Routing in der Elektromobilität

Routing in der Elektromobilität

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Inhaltsangabe:Einleitung: In der heutigen Zeit fA¼hrt die Knappheit an nicht erneuerbaren Energieressourcen in vielen Bereichen zu einem Trend umweltschonender Technologien. Daher ist es nAptig, umzudenken und Methoden zu entwickeln, welche das Hauptaugenmerk nicht ausschlieAŸlich auf das Erzielen von hohen Geschwindigkeiten und Zeitgewinn legen, sondern vor allem den Aspekt der sparsamen Nutzung von Ressourcen beachten. Dieser Bereich schlieAŸt auch den effizienten Gebrauch von Traktionsbatterien, deren Energie zur Fortbewegung von Elektrofahrzeugen genutzt wird, in der ElektromobilitAct mit ein. Mit aktuellen Batterietechnologien lassen sich Elektromotoren realisieren, die schon energieeffizienter als Verbrennungsmotoren sind, jedoch ermApglichen sie den Fahrzeugen nur verhAcltnismAcAŸig geringe Reichweiten. HauptsAcchlich liegt dies daran, dass Batterien vergleichsweise viel Platz im Fahrzeug benAptigen, da sie eine etwa um den Faktor 100 geringere Energiedichte besitzen als fossile Ressourcen wie Benzin oder Diesel. Daher hat die optimale Ausnutzung der Energie fA¼r die MobilitAct bei batteriebetriebenen Fahrzeugen eine grApAŸere Bedeutung als bei herkApmmlichen Fahrzeugen. Ein mApglicher Ansatzpunk fA¼r eine Verbesserung ist, eine fA¼r Elektrofahrzeuge optimal gefA¼hrte Navigation durch energiebasiertes Routing zu nutzen. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zur Berechnung von kA¼rzesten oder schnellsten Routen auf die Minimierung des Energieverbrauchs geachtet wird. Ein solches Routing ist jedoch sehr komplex und von vielen Faktoren abhAcngig, wie das folgende Szenario aufzeigt. Viele Elektrofahrzeuge haben durch die begrenzte BatteriekapazitAct im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nur eine geringe Reichweite. Das Fahrzeugmodell smart fortwo electric drive des Herstellers Smart, welches vollstAcndig elektrisch angetrieben wird, besitzt eine Reichweite von etwa 135 km mit einer vollen Batterieladung, was beispielsweise einer Fahrt von Aachen nach Antwerpen entsprAcche. Dieser Wert wird jedoch nur vom Hersteller als Richtwert angegeben: In der Praxis werden solche Angaben sehr selten erreicht, in den meisten FAcllen liegen sie darunter. Es gibt viele GrA¼nde dafA¼r, warum die Richtwerte des Herstellers bezA¼glich des Energieverbrauchs und der Reichweite oft nicht mit den Erfahrungen aus der Praxis A¼bereinstimmen. Steigungen: Bei hohen Steigungen wird erheblich mehr Energie fA¼r die Anfahrt benAptigt. Ebene Strecken kApnnen sich daher positiv auf den Zustand der Traktionsbatterie und die Reichweite auswirken. AuAŸerdem kApnnten die SchubkrAcfte, die durch Fahrten mit GefAclle entstehen, fA¼r EnergierA¼ckgewinnungssysteme genutzt werden. Fahrgeschwindigkeit: Eine hAphere Geschwindigkeit bedeutet in der Regel eine hAphere Belastung der Traktionsbatterie und somit eine schnellere Entladung. Der Energieverbrauch ist bei niedrigen Geschwindigkeiten fA¼r die gleiche Zeitspanne geringer. Stadt- oder Autobahnfahrt: Innerhalb von StAcdten stellen Ampeln oder verhAcltnismAcAŸig viele KurvenstA¼cke auf einer Route unterschiedliche Anforderungen an das Fahrzeug, da beispielsweise Brems- oder BeschleunigungsvorgAcnge im Stadtverkehr hAcufiger vorkommen als bei Autobahnfahrten. Individuelle Fahrweise: Starkes Beschleunigen oder Abbremsen sowie A¼berhAphte Geschwindigkeiten kApnnen zu einem hApheren Energieverbrauch fA¼hren, wohingegen