Entwicklung eines integrierten Kraftstoffverbrauchs- und Fahrtenkettenmodells des Straßengüterverkehrs am Beispiel schwerer Nutzfahrzeuge: zur Analyse und Bewertung von zeitlich wirksamen Maßnahmen zur Senkung der Treibhausgasemissionen wie reduzierten Höchstgeschwindigkeiten
Gespeichert in:
| Beteilige Person: | |
|---|---|
| Format: | Hochschulschrift/Dissertation Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Magdeburg
Zadek Verlag
August 2018
|
| Ausgabe: | 1. Auflage |
| Schriftenreihe: | Zadek-Publikationen zur Logistik
4 |
| Schlagwörter: | |
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| Umfang: | XXVIII, 367 Seiten Illustrationen, Diagramme 21 cm |
| ISBN: | 9783981812640 3981812646 |
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|---|---|
| adam_text | INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS
(UEBERSICHT)....................................................................................
I
INHALTSVERZEICHNIS
(DETAILANSICHT)..............................................................................II
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
..........................................................................................
IX
TABELLEN
VERZEICHNIS...............................................................................................XV
ABKUERZUNGS
VERZEICHNIS..................................................................................XXIII
1 KLIMASCHUTZ ALS HERAUSFORDERUNG FUER DEN DEUTSCHEN
STRASSENGUETERVERKEHR.. 1
1.1 SITUATION DER TREIBHAUSGASEMISSIONEN IM STRASSENGUETERVERKEHR
........................
1
1.2 MASSNAHMEN ZUR SENKUNG DER
TREIBHAUSGASEMISSIONEN....................................2
1.3 PROBLEM- UND ZIELSTELLUNG DER ARBEIT
.................................................................
3
2 GRUNDLAGEN UND ENTWICKLUNGSSTAND DER VERKEHRS- UND
F
AHRZEUGMODELLIERUNG.............................................................................................7
2.1 VERKEHRS- UND FAHRZEUGMODELLE
........................................................................
7
2.1.1
VERKEHRSFLUSSMODELLE................................................................................8
2.1.1.1 MIKROSKOPISCHE
VERKEHRSFLUSSMODELLE.......................................8
2.1.1.2 MAKROSKOPISCHE
VERKEHRSFLUSSMODELLE.......................................9
2.1.1.3 MESOSKOPISCHE VERKEHRSFLUSSMODELLE
......................................
10
2.1.1.4
ZWISCHENFAZIT..............................................................................10
2.1.2
VERKEHRSPLANUNGSMODELLE.......................................................................11
2.1.2.1 GUETER- UND FAHRTENBEZOGENE MODELLIERUNGSANSAETZE
..................
11
2.1.2.2
WIRTSCHAFTSVERKEHRSMODELLE.......................................................13
2.1.2.3
FAHRTENKETTENMODELLE.................................................................15
2.1.2.4
ZWISCHENFAZIT..............................................................................17
2.1.3
FAHRZEUGMODELLE.....................................................................................19
2.1.3.1 THEORETISCHE UND EXPERIMENTELLE MODELLIERUNGSANSAETZE
..........
20
2.1.3.2 RAEUMLICHE BESCHREIBUNG
...........................................................
21
2.1.3.3 GESAMT- UND TEILMODELLE EINES
FAHRZEUGS................................22
2.1.3.4 ANWENDUNG VON ALLGEMEINGUELTIGEN, KOMMERZIELLEN
FAHRZEUGMODELLEN
.....................................................................
25
2.1.3.5 ZWISCHENFAZIT
.............................................................................
26
2.2 KRAFTSTOFFVERBRAUCHS- UND EMISSIONSMODELLE DES
VERKEHRS............................26
2.2.1 MAKROSKOPISCHE MODELLE
.......................................................................
27
2.2.1.1 HANDBUCH EMISSIONSFAKTOREN DES STRASSENVERKEHRS (HBEFA). 27
2.2.1.2 TRANSPORT EMISSION MODEL
(TREMOD)....................................28
2.2.2 MIKROSKOPISCHE MODELLE
........................................................................
