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Herr Sebastian Webel
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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Urbane Mobilität

Digitalisierung für mehr Sicherheit

Digitale Power auf die Schiene bringen: Das Ziel des Virtual Vehicle Research Centers ist es, eine tragfähige, dauerhafte Verbindung von universitärer Forschung und industrieller Entwicklung zu schaffen und somit Innovationen für die Industrie zu realisieren.

Im österreichischen Graz betreibt Siemens nicht nur eine der weltweit größten Entwicklungs- und Produktionsstätten für Fahrwerke des modernen Schienenverkehrs. Zusammen mit dem Virtual Vehicle Research Center erforscht und simuliert das Unternehmen auch vielfältige Lösungen mit dem Ziel, dass Fahrzeuge uns sicherer, entspannter und effizienter zum Bestimmungsort bringen.

Durchschnittlich 20 Sensoren sind am Fahrwerk eines Zuges angebracht. Kontinuierlich funken sie während des Betriebs Daten über dessen Zustand an ein Diagnosesystem, das diese Informationen analysiert und bewertet. Laufen die Räder gleichmäßig? Überträgt die Radaufhängung die Lenk-, Brems- und Beschleunigungskräfte einwandfrei? Welche Schwingungen wirken auf das Fahrwerk? Kurzum: Wann wird eine Reparatur notwendig sein?

Vorausschauende Wartung

Diesen Fragen stellen sich die Forscher des Virtual Vehicle Research Center im österreichischen Graz, das Fahrzeugkonzepte für Straße und Schiene entwickelt. Das Ziel ihrer Arbeit ist es, die Instandhaltung der Komponenten am jeweils aktuellen Zustand des Fahrwerks auszurichten. Der Vorteil: Die Wartungstechniker müssen erst dann aktiv werden, wenn es wirklich notwendig ist, aber eben noch kein Fehler vorliegt – und nicht, wenn eine Frist dies vorschreibt oder ein Fehler bereits aufgetreten ist. „Vorausschauende Instandhaltung, die sogenannte Predictive Maintenance, optimiert langfristig die Instandhaltungszeiten und stellt damit die Verfügbarkeit eines Schienenfahrzeugs auf hohem Niveau sicher“, erklärt Dr. Andreas Haigermoser, der das Innovationsmanagement am Grazer Siemens-Standort leitet.

Entwickler vom Virtual Vehicle Research Center diskutieren darüber, wie sich das Fahrverhalten von Drehgestellen - etwa von Siemens - möglichst optimieren lässt.

Das ist nur eines von sieben Forschungsprojekten, bei denen Siemens und Virtual Vehicle zusammenarbeiten. Das Mobility-Werk Graz der Siemens AG zählt zu den weltweit größten Entwicklungs- und Produktionsstätten für Fahrwerke des modernen Schienenverkehrs. Rund 950 Mitarbeiter entwickeln und produzieren hier Fahrwerke für den Nah- und Fernverkehr, die rund um den Globus im Einsatz sind – circa 3.000 Stück verlassen jährlich das Werk. „Die Fahrwerke spielen eine zentrale Rolle für Sicherheit und Komfort und machen beim Gesamtfahrzeug bis zu ein Viertel der Kosten aus, deswegen ist die ständige Weiterentwicklung und damit die Zusammenarbeit mit Forschungspartnern wie Virtual Vehicle so wichtig“, betont Haigermoser. Seit 2007 ist Siemens mit zwölf Prozent Anteilseigner an Virtual Vehicle. Das 2002 gegründete Forschungszentrum setzt voll auf Virtualisierung. Der Vorteil: die Schnelligkeit. Theoretisch könnte man zwar eine immer intelligentere Messtechnik anschaffen, das aber ist in der Praxis zu teuer – deswegen gilt es, validierte Vorhersagen zu treffen. Möglich ist das mit der numerischen Computersimulation: Auf der Grundlage der bisherigen Eigenschaften von Fahrwerkskomponenten lassen sich Vorhersagen für ihr zukünftiges Verhalten treffen und anschließend zur Überprüfung simulieren. „Gedankenexperimente hat der Mensch schon immer gemacht – mit mathematischen Algorithmen, die in Simulationsmodellen getestet werden, lassen sich solche Hypothesen um ein Vielfaches schneller überprüfen“, erklärt Dr. Martin Rosenberger, der die Forschungen zu Schienenfahrzeugen bei Virtual Vehicle leitet.