defensives Fahrverhalten energieeffizienter ist. ZusActzliches Gewicht: AnhAcnger, Beifahrer oder GepAcck beeinflussen durch ErhAphung der Nutzlast mitunter die aufzubringende Energie zur Fortbewegung. Eines der Probleme, die daraus resultieren, ist die Frage nach der sichergestellten Ankunft an ein Ziel, welches im schlechtesten Fall unmittelbar an der Grenze der Reichweitenangaben des Fahrzeugs liegt. MApchte eine reisende Person mit einem smart fortwo electric drive von Aachen nach Antwerpen fahren, dann kApnnte eine weniger batterieschonende Fahrt dazu fA¼hren, dass das Fahrzeug nicht A¼ber genug Energie verfA¼gt, um sicherzustellen, dass der Reisende auch in Antwerpen ankommt. Ein anderes Problem ergibt sich dann, wenn ein Fahrer mehrere aufeinander folgende Strecken abfahren mApchte, aber aus KostengrA¼nden versucht, die Anzahl der Zwischenladungen zu minimieren. Beispiele dafA¼r sind Taxifahrten, ambulante Fahrdienste oder Mietfahrzeuge. Wenn in diesem Fall ungA¼nstige Routen gewAchlt wA¼rden, kApnnte es eine geringere Anzahl von abgefahrenen Strecken zur Folge haben, bis eine nAcchste Ladung der Traktionsbatterie nAptig ist. Eine MApglichkeit, diese Probleme zu lApsen, ist, vor einer Fahrt einen energiesparenden Weg zu einem Ziel zu bestimmen. Dies kann durch den Einsatz von Routing-Verfahren realisiert werden, die eine optimierte Route fA¼r elektrobetriebene Fahrzeuge berechnen. Durch die ReichweitenverlAcngerung kann entweder ein Fahrzeug eine zusActzliche Distanz zurA¼cklegen oder die A¼berschA¼ssige Energie als Puffer verwendet werden. Ein Routing-Verfahren analysiert verschiedene Pfade von einem Startpunkt zu einem Ziel und wAchlt den optimalen Pfad anhand einer Metrik aus. Im Fall der Elektrofahrzeuge ist es daher fA¼r Anwender wichtig, dass eine bezA¼glich des Energieverbrauchs optimale Route fA¼r die Fahrt ausgewAchlt wird. Strecken, die beispielsweise A¼ber GebirgspAcsse fA¼hren, sind fA¼r ein solches Fahrzeug nicht optimal, da sie aufgrund der Steigung sehr viel Energie verbrauchen und daher den Ladezustand der Batterie stark vermindern. Ein Umweg, der A¼ber eine Strecke mit wenig HAphenunterschied fA¼hrt, wAcre gegebenenfalls ein energiesparenderer Pfad. Eng mit dem Thema der Routing-Algorithmen verknA¼pft ist die Navigation im Automobilbereich. Hier haben NavigationsgerActe, wie von den Herstellern Navigon oder TOMTOM, die Aufgabe, den Benutzer mittels eines optimalen Pfads von einer aktuellen Position zu einem bestimmten Ziel zu lotsen. Der Benutzer kann dabei angeben, nach welchen Kriterien eine Route berechnet werden soll. HAcufig werden hier die kA¼rzesten oder die schnellsten Wege berechnet. Diese Metriken sind nicht immer optimal: Die Bestimmung von Pfaden fA¼r Fahrzeuge, deren EnergiekapazitAct nur begrenzt ist und deren Energieverbrauch einen kritischen Faktor darstellt, stimmt daher in vielen FAcllen nicht mit den optimalen Pfaden A¼blicher Metriken A¼berein, weil der Energieverbrauch A¼berhaupt nicht mit in die Berechnung einbezogen wird. Die Konsequenz ist, dass die Benutzung einer energiesparenden Strecke eine geringere Entladung der Batterie zur Folge hActte und somit die Reichweite des Fahrzeugs und die Effizienz der Batterie erhApht werden wA¼rde. Um eine effizientere Ausnutzung der Batterie bezA¼glich der Energie und der Reichweite zu erzielen, wird in dieser Arbeit ein Werkzeug entwickelt, das eine optimale Route fA¼r Elektrofahrzeuge bezA¼glich des Energieverbrauchs ermittelt. Dadurch ergibt sich eine A¼bergeordnete Einteilung der Arbeit in drei Aufgaben. Im ersten Schritt soll ein passender Routingalgorithmus ausgewAchlt und angepasst werden, der eine optimale Route fA¼r Elektrofahrzeuge bestimmt. Danach soll dem Benutzer diese Route visuell prAcsentiert werden, so dass er von seiner aktuellen Position auf dem berechneten Pfad zum Zielort gelangen kann. Zuletzt soll der angewandte Algorithmus mit einem Elektrofahrzeug verifiziert und optimiert werden. