AUTOSHUTTLE
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Rendezvous-Manöver mit Langstator-Synchron-Linearmotor
Architektur - Sicherheitsbetrachtungen - Zulassbarkeit

Rasmus Krevet / Andreas Steingröver

1  Einleitung,    2 Autoshuttle als wirtschaftliche und ökologische Anwendung des Rendezvous-Manövers,    3 Architektur des signaltechnisch sicheren Rendezvous-Steuerungssystems,   4 Steuerung des Rendezvous-Manövers,    5 Sicherheitsbetrachtungen,    6 Zulassung,    7 Zusammenfassung,   Autoren,    Literatur

Die neue Anwendung der Magnetschwebetechnologie „Autoshuttle“ sieht ein Betriebskonzept mit vielen kleinen Fahrzeugen vor, die während der Fahrt in einem Rendezvous-Manöver einen Konvoi bilden. An den Zwischenstationen an der Strecke verlassen die Fahrzeuge den Konvoi nur bei Bedarf, um über eine starre Weiche, auf denen die Fahrtrichtung allein durch fahrzeugseitige Aktoren bestimmt wird, zur Haltestation zu gelangen. Das signaltechnisch sichere Steuerungssystem für das Rendezvous-Manöver steuert und sichert die Fahrzeugbewegung ausschließlich mit streckenseitig angeordneten Komponenten. Die quantitativen Sicherheitsanforderungen werden basierend auf entsprechenden Steuerungsprinzipien und auf einer redundanten Architektur des Langstator-Synchron-Motors erfüllt.

1  Einleitung

Das neue Verkehrskonzept „Autoshuttle“ [1] resultiert aus einer konsequenten Analyse der Benutzeranforderungen und der durch den Stand der Technik, Finanzierung, wirtschaftlichen Nutzen und Umweltschutz gegebenen Rahmen-bedingungen.

Individuelle Magnetbahnkabinen transportieren Straßenfahrzeuge mit deren Insassen. Während der Fahrt werden Konvois mit sehr geringem Luftwiderstand gebildet. Es gibt etwa alle fünf Kilometer Stationen, an denen nur gehalten wird, wenn der Benutzer dies beispielsweise zu Fahrtbeginn oder kurz vorher gewünscht hat. Eine detaillierte Finanzierungsstudie [1] ergibt einen subventionsfreien und gewinnbringenden Bau und Betrieb, wobei ein Fahrpreis für den Benutzer zugrundegelegt ist, der unter den reinen Betriebskosten beim selber fahren mit dem Straßenfahrzeug liegt. Das Konzept basiert auf der Magnetschwebetechnologie mit Langstatorantrieb, und nutzt nachhaltig deren system-spezifische Vorteile:

Der vorliegende Artikel beschreibt nach einem kurzen Überblick über das Verkehrskonzept Autoshuttle das innovative signaltechnisch sichere Steuerungssystem für das Rendezvous-Manöver und deren Sicherheitsaspekte.

2 Autoshuttle als wirtschaftliche und ökologische Anwendung des Rendezvous-Manövers

2.1 Magnetbahn-Fahrzeuge

Die Abbildung 1 zeigt ein Magnetschwebe-Fahrzeug für den Transport von Personenwagen. Die Autoinsassen können dabei während der Fahrt im Auto sitzen bleiben. Das Kabinengehäuse und die vordere, hochklappbare Ausfahrtstür sind aus durchsichtigem Kunststoff.

Abbildung 1: Magnetschwebe-Fahrzeug

Die hintere, zweiteilige und seitlich öffnende Einfahrtstür und das Untergestell sind undurchsichtig. Die Frontpartie ist strömungsgünstig ausgerundet. Die Heckpartie der Kabine steht am Fahrzeugumfang über die Hecktür hinaus. Bei der Fahrt im Konvoi fährt das nachfolgende Fahrzeug direkt bis an das Heck des vorausfahrenden Fahrzeugs heran. Da die Heckpartie der Kabine kongruent zur Frontpartie des nachfolgenden Fahrzeugs ausgebildet ist, ergibt sich ein strömungsgünstiger, fast vollkommen glatter Übergang mit konstantem Querschnitt zwischen den Fahrzeugen.

