15909 1 2004 2004 Software and Systems Enginee ring High level Petri Nets Part 1 Concepts definitions and graphical notation ISO Standard JASMER et al 2004 JASMER U S STEINBERG und J U VARCHMIN 2004 Da ten bertragungseinrichtungen f r einen Wagenverbund EP 1 465 358 A2 EP 1 465 358 A2 KARL 1984 KARL H 1984 Photovoltaische Systeme Grundlagen zur Dimensio nierung und zum Betrieb Dissertation Universit t Braunschweig KBST 2006 KBST 2006
128. enig Energie gewonnen werden kann W hrend des Stillstandes kann keine Energie erzeugt werden Derartige Energiewandler wurden bisher f r den Eisenbahnbetrieb nicht realisiert und werden es nach pers nlicher Einsch tzung aufgrund der oben genannten Gr nde wahr scheinlich auch nicht 68 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 4 5 Feder Magnet Schwinger Gegenstand des Patents TIEMANN und JOHNSON 1995 ist eine Einrichtung zur Er zeugung elektrischer Energie nach dem Induktionsprinzip In einem Geh use sei eine Magnettr gerstruktur mit Hilfe von Federn so angeordnet dass sie entlang der Schwin gungsachse in einen zweiten Magnetsatz eintauche Es w rde eine magnetische Fluss nderung hervorgerufen aus der dann elektrische Energie erzeugt w rde Derartige Generatoren h tten ebenfalls eine geringe Energiedichte Die Marktverf gbarkeitsanalye verlief negativ 5 4 6 Seismischer Schwingmassengenerator Gegenstand der Patente TALKE 2003a und TALKE 2003b ist ein seismischer Ge nerator zur Erzeugung elektrischer Energie Bei diesem System wird erfindungsgem eine seismische Masse zwischen mindestens zwei Piezok rpern eingespannt Durch Vi brationsbewegungen w hrend der Fahrt werden an den Seitenfl chen des Piezok rpers Ladungen erzeugt welche mit Hilfe einer Schaltung als elektrische Energie zur Verf gung gestellt werden Um Tr gheitskr fte in allen drei Raumachsen auszunutzen wird die Einspan
129. er Bewertung mit 1 bewertet Die fehlende Marktverf gbarkeit ist ein Ausschlusskriterium Abbildung 5 11 Gewichtete Bewertung der Energiespeicher MOGLICHKEITEN DER ENERGIESPEICHERUNG sl 9 9 Ol gt KE 21 60 z lt y z peji uy s wo4 s peT YIay9slaA Jo ueygewons KE uoenug UISU YOSNSJ09U Bunzos18Z Syas uayd Statuen B GI pue Duuu 66 s q um 21 s q 4 009z sid ul y BY UM 08 Du 091 OLL qe uy aus qebuy oul ul y Du 09 uy 8lz 09 BAUM 021 09 qe uy alen Baum 08 Sv qebuy aulay Du SE sqe uy aulay u jyozdw Bun luioy pun 91 0 4u04 4491S Bunye Mm Syys pa blaug olEasl us soysqauyog 0058294 JonsedeseiyN YILI MOd W Y MXEN allan pun jjeopue1g Ken Ne dg LAYS eusyeqwnenem Live OA euen oAueS 21U0OepUE dag DIuoseueg ojuoseued y yaeqBny A Jejleys aH auer Ol 000008 I 99 SI 0Y usge uy auer 00 08 I 99 SIQ GL SET CZ I aoa 02 ag 00001 lt aoa o 08 eg 062 6unpeq 19q 9 Sy S q 0 I 09 S q 07 auer gl 1 00009 lt I GE S q OL usgqe uy oU 00S 00 6unpe7 19q I Or S q 0 9 09 S q OZ auer e z 1 0094 sg 009 qnes I Op s q u nzes dw puIS S1 M 6unpe 19q I Sy S q 0 9 99 S Q OZ auer g e 00 002 Bunpe7 19q I Or S q 0 9 09 S q GL Aleuoe S SIU
130. er Kommunikationsger te f r Lokomotiven und Wagen sowie das sich durch Kombination der Teilmodelle ergebende Gesamtmodell wurden mittels der Werk zeuge TimeNET 3 0 und II Tool modelliert und simuliert Es ist erstrebenswert aus dem validierten Modell einen lauff higen Quellcode zur Steuerung des Zustandsauto maten der Kommunikationsger te getrennt f r Wagen und f r Lokomotivenger t zu erzeugen Dies kann entweder durch eine von der Komplexit t des Projekts und der Erfahrung des Programmierers abh ngige und unter Umst nden fehlertr chtige h n dische Implementierung oder eine automatisierte Quellcodegenerierung erfolgen Die Vor und Nachteile eines automatisch generierten Codes wurden bereits in Abschnitt gegen bergestellt Eine direkte Quellcodegenerierung aus dem Werkzeug TimeNET 3 0 heraus ist nicht m glich 7 5 1 Ansatz zur Codegenerierung aus Design CPN Ein wichtiger Schritt bei der Realisierung des Kommunikationssystems ist die Umset zung des Modells des Zustandsautomaten in einen Maschinencode welcher auf dem Mikrocontroller lauff hig ist F r den in den Kommunikationsger ten eingesetzten Mi krocontroller vom Typ ATmegal28 kann dieser Maschinencode mittels eines AVR GNU C Compilers aus einem C Code umgesetzt werden vgl Abschnitt 7 5 3 Die automatische Umsetzung der als implementierungsneutrale Petrinetze modellierten Funktionskonzepte und Zustandsautomaten des Kommunikationsger te f r Wagen und Lokomotiven
131. ernen Werkst tten im Auftrag der Wagenvermieter durchgef hrt werden Damit ergibt sich das in Tabelle 5 4 dargestellte Nutzungsprofil f r den Ganzzug einer Privatbahn Das entsprechende Wochennutzungsprofil ist in Abbildung l dargestellt Dabei entspricht die Balkenbreite der Nutzungszeit Gr e Wert Nutzungh ufigkeit 5 Tage pro Woche Fahrten pro Jahr 261 Gefahrene Strecke ca 46 km ein Weg Fahrzeit pro Strecke 1 5 bis 2 Stunden Mittlere Geschwindigkeit ca 26 km h zwischen 30 und 23 km h maximale Standzeit ca 1 Monat gesch tzt Tabelle 5 4 Jahresnutzungsprofil f r einen Ganzzug einer Privatbahn Szenario 1 Anhand der ermittelten Werte wurde nun berschl gig der individuelle ber ein Jahr gemittelte Energiebedarf dieses Szenarios berechnet Angenommen wurde dabei ana log zu Abschnitt eine Leistungsaufnahme von 750 mW im Betrieb w hrend der Fahrt und 0 W im Energiesparmodus w hrend l ngerer Standphasen gesch tzt Die Fahrtzeit betr gt t Fahrt Woche 3h 5 15 h pro Woche bzw t Fahrt Jahr 780 h pro Jahr Die Standzeit betr gt demnach t stand Jahr 8760 h 780 h 7980 h pro Jahr Aufgrund der Regelm igkeit des Zuglaufs kann der in diesem Szenario ben tigte Ener giebedarf auf 8 9 der Energiemenge aus Abschnitt 5 2 gesch tzt werden Es resultie ren folgende Werte 5 3 ENERGIEBETRACHTUNG F R INDIVIDUELLE FAHRPROFILE 61 DO 50 4 40
132. ervalls eines Wagens i d R 6 Jahre e Allgemeine Anforderungen R ckwirkungsfreiheit bez glich des Bahnbetriebes und des Betriebsablaufs Betriebssicherheit 3 3 Dekomposition der Anforderungen Entsprechend der Anforderungsklassifizierung in Abbildung 7 lassen sich die Anforde rungen an das zu entwickelnde Kommunikationsger t klassifizieren und dekomponieren in die Anforderungen an die Subsysteme bzw Komponenten Es resultiert eine orthogo nalen Systemstruktur aus allgemeinen systemischen Anforderungen Anforderungen an die Kommunikation sowie Anforderungen an die Energieversorgung entsprechend Abbildung Durch Dekomposition ergeben sich unmittelbar die Anforderungen an die Teilsysteme bzw an die Komponenten Die Dekomposition wurde bis zu den Gr Ben der Eigenschaftsmerkmalen durchgef hrt vgl Abbildung 2 7 Die Werte der Gr en werden in den entsprechenden Abschnitten dieser Arbeit f r die Analyse Bewertung und Auswahl der Komponenten der Teilsysteme Energiever sorgung in Kapitel 4 und Kommunikation in Kapitel 6 ermittelt 24 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an das Gesamtsystem Q Anforderungen an das Anforderungen an die Ggf Anforderungen Allgemeine Anforderungen A Kommunikationssystem Energieversorgung an Sensorik betriebliche Anf betriebliche Anf betriebliche Anf betriebliche Anf technische Anf technische Anf technische Anf funktionale Anf funktio
133. esetzt Aloha Das Aloha Verfahren wird als die erste Zugriffsstrategie mit Zufallsstrategie bezeichnet Dabei sendet eine sendebereite Station ohne vorher den Zustand des bertragungsme diums zu berpr fen Durch Kollision zweier Nachrichten werden beide zerst rt so dass dieses Verfahren die korrekte bertragung mit dem Senden eines Antworttelegramms berwacht Dadurch wiederum wird der Verkehr auf dem Medium deutlich erh ht und die Effizienz herabgesetzt 6 3 4 Einordnung der betrachteten Funktechnologien Als Vorgriff auf die in Abschnitt vorzustellenden Funktechnologien werden diese in Abbildung 6 6 vorab bez glich ihrer technologischen Eigenschaften eingeordnet und gegen bergestellt Betrachtet wurde dabei die Kommunikation bezogen auf die Schicht 1 und 2 des ISO OSI Modells sowie die Reichweite und der Energiebedarf KOMMUNIKATION KAPITEL 6 100 i anpnaysesju wgp oz ns ar z08 3331 w sy ai w ai S MU 168 MOL ma LL au 008 siq kt Spy YNA Mu 00L EE SSH4 ue us VIA ii Sg Mu SEL Mu 96 SMAN US Siq w 001 s q 61 204 Py VNaL EE SSH4 Dee i Las a Sg 2 u9l814 W W006 VONWNSI GL w e Mu oz Mu ops sapo saw vepnegeg u w 09 vn vn VWaL a x00 sso ne er s 208 FEED sma 006 xew eyoly L3NOUEN paul u 00 Ge wap 01 ka nsi oz WOL WEE mu Oe SI EL Sp opnegeo w og Ve E Mu Or N WW ZHN 898 JONISISUBIL UES90UZ voyosen s 1804 01 18 wgp 0 Wei Mu S94 Mu gr an osz a
134. ete Inaugurationsver fahren ist so flexibel dass es nicht auf den Einsatz im Schieneng terverkehr begrenzt bleiben muss sondern vielmehr f r Fahrverb nde im Allgemeinen anwendbar ist KUP KE et al 2007 1 2 Aufbau der Arbeit Im Rahmen dieser Arbeit werden im Kapitel 2 zun chst Modelle von Entwicklungs prozessen und Entwicklungsprodukten zur Strukturierung des Systementwurfs analy siert und daraus eine Entwicklungsmethode f r die vorliegende Fragestellung darge legt wobei Petrinetze als Beschreibungsmittel innerhalb der Modellbildungs und Im plementierungsphase entsprechend der Entwicklungsmethode nach dem Phasenmodell mit BMW Prinzip BASYSNET verwendet werden vgl SCHNIEDER 1999 In Kapitel 3 werden Anforderungen an das zu realisierende Kommunikationssystem aus der Ausgangssituation heraus analysiert und definiert Dabei wurde nach Anfor derungen aus dem betrieblichen Einsatz nach technischen und nach funktionalen An forderungen unterschieden und einerseits als Dekomposition vgl Abschnitt und andererseits als Anforderungsquerschnitt vgl Abschnitt entwickelt Als Ergebnis liegt eine Top Down Darstellung der Eigenschaften Merkmale und Gr en der Syste mentwicklung und eine entsprechende paradigmatische Darstellung des Lastenhefts als Anforderungs bzw Lastenheftmatrix vor an der L sungsans tze zu bewerten sind Im Kapitel 4 wird der Stand der Entwicklungen und der Technik gegliedert nach Studien und Forschungs
135. etze oder die Monte Carlo Simulation eingesetzt werden Die Monte Carlo Simulation stellt eine alternative Methode zu den analytischen Methoden dar wobei keine komplexen mathematischen Analysen erforderlich sind Die Verl sslichkeitsgr en werden durch Simulation des Systemmodells ermittelt Beschr nkungen der Verteilungen sind bei der Monte Carlo Simulation nicht n tig so dass theoretisch alle Aspekte in die Analyse einbezogen werden k nnen vgl Abschnitt 7 4 Die Ausfallereignisse gen gen stochastischen Verteilungsfunktionen Bei der Simulation werden zuf llige Variablenwerte der Verteilungen generiert und der reale stochastische Prozesse simuliert Die Beobachtung der wiederholt simulierten Prozesse erm glicht die Absch tzung der betrachteten Gr en wie z B Erwartungswert mittlere Verf gbar keit Anzahl der Ausf lle usw FISHMAN 1996 RIPLEY 1987 Literaturverzeichnis AAR 1999a AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROADS 1999a Intra Train Communication Specification For Radio Based Freight Train Control Systems http www aar com ttci recp 4330 htm Rev 0 0 DRAFT AAR 1999b AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROADS 1999b Ope ration Interface Standard Specification For The Intra Train Communication Unit ITCU http www aar com ttci recp 4340 htm Rev 0 3 DRAFT AAR 1999c AAR ASSOCIATION OF AMERICAN RAILROADS 1999c Per formance Specification For Freight Car Axle Mounted Power Generator Systems
136. g keit aus den GPS Positionstelegramm extrahiert und mitgesendet Das beschriebene zyklische Senden ist aus Abbildung 7 16 durch die Transition wait_to_send_s model Iert Nach dem Senden des Standardtelegramms wird f r eine feste Zeit der Empfang ei nes Best tigungstelegramms eines Lokomotivenger ts abgewartet Zu finden ist dies im Modell in Abbildung in der Transition der zeitbehafteten Transition ack nowledge_not_received_s Bleibt das Best tigungstelegramm aus so wird eine erneute Sendung nach Ablauf der parametrierten Zeit der zeitbehafteten Transition T_loop_s bzw wait_to_send_s durchgef hrt Wird vor Ablauf der Wartezeit ein Best tigungstelegramm eines Lokomotivenger ts empfangen also vor dem Schalten der zeitbehafteten Transition acknowledge_not_received_s in Abbildung so wechselt das Wagenger t den Betriebsmodus von Standby in den Modus der Businitialisierung Inauguration Der Platz P_inauguration_mode in Abbildung bzw inauguration_mode_wl in Abbildung wird belegt Der Inauguration Modus unterscheidet sich von dem Standby Modus durch h ufigeres Senden des Standardtelegramms z B alle build_and_send_telegram_i 60 s Der Mo dus der Inauguration bleibt so lange aktiv bis eine der beiden folgenden Situationen eintritt 1 Schalten der zeitbehafteten Transition note_mode_changei vgl Abbildung 7 16 D h wenn f r diese Zeit kein Best tigungstelegramm empfangen wurde d
137. g 3 An die Spezifikationsphase also das Requirements Engineering schlie en sich der Entwurf die Implementierung der Test und der Betrieb an wobei jeweils R ckkopplungen aufgrund von nderun gen zur n chsth heren Ebene vorgesehen sind Der Vorteil des Wasserfallmodells liegt dabei neben dem durch die Einfachheit bedingten geringen Managementaufwand im klaren Top Down Vorgehen welches Systeme strukturiert aus dem Abstrakten herlei tet und so das Zusammenwirken der Systembestandteile exakt beschreibt jedoch die Implementierungsdetails vernachl ssigt ROYCE 1970 Initialisierung Realisierung Abbildung 2 3 Systementwicklung nach dem erweiterten Wasserfallmodell Der komplement re Bottom Up Ansatz beschreitet den entgegengesetzten Weg und schafft eine Basis durch Entwicklung von Prototypen zur Problemkl rung oder eines Kerns Nukleus der zu Beginn essentielle Kernfunktionen erf llt und schalenartig er weitert wird Gerade in der Startphase bietet dieser Ansatz somit die gr ten Freiheiten bez glich der Realisierung stellt aber bei der Erweiterung dieser detailliert ausgef hr ten Kerne oder Module ein Problem dar da die gew nschte Gesamtstruktur nur mit hohem Aufwand und strukturellen Schw chen erreicht werden kann und nachtr gliche konzeptionelle Modifikationen lediglich mit gro em Aufwand m glich sind Als Beispiel im Kontext dieser Arbeit sei hier neben KIEFER 1995 SCHROM 2003 auf BIKKER und B
138. g der Energiespeicherung ber cksichtigt werden Entsprechend der Daten aus Tabelle 5 3 betr gt die mittlere Transportreichweite eines Zuges des Kombinierten Verkehrs ca 490 km Diese Entfernung wird ungef hr von einem Ganzzug der Hupach AG auf der Strecke Ludwigshafen Busto Arsizo repr sentiert Laut Fahrplan wird diese Strecke in durchschnittlich 14 8 Stunden bew ltigt Die maximale Standzeit w hrend Wartungs und Revisionsuntersuchungen wird mit maximal einem Monat angenommen Es ergibt sich das in Tabelle dargestellte Betriebsprofil f r einen Ganzzug des Kombinierten Verkehrs Das entsprechende Wochenfahrprofil ist in Abbildung B 3 dar gestellt Dabei entspricht das Tagesraster einer Dauer von 24 Stunden so dass die Balkenbreite der Nutzungszeit entspricht 64 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Gr e Wert Nutzungh ufigkeit 5 Fahrten pro Woche Fahrten pro Jahr 261 Gefahrene Strecke ca 480 km je Weg Fahrzeit pro Strecke ca 14 8 Stunden unter Ber cksichtigung des Fahrplans Mittlere Geschwindigkeit ca 32 km h maximale Standzeit ca 1 Monat Tabelle 5 6 Jahresbetriebsprofil f r einen Wagen im Kombinierten Ganzzugverkehr Szenario 3 60 50 gt oO Geschwindigkeit km h 0 Sa SS NS ZS SG pe ee e Sk AS SS e G GH Go GH e OS e A A A A A Zeit d Abbildung 5 3 Wochenfahrprofil eines Wagens
139. g z B TekCell DO1 1U Energiespeicherung Spannungsregulierung Energiemanagement realisiert durch Steuereinheit Mikrocontroller Verbindung Platine in Eigenentwicklung Siemens Prototyp Montage Befestigung Magnetbefestigung des Geh uses am Wagen Schutz Geh use z B FiBox MNX PCM 150 IP67 Abbildung 7 3 Ressourcen bersicht eines Kommunikationsger ts 7 1 5 Komponenten Bei der Komponentenauswahl wurde teilweise auf Erfahrungen und Ger te der Siemens AG zur ck gegriffen z B bei der Auswahl der GPS Empf ngermodule Kommunikation F r die Fu nkkommunikation wurden basierend auf den Ergebnissen der Validations versuche die 24XStream Module der Firma MaxStream ausgew hlt vgl Abschnitt 6 6 3 MAXSTREAM 2005 Abbildung 7 4 zeigt eine Produktabbildung des Herstellers MaxStream Abbildung 7 4 24XStream Funktransceiver der Firma MaxStream 138 KAPITEL 7 REALISIERUNG Steuerung der Komponenten Zur Steuerung der Kommunikationsger te von Wagen und Lokomotivger ten muss aufgrund der Anforderungen nach einer autarken Energieversorgung mittels Lithium Prim rbatterien vgl Abschnitt 7 1 1 eine energieeffiziente Mikrocontrollereinheit ein gesetzt werden Basierend auf pers nlichen Erfahrungen wurde ein 8 Bit RISC Prozes sor der Firma ATMEL vorgeschlagen und ausgew hlt Zur Erm glichung des Anschlus ses von Peripherie z B F nkkommunikations und Positionsermittelungsmodul sowie f r z
140. gbaren Computer Dieser speicherte die empfangenen Daten f r die sp tere Auswertung in einer Datei Die Darstellung der RSSI Werte und des Paketverlustes ber dem Abstand gibt Auf schluss ber die Qualit t und Zuverl ssigkeit der Funkverbindung Ergebnisse der Messungen im Bahnumfeld Die Messungen wurden unter widrigen Umweltbedingen bei Temperaturen um 5 C und feuchter Witterung durchgef hrt Eine Fu nkkommunikation konnte dabei trotz nicht vorhandener Sichtverbindung bis zu einer Entfernung zwischen dem Funkmodul 1 und dem Kommunikatiosnger t 2 von 500 m nachgewiesen werden Eine Sichtverbindung war nur bis ca 70 m Entfernung vorhanden danach erfolgte eine Abschattung durch zwei Elektrolokomotiven im Nachbargleis Durch berspannungen mit Oberleitungen sowie massive Schiebewandwagen in beiden Gleisen waren ebenfalls Beeintr chtigungen auf die Funkausbreitung zu erwarten Abschattung Mehrfach Reflexion Beugung usw vgl Abschnitt 6 1 3 Die Messung f r gr ere Entfernungen war aufgrund der rtlichen Gegebenheiten nicht m glich Die ermittelten Messergebnisse sind in Abbil dung 6 20 dargestellt Der durchschnittliche prozentuale Paketverlust wurde mit 0 86 ermittelt Auf Basis dieser Messergebnisse werden die 24XStream Module f r die weitere Nutzung als geeignet bewertet Eine Beurteilung der 24XStream Module f r gr ere Funkreich weiten im Bahnumfeld wurde bisher nicht durchgef hrt 116 KAPITEL 6 KOMMUN
141. gen Iklimatisch N mechanisch N o JEinsetzbarkeit N o I Kundenpr ferenz n N m Verschlei anf lligkeit o lo o Rams s N N m JEnergiedichte Njn In N N N N N N fSchnellladef higkeit 2 2 H energetische Anforderungen Verschmutzungsanf lligkeit RAMS S Verschlei anf lligkeit njin vn In n Energiedichte Schnellladef higkeit Investitionskosten Wartungskosten IKundenpr ferenz Verf gbarkeit am Markt unwichtiger 0 gleichwichtig 1 wichtiger 2 Abbildung 5 10 Priorisierung der Anforderungen f r die Energiespeicher nach der Me thode des Paarweisen Vergleichs Priorit t gt 5 E 2 3 z Umweltanforderungen geografisch 2 2 2 2 2 klimatisch 2 1 1 H 1 mechanisch 2 N N N n m Supercaps N N N N JN N N N N Jn n N N jo n n N n n In n n Blei S ure EMV 7 50 Einsetzbarkeit 7 92 Zeitliche Anfoderungen Lebensdauer Ladezyklen Selbstentaldungsrate p Monat H energetische Anforderungen Verschmutzungsanf lligkeit RAMS S N n j a lo ER n n jo n N o n N Verschlei anf lligkeit Energiedichte Schnellladef higkeit Investitionskosten Gewichtungspunktzahl 181 175 eet gewichteterRangpaz 1 2 13 1475 6 7 Eine Ablehnung des Kunden wird in d
142. gewisse Menge an Energie erzeugt wird z B zum Ausgleich der Selbstentladung eines einzusetzenden Akkumulators Der Nachteil von Fl gelwindr dern liegt in dem Risiko der Besch digung und des Verschlei es durch Einsatz der mechanisch beweglicher Teile in dem anspruchsvollen Einsatzgebiet des Schieneng terverkehrs Deshalb wurde ein Einsatz bis heute nicht realisiert Dar ber hinaus konnte kein gesch tzter und unabh ngig vom Wagentyp ge eigneter Anbauort an einem G terwagen ohne Verletzung des Lichtraumprofils identi fiziert werden 5 4 9 Savoniusrotoren Savoniusrotoren basieren auf dem Prinzip der Axialgeneratoren Horizontal gelager te Savoniusrotoren sind gerade abh ngig von der Anstr mrichtung des Windes und k nnen sich anders als Fl gelwindr der nicht zum Wind drehen um die volle Leis tungsf higkeit zu erreichen Denkbar w re der Einsatz eines horizontalen Savoniusrotors mit einer L nge von etwa einem Meter an einem Anbauort unter dem Wagen Nachteil dieser L sung w re der Einsatz mechanisch beweglicher Teile im steinschlaggef hrdeten Bereich unterhalb des 70 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Wagens Savoniusrotoren z hlen zu den Langsaml ufern besitzen aber ein relativ gro es Dreh moment 5 4 10 Solarzellen Die Energiegewinnung auf G terwagen ist durch den Einsatz von Photovoltaikanla gen also Solarzellen grunds tzlich denkbar und wird schon kommerziell eingesetzt Or
143. gra des des Photovoltaikgenerators gr er jedoch wird aus Gr nden der globalen Einsetzbarkeit des Systems der geringere Wirkungsgrad f r die Dimensionierung 5 6 EXEMPLARISCHE DIMENSIONIERUNG EINES PHOTOVOLTAIKSYSTEMS 85 5 des Photovoltaik Systems herangezogen was f r den Einsatz in Europa eine ber dimensionierung der Generatoren jedoch gleichzeitig eine Erh hung der Verf g barkeit bei einem Einsatz in gem igten Klimaregionen bedeutet F r die Spitzenleistung Pa die ein Photovoltaikgenerator besitzen muss um die elektrische Energie Wa an einem Tag mit der Globaleinstrahlung G zu liefern gilt Eo Wa Wea kW Pg gt P 1 2 5 10 pk Nrel G pk H G m2 Unter Ber cksichtigung der Wirkungsgrade der Teilkomponenten ergibt sich f r den Term Ha We W as an 5 11 G G Nir Nbat Nwr Die entnehmbare Spitzenleistung ergibt somit zu Was kW gt P 7a 1 2 Ai 5 12 2 G 1 Anpassung Batterie Laderegler M 5 6 3 Dimensionierung des Photovoltaikgenerators unter Be r cksichtigung der Verf gbarkeit F r sicherheitsrelevante Energieversorgungssysteme wird ein Verf gbarkeitsfaktor bei der Dimensionierung des Photovoltaiksystems einbezogen werden WAGNER 1999 Das daraus resultierende Vorgehensschema ist wie folgt 1 2 Berechnung des t glich ben tigten Energiebedarfs analog 5 1 Berechnung der ben tigten Batteriekapazit t analog 5 7 berpr fung
144. h Wie in Kapitel I dieser Arbeit erw hnt ist ein funkbasiertes Kommunikationssystem mit energieautarken Kommunikationsger ten f r den Einsatz im Schieneng terverkehr zu realisieren Ziel ist der Informationsaustausch zwischen den Fahrzeugen eines Fahr verbandes vor allem zwischen den Wagen und dem Zugfahrzeug d h meist der Loko motive Relevante Informationen betreffen prim r den Status der einzelnen ausger s teten Wagen sowie die Integrit t des Fahrverbands Gerade im Schieneng terverkehr sind diese Informationen von besonderem Interesse da bisher keine zuverl ssige L sung f r eine Intrazugkommunikation verf gbar ist Weitere Randbedingungen sind z B eine 22 3 3 DEKOMPOSITION DER ANFORDERUNGEN 23 wartungsarme und vor allem energieautarke Ausf hrung der Wagenger te sowie die automatische kommunikationstechnische Konfiguration des Kommunikationssystems Die Hauptanforderungen lassen sich wie folgt untergliedern e Kommunikation Kommunikation innerhalb eines Fahrverbands Intrazugkommunikation Betrieb der Einrichtung unabh ngig von der Reihung der Wagen im Verband Dynamische Konfiguration ohne Kenntnis der lokal geografischen Verteilung der Kommunikationsger te automatische Inauguration Vermeidung von Patent und Rechteverletzungen e Einnergieversorgung Autarke Energieversorgung der Kommunikationseinrichtungen jedes ausge r steten Wagens Wartungsfreiheit w hrend des Revisionsint
