Optimization of an inductive charging infrastructure for urban road traffic

Mit sinkenden fossilen Energiereserven und weltweit steigendem Mobilitätsbedarf steht unserer Gesellschaft auf lange Sicht die Abkehr von fossilen Energieträgern bevor. Die Energiedichte von alternativen Energieträgern liegt deutlich unter der von Erdöl. Bei deren Anwendung muss berücksichtigt werden, dass das vollständige Betanken von Straßenfahrzeugen viel länger dauert und die übertragene Energiemenge für deutlich kürzere Distanzen reicht, als man es von heutigen Fahrzeugen gewohnt ist, die mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden. Zur Aufrechterhaltung der Mobilität und schnellen Nutzerakzeptanz müssen die Folgen dieser Umstellung untersucht sowie Anforderungen und Maßnahmen abgeleitet werden, um die Einschränkungen des Verkehrsbetriebs zu minimieren. Diese Arbeit widmet sich der Fragestellung, wie viel Energie der Straßenverkehrsbetrieb erfordert und welchen Anforderungen die Energieübertragung genügen muss, damit künftige Ladeprozesse ohne Einschränkungen für Teilnehmer in den Verkehr integriert werden können. Als Grundlage für die Verkehrsbetrachtungen dienen mikroskopisch simulierte Verkehrsszenarien, deren Modelle mit Verkehrs- und Fahrzeugmessdaten kalibriert werden. Darüber hinaus wird ein zeitdiskretes Modell für die Berechnung des Fahrzeugenergiebedarfs vorgestellt und in ein mikroskopisches Verkehrssimulationswerkzeug implementiert. Die Simulationsdaten münden anschließend in einem linearen Programm, welches unter Berücksichtigung der Ladeleistung und weiteren betrieblichen Randbedingungen mit geeigneten Methoden die Anordnung der Ladestellen optimiert. Abschließend wird das vorgestellte Verfahren beispielhaft an der zu optimierenden Verortung der Komponenten einer induktiven Energieversorgungsinfrastruktur präsentiert. Die Anordnung einer neu in Betrieb zu nehmenden Infrastruktur wird auf den vorherrschenden Verkehr ausgelegt und optimiert. Trotz deutlich geringerer Fahrzeugreichweiten und Übertragungsleistungen als mit heutigen Fahrzeugen müssen Fahrer nach der erfolgten infrastrukturellen Optimierung bei ihrer Routenwahl keine dedizierten Halte für die Energieübertrag berücksichtigen. Städteplanern sowie Infrastruktur- und Flottenbetreibern wird damit erstmals ein Werkzeug und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem vorherrschende oder zukünftige Szenarien hinsichtlich Verkehrsaufkommen und Energiebereitstellung integriert analysiert werden können.Diminishing crude oil supplies will inevitabely require the development and application of alternatives that fuel the globally increasing demand for mobility. Since the energy density of alternative energy carriers is very low compared to crude oil, the migration will be accompanied with drawbacks in user comfort like that of fully charging a vehicle in less than two minutes or of travelling distances of several hundred kilometers with a single charge. For the quick acceptance of new concepts, to maintain the current level of mobility, and to minimize the limitations on traffic operation, the consequences of using alternative energy carriers in road vehicles will have to be evaluated as well as requirements be formulated and measures be developed. This thesis deals with the amount of energy that road traffic requires and with the requirements for the energy transfer in order to integrate charging processes into traffic operation with minimum limitations. The focus lies on urban traffic, which accounts for the majority of the global traffic volume. Microscopic traffic simulations build the basis for the traffic analyses that are calibrated with traffic and vehicle measurement data. A time-discrete model will be presented and implemented in a traffic simulation tool that allows the calculation of the energy demand in simulated vehicles. A linear program will be developed that uses the simulation results and optimizes the charging station locations in consideration of the charging power and other operational boundaries. The presented technique is applied in a final step to determine the optimal arrangement of a charging infrastructure to adequately supply road traffic vehicles. The novelty of this work lies in the fact that the optimal placement of charging stations allows the integration of charging processes into traffic operation. The arrangement of the charging infrastructure is designed and optimized for prevailing traffic. It will be shown that vehicles with even lower driving ranges than today's vehicles will not require dedicated charging halts along their routes that interrupt their operations. City planners as well as infrastructure and fleet operators will further be provided with a tool and a method that allows the integrated analysis of future scenarios in regard of traffic volume and energy supply