30
2.2.2.1 PASSENGER CAR AND HEAVY DUTY EMISSION MODEL (PHEM)
.......
31
2.2.2.2 VEHICLE ENERGY CONSUMPTION CALCULATION TOOL (VECTO)
.
32
2.2.2.3 DYN A4 (KOMMERZIELLES MODELL)
.............................................
33
2.2.2.4 PKW-FLOTTENVERBRAUCHSMODELL (INDUSTRIELLES MODELL)
.............
35
2.2.3 KOMBINIERTES VERBRAUCHS- UND
FAHRTENKETTENMODELL..........................37
2.3 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT..........................................................................40
3 PHYSIKBASIERTE ERMITTLUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS EINES NUTZFAHRZEUGS
(SNF-FAHRDYNAMIKMODELL).................................................................................
41
3.1 MATHEMATISCHES MODELL DES PHYSIKALISCH-TECHNISCHEN
SYSTEMS.....................42
3.1.1
FAHRZEUGLAENGSDYNAMIK..........................................................................
42
3.1.1.1 GESAMTFAHRWIDERSTAND 1 (OHNE BESCHLEUNIGUNGSWIDERSTAND) ..42
3.1.1.2 GESAMTFAHRWIDERSTAND 2 (MIT BESCHLEUNIGUNGSWIDERSTAND)
....
48
3.1.1.3 GESCHWINDIGKEIT UND ZURUECKGELEGTE ENTFERNUNG
......................
51
3.1.2 ANTRIEBSSTRANG (EINSCHLIESSLICH BREMSEN UND NEBENAGGREGATE)
.............
52
3.1.2.1 VERBRENNUNGSMOTOR
...................................................................
52
3.1.2.2 NEBENAGGREGATE
.........................................................................
55
3.1.2.3
KUPPLUNG...................................................................................
57
3.1.2.4 SCHALT-UND
ACHSGETRIEBE..........................................................
59
3.1.2.5 ANTRIEBSRAEDER UND
BREMSEN....................................................... 62
3.1.3
ERGEBNISGROESSEN......................................................................................
65
3.1.3.1 BERECHNUNG DER MECHANISCHEN LEISTUNG UND ARBEIT
................
66
3.1.3.2 BERECHNUNG DES
KRAFTSTOFFVERBRAUCHS.......................................71
3.1.3.3 BERECHNUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS UND DER
TREIBHAUSGASEMISSIONEN...........................................................
76
3.2 SIMULATIONSDATENBASIS
......................................................................................
79
3.2.1
FAHRZEUGE...............................................................................................
79
3.2.1.1 KLASSIFIKATION UND AUSWAHL VON SCHWEREN NUTZFAHRZEUGEN ....79
3.2.1.2 RECHERCHE UND AUSWAHL VON REALEN FAHRZEUGEN ALS
REPRAESENTANTEN
..........................................................................
81
3.2.1.3 BESTIMMUNG DER PARAMETERWERTE DER REPRAESENTANZFAHRZEUGE..83
3.2.2
FAHRZYKLEN..............................................................................................
88
3.2.2.1 UNTERSCHEIDUNG VON VERKEHRSSITUATIONEN
.................................
88
3.2.2.2 GEWICHTUNG DER VERKEHRSSITUATIONEN/FAHRZYKLEN DURCH
FAHRLEISTUNGSANTEILE IN JEDER
FAHRZEUGKLASSE...........................90
3.2.2.3 BILDUNG DES UNGEWICHTETEN GESAMTFAHRZYKLUS AUS
EINZELFAHRZYKLEN.......................................................................