145. h a DR A De A 95 en ae E e be E E 100 EE 105 IX 6 8 Bewertungsmatrix m glicher Funktechnologien 2 2 2 2 106 6 9 Versuchsanordnung zur Reichweitenvalidierung entsprechend des MaxStream er Ee 107 6 10 Skizze der Messumgebung Un 108 ee es 109 6 12 Messergebnisse f r die XBee PRO Module in Messumgebung 1 109 6 15 Skizze der Messumgebung 2 2 22 2 CH n nn 112 EECHER EE 112 EE 113 6 18 Messergebnisse f r die 24XStream Module in Messumgebung 2 118 6 19 Messumgebung 3 im G terbahnhof Braunschweig 114 ERROR 116 6 21 Bedrohungs Schutzma nahmenmatrix nach EN50159 2 2002 6 22 Auswahl einer Nachrichtenstruktur nach EN50159 2 2002 entspre ENEE 123 een ES derung des Kapitels Realisierung 2 2222 nennen 130 BEER 131 ERROR 137 BEA 137 ENTER 138 EE 139 EIER 139 7 8 Berechnung des Energiebedarfs pro Stunde unter den angenommenen Randbedingungen 2 2 2 Enno n nn 142 7 9 Berechnung des Energiebedarfs unter den angenommenen Randbedin gungen bezogen auf ein Revisionsintervalll 2 2 2 22 222 143 DEENEN 145 le De een 4 146 TETTETETT 151 en e E ee 153 DEENEN 154 Carlo Simulation e 163 7 19 Analyseansatz f r die Monte Carlo Simulation unter Verwendung von EE USERN Te 165 EE EE 166 7 22 bersicht ber die im Rahmen des AC DC Projekts entwickelten Me thoden zur automatischen Codegenerierung 2 2 a a 171 7 23 Vorgehen f r d
146. h zu 23 bis 30 km h Aufgrund der Bestrebungen der Wagenvermietgesellschaften zur Minimierung von Standzeiten ist die maximal zu erwartende Standzeit mit einem Monat ausreichend lang angenommen Zur Absch tzung des Wartungsintervalls der Kommunikationseinrichtungen wurden die H ufigkeit und Dauer der planm igen und au erplanm igen Werkstattaufenthalte er mittelt Diese Zeit k nnte ebenfalls f r die Wartung der Kommunikationseinrichtung und ggf dem Austausch der Energiequellen genutzt werden 60 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG e Planm ige Werkstattaufenthalte Nach 832 der Eisenbahn Bau und Be triebsordnung EBO muss ein Wagen jederzeit bei Bedarf mindestens jedoch alle sechs Jahre gewartet werden In einigen F llen kann diese Vorgabe zwei Mal um jeweils ein Jahr hinausgeschoben werden d h sp testens alle acht Jahre wird jeder Wagen gewartet Da die Universalwagen des Germersheim Shuttles gemie tet sind obliegt die Entscheidung der Wartungsh ufigkeit dem Wagenvermieter und ist Bestandteil des Mietvertrages e Au erplanm ige Werkstattaufenthalte Die Wagenvermieter Wascosa und KVG gaben auf Nachfrage die au erplanm ige Ausfallzeit ihrer Kesselwagen mit 1 des Jahres an Diese Zahlen sind unmittelbar auf Universalwagen bertrag bar Das hei t dass an jedem Wagen an durchschnittlich 3 56 Tagen pro Jahr Wartungs und Instandhaltungsarbeiten entweder von dem Mieter selbst oder von ext
147. herung auf G terwagen betrachtet und bewertet Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Energiebedarf p a Wi Janr 584 7 Wh Wa Jahr 155 7 Wh W3 Jahr 2 89 kWh Tabelle 5 7 Energiebedarf pro Jahr in Abh ngigkeit vom Einsatzszenario 66 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 4 M glichkeiten der Energieversorgung auf G terwagen 5 4 1 Anforderungen an Energiequellen und erzeuger auf G terwagen Die Energiequellen und erzeuger werden anhand der in Abschnitt klassifizierten und dekomponierten Anforderungen bewertet Die definierten Werte der dekomponier ten Gr en sind in Abbildung 5 4 dargestellt Der Einsatz von Energiequellen und erzeugern ist aus politischen Gr nden in hohem Ma e von der Kundenpr ferenz abh ngig vgl Abbildung 5 7 denn diese entscheidet ber die Einsatzm glichkeit z B eines Achsgenerators oder einer Photovoltaikanlage Dies geht einher mit den Investitionskosten Klassifizierte Anforderung Wert Verschmutzungsanf lligkeit keine bis geringe Zuverl ssigkeit Spannungs amp Stromfestigkeit Festigkeit gegen ESD Verf gbarkeit jederzeit abh vom Fahrzustand Wartungsintervall 6 Jahre oder l nger keine Gef hrdung der Betriebssicherheit Verschlei anf lligkeit zeitl Anforderungen kein oder geringer Verschlei wurde der Anforderung Kundenpr ferenz zugeschlagen wurde der Anforderung Kundenpr ferenz zugeschlagen Wartungskosten
148. hsengeneratoren und besitzen den Nachteil der notwendigen Windnachf hrung F r die Energiegewin nung durch den Einsatz von Fl gelwindr dern auf einem G terwagen wird prim r der Fahrtwind genutzt In diesem Fall kann ein Fl gelwindrad fix in Fahrtrichtung montiert werden so dass die Windnachf hrung entfallen kann Da ein Wagen jedoch sowohl vor als auch r ckw rts fahren kann w re ggf f r jede Fahrtrichtung ein Fl gelwindrad anzubringen bzw das eine Windrad muss bidirektional funktionieren und so montiert sein so dass der Fahrtwind in jedem Fall ausgenutzt werden k nnte Weiterhin besitzt ein Fl gelwindrad ein schlechtes Anlaufverhalten f r niedrige Wind geschwindigkeiten wohingegen es bei zu schneller Anstr mung zum Abriss Stall kommt Problematisch ist der extreme Windgeschwindigkeitsbereich an einem G ter zug Es treten Windgeschwindigkeiten von 0 m s bis zu 33 m s 120 km h auf Kom merzielle Fl gelwindr der in Windfarmen werden bei Windgeschwindigkeiten ab etwa 22 m s abgeschaltet was entweder durch Blattverstellung oder Generatorkurzschluss geschieht SUPERWIND GMBH 2004 Die an einem G terzug w hrend der Fahrt erreich baren Windgeschwindigkeiten liegen ber dieser Abschaltwindgeschwindigkeit Somit sind solche Fl gelwindr der f r den Einsatz zur dauerhaften Stromerzeugung auf G terz gen nur eingeschr nkt geeignet Vorteil von drehbar gelagerten Windr dern ist dass auch w hrend der Standzeiten eine
149. i der Systementwicklung essentiell zur Sys temzuverl ssigkeit bei Im Vergleich zur hardwareorientieten Zuverl ssigkeitstechnik ist die Technik der Softwarezuverl ssigkeit bisher weniger ausgereift da Software systeme hinsichtlich des Versagensverhaltens andersartige Eigenschaften aufweisen als Hardwaresysteme Hardwaresysteme k nnen anhand der definierten Lasten Require ments verifiziert und validiert werden so dass eine Aussage zur Zuverl ssigkeit m glich ist BITSCH 2006 LIGGESMEYER 2000 Die Fehler der Software k nnen in Entwurfs und Implementierungsfehler unterschieden werden die unter bestimmten Bedingungen zum Versagen der Software f hren k nnen Per Modellbildung und Simulation besteht die M glichkeit das Softwaresystem bereits vor der Implementierung auf Zuverl ssigkeit zu untersuchen Entgegen der klassischen Softwareentwicklung nach dem Rational Unified Process RUP wurde in dieser Arbeit eine ber ein Modell und eine Simulation validierte Software entwickelt Dies hat den Vorteil dass die Validation bereits vor der Implementierung erfolgen kann und so eine zeitaufw ndige Fehlersuche w hrend der Implementierungsphase entfiele Ideal w re die Generierung einer Software aus dem validierten Systemmodellen vgl Abschnitt 73 A 2 3 Analysemethoden der Verl sslichkeit F r die Verl sslichkeitsanalyse k nnen verschiedene Methoden wie z B die kombi natorische Methode der Fehlerbaumanalyse stochastische Petrin
150. i der pro Sendesymbol zwei Bits bertragen werden k nnen wobei sich die Ausnut zung der zur Verf gung stehenden Bandbreite verdoppelt Bin re Umtastung OOK Durch einfaches An und Ausschalten der Tr gerwelle zeichnet sich die bin re Umtas tung On Off Keying OOK aus Sie stellt eine extreme Form der Amplitudenumtas tung dar wobei die Amplitude z B f r ein Bit mit dem Wert 0 auch Null ist 6 3 2 Modulation durch Frequenzspreizung Gerade bei der drahtlosen Kommunikation finden Modulationsverfahren mit Frequenz spreizung Anwendung Die beiden typischen Vertreter sind das Frequenzsprungverfah ren FHSS und das Frequenzspreizungsverfahren DSSS Frequenzsprungverfahren FHSS Bei dem Frequenzsprungverfahren FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum wird die Tr gerfrequenz entsprechend des Spreizsignals pseudo zuf llig und diskret gewech selt Bandspreizungsverfahren DSSS Bei dem DSSS Verfahren zur direkten Bandspreizung Direct Sequence Spread Spec trum wird ein Nutzsignal mit einem Spreizsignal multipliziert und so auf mehrere Frequenzen innerhalb des bertragungsbandes gespreizt Durch die Spreizung ist ei ne gr ere Bandbreite zur bertragung notwendig Gleichzeitig wird die Energiedichte im Spektrum reduziert so dass andere Signale weniger gest rt werden Das DSSS Verfahren wird oft in Verbindung mit dem Zugriffsverfahren des Codemultiplexens CDMA eingesetzt vgl Abschnitt 6 3 3 6 3 3 Zugriff
151. ichsweise betrieblich Anschaffungspreis g nstig als ZiC als ZC teuer Regelm ige Betankung abh vom Tankvolumen keine keine keine keine keine keine Betriebskosten Betriebskosten Betriebskosten Betriebskosten Betriebskosten Betriebskosten Betriebskosten kein Anbieter kein Anbieter SmartFuelCell Verf gbarkeit am Markt bekannt bekannt Panasonic u v w Panasonic SAFT nicht bekannt Testzwecke Abbildung 5 5 Eigenschaftenmatrix der Energiequellen und erzeuger Teil 1 5 4 M GLICHKEITEN DER ENERGIEVERSORGUNG AUF G TERWAGEN 75 Kategorie Kriterium Herk mmliche Achsgeneratoren euartige Achsgeneratoren FAG IN Feder Masse Schwinger Feder Magnet Schwinger K Patent von Talke iseismischer Schwingmassegenerator K Patent von Talke Bremsdruckluftgenerator Fl gelwindrad Savoniusrotor Photovoltaik Solarzelle Spannung 6 12 oder 24 V herstellerabh ngig technisch Selbstentladungsrate nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar Verschmutzungsanf lligkeit unempfindlich unempfindlich ein solcher Generator w re unempfindlich gegen Verschmutzung ein solcher Generator w re unempfindlich gegen Verschmutzung ein solcher Generator w re unempfindlich gegen Verschmutzung nicht bekannt regel
152. ie Codegenerierung aus einem TimeNET Petrinetzmodelll 172 7 24 Screenshot des Workspaces in Eclipse 2 22 2222 173 A TI Grundstruktur eines einfachen Petrinetzesl 2 2 2222222 177 A 2 Schalten eines Stellen Transitions Netzesl 2 2 2 HC m on m nn 178 A 3 S T Netze mit Test und Verbotskanten 2222 179 A 4 Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen 2 2 2222 22 2 180 XI Tabellenverzeichnis 5 1 Anteil der G terbereiche am Verkehrsaufkommen der DB Cargo ALLES KERN ESCHER 64 5 7 Energiebedarf pro Jahr in Abh ngigkeit vom Einsatzszenario 65 5 8 Mittlerer Wirkungsgrad von Solarzellen je Typ SOLARSERVER 2005 70 5 9 Bedeutung der Bewertungspunktzahlen f r die gewichtete Bewertung 73 6 1 Formelzeichen aus 6 1 und 6 2 6 2 Formelzeichen aus 6 3 araea da traa 111 6 4 Ergebnis f r die 24XStream Module in Messumgebung 2 111 6 5 Aufbau des SAHARA Protokollsl 124 Es fe 2002 EES 129 EE 142 7 2 Zustandsraumanalyse mit Il Iooll 222 2 Co Ener en 161 7 3 Zustandsraumanalyse mit TL Tool f r die Monte Carlo Simulation 164 XII Abk rzungsverzeichnis RAR Association of American Railroads Abenden Allgemeines Eisenbahngesetz ASK are Amplitude Shift Keying Amplitudenumtastung der Modulation E Bezeichnung der Familie der RISC Prozessoren der Firma ATMEL BASYSNET Beschreibungs Analyse und Systementwicklungsmethode auf
153. ie Skalierung die Werte sowie die Dimension der Gr en ergeben sich aus dem Einsatzprofil vgl Abschnitt 5 3 3 4 QUERSCHNITT DER ANFORDERUNGEN 33 Zeitliche Nutzung Betriebszeit Anforderungen Standbyzeit Nutzungsh ufigkeit Sendelatenz vom letzten Kommunikation Tea Wagen zur Lok Energieerzeugung Lebensdauer Fahrzeiten Standzeiten Frequenz Zyklus der Fahrten Energiespeicherung CH Lebensdauer Ladezyklen Selbstentladung Abbildung 3 11 Dekomposition der Systemanforderungen an das Zeitverhalten 3 4 2 Technische Anforderungen Die technischen Anforderungen an das zu realisierende Kommunikationssystem setzen sich aus den allgemeinen Anforderungen an den Funkkanal sowie den geometrischen elektrischen und zeitlichen Anforderungen zusammen Anforderungen an den Kommunikationskanal Die Dekomposition der Anforderungen an den Kommunikationskanal gliedert sich in die technischen Anforderungen die strukturellen Anforderungen den HF Kanal die Kommunikationshardware und die Sicherheitsanforderungen RAMS S vgl Abbildung B 12 Sie ergeben sich aus der Norm EN62280 2 EN62280 2 2003 Geometrische Anforderungen Die Dekomposition der geometrischen Anforderungen ergibt sich aus EN50129 EN50159 1 2003 EN50159 2 2002 und werden nach Abbildung festgelegt Energetische Anforderungen Die Dekomposition der energetischen Anforderungen ist in Abbildung dargestellt Zeitliche Anforderungen Die Dekomposition der
154. igenergie Anwendungen und Ad hoc Netzwerke im ISM Band zwischen 2 402 GHz und 2 480 GHz eingesetzt Die Reichweite von Bluetooth betr gt je nach Klasse zwischen 10 m bei 1 mW Sendeleistung Klasse III bis zu 50 m bei 2 5 mW Sendeleistung Klasse II und bis zu 100 m bei 100 mW 6 3 FUNKBUSSE 103 Sendeleistung Klasse I Bluetooth setzt als Modulationsverfahren das Frequenzsprungverfahren FHSS frequen cy hopping spread spectrum ein Nach jedem Empfangen und Senden wird bis zu 1600 mal pro Sekunde zuf llig die Frequenz ge ndert blicherweise bilden Bluetooth Module ein kleines Netzwerk welches Piconetz genannt wird In einem Piconetz k nnen sich acht aktive Teilnehmer und bis zu 255 inaktive d h geparkte Stationen befinden Mindestens zwei aber h chstens 10 Piconetze k nnen zu einem Scatternetz zusammengefasst werden Damit k nnen sich maximal 71 aktive Teilnehmer in einem Scatternetz befinden Folgende Angaben gelten f r Bluetooth Klasse 1 Ger te BR C30 BR CS30 der Firma Blueradios BLUERADIOS 2004 Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 40 C und 70 C Versorgt werden die Module mit einer Gleichspannung von 3 3 V Der Energiebedarf des Moduls beim Senden betr gt 396 mW und beim Empfangen 132mW Die Module verf gen ber zwei Energiesparmodi Im Standby Modus werden 6 6 mW im Tiefschlaf Modus 297 uW an Energie ben tigt WLAN Die WLAN Technologie IEEE 802 11b wird seit 1997 f r die Daten
155. in ausgereifter Funkstandard der geeignet ist f r drahtlose digitale mikro zellulare Mobilfunknetze Die Reichweite betr gt etwa 50 m in Geb uden und bis zu 300 m im Freifeld Es wird ein eigener Frequenzbereich von 1880 MHz bis 1900 MHz im reservierten Bereich von 1710 MHz bis 1930 MHz benutzt Der Kanalabstand betr gt 1728 kHz so dass 10 Frequenzkan le bereitgestellt werden Die maximal zul ssige qui valente Strahlungsleistung betr gt 4 W EIRP die Sendeleistung 250 mW invariant und die gemittelte Sendeleistung betr gt 10 mW pro Zeitschlitz Es k nnen bis zu 5 mobile Ger te Mobile Parts an einer Basisstation Fixed Part unter Verwendung einer Stern Topologie betrieben werden Ein Nachteil von DECT ist dass der Verbindungsaufbau vom mobilen Ger t zur Basisstation erfolgt ZigBee Die Markteinf hrung von ZigBee IEEE 802 15 4 war im Anschluss an die 2005 be ginnende Testphase f r das Jahr 2007 geplant Produkte waren jedoch bereits zu Be ginn der Entwicklung des in dieser Arbeit behandelten Kommunikationssystems erh lt lich MAXxSTREAM 2006 ZIGBEE ALLIANCE 2004 Der sogenannten ZigBee Alliance geh ren unter anderen Motorola und Samsung an ZigBee Netzwerke sind haupts ch lich f r den Einsatz in Sensornetzwerken mit geringer Auslastung und mit geringen Datenraten f r berwachungs und Kontroll Aufgaben in fast jedem Industriebereich einsetzbar Die Reichweite von ZigBee betr gt gem des Standards und abh ngig
156. ind Datenraten von 100 bis 480 MBit s erreichbar Es sind 5 Kan le nutzbar von denen in der Regel nur ein Kanal genutzt wird und die verbleibenden vier optional nutzbar sind Durch die hohen Frequenzen und der begrenzten Sendeleistung liegt die Reichweite von UWB bei weniger als 10 m IHLENFELD 2004 ZIGBEE ALLIANCE 2004 Es sind nur Punkt zu Punkt Verbindungen m glich 6 4 Favorisierte Funkmodule Als Vorgriff auf die Bewertung in Abschnitt und zur Vermeidung einer Wieder holung werden die beiden favorisierten Funktechnologien und konkrete Produkte an dieser Stelle vorgestellt 6 4 1 24XStream Funkmodule der Firma MazStream Die 24XStream Module sind kommerziell erh ltliche Funk Modems Die Module der Firma MaxStream sind vorgesehen f r transparente Operationen d h den Ersatz ei ner seriellen Verbindung auf der Luftschnittstelle f r Kontroll und berwachungs aufgaben in der Industrie und im Automotive Bereich in der Heimautomation der Feld berwachung und bei Telemetrieanwendungen MAXSTREAM 2005 Es k nnen Punkt zu Punkt Punkt zu Mehrpunkt Multi Drop Transparent und Peer to Peer Verbindungen realisiert werden Die X24Stream Module nutzen 25 Kan le im Frequenzbereich zwischen 2 4000 GHz und 2 4835 GHz mit sieben unabh ngigen FHSS FSK Sequenzen vgl Abschnitt 6 3 2 Laut MAXSTREAM 2005 lassen sich in Geb uden und bei starker Bebauung Reichwei te bis zu 183 m und im Freien mit einer Dipolantenne bis 5 km erreiche
157. inem Einsatz zu ber cksichtigen berladung Elektrolytver nderung Alterung Korrosion Selbstentladung Tempera tur Hitze und K lte Druck Vibration Schock Strahlung Besch digung Deformati on Risse Leck Gasung und Fehlbehandlung durch Tiefentladung Verpolung Kurz schluss Wechselstrom Grenzstrom oder berlastung Die Selbstentladung von Sekund rbatterien ist temperaturabh ngig und umso gr er je h her die Umgebungstemperatur ist Hingegen verlaufen die elektrochemischen Re aktionen umso langsamer je niedriger die Umgebungstemperatur ist d h desto weniger Energie l sst sich aus den Batterien entnehmen Dieser Effekt ist reversibel Bei der Di mensionierung der Energiespeicher stellt die Selbstentladungsrate bei Annahme einer entsprechend h ufigen und langen Nachladung kein Problem dar vgl Abschnitt B 6 2 Als M glichkeiten der Energiespeicherung auf G terwagen wurden folgende Typen von Sekund rbatterien bzw Supercap Kapazit ten betrachtet und anhand der Werte der dekomponierten Anforderungen an die Energieversorgung entsprechend Abschnitt bewertet Die Bewertung erfolgt in Abschnitt e Blei Akkumulatoren e Nickel Cadmium Akkumulatoren e Nickel Metall Hydrid Akkumulatoren e Nickel Wasserstoff Akkumulatoren e Lithium Ionen Akkumulatoren e Nickel Schwefel und Natrium Schwefel Akkumulatoren e RAM Akkumulatorzellen e Supercaps 78 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG 5 5
158. ines solchen Ge r ts ber ein Wartungsintervall eines Wagens eine elektrische Energie von 39 42 kWh ben tigt wird Dieser Energiebedarf ist durch die Verwendung von Prim rbatterien f r die Energiever sorgung nicht kompakt zu realisieren und wirtschaftlich zu decken Es ist ersichtlich dass die Nutzung der Energiesparmodi unerl sslich ist oder dass die Energieversor gung durch Verwendung elektrische Energieerzeuger an jedem ausger steten Wagen in Kombination mit einem Energiespeicher z B Sekund rbatterien realisiert werden muss 5 3 Energiebetrachtung f r individuelle Fahrprofile Die Analyse aus Abschnitt P 2 hat gezeigt dass die Dauernutzung des Kommunikations systems w hrend eines Wagen Revisionszyklus von sechs Jahren mit Prim rbatterien nicht zu leisten ist F r eine Optimierung des Energiebedarfs und der Energieversorgung kann z B ein globales Nutzungsprofil erarbeitet werden welches jedoch f r den Hersteller oftmals einen Kompromiss aus Kosten Nutzen Sicht darstellt Eine differenzierte Analyse der individuellen Nutzungsprofile abh ngig vom Kunden der bef rderten Gutart sowie der Transportentfernung bietet hier Optimierungspotenzial bei der Dimensionierung der Energieversorgung 5 3 ENERGIEBETRACHTUNG F R INDIVIDUELLE FAHRPROFILE 59 Die h ufigsten Nutzungsarten bezogen auf die Anteile an der Verkehrsmenge und an der Verkehrsleistung des gesamten Schieneng terverkehrs der DB Cargo sind nach AL LES 19
159. ion In dem Modus der Businitialisierung des Kommunikationsger ts einer Lokomotive werden die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungseinheit von der Steuerungseinheit permanent abgefragt vgl Abschnitt 7 2 Empf ngt die Funkkom munikationseinheit des Kommunikationsger ts einer Lokomotive das Standardtelegramm eines Wagens so wertet die Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts der Loko motive die empfangenen Nutzdaten entsprechend der Plausibilit tspr fung aus vgl Abschnitt 7 2 2 Ist diese Plausibilit ts berpr fung der empfangenen Daten negativ verlaufen so werden die Daten des Wagen Kommunikationsger ts gespeichert es erfolgt aber keine weitere Reaktion des Lokomotiven Kommunikationsger ts 136 KAPITEL 7 REALISIERUNG Ist diese Plausibilit ts berpr fung der empfangenen Daten positiv verlaufen so sen det die Steuerungseinheit ein Best tigungstelegramm an das Kommunikationsger t des entsprechenden Wagens Erfolgt w hrend der Aktivierung des Modus der Businitialisierung die Anfahrtsde tektion durch die Steuerungseinheit so erfolgt ein Wechsel von der Businitialisierung in den Modus der Betriebsmodus Operation Betriebsmodus Operation In dem Modus der Businitialisierung des Kommunikationsger ts einer Lokomotive werden die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungseinheit von der Steuerungseinheit permanent abgefragt Empf ngt die Funkkommunikationseinheit des Lokom
160. ionsverfahren ver ndern die genutzte Tr gerwelle diskret Anstatt des Begriffs Modulation wird bei den digitalen Modulationsverfahren oft der Begriff Umtastung oder Umschaltung engl shift keying verwendet Amplitudenumtastung ASK Bei dem digitalen Modulationsverfahren der Amplitudenumtastung Amplitude Shift Keying ASK wird die Amplitude der Tr gerwelle in wenigen diskreten Werten ver ndert Frequenzumtastung FSK Entgegen der Frequenzmodulation bei der analogen bertragung werden bei der Fre quenzumtastung Frequency Shift Keying FSK mehrere hnliche aber leicht unter schiedliche feste Tr gerfrequenzen verwendet Zur Informations bertragung wird zwi schen den verschiedenen Frequenzen umgeschaltet Eine spezielle Variante der Frequenzumtastung ist das Gaussian Frequency Shift Key ing GFSK GFSK zeichnet sich dadurch aus dass der Oberwellenanteil durch Gau Filterung reduziert wird Dadurch wird die Spektralbreite begrenzt und ein berspre chen zwischen Nachbarkan len reduziert Phasenumtastung PSK Die Phasenumtastung Phase Shift Keying PSK wird h ufig angewandt Bei dieser Modulationsart wird die Tr gerfrequenz in diskreten Abst nden ver ndert Die gr te Anforderung ist es bei der pl tzlichen Umtastung der Phase die gew nschten Frequenz verl ufe zu erzeugen Eine spezielle Variante der Phasenumtastung ist die Quadratur Phasenumtastung QPSK 6 3 FUNKBUSSE 97 be
161. ireless Data Collection and Communication for Interconnected Mobile Sys tems Such As For Railways US Patent US 6 668 216 B2 MINDE und WITTE 2001 MINDE F und S WITTE 2001 FEBIS Kommunika tionsbasierte elektronisch gesteuerte Bremse In Eisenbahntechnische Rundschau ETR Bd 50 S 256 263 MORTENSEN 1999 MORTENSEN K H 1999 Automatic Code Generation from Coloured Petri Nets for an Access Control System Technischer Bericht Department of Computer Science University of Aarhus Denmark NANOTRON TECHNOLOGIES 2006 NANOTRON TECHNOLOGIES GMBH 2006 Produktbeschreibung des NanoNET TRX Transceiver Moduls NAITR OBER 1998 OBER B 1998 Modellgest tzte Synthese ereignisdiskreter Steuerun gen Dissertation TU Braunschweig PETRI 1962 PETRI C A 1962 Kommunikation mit Automaten Dissertation REICHELT 2003 REICHELT 2003 TIPP Solar Beispielrechnung Reichelt Elektro nik R GER 2005 R GER B 2005 Kombinierter Verkehr als Rettung des Schienen g terverkehrs Institut f r Eisenbahnwesen Verkehrswirtschaft und Seilbahnen der Technische Universit t Wien Wien sterreich 188 LITERATURVERZEICHNIS RIECKENBERG 2004a RIECKENBERG TH 2004a Entwicklung eines Telematiksys tems f r den Schieneng terverkehr RIECKENBERG 2004b RIECKENBERG TH 2004b Telematik im Schieneng ter verkehr Ein konzeptionell technischer Beitrag zur Steigerung der Sicherheit und Effektivit t Dissert
