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Montag, 12 Oktober 2020 14:56

Bayern: Konsortium "Energieeffiziente Fahrplanoptimierung bei der Nürnberger U-Bahn" erhält CNA-Innovationspreis

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Foto Kurt Fuchs / CNA e.V.

Der CNA-Innovationspreis 2020 geht in diesem Jahr an das Projektkonsortium Friedrich-Alexander-Universität Erlangen - Nürnberg, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und VAG Verkehrs-Aktiengesellschaft Nürnberg. Die Kompetenzinitiative prämiert damit die energieeffiziente Optimierung des Nürnberger U-Bahn-Fahrplans. Der Einsatz innovativer Algorithmen ermöglicht dabei eine Feinabstimmung von Abfahrtszeiten und Fahrgeschwindigkeiten. Dies kann bis zu 8,5 % des Gesamtenergiebedarfs sparen, indem Energiespitzen gesenkt und Rückspeisungspotentiale durch bremsende Züge optimal genutzt werden.

Der Center for Transportation & Logistics Neuer Adler e.V. (CNA) / Cluster Bahntechnik vergibt in diesem Jahr zum 18. Mal den Innovationspreis „Intelligenz für Verkehr und Logistik“. Der CNA-Innovationspreis 2020 geht an das Konsortium aus FAU Erlangen- Nürnberg, Fraunhofer IIS und VAG Verkehrs-Aktiengesellschaft Nürnberg für sein Projekt „Energieeffiziente Fahrplanoptimierung im Nürnberger U- Bahn-Verkehr“.

Norbert Schäfer, Vorstandsvorsitzender CNA e.V., lobte bei der Überreichung des Preises an den Institutsleiter Prof. Dr. Alexander Martin die Potenziale des Projekts: „Es ist erstaunlich, wie geringe Verschiebungen im Fahrplan beachtliche Einsparungen erzeugen! Mit der ausgezeichneten Software wird es möglich diese Potenziale zu heben. Dass sie nicht nur in der Nürnberger U-Bahn schlummern, liegt auf der Hand.“

In seiner Laudatio würdigte Herr Dr. Stefan Wimbauer, Referatsleiter Angewandte Forschung, Clusterpolitik im Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie die Innovation: „Das Kooperationsprojekt wendet mathematische Forschung auf konkrete Probleme aus der Wirtschaft an. Hier wird deutlich, dass die Einsparung von Ressourcen nicht zulasten der Produktqualität gehen muss. Heute kann gerade die Mathematik uns helfen, Ressourcen mittels winziger Stellschrauben effizienter und damit nachhaltiger zu nutzen, ohne dass der Kunde überhaupt etwas bemerkt!“

Ausgangsbasis

Ein Großteil der Stromkosten für elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge entsteht beim Anfahren. Im Gegenzug können bremsende Fahrzeuge sogar Strom rekuperieren, d.h. ins Netz zurückspeisen. Entsprechend bieten sich durch die Synchronisation anfahrender und bremsender Züge, aber auch die Verlängerung von „Ausrollphasen“ der einzelnen Fahrzeuge große Einsparpotentiale beim Energieverbrauch. Vor allem für automatisch fahrende Bahnen wie die Nürnberger U-Bahn lassen sich Brems- und Beschleunigungsvorgänge sehr genau steuern. Durch minimale Verschiebungen im Fahrplan (+/- 15 Sekunden) ergeben sich so massive Einsparpotentiale, ohne die Fahrgäste und betriebliche Abläufe stärker zu beeinträchtigen.

In dem ausgezeichneten Projekt arbeiten Experten für mathematische Optimierung der FAU Erlangen-Nürnberg und des Fraunhofer IIS mit der VAG zusammen, um reale Verkehrs- und Verbrauchsdaten zu generieren und mittels innovativer Algorithmen auszuwerten. Als Ergebnis steht der VAG nun eine Software zur Verfügung, die es ermöglicht, Fahrplanentwürfe durch Nachjustieren von Abfahrts- und Streckenfahrzeiten energetisch optimal auszurichten.

Nutzen

Durch die mathematische Optimierung des U-Bahn-Fahrplans hinsichtlich des Energieverbrauchs errechneten die Wissenschaftler Einsparpotentiale von bis zu 10% bzw. rund 500.000 EUR an jährlichen
Stromkosten.