Die Abbildung 2 zeigt eine beladenes Magnetschwebefahrzeug im Querschnitt und in der Draufsicht. Die Kabinenseitenwände sind ausschwenkbar und bilden dann Seitengänge mit Behelfstüren, so daß die Autoinsassen in Ausnahmesituationen aus dem Auto aussteigen können oder die Kabine verlassen können. Weiterhin gibt es vom Benutzer ferngesteuert verschließbare Lüftungsfenster. Es sind Fahrzeuge mit kleinem Kabinenquerschnitt für Autos mit 2,20 m Innenbreite und 1,70 m Innenhöhe und mit großem Kabinenquerschnitt für Lastwagen und Busse mit 3,30 m Innenbreite und 4,30 m Innenhöhe vorgesehen. Beide Typen weisen wiederum verschiedene Längen auf.

Abbildung 2: Querschnitt und Draufsicht eines Magnetschwebe-Fahrzeugs

Alle Fahrzeugtypen fahren auf der gleichen Spurweite und bilden Konvois aus Fahrzeugen mit gleichem Querschnitt. Die übliche Betriebsgeschwindigkeit beträgt 180 km/h für alle Fahrzeuge. Durch die einheitliche Geschwindigkeit ergibt sich eine optimale Streckenleistungsfähigkeit.

Im Inneren ist ein flaches Kommunikationsmodul beweglich an der linken Seite angeordnet, das sich sensorgesteuert etwas unterhalb das geöffnete Fahrertürfenster des eingefahrenen Straßenfahrzeugs bewegt. An dem Kommunikationsmodul gibt der Fahrer per Spracherkennung oder Tastatur sein Fahrtziel ein, das er auch während der Fahrt noch ändern kann, um zum Beispiel gleich in der nächsten Station ausfahren zu können. Die Bezahlung erfolgt durch Abbuchung von einer Karte mit Zahlungsfunktion. Der Typ des eingefahrenen Straßenfahrzeugs wird dazu an der Einfahrstation durch ein Kennzeichenlesegerät anhand eines Auszugs der Datenbanken der Kraftfahrzeugzentralregister ermittelt. Der Fahrpreis wird anhand einer für jeden Autotyp mit Motortyp erstellten Tabelle der Selbstfahr-Betriebskosten berechnet. Der Fahrpreis ist etwas geringer als die beim Selbstfahren durchschnittlich entstehenden reinen Betriebskosten für Betriebsmittel und Verschleiß.

2.2 Stationen

Die Abbildung 3 zeigt eine Station von oben. Die Stationen sind so dicht wie Autobahnauffahrten entlang der Strecke angeordnet, also etwa alle 5 km.

Abbildung 3: Draufsicht einer Station

Über eine starre Weiche 1 verläßt ein ausfahrendes Fahrzeug 2 den mit Reisegeschwindigkeit fahrenden Konvoi 3. (Die Funktionsweise der starren Weiche wird weiter unten beschrieben.) Auf einer etwa 1 km langen Verzögerungsspur 4 bremst das Fahrzeug ab, fährt über eine weitere starre Weiche 5 nach rechts und kommt in einer Ausfahrbucht 6 zum Stehen, wo das beförderte Straßenfahrzeug durch die Vordertür ausfährt. Danach fährt das Magnetschwebefahrzeug ein kurzes Stück zurück in eine Einfahrbucht 7, wo von hinten wieder ein neues Straßenfahrzeug einfährt.

Sobald sich ein Konvoi 3 auf Sollabstand angenähert hat, beschleunigt das Magnetschwebefahrzeug, schwenkt über eine starre Weiche 9 auf das Hauptgleis 8 und wird beim Erreichen der Betriebsgeschwindigkeit sanft vom Konvoi 3 eingeholt. Wer nicht ausfahren will, fährt also an einer Station mit voller Geschwindigkeit vorbei.

Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist daher annähernd 180 km/h. Die Auto-Konvois folgen im 2-Minutenabstand aufeinander, die Last-wagen-/Bus-Konvois ca. im 6-Minutenabstand. Nachts wird die Frequenz entsprechend des Bedarfs erniedrigt. Ein Ankoppeln der einzelnen Fahrzeuge im Konvoi ist prinzipiell nicht notwendig, es wird jedoch eine einfache hinterschneidende und seitwärts lösbare Kupplung vorgesehen. Beim Ausschwenken eines Magnet-schwebe-fahrzeuges aus dem Konvoi 3 muß der Konvoi nicht auseinandergezogen werden.

2.3  Trag- und Führsystem und Starre Weiche

Die Abbildung 4 zeigt das experimentell realisierte Magnetschwebesystem in Frontansicht mit den L-förmigen Schienen und Teilen des Fahrgestells mit dem Schwebesystem.

Abbildung 4: Magnetschwebesystem in Frontansicht

Die Schwebegestelle der Magnetschwebefahrzeuge haben auf beiden Fahrzeugseiten jeweils die Form eines auf dem Kopf stehenden ”T”. Die kombinierten Trag- und Führmagnete sind regelbare Hybridmagnete mit minimiertem Energieverbrauch.

Die Konfiguration des Schwebesystems ermöglicht auch das Schweben, wenn nur ein horizontaler Schenkel des „T“ im Bereich der starren Weiche im Eingriff ist. Zusätzlich sind nur beim Befahren der Weichenspitzen von der spitzen Seite kurzzeitig aktivierte Zusatzseitenführungsmagnete vorhanden. Beim Überfahren der starren Weiche ist auf jeder Fahrzeugseite immer mindestens eine Seite des Trag- und Führsystems im Eingriff, wie es in Abbildung 5 schematisch dargestellt ist. Die zeitliche Änderung der von einem Fahrzeug untergriffenen Fahrwegreaktionsteilfläche wird durch allmähliche Querschnittsverringerung dieser Flächen vor und nach den Überschneidungsbereichen minimiert. Die  Anforderungen an die Luftspaltregelung der Hybridmagneten werden somit gegenüber einem abrupten Abbruch der Fahrwegreaktionsteile verringert.

Abbildung 5: Starre Weiche und Trag- und Führsystem

Beispielsweise rechtsabbiegende Fahrzeuge aktivieren auf der rechten Fahrzeugseite rechts außen die Regelung der Zusatzseitenführungsmagnete. Die Aktivierung ist nur während einer Fahrtstrecke von etwa 10 m notwendig. Das Fahrzeug schwebt allein aufgrund seiner bordeigenen Zusatzseitenführungsmagnete rechtsabbiegend durch die vollkommen unbewegliche und passive Weiche.

Als mechanische Sicherung sind im Verzweigungsbereich in der Fahrwegmitte des geraden und abbiegenden Weichenstrangs senkrechte Leitbleche angeordnet. Unter dem Magnetfahrzeug befindet sich vorne in der Mitte ein senkrecht herabstehender Führungsdorn, der seitlich bewegbar ist. Das an die spitz befahrene starre Weiche herannahende Fahrzeug legt vor Erreichen des Sicherheitsbremsabstandes zur Weiche die Abbiegerichtung, beispielsweise rechts, fest, indem der rechte Zusatzseitenführungsmagnet wie oben beschrieben geschaltet wird und zusätzlich der Führungsdorn nach rechts bewegt wird. Beim Erreichen des Sicherheitsbremsabstandes wird der Umstellantrieb für den Führungsdorn verriegelt. Bei einer fehlerhaften Einstellung erfolgt eine Zwangsbremsung.

Der Führungsdorn fährt auf der Weiche seitlich rechts berührungslos an dem rechten Leitblech vorbei. Eine Fehlleitung ist auch bei spontan versagender Elektronik durch diese mechanisch formschlüssige Sicherung unmöglich, da die Abzweigerichtung immer festgelegt wird, bevor das Fahrzeug den Sicherheitsbremsabstand erreicht.