90
3.2.2.4 BERECHNUNG DER
DURCHSCHNITTSGESCHWINDIGKEITEN....................92
3.3 MODELLFORMALISIERUNG UND -IMPLEMENTIERUNG IN
MATLAB/SIMULINK............93
3.3.1 UEBERSICHT UND AUFBAU DES SIMULINK-MODELLS (AUSFUEHRBARES
MODELL)...94
3.3.2 GANGWECHSELSTEUERUNG DURCH DREHZAHLBEZOGENE SCHALTPUNKTE
(AUSGEWAEHLTES BEISPIEL ZUR MODELLFORMALISIERUNG)
...............................
96
3.3.2.1 ALLGEMEINE
FUNKTIONSWEISE.................................................... 96
3.3.2.2 DREHZAHLBEREICH EINES VERBRAUCHSSPARENDEN HOCHSCHALTPUNKTS
....................................................................................................97
3.3.2.3 BESTIMMUNG DES VERBRAUCHSSPARENDEN HOCHSCHALTPUNKTS
.......
98
3.3.2.4 BESTIMMUNG DES BESCHLEUNIGUNGSOPTIMALEN HOCHSCHALTPUNKTS
..................................................................................................
105
3.3.2.5 BESTIMMUNG DER RUNTERSCHALTPUNKTE
......................................
107
3.3.2.6 SCHALTPUNKTMATRIZEN ALS SIMULATIONSEINGANGSDATEN
................
108
3.4 KALIBRIERUNG DES SIMULATIONSMODELLS UEBER VERBRAUCHSKENNFELD
...................
109
3.4.1 PARAMETER DES KALIBRIERUNGSVERFAHRENS
...............................................
109
3.4.2 ANALYSE DER NUTZMASSEN-ABHAENGIGKEIT DES DURCHSCHNITTS VERBRAUCHS
110
3.4.3 BERECHNUNG DER EXPLIZITEN
PARAMETER.................................................111
3.4.4 BERECHNUNG DER IMPLIZITEN PARAMETER
..................................................
113
3.4.5 KORREKTURFAKTOREN DER PARAMETER UND KENNGROESSEN
..............................
115
3.4.6 OPTIONALE KALIBRIERUNG MIT VERAENDERTEN FAHRWIDERSTANDSPARAMETEM
117
3.4.7 PROGRAMMABLAUF UND BERECHNUNGEN EINER KALIBRIERUNGSRUNDE
.........
119
3.4.7.1 TEIL 1: SIMULATIONSEXPERIMENTE MIT PARAMETERSTARTWERTEN .... 119
3.4.7.2 TEIL 2: BERECHNUNG DER DURCHSCHNITTSLAGE FUER DEN PUNKT DES
MINIMALEN SPEZIFISCHEN VERBRAUCHS
.......................................
120
3.4.7.3 TEIL 3: OPTIMIERUNG DER IMPLIZITEN PARAMETERWERTE
................
121
3.4.7.4 TEIL 4: ERMITTLUNG DER EXPLIZITEN PARAMETERWERTE
...................
134
3.4.7.5 TEIL 5: VERIFIKATION UND VALIDIERUNG DER KALIBRIERUNGSLOESUNGEN
..................................................................................................
135
3.4.8 KALIBRIERUNGSERGEBNISSE DER UNTERSUCHTEN FAHRZEUGE
..........................
136
3.4.8.1 VERBRAUCHSKENNFELDER
..............................................................
137
3.4.8.2 FUNKTIONEN DES DURCHSCHNITTLICHEN KRAFTSTOFFVERBRAUCHS
......
142
3.4.8.3 FUNKTIONEN DER DURCHSCHNITTLICHEN FAHRZEUGGESCHWINDIGKEIT 144
3.4.9 SENSITIVITAETSANALYSE UND ERGEBNISVERGLEICH ZUR VALIDIERUNG
...............
146
3.5 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT...........................................................................148
4 STATISTIKBASIERTE MODELLIERUNG VON FAHRZEUGTYPISCHEN FAHRTENKETTEN
(SNF-
FAHRTENKETTENMODELL)..........................................................................................149
4.1 VORGEHENS WEISE ZUR MODELLENTWICKLUNG
.......................................................