Fährt ein Zug durch eine Kurve, entstehen dynamische Kräfte zwischen Fahrzeug und Schiene (rote Pfeile). Mit einer solchen Darstellung lassen sich die Auswirkungen dieser Kräfte am Zug (etwa der Verschleiß) darstellen.

Gegründet wurde Virtual Vehicle von der TU Graz gemeinsam mit dem Entwickler von Antriebssystemen AVL List und dem Automobilzulieferer Magna sowie der Forschungsgesellschaft Joanneum Research. Im Laufe der Jahre entwickelte sich das Forschungszentrum zu einer der international führenden Institutionen auf seinem Gebiet mit rund 200 Mitarbeitern.

Der Vorteil der Simulation: schneller als Echtzeit zu rechnen und kritische Szenarien ganz spezifisch und automatisiert zu testen.

Komplexe physikalische Phänomene verstehen - und prognostizieren

Bei Schienenfahrzeugen ist Siemens der wichtigste Partner für das Forschungszentrum. Rund 15 Forschungsprojekte haben die beiden Partner bereits gemeinsam durchgeführt, darunter eine Projektreihe, bei der Schadensursachen an Eisenbahnschienen und -rädern erforscht wurden. Denn Verschleiß ist nicht nur gefährlich, sondern auch teuer. In Europa kostet er die Bahnbetreiber pro Jahr rund eine Milliarde Euro. Die Frage in Graz lautet daher: Wie lässt sich das Zusammenwirken von Schiene und Rad mit Hilfe der Simulation so optimieren, dass der Verschleiß möglichst minimiert wird? „Wichtig ist es, die komplexen physikalischen Mechanismen zu verstehen, die Schäden entstehen lassen“, so Haigermoser. Im Forschungsprojekt sind Computermodelle entstanden, die die Vorgänge simulieren, sowie Produktionsmethoden für Oberflächen, die Materialermüdung zuverlässiger verhindern – für Schienenfahrzeuge aller Art, von der Straßenbahn bis zum Hochgeschwindigkeitszug.

Digitale Optimierung – für Schiene und Straße

Dieses Zusammenwirken von Fahrweg und Fahrzeug beschäftigt nicht nur Schienenfahrzeughersteller und -betreiber, sondern ebenso die Automobilbranche. „Die Materialien sind andere, aber die Physik ist die gleiche“, sagt Rosenberger. Ein weiteres Beispiel der Aufgabenstellungen sind Fahrerassistenzsysteme: Das große Thema in der Automobilbranche hält zunehmend auch beim öffentlichen Nahverkehr Einzug. Gegenstand der Diskussion sind vor allem automatisierte Fahrzeuge, intensiv beschäftigt sich daher auch Virtual Vehicle damit. Eines der umfangreichsten Forschungsprojekte am Grazer Forschungszentrum befasst sich daher mit der Frage: Wie lassen sich automatisierte Fahrfunktionen sicher bewerten? Auch hier gilt wieder: Rein physische Komponenten- und Fahrzeugtests wären viel zu aufwendig, daher kommen ergänzend virtuelle Testmethoden zum Einsatz. „Prinzipiell müsste man ein autonom fahrendes Fahrzeug in allen denkbaren Fahrszenarien in der Stadt und auf dem Land testen. Das würde bedeuten, dass es mehrere 100 Millionen Kilometer fahren müsste. Um also validierte Vorhersagen über das Verhalten eines autonomen Fahrzeugs zu treffen, setzen wir die numerische Computersimulation ein“, erklärt Rosenberger. „Der Vorteil der Simulation liegt nicht nur darin, dass sie in vielen Fällen schneller als Echtzeit rechnen, sondern unzählige kritische Szenarien ganz spezifisch und automatisiert testen kann. Damit spart sie massiv Zeit und Kosten.“

Gitta Rohling
Picture credits: von oben: 1. und 3. Bild VIRTUAL VEHICLE research center