Diese ergeben sich aus verschiedenen Faktoren: So vermeidet der errechnete Fahrplan zeitgleiche Abfahrten, die den Spitzenstrombedarf im Versorgungsnetz und damit die Energiekosten in die Höhe treiben. Weiterhin senkt die Anpassung von Fahr- und Haltezeiten auf einzelnen Strecken und Stationen den Gesamtstrombedarf. Die gezielte zeitliche Synchronisierung von abfahrenden und ankommenden Zügen ermöglicht schließlich auch die optimale Nutzung von Bremsenergie durch anfahrende Züge, ohne die Energie zwischenspeichern zu müssen.

Innovativität

Die entwickelte Software optimiert erstmals Abfahrts- und Fahrzeiten aller im Netz verkehrender Züge gemeinsam. Bei einer Toleranz von 30 Sekunden bei jeder Abfahrt ergeben sich für das Nürnberger U-Bahn- System bereits ca. 1092 mögliche Fahrpläne. Angesichts dieser Zahl an Möglichkeiten wäre selbst ein Hochleistungsrechner überfordert, mittels „Durchprobieren“ binnen akzeptabler Zeit die beste Alternative zu finden. Daher programmierte das Entwicklerteam eine Software, die das Problem durch einen innovativen Algorithmus löst. Dieser nähert sich innerhalb einer überschaubaren Zeit (1-2 Stunden) bis auf 1-2% an die mathematisch optimale Lösung, d.h. den theoretisch energieeffizientesten Fahrplan, an.

Entwicklungsstadium / Stand der Einsetzbarkeit

Zentrale Herausforderung für das Projekt stellte die exakte Abbildung der Randbedingungen für die Fahrplangestaltung in einem mathematischen Modell dar. Dafür stellte die VAG nicht nur die Fahrpläne, sondern auch reale Daten über Streckenfahrt- und Stationshaltezeiten, Geschwindigkeitsprofile sowie den Energieverbrauch der Züge zur Verfügung. Parallel entwickelten die Mathematiker von FAU und Fraunhofer einem Algorithmus, der diese Daten passend verarbeitet und eine geringe Rechenzeit aufweist.

Ihre Ergebnisse zeigen Einsparungspotentiale an Energie um bis zu 8,5%, evtl. sogar 10% auf. Dabei ist die Software mittlerweile in der Lage, detaillierte betriebliche Anforderungen wie Umsteigemöglichkeiten oder
Wendezeiten am Ende der Linienfahrten mit einzubeziehen. Noch 2020 will die VAG die erstellte Planungssoftware in den Praxisbetrieb übernehmen.

CNA e.V. – Kompetenzinitiative für Verkehr und Logistik

Ziel des CNA e.V. ist seit Gründung 1996 die Stärkung und Weiterentwicklung der Wettbewerbsposition der Branche Verkehr und Logistik entlang der Wertschöpfungskette.

Die Kompetenzinitiative umfasst derzeit rund 140 aktive Mitglieder sowie über 680 Kompetenzpartner. Zu den Schwerpunkten des Netzwerks gehört das Innovationsmanagement in den Bereichen Logistik, Mobilitätssysteme, Automotive, Bahn- und Antriebstechnik. Im Rahmen der „Clusteroffensive Bayern“ beauftragte das Bayerische Wirtschaftsministerium den CNA e.V. mit dem Management der Clusterplattform für Bahntechnik. Der Cluster Bahntechnik stellt ein leistungsstarkes Netzwerk für die Bahntechnik-Branche in Bayern dar, das die Innovationsfähigkeit und Produktivität der Unternehmen steigert und die Netzwerkbildung entlang der Wertschöpfungskette intensiviert. Darüber hinaus koordiniert der CNA e.V. seit 2014 im Auftrag des Bayerischen Verkehrsministeriums die Logistik Initiative Bayern. Diese repräsentiert eine Dachmarke für die bayerische Logistik nach außen. Zugleich stärkt sie das Innovationspotential der Branche und fördert eine intensivere Vernetzung von Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung.

Herausragende Projekte vermarkten

Der jährlich vergebene Innovationspreis des CNA e.V. zeichnet Unternehmen für herausragende Projekte, Produkte oder Dienstleistungen aus, die einen besonderen Beitrag zum nachhaltigen Wirtschaftswachstum, zur Sicherung von Arbeitsplätzen sowie zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der bayerischen Wirtschaft leisten. Darüber hinaus kommuniziert der Preis das Innovationspotenzial des Wirtschaftsstandortes Bayern über die Grenzen des Freistaats hinaus. Der Innovationspreis wird 2020 bereits zum 18. Mal verliehen.

Pressemeldung CNA e.V.

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