2.4 Antriebssystem

Der Antrieb ist ein Langstator-Synchron-Antrieb mit eisenfreiem Stator. In den Bereichen, in denen Fahrzeuge mit geringem Abstand voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fahren müssen, sind die Motorabschnitte bis herab auf 2,70 m lang. Jeder der kurzen Motorabschnitte wird von einem Umrichter versorgt, der auch über eine Pollageerfassung und Statorstromregelung verfügt. Ein zweiter Umrichter ist beim Ausfall des ersten Umrichters zuschaltbar. Der Langstator-Synchron-Antrieb mit eisenfreiem Stator weist einen einfachen Aufbau auf und erreicht aufgrund des geringen Leistungsbedarfs der Konvois in Konstantfahrt und aufgrund der kurzen Motorabschnitte während der Beschleunigungsfahrt einen sehr hohen Wirkungsgrad.

2.5 Betriebsleitsystem

Die Betriebsleitung übernimmt eine Zentrale. Zu den Aufgaben der Betriebsleitung gehören im wesentlichen die Disposition der Fahrzeuge. An den einzelnen Stationen müssen entsprechend dem erwarteten und dem aktuellen Bedarf genügend Fahrzeuge bereitgestellt werden. Weiterhin muß das einzelne Fahrzeug zu dem jeweiligen individuellen Ziel geleitet und Fahrpreisinformationen übermittelt werden. Dazu ist in geringem Umfang eine Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und der Zentrale erforderlich.

Die Kommunikaton zwischen den Fahrzeugen und der Zentrale findet beispielsweise mit Funk oder HF-Leckkabeln im Fahrweg statt. Die Zentrale empfängt dabei von den Fahrzeugen die folgenden Meldungen:

Die Fahrzeuge empfangen von der Zentrale die folgenden Meldungen: Die Zentrale leitet den Betrieb, indem die von den Fahrzeugen empfangenen Informationen in entsprechende Fahrbefehle für die Fahrzeuge umgesetzt werden. Am Fahrweg sind Hallsensoren angebracht, die die Anwesenheit von Fahrzeugen detektieren. Ergibt sich aus dem Sensorsystem, daß ein Fahrzeug um mehr als einen Toleranzwert hinter der Sollposition zurückbleibt, werden sofort alle nachfolgenden Fahrzeuge gebremst, die mit dem zurückbleibenden Fahrzeug in Konflikt geraten könnten.

Die Zentrale berechnet die sich nach dem Überfahren einer starren Weiche ergebenden Gleisbelegungen aufgrund der Fahrtzielangaben der Fahrzeuge. Die Fahrtzielangaben werden ebenfalls dazu verwendet, die notwendigen Leerfahrten zur Optimierung des Fahrzeugangebotes zu veranlassen. Zusätzlich werden hierzu die Angaben über die aktuell in den Verladebereich einer Station eingefahrenen Straßenfahrzeuge sowie ein kalendertag- und uhrzeitabhängiges Vorhersageprogramm für die zu erwartenden Verkehrsflüsse benutzt.

3 Architektur des signaltechnisch sicheren Rendezvous-Steuerungssystems

Die dispositive Steuerungsebene der Zentrale schließt an mehrere signaltechnisch sichere Systeme an. Ein Typ dieser Systeme ist an den Fahrwegabschnitten angeordnet, auf denen ein Rendezvous stattfindet. Das Steuerungssystem basiert auf einem linearen Langstator-Synchron-Antrieb für die Magnetschwebefahrzeuge. Der Langstator ist in individuell geregelte Abschnitte unterteilt, bei denen die Länge entsprechend den Anforderungen für das Rendezvous-Manöver variiert. Die Länge der Motorabschnitte im Bereich des Rendezvous ist kürzer als die Länge des kürzesten Fahrzeugs. In der letzten Phase vor dem Aufschließen ist nur ein Teil der Fahrzeuglänge von aktivierten Motorabschnitten überdeckt. In den Bereichen, wo kein Rendezvous stattfindet, können die Abschnitte sehr viel länger sein. Ihre Länge ist limitiert durch die Zugfolgezeit und durch die Konvoilänge.

