TU Braunschweig

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ZUGBUS

Modellierung und Simulation von Zugbussystemen für den Güterverkehr

Projektbearbeiter: Gert Bikker
Auftraggeber: Deutsche Bahn AG
Projektpartner: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

In der Automatisierungstechnik werden zum Datenaustausch zwischen verschiedenen Prozeßkomponenten zunehmend Feldbusse eingesetzt. Die auf dem Markt existierende Vielzahl von Feldbussystemen ermöglicht eine individuelle Anpassung des Bussystems an die spezielle Applikation. Die Spezifikation des Applikation und damit einhergehend die Auswahl des Byssystems stellen dabei eine komplexe Aufgabe dar. Insbesondere die Möglichkeit der Übertragung einer Applikation der ISO/OSI Schicht 7 auf eine andere Anwendung erfordert im all-gemeinen eine nicht unerhebliche Anpassung.

Im Projekt wurde zum einen durch Modellierung in einer TOP-Down Vergehensweise und zum anderen durch eine bezugnehmende Bottom-Up Simulation eine Methode zur Bewertung und Spezifikation für Bussysteme geschaffen. Diese Methodik wurde auf die Migration eines Zugbussystems für den spurgebunden Güterverkehr angewendet. Untersuchungsgegenstand ist weniger der Hardware orientierte Schicht 1 und 2, so dass eine flexible, modularisierte Simulation und Evaluation durch ein Referenzmodell einer mathematischen Leistungsanalyse vorgezogen wurde.

Ein grenzüberschreitender Güterverkehr in Europa ist hetue bereits Realität. Grundlage der Interoperablilität von Güterzügen ist die Vereinheitlichung der mechanischen Kupplungseinrichtungen mit Schraubenkupplung uns Seitenpuffer sowie das pneumatische Bremssystem. Durch die Einführung elektronisch gesteuerter Bremssysteme in Verbindung mit einer automatischen Zugkupplung können jedoch beachtliche Rationalisierungspotentiale freigesetzt werden. Die Realisierung in Verbindung mit einem Bussystem auf Güterzügen eröffnet die Möglichkeit, die vorhandenen Gleiskapazitäten der europäischen Bahnen durch Automatisierung besser zu nutzen und die Transportzeiten drastisch zu kürzen.

Für die oberste Schicht 7, die die anwendungsspezifischen Dienste umfasst, kann derzeit für den Gütertransport des spurgebundenen Verkehrs auf keinen einheitlichen (europäischen) Standart zurückgegriffen werden. Beispielhaft stellt ein Dienst elektronisches Bremsen nur eine im Augenblick mögliche aber vordergründige Funktionalität des Betriebs von Güterwagen dar. Die Ausprägung aller zu realisierenden Dienste kann derzeit nicht umfassend abgeschätzt werden, jedoch sollte die Systemkonzeption ein offenes System sein. Es muss sichergestellt werden, dass neue Systeme und Funktionalitäten auch zu späteren Zeitpunkten in das eingeführte vorhandene System integriert werden können, ohne dass andere Funktionaliäten beeinträchtigt oder aufwendig modifiziert werden müssen.

Im Vordergrund des Projektes sollten daher in einem realisierbaren Zeitrahmen zum einen die Anforderungen an ein Geräteprofil Zugbus herausgearbeitet werden, zum anderen aber auch geprüft werden, inwieweit bereits realisierte technische Konzepte (z.B. EBAS oder ECP-Brake) diese in oben skizzierter Hnsicht erfüllen können.

Ein von der Realisierung des technischen Konzeptes unabhängiges Referenzmodell wurde erstellt, das zur Bewertung von zu implementierenden Funktionen heranzuziehen ist. Angewendet auf weitere Konzepte kann die Anzahl der Realisierungen möglicherweise bereits reduziert werden, da nicht alle Lösungen die Kriterien erfüllen. Die Simulation wurde aufgrund der zeitlichen Randbedingung direkt auf der Spezifikation eines in den USA eingeführten Systems, das Electronically Controlled Pneumatic Braking-Systems (ECP) ausgeführt. Aus den Ergebnissen der Bewertung durch das Referenzmodell und den Testfällen der Simulation konnten Aussagen über die Machbarkeit des technischen KOnzeptes für europäische Betreiber getroffen werden.

Durch Modellierung in einer TOP-Down Vorgehensweise und zum anderen durch eine ergänzende Bottom-Up Simulation liegt damit eine sofort umsetzbare Methode zur Bewertung und Spezifikation eines technisches Kommunikationskonzeptes vor. In Anlehung an die Strukturierte Analyse haben sich die Projektbeteiligten entschieden, zur Beschreibung eines Funktionsmodells farbige Petrinetze unter dem Tool Design/CPN einzusetzen. Dieses Tool unterstützt vor allem auch die Analyse eines Systems, so dass in der frühen Phase des Systementwurfs eine konsitente Beschreibung erzielt werden kann. Aus diesem allgemeinen Funktionsmodell eines Bussytems wurde mit Hilfe der Simulationstools STATEMATE das für die Untersuchungen ausgewählte ECP-System modelliert und damit das allgemeine Funktionsmodell bestätigt. Die Werkzeugwahl resultierte aus der Abschätzung, dass in den späten Phasen des Systementwurfs vor allem ein Mittel zur Verfügung stehen muss, aus dem beispielsweise über eine Codegenerierung eine prototypische Implementierung möglich ist. Es wurde jedoch darauf geachtet, dass die Methodik ausgehend von der Bewertung des ECP-Brake Systems analog auf andere Zugbussysteme angewendet werden kann.


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