162. is zum Zeitpunkt der Anfahrt registrierten und bereits plausibel bewerteten Wagenger te abschlie end eine neue Plausibilit tspr fung durch Wagenger ten welche die Plausi bilit tspr fung positiv bestehen sendet das Lokomotivenger t nach jedem Empfang 7 3 MODELLIERUNG SOFTWAREKONZEPT UND IMPLEMENTIERUNG 153 eines Standardtelegramms eines Wagenger ts ein Best tigungstelegramm zur ck vgl T_loop_o in Abbildung 7 13 Wagenger te die die Plausibilit tspr fung nicht beste hen werden ignoriert Die Deauguration also das Aufl sen des Kommunikationsbusses erfolgt ausgehend von dem Lokomotivenger t des Fahrverbands und durch manuellen Eingriff In diesem Fall wird das Funkmodul des Lokomotivenger ts deaktiviert Best tigungstelegramme werden nicht mehr gesendet Nach Schalten der Transition T3 vgl Abbildung 7 13 werden plausibel bewertete und registrierte Wagenger te gel scht und der Energiespar modus aktiviert Das abstrahierte Modell aus Abbildung l sst sich im Detail entsprechend Ab bildung darstellen P_standby_mode T_first_waggon_plausible 5 E T T_loop_s P_first waggon plausible P_inauguration mode E T_approach_detected g 2 T_loop i P_approach detected P_operation mode T manual deauguration 2 T _loop_o P_manual_deauguration Abbildung 7 13 Abstrahiertes Modell des Lokomotivenger ts 154 KAPITEL 7 REALISIERUNG initialization start N enter_standby
163. ision Multiple Access Kennzeichnend f r das Codemultiplexverfahren ist die bertragung eines schmalban digen Funksignals in einem breitbandigen Frequenzspektrum wobei das schmalbandige Singal durch eine geeignete Codierungsvorschrift auf ein breitbandiges Signal abgebil det wird Codespreizung WALKE 2001 Jeder Benutzer des Funkkommunikationssystems verwendet jeweils eine eigene Codie rungsvorschrift welche so gew hlt werden muss dass die Interferenzen der zeitgleich bertragenen Signale bei den Empf ngern minimal sind Je mehr Codekan le in einem Frequenzband verwendet werden desto h her wird das Signal zu Rausch Verh ltnis Signal to Noise Ratio SNR so dass die Anzahl der Teilnehmer in einem Kanal be grenzt ist Zur Realisierung der spektralen Spreizung des Signals werden in der Praxis haupt s chlich zwei Verfahren eingesetzt e Direct Sequence DS wobei die Codeaufspreizung orthogonale Codekan le er zeugt deren Summensignal n herungsweise Null ist e Frequency Hopping FH wobei Sender und Empf nger in schneller Folge syn chron die bertragungssequenz wechseln Die Vorteile des CDMA Verfahrens sind dass keine Zeitsynchronisation der verschie denen Sender erforderlich und dass es resistenter gegen ber zuf lligen oder gezielten St rungen ist Nutzsignale stark einfallender Sender st ren jedoch die Signale schw cherer Sender erheblich WALKE 2001 6 3 FUNKBUSSE 99 SDMA Space Division Multipl
164. itsvor Temperaturbereich m glich ist nicht schriften m ssen ist nicht ausreichend beachtet werden ausreichend kein Anbieter kein Anbieter Einsetzbarkeit bekannt bekannt keine Wartung erforderlich Wartungsintervall aufwand Maintainability RAMS wartungsfrei wartungsfrei wartungsfrei nicht bekannt wartungsfrei nicht bekannt technsich u betrieblich Leistungsverlust von 28 in den ersten 300 h k A ber Langzeitverhalten Verschlei anf llig kein Verschlei kein Verschlei kein Verschlei kein Verschlei kein Verschlei kein Verschlei keine keine keine bei unbesch Beeintr chtigung Beeintr chtigung Beeintr chtigung digtem Zustand ist unbedenklich unter Betriebssicherheit RAMS der Betriebs der Betriebs der Betriebs bahntech nische nicht bekannt Beachtung von sicherheit des sicherheit des sicherheit des Sicherheit Sicherheitsrichtlinien Bahnbetriebs Bahnbetriebs Bahnbetriebs gew hrleistet 40 bis 70 C 20 bis 40 C unter n b n b e 5 i amp Panasonic i oi best Temperat rbereich 20 bis 55 C 2 20 bis 55 c 22 20 bis 55 C Sbis 45 C CN bis 85 Hk Lee Voraussetzungen SAFT auch T1 Entsorgung Entsorgung Entsorgung Entsorgung Entsorgung Entsorgung notwendig notwendig notwendig notwendig notwendig notwendig unbedingt stehende Lagerung Umweltvertr glichkeit sehr gut etwas teurer etwas teurer nicht bekannt nicht bekannt nicht bekannt noch vergle
165. ka tionsteilnehmer unabsichtlich eine Nachricht in den Informationsfluss eingef gt so hat dies potentiell eine Fehlfunktion oder den Ausfall des technischen Systems zur Folge Bedrohung durch Resequenzierungen von Nachrichten ndert ein Angreifer absichtlich die Folge oder den bertragungsweg von Nachrichten an den Empf nger eines Kommunikationssystems oder wird wegen einer Hardwarefehl funktion die Nachrichtenreihenfolge ge ndert so kann dies zu einer bedrohlichen Si tuation innerhalb des dem Kommuniaktionssystem berlagerten technischen Systems f hren Bedrohung durch Verf lschungen von Nachrichten Wird eine Nachricht z B durch EMV zuf llig in eine andere formal korrekte Nachricht ver ndert oder ver ndert ein Angreifer eine Nachricht in einer plausiblen Weise so dass der Sender und der Empf nger des Kommunikationssystems diese Modifikation nicht entdecken k nnen so stellt dies eine Bedrohung f r das dem Kommunikationssystem berlagerte technische System dar Bedrohung durch Verz gerungen von Nachrichten Zu einer Verz gerung von Nachrichten kann es durch eine berlastung des bertra gungssystems kommen Dies kann zum einen durch fehlerhaft dimensionierte oder zu f llig zu hohe Verkehrslast und zum anderen durch eine von einem Angreifer durch Scheinnachrichten provozierte berlastung Denial of Service Angriff hervorgerufen werden Bedrohung durch Manipulationen von Nachrichten Die Kommunikation zwischen
166. keine Einsetzbarkeit Montage Festigkeit gegen Umweltbedingungen Kundenpr ferenz Favorisierung neutral Ablehnung hohe Zuverl ssigkeit Betriebssicherheit Energiedichte Investitionskosten uneingeschr nkt gegeben Abbildung 5 4 bersicht der klassifizierten Anforderungen f r Energiequellen und de ren Werte 5 4 2 Prim rbatterien Der Begriff Prim rbatterie beschreibt die Gesamtheit aller nicht wiederaufladbaren Batterien Beim Einsatz von Prim rbatterien ist deren Technologie abzuw gen Entweder werden preiswerte und einfache Batterien z B Alkali Mangan Batterien oder technologisch moderne Batterien z B Lithium Batterien mit h heren Investitionskosten verwendet 5 4 M GLICHKEITEN DER ENERGIEVERSORGUNG AUF G TERWAGEN 67 Unvorteilhaft ist die nat rliche temperaturabh ngige Selbstentladung jeder Batterie welche umso h her ist je gr er die Umgebungstemperatur ist Je niedriger die Umge bungstemperatur desto weniger Energie l sst sich durch Verlangsamung der elektro chemischen Reaktionen in der Batterie aus ihnen entnehmen Steigende Temperaturen egalisieren diesen Effekt Untersucht wurden Zink Kohle Batterien bzw das Leclanche Element Zink Chlorid Alkali Mangan Zink Luft Lithium und Silberoxid Batterien 5 4 3 Achsgeneratoren Herk mmliche Achsgeneratoren sind bew hrte Energieerzeuger zur Speisung der elek trischen Heizung von Per
167. keit 0 b gleichwichtig Wertigkeit 1 c wichtiger Wertigkeit 2 als Zeilen Kriterium y ist Je nach Beurteilung wird die Wertigkeit in das Feld der Priorit tenmatrix eingetragen Dieses Verfahren ist auch bei mehreren Ent scheidern anwendbar wobei jeder Entscheider f r sich den Paarweisen Vergleich durchf hrt und in die Zellen der Vergleichstabelle des Teams die Summe der Bewertungspunkte aller Entscheider eingetragen wird Durch die anschlie ende Normierung ergibt sich so eine objektive Priorisierung Unterhalb der Diagonalen ist das Komplement der Wertigkeit einzutragen d h 12 max Punktzahl 21 Die Priorisierung der Kriterien ergibt sich durch zeilenweise Summen bildung und anschlie ende Normierung Faktoren A B C und D Kriterium 1 1 1 an Kriterium 3 Kriterium 4 Il Zeilensumme Kriterium 1 Kriterium 2 13 14 S D C bel 2 e Z Abbildung 2 10 Aufbau der Priorit tenmatrix des Paarweisen Vergleichs Schritt Priorisierte Bewertung der Produkte Anhand der prozentualen Gewichtungsfaktoren kann nun die Bewertung der Ei genschaften erfolgen Jeder Entscheider bewertet jedes Kriterium der zu bewer tenden Produkte mit einer vorher zu definierenden Punkteskala Die Bewertungs summen sind in Abbildung 11 z B in den Faktoren w1 x1 y1 und z1 f r das 1 Produkt manifestiert Die gewichtete Bewertung erfolgt schlie lich durch Multi plikation mit d
168. klung Im Bereich der IT Systementwicklung hat sich das V Modell als eine abstrakte um fassende Projektmanagement Struktur durchgesetzt welche sich in einer V Form der Projektelemente wie IT Systemdefinitionen und Tests gegliedert nach ihrer groben zeitlichen Position und ihrer Detailtiefe darstellen l sst vgl Abbildung DA Das V Modell hat einen milit rischen Ursprung und wurde 1986 vom Bundesministerium f r Verteidigung in zwei Projekten entwickelt Die Ziele waren die Kosten ber den ge samten Softwareentwicklungs und pflegeprozess transparent zu gestalten und in Folge auch zu begrenzen durch geeignete Ma nahmen einen Mindeststandard f r Software qualit t zu garantieren bzw diesen weiter zu verbessern durch Vergleichbarkeit der Angebote von Dritten eine gr ere Unabh ngigkeit von einzelnen Anbietern zu er langen sowie die Entwicklung von Software im eigenen Hause zu standardisieren und transparenter zu gestalten Analyse der Systemanforderungen Systemarchitektur Nutzung Abbildung 2 4 System und Softwareentwicklung nach dem V Modell Detaillierung Neue Softwareentwicklungsans tze z B Objektorientierung etc waren der Grund f r eine berarbeitung da das V Modell bis zu diesem Zeitpunkt sehr stark auf den klassischen Softwareentwicklungsansatz zugeschnitten war Im Juni 1997 wurde das V Modell 97 als Ergebnis ver ffentlicht welches seitdem f r jegliche Softwareentwick lung in de
169. ktivierten Transition sichtbar A 1 4 Stochastische Petrinetze H ufig l sst sich das zeitliche Verhalten realer Systeme nicht durch den ausschlie li chen Gebrauch deterministisch zeitbewerteter Transitionen modellieren Die zeitliche Verweildauer einer Marke auf einem Platz kann z B nicht genau vorherbestimmt wer den wobei jedoch aufgrund vorher gemachter Beobachtungen oder Annahmen auf eine H ufigkeitsverteilung zur ckgegriffen werden kann Je nach Art werden verschiedene Verteilungsarten wie z B Gleich Negativ Exponential oder Gaussverteilung verwen det Determinierte Zeitbewertungen k nnen mit isochroner Verteilung als Spezialfall einbezogen werden vgl Abbildung A 4 Die Schaltrate der Transition folgt der Wahr scheinlichkeitsdichteverteilung Der Einsatz von stochastischen Petrinetzen SPN stellt eine effektive M glichkeit zur Abbildung realer Systeme dar und erm glicht so eine Ver l sslichkeitsmodellierung und analyse Sind die Schaltzeiten nicht exponentiell verteilt so sind stochastische Prozesse mit Hilfe von SPN modellierbar Im allgemeinen Fall kann man das SPN Modell anhand von Simulationen untersuchen was ein Sonderfall der Monte Carlo Simulation darstellt oder auf eine gewichtete Summe von Exponentialverteilungen zur ckzuf hren ist Die grafische Darstellung ist jedoch intuitiv Isochrone Verteilung Gleichverteilung mit Grenzen Exponentialverteilung mit Grenze Wahrscheinlichkeit _
170. ktur sollte das Train Talk Protokoll zum Einsatz kommen Nach Einsch tzung in MINDE und WITTE 2001 existierte im Jahre 2001 auch im Hinblick auf die ECP Entwicklungen der AAR keine Systementwicklung mit der zum einen die g ltigen Grenzen der pneu matischen UIC Bremse f r G terz ge berschritten werden k nnen und zum ande ren durch klare Trennung von Kommunikationssystem und Applikation ein offenes erweiterbares System entsteht das sp ter Grundlage f r weitere Anwendungen oder Automatisierungsschritte im G terzug sein kann Innerhalb des FEBIS Projekts wurden wichtige technische Anforderungen an und Rea lisierungskonzepte f r ein Kommunikationssystem f r den Einsatz im Schieneng ter verkehr definiert ber deren Umsetzung und Ergebnisse keine Informationen vorliegen 4 1 STUDIEN UND FORSCHUNGSPROJEKTE 45 Nach 2001 wurden keine Ver ffentlichungen zu diesem Thema mehr publiziert Es liegt somit die Vermutung nahe dass das Projekt FEBIS ohne Ergebnis eingestellt wurde 4 1 3 Machbarkeitsstudie IVSGV Die Aspekte der Energieversorgung des allgemeinen Nutzens sowie der zu erwarte ten Auswirkungen auf den Modal Split von an den Wagen von G terz gen montier ten Telematiksystemen wurden von Rieckenberg im Rahmen der Machbarkeitsstudie Individualisierter Schieneng terverkehr IVSGV f r Kesselwagen und deren Einsatz im Schieneng terverkehr untersucht HECHT 1999 HECHT et al 1999 RIECKENBERG 2004a RIECKENBERG 2
171. le von Wagen und Lokomotivger t konnte der theoretische Funktionsnachweis erbracht und mittels einer Codegenerierung aus dem validierten Petrinetz Teilmodellen ein C Quellcode f r die direkte Implementierung in dem Mikrocontroller erzeugt werden Die Gliederung dieser Arbeit ist Abbildung L 1 zu entnehmen KAPITEL 1 MOTIVATION Kap 1 Motivation Kap 2 Methodische Konzepte und Beschreibungsmittel Kap 3 Kap 4 Anforderungen Stand der Technik Kap 5 Betriebl Bed und Energieversorgung Betriebliche ht O Rei d F SC N Anforderungen Betnehlieher Stand Fahrprofile Se N EN Bewertung d Ri GR an die EV Konzepte 2 Kap 6 Kommunikation S k p Technische E ENZ EN VE N Ze Technischer Stand K A Anford onzepte Auswertung Aufbau Versuche nforderungen DA SNEEN Kap 7 Realisierung Funktionale Funktionaler Stand Modell A Wie N Anforderungen bild Simulation Versuche eildung U Kap 8 Zusammenfassung und Ausblick Abbildung 1 1 Gliederung dieser Arbeit Kapitel 2 Modelle von Entwicklungsprozessen und von Entwicklungsprodukten Die Modellbildung von Entwicklungsprodukten und der Entwicklungsprozess lassen sich entsprechend Abbildung 2 1 strukturieren Aus der grunds tzlichen Strukturierung des Systementwurfs dieser Arbeit werden methodische Prozesse abgeleitet und ber ein Eigenschaftsmodell das Produktmodell vgl Abschnitt erarbeitet nach welchem di
172. lich dass der Fokus dieser Systeme auf der Extrazugkommunikation liegt d h Kommunikation per GSM oder VHF mit einer Dispositionszentrale Eine Intrazugkommunikation ist nicht vorgesehen 4 2 1 ATIS MT Die Firma Timtec Teldatrans GmbH eine Fusion der Unternehmen Timtec Telematik GmbH und der OHB Technology AG Tochter Teldatrans bietet eine Telematikl sung f r G terwagen an F r Auftragnehmer bildet die Gewinnung zeitgem er und recht zeitiger Informationen die Basis f r die im Wettbewerb der Transporttr ger wichtige Kundenzufriedenheit und somit f r die Verschiebung des Modal Split zu Gunsten des Verkehrstr gers Bahn Aus Sicht des Auftraggebers bedeutet dies die M glichkeit eines transparenten Transports BARANEK 2001 Der modular aufgebauten fernkonfigurierbaren Systeml sung ATIS MT liegt das Kon zept der Ladungsortung verfolgung und berwachung durch einen Bordcomputer mit entsprechender Sensorik Kommunikationstechnik und Energieversorgung zu Grunde Es k nnen Sensoren f r die Positionsermittlung GPS sowie f r die Ermittlung der Laufleistung des Beladungszustandes der Laderaum und Ladeguttemperatur der 50 KAPITEL 4 STAND DER TECHNIK Sto belastung der T r Druck und Dichtigkeits berwachung und des Bremsenver schlei es angebunden werden Die Energieversorgung soll durch eine 12 V Sekund rzelle zur Erm glichung einer Standzeit von ca 24 Monaten sowie ggf eine Nachladetechnik z B Generator S
173. lisiert Ausgehend von diesem erstellten Referenzmodell wurde das amerikani sche elektronisch gesteuerte pneumatische ECP Bremssystem hinsichtlich realisierter Funktionen untersucht In BIKKER und Bock 1999 wurden Schlussfolgerungen und Ergebnisse dargelegt welche losgel st vom technischen Konzept des Systems zu sehen sind und sich aus dem methodischen Vorgehen ergeben e Durch die formale Modellierung werden Spezifikationsl cken erkannt e Durch den modularen Aufbau lassen sich leicht Komponenten wie das Bussys tem oder Businterfaces austauschen oder zus tzliche Busteilnehmer modellie ren integrieren e Die Beschreibung einer m glichen Realisierung kann durch eine Modellschablone Referenzmodell beurteilt werden e Im Vordergrund der Modellierung steht die Applikation und nicht das bertra gungssystem e Das Modell kann als Grundlage hinsichtlich Standardisierung genutzt werden In weiteren Schritten kann das erstellte Referenzmodell zu einem Anwendungspro tokoll erweitert werden Das Anwendungsbeispiel zeigt dass der Entwurf komplexer Systeme durch formale Be schreibung und Nutzung von Toolumgebungen effektiver gestaltet werden kann Auf grund der fehlenden Werkzeugkooperation w hrend des Entwicklungsprozesses kann KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 10 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN es jedoch durch Transformationsprozesse zu Informationsverlusten oder sogar Fehlern kommen V Modell der Systementwic
174. llt EN50155 2001 EN61373 1999 EN60721 3 2003 EN60721 3 5 2001 EN50121 3 1 2001 EN50121 3 2 2001 32 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an die Umweltbedingungen geografisch klimatisch geometrisch Strahlung max Betriebsh he Betriebstemperaturbereich rel Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel rel Luftfeuchtigkeit in 30 Tagen abs Luftfeuchtigkeit unregelm ige Kondensation Feuchtigkeit durch Niederschlag Resistenz gegen Hagelschlag Schwingungs und Sto festigkeit max solare Bestrahlung bioaktive Substanzen chemisch amp biologisch belastete Fl ssigkeiten Fremdk rper EMV Salzspr hnebel Staub Steinschlag Gras Pollen Insekten Sand Beeinflussung von Fahrzeugen EB Beeinflussung von Ger ten Beeinflussung der Umgebung Abbildung 3 9 Dekomposition der Systemanforderungen an die Umweltbedingungen Energetische Anforderungen Die Dekomposition der energetischen Anforderungen ergibt sich ebenfalls aus EN50155 EN50155 2001 und ist in Abbildung dargestellt Energetische Anforderungen Standzeit Energieerzeugung Fahrtzeit Radsatzgenerator H ufigkeit der Fahrten Abbildung 3 10 Dekomposition der energetischen Systemanforderungen Zeitliche Anforderungen Die Anforderungen an das Zeitverhalten bez glich des betrieblichen Einsatzes betreffen die Nutzung der Ger te Es ergibt sich die Dekomposition entsprechend Abbildung 3 11 D
175. lumen etwa 5 Bis Interaktion Schnittstellen f r Sensorik Aktorik Standardschnittstellen Visualisierung Visualisierung bedienerrelevanter Daten ggf bertragung von Alarmen vom Wagen zur Lok Entgleisung bin r digital muss innerhalb einer Sekunde die Lok erreicht haben Offenbarungszeit 15 Erkennung vollst ndigen Bremsverschleises Temperaturen von Achslagern Zugvollst ndigkeit Sicherheitsrelevante Beschleunigungen Hei l ufererkennung bin r digital muss Innerhalb einer Sekunde die Lok erreicht haben Offenbarungszeit 1s Datenrate ca 1 BIS Kommunikationshardware Installation auf der Lok permanent EBO Installation auf den Wagen permanent ggf an unterschiedlichen Positionen abh Vom Wagentyp EBO Sicherheit Keine Gef hrdung f r den Bahnbetrieb EN 50129 Funkhardware Antennenstandort Seitlich in der Mitte der Wagenl ngsseite oder unter dem Wagen im Schnittpunkt der L ngsdiagonalen Lichtraumprofil darf nicht verletzt werden Geografisch max Betriebsh he angelehnt an AEIF h chstens 2000m Klimatisch minimale Betriebstemperatur entspr EN 50155 T1 25 EN 50155 maximale Betriebstemperatur entspr EN 50155 T1 40 EN 50155 relative Luftfeuchte im j hrl Mittel im Betrieb h chstens 75 EN 50155 rel Luftfeuchte an 30 aufeinander folgenden Tagen
176. m ige Reinigung empfohlen unempfindlich unempfindlich aber abh vom Anbauort Zuverl ssigkeit RAMS nicht bekannt nicht bekannt da Vorserien muster nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bekannt Anlaufprobleme bei niedrigen Windgeschwindig keiten gut gut Verf gbarkeit RAMS nicht bekannt nicht bekannt da Vorserien muster nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bekannt nicht bekannt Offshore 98 nicht bekannt jederzeit verf gbar wenn nicht besch digt Duty Cycle Lebensdauer nicht bekannt gut jedoch keine genaueren An gaben m glich dal Vorserien modell nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bewertbar nicht bekannt nicht bekannt nicht bekannt 10 bis 25 Jahre und mehr Energiedichte nicht bewertbar nicht bewertbar gering gering sehr gering d h Generator m sste sehr gro sein nicht bewertbar nicht bekannt 160 W m Einsetzbarkeit kein Anbieter bekannt universell f r jeden Wagentyp zwei Typen mit 5W oder 100W nicht einmal Prototyp nicht einmal Prototyp nicht einmal Prototyp Eingriff in sicherheitsrelevanti es System kein geeigneter Anbauort kein Anbieter von Savoniusrotoren in dieser Gr e bekannt abh ngig vom Wagentyp sinnvoll auf Kesselwagen andere Wagen sind abzuw gen technsich u betrieblich Wartungsinter
177. ments Engineering analysierten Anforderungen des Wirkungsgrades sowie der Markt und Produkt Verf gbarkeit gegen bergestellt und danach in Abschnitt 5 4 12 nach rele vanten Kriterien entsprechend der klassifizierten Anforderungen vgl Abschnitt bewertet e Unterschiedliche Typen von Prim rbatterien als Vertreter der elektrochemischen Energiequellen e Achsgeneratoren unterschiedlicher Technologien als typische Vertreter der rota torischen elektromechanischen Energieerzeuger e Feder Masse Feder Magnet Schwinger und seismischer Schwingmassengenerator 56 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG als Vertreter der induktiven Energieerzeuger e Luftdruckgeneratoren e Fl gelwindrad und Savoniusrotor e Unterschiedliche Typen von Solarzellen als Vertreter der photoelektrischen Ge neratoren e Unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen 5 1 G terbereiche und Transportentfernungen F r die Erarbeitung exemplarischer Energiebedarfs und angebotsprofile wurde der Modal Split betrachtet sowie die Aufteilung der G terbereiche und Transportentfer nungen im nationalen und internationalen Umfeld und f r Privatbahnen Anhand der H ufigkeiten wurden drei Einsatzszenarien entwickelt die die Grundlage f r die Di mensionierung der Energieversorgung bilden F r die sinnvolle Auswahl repr sentativer Szenarien diente die Marktstudie Schieneng terverkehr ALLES 1999 Die Transportentfernung eines Fahrverban
178. mmunikationseinrichtung auf dem F hrungsfahrzeug soll ber einen Datenspei cher verf gen in dem die Topologie d h Konfiguration welche der brigen Funkein richtungen als Master und welche als Slave arbeiten oder arbeiten sollen abspeicherbar ist Die Zuordnung der Teilnehmer zu den jeweiligen Funkzellen d h also die Inaugura tion der Datenkommunikation soll auf Basis von Feldst rkemessungen erfolgen wobei immer eine m glichst gro e Anzahl von Slave Teilnehmern pro Funkzelle erreicht wer den soll Die Baum Funktionstopologie wird in diesem Zusammenhang auch als Ver kettete Zellen oder Chained Cells bezeichnet Dieses Verfahren ist Basis des TrainLink Systems vgl Abschnitt 14 1 5 4 3 2 Drahtlose Datenerfassung und Daten bertragung f r ein zusammenh ngendes mobiles System Das Patent von MAys und WESLEY 2003 beansprucht eine Methode zur Aufnahme und bertragung von Daten eines Wagenverbundes f r jedes Fahrzeug des Wagenver bunds so dass zumindest ein teilweise busgekoppeltes Gebilde entsteht wobei min destens eine Betriebsgr e jedes Wagens bertragen wird und die bertragung nach einer um redundante Verbindungen erweiterten Bus Funktionstopologie Multiple Ru led Chain next neighbour stattfindet Die Firma GE Harris hat Anforderungen und Aufbau eines Kommunikationssystems f r die drahtlose Kommunikation auf G terz gen entsprechend MAYS und WESLEY 2003 definiert und mehrere Spezifikatio