Die Architektur und die Phasen des Rendezvous sind in Abbildung 6 verdeutlicht. Bei einem Rendezvous-Manöver fährt ein Fahrzeug 1 hinter einem anderen Fahrzeug 2 auf einer Strecke mit Langstatormotorabschnitten. Die Abschnitte sind als Rechtecke dargestellt. Das vordere Fahrzeug 2 beschleunigt und wird beim Erreichen der Streckengeschwindigkeit vom hinteren Fahrzeug 1 eingeholt. Die Fahrzeuge 1 und 2 bilden dann einen Konvoi aus unmittelbar hintereinander fahrenden Fahrzeugen. Das Rendezvous-Manöver kann in Phasen a) bis d), wie in Abbildung 6 dargestellt, eingeteilt werden. Phase a) ist der Beginn des Rendezvous, wenn beide Fahrzeuge ihre Anfangspositionen innerhalb der vom Steuerungsssystem überwachten Strecke erreicht haben. In Phase b) erfolgt eine Annäherung der Fahrzeuge bei voller

Abbildung 6: Architektur des Steuerungssystems und Phasen des Rendezvous-Manövers

Überdeckung der Fahrzeugreaktionsteile mit aktiven Motorabschnitten, solange bis in Phase c) nur noch eine teilweise Überdeckung bis zum Rendezvous in Phase d) besteht. Aufgrund der vorteilhaften streckenseitigen Steuerung und Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Antrieb mit einem Langstatormotor kann das sichere Steuerungssystem ebenfalls gänzlich streckenseitig installiert werden. Die Fahrzeugsteuerung erfolgt signaltechnisch sicher. Magnetfeldsensoren 4 sind in regelmäßigen Abständen entlang der Motorabschnitte angeordnet, wobei sich immer jeweils an den Enden der Motorabschnitte ein Sensor befindet. Der maximale Abstand zwischen zwei Sensoren ist die minimale Länge eines Fahrzeugs. Die Sensorsignale werden den Motorsteuerungen MCU 5 direkt zugeleitet und dort verarbeitet. Alle MCU sind dabei mit einem Bus 6 verbunden.

Der Bus 6 erstreckt sich über die gesamte vom Rendezvous-Steuerungssystem gesteuerte und überwachte Strecke. Die Ausdehnung dieses Bereichs muß wenigstens die Bremswegentfernung hinter dem Fahrzeug 2 einschließen, damit in alle betrieblichen Umständen ein sicherer Zustand eingehalten werden kann. Typische Formen eines solchen Bereiches sind lineare Strukturen oder Y-förmige Strukturen wie bei Autoshuttle mit einer Station neben einer durchgehenden Strecke.

4 Steuerung des Rendezvous-Manövers

Im Betrieb detektieren die Sensoren 4 das magnetische Erregerfeld der Motorreaktionsteile an den Spitzen der Fahrzeuge 1 und 2, die über die Sensoren hinwegfahren. Die Detektion eines Fahrzeugs wird den MCU 5 mitgeteilt, die dann die Motorströme entsprechend der Fahrzeugbewegung regeln. Die MCU 5 überträgt die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu den benachbarten MCU. Die Nachbar-MCU in Fahrtrichtung berechnet dann die erforderliche Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Der Motorabschnitt ist deaktiviert solange kein Fahrzeug ihn befährt. Bei Detektion eines Fahrzeugs durch die Sensoren 4 an den Enden des Motorabschnitts wird der Motorabschnitt aktiviert. Bei Detektion eines zweiten Fahrzeugs oder Fahrzeuggruppe mit einer anderen Geschwindigkeit als die erste Fahrzeuggruppe wird der Motorabschnitt deaktiviert.