149
4.2 KONZEPTIONELLES M
ODELL..................................................................................151
4.3 ERFASSUNG UND AUFBEREITUNG DER STRASSENGUETERVERKEHRSSTATISTIK
.....................
153
4.3.1 FAHRZEUGBESTAND UND INLANDSFAHRLEISTUNG AUS HBEFA/TREMOD .... 153
4.3.2 INLAENDERVERKEHRSDATEN AUS KBA-VD3
.................................................
155
4.3.3 FAHRZEUGBEZOGENE INLAENDERVERKEHRSDATEN JE FAHRZEUGKLASSE
...........
156
4.3.3.1 FAHRLEISTUNG NACH STRASSENKATEGORIEN
......................................
156
4.3.3.2 POTENTIELLE TRANSPORTLEISTUNG
...................................................
157
4.3.3.3
TRANSPORTLEISTUNG......................................................................159
4.3.3.4
FAHRTENANZAHL............................................................................160
4.3.3.5 POTENTIELLES TRANSPORTAUFKOMMEN
...........................................
160
4.3.3.6
TRANSPORTAUFKOMMEN............................................................160
4.3.4 FAHRTENBEZOGENE INLAENDERVERKEHRSDATEN JE FAHRTENKLASSE
.................
161
4.3.4.1 INLAENDERVERKEHRSDATEN NACH ENTFERNUNGSSTUFEN DER FAHRTEN... 162
43.4.2 INLAENDERVERKEHRSDATEN NACH FAHRTENARTEN
.............................
164
4.3.5 ANGLEICHUNG DER FAHRZEUG- UND FAHRTENBEZOGENEN VERKEHRSDATEN
....
165
4.4 DISAGGREGATION DER VERKEHRSDATEN MITTELS OPTIMIERUNGSVERFAHREN
..............
166
4.4.1 LOGISCHE VERKNUEPFUNG DER FAHRZEUG- UND FAHRTENBEZOGENEN
VERKEHRSDATEN DURCH TABELLEN UND GLEICHUNGEN
.................................
166
4.4.2 VERKNUEPFUNG DER VERKEHRSDATENTABELLEN DURCH EIN GLEICHUNGSSYSTEM
...............................................................................................................
167
4.4.3 DEFINITION EINER OPTIMIERUNGSAUFGABE ZUM GLEICHUNGSSYSTEM
..........
169
4.43.1
ZIELFUNKTION..............................................................................169
4.43.2
RESTRIKTIONEN............................................................................170
4.4.4 LOESUNG DER OPTIMIERUNGSAUFGABE DURCH EIN ITERATIV-SEQUENTIELLES
OPTIMIERUNGSVERFAHREN (ISOV)
...........................................................
171
4.4.4.1 AUSWAHL EINES SOLVERS FUER DAS OPTIMIERUNGS VERFAHREN
..........
171
4.4.4.2 SEQUENTIELLE OPTIMIERUNG DER ENTSCHEIDUNGSVARIABLEN (JE
ITERATION)...................................................................................172
4.4.43 ITERATIV-SEQUENTIELLE OPTIMIERUNG DER ENTSCHEIDUNGSVARIABLEN
(GESAMTDURCHLAUF VON ISOV)
.................................................
175
4.5 KONSTRUKTION EINER FAHRTENKETTE DURCH GLEICHVERTEILTE ANORDNUNG
..............
179
4.5.1 BERECHNUNG DER DURCHSCHNITTLICHEN FAHRTENANZAHL JE FAHRZEUG
.........
179
4.5.2 BILDUNG DER CHRONOLOGISCHEN FAHRTENREIHENFOLGE
................................
180
4.6 MODELLIERUNG UND SIMULATION EINER FAHRTENKETTE UEBER DIE ZEIT
.....................
183
4.6.1 ZUORDNUNG DER FAHRTEN AUF DIE VERFUEGBAREN FAHRZEUGEINSATZTAGE
.....
183
4.6.1.1 VERFUEGBARE EINSATZTAGE EINES FAHRZEUGS IM JAHR 2010
..........