179. mulation in CPNTools ein anderes Resultat liefert als durch das urspr ngliche Modell mit Inhibitorkanten gew nscht und erwartet wurde Kapitel 3 Ermittlung der Anforderungen 3 1 Methodische Anforderungsdefinition Zu Beginn eines Projekts sind meist nur rudiment re Ziele und Randbedingungen be kannt Die gegebenen Anforderungen an das System sind f r den Systementwurf noch nicht hinreichend Das Requirements Engineering erfordert die Auswahl und ggf den Entwurf einer geeigneten Entwicklungsmethode und setzt sich zusammen aus umfang reichen Recherchen und R cksprachen mit dem Auftraggeber sowie dem Studium von Projekten mit hnlichen Zielen vgl Kapitell4 Im Hinblick auf ein zertifizierbares Qua lit tsmanagement erfolgt die Systementwicklung in der Industrie blicherweise nach dem Wasserfall oder dem V Modell Die erste Dekompositionsebene bilden die allgemeinen und daraus abgeleitet die klassifi zierten Systemeigenschaften des Gesamtsystems vgl Abbildung 8 Es wird zwischen den Anforderungen an die Betriebsbedingungen bzw den durch den Betriebsablauf und das umfeld eingepr gten Eigenschaften an das zu realisierende System den technischen bzw technologischen Anforderungen an das Kommunikationssystem sowie den funktio nalen Anforderungen unterschieden Diese untergliedern sich wiederum in mechanische elektrische zeitliche technische bzw technologische und Umweltanforderungen 3 2 Hauptanforderungen und Einsatzbereic
180. n Auf Basis dieses Protokolls wird aus spezifischen nderungen ein m glicher Telegrammaufbau f r das zu entwickelnde Kommunikationssystem erarbeitet Tabelle 6 5 zeigt den Aufbau des SAHARA Protokolls Feld L nge Bedeutung Nachrichtenl nge 2 Bytes Anzahl der Oktette Nachrichtentyp 2 Bytes Dezimalwert des Nachrichtentyps Empf ngerkennung 4 Bytes eindeutige Kennung zur sicheren Verbindung Absenderkennung 4 Bytes eindeutige Kennung zur sicheren Verbindung Sequenznummer 4 Bytes fortlaufende Telegrammnummer best tigte Sequenz 4 Bytes unver nderte Sequenznummer des zuletzt emp nummer fangenen g ltigen Telegramms Zeitstempel 4 Bytes Zeitstempel des Sendungszeitpunkts best tigter Zeitstem 4 Bytes unver nderter Zeitstempel des zuletzt empfange pel nen g ltigen Telegramms Nutzdaten n Bytes GPS Position Geschwindigkeit Beschleunigung Fahrt Standrichtung Anfahrtzeitpunkt evtl EOT Kennung amp ggf Befehl Sicherheitscode 8 Bytes z B MD4 oder CRC64 Tabelle 6 5 Aufbau des SAHARA Protokolls 6 9 TELEGRAMMTYPEN UND AUFBAU 125 6 9 2 Telegrammaufbau F r die Kommunikation innerhalb des bertragungssystems sollen Best tigungstele gramme nach der Senden und Warten Technik eingesetzt werden vgl Abschnitt 6 8 2 Es sind somit mindestens zwei Telegrammtypen erforderlich deren Rahmen jedoch identisch sein kann d h die beiden Telegrammt
181. n Durch Einsatz von Antennen mit hohem Gewinn sollen unter Freifeldbedingungen Reichweiten bis zu 16 km berbr ckbar sein Der Energiebedarf der Module liegt im Sendebetrieb bei Pg 750 mW im Empfangsbetrieb bei Pg 250 mW und im Energiesparbetrieb bei weniger als Pstandoy 130 uW Die Empf ngerempfindlichkeit liegt bei 105 dBm bei bertragungsrate von 9 6 kBit s bzw bei 102 dBm bei der bertragungsrate von 19 2 kBit s Der Betriebstempera turbereich der Industrie Module liegt zwischen 40 C und 85 C 6 4 2 XBee PRO Funkmodule der Firma MazStream Bereits in Abschnitt wurde die ZigBee Funktechnologie anhand von Testmodulen der Firma MaxStream vorgestellt MAXSTREAM 2006 6 5 BEWERTUNG DER FUNKTECHNOLOGIEN 105 Die Firma MaxStream bewirbt die unter dem Markennamen XBee PRO angebo tenen Funkmodule mit einer im Vergleich zu den normalen XBee Modulen gr eren Reichweite Dies wird durch eine um den Faktor 100 h here Sendeleistung von bis zu 100 mW 20 dBm sowie eine gro e Empfangsempfindlichkeit von 100 dBm erzielt Unter Freifeldbedingungen soll eine Distanz von bis zu 1 6 km mit Dipolantennen ber br ckt werden k nnen Die funktionalen Eigenschaften der XBee PRO Module entsprechen denen der ZigBee Technologie in Abschnitt 6 5 Bewertung der Funktechnologien Mit Hilfe der Methode des Paarweisen Vergleichs wurden die Funktechnologien in Form konkreter Hardwaremodule anhand der klassifizierten und dekompo
182. n dass es zu keinen Telegrammverlusten durch eine Nichtbereitschaft des Kommu nikationsger ts infolge einer aktuell durchgef hrten Plausibilit tspr fung kommt Das Wagen Kommunikationsger t sendet auf eigene Initiative Durch Simulationen wurde best tigt dass keine Telegrammverluste durch Nichtbereitschaft zu erwarten sind welche auf Rechenzeiten zur ckzuf hren w ren Die Zustandsraumanalyse liefert die in Tabelle 7 3 aufgezeigten Ergebnisse TEILNEHMER IP T EG DEADLOcCKS MC 1 Lok 0 Wagen realer Kanal 28 32 358 0 MC 0 Loks 1 Wagen realer Kanal 22 25 733 0 Tabelle 7 3 Zustandsraumanalyse mit II Tool f r die Monte Carlo Simulation 7 4 ANALYSE DES MODELLS 165 Telegramme von 999 40 Teilnehmern Kanal Telegramme von 1000 39 Teilnehmern Abbildung 7 19 Analyseansatz f r die Monte Carlo Simulation unter Verwendung von Petrinetzen 7 4 4 Analysm glichkeiten des Quellcodes per Monte Carlo Simulation Als Alternative zu den Analyseans tzen des Petrinetzes mittels CPNTools oder Monte Carlo Simulation entsprechend Abschnitt 7 4 3 w re eine Monte Carlo Simulation der einzelnen Fahrzeugger te mittels eines linearen Quellcodes denkbar der der Funktio nalit t des jeweiligen Petrinetzmodells entspricht Dieser Quellcode m sste zuvor h n disch implementiert oder automatisch generiert werden wobei die Codegenerierung aus Petrinetzen in Abschnitt
183. n ENEE 3 Ermittlung der Anforderungen 4 3 1 Methodische Anforderungsdefinition 2 2 22 22 22 3 2 Hauptanforderungen und Einsatzbereich 2 2 22 22 3 3 Dekomposition der Anforderungen 2 2 2 2 2 2 2 3 3 1 Allgemeine Anforderungen 2 22 22a messen 3 3 3 Anforderungen an die Energieversorgung 2 2 2 2 EFT BERERT ER a BEER TEE EE i E EE EE 3 4 4 Zusammenfassende Darstellung 2 2 22222 3 5 Grunds tzliche Systemstruktur 2 2 2222 2m ren Stand der Technik 4 1 Studien und Forschungsprojektel o o aa a 4 1 1 INTELFRET Intelligent Freight Train 4 1 2 FEBIS Freight Electronic Break and Information System 4 1 3 Machbarkeitsstudie IVSGV aaa aaa nn Ba an KC IS sse a e gnt aaen ae ea en D m 22 22 22 23 24 24 24 31 31 33 36 36 40 4 1 5 TrainLinki ven ee wen wenn kenne kenne 47 4 2 Marktreife Produkte 2 4 2 08 8 4 8 008 Es u ss Lana 49 De peA EARE de Br er E 49 II OPTIVPA bb echt ee ek ee 50 ENTER 51 4 3 1 Daten bertragungseinrichtungen f r einen Wagenverbund 51 4 3 2 Drahtlose Datenerfassung und Daten bertragung f r ein zusam Meng 51 4 4 Zusammenfassende Bewertung 52 5 Betriebliche Bedingungen und Energieversorgung 54 5 1 G terbereiche und Transportentfernungen oaoa a a 56 5 1 1 G terbereiche und Transportentfernungen im nationalen Umfeld 56 5 1 2 G terbereiche und Transportentfern
184. n GPS Positionsinformationen Gr e 8 Bytes Geschwindigkeitsinformationen in km h Gr e 1 Byte Fahrt bzw Standrichtung in 10 Sektoren Gr e 1 Byte den Anfartszeitpunkt dieselbe Gr e wie der Zeitstempel die Beschleunigung Gr e 1 Byte die End Of Train Kennung EOT Gr e 1 Bit sowie f r Sensordaten Gr e je nach Bedarf vorgesehen Die Gesamtl nge soll bis maximal 40 Byte betragen Sicherungsanhang Die Informationen innerhalb eines Telegramms sollen durch einen Sicherungsanhang vor Verf lschung und bertragungsfehlern gesch tzt werden Entsprechend der An forderungen an das Kommunikationssystem soll die Restbitfehlerwahrscheinlichkeit P kleiner als 1077 sein vgl Abschnitt BEI Aus dem im SAHARA Protokoll verwendeten CRC64 Code mit 64 Bit L nge resul tiert mit 6 5 eine Restbitfehlerwahrscheinlichkeit von P 2764 5 42 1072 Es wird daher die Verwendung eines CRC64 Codes zur Fehlererkennung vorgeschla gen Kryptographischer Code Entsprechend EN50159 2 2002 ist der Einsatz eines kryptographischen Codeanhangs erforderlich Daf r ist ein 6 Byte gro es Datenfeld vorgesehen Die Auswahl eines kryp tographischen Codeanhangs wurde nicht realisiert da nach aktueller Einsch tzung f r Telegrammversion 1 keine zu sch tzenden d h vertrauensw rdigen Informationen f r die bertragung vorgesehen sind 128 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION 6 10 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden die Gru
185. n Systemzeitstempels des letzten g ltigen Po sitionstelegramms und der bis zur Detektion der Anfahrt verstrichenen Zeit be rechnet wird Die Anfahrtszeitpunkte der zu einem Fahrverband geh renden Fahrzeuge m ssen 150 KAPITEL 7 REALISIERUNG bis auf eine maximale endliche Zeitdifferenz f r den Durchlauf des Impulses durch den Zug d h ca 3 Sekunden mit dem Anfahrtszeitpunkt des F hrungsfahrzeugs bereinstimmen Ist dies der Fall so ist die Plausibilit tspr fung abgeschlossen Der letzte Wagen ist aufgrund der erweiterten Anforderungen aus Abschnitt 7 1 1 mit einem Kommunikationsger t ausger stet und besitzt entsprechend der Reihungsliste den gr ten Abstand von der Lokomotive F r das Lokomotiven Kommunikationsger t ist dieses Wagen Kommunikationsger t somit das Zug schlussger t EOT Device Dem Kommunikationsger t des F hrungsfahrzeugs z B der Lokomotive steht nun eine plausible Reihungsliste mit allen plausiblen Kommunikationsger ten der zum Fahrverband geh renden Fahrzeuge zur Verf gung Wird k nftig von dem Lokomotiven Kommunikationsger t ein Telegramm eines plausiblen Wagen Kommunikationsger ts empfangen so wird das Lokomotiven Kommunikationsger t ein Antworttelegramm zur ck senden und damit das plausible Wagen Kommu nikationsger t im Betriebsmodus Operation halten 7 3 MODELLIERUNG SOFTWAREKONZEPT UND IMPLEMENTIERUNG 151 7 3 Modellierung Softwarekonzept und Implemen tieru
186. nTalk TrainLink ATIS MT OPTIVIA DE10029126 US6 668 216 Eigenschaft t Systemanforderungen Strukturelle Anf HF Kanal KommunikationsHW u Datenkanal Strukturelle Ant d RAMS S autom Inauguration Meldungen Interaktion CE KI ES O EA KI KI E Ei II VI EN Ki KR bg DE KA Kei DT HUN CH CH DW IO Beil Funktionale Anforderungen KommunikationsHW 0 H H V Geometrische Anforderungen 2 geografisch WS IN BOUR S Anforderungen an die Umweltbedingungen klimatisch ER ER ER ER 8 E u ES ES ES EN IE Strahlung a Te chemisch amp biologisch It E Y 0 KR ER ER ER SS LL DN HL WII NIT E ae IL Elektrische Anforderungen KN ER EN KS ER KS g gt Spannungsfestigk o CC In 8 9 Stromfestigkeit IN Zo CN v 0 C _ EE Se a a a a E nergieautarkheii DI KRISE y S S gt U l H 7 o r _Kommunikationszeit Si y a KR ler S ES K o a a a Anforderungen i Betriebszeit 0 lol S j f i F r TrainLink relevante Kriterien i m realisiert 5 v A LS EI V theoretisch erarbeitet 5 S Sa 2 f 5 Ss 555 253 3 ungekl rt unbekannt oder unzureichend
187. nach einem optimalen Kosten Nutzen Verh ltnis d h aus den Anforderungen nach einem minimalen Ener giebedarf nach einer instantanen Kommunikation z B im Fehlerfall sowie nach ber schaubaren Investitions und Wartungskosten Es wurde daher die Stern Funktions Topologie ausgew hlt vgl Abschnitt GA F r die Realisierung einer sicheren Kommunikation ist die Erf llung der Norm EN50159 2 2002 unabdingbar Durch Analyse der Bedrohungen auf die Funkkommunikation im Bahnumfeld werden Sicherheitsma nahmen von der EN50159 2 2002 vorgegeben vgl Abschnitt oa Diese m ssen in dem zu entwickelnden bertragungsprotokoll er f llt werden Dazu wurde unter Verwendung des Referenztelegramms SAHARA ein Telegrammaufbau f r die Realisierung einer sicheren Kommunikation entwickelt vgl Abschnitt 16 9 Die Dimensionierung der einzelnen Datenfelder ist Tabelle zu ent nehmen Die maximale Telegramml nge wird mit 68 Byte angenommen 6 10 ZUSAMMENFASSUNG 129 Feld L nge Bedeutung Telegrammversion 1 Byte Version des bertragenen Telegramms Nachrichtentyp 1 Byte Dezimalwert des Nachrichtentyps Empf ngerkennung 4 Bytes eindeutige Kennung zur sicheren Verbin dung Absenderkennung 4 Bytes eindeutige Kennung zur sicheren Verbin dung Sequenznummer 2 Bytes fortlaufende Telegrammnummer Zeitstempel 3 Bytes Zeitstempel des Sendungszeitpunkts Nutzdaten bis zu 40 Bytes z B GPS Position Geschwindigk
188. nale Anf Abbildung 3 1 Komponenten des Gesamtsystems und deren Anforderungsklassen 3 3 1 Allgemeine Anforderungen Die allgemeinen Anforderungen an das zu entwickelnde System lassen sich entsprechend Abbildung 3 2 in die betrieblichen Anforderungen dekomponieren Die Anforderungen werden entsprechend der Kundenvorgaben und der normativen Vorgaben sowie Richtli nien und Gesetzen im Lastenheft und in einer Darstellung des Anforderungsquerschnitts in Form einer Lastenheftmatrix festgelegt vgl Abschnitt und Abbildung B 19 3 3 2 Anforderungen an die Kommunikation Die Anforderungen an das Subsystem Kommunikation wird bez glich der betrieblichen funktionalen sowie technischen Anforderungen dekomponiert vgl Abbildungen 3 3 und 3 5 3 3 3 Anforderungen an die Energieversorgung Die Anforderungen an das Subsystem Energieversorgung werden bez glich der techni schen und betrieblichen Anforderungen dekomponiert Es ergibt sich eine methodische Darstellung entsprechend der Abbildungen und 3 3 DEKOMPOSITION DER ANFORDERUNGEN 25 Anforderungen an das Gesamtsystem Allgemeine Anforderungen betriebliche Anf geometrische Anf Hardware Fahrverband Anforderungen an die Umweltbedingungen geografisch klimatisch mechanisch Strahlung chemisch amp biologisch Dichtigkeit EMV zeitliche Anforderungen Nutzung Installationsort Lichtraumprofil beliebige Reihung max Betriebsh he Betriebstemperatur
189. nd Europapatent EP 1 172 275 A1 TEKCELL TEKCELL Datenblatt TEKCELL SB D01 Lithium Batterie TEK CELL TIEMANN und JOHNSON 1995 TIEMANN J und S JOHNSON 1995 Einrichtung zum Umwandeln von Schwingungsbewegung in elektrische Energie DE 195 20 521 Al VARCHMIN und STEINBERG 2005 VARCHMIN J U und S STEINBERG 2005 TrainLink Abschlussbericht Technischer Bericht Institut f r Elektrische Messtech nik und Grundlagen der Elektrotechnik unver ffentlicht VDI3682 2005 VDI3682 2005 VDI VDE 3682 Formalisierte Prozessbeschrei bung Entwurf WAGNER 1999 WAGNER A 1999 Photovoltaik Engineering Springer Verlag Ber lin Heidelberg WALKE 2001 WALKE B 2001 Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1 3 Aufl WITTE et al 2001 WITTE S R KLEINSORGE und U MEIER 2001 Funkkom munikation im G terzug SIGNAL DRAHT 93 26 31 WITTE et al 20001 WITTE S F MINDE und J ENGELMANN 2000 Zentra le Komponenten eines intelligenten G terzuges Eisenbahntechnische Rundschau ETR 49 11 745 750 190 LITERATURVERZEICHNIS ZETEX 1997a ZETEX 1997a Datasheet Zetex 3 3 Volt ZELDO330 ultra low dropout regulator Zetex Semiconductors ZETEX 1997b ZETEX 1997b Datasheet Zetex 5 0 Volt ZEDO500 ultra low dropout regulator Zetex Semiconductors ZIGBEE ALLIANGE 2004 ZIGBEE ALLIANCE 2004 ZigBee Special Report Tech nischer Bericht ZigBee Alliance ZIMMERMANN 2006 ZIMMERMANN A 2006
190. ndlagen f r die Kommunikation vorgestellt sowie die einzusetzende Funkhardware ausgew hlt Nach einer kurzen Einf hrung in das ISO OSI Referenzmodells wurden drei grundlegende Funktions Topologien der Kom munikation Schicht 3 sowie die physikalischen Einfl sse auf die Funkkommunikation Schicht 1 des ISO OSI Modells dargelegt vgl Abschnitt 16 1 Anschlie end wurde in Abschnitt 6 2 Anforderungen an die Funkkommunikation und in Abschnitt 6 3leine Einf hrung in die Funktionsweise von Funkbussen gegeben Es wur den Modulationsverfahren Zugriffsstrategien und m gliche Funktechnologien vorge stellt Die Eigenschaften m glicher Funktechnologien welche jeweils durch ein konkre tes Funkmodul repr sentiert sind wurden gegen bergestellt und mit Hilfe der Methode des Paarweisen Vergleichs bewertet vgl Abschnitt 16 5 In der Vorauswahl gehen die 24XStream und XBee PRO Module der Firma MaxStream als Favoriten hervor vgl Abschnitt 6 4 Diese beiden Favoriten wurden in einer Freifeldumgebung einer Nicht Freifeldumgebung und im Bahnumfeld validiert vgl Abschnitt 16 6 Die Ergebnisse der Versuche im Freifeld ergaben einen Negativausschluss der XBee PRO Module Die ermittelten Ergebnisse zeigen weiterhin dass die 24XStream Module den Anforderungen mit Einschr nkungen gen gen Die Reichweite f r bis ca 900 m im Freifeld und ca 500 m im Bahnumfeld wurde nachgewiesen Eine Topologie ergibt sich quasi unmittelbar aus der Forderung
191. ne hierarchische Darstellung f r das Teilmodell des Lokomotivenger ts in Abbildung und f r das Teilmodell des Wagenger ts in Abbildung Diese entsprechen dem Kanal Instanzen Modell in Abbildung Die komplexen Modelle der unteren Hierarchieebene sind in den Abbildungen f r das Lokomotivenger t und f r das Wagenger t dargestellt 152 KAPITEL 7 REALISIERUNG 7 3 1 Modell des Lokomotivenger ts Das Modell des Lokomotivenger ts l sst sich in drei in Abschnitt eingef hrte Betriebsmodi untergliedern und wird anhand des abstrahierten Modells in Abbildung erl utert In dem Energiesparmodus P_standby_mode befindet sich der Zustandsautomat so lan ge bis der empfangene Datensatz eines Wagenger ts die Plausibilit tspr fung erstmals positiv bestanden hat T1 Danach erfolgt der Moduswechsel in den Inauguration Modus P_inauguration_mode vgl Abschnitt 7 2 Abh ngig davon ob die Identit t eines Wagenger ts bereits bekannt oder unbekannt ist d h ob bereits ein Standardtelegramm dieses Wagen Kommunikationsger ts emp fangen wurde oder plausibel bewertet wurde erfolgt bei dem Telegrammempfang in dem Inaugurations Modus eine Fallunterscheidung entsprechend des folgenden Vor gehens 1 Ist die Identit t des Wagenger ts unbekannt so wird diese von dem Lokomboti venger t erfasst waggon_is_known und eine Plausibilit tspr fung durchgef hrt check for_plausibility vgl Abschnitt 7 2 2 Diese Pr fung kann
192. nen dazu erstellt Eine Reihungsermittlung soll demnach durch Detektion eines durch das Bremssystem laufenden Druckluftimpulses erfolgen 52 KAPITEL 4 STAND DER TECHNIK Dies ist eine theoretische L sung welche jedoch nicht f r die Verwendung in dem zu entwickelnden Kommunikationssystems in Frage kommt 4 4 Zusammenfassende Bewertung Kommunikationssysteme und Produkte zur Ladungsverfolgung und f r Telematikan wendungen z B ATIS MT sind am Markt verf gbar wobei jedoch lediglich eine Kom munikation mit einer dispositiven Einrichtung z B bei einem Spediteur oder dem Wa genvermieter unter Nutzung des GSM Netzes bzw VHF Werksfunk vorgesehen ist Der Wunsch nach einem System zur Intrazugkommunikation besteht bei den Bahnbe treibern und so wurden die grunds tzlichen Anforderung an ein System zur Intrazug kommunikation im EU Forschungsprojekt INTELFRET erarbeitet und Realisierungs konzepte entwickelt Zeitnah wurde das Forschungsprojekt FEBI S initiiert welches die Umsetzung dieser Realisierungskonzepte als erkl rtes Ziel hatte So euphorisch diese Entwicklungen in den Jahren 1999 bis 2002 begonnen wurden so ergebnislos wurden diese eingestellt In dem Projekt FEBI wurde als L sung f r die Energieproblematik der Einsatz eines Radsatzgenerators in Kombination mit einem Energiespeicher wie z B Pufferbatterien vorgesehen F r die Kommunikation sollte das 5 4 GHz ISM Band genutzt werden Die automatische Businitialisierung
193. nfahrtszeitpunkt des Wagens vgl Ab schnitt 6 9 2 7 2 BUSINITIALISIERUNG 145 Umfahfungssgleis 2 Abbildung 7 10 Ausgangssituation der Inauguration Ablauf der Inauguration Der Ablauf der Inauguration erfolgt entsprechend Abbildung und ist folgend be schrieben 1 Zu Beginn der Inauguration des Funkbusses und der Reihungsermittlung in der die Fahrzeuge stehen werden die Standardtelegramme von den Kommunikati onsger ten der Wagen W gesendet Sie werden von der Kommunikationsger ten jedes F hrungsfahrzeugs L im Funkreichweitebereich z B einer Lokomotive empfangen und ausgewertet indem die empfangenen Datens tze in einer vorl u figen Fahrzeugliste registriert werden Datens tze bisher noch nicht registrierter Wagen Kommunikationsger te werden zu dieser vorl ufigen Fahrzeugliste hin zugef gt Datens tze bereits registrierter Fahrzeuge werden ggf aktualisiert Es ergibt sich somit eine vorl ufige Teilnehmerliste aller potenziellen Wagen Kommunikationsger te in der Umgebung 146 KAPITEL 7 REALISIERUNG lokseitig wagenseitig Betrieb Operation Abbildung 7 11 Kanal Instanzen Netz zum Ablauf der Kommunikation 7 2 BUSINITIALISIERUNG 147 2 Das von dem Kommunikationsger t eines F hrungsfahrzeugs empfangene Te legramm wird von der zugeh rigen Steuerungseinheit Mikrocontroller in ei
194. ng Entsprechend der Anforderungen an die Energieversorgung vgl Abschnitt 7 1 6 und des Kanal Instanzen Netzes der Kommunikation in Abbildung wurden drei Be triebsmodi vorgesehen Ziel der Modellbildung ist die Abbildung der Funktion und der funktionalen Abh n gigkeiten von Lokomotiven Kommunikationsger t en und Wagen Kommunikationsge r t en sowie letztlich die Validation des Modells und die Codegenerierung Die Basis des Modells bilden die zwei Teilmodelle Lokomotivenger t f r das Lokomo tiven Kommunikationsger t und Wagenger t f r das Wagen Kommunikationsger t Die beiden Teilmodelle bilden die Zustandsautomaten von Lokomotiven und Wagen ger t ab Sie sind zueinander asynchron interagieren ber einen bertragungskanal und werden durch die in den Abschnitten 7 1 2 und 7 2Jeingef hrten Telegramme synchronisiert vgl Abbildungen 7 11lund 7 12 Der bertragungskanal besteht phy sikalisch aus der Luftschnittstelle zwischen den Kommunikationsger ten Mittels des Werkzeugs TimeNET 3 0 wurden das Systemverhalten und das Kommu nikationskonzept inkl der Businitialisierung modelliert Genutzt wurde dazu das Be schreibungsmittel der erweiterten generalisierten Stochastischen Petrinetze EGSPN Ereignisse Synchronisierung Ereignisse Lokomotiv ger t l Wagenger t Abbildung 7 12 Transitionsgesteuerte Synchronisierung der Teilmodelle Die Modellentwicklung erfolgt durch ei
195. nge_o_to_s_noted build_and_send_telegram oe 5 T gt note_mode_change_o wait_for_acknowledge_o acknowledge_received_o operation_mode_w1 Abbildung 7 16 Modell des Wagenger ts 158 KAPITEL 7 REALISIERUNG 7 3 3 Kombination der Teilmodelle Bisher wurden die Teilmodelle von Wagen und Lokomotiven Kommunikationsger t einzeln betrachtet Das zu entwickelnde Kommunikationssystem besteht jedoch aus mindestens zwei Kommunikationseinheiten einem Lokomotivenger t und einem Wa genger t Die Kombination dieser Kommunikationsger te ist durch entsprechende Kopp lung der Teilmodelle von Lokomotiven und Wagen Kommunikationsger t modellier bar wobei der bertragungskanal die Schnittstelle zwischen den Teilmodellen darstellt Unter Annahme eines idealen bertragungskanals lassen sich die Teilmodelle ber die Pl tze maker_telegram und acknowledge_telegram koppeln vgl Abbildungen und 7 16 Gerade auf Funkstrecken ist kein idealer bertragungskanal vorhanden vgl Abschnitt 6 1 3 Daher wird der reale Kommunikationskanal durch ein einfaches Kanalmodell entsprechend Abbildung modelliert Das Modell ber cksichtigt durch den Platz ChP3 eine Kanalbelegung f r mehrere physikalische FHSS Kan le auf denen paral lele bertragungen m glich sind Om Chp2 Chr ChP1 ChT1 PL_marker_telegram b ChP3 Ba PW_marker_telegram PL_acknowledge_telegram eg e CH ep Si PW_acknowledge_telegram s 3 vi
196. ngen zur Charakterisierung des f r die Funk bertragung vorgesehenen Funkkanals im 5 8 GHz ISM Band und zur Op timierung der Antennen sowie zur Bestimmung der optimalen Antennenposition am Fahrzeug durchgef hrt da bei den Bahnen bisher kaum Erfahrungen bez glich dieses Funkkanals f r den Einsatz an G terz gen vorlagen WITTE et al 2001 Die Frequenzbereiche 5 8 GHz und 2 45 GHz wurden untersucht und gegen berge stellt Obwohl das 2 45 GHz Band geringere D mpfungswerte und einen geringeren Streubereich aufweist was folglich gr ere Reichweiten bei gleicher Sendeleistung und den Finsatz weniger hochwertiger Antennen als im 5 8 GHz Band bedeutet entschie den sich die Entwickler gegen diese und wegen des exklusiveren Frequenzbereiches f r das 5 8 GHz Funkband Die am besten geeignete Antennenposition am Zug f r eine seitliche Anbringung befindet sich etwa 1 4 m ber dem Erdboden und liegt damit im Bereich der Pufferh he WITTE et al 2001 Vegetation in diesem Bereich wirkt sich wie zu erwarten negativ auf die Funkausbreitung aus und u ert sich in einer erh hten D mpfung Entgegenkommende Z ge und Mauern direkt am Funkkanal wirken sich hingegen nicht kritisch aus und k nnen in einigen Metern Abstand durch konstruktive Interferenz sogar signalverst rkend wirken Als Struktur des Funkbusses wurde eine durch redundante R ckverbindungen erwei terte Baum Funktionstopologie gew hlt vgl Abschnitt 6 1 2 Als Telegrammstru