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung1 1.1Szenario1 1.2Ziel dieser Arbeit3 1.2.1Entwurf eines Routingalgorithmus3 1.2.2Darstellung einer Route4 1.2.3Verifizierung des Verfahrens mit einem Elektrofahrzeug4 1.3Gliederung dieser Arbeit4 2.ElektromobilitAct7 2.1Elektrofahrzeugkonzepte7 2.1.1Personenkraftfahrzeuge8 2.1.2Zweiradfahrzeuge11 2.1.3Schienenfahrzeuge12 2.2Probleme bei Elektrofahrzeugen12 2.2.1LeistungsfAchigkeit von Traktionsbatterien12 2.2.2ReichweitenbeschrAcnkung der Elektrofahrzeuge14 2.2.3Ladeinfrastruktur fA¼r Elektrofahrzeuge15 2.3Anforderungen fA¼r das energiebasierte Routing16 3.Navigation17 3.1Problemstellung in der Navigation17 3.2Routing19 3.2.1Routingstrategien fA¼r treibstoffbetriebene Kraftfahrzeuge19 3.2.2Routingstrategien fA¼r andere Verkehrsteilnehmer22 3.3Suchverfahren in Graphen23 3.3.1Uninformierte Suche24 3.3.2Heuristische Suche26 4.Theoretischer LApsungsansatz29 4.1Skizzierung des LApsungsansatzes29 4.2Abbilden eines StraAŸennetzes in eine Graphenstruktur31 4.3Aufstellen einer Metrik auf Basis von Einflussfaktoren32 4.3.1Fahrzeugspezifische Einflussfaktoren32 4.3.2Umweltspezifische Einflussfaktoren34 4.3.3Konstruktion eines Fahrzeugmodells aus den fahrzeugspezifischen Einflussfaktoren36 4.3.4Konstruktion eines Weltmodells aus den umweltspezifischen Einflussfaktoren39 4.3.5Komposition einer Metrik zur Bestimmung der gesuchten Route40 4.4Auswahl eines Suchalgorithmus43 4.4.1Konstruktion einer Heuristikfunktion43 4.4.2Beweis fA¼r die GA¼ltigkeit der konstruierten Heuristikfunktion45 4.4.3Algorithmus zur Routenberechnung47 5.Praktische Umsetzung49 5.1Allgemeine Beschreibung der Implementierung49 5.2Architektur des Zielsystems50 5.3Komponenten des Zielsystems52 5.3.1Graphical User Interface52 5.3.2Heuristisches Suchverfahren53 5.3.3Objektrelationales Datenbanksystem54 5.4Verwendete Frameworks und Technologien54 5.4.1GeoTools54 5.4.2Geographische Daten von OpenStreetMap56 5.4.3HAphenbezogene Daten von SRTM57 5.4.4PostgreSQL mit PostGIS als geospatiale Datenbankerweiterung58 5.5Interaktionsdiagramme der Komponenten61 5.6Realisierung63 5.6.1Aufbereiten der geodAcsischen Daten63 5.6.2Entwurf der JAVA-Klassen65 5.6.3Darstellung der Route67 5.7Probleme68 6.Evaluation69 6.1Konfiguration der Metrik auf Basis eines Elektrofahrzeug69 6.1.1Konfiguration der Parameter des Fahrzeugmodells70 6.1.2Konfiguration der Funktionen des Fahrzeug- und des Weltmodells73 6.2Verifizierung der Metrik auf Basis der Parametrierung75 7.Diskussion und Ausblick77 7.1Ausblick78 8.Anhang79 Abbildungsverzeichnis85 Tabellenverzeichnis87 Literaturverzeichnis89 Textprobe:Textprobe: Kapitel 3, Navigation: Heutzutage findet man in vielen Bereichen Verfahren zur Navigation, die die geleitete FA¼hrung zu einem Ziel als Aufgabe hat. Diese Verfahren werden beispielsweise bei NavigationsgerActen fA¼r Automobile genutzt und bieten dem Nutzer automatische Routenbeschreibungen und -fA¼hrungen und somit eine erhebliche Steigerung des Komforts. Es ist zudem mApglich, dass eine Route hinsichtlich verschiedener Aspekte optimiert werden kann, wie der