183
4.6.1.2 GESAMTDAUER EINER FAHRT INKLUSIVE UMSCHLAG
........................
184
4.6.1.3 BEGRENZUNG DER GESAMTDAUER EINER UEBERLANGEN FAHRT
............
186
4.6.1.4 VERTEILUNG DER FAHRTEN AUF VERFUEGBARE EINSATZTAGE
................
187
4.6.2
FAHREREINSATZPLANUNGSMODELL...............................................................188
4.6.2.1 RAHMENBEDINGUNGEN
...............................................................
188
4.6.2.2
VERFAHREN..................................................................................190
4.6.3 VISUALISIERUNG UND VERIFIKATION DES SIMULATIONSMODELLS
...................
191
4.7 SIMULATIONSEXPERIMENTE UND -ERGEBNISSE
......................................................
193
4.7.1 REDUKTIONSMASSNAHMEN (PLANUNG DER SIMULATIONSEXPERIMENTE)
.........
193
4.7.2 DURCHFUEHRUNG DER SIMULATIONSEXPERIMENTE
.........................................
194
4.7.3
SIMULATIONSERGEBNISSE...........................................................................195
4.73.1
KRAFTSTOFFVERBRAUCH..................................................................195
4.73.2 FAHRTENVERSPAETUNGSDAUER UND FAHRZEUGEINSATZZEIT
.................
196
4.7.33 FAHRPERSONALAUFWAND
..............................................................
198
4.73.4 KOSTEN DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS UND FAHRPERSONALAUFWANDS 199
4.7.3.5 VERMEIDUNGSKOSTEN DER TREIBHAUSGASEMISSIONEN
..................
201
4.7.3.6 WIRTSCHAFTLICHE EINSPARMENGEN DER TREIBHAUSGASEMISSIONEN202
5
SCHLUSSBETRACHTUNGEN........................................................................................
205
5.1 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT DER THEORETISCHEN
ERGEBNISSE...........................205
5.2 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT DER PRAXISBEZOGENEN
ERGEBNISSE.....................208
5.3 GESAMTFAZIT UND AUSBLICK
..............................................................................
211
LITERATURVERZEICHNIS.................................................................................................213
ANHANG 1: ERLAEUTERUNGEN ZUR RELEVANZ DER
TREIBHAUSGASEMISSIONEN..............228
A L.L TREIBHAUSEFFEKT DER ERDE (PHYSIKALISCHE
GRUNDLAGEN)................................228
A L.2 ENTSTEHUNG VON TREIBHAUSGASEMISSIONEN BEI DER
KRAFTSTOFFVERBRENNUNG
(STOECHIOMETRISCHE GRUNDLAGEN)
......................................................................
235
ANHANG 2: GRUNDLAGEN ZUR MODELLIERUNG UND SIMULATION DES
STRASSENGUETERVERKEHRS..........................................................................................239
A2.1 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN
.................................................................................
239
A2.1.1 SYSTEM, MODELL UND
SIMULATION......................................................... 239
A2.1.2 STRASSENGUETERVERKEHR UND
NUTZFAHRZEUG.............................................241
A2.2 BESCHREIBUNG DES STRASSENGUETERVERKEHRSSYSTEMS DER
BRD..........................243
A2.2.1 TRANSPORTSYSTEME
...............................................................................
243
A2.2.1.1 TRANSPORTGUETER UND
LADUNGEN............................................... 244
A2.2.1.2 TRANSPORTKETTEN
......................................................................
245
A2.2.1.3 TRANSPORTNETZSTRUKTUREN
.........................................................
245
A2.2.1.4 TYPISCHE TRANSPORTSYSTEME VON
UNTERNEHMEN.....................247
A2.2.1.5
FAZIT........................................................................................248
A2.2.2 NUTZFAHRZEUGSYSTEME
.........................................................................