197. ngungen sowohl entlang eines stehenden als auch entlang eines fah renden Zuges in Tunneln unter Br cken mit Hindernissen im bertragungsweg und bez glich des Einflusses der relativen Geschwindigkeit durchgef hrt Es offenbarten sich die m gliche bertragungsverl sslichkeit und die Schw chen des Kommunikationssys tems Die wesentlichen technischen Anforderungen an das TrainLink System waren dabei e Nutzung eines frei zug nglichen kostenfreien und gut verf gbaren Frequenzban des 48 KAPITEL 4 STAND DER TECHNIK e Nutzung eines internationalen Funkstandards e Geringe Modulkosten bei geringer Baugr e e bertragungsrate bis 30 kBit s e berbr ckung von Entfernungen bis zu 3 km mit geeigneter Topologie und ge eignetem Routingverfahren e Festigkeit f r Einsatz im bahntechnischen Umfeld entsprechend der Bahnnormen el und mech St rungen Klima usw e Schrittweise Einf hrung muss m glich sein d h auch ein nicht vollst ndig mit TrainLink ausger steter Zug muss als Kommunikationseinheit mindestens mit dem ausger steten Wagen verf gbar sein e Nutzung der DECT Technologie durch Einsatz kosteng nstiger Baugruppen aus DECT Schnurlostelefonen der Siemens AG e Realisierung standardisierter Schnittstellen f r fahrzeugseitige Sensorik z B Tem peratur Druck Beschleunigung und Aktorik z B Bremspr fung Zugschlu automatische Zugkupplung e Autarke Energieversorgung mit einem Energie Management f r
198. nicht kleiner als 75 EN 50155 rel Luftfeuchte an 30 aufeinander folgenden Tagen nicht gr er als 95 EN 50155 gelegentliche Luftfeuchte hat keinen Einfluss zwischen 95 und 100 EN 50155 absolute Luftfeuchtigkeit maximal 30 g m EN 50155 unregelm ige Kondensation soll nicht zu Fehlern f hren EN 50155 Regen soll keinen Einflu haben bis 6 mm Minuten EN 50155 Hagelk mer sollen keine Besch digungen bis 15 mm Gr e EN 50155 Mechanisch Schwingungs und Sto fest gem EN 61373 EN 61373 Strahlung Solare Bestrahlung soll kleiner sein als 1120 W m f r max 8 Stunden Chemisch amp Biologisch Belastete Fl ssigkeiten Klasse 5F2 elektrischer Antrieb der EN 60721 3 5 1997 EN 60721 Klasse 5F3 thermischer Antrieb der EN 60721 3 5 1997 EN 60721 Bioaktive Substanzen Klasse 5B2 der EN 60721 3 5 1997 EN 60721 Salzspr hnebel Entsprechend EN 60721 3 5 1997 Klasse 5C2 EN 60721 3 5 Fremdk rper Staub definiert in Klasse 582 der EN 60721 3 5 1997 EN 60721 Steinschlag Gegenst nde mit einem Durchmesser von maximal 15 mm EN 60721 Gras Pollen Insekten F r die Auslegung von Bel ftungen EN 60721 Sand Gem EN 60721 3 5 1997 EN 60721 Zug und gesamtes Fahrzeug keine Beeinflussung EN 50121 3 1 Bahnfahrzeuge und Ger te keine Beeinflu
199. nierten An forderungen an die Kommunikationshardware entsprechend Abschnitt bewertet und eine Rangreihe erstellt Die Priorisierung der relevanten Anforderungen f r die Kommunikationshardware mit der Methode des Paarweisen Vergleichs ist in Abbil dung 6 7 dargestellt Die Bewertung der m glichen Funktechnologien ist in Abbildung dargestellt Technologische Einsetzbarkeit Technologische Einsetzbarkeit Organisation Frequenzbereich Anzahl der Teilnehmer Bedarf amp Toleranz Topologie Funkreichweite HF Kanal HF Kanal HF Kanal Energie Zeilensumme m Anschaffungspreis S Priorisierung Anbieter In Betriebskosten Anschaffungspreis m Datenkanal Datenrate Betriebskosten o jo jo jo Datenrate Funkreichweite n j jo n N Frequenzbereich o o lo lo In aus Anzahl der Teilnehmer n jo jo jo v Montage o w o jo m Reihung Montage jo v jo jo n Umweltbedingungen Reihung n jo jo n j jo jo j n Klima Verschmutzung Feuchtigkeit EMV Bedarf amp Toleranz o jo Jo In jo n ESD Festigkeit n l l l len l in l lo l In Festigkeit jin n n j In j o In j jo j n Topologie v v Jo In In o jo jo m Kundenpr ferenz N Organisation jo j ja
200. nsequenten Energiemanagements mit Teilsystemabschaltung und Standby Betrieb realisiert werden vgl Abschnitte 4 1 1 und 4 1 2 Das Kommunikationssystem soll innerhalb eines Revisionsintervalls von typischerweise sechs Jahren wartungsfrei sein Die Herausforderung bei der Dimensionierung der Energieversorgung besteht in den Wechselwirkungen zwischen Energiebedarf und angebot Der Energiebedarf wird durch die Hardwarekomponenten deren Auswahl von dem abgesch tzten Energieangebot ab h ngig ist sowie deren Nutzungsprofil bestimmt Anders herum ist die Zul nglichkeit m glicher Energiequellen erst unter Betrachtung des Energiebedarfs konkreter Hard ware sinnvoll zu ermitteln Es muss also sichergestellt sein dass die Energieversorgung f r einen exemplarischen Energiebedarf mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist ein klassisches Henne Ei Problem 54 59 Zun chst wurden die Anteile der Verkehrsarten am Schieneng terverkehr sowie die Transportentfernungen in Abschnitt ermittelt F r die drei Hautpverkehrsarten vgl Tabelle werden repr sentative Fahrprofile mit spezifischen Fahr und Stand zeiten sowie der Frequenz der Fahrten erarbeitet F r den Dauerbetrieb vgl Abschnitt und schlie lich f r einen Betrieb entspre chend der Energiebedarfsprofile vgl Abschnitt wurde der Energiebedarf pro Jahr sowie pro typischem Revisionszyklus eines G terwagens d h Wartungsintervall von sechs Jahren berschl gig berechnet L ge der
201. nung der seismischen Masse in allen drei Raumrichtungen vorgeschlagen Derartige Generatoren erzeugen zudem w hrend der Fahrt voraussichtlich nur geringe Mengen an Energie bzw m ssten unverh ltnism ig gro sein Eine marktreife Umsetzung dieses Patents existiert bislang nicht 5 4 7 Luftdruckgenerator Aus HECHT 1999 geht hervor dass Druckluftgeneratoren im Bereich der Eisenbahn technik verbreitet sind Dabei wird ein Teil der durch den Zug gef hrten Druckluft des Bremssystems zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet Die maximal zul s sigen Druckverluste d rfen unter keinen Umst nden berschritten werden Diese Art der Energiegewinnung ist nur bei angekuppelter Lokomotive und korrekt verbunde ner Druckluftleitungen im gesamten Fahrverband m glich Sollte die Druckluftleitung ihrerseits ein Leck besitzen so kann dies beim gleichzeitigen Betrieb der Druckluftge neratoren zum Ausfall des Bremssystems f hren Dies bedeutet f r das System Bahn wegen des sicheren Fehlerverhaltens fail safe einen Stillstand des Fahrverbands Grunds tzlich bedeutet der Einsatz von Druckluftgeneratoren einen Eingriff in ein bahntechnisch sicherheitsrelevantes System Trotz der angedeuteten weiten Verbrei tung erbrachte eine Internet Recherche nach Herstellern keine Ergebnisse 5 4 M GLICHKEITEN DER ENERGIEVERSORGUNG AUF G TERWAGEN 69 5 4 8 Fl gelwindr der Herk mmliche Fl gelwindr der basieren auf dem Prinzip der Radialac
202. o Simu lation vgl Abbildung 7 19 im der linken H lfte sowie die m gliche Analyse der Kom plexit t des Modells durch Verwendung des aus den Teilmodellen abgeleiteten oder ge nerierten Quellcodes und dessen Verwendung innerhalb einer Laufzeitumgebung vgl Abbildung 7 20 in der rechten H lfte gegen bergestellt 168 KAPITEL 7 REALISIERUNG Petrinetz CO Jede Transition entspricht einem Thread es Der Erreichbarkeitsgraph besitzt mehrere Wege ste zu einem Zustand es Monte Carlo Simulation ist im II Tool m glich Modell Validation Besserer Nachweis von Deadlocks Petrinetzmodell bildet Algorithmen und Hardware ab und erm glicht so die Monte Carlo Simulation des Modells generierter Code Begrenzte Anzahl von Threads bei uC blicherweise ein Thread Vollst ndige Implementierung der Zustands automaten und der Programmfunktionen bereits vor der Analyse Das Programm wird linear abgearbeitet Keine Nebenl ufigkeit d h nur ein linearer L sungsweg und der EG wird nicht vollst ndig abgebildet Monte Carlo Simulation nur ber objektorientierten Code Code Validation H here Genauigkeit da projektbezogener C C Code validiert wird H here Effektivit t der MC Simulation Hardware in the loop Abbildung 7 21 Bewertung der Analysemethoden mit Monte Carlo Simulation 7 5 SOFTWAREINTEGRATION UND CODEGENERIERUNG 169 7 5 Softwareintegration und Codegenerierung Die Modelle d
203. o h 1 dep Sinore trainlink pn_Comm 37_5_Wagen h au trainlnk pn_Comm 37_5 E E deprecated E trainlink trainlinkFunctions h au traininkjtrainlink nctions E S global 4 f include trainl ee ar a legrams h au Gps GPScommunication h ES gps include gps GPSconmunication h au gps GPSstateMachine h e GC gsm include gps GP3SstateMachine h log S amp trainlink A selfTest c B selftest ist ifdef TL_BOX_TYPE_WAGGON A Trainlink c E Trainlink kst void TWagen_readsensors TWagen PN Le XBeeCommunication c PN gt reset_ waggon 17 XBeeCommunication lst Le XStreamCommunication c 3 XStreamCommunication lst B important Note txt t PN gt approach_or_manual_inauguration void Tagen set ctors TWagen PN H for debugging Problems Javadoc Declaration 4 Search 2 Console C C Projects r SS EA cl Lal D Writable Smart Insert 2 27 Abbildung 7 24 Screenshot des Workspaces in Eclipse 7 5 4 Softwaredesign und Implementierung aufgrund unterschiedlicher Zustandsautomaten und Funktionalit ten von Wagen und Lokomotiven Kommunikationsger t vgl Abschnitt 7 3 unterscheiden sich die Softwa re der Mikrocontroller des Wagen und des Lokomotivenger ts So ist z B die Inaugurations und Plausibilit tspr fung in den Wagenger ten nicht erforderlich Die Unterscheidung welcher Codeteil f r welchen Ger tetyp eingesetzt wird wird per globaler Konstante TL_BOX_TYPE_WAGGON in der Haup
204. ock 1999 verwiesen Beschrieben wird eine Methode zur Bewer 2 1 STRUKTURIERUNG DES SYSTEMENTWURFS 9 tung und Spezifikation f r Bussysteme auf Basis einer Top Down Modellierung und ei ner Bottom Up Simulation wobei der Untersuchungsgegenstand weniger die Hardware orientierten Schichten 1 Physical Layer und 2 Data Link Layer des ISO OSI Referenzmodells waren sondern eine flexible modularisierte Simulation und Evaluation durch ein Referenzmodell welches einer mathematischen Leistungsanalyse vorgezogen wurde Die Auspr gung aller zu realisierenden Dienste konnte zu Beginn nicht um fassend abgesch tzt werden jedoch sollte die Systemkonzeption ein offenes System erm glichen F r den Entwurf eines Anwendungsprotokolls wird ein L sungsvorschlag gegeben welcher der Entwicklung auf Basis eines Prozessmodells nach dem erweiterten Wasserfallmodell methodische Grundlage gibt Forschungsgegenstand war das Rationalisierungspotenzial f r die grenz berschreiten de Interoperabilit t des spurgebundenen Verkehrs in Europa bei der Nutzung der vorhandenen Gleiskapazit ten durch Einf hrung elektronisch gesteuerter Bremssyste me in Verbindung mit automatischen Zugkupplungen Mit Hilfe der Strukturierten Analyse wurden die komplexen Zusammenh nge in einer hierarchischen Top Down Modellierung mit Hilfe von Datenflussdiagrammen DFD dargestellt Zusammenh n ge zwischen den Funktionen wurden dabei in graphischer Form mittels Petrinetzen visua
205. olar panele Zugbus erfolgen vgl Abschnitt 4 1 3 In Kombination mit einer Nachlade technik wird eine Standzeit von bis zu sechs Jahren gew hrleistet Eine Intrazugkommunikation ist auch bei diesem System nicht vorgesehen Die Kommu nikation erfolgt ber terrestrischen Datenfunk GSM GSM R GPRS UMTS oder Sa tellitenfunk Derartige Systeme werden heute von der Firma Knorr Bremse SIS GmbH unter dem Namen NavMaster RT vertrieben 4 2 2 OPTIVIA Die Firma Bombardier Transportation bietet ein modulares GPS basiertes Telematik system namens OPTIVIA an welches urspr nglich f r den Einsatz im Bereich von Werkslokomotiven von Industriebahnen entwickelt wurde SCHMIDT und HOLZM L LER 2002 Es diente vorwiegend der Ortung und Fahrwegverfolgung innerhalb eines Werksgel ndes und wurde erweitert um die Einsatzm glichkeit auf ffentlichen Gleis strecken Die Positionsermittlung erfolgt mittels eines GPS Positionsempf ngers wel cher zur Erh hung der Qualit t der Positionsermittlung mit einem Radimpulsgeber kombiniert wurde Die Kommunikation der Lokomotiven mit dem sogenannten OP TIVIA Radio Center erfolgt innerhalb des Werksgel ndes mittels VHF Modem mit einem Funkbereich von 137 174 MHz und einer Ausgangsleistung bis zu 5 Watt und au erhalb des Werksgel ndes mittels GSM Modem ber die Art der Energieversorgung des Telematiksystems sind keine Informationen vorhanden es wird jedoch vermutlich direkt aus dem Bordnetz der Lokomo
206. ommunikationsger t in Kontakt zu treten vgl Ab schnitt 7 2 W hrend der Betriebsruhe also des Stands eines Wagens ist dies unn tig und steht im Widerspruch zu der Anforderung der Minimierung des Energiebedarfs F r die Realisierung eines effizienten Energiemanagements werden die folgenden drei Betriebsmodi eingef hrt vgl Abbildung 7 11 1 Energiesparmodus standby Modus 2 Betriebsmodus w hrend der Businitialisierung inauguration Modus 3 Betriebsmodus w hrend des betrieblichen Einsatzes operation Modus Die Steuerung der Betriebsmodi von Wagen und Lokomotiven Kommunikationsger t ist durch Implementierung in Software zu realisieren vgl Abschnitt 7 3 Als Vorgriff auf die Beschreibung der Zustandsautomaten werden in den Abschnitten und die Funktionalit ten und die Betriebsmodi des Wagen Kommunikations ger ts und des Lokomotiven Kommunikationsger ts beschrieben 7 1 2 Betriebsmodi eines Wagen Kommunikationsger ts Energiesparmodus Standby In dem Energiesparmodus wird die Funkkommunikationseinheit des Kommunikations ger ts eines Wagens zyklisch alle 15 Minuten durch die Steuerungseinheit aktiviert Die Steuerungseinheit bertr gt das Standardtelegramm mit den aktuellen betriebs bezogenen Nutzdaten z B aktueller Position aktueller Systemzeit an die Funkkom munikationseinheit welche das Standardtelegramm sendet F r 3 Sekunden nach dem Senden wartet die Steuerungseinheit auf ein Be
207. onalisierungsm glichkeiten durch Reduzierung der Menge der Aktivit ten und Produkte auf das notwendige Ma Den Vorgang des Anpassens des V Modells auf die projektspezifischen Bed rfnisse bezeichnet man als Tailoring Spiralmodell der Systementwicklung Das generische Spiralmodell vgl Abbildung 2 5 der Systementwicklung fasst den Ent wicklungsprozess vornehmlich der Softwareentwicklung als iterativen Prozess auf wo bei jeder Zyklus in den einzelnen Quadranten folgende Aktivit ten enth lt BALZERT 1998 1 Festlegung von Zielen Identifikation von Alternativen und Beschreibung von Rah menbedingungen 2 Evaluierung der Alternativen und das Erkennen Absch tzen und Reduzieren von Risiken 3 Realisierung und berpr fung des Zwischenprodukts bzw Zwischenergebnisses 4 Planung des n chsten Zyklus der Projektfortsetzung Das iterative Spiralmodell ist eine von BOEHM 1988 erarbeitete Weiterentwicklung des sequentiellen Wasserfallmodells in dem die Phasen mehrfach durchlaufen werden Es bietet sich bei Projekten mit vielen offenen Randbedingungen an da bei der Projekt leitung jederzeit und in jede Richtung eingegriffen werden kann Am Ende jeder Spirale steht ein Betrachten des Projektfortschritts Review wobei auch der Projektfortgang geplant und verabschiedet wird KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 12 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN Kosten Fortschritte Festlegen der Ziele Z
208. ool for Coloured Petri Nets EN50121 3 1 2001 EN50121 3 1 2001 Bahnanwendungen Elektromagnetische Vertr glichkeit Teil 3 1 Bahnfahrzeuge Zug und gesamtes Fahrzeug EN50121 3 2 2000 g ltig EN50121 3 2 2001 EN50121 3 2 2001 Bahnanwendungen Elektromagnetische Vertr glichkeit Teil 3 2 Bahnfahrzeuge Ger te EN50121 3 2 2000 g ltig LITERATURVERZEICHNIS 185 EN50155 2001 EN50155 2001 Bahnanwendungen Elektronische Einrichtun gen auf Schienenfahrzeugen EN50155 2001 A1 2002 Corrigendum 2003 EN50155 2004 01 01 g ltig EN50159 1 2003 EN50159 1 2003 Telekommunikationstechnik Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme Teil 1 Sicherheitsrelevante Kommunikation in ge schlossenen bertragungssystemen EN50159 1 2001 g ltig EN50159 2 2002 EN50159 2 2002 Telekommunikationstechnik Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme Teil 1 Sicherheitsrelevante Kommunikation in of fenen Ubertragungssystemen EN50159 2 2001 g ltig EN60721 3 2003 EN60721 3 2003 Klassifizierung von Umweltbedingungen Teil 3 Klassen von Umwelteinflussgr en und deren Grenzwerte Einf hrung IEC 60721 3 0 1984 A1 1987 EN60721 3 0 1993 g ltig EN60721 3 5 2001 EN60721 3 5 2001 Klassifizierung von Umweltbedingungen Teil 3 Klassen von Umwelteinflussgr en und deren Grenzwerte Hauptabschnitt 5 Einsatz an und in Landfahrzeugen IEC 60721 3 5 1997 EN60721 3 5 1997 g ltig EN61373
209. orderungen an die Energieversorgung technische Anf energetische Anf Energieerzeugung Verschmutzungsanf lligkeit Zuverl ssigkeit Verf gbarkeit Wartungsintervall Maintainability Betriebssicherheit bez des Systems Bahn Verschlei anf lligkeit Energiedichte Investitionskosten Wartungskosten Einsetzbarkeit Montagem glichkeit Kundenpr ferenz Zuverl ssigkeit Verf gbarkeit Wartungsintervall Maintainability Betriebssicherheit bez des Systems Bahn Verschlei anf lligkeit Energiedichte Marktverf gbarkeit Wartungskosten Kapazit t Ladestrom Schnellladef higkeit Ladestrom Selbstentladungsrate Energiespeicherung E Mindestspannung Spannungsstabilit t Versorgungsspannung S Nennspannung Maximalspannung Stromfestigkeit SE Stromunterbrechung Gleichstromwelligkeit ESD m Spannungsst e Bursts Abbildung 3 7 Dekomposition der Anforderungen an die Energieversorgung Teil 2 3 4 QUERSCHNITT DER ANFORDERUNGEN 31 3 4 Querschnitt der Anforderungen Anders als die Dekomposition der Anforderungen pro Teilsystem oder Komponente in Abschnitt 3 3 stellt der Anforderungsquerschnitt die Gesamtheit der Anforderungsklas se z B der geometrischen Anforderungen als Querschnitt ber das Gesamtsystems dar Dies ist z B f r die gegen berstellende Beurteilung des Stands der Technik in Abschnitt 4 4 gegen die Anforde
210. otiven Kommunikationsger ts das Standardtelegramm eines bereits w hrend der Inauguration als zum Fahrverband zugeh rig bewerteten Wagens so sendet die Steue rungseinheit ein Best tigungstelegramm an das entsprechende Wagen Kommunikations ger t Eine Busaufl sung und damit die Aktivierung des Energiesparmodus soll entsprechend der erweiterten Anforderungen in Abschnitt durch Eingriff des Zugf hrers erfol gen Empf ngt die Funkkommunikationseinheit des Lokomotiven Kommunikationsger ts das Standardtelegramm eines bereits w hrend der Inauguration als zum Fahrverband zugeh rig bewerteten Wagens in der Phase der Busaufl sung so sendet die Steuerungs einheit kein Best tigungstelegramm an das entsprechende Wagen Kommunikationsger t 7 1 4 Ressourcen eines Kommunikationsger ts Die funktionalen und technischen Anforderungen an die Energieversorgung die Kom munikation die Steuerung und den Aufbau vgl Abschnitte und 13 4 3 sowie an die Sensorik vgl Abschnitt 7 1 1 k nnen mit den Ressourcen in Abbildung realisiert werden 7 1 HARDWAREKONZEPT 137 unktionseinheit Ressource eratekomponente ausgew hltes Ger t Kommunikationsmodul MaxStream 24XSiream Steuerung der Betriebsmodi Chip45 com Crumb128 Modul der Kommunikation Mikrocontrollereinheit mit Atmel ATmega128 uC des Energiemanagements Messung Positionbestimmung GPS Empf nger Holux GR 213 Anfahrtsdetektor Bachem Neigungsschalter Energie Energieversorgun
211. p 1zn Beet fi18008 TX RX Operation 30 1515 56 _0 00 0 00 Wsp wzh Energiebedarf pro Stunde Operation Wert Leistung Energie Sleep 6600s 1X RX Operation 90 3190 45 0 00 0 19 Wsph GPS Module Kaltstart Hei start 24XStream Module Telegramml nge 68 Bytes Ubertragungsrate 9600 Baud Ubertragungszeit pro Telegramm 56 67 ms Abbildung 7 8 Berechnung des Energiebedarfs pro Stunde unter den angenommenen Randbedingungen 7 1 HARDWAREKONZEPT 143 Stdn Operation p a 64 87 Ws p h 50602 17 Ws p a Stdn Standby p a 7980 h 12 16 Ws p h 97023 88 Ws p a Inaugurationen p a 261 Stk 225 81 Ws 58935 69 Ws p a 206561 74 Ws p a 57 38 Wh p a 344 27 Wh pro 6 Jahre Stdn Operation p a 207 96h 64 87 Ws p h 13491 32 Ws p a Stdn Standby p a 8552 04h 12 16 Ws p h 103978 96 Ws p a Inaugurationen p a 12 Stk 225 81 Ws 2709 69 Ws p a 120179 96 Ws p a 33 38 Wh p a 200 30 Wh pro 6 Jahre Stdn Operation p a 3848 h 64 87 Ws p h 249637 38 Ws p a Stdn Standby p a 4912h 12 16 Ws p h 59721 97 Ws p a Inaugurationen p a 261 Stk 225 81 Ws 58935 69 Ws p a 368295 04 Ws p a 102 30 Wh p a 613 83 Wh pro 6 Jahre Abbildung 7 9 Berechnung des Energiebedarfs unter den angenommenen Randbedin gungen bezogen auf ein Revisionsintervall Unter der Annahme der Parallelschaltung zweier in Reihe geschalteter Lithium Prim r batterien ergeben sich eine Spannung von 7 2 V und damit aus den Energieb
212. pfindlich sein gegen vor direkt eingekoppelten oder induzierten Spannungen EN 50155 IKommunikationszeit Initialisierungszeit Betriebszeit Sendelatenz vom letzten Wagen zur Lok Datengeschwindigkeit 250 m s bei sicherheitsrelevanten Meldungen gilt Fehleroffenbarungszeit von gr enordnungsm ig 1 s bei Bahnanwendungen Zeit zur Weiterleitung von Telegrammen Routing Zeit zum Einschalten der Wagenger te aus Standby Zeit zur Fertigstellung der Inauguration Fahrzeiten 10 20 Sekunden ist nicht pauschalisierbar gt Fahrprofil Standzeiten Ist nicht pauschalisierbar gt Fahrprofil Abbildung 3 19 Paradigmatische Darstellung des Lastenhefts als Lastenheftmatrix 40 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN 3 5 Grunds tzliche Systemstruktur Aus den klassifizierten Anforderungen sowie dem Anforderungsquerschnitt resultiert ei ne grunds tzliche funktional technische Systemstruktur eines Kommunikationsger ts entsprechend Abbildung Zentrale Systemkomponente eines Kommunikationsger ts ist die Energieversorgung welche die Komponenten Steuereinheit Kommunikationseinheit und ggf Sensorik mit elektrischer Energie versorgt Die Steuerung des Kommunikationsger ts wird von einer zentralen Steuereinheit z B durch einen Mikrocontroller bernommen Dieser steuert einerseits die Funktionen der Kommunikationseinheit d h Aktivierung und Deaktivierung von Sende und Emp fangsmo
213. projekten nach marktreifen Produkten und nach gesch tzten Verfah ren Die Bewertung dieser Systeme Modelle Produkte und Verfahren erfolgt anhand der Eigenschaften und Merkmalen des Anforderungsquerschnitts Es zeigte sich dass aus aktueller Sicht kein Systems den Anforderungen welche an das zu realisierende Kommunikationssystem gestellt wurden gerecht wird und infolge dessen eine Neuent wicklung gerechtfertigt und sinnvoll ist Schl sselanforderung ist die Realisierung einer autarken Energieversorgung welche in Kapitel 5 behandelt wird Ist diese mit einem angemessenen Kosten Nutzen Verh ltnis nicht zu realisieren so w re dies ein Ausschlusskriterium f r die weitere Systement wicklung Es wurden daher die betrieblichen Bedingungen d h exemplarisch die G terbereiche anhand des Verkehrsaufkommens der DB Cargo analysiert und daraus drei Einsatzszenarien f r G terwagen abgeleitet Dazu geh ren die mittleren Transportent fernungen die durchschnittlichen Fahr und Standzeiten sowie die durchschnittliche Geschwindigkeit und die Frequenz der Fahrten Anhand der drei Nutzungsszenarien wurde unter Annahme fiktiver Randbedingungen der Energiebedarf innerhalb eines Wartungsintervalls von G terwagen abgesch tzt Dazu wurden m gliche Energiequel len d h Prim rbatterien und erzeuger d h elektrochemische mechanische und pho 1 2 AUFBAU DER ARBEIT 3 tovoltaische Generatoren und Energiespeicher untersucht und die Eigenschaften