Das Rendezvous-Manöver erfolgt entsprechend der folgenden Regelprinzipien:

Parameterbeschränkung:

Regelbetrieb: Abweichungen vom Regelbetrieb: 5 Sicherheitsbetrachtungen

Das Steuerungssystem verhindert Kollisionen zwischen Fahrzeugen. Ergibt sich, daß ein Fahrzeug hinter der Sollposition zurückbleibt, werden alle nachfolgenden Fahrzeuge, die mit dem zurückbleibenden Fahrzeug in Konflikt geraten könnten, nach Ablauf einer Toleranzzeit gebremst. Das vordere Fahrzeug führt nach der Einfahrt in das Hauptgleis im Fall einer Störung, die das weitere Beschleunigen verhindert, einen Zielhalt durch. Es wird nicht sofort gebremst, sondern zunächst eine definierte Strecke mit etwa konstanter Geschwindigkeit zurückgelegt, damit das hintere Fahrzeug rechtzeitig hinter dem vorderen Fahrzeug anhalten kann.

Diese Sicherheitsfunktionen werden durch ein hochverfügbares Antriebs- und Bremssystem mit dem Langstatorantrieb erfüllt. Jeder Motorabschnitt kann in allen Betriebsphasen mindestens zwei voneinander unabhängigen redundanten Stromversorgungen zugeschaltet werden. Im Regelbetrieb wird die Bremsenergie der Fahrzeuge wieder zurückgewonnen. Ist dies im Störfall nicht möglich, wird die Bremsenergie in Widerständen in Wärme umgewandelt. Die Bremsfunktion mit Widerständen als Rückfallebene ist daher noch höher verfügbar als die Antriebsfunktion.

6 Zulassung

Die Zulassung des signaltechnisch sicheren Steuerungssystems erfolgt nach den Europäischen Normen EN 50126, EN 50128 und EN 50129. In einer vorläufigen Fehlerbaumanalyse wurden die Gefährdungsraten quantifiziert. Die Abbildung 7 zeigt einen vereinfachten Fehlerbaum.

Abbildung 7: Vereinfachter Fehlerbaum des Rendezvous-Steuerungssystems

Es zeigt sich, daß mit den Eigenschaften:

eine Gefährdungsrate von deutlich weniger als 10-9 Gefährdungen pro Stunde erreicht wird. Risikoanalysen von Eisenbahnsicherungssystemen ergeben Anforderungen in der Größenordnung von 10-9 Gefährdungen pro Stunde. Die Zulassung des innovativen Steuerungssystems mit der Realisierung des Rendezvous-Manövers ist somit mit dem quantitativen Nachweis der Gefährdungsrate möglich.

7 Zusammenfassung

Mit der dargestellten Architektur ist das Rendezvous-Manöver in der wirtschaftlich und ökologisch interessanten Anwendung Autoshuttle realisierbar. Aufbauend auf einem existierenden Magnetschwebe-Fahrzeug-Prototypen mit einer Tragkraft von drei Tonnen soll zunächst die starre Weiche und danach das Rendezvous-Manöver auf einer kreisförmigen Teststrecke erprobt werden. Die Entwicklung wird von einem Zulassungsprozess gemäß der anzuwendenden Europäischen Normen begleitet. Ein Entwicklungsplan (siehe www.autoshuttle.de) sieht bei optimaler Koordination der Entwicklungsarbeiten eine Dauer von neun Jahren bis zur Herstellung der Serienreife des Autoshuttle vor.

Autoren

Dr. Ing. Andreas Steingröver:
Geboren 1962. Studium und Promotion in Elektrotechnik in Braunschweig am Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen. Aufbau eines Magnetschwebe-Versuchsfahrzeugs mit Transversalfluß-Trag- und Führsystem. Seit 1996 Mitarbeiter der Abteilung Systemtechnik der DaimlerChrysler Rail Systems (Signal) GmbH.

Dr. rer.nat. Rasmus Krevet:
Geboren 1963. Studium und Promotion in Physik in Mainz und Braunschweig. Seit 1994 Studien und Veröffentlichungen zu innovativen spurgeführten Verkehrsmitteln. Seit 1997 Mitarbeiter der Abteilung Systemtechnik der DaimlerChrysler Rail Systems (Signal) GmbH.

Literatur

[1] www.autoshuttle.de
[2] Maglev Transportation with Controlled Permanent Magnets and Linear Synchronous Motors, Proceedings of 13th International Conference on MAGLEV, Argonne, 1993