249
A2.2.2.1 TYPOLOGIE VON EINZELNEN UND KOMBINIERTEN NUTZFAHRZEUGEN
..................................................................................................249
A2.2.2.2 HOECHSTZULAESSIGE ABMESSUNGEN UND
GEWICHTE......................250
A2.2.2.3 EINSATZSPEZIFISCHE AUFBAUTEN
................................................
252
A2.2.2.4 FAHRGESTELL
.............................................................................
255
A2.2.2.5 MOTORISIERUNG
........................................................................
258
A2.2.2.6 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT................................................. 260
A2.2.3 INFRASTRUKTURSYSTEME
...........................................................................
261
A2.2.3.1 KLASSIFIKATION DES STRASSENNETZES (STRASSENKATEGORIEN)
........
262
A2.2.3.2 AUSDEHNUNG UND FUNKTIONALITAET DES STRASSENNETZES
..............
265
A2.2.3.3 TRANSPORTSTATIONEN
.................................................................
266
A2.2.3.4 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT.................................................268
A2.3 MODELLIERUNG UND
SIMULATION......................................................................
269
A2.3.1 ALLGEMEINE BESCHREIBUNG VON MATHEMATISCHEN MODELLEN
..............
270
A2.3.2 KLASSIFIKATION VON
SIMULATIONSMODELLEN...........................................270
A2.3.3 SIMULATIONSMETHODEN
.........................................................................
273
A2.3.3.1 KONTINUIERLICHE SIMULATION
...................................................
273
A2.3.3.2 DISKRETE BZW. EREIGNISDISKRETE SIMULATION
...........................
274
A2.3.3.3 KOMBINATION VON SIMULATIONSMETHODEN
...............................
278
A2.3.3.4 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT................................................. 281
A2.3.4 MODELLIERUNGSKONZEPTE
.....................................................................
283
A2.3.4.1 KLASSIFIKATION NACH BESCHREIBUNGSART
...................................
283
A2.3.4.2 KLASSIFIKATION NACH ABBILDUNGSGENAUIGKEIT
.........................
284
A2.3.4.3 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT
.................................................
290
A2.3.5 ABLAUF EINER
SIMULATIONSSTUDIE.........................................................
290
A2.3.5.1 VERGLEICH DER UNTERSCHIEDLICHEN VORGEHENSWEISEN
..............
291
A2.3.5.2 BESCHREIBUNG DER PHASEN UND SCHRITTE
..................................
295
A2.3.6 ZUSAMMENFASSUNG UND
FAZIT............................................................. 304
ANHANG 3: VOLLLASTKENNLINIEN
................................................................................
308
ANHANG 4: HBEFA-FAHRZYKLEN
.............................................................................
310
ANHANG 5: VERFAHREN ZUR ANPASSUNG DER HOECHSTGESCHWINDIGKEIT EINES
FAHRZYKLUS............................................................................................................321
ANHANG 6: SIMULATIONSLAUFDATEN DES SNF-FDM
.................................................
323
ANHANG 7: REALE VERBRAUCHSKENNFELDER VON DIESELMOTOREN (U. A. FUER
N
UTZFAHRZEUGE).....................................................................................................328
ANHANG 8: KALIBRIERUNGSERGEBNISSE (SYNTHETISCHE VERBRAUCHSKENNFELDER)
....
330
ANHANG 9: VERKEHRSDATEN DEUTSCHER SNF 2010
...................................................
340
ANHANG 10: ZWISCHENERGEBNISSE ZUM SNF-FAHRTENKETTENMODELL
.....................
346
A L0.1 ITERATIV-SEQUENTIELLES OPTIMIERUNGSVERFAHREN (ISOV)
..............................
346
A L0.2 FAHRTENKETTENKONSTRUKTION
.........................................................................
348
A L0.3 VISUALISIERUNG DES
SIMULATIONSMODELLS.....................................................
355
ANHANG 11: SIMULATIONSERGEBNISSE AUS PHASE 1
...................................................
357
ANHANG 12: SIMULATIONSERGEBNISSE AUS PHASE 2
...................................................
359
ANHANG 13: FAHRPERSONALKOSTEN
...........................................................................
367
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