214. r verketteter Funkzellen basiert vgl Abbildung 6 4 Eine Reihungsliste des Fahrverban des ist zwingend erforderlich Bock 2001 p n N L w W2 wa w4 WS W6 997 E OO 7 OO OO 7 OO O0 7 O0 OO Abbildung 6 4 Funkverbindungen der Topologie Chained Cells 6 1 3 Physikalische Eigenschaften der Funkkommunikation Auf die erste Schicht des ISO OSI Referenzmodells vgl Abschnitt 6 1 1 wirken D mp fungseffekte und St reffekte D mpfungseffekte Ein ideales bertragungssystem ist charakterisiert durch eine Quelle einen verlustlosen Kommunikationskanal und eine Senke In der Praxis ist der Kanal jedoch immer ver lustbehaftet durch thermisches Rauschen oder Widerstandsrauschen Charakterisiert ist der bertragungskanal durch das Verh ltnis der Empfangsleistung Dr zur Sende leistung Ps Dieses Verh ltnis der elektromagnetischen Wellen bei Freiraumausbreitung wird durch die Ft sche Formel in 6 1 beschrieben BALANIS 2005 Die Formelzeichen sind in Tabelle 6 1 aufgelistet Pr 2 2 A 1 TF Ds 1 r De No 6 1 Ps ns IN o gel TE E Ne And 6 1 Diese Formel l sst sich vereinfacht ausdr cken durch 6 2 Pr AN ee 2 Ps E 6 2 6 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 93 d Abstand zwischen den Antennen Ds Richtwirkung der Antenne auf Senderseite Dr Richtwirkung der Antenne auf Empf
215. r Bundesverwaltung zur Anwendung empfohlen wurde KBST 2006 Im Februar 2005 wurde das V Modell 97 im Zuge von neuen Erkenntnissen in der Softwareentwicklung durch die Version 1 0 des V Modell XT XT Extreme Tailo 2 1 STRUKTURIERUNG DES SYSTEMENTWURFS 11 ring ersetzt wobei die Haupt nderungspunkte die Anpassbarkeit an die jeweiligen Bed rfnisse tailorbar die Einbindung des Auftraggebers sowie die st rkere Modula risierung sind d h die vier bisherigen Submodelle wurden durch Vorgehensbausteine ersetzt aus denen das konkrete Vorgehensmodell eines Projekts zusammengestellt wird tailoring Des weiteren stehen agile und inkrementelle Ans tze st rker im Fokus Im Gegensatz zum Rational Unified Process RUP stehen im V Modell nicht die Do kumentation sondern die Produkte im Vordergrund Im Vergleich zu einem klassischen Phasenmodell werden im V Modell keine strikte zeitliche Abfolge und insbesondere kei ne typischen Abnahmen die ein Phasenende definieren gefordert sondern Aktivit ten und Ergebnisse definiert Dennoch lassen sich die Aktivit ten des V Modells z B auf ein Wasserfallmodell oder ein Spiralmodell abbilden KBST 2006 Vorgehensmodelle werden zur Anwendungsentwicklung von IT Systemen verschiedens ter Gr e und Komplexit t verwendet Um bei Abwicklung kleinerer und mittlerer Pro jekte keinen berm ig gro en Mehraufwand zu produzieren definiert das V Modell f r diese Projektgr en Rati
216. r f r beschr nkte Netze vollst ndig berechnen F r unbeschr nkte Netze w rde der Erreichbarkeitsgraph unendlich gro werden kann aber gegebenenfalls durch sog berdeckbarkeitsgraphen erfasst werden Mit Hilfe der Erreichbarkeitsanalyse k nnen folgende Eigenschaften untersucht wer den e Reversibilit t Ein Petrinetz hei t reversibel wenn die Initialmarkierung durch eine spezielle Schaltfolge wieder erreichbar ist Die dabei erreichbaren Markierun gen bilden einen Zyklus im Erreichbarkeitsgraphen e Tote Transition Eine Transition t hei t tote Transition wenn sie weder in der Initialmarkierung noch in einer Folgemarkierung aktiviert wird e Tote Markierung Eine Markierung hei t tot wenn sie keine Transition mehr aktiviert d h sie ist ein Endknoten im Erreichbarkeitsgraphen e Verklemmung Es wird zwischen partieller und totaler Verklemmung unter schieden Wenn keine Transition mehr schalten kann so liegt eine totale Verklem mung vor Ist nicht mehr jede Transition die vorher schaltbar war von einem aktuellen Zustand aus aktivierbar sondern nur noch eine Teilmenge so liegt eine partielle Verklemmung vor 182 ANHANG A PETRINETZE e Deadlock Ein Deadlock ist eine Stellenmenge deren Vorbereich eine Teilmenge des Nachbereichs ist e Trap Ein Trap ist eine Stellenmenge deren Nachbereich eine Teilmenge des Vorbereichs ist A 2 2 Software Zuverl ssigkeit Die Zuverl ssigkeit der Software tr gt be
217. rbeit Die betriebliche technische und funktionelle Modellbildung ist Teil der Requirements Engineering Phase Innerhalb dieser werden betriebliche Anforderungen an das System bzw die dem System vom Betrieb oder Umfeld aufgepr gten Eigenschaften definiert Ans tze zum automatischen Aufbau der Kommunikationsstruktur und die daraus resul tierenden technischen und funktionalen Anforderungen an das Kommunikationssystem erarbeitet in Form von Relationsmatrizen komprimiert sowie anhand der Lastenheft matrix bewertet Zur Erstellung des Ressourcenmodells bietet sich die Verwendung des Beschreibungs mittels der Petrinetze und die Erstellung eines Verhaltensmodells mittels der Petrinetze zu Beginn der Implementierungsphase an In der Vergangenheit wurden bereits Be trachtungen zur simulationsf higen Modellbildung sowie automatischen Codegenerie rung durchgef hrt SCHROM 2003 und die Zuverl ssigkeitsbetrachtung integriert SLO v K 2006 Die Petrinetz Strukturen bilden im Wesentlichen die Funktionsstruktur ab d h bei Software die Programmfl sse wozu lediglich die Befehle in Netzstrukturen transfor KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON 16 ENTWICKLUNGSPRODUKTEN miert werden die den Programmfluss beeinflussen Befehle die der Datenmanipulation dienen werden nicht modelliert und sp ter innerhalb der Transitionen implementiert In SCHROM 2003 werden Methoden f r die berf hrung von Funktionen in Petrinetze aufge
218. ris tallinen Siliziummodulen unterschieden Angeboten werden haupts chlich Module aus amorphen Silizium RWE SCHOTT Solar GmbH ASI Module Bei bew lktem Himmel sinkt die entnehmbare Leistung bei Modulen aus amorphen Silizium laut Datenblatt der EFG Solarzellen um den Faktor 100 von 1000 W m bei ca 32 mA cm auf etwa 10 W m bei 3 mA cm ab SOLAR 2006 Material Labor Wirkungsgrad Produktiv Wirkungsgrad monokristallines Si bis 24 14 bis 17 polykristallines Si bis 18 13 bis 15 amorphes Si bis 13 5 bis 7 Tabelle 5 8 Mittlerer Wirkungsgrad von Solarzellen je Typ SOLARSERVER 2005 5 4 M GLICHKEITEN DER ENERGIEVERSORGUNG AUF G TERWAGEN 71 Zellen aus amorphem Silizium z B von RWE SCHOTT Solar GmbH verlieren in den ersten 100 Betriebsstunden etwa 30 bis 40 ihres Wirkungsgrades Zellstabilisierungs phase Danach nimmt der Wirkungsgrad unter normalen Umweltbedingungen mit jah reszeitlichen Schwankungen nur noch geringf gig ab Solarzellen sind empfindlich gegen ber Verschmutzung Der Anbauort am Wagen ist m glichst so zu w hlen dass Regenwasser einfach abflie en kann und so vorhandene Verschmutzungen herunter gewaschen werden Die Auswertung einer Verf gbarkeits studie Reliability Study of Grid Connected PV Systems ergab dass der Einfluss der Verschmutzung in Europa nicht so hoch einzustufen ist wie in W stenregionen z B in Dakar Senegal Hartn ckige Verschmutzungen wi
219. rma TekCell ausgew hlt vgl Abschnitt 7 1 1 Sie besitzen eine Spannung von ty pischen 3 6 V und eine Nennkapazit t von 14 Ah pro Batterie Der Temperaturbereich entspricht mit 55 C bis 85 C den in Abschnitt 3 3 3 definierten Anforderungen Die Lebensdauer ist mit 10 Jahren angegeben TEKCELL Eine Serienschaltung mehrerer Zellen sowie die Stabilisierung der Ausgangsspannung mittels eines Spannungsstabilisators dienen der vollst ndigen Nutzung der in der Zel le gespeicherten Energie Die Energieversorgung ist z B durch eine Parallelschaltung mehrerer jeweils in einer Reihenschaltung zweier Zellen verschalteter Batterien reali sierbar Vorteilhaft ist der Einsatz eines Spannungsreglers und stabilisators mit einem hohen Wirkungsgrad und einer Spannungs berwachung welche speziell f r batteriegespeiste Ger te vorgesehen sind und z B von der Firma Zetex angeboten werden Abh ngig von der ben tigten Versorgungsspannung werden die Festspannungsregler ZLDO330 und ZLDO500 f r Ausgangsspannungen von 3 3 V bzw 5 0 V eingesetzt ZETEX 1997a ZE TEX 1997b Aufbau Die Komponenten f r die Steuerung f r die Spannungs berwachung sowie der Sensor zur Anfahrtsdetektion k nnen auf einer eigens entwickelten Platine montiert in einem wetterfesten Kunststoffgeh use nach dem Schutzstandard IP67 untergebracht werden F r die prototypische Realisierung sind auf dieser Platine provisorische Steckpl tze f r das Funkkommunikationsmodul
220. rstellung einer pragmatischen nat rlichen Beschrei bung der Anforderungen verzichtet werden F r eine wissenschaftliche Bearbeitung der Problemstellung ist jedoch eine paradigmatisch systemorientierte Darstellung von Struktur Dekomposition Kausalit t und Temporalit t des Systems besser geeignet Das Lastenheft wird in einer Requirementstabelle bzw matrix komprimiert so dass sp tere Arbeitsans tze z B mit der Methode des Paarweisen Vergleichs unmittelbar mit dieser Matrix bewertet werden k nnen vgl Abschnitt 2 3 Aus definierten Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt entsteht in der Ent wicklungsphase ein Produktmodell aus welchem das Produkt entwickelt und an dem es validiert wird Das Produktmodell entspricht dem Ressourcenmodell und l sst sich in die Aufbaueigenschaften und in die Funktions bzw Verhaltenseigenschaften glie dern SCHNIEDER 1999 Schnieder definiert das Ressourcenmodell wie folgt Das Ressourcenmodell modelliert Teile des Automatisierungssystems die Prozessbeeinflussung Aktorik und erfassung Sensorik und die Informationsverarbeitung zur Prozesssteuerung sowie die f r die geforderte Leistung notwendigen betrieblichen technischen funktionalen und mensch lichen Ressourcen Selbst das dynamische und das Verl sslichkeitsverhalten sind mo dellierbar SCHNIEDER 1999 Die f r die Beurteilung der m glichen Ressourcen not wendige Detaillierung des Ressourcenmodells erfolgt in Kapitel 3 dieser A
221. rungen des zu entwickelnden Kommunikationssystems hilfreich da die Eigenschaften vorhandener Systeme oft nicht im Detail f r jedes Subsystem ermittelbar sind 3 4 1 Anforderungen aus dem betrieblichen Einsatz Die betrieblichen Anforderungen werden durch den betrieblichen Einsatz eingepr gt und gliedern sich in die geometrischen elektrischen und zeitlichen Anforderungen sowie in die Anforderungen an die Umweltbedingungen Geometrische Anforderungen In Abbildung sind die Anforderungen bez glich der Geometrie und Position der Fahrzeugger te aus dem betrieblichen Einsatz klassifiziert und dekomponiert Die Ska lierung die Werte sowie die Dimension der Gr en werden in Kapitel 6 ermittelt ee Antennen Installationsort auf der Lok Installationsort auf dem Wagen beliebige Anordnung im Zug Betriebssicherheit Lichtraumprofil beliebige Anordnung im Zug KommunikationsHW Installationsort auf der Lok E Installationsort auf dem Wagen Betriebssicherheit Lichtraumprofil beliebige Anordnung im Zug Betriebssicherheit Lichtraumprofil Verkabelung Installationsort auf der Lok IG Installationsort auf dem Wagen Abbildung 3 8 Dekomposition der geometrischen Systemanforderungen aus dem be trieblichen Einsatz Anforderungen an die Umweltbedingungen Die Dekomposition der Anforderungen an die Umweltbedingungen ergibt sich aus den Normen EN50155 EN61373 EN60721 EN60721 3 5 EN50121 3 1 sowie EN50121 3 2 und sind in Abbildung dargeste
222. rvall 6 Jahre oder l nger Betriebssicherheit keine Gef hrdung der Betriebssicherheit Temperatur Umweltbedingungen bes Bedeutung f r Akkumulatoren 25 bis 40 C Ladezyklen Lebensdauer bis 80 der Nennkapazit t gt 300 gt 3 Jahre Marktverf gbarkeit keine Wartungskosten keine innerhalb des Wartungsintervalls Einsetzbarkeit Montage Festigkeit gegen Umweltbedingungen uneingeschr nkt gegeben Energiedichte gt 35 Wh kg Verschlei Alterung bedeutungslos innerhalb des Wartungsintervalls Ladestrom Schnellladef higkeit gt 02C Abbildung 5 9 bersicht der klassifizierten Anforderungen f r Energiespeicher deren Werte und 5 5 M GLICHKEITEN DER ENERGIESPEICHERUNG 79 5 5 2 Bewertung m glicher Energiespeicher Analog zu dem Vorgehen in Abschnitt werden die klassifizierten Eigenschaften zun chst anhand der Priorisierung nach der Methode des Paarweisen Vergleichs vgl Abschnitt gewichtet Die Priorisierung ist Abbildung 5 10 zu entnehmen Das Kri terium Einsetzbarkeit unter den Umweltanforderungen fasst die Anforderungen be z glich der Resistenz gegen Strahlung gegen chemische und biologische Einfl sse und Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit Gasen und Feststoffen zusammen Die methodische Auswahl erfolgte durch die Erstellung einer Bewertungsmatrix vgl Abbildung 5 11 Dabei wurde jede Eigenschaft eines Energiespeichers mit ganzen Z
223. scheidungsentropie Dies m ndet sp ter in ein validierbares Pflichtenheft nach dem unmittelbar die Systementwicklung erfolgen kann Die Entscheidungsentropie be ruht auf der Methode des Paarweisen Vergleichs einer aus dem Qualit tsmanage ment bekannten Methode zur objektiven Entscheidungsfindung HEINEN 1983 KIR STEIN 1994 Die hier verwendete methodische Systementwicklung kann als eine Entwicklung nach BASYSNET interpretiert werden SCHNIEDER 1999 Dabei erfolgt hier jedoch nicht die gesamte Systementwicklung mit Petrinetzen sondern lediglich das Kommunikations sowie das Softwarekonzept Das Vorgehen von der Idee bis zum Produkt ist in Abbil dung P 6 dargestellt KAPITEL 2 MODELLE VON ENTWICKLUNGSPROZESSEN UND VON ENTWICKLUNGSPRODUKTEN 14 Code generierung Software konzept Anforderungs Funktions Idee modell modell Kommuni Produkt kations konzept Integration Linguistische Modellbildung Partitionierung Analyse Hardware konzept Hardware generierung Implementierung Spezifikation Dokumentation Verifikation und Qualit tssicherung Abbildung 2 6 Methodische Systementwicklung nach Phasenmodell mit BMW Prinzip nach SCHNIEDER 1999 2 2 PRODUKTMODELL 15 2 2 Produktmodell Aufgrund der Integration in einen industriellen Entwicklungsprozess nach einem klas sischen Top Down Vorgehen darf in der Systementwicklungsphase des Requirement Engineerings meist nicht auf die E
224. se in Messumgebung 1 sind f r den Messdurchlauf A in Abbildung und f r den Messdurchlauf B in Abbildung dargestellt Die Er 109 6 6 ERMITTLUNG UND VALIDIERUNG DER FUNKEIGENSCHAFTEN Abbildung 6 11 Messumgebung 1 in Flechtorf gebnisse sind in Tabelle 6 3 zusammengefasst snuanoyed uap teen Abstand m A RSSI Wert Messung2 Theoretischer RSSI Wert Paketverlust Messung 2 m RSSI Wert Messung 1 Paketverlust Messung 1 Abbildung 6 12 Messergebnisse f r die XBee PRO Module in Messumgebung 1 110 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION RSSI dBm Paketverlust Abstand m m RSSI Wert Messung 1 A RSSI Wert Messung2 Theoretischer RSSI Wert Paketverlust Messung 1 Paketverlust Messung 2 Abbildung 6 13 Messergebnisse f r Messdurchlauf A der 24XStream Module in Mess umgebung 1 RSSI dBm Paketverlust Abstand m m RSSI Wert Messung 1 A RSSI Wert Messung2 Theoretischer RSSI Wert Paketverlust Messung 1 Paketverlust Messung 2 Abbildung 6 14 Messergebnisse f r Messdurchlauf B der 24XStream Module in Mess umgebung 1 6 6 ERMITTLUNG UND VALIDIERUNG DER FUNKEIGENSCHAFTEN 111 Modul Sendeleistung maximale Reichweite XBee PRO 10 dBm 10 mW lt 350 m 24XStream A 17 dBm 50 mW ca 900 m 24XStream B 17 dBm 50 mW ca 900 m Tabelle 6 3 Validierungsergebnisse in Messumgebung
225. sign CPN i c i 1 o oO b ER Simulation kernel 8 f code of model 2ni S BC S EI imulation kernel code o Z and run time library N ZS I SS H 1 S KENN gege H N N le N k N i 1 N D25 ITS N E Q A N ZS N N o 4 x N SE 22 P SML core code Rf N R ION H N EE KEE 2 N EE Ee S N De 28 WR gt Moscow ML ML SML NJ F t e Machine E ad code Generation of final system N Is 2 je Di NA N Byte code interpreter Abbildung 7 22 bersicht ber die im Rahmen des AC DC Projekts entwickelten Me thoden zur automatischen Codegenerierung 172 KAPITEL 7 REALISIERUNG 7 5 2 Ansatz zur Codegenerierung aus Il Tool Etwa zeitgleich zu den Untersuchungen zur automatischen Codegenerierung aus CPN Tools heraus wurde am IVA mit der Entwicklung eines eigenen Petrinetz Werkzeugs begonnen welches sehr bald auch in der Lage war C Code aus Petrinetzmodellen zu generieren Der Vorteil von II 7ool liegt dabei in dem m glichen Import vorhandener TimeNET Petrinetze Das Prinzip der Codegenerierung aus einem TimeNET bzw einem II Tool Modell ist in Abbildung 7 23 dargestellt Der generierte C Quellcode war unmittelbar als Zustandsautomat in dem Mikrocon troller lauff hig TTT S II Tool Modell gt i K C T Pi E EE Import existierender D Simulation in II Tool TimeNET Modelle be S Di 24 5i Validiertes Mod
226. sitions Netze Bei Stellen Transitions Netzen STN wird den Pl tzen eine positive ganze Zahl k Kapazit t zugeordnet Die Platzkapazit t gibt an wie viele Marken sich maximal gleichzeitig auf einer Stelle befinden d rfen Genauso wird den Kanten ein sogenanntes Kantengewicht w zugeordnet Dieses gibt an wie viele Marken beim Schalten der ent sprechenden Transition ber die Kante flie en m ssen In Abbildung A 2 besitzt der Platz p die Kapazit t k 2 die Pl tze pa und p3 die Kapazit t k 1 Alle Kanten besitzen das Gewicht w 1 Wird die Kapazit t oder das Gewicht nicht explizit ange geben so ist sie eins Beim Schalten der Transition t wird jeweils eine Marke von den Pl tzen p und p abgezogen und eine Marke auf p3 platziert da das Kantengewicht der Kante zwischen t und p3 eins ist W re das Gewicht dieser Kante und die Kapazit t von p3 gr er so w rden zwei Marken auf ps platziert Abbildung A 2 Schalten eines Stellen Transitions Netzes Alle Pl tze von denen beim Schalten einer Transition Marken abgezogen w rden wer den als Vorbereich der Transition bezeichnet Der Vorbereich der Transition t besteht aus den Pl tzen p und p2 Entsprechend werden Pl tze auf denen eine Transition Mar ken ablegt als Nachbereich bezeichnet Eine Transition ist dann schaltf hig wenn die Pl tze des Vorbereichs so viele Marken enthalten wie ber die entsprechenden Kanten abgezogen werden und wenn alle Pl tze im
227. sonenwagen und zur elektrischen K hlung von K hltransport G terwagen Die Einsatzm glichkeiten wurden an der TU Berlin untersucht HECHT 1999 Dabei wurden Radsatzgeneratoren der Firma Mannesmann Rexroth AG vor geschlagen Die Firma fusionierte mit der Firma Bosch zur Bosch Rexroth AG Die heutige Liefersituation war nicht zu ermitteln und ist ungekl rt Daher wurden neu artige bahntaugliche Radsatzgeneratoren vorgeschlagen welche in Kooperation der Firmen FAG OEM und Handels AG und SAB WABCO KP GmbH speziell f r den G terwagenbereich entwickelt und auf der Messe InnoTrans 2001 vorgestellt wurden Zwei Leistungsklassen mit 5 Watt und mit 100 Watt werden angeboten Aufgrund der zertifizierten Bahntauglichkeit werden s mtliche Anforderungen von die sen Generatoren erf llt so dass deren Einsatz m glich und in Kombination mit einem Energiespeicher sinnvoll ist 5 4 4 Feder Masse Schwinger Als M glichkeit f r k nftige Entwicklungen schl gt HECHT 1999 den Einsatz eines nach dem Feder Masse Schwinger Prinzip arbeitenden Energiewandlers vor der aus den auftretenden Vertikalkr ften schwingungen durch Umwandlung von translatorischer Energie in rotatorische Energie elektrische Energie erzeugt Da der Energiewandler selbst eine vermutlich sehr geringe Energiedichte haben w rde r umten die Wissen schaftler ein dass in Bereichen guten Oberbaus was die Bestrebungen beim Neubau bzw der Modernisierung von Bahnstrecken sind sehr w
228. soren gedacht die die Sendeenergie selbst erzeugen so dass die Datenkommunikation ohne externe Energieversorgung m glich ist Die Firma EnOcean bietet Module f r Daten bertragungen im 868 3 MHz ISM Band mit extrem geringen Energiebedarf an ENO CEAN 2007 Die Produktbezeichnung ist TCM 120 Die bertragung der EnOcean Module setzt sich zusammen aus dem Versand des Tele gramms mit der Dauer von 1 2 ms in dreifacher Ausf hrung in zuf lligen Zeitabst nden innerhalb von 40 ms Genutzt wird dabei das ALOHA Protokoll vgl Abschnitt 6 3 3 Die Sendeleistung betr gt maximal 10 mW wobei eine Reichweite bis 300 m unter Freifeldbedingungen erreicht werden kann Die theoretisch erzielbare Daten bertra gungsrate betr gt 9 6 kBit s Der Energiebedarf der Module beim Senden und Emp fangen betr gt typisch Petried 150 mW Im Standby Betrieb wird eine Energie von PRuhemodus 200 uW ben tigt NanoNet NanoNET Module werden von der Firma Nanotron Technologies GmbH angeboten INANOTRON TECHNOLOGIES 2006 Die Reichweite betr gt bis zu 900 m bei einer Sen deleistung von 10 mW Als Frequenzbereich wird der 2 45 GHz ISM Bereich genutzt NanoNET Module nutzen die sog Chirp Spread Spectrum Modulationsverfahren Bluetooth Bluetooth IEEE 802 15 1 wird seit ca 1998 1999 f r die Daten bertragung ber kleine bis mittlere Distanzen zur Sprach bermittlung Hausautomatisierung industriel len Steuerung f r Sensor Aktor Netzwerke Niedr
229. sstrategien Die Zugriffsstrategien sind Bestandteil der Schicht 2 des ISO OSI Referenzmodells vgl Abschnitt 6 1 1 Die hier vorgestellten Zugriffsstrategien dienen der Optimierung der Kapazit tsausnutzung eines bertragungsmediums indem gleichzeitig mehrere Ver bindungen im Multiplex bertragen werden F r Funksysteme werden im wesentlichen die folgenden vier Verfahren unterschieden FDMA Frequency Division Multiple Access Bei dem Frequenzmultiplex Verfahren FDMA wird das f r das Funksystem zur Verf gung stehende Frequenzspektrum in mehrere Frequenzb nder unterteilt welche gleich zeitig genutzt werden k nnen WALKE 2001 98 KAPITEL 6 KOMMUNIKATION Jedes Frequenzband wird als physikalischer Kanal gesehen dem jeweils zwei oder meh reren Stationen zur Kommunikation zugewiesen werden Die einzelnen B nder sind durch Schutzb nder voneinander getrennt Kanalabstand TDMA Time Division Multiple Access Bei dem Zeitmultiplex Verfahren TDMA wird ein Funkkanal mit seiner gesamten Bandbreite periodisch abwechselnd mehreren Kommunikationsbeziehungen zugeteilt indem dieser in Zeitschlitze Slots unterteilt wird die dann jeder Station periodisch f r eine fixe oder variable Dauer zugeteilt werden WALKE 2001 Das TDMA Verfahren ist zwar frequenz konomischer als das FDMA Verfahren erfor dert jedoch einen h heren technischen Aufwand durch die notwendige Synchronisation von Sender und Empf nger CDMA Code Div
230. ssung EN 50121 3 2 Elektrische Anforderungen Energieerzeugung Energieversorgung der Lokeinheit erfolgt von der Bordversorgung der Lok selbst Energieversorgung der Wagen erfolgt durch lokale Energieerzeugung direkt auf dem Wagen Autonomie Powermanagement W hrend der Fahrt Soll die Betriebsenergie sowie die Energie zur Ladung der Akkumulatoren erfolgen Bei Ausfall von Energiewandlern soll Betrieb weitere 24 Stunden gew hrleistet sein Standby Zeiten richten sich nach Einsatzszenario eine Woche bis 5 Monate Spannung Versorgungsspannung standardisiert entspr EN50155 12 Volt bei Verwendung von herk mmlicher Solartechnik sinnvoll EN 50155 Mindestspannung 0 7Un EN 50155 Nennspannung Un EN 50155 Bemessungsspannung 1 15 Un EN 50155 Maximalspannung 1 25 Un EN 50155 Umschalten zwischen zwei Versorgungsspannungen Klasse C1 der EN50155 Einrichtung muss stabil arbeiten wenn die Energieversorgung umgeschaltet wird Spannung dart f r 100 ms auf 0 6 Un absinken EN 50155 Bei Versorgung mit Wechselrichter oder rotierendem Umformer 0 9 Un lt Un lt 1 1 Un EN 50155 Unterbrechung der Stromversorgung Klasse 51 der EN50155 keine Unterbrechung der Spannungsversorgung im Betrieb EN 50155 Gleichstromwelligkeitsfaktor maximal 15 EN 50155 Spannungsst e und ESD Das System muss unem