Minimierung der RoutenlAcnge oder der Fahrzeit. Die Anwendbarkeit lAcsst sich nicht nur auf die Automobilnutzer beschrAcnken: NavigationsgerActe werden auAŸerdem in der Schifffahrt oder im Flugverkehr eingesetzt, aber auch bei Fahrradfahrern oder FuAŸgAcngern finden sie Verwendung. Im Folgenden wird auf den Teilbereich des Routings eingegangen, insbesondere welche verschiedenen Anforderungen an das Routing gestellt werden und welche Strategien entwickelt worden sind. Des Weiteren werden Eigenschaften und Bedeutung von Landkarten bezA¼glich der Navigation erlAcutert. Im letzten Abschnitt werden abschlieAŸend Verfahren vorgestellt, die anhand einer Landkarte eine Route zwischen zwei Punkten berechnen, und deren Vor- und Nachteile nAcher betrachtet. 3.1, Problemstellung in der Navigation: Die Navigation ist ein Hilfsmittel zur Bestimmung und Einhaltung eines optimalen Wegs zu einem Ziel. Auch wenn die Definition der Navigation altertA¼mlich ist und vor allem frA¼her in der Schifffahrt verwendet wurde, unterscheidet sich die Beschreibung der Problematik im Vergleich zu heute grundsActzlich nicht. a€˜Die Navigation (lat. navigatio, -onis a€˜Schifffahrta€™) ist ein Verfahren zur Positions- und Kursbestimmung [...] sowie Planung, DurchfA¼hrung und Aœberwachung von Bewegungen auf einem vorbestimmten Weg von einem Ausgangspunkt zu einem definierten Ziela€™. Die Aufgaben, die bei der Navigation gelApst werden sollen, werden im Allgemeinen in drei Teilbereiche gegliedert: Ortsbestimmung: Die Position eines Fahrzeugs muss eindeutig bestimmt werden kApnnen. In A¼blichen Verfahren werden hAcufig Koordinatensysteme eingesetzt, wie beispielsweise durch die Angabe der Position durch geographische LAcngen- und Breitengrad. Dabei unterscheidet man hauptsAcchlich zwischen zwei- und dreidimensionalen Positionsdaten, die zusActzlich HApheninformationen enthalten. Eine MApglichkeit, ein solches Koordinatensystem zu realisieren, ist die Verwendung des Global Positioning System (GPS), eines amerikanischen, satellitengestA¼tzten Ortungssystems. A„hnliche Systeme stellen das russische Projekt GLONASS oder das europAcische System Galileo dar. Ihre Funktionsweise beruht darauf, dass die EmpfangsgerActe mit einer Mindestanzahl von Satelliten kommunizieren und anhand der Laufzeiten von Kontrollnachrichten die Position des GerActs berechnen. Ein Nachteil des GPS ist die nicht mApgliche Ortung bei fehlender, direkter Verbindung zwischen Satelliten und EmpfangsgerAct. Dies tritt beispielsweise beim Versuch auf, GPS in GebAcuden zu nutzen. Daher verwendet man alternative Technologien wie Bluetooth, RFID, W-LAN, Zigbee oder andere Standards, die nicht satellitengestA¼tzt sind, sondern auf Abstandsberechnungen zwischen verschiedenen Sende- und Empfangsstationen innerhalb von kurzen Distanzen beruhen und keinen direkten Sichtkontakt benAptigen. Der Gebrauch von Landmarks ist eine weitere MApglichkeit, eine Ortung und eine FA¼hrung zu realisieren, indem man die Entfernung zu bestimmten Objekten in der Umgebung zur Berechnung miteinbezieht. Dabei werden diese Objekte mit einer GPS-Angabe versehen und zusActzlich mit einer Beschreibung in Form eines Textes oder eines Bilds verknA¼pft, um dem Benutzer Anhaltspunkte fA¼r seinen Aufenthaltsort zu geben. Routenberechnung: FA¼r einen Reisenden reicht die Ortsbestimmung nicht aus, um zu einem Zielort zu gelangen. ZusActzlich muss dem Nutzer eine Route angegeben werden, die den Weg zum Ziel beschreibt. Die Voraussetzungen fA¼r die Berechnung einer Route sind zum einen das