231. st tigungstelegramm Bleibt dieses aus so wird der Energiesparmodus des Funkkommunikationsmoduls aktiviert Eine Positi onsbestimmung ist nur dann erforderlich wenn seit der letzten Positionsbestimmung eine Bewegung des Wagens erfolgt ist Dies wird durch Auswertung eines Anfahrt sensors von der Steuerungseinheit berwacht Zwischen den Sendungen befinden sich die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungskomponente in einem Energiesparmodus oder sie sind durch einen elektronisch von der Steuerungseinheit ge steuerten Schalter von der Energieversorgung getrennt Ein Wechsel von dem Energiesparmodus in den Modus der Businitialisierung In auguration erfolgt dann wenn nach dem Senden des Standardtelegramms ein Best tigungstelegramm empfangen wurde 134 KAPITEL 7 REALISIERUNG Modus der Businitialisierung Inauguration W hrend der Businitialisierung wird die Fu nkkommunikationseinheit des Kommunika tionsger ts eines Wagens zyklisch alle 60 Sekunden durch die Steuerungseinheit akti viert Die Steuerungseinheit bertr gt das Standardtelegramm mit den aktuellen be triebsbezogenen Nutzdaten z B aktueller Position aktueller Systemzeit an die Funk kommunikationseinheit welche das Standardtelegramm sendet F r 10 Sekunden nach dem Senden wartet die Steuerungseinheit auf ein Best tigungstelegramm Bleibt dieses aus so wird f r eine parametrierte Zeit z B 30 Minuten weiterhin versucht Best ti g
232. t wird Die Fenstergr e wird durch das Protokoll festgelegt und richtet sich u a nach dem Datendurchsatz zwischen Sender und Empf nger Quell und Zielbezeichner Zur Verifikation der empfangenen Daten kann eine Nachricht die eindeutige Kennung des Senders des Empf ngers oder beider enthalten Dazu ist die Gr e des Identifika 6 8 SICHERE KOMMUNIKATION 121 tionsfeldes festzulegen Fehlersicherungsmechanismen In einem offenen bertragungssystem werden bertragungscodes benutzt um Bitfeh ler und oder Burstfehler zu detektieren und ggf um die bertragungsqualit t durch Fehlerkorrekturmechanismen zu verbessern Um besch digte Nachrichten zu erkennen oder zu korrigieren ist ein zus tzlicher Sicherheitscode unter der Kontrolle des sicher heitsrelevanten Prozesses n tig Dazu werden oft Pr fsummen zyklischer Codes Hash funktionen eingesetzt z B der Cyclic Redundancy Check CRC In einem technischen System bei dessen Daten bertragung keine Einflussnahme durch Best tigung oder ma nuelle Korrektur eines erkannten bertragungsfehlers gewollt oder m glich ist wird der Einsatz fehlerkorrigierender Codes gefordert Die Erg nzung der Nutzdaten durch eine Pr fsumme ist jedoch nicht hinreichend um eine Vorw rtsfehlerkorrektur zu erm glichen Eine Vorw rtsfehlerkorrektur wird durch eine fehlerkorrigierende Codierung erm glicht z B durch lineare zyklische Blockcodes Kryptographische Verfahren K nnen boshafte
233. t 50 Somit ergibt ein Auf schlag mit Faktor 2 auf die ben tigte Batteriekapazit t W Batterie opt 2 W Batterienki Reserve 1 33 A Wrast 5 6 F r ben tigte Batteriekapazit t Cy mit der Nennspannung Uy folgt W Batterie opt Lee 5 7 ae 5 7 Dimensionierung des Photovoltaikgenerators In einem weiteren Schritt muss der Photovoltaikgenerator selbst dimensioniert werden Dies kann anhand der folgender Vorgehensweise erfolgen WAGNER 1999 1 Das t gliche Strahlungsangebot G der Sonne von Sonnenaufgang SA bis Sonnen untergang SU ist eine Funktion der Bestrahlungsst rke E Das Jahresmittel der t glichen Globaleinstrahlung liegt in Deutschland bei etwa GA 3 kWh m Zum Vergleich sei erw hnt dass der Wert in den Tropen GA 7 kWh m be tr gt WAGNER 1999 SU G zwar 5 8 SA Die t glich entnehmbare elektrische Energie W unter optimalen Bedingungen Einstrahlungswinkel vollst ndige Bestrahlung betr gt Wa Pall I malt Edt 5 9 d d wobei der Mittelwert des relativen Wirkungsgrads des Photovoltaikgenerators mit ei S 0 83 bzw Eo y 1 2 angenommen wird Der Wert von nre schwankt im Tassen und ist SE von der klimatischen Einsatzregion Fo ist die Be strahlungsst rke f r Standardpr fbedingungen und ist angegeben mit o 1 Sc Oben genannte Werte gelten f r die Tropen Der Wirkungsgrad ist in Europa aufgrund der niedrigeren Temperaturen und des dadurch h heren Wirkungs
234. tdatei des Software Projekts festgelegt So ist gew hrleistet dass die Zustandsautomaten und Softwa refunktionsbl cke in einem Gesamt Softwareprojekt zusammengefasst sind und dass http www mikrocontroller net articles AVR GCC 174 KAPITEL 7 REALISIERUNG durch Setzen einer globalen Konstante der Ger tetyp festgelegt werden kann dessen Code beim Compilieren der Software generiert wird Durch serielles Debuggen des Programmcodes bzw des Zustandsautomaten wurde die Implementierung des generierten C Codes und die Lauff higkeit im Mikrocontroller nachgewiesen Die Zustandsautomaten sowohl von Wagen als auch von Lokomotiven Kommunikationsger t sind lauff hig Resultierend aus den u eren Randbedingungen des Projektablaufs wurde die Imple mentierung der in den Anforderungen festgelegten Funktionalit t nicht beendet Die Funktionalit ten welche von den Zustandsautomaten gesteuert werden konnten in Teilfunktionen jedoch realisiert werden Telegrammaufbau Positionsermittlung Tele grammversand Kapitel 8 Zusammenfassung und Ausblick 8 1 Zusammenfassung Die Entwicklung eines Systems ist ein evolution rer Prozess dessen Anforderungen immer nur eine Momentaufnahme des aktuellen Standes zu Beginn des Entwicklungs prozesses sein k nnen Auch im Bereich der Bahnautomatisierung richtet sich der Be darf am Markt nach dem Angebot und den gebotenen M glichkeiten Die innerhalb des Forschungsprojekts INTELFRET erarb
235. te Zeit verstrichen so aktiviert die Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts dessen Energiesparmodus Standby Eine Positionsbe stimmung ist vor jedem Telegrammversand erforderlich Zwischen den Sendungen be finden sich die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungskomponente in einem Energiesparmodus 7 1 3 Betriebsmodi eines Lokomotiven Kommunikationsger ts Energiesparmodus Standby In dem Energiesparmodus des Kommunikationsger ts einer Lokomotive werden die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungseinheit von der Steuerungs einheit permanent abgefragt Empf ngt die Funkkommunikationseinheit des Kommu nikationsger ts einer Lokomotive das Standardtelegramm eines Wagens so wertet die Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts der Lokomotive die empfangenen Nutz daten entsprechend der Plausibilit tspr fung aus vgl Abschnitt 7 2 2 Ist diese Plau sibilit ts berpr fung der empfangenen Daten negativ verlaufen so werden die Daten des Wagen Kommunikationsger ts gespeichert es erfolgt aber keine weitere Reaktion des Lokomotiven Kommunikationsger ts Ist diese Plausibilit ts berpr fung der empfangenen Daten positiv verlaufen so sendet die Steuerungseinheit ein Best tigungstelegsramm an das Kommunikationsger t des ent sprechenden Wagens Es erfolgt ein Wechsel von dem Energiesparmodus in den Modus der Businitialisierung Inauguration Modus der Businitialisierung Inaugurat
236. ten Hardware noch offen In diesem Abschnitt wurden unterschiedliche Energiequellen M glichkeiten der Ener gieerzeugung sowie speicherung aufgezeigt gegen bergestellt und jeweils mittels der Bewertungsmethode des Paarweisen Vergleichs eine Rangreihe ermittelt Die analy sierten Energiequellen und erzeuger NC dabei auf verschiedenen physikalischen Grundprinzipien die in Abbildung zusammenfassend dargestellt sind In einem morphologischen Kasten sind ee f r die Energieversorgung je Ein satzszenario zugeordnet vgl Abbildung 5 17 Kategorie Kategorie Energiezuf hrung Energiewandlung Energiespeicherung indrad mechanisch Savoniusrotor Dynamo chsgenerator Strahlung Solarzelle photovoltaischer Effekt Oxidation Brennstoffzelle chemisch Prim rzelle Akkumulator Chemischer Prozess Sekund rzelle seismisch Massetr gheit Piezoeffekt i Druckluftgenerator Luftdruck ind Dynamo Feder Magnet induktiv Schwinger Induktionsgesetz Abbildung 5 16 Grundprinzipien der Energiewandlung und erzeugung reen 5847 Wh ES 2 00 KWh Prim rzellen Energiequellen et Solargenerator Ni Cd Akkus Supercaps Blei S ure Akkus Li Ion Akkus Energiespeicher Abbildung 5 17 Realisierungsvorschl ge der Energieversorgung abh ngig vom Einsatz szenario Kapitel 6 Kommunikation Im Folgenden werden Grundlagen der Funkkommunikation m gliche Topologien ein m glicher Tel
237. tion operation_mode_w1 bleibt bis zum Schalten der zeit behafteten Transition note mode change ol aktiv d h wenn f r diese Zeit kein Best tigungstelegramm auf ein von dem Wagenger t gesendetes Standardtelegramm emp fangen wurde Es erfolgt der Wechsel in den Energiesparmodus standby_mode_w1 vgl Abbildung 7 16 P_standby_mode T_loop_s T_ack_from_locomotive_s T_receive_s P ack from Jocomottve TI no response 1 P_inauguration_mode T_loop_i T_ack_from_locomotive_i T_receive_i P_ack from _locomotive_i Y P_operation_mode T_no_response_o T_loop_o T_ack_from_locomotive_o T_recieve_o P_ack from _locomotive_o Abbildung 7 15 Abstrahiertes Modell des Wagenger ts 7 3 MODELLIERUNG SOFTWAREKONZEPT UND IMPLEMENTIERUNG 157 reset_waggon T2 start wi N gt a acknowledge_not_received Ss REES e ES enter_standby_wi wat to send e j 7 Ho standby mode wi wait_for_acknowledge_s build_and_send_telegram s T 7 He acknowledge_received_s approach_or_manual_ina uguration Zu i send due Io appresch Ba ready and wat Lo send do mode Change marker telegram Kr Een Ai A ee E O SCH EES gt note_mode_change_i Se bk for_acknowledge_i N Inauguration mode wi acknowledge_not_received_i d S e e acknowiedge_telegram De acknowledge_received_i acknowledge_not_received_o E sido mode change o on EEN mode_cha
238. tiven ver sorgt Eingesetzt werden dementsprechend ausger stete Lokomotiven bei der Firma voestal pine Stahl T glich bernehmen zwei Z ge den Transport von Kalk aus dem Kalkwerk Steyrling nach Linz Die Abwicklung dieses Transports f hrt ber das Gleisnetz der sterreichischen Bundesbahnen BB weshalb auf diesen Streckenabschnitten kein VHF Werksfunk verwendet werden darf Eine Intrazugkommunikation ist nicht vorgesehen 4 3 GESCH TZTE VERFAHREN UND PATENTANSPR CHE ol 4 3 Gesch tzte Verfahren und Patentanspr che 4 3 1 Daten bertragungseinrichtungen f r einen Wagenver bund Auf nationaler und europ ischer Ebene wurden im Januar 2002 zwei Patente von TAL KE und WIEMERS 2002b TALKE und WIEMERS 2002a zu dem Thema Daten ber tragungseinrichtungen f r einen Wagenverbund erteilt Sie beschreiben eine Daten kommunikationseinrichtung bestehend aus mindestens vier Einrichtungen f r ein F h rungsfahrzeug und mehrere weitere Fahrzeuge wobei die Kommunikation uni oder bi direktional erfolgen kann Funktechnisch werden mindestens zwei in Zugrichtung r um lich aufeinander folgende Funkzellen gebildet wobei in jeder mindestens eine Master und mindestens eine Slave Funkeinrichtung vorhanden ist Ein Master kommuniziert mit den Slaves der jeweiligen Funkzelle sowie mit den Mastern der in Richtung F h rungswagen falls vorhanden und in Richtung Zugende falls vorhanden n chstliegen den Funkzelle Die Ko
239. toren empfohlen was in einem Betriebs und Wartungskonzept des Kommunikationssystems ber cksichtigt werden sollte Der Ein fluss von Bahnstaub wurde aufgrund fehlender Daten nicht abgesch tzt 72 KAPITEL 5 BETRIEBLICHE BEDINGUNGEN UND ENERGIEVERSORGUNG Die funktionale Verf gbarkeit von Photovoltaikanlagen wurde anhand den Ergebnissen der Studie LAUKAMP 2002 abgesch tzt welche das deutsche 1000 D cher Programm das japanische Subsidy Program for Residential PV das sterreichische Upper Aus tria und das deutsche Sonne in der Schule Programm ber cksichtigt Dabei wurden drei Hauptausfallursachen nach H ufigkeit identifiziert Die Studie macht die Notwen digkeit der sorgf ltigen Komponentenauswahl deutlich 1 Ausfall des Inverters in 66 aller erfassten Fehlerf lle Die Ausfallrate sank kontinuierlich von 27 in 1993 auf 10 in 1997 was mit einer Qualit tsverbesserung der Komponenten begr ndet werden kann Auch in Japan sank diese Rate von 15 in 1996 auf etwa 10 in 1998 2 Defekt des Photovoltaikgenerators Die Ausfallrate lag beim deutschen 1000 D cher Programm bei 5 im Jahre 1993 sank jedoch auf 3 in 1995 Diese Rate galt bis zum Abschluss der Da tenerfassung im Jahre 1997 In Japan lag die Ausfallrate kontinuierlich bei etwa 1 in den Jahren 1996 1997 und 1998 3 Andere Defekte Andere Defekte sind z B sonstige Hardwarefehler 5 4 11 Brennstoffzellen Bei der Entwicklung
240. tromaufnahme liegt bei weniger als 80 mA bei einer Spannung von 5 V Der Temperaturbereich von 40 C bis 80 C entspricht den Anforderungen Die Positionsbestimmung nach einem Warmstart ist unwesentlich schneller als nach einem Kaltstart Ein Hei start ist dann m glich wenn die letzte Positionsbestimmung maximal 2 Stunden zur ck liegt Ein Kaltstart dauert durchschnittlich 42 s und ein Hei start liefert eine g ltige Positionsangabe nach wenigen Sekunden Ist eine Positi onsbestimmung erfolgt so werden die Positionsdaten sek ndlich ausgegeben Abbildung 7 6 zeigt eine Produktabbildung des Herstellers Holuz Abbildung 7 6 GR 213 GPS Empf nger der Firma Holux Anfahrtssensor Zur Detektion der Anfahrt im betrieblichen Einsatz entsprechend der erweiterten An forderungen vgl Abschnitt wird ein Neigungsschalter der Firma Bachem mit einem Schaltwinkel von 15 ausgew hlt BACHEM Dieser Sensor ist innerhalb des Tem peraturbereichs zwischen 40 C und 150 C betriebsf hig und ist erh ltlich z B bei Conrad Electronic Erfahrungen bez glich des Einsatzes im Bahnumfeld wurden bisher nicht ermittelt Abbildung 7 7 zeigt diesen Sensor Abbildung 7 7 Bachem Neigungsschalter mit einem Schaltwinkel von 15 Energieversorgung Entsprechend der erweiterten Anforderungen werden f r die Energieversorgung der Kommunikationsger te an den Wagen Lithium Prim rbatterien des Typs DO1 1U der 140 KAPITEL 7 REALISIERUNG Fi
241. ts f r Elek trische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik der Technischen Universit t Braunschweig danke ich f r die bernahme der Zweitgutachtert tigkeit sowie Herrn Prof Dr Ing K Lemmer dem Leiter des Instituts f r Verkehrsf hrung und Fahrzeug steuerung des Deutschen Zentrums f r Luft und Raumfahrt in Braunschweig f r die bernahme des Vorsitzes der Pr fungskommission Weiterer Dank gilt Herrn Helmut Heike dem Leiter des Fachbereichs TS RA D 8 der Siemens AG Transportation Systems in Braunschweig der mit seinem Einsatz meine Promotion bei der Siemens AG erm glicht hat sowie Herrn Wolfgang Windolf f r die Betreuung und allen Mitarbeitern f r die zahlreichen fachlichen Diskussionen und An regungen Nicht zuletzt danke ich meinen Eltern Werner und Edith Kupke meiner Lebensgef hr tin Jennifer Lorenz den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts f r Verkehrssi cherheit und Automatisierungstechnik der Technischen Universit t Braunschweig sowie allen Freunden die mir stets den n tigen Halt w hrend der Entstehung dieser Arbeit gaben und mit fachlichen Gespr chen zum Erfolg dieser Arbeit beitrugen III Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 2 Modelle von Entwicklungsprozessen und von Entwicklungsprodukten LI d SEENEN 1 2 Aufbau der Arbete ee Eege ee 2 1 1 BMW Prinzip der Systementwicklung 2 2 2 2 BRENNEN Eege BC Procduktmadelll A ierg A e 20 8 ERT Ee d e db ie EUREN RN oreen eha
242. tungssystem ATIS vgl Abschnitt 4 2 1 Da das Lastprofil eines elektrischen Ver brauchers im Allgemeinen nicht mit dem Leistungsprofil eines photovoltaischen So largenerators korreliert ist insbesondere auch f r die Nutzung der Energie w hrend der Nacht und l ngerer Standzeiten ein Energiespeicher vorzusehen Als Standard Energiespeicher in Photovoltaikanlagen haben sich Bleiakkumulatoren durchgesetzt In Ausnahmef llen z B f r Anwendungen in polaren Regionen werden aufgrund der besseren Frostbest ndigkeit NiCd Akkumulatoren verwendet WAGNER 1999 Die zu entnehmende Energiemenge ist abh ngig von der Intensit t der Einstrahlung welche wiederum abh ngig vom Wetter vom Standort von der Jahreszeit und vom Grad der zeitlinear zunehmenden Verschmutzung ist Die gesamte eingestrahlte Ener gie ber einen bestimmten Zeitraum wird als Einstrahlung bezeichnet und ist damit ein Ma f r die St rke des Sonnenlichts Die Einstrahlung wird in W m die Energieaus beute pro Fl che also die Energiedichte in Wh m pro Tag angegeben Eine Stunde Normbestrahlung entspricht dabei einer Energiedichte von 1 kWh m Dies entspricht ungef hr der Energie die an einem wolkenlosen Tag im Sommer innerhalb einer Stunde auf eine senkrecht zur Sonne stehenden Fl che von einem Quadratmeter trifft Es wird zwischen den am preiswertesten amorphen Siliziummodulen den etwas bes seren und daher teureren polykristallinen Modulen und den derzeit besten monok
243. tz Werkzeuge eingesetzt Petrinetz Werkzeuge sind in der Regel spezialisiert auf einen Teilbereich der Petrinetz Theorie wie z B S T Netze zeitbewertete Netze stochastische oder ge f rbte Petrinetze vgl en Eine bersicht ber die im folgenden vorgestellten Petrinetz Werkzeuge und deren Anwendungsbereiche zeigt Abbildung 2 12 S T Netze a d gef rbte PN TimeNET II Tool CPNTools Abbildung 2 12 Petrinetzwerkzeuge und deren Anwendungsbereiche TimeNET TimeNET ist ein f r den nicht kommerziellen Einsatz kostenloses Software Tool f r die Modellierung und Evaluierung deterministischer und stochastischer Petrinetze ZIM MERMANN 2006 Es ist die Weiterentwicklung des Tools DSP Nexpress welches seit dem Jahre 1991 an dem Institut f r Prozessdatenverarbeitung und Robotik der Technischen Universit t Berlin entwickelt wurde Die aktuelle Version 4 von TimetNET wurde im April 2007 ver ffentlicht welches nun auf JAVA basierend sowohl unter Linux als auch unter Windows lauff hig ist Das Tool ist besonders geeignet f r die Modellierung und Analyse zeitdiskreter deterministischer und stochastischer Petrinetze Es werden zeit lose zeitdiskrete exponentielle und stochastische Transitionen zur Verf gung gestellt H here sowie hierarchische Petrinetze werden nicht unterst tzt W hrend dieser Arbeit wurde TimeNET in Version 3 0 eingesetzt II Tool Am Institut f r Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik IVA
244. tzdaten vor allem der aktuellen Position und der ak tuellen Systemzeit an die Funkkommunikationseinheit welche das Standardtelegramm sendet Wird daraufhin ein Best tigungstelegramm empfangen so wurde das Kommu nikationsger t des Wagens von dem Kommunikationsger t einer Lokomotive diesem zugeordnet Es erfolgt der Wechsel des Kommunikationsger ts des Wagens von dem Modus der Businitialisierung in den Betriebsmodus Operation Betriebsmodus Operation Innerhalb des Betriebsmodus Operation wird die Fu nkkommunikationseinheit des Kommunikationsger ts eines Wagens zyklisch nach einer parametrierbaren Zeit z B alle 2 Minuten durch die Steuerungseinheit aktiviert Diese Zeit ist Bestandteil des Best tigungstelegsramms des Kommunikationsger ts einer Lokomotive und wird von der Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts eines Wagens nur w hrend des Be 7 1 HARDWAREKONZEPT 135 triebsmodus Operation ausgewertet Die Steuerungseinheit bertr gt das Standardte legramm mit den aktuellen betriebsbezogenen Nutzdaten z B aktueller Position ak tueller Systemzeit an die Funkkommunikationseinheit welche das Standardtelegramm sendet F r 3 Sekunden nach dem Senden wartet die Steuerungseinheit auf ein Best tigungstelegramm Bleibt dieses aus so wird f r eine parametrierte Zeit z B 30 Minu ten weiterhin versucht Best tigungstelegramme auf gesendete Standardtelegramme zu empfangen Ist diese parametrier
245. tze Die einfache Kombination eines Lokomotiven und eines Wagenger teteilmodells sowie die Analyse erfolgte mittels des Werkzeugs TimeNET 3 0 Die Ergebnisse sind in Ta belle 7 2 zusammengefasst F r einen Funktionsnachweis des komplexen Verhaltens innerhalb eines Zugbildungs bahnhofs f r beispielsweise 1000 Wagen und 40 Lokomotiven ist jedoch ein Modell des hochdimensionalen Falls mit entsprechend 1000 Wagenger ten und 40 Lokomotiven ger ten erforderlich F r diese Komplexit t ist TimeNET ungeeignet vgl Abschnitt 7 3 3 Mit Hilfe des am Institut f r Verkehrssicherheit und Automatisierungstechnik der Tech nischen Universit t Braunschweig entwickelten Werkzeugs II Tool wurden die Erreich barkeitsgraphen der Teil und Kombinationsmodelle f r niedrige Dimensionen aus Ti meNET importiert und berechnet Diese Erreichbarkeitsanalyse liefert als Ergebnis die Anzahl der erreichbaren Zust nde sowie die der Deadlocks des entsprechenden Mo dells Der Begriff Deadlock bezeichnet eine partielle Verklemmung d h auf der Net zebene eine Stellenmenge die nie wieder durch das Schalten einer Transition markiert werden kann Die Ergebnisse der Analysen sind in Tabelle zusammengefasst Schon die Verdop pelung eines Wagenger ts liefert unter Annahme eines idealen Kommunikationskanals ber 139354 Zust nde die Kombination aus einem Lokomotiven und einem Wagen ger t immerhin 878 m gliche Zust nde in dem Erreichbarkeitsgraphen Die
246. uk nftige Erweiterungsm glichkeiten ist die maximal lieferbare Anzahl von zwei physikalischen seriellen Schnittstellen erforderlich Dies ist z B bei dem ATmega128 RISC Prozessor der Fall ATMEL 2006 Aufgrund des modularen Aufbaus wird dieser Mikrocontroller als Bestandteil einer Moduleinheit verwendet Dabei handelt es sich um das Modul mit der Bezeichnung Crumb128 der Firma chip45 com welches die zwei seriellen Schnittstellen inkl Pe gelwandler MAX232 bereitstellt CH p45 coM 2005 Der Betriebstemperaturbereich des Mikrocontrollers liegt zwischen 55 C und 125 C Es werden neben dem Be triebsmodus auch Energiesparmodi unterst tzt Unter Last bei einer Taktfrequenz von 8 MHz und der Versorgungsspannung von 5 V wird die maximale Energie von 95 mW im Leerlauf Zustand von 55 mW ben tigt Im Energiesparmodus l sst sich der Energiebedarf auf wenige uW senken ATMEL 2006 Abbildung zeigt eine Produktabbildung des Herstellers chip45 com Abbildung 7 5 Crumb128 Modul der Firma chip45 com Sensor zur Positionsbestimmung Der Positionsempf nger wurde auf Basis der Erfahrungen der Siemens AG ausgew hlt Eine Bewertung m glicher GPS Empf nger ist damit nicht erforderlich Es kommen Module vom Typ GR 213 der Firma Holux mit einem seriellen Anschluss zum Ein satz HoLux 2005 Das Modul besitzt einen aktuellen SiRF III Chipsatz mit einem 7 1 HARDWAREKONZEPT 139 20 Kanal GPS Empf nger sowie minimalen Startzeiten Die S
247. ule f r den Einsatz in dem zu realisierenden Funkbus falls m glich mit An tennen mit Richtwirkung zu verwenden 6 7 Auswahl der Topologie der Kommunikationss truktur In Abschnitt wurden bereits drei funktionale Topologien vorgestellt An dieser Stelle soll die f r das zu entwickelnde Kommunikationssystem einzusetzende Topologie ausgew hlt werden Der Einsatz einer Baum Topologie mit Funkzellenbildung und ggf redundanten Ver bindungen bietet auf den ersten Blick viele Vorteile jedoch sind dem die Anforderung an das zu realisierende Kommunikationssystem nach einem minimalen Energiebedarf sowie nach ereignisdiskreter Kommunikation im Fehlerfall entgegenzuhalten Dies gilt ebenso f r die Bus Topologie vgl Abschnitt 6 1 2 Funkzellen erfordern einen Funkzellenkoordinator der im schlechtesten Fall perma nent aktiv sein muss was sich wiederum negativ auf den Energiebedarf auswirkt vgl Abschnitt B 2 Aufgrund des nicht vorher definierten Busaufbaus und der Rolle jedes Kommunikationspartners muss prinzipiell jedes Kommunikationsger t eines Fahrver bands in der Lage sein die Rolle des Funkzellenkoordinators zu bernehmen und somit bis zu sechs Jahre ununterbrochen aktiv sein Aufgrund der Anforderungen nach berschaubaren Investitions und Wartungskosten ist eine Energieversorgung mit dem besten Kosten Nutzen Verh ltnis zu realisieren so dass die Nutzung einer Baum Topologie durch Bildung von Funkzellen ausgeschlossen ist Die
248. und Merkmale anhand der Dekomposition der Anforderungen aus Kapitel B bewertet Da bei kam die Bewertungsmethode des Paarweisen Vergleichs zum Einsatz Abschlie end wurden M glichkeiten der Energieversorgung mit Hilfe der Kombination eines Photo voltaikgenerators und eines Energiespeichers untersucht und eine m gliche Dimensio nierung einer Photovoltaikanlage dargelegt Eine weitere Schl sselanforderung an das zu realisierende Kommunikationsystem ist die Kommunikation an sich in Kapitel 6 Dazu wurden verf gbare Technologien analy siert und deren relevante Eigenschaften und Merkmale anhand der Anforderungen aus Kapitel 3 unter Nutzung der Methode des Paarweisen Vergleichs bewertet Die Herstel lerangaben der zwei rangh chsten Technologien wurden anschlie end in Freifeldversu chen und in einer Messung im Bahnumfeld in der Einfahrgruppe des G terbahnhofs Braunschweig validiert Es wurde eine geeignete Topologie ausgew hlt und ein m g licher Telegrammaufbau zur Realisierung einer sicherheitsrelevanten Kommunikation erarbeitet Die Realisierungsphase in Kapitel 7 befasst sich schlie lich mit dem Hardware und dem Softwarekonzept sowie dem Kommunikationskonzept welches mittels EGSPN model liert und analysiert wurde Aufgrund der Komplexit t des zu untersuchenden Szenarios mit 1000 Wagenger ten und 40 Lokomotivger ten war die Thematik der Vervielf lti gung nicht trivial Durch eine Monte Carlo Simulation unter Nutzung der Teilmodel
249. ung bernehmen sollen sind sie mit dem Druckluftbremssystem verbunden Zur pr zisen und individuellen Dosierung der Bremsanstellkraft abh ngig von der Po sition des Fahrzeugs im Fahrverband ist die Kenntnis der Fahrzeugreihung erforderlich Es ist unbedingt zu vermeiden dass alle Bremsen im Fahrverband zeitgleich angelegt werden da dadurch der Zug auseinandergerissen werden k nnte Die Reihungsermittlung der mit Fahrzeug Einheiten ausger steten Wagen im Fahr verband erfolgt unmittelbar vor der Abfahrt durch berwachung und Auswertungen der Druckver nderungen im Druckluftbremssystem Eine beim sogenannten Auto Lin king durch das Lead HEU initiierte Druck nderung von 75 25 Millisekunden Dauer pflanzt sich mit ca 250 m s im Druckluftbremssystem fort wird von den Fahrzeug Einheiten detektiert und anhand der Detektionszeiten die Reihung der ausger steten Wagen festgelegt 4 1 5 TrainLink Im Rahmen des Forschungsprojekts TrainLink sind in Zusammenarbeit mit dem Jn stitut f r elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik der Technischen Universit t Braunschweig emg und der Siemens AG in Braunschweig Teile der Spe zifikationen des INTELFRET Forschungsprojekts sowie das Patent TALKE und WIE MERS 2002a auf Basis der DECT Funktechnologie auf Realisierbarkeit untersucht wor den Bock 2001 vgl Abschnitt 4 3 1 Dabei wurden nach der Hardwareauswahl ausf hrliche Untersuchungen zu den Funk ausbreitungsbedi
250. ung der Teilnetze von Wagen und Lokomotivger t wird auf die Einf hrung hierarchischer Petrinetze verzichtet AL Petrinetze als Beschreibungsmittel Petrinetze sind in ihrer anschaulichen Darstellung bipartite graphische Strukturen d h Graphen welche aus Knoten sowie Transitionen gebildet werden Diese sind ber ge richtete und gewichtete Kanten Pfeile verbunden Knoten werden auch als Stellen oder Pl tze bezeichnet und dargestellt durch Kreise oder Ellipsen Transitionen wer den als Rechtecke oder Balken visualisiert Die Dynamik in Petrinetzen wird durch Marken Token in den Pl tzen elementar dargestellt Marken stellen die Existenz ei nes Zustandes dar d h eine Markierung ordnet einem Platz des Netzes eine nat rliche Zahl zu Eine Markierung ist so lange g ltig wie Marken auf dem Platz liegen Ein durch den Platz definierter m glichst diskreter Zustand wird durch seine Markierung g ltig oder existent Die Stellen eines Petrinetzes stellen also Speicher dar deren Elemente ber die Kanten bei dem Schalten einer Transition verschoben werden Die gesamte Verteilung aller Marken auf den Stellen wird als Markierung bezeichnet Ein sehr einfaches Beispiel eines Stellen Transitions Petrinetzes zeigt Abbildung Die Kapazit t der Pl tze sowie das Kantengewicht beider Kanten betr gt 1 Om O pl tl p2 Abbildung A 1 Grundstruktur eines einfachen Petrinetzes 177 178 ANHANG A PETRINETZE A 1 1 Stellen Tran
251. ungen im internationalen Um EE EEN 57 58 EES 58 GENEE 59 re a S 5 3 4 Zusammenfassende Bewertung 65 EE 66 66 ee een 66 De ee e er e es 67 a ee a ee ee pi 67 ee ee 68 POE DER DE 68 ENEE ee ee ee 68 E e E Ee EE NEEN 69 EE 69 a Aue WEE Bel a ge Beau Bere 70 EETRINT RATTE de e ke 12 72 5 5 EE der Energiespeicherung o 2222220 77 5 5 1 Anforderungen an Energiespeicher auf G terwagen 78 5 5 2 Bewertung m glicher Energiespeicher 222 22 79 5 6 Exemplarische Dimensionierung eines Photovoltaiksystemsl 82 5 6 1 Komponenten einer Photovoltaikanlage 2 2 2 2 82 5 6 2 Dimensionierung von Photovoltaiksystemen 2 2 2 2 82 V ngigkeit vom Nutzungsprofll 2 2 a 86 5 7 Zusammenfassung 2 aa una Fer a a au ae ha 88 89 ZK ERKENNEN 90 6 1 1 Das ISO OSI Referenzmodell der Kommunikation 90 6 1 2 Topologische Grundstrukturenl e 91 nn 92 NEEN 95 6 3 Funkbusse 2 0 ae Bee a eh 96 6 3 1 Modulationsverfahren 4 5 wer er er 96 6 3 2 Modulation durch Frequenzspreizung 2 2 2222 97 EECH 97 SEET 99 ENEE A ee ee 101 a ee ee 104 6 4 1 24XStream Funkmodule der Firma MaxStreaml 104 DEE EE 104 Se ee 105 E IE 107 6 6 1 Funkeigenschaften im Freifeld 107 6 6 2 Funkeigenschaften im Bahnumfeld 2 2 2 222020 113 REED e E Es 116 EENEG 117 oae kae ee ee a ee ee Fe 117 6 8 1 Bedrohungen EE NS EE A
252. ungstelegramme auf gesendete Standardtelegramme zu empfangen Ist diese parame trierte Zeit verstrichen so aktiviert die Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts dessen Energiesparmodus Standby Eine Positionsbestimmung ist nur dann erfor derlich wenn seit der letzten Positionsbestimmung eine Bewegung des Wagens erfolgt ist Dies wird durch Auswertung eines Anfahrtssensors von der Steuerungseinheit ber wacht Zwischen den Sendungen befinden sich die Funkkommunikationseinheit sowie die Positionsermittlungskomponente in einem Energiesparmodus Wird w hrend der Businitialisierung Inauguration ein Best tigungstelegramm auf ein gesendetes Standardtelegramm empfangen so wurde das Kommunikationsger t des Wagens von dem Kommunikationsger t einer Lokomotive diesem zugeordnet Es erfolgt der Wechsel des Kommunikationsger ts des Wagens von dem Modus der Businitialisie rung in den Betriebsmodus Operation Erfolgt w hrend Aktivierung des Modus der Businitialisierung eine Anfahrt so ak tiviert die Steuerungseinheit des Kommunikationsger ts des Wagens das Positionser mittlungsmodul so lange bis zwei aufeinanderfolgende Positionsdatens tze empfangen wurden Danach wird das Positionsermittlungsmodul von dem Steuerungsmodul deak tiviert und die Funkkommunikationseinheit des Kommunikationsger ts aktiviert Die Steuerungseinheit bertr gt zwei Standardtelegramme mit den zeitlich aufeinanderfol genden betriebsbezogenen Nu
253. unikationsger t so passiv wie m glich betrieben werden d h nicht be n tigte Komponenten des Kommunikationsger ts werden falls vorhanden in einen Energiesparmodus versetzt oder die Energieversorgung z B durch Ansteuerung eines Transistors durch die Steuerungskomponente des Kommunikationsger ts getrennt Der Energiesparmodus soll immer dann aktiv sein wenn sich ein Wagen nicht im betrieb lichen Einsatz befindet also w hrend des Standes W hrend der Nutzungszeit soll das Kommunikationsger t den in Abschnitt de finierten funktionalen Anforderungen gen gen Es muss folglich eine Unterscheidung zwischen den jeweiligen Betriebszust nden m glich sein Es wird definiert dass ein Gebrauch immer dann anzunehmen ist wenn sich der Wagen bewegt und ein Nichtge brauch anzunehmen ist wenn der Wagen steht Da ein Wagen Kommunikationsger t keine externen Informationen ber seinen Be triebszustand erh lt muss es diese Informationen eigenst ndig mit zus tzlicher Senso rik detektieren k nnen Die Detektion ist energiesparend durch Einsatz eines Neigungs schalters oder Mikrovibrationssensors m glich vgl Abschnitt 7 1 5 Die Businitialisierung muss sp testens 30 Sekunden nach Anfahrt des Fahrverbands ab geschlossen sein vgl Abschnitt 6 2 Das bedeutet dass Wagen Kommunikationsger te 7 1 HARDWAREKONZEPT 133 bis zum Abschluss der Businitialisierung mindestens alle 30 Sekunden einmal versuchen m ssen mit einem Lokomotiven K
254. untersuchenden Technologien nutzen das 2 4 GHz ISM Band Der Hersteller MaxStream gibt f r die XBee PRO Module eine maximale Reichweite von ca 1 6 km 1 Meile und f r die 24XStream Module eine Reichweite von bis zu 5 km 3 Meilen unter Verwendung von Dipolantennen an Die eingesetzten Module sind Bestandteile der jeweiligen Technology Development Kits 6 6 1 Funkeigenschaften im Freifeld Zur Validierung der erzielbaren Funkreichweiten wird mittels der Komponenten der Demonstrations Packs von der Firma MaxStream eine Versuchsanordnung entspre chend Abbildung realisiert Dazu wird der Abstand zwischen den beiden Funk modulen w hrend der Messungen variiert Als Ergebnis eines Versuchsdurchgangs er geben sich die Empfangsfeldst rke sowie der prozentuale Paketverlust in Abh ngigkeit von dem Abstand zwischen den Modulen bzw deren Dipolantennen F r die Ermittlung der Empfangsfeldst rke sowie des Paketverlustes werden pro Mes sung mittels des Programms der Firma MarxStream auf einem tragbaren Computer zyklisch Telegramme mit Zufallsdaten sowie mit variabler L nge in zeit quidistanten Abst nden generiert und seriell an das erste Funkmodul ausgegeben Dieses sendet die Daten ber die Funkschnittstelle an das zweite Funkmodul welches die empfan genen Telegramme unmittelbar zur cksendet Nach Empfang der R cknachricht wird diese auf Korrektheit gepr ft und der Empfangspegel RSSI des ersten Funkmoduls ermittelt Le S kais
255. uting Prozessoren mit reduziertem schlanken Befehlssatz RM LEE Recommended Minimum Sentence C empfohlener Minimumda tensatz des NMEA GPS Protokolls ROM etei a Read Only Memory nicht fl chtiger Speicher RUP ee Rational Unified Process SAHARA Telegramm f r die sichere und hochverf gbare Datenkommunika tion ber geschlossene Netze in ESTWs SDMA getest Space Division Multiple Access Raummultiplex Verfahren XIV SNOE Eeer Societe Nationale des Chemins de fer Francais Die Franz sische Staatsbahn BPN eh Stochastisches Petrinetz stochastic petrinet SEN 22 4 Stellen Transitions Netz TDMA Ser Time Division Multiple Access Zeitmultiplex Verfahren TimeNET timed net evaluation tool UIC Sn et Union Internationale des chemins de fer Internationaler Eisen bahnverband UR Ultra Wideband K WEE Verein deutscher Ingenieure XV XVI Kapitel 1 Motivation 1 1 Ziele Es besteht seit langem das Ziel Statusinformationen des Schieneng terverkehrs spe ziell der G terwagen eines Fahrverbandes w hrend der Fahrt z B durch Diagnose und Telematiksysteme f r Wagen und Ladungsdaten zu erfassen und zur Auswertung an eine zentrale Stelle weiterzuleiten RIECKENBERG 2004b Das Konzept des so ge nannten intelligenten G terwagens umfasst prim r die bertragung von steuerungsrele vanten Statusmeldungen wie Kesseldruck und temperatur Schwingungs berwachung sowie sekund r die bertragung von si
256. vall aufwand Maintainability RAMS nicht bekannt nicht bekannt da Vorserien muster ein solcher Ge nerator w re aufgrund des Aufbaus wartungsfrei ein solcher Ge nerator w re aufgrund des Aufbaus wartungsfrei ein solcher Ge nerator w re aufgrund des Aufbaus wartungsfrei nicht bekannt wartungsfrei Hersteller von Yacht Windr dern empfehlen regel m ige j hrliche Kontrolle vermutlich wartungsfrei keiner oder gering evtl Reinigungen erforderlich auch abh von der Leistungs f higkeit der Solar zelle je berdimen sionierter desto l nger die Wartungs intervalle Verschlei anf llig angenommen sehr gering sehr gering sehr gering sehr gering nicht bekannt gering nicht bekannt ohne Besch digung sehr gering betrieblich Betriebssicherheit RAMS unbedenklich unbedenklich unbedenklich unbedenklich unbedenklich bedenklich Eingriff in sicherheitsrelevant es System unbedenklich unbedenklich unbedenklich Temperaturbereich ausreichend Lastenheft 40 bis 85 C vermutlich ausreichend Lastenheft vermutlich ausreichend Lastenheft vermutlich ausreichend Lastenheft ausreichend Vereisung ausreichend in T1 25 bis 40 C ausreichend bei entspr Konstruktion 40 bis 80 C Umweltvertr glichkeit sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut
257. von Brennstoffzellen sind in den vergangen Jahren gro e Fort schritte erzielt worden Beispiele daf r sind die Forschungen verschiedener Automobil hersteller bei der Entwicklung eines Wasserstoffantriebes Im Vergleich zu herk mm lichen Akkumulatoren und Batterien besitzen Brennstoffzellen eine drei bis f nf Mal l ngere Laufzeit Sie lassen sich schneller aufladen besitzen eine gr ere Anzahl von Ladezyklen durch Nachtanken ein geringeres Gewicht und eine wesentlich l ngere Lebensdauer Es existieren zwei grunds tzlich unterschiedliche Typen von Brennstoff zellen Zum einen die mit Wasserstoff gespeisten und zum anderen mit Methanol ge speisten Zellen Brennstoffzellen sind kompakt und leistungsf hig sind jedoch f r den Einsatz auf G terwagen aus Sicherheitsgr nden nicht zul ssig Eine Betankung mit Methanol ist aus Sicherheitsgr nden untersagt 5 4 12 Zusammenfassung und Bewertung der Energiequellen und erzeuger Mit Hilfe der Methode des Paarweisen Vergleichs vgl Abschnitt 2 3 wurden die Ener giequellen und erzeuger anhand der dekomponierten Anforderungen entsprechend Ab schnitt bewertet Das Kriterium Einsetzbarkeit unter den Umweltanforderungen 5 4 M GLICHKEITEN DER ENERGIEVERSORGUNG AUF G TERWAGEN 73 fasst die Anforderungen bez glich der Resistenz gegen Strahlung gegen chemische und biologische Einfl sse und Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit Gasen und Feststoffen zusam men Die gewichtet
258. von Nachbesserungen Eine Behebung eines Fehlers in der Software eines Kommunikationsger ts ist nur durch direktem Zugriff auf das Ger t und damit verbun denem logistischen Aufwand behebbar Das grundlegende Konzept der Qualit tssiche rung bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen sind die Fehlererkennung und Fehlervermeidung Dazu k nnen die Methoden der Validation der Verifikation sowie der Diagnose eingesetzt werden SCHNIEDER 1999 e In der Validation dem G ltigkeitsnachweis kann durch die Simulation oder den Test und dem anschlie enden Vergleich von Ergebnissen und Eigenschaften von modellierten Entwicklungsobjekten mit vorher spezifizierten Eigenschaften die G ltigkeit und Plausibilit t der Entwicklungsergebnisse belegt werden Eine Voll st ndigkeit ist gerade bei komplexen Systemen kaum zu erreichen e In der Verifikation dem Wahrheitsbeweis wird durch analytische mathemati sche Verfahren z B durch ein Petrinetz die Existenz bestimmter Eigenschaften bewiesen oder widerlegt 160 KAPITEL 7 REALISIERUNG e In der Diagnose werden Fehler durch den Vergleich von IST und SOLL Verhalten w hrend des Betriebes entdeckt oder identifiziert Dies ist gerade bei sicherheits relevanten Anwendungen nicht akzeptabel Die M glichkeiten der Kombination und der Vervielf ltigung der Teilmodelle wurden bereits in Abschnitt diskutiert 7 4 1 Analyse unter Verwendung erweiterter generalisierter stochastischer Petrine
259. w 001 s q 94 ndigepyinzpig Y NNSO Pr EE sssqa Der 2agb z PUNng nZ Pund pue od wap pz ZHWN 0061 w w w Si 4994 01 199 K Mu r Mu 96 SADI et DOE s q 01 KEEN VWAS VWAaL Mu 02 ES vn 0881 193q uayaseyy g PIE wY 91 eg 1894 01 1804 wap 02 Wei v s 208 3331 MW e gt MW 9 602 Sun 052 s q tags wu 091 a ewer aee gi VONWNSO PR ASdO sssa ue vz EE Piung nz pjung S o JBNIES Well w w sn s ar Den edong u Poka Ka uwogouay apnegst w eo KE KE Mu 092 Mu 008 en 929 ag pel er Ou ere e YNGA Va Va SSH4 AS us ao PIUNg NZ Plundg Va w euuaguejod q 188d 0 1884 w aP 21 Ka mei weausxey Mu 092 MW 092 SEN 9 6 xew yw ung s q Plundayaw nz Pid YNGA Va SSH4 uopnegeo u 081 EE Mu 09 ZH9 vZ WEANSXFZ WOPOWN 4H m m g E E m 5 d 5 Ki v 2 8 D o N g 2 2 P EI K Q e A S S 2 z 3 E S N S P P S 3 E u oO a S 5 E E 8 2 2 8 a E N by Q f mi gt E E o Ki bi 5 D D S A E 2 St E i 9 o 3 D 8 m o 3 2 5 S 3 2 D E kd a Ki S Q bi E len Betrachtete Funktechnolog Abbildung 6 6 6 3 FUNKBUSSE 101 6 3 5 Funktechnologien F r die Realisierung der Intrazugkommunikation soll ein drahtloses und bezogen auf den Fahrverband lokales Kommunikationssystem eingesetzt werden F r den Einsatz in dem zu entwickelnden Kommunikationssystem wurden folgende Funktechnologien gegen bergestellt und bewertet DECT DECT ist e
260. wicklungsmodell d h die m gliche Adaption bestehender Realisie rungskonzepte und entw rfe Als Beurteilungskriterien k nnen dabei die Eigenschaf ten Merkmale Gr en und Werte der des Anforderungsquerschnitts verwendet werden vgl Abschnitt DA Die Daten bertragung in Fahrverb nden wie z B in G terz gen ist bereits in einer Reihe von existierenden Forschungsprojekten Spezifikationen und Patenten definiert worden welche die Kommunikation und die Initialisierung der Busstruktur sowie die Energieversorgung thematisieren spezifizieren und beschreiben Ein wichtiges Kriteri um bei der Anforderungsdefinition war es gesch tzte Verfahren nicht zu verletzen Der betriebsbedingte Stand der Technik ist zu definieren als die Vielfalt der reali sierten Systeme welche s mtliche betrieblichen Anforderungen Normen Vorschriften Richtlinien erf llen Systeme nur bezogen auf den betrieblichen Stand der Technik zu betrachten ist zwar grunds tzlich m glich jedoch an dieser Stelle nicht sinnvoll da jedes f r den Bahnbetrieb zulassungsf hige technische System diese Anforderungen er f llen muss Es ist daher hinreichend bahnzugelassene Systeme auf ihren technischen und funktionellen Stand der Technik zu analysieren 4 1 Studien und Forschungsprojekte Die funktionalen Aspekte eines zu entwickelnden Kommunikationssystems m ssen den vorgegebenen Kundenanforderungen gen gen Funktional entsprechen die Ideen und 41 42 KAPITEL 4
261. wie z B Reihenfolge Ausrichtung und Art der Fahrzeuge e Systeme die eine elektronische Steuerung des Zuges insbesondere der Bremse erm glichen e Diagnosesysteme z B zur Erfassung von Hei l ufern oder Laufeigenschaften usw Die zwei zentralen Komponenten des FEBIS Kommunikationssystems sind die elektri sche Energieversorgung und das Datenkommunikationssystem zum Informationsaus tausch zwischen den elektronischen Systemen im Zug und ggf mit der Au enwelt Wesentliche Applikationen sind dabei zum Einen die Zuginitialisierung und Konfigu ration die Daten ber die Fahrzeugreihung die Ausrichtung und die Art und Eigen schaften der Fahrzeuge bereitstellen kann und zum Anderen die elektronisch gesteuer te Bremse durch welche die Randbedingungen wie z B Verf gbarkeit Zuverl ssigkeit und Datenraten an die Basissysteme gestellt werden Dies impliziert weitere vitale Funktionalit t wie z B die Zugvollst ndigkeits berwachung wozu die m glichst auto matische Ermittlung des daf r erforderlichen Zugende Ger ts w hrend der Initialisie rungsphase oder sonst der Einsatz eines speziellen Endger tes erforderlich ist Entgegen der im Personenschienenverkehr a priori vorhandenen durchgehenden elek trischen Leitung entlang des Zuges existiert diese im Schieneng terverkehr nicht Zwei L sungsans tze n mlich eine leitungsgebundene oder eine energieautarke Energiever sorgung sind m glich Die Energieversorgung erfolgt w
262. ypen Standard und Best tigungstele gramm unterscheiden sich lediglich durch den Inhalt des Nutzdatenfeldes Der Rahmen der bertragungstelegramme wird im Folgenden beschrieben und dimensioniert Telegrammversionskennung Die Telegrammversion ist in dem SAHARA Protokoll nicht vorgesehen ist aber f r das zu entwickelnde Kommunikationssystems aus den zu Beginn des Abschnitts genannten Gr nden zu ber cksichtigen F r die Dauer der Erprobungsphase sollen demnach keine kryptographischen Techniken implementiert werden F r den sp teren Einsatz und der bertragung vertraulicher Daten wird eine Verschl sselung der Daten gefordert Zur Unterscheidung dieser beiden Telegrammtypen wird eine Telegrammver sionskennung eingef hrt welche bin r codiert in einem Datenfeld der L nge 1 Byte hinterlegt wird Die erste Telegrammversion ohne Verschl sselung tr gt dabei die Ver sionskennung 1 die mit Verschl sselung die Version 2 vgl Abbildung 6 25 Die vollst ndige Erf llung der normativen Vorgaben bez glich des Einsatzes krypto graphischer Techniken wird deswegen hier nicht verfolgt Nachrichtentyp Die zu sendenden Nachrichten werden nach unterschiedlichen Typen entsprechend Ab bildung 6 25 unterschieden Das Datenfeld Nachrichtentyp besitzt eine fixe L nge von 1 Byte und ist bin r codiert Das im SAHARA Protokoll vorhandene Feld Nachrich tenl nge ist somit f r das zu entwickelnde Kommunikationssystem obsolet und wird ni
263. zeigt Aus einer offen gestellten Aufgabenbeschreibung mit rudiment ren Zielen und Rand bedingungen heraus werden die Anforderungen Lasten mittels einer iterativen Ent wurfsmethode zu einer hierarchischen Darstellung geformt vgl Abbildung DA Als Beschreibungsmittel wird anlehnend an die VDI Richtlinie 3682 V DI3682 2005 eine klassendiagrammartige Struktur verwendet Aus den Hauptanforderungen an das System und dem Kontext lassen sich die Sys temanforderungen grob in betriebliche technische und funktionale Anforderungen un tergliedern vgl Abbildung Da Die Verfeinerung der Hauptanforderungen erfolgt in Kapitel 3 Skalierung Gesamtsystem K gt Teilsystem K gt Eigenschaft K gt Dimension Abbildung 2 7 TOP Down Darstellung der Anforderungsklassifizierung nach SCHNIE DER 2007 Klassifizierung der Systemanforderungen und eigenschaften Hauptanforderungen betrieblich funktional mechanische Anforderungen fF technologische Anforderungen p zeitliche Anforderungen mechanische Eigenschaften topologische Anforderungen H Meldungen elektrische Anforderungen mechanische Anforderungen Interaktion elektrische Eigenschaften elektrische Anforderungen L Alarme zeitliche Anforderungen L zeitliche Anforderungen zeitliche Eigenschaften Umweltanforderungen Umwelteigenschaften Abbildung 2 8 Kategorisierrung der Systemeigenschaften In KUPKE 2006 wurde eine formalisierte Prozessbeschreibung n
264. zeitlichen Anforderungen bez glich der Eigenschaften Merk male und Gr en des Kommunikationssystem ergibt die in Abbildung dargestellte Struktur 34 KAPITEL 3 ERMITTLUNG DER ANFORDERUNGEN Anforderungen an den Kommunikafionekanal Datenkanal Datenfluss richtung Strukturelle Anf Migration G ss Topologie HF Kanal Funkreichweite Fehlersicherung Verschl sselung Gesetze Richtlinien Frequenzbereich Hardware Datenrate EB Datenweiterleitungsgeschwindigkeit Initialisierungszeit b Zugfertigstellung RAMS S Gesetze Richtlinien Frequenzbereich Datenrate Datenweiterleitungsgeschwindigkeit Initialisierungszeit b Zugfertigstellung Abbildung 3 12 Dekomposition der Systemanforderungen an den Funkkanal geometrische Hardware Antennenstandort Anforderungen Abbildung 3 13 Dekomposition der geometrischen Systemanforderungen 3 4 QUERSCHNITT DER ANFORDERUNGEN 35 Energetische A Powermanagement PM im Stand RE D PM w hrend Fahrt Spannungsstabilit t Versorgungsspannung Nennspannung Mindestspannung Maximalspannung Stromfestigkeit Stromunterbrechung Gleichstromwelligkeit ESD gt Spannungsst e Bursts Energieerzeugung Veschmutzungsanf lligkeit Zuverl ssigkeit Verf gbarkeit Wartungsintervall Maintainability Betriebssicherheit bez des Systems Bahn Verschlei anf lligkeit Energiedichte Investitionskosten Wartungskosten Einsetzbarkeit Montagem glichkeit Kundenpr

Funkbasierte energieautarke Kommunikation für Eisenbahngüterzüge

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Funkbasierte energieautarke Kommunikation f&uuml;r Eisenbahng&uuml;terz&uuml;ge

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Funkbasierte energieautarke Kommunikation für Eisenbahngüterzüge