Vorliegen einer Landkarte mit Streckenbeschreibungen, wie WeglAcngen, HAphen oder GeschwindigkeitsbeschrAcnkungen, und zum anderen die Kenntnis A¼ber die Position des Ziels. Mit diesem Wissen hat man die MApglichkeit, durch Suchalgorithmen eine Route zwischen Ausgangsposition und Ziel zu berechnen. Die Verfahren, die eingesetzt werden kApnnen, werden in Kapitel 3.3 beschrieben. Die Routenberechnung wird nachfolgend in dieser Arbeit als Routing bezeichnet. Einhalten des vorbestimmten Wegs: Unter UmstAcnden kann der Reisende von seiner vorbestimmten Route abweichen, so dass eine neue Berechnung nAptig ist oder diese Situation dem Benutzer signalisiert wird. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn Strecken nicht mehr passierbar sind und der Benutzer deshalb der Route nicht mehr folgen kann. Das Abweichen von der Route wA¼rde man mit einer kontinuierlichen Ortsbestimmung erkennen, die mit der berechneten Route abgeglichen wird. Diese Teilaufgabe der Navigation wird in dieser Arbeit aber nicht weiter vertieft. Wo frA¼her Sternenbilder und ungenaue Seekarten fA¼r die drei oben genannten Teilaufgaben bei der Navigation in der Schifffahrt ausreichend waren, erfA¼llen NavigationsgerActe mit wesentlich prAcziserem, digitalem Kartenmaterial, Suchalgorithmen und Satellitenortung die Anforderungen heutiger Zeit. Vor allem die Zeitersparnis und die Genauigkeit bei der Berechnung sowie die Benutzerfreundlichkeit und Anwendbarkeit fA¼r verschiedene Nutzergruppen sprechen fA¼r die Weiterentwicklung im Bereich der Navigation. Da man durch Satelliten- oder Funktechnik schon sehr prAczise Positionsangaben erhalten kann, ist das Potential fA¼r eine Verbesserung im Bereich der Lokalisation im Allgemeinen eher gering. Daher wird sich der Fortschritt in der Forschung auf die Optimierung des Routings konzentrieren. 3.2, Routing: Ein Teilbereich der Navigation ist das Routing, welches das Problem der Suche nach einem optimalen Weg von der aktuellen Position zum Zielort beschreibt. Speziell im Bereich der Informatik berechnet ein Routing- oder auch Suchalgorithmus einen optimalen Pfad von einem Startknoten (Quelle) zu einem Zielknoten (Senke) in einem Graphen, was somit eine mApgliche Herangehensweise zur LApsung eines Routings darstellt. OptimalitAct bedeutet in diesem Fall, dass dabei genau der Pfad gewAchlt wird, der am kostengA¼nstigsten bezA¼glich einer vordefinierten Metrik ist. Eine Metrik ist ein numerisches MaAŸ fA¼r die GA¼te einer Verbindung. GAcngige Metriken im Netzwerkbereich sind beispielsweise: - Anzahl der Hops. - VerzApgerung oder Kosten in der Aœbertragung. - GrApAŸe der KapazitActen. - VerlAcsslichkeit. Im StraAŸenverkehr spielt Routing eine ebenso groAŸe Rolle. Dabei wird auf Basis einer StraAŸenkarte, die aus der Sicht der Informatik einem gerichteten Graph entspricht, ein Routing-Algorithmus angewendet, um einen optimalen Weg zwischen zwei Punkten zu finden, wobei dies in der Regel der Start- und Endpunkt einer Fahrt sind. Diese Algorithmen werden in NavigationsgerActen eingesetzt, jedoch unterscheiden sich die Implementierungen, die sich nach der Anwendergruppe richten.Nicht nur die geringe Energiedichte bereitet den Herstellern Probleme, sondern auch die hohen Produktionskosten. Durch teure ... 11Das Elektroauto Tesla Roadster von Tesla Motors erzielt eine Reichweite von unter 300 km bei einemanbsp;...


Title:Routing in der Elektromobilität
Author: Vinh Yen Cao
Publisher:diplom.de - 2011-07-10
ISBN-13:

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