Calibration and validation of traffic simulation models for investigation of traffic assistance systems

Eine Verkehrsoptimierung auf deutschen Autobahnen erfolgt bislang vorwiegend infrastrukturseitig. Neue Ansätze zur Verkehrsoptimierung auf Fahrzeugebene sind sogenannte Verkehrsassistenzsysteme (VAS), die die Längsdynamik einzelner Fahrzeuge regeln, um insgesamt den Verkehrsfluss zu optimieren. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einem generischen Systemmodell eine systematische Herleitung der Anforderungen zur Untersuchung der Auswirkung dieser Systeme auf den Verkehrsablauf vorgenommen. Dabei wird belegt, dass die Untersuchung eines VAS die gleichzeitige Berücksichtigung der mikroskopischen und makroskopischen Ebene in Verkehrssimulationsmodellen während der Kalibrierung und Validierung bedingt. Da bisherige Anwendungen von Simulationsmodellen diese Anforderung nicht berücksichtigen, wird ein neuer Zwei-Ebenen-Ansatz zur Kalibrierung und Validierung aufgezeigt. Dieser erfordert für einen gegebenen Streckenabschnitt die gleichzeitige empirische und simulative Erhebung mikroskopischer und makroskopischer Kenngrößen. In der Arbeit wird ein Messkonzept zur Ermittlung der notwendigen Kenngrößen ausgearbeitet. Zur Datenerhebung aus Fahrzeugsicht wurde ein Versuchsfahrzeug ausgerüstet. Die vorliegende Arbeit zeigt die Ergebnisse der Kalibrierung auf mikroskopischer Ebene des Fahrzeugfolgemodells nach Gipps auf. Aufgrund des Umfangs der betrachteten Folgefahrten wird ein neuer Ansatz der mikroskopischen Validierung von Modellen des Fahrzeugfolgeverhaltens vorgestellt. Obwohl das ermittelte Messkonzept nicht vollständig realisiert wurde, konnten auch die Methoden der makroskopischen Validierung exemplarisch umgesetzt werden. Die sich an diese Arbeit anschließende notwendige vollständige Umsetzung des aufgezeigten Messkonzepts und die Durchführung der vorgestellten Methoden zur Kalibrierung und Validierung werden es erlauben, die quantitativen Simulationsergebnisse mit einem höheren Grad an Vertrauen zu beurteilen.Up to now traffic optimzation on German highways is realized by systems based on the traffic infrastructure. Promising new attempts for traffic optimization at vehicle level are so-called traffic assistance systems (TAS) which regulate the longitudinal dynamics of single vehicles to optimize traffic flow. In the present work, a systematic derivation of the requirements to the investigation of these systems' effects on traffic flow is carried out, based on a generic system model. It is proved that the investigation of a TAS requires the concurrent consideration of both, the microscopic and macroscopic level during the calibration and validation of traffic simulation models. It is shown that present attempts of calibration and validation do not fulfil these requirements. Hence, as a solution a new two-level approach for calibration and validation is introduced. This requires the concurrent empiric and simulative acquisition of microscopic and macroscopic measurement data in such a manner that they share both, the same time and geographical reference. A plausible concept for data acquisition is proposed in this work. For data acquisition an experimental vehicle was set up. The present work presents the results of the calibration at microscopic level of the Gipps car-following model. On account of the amount of considered situations in which one vehicle is following another vehicle, a new approach for validation of car-following models on microscopic level is introduced. Although the proposed data acquisition concept was not realized entirely, the methods for validation on the macroscopic level could also be realized exemplarily. The necessary entire realization of the proposed data acquisition concept and proposed methods of calibration and validation will allow for an examination of the effects of TAS in traffic simulation models and a more sound evaluation of the quantitative results of the investigations

Traffic Jams: Cluster Formation in Low-Dimensional Cellular Automata Models for Highway and City Traffic

Cellular automata (CA) models are quite popular in the field of traffic flow. They allow an effective implementation of real-time traffic computer-simulations. Therefore, various approaches based on CA models have been suggested in recent years. The first part of this thesis focuses on the so-called VDR (velocity-dependent randomization) model which is a modified version of the well known Nagel-Schreckenberg (NaSch) CA model. This choice is motivated by the fact that wide phase separated jams occur in the model. On the basis of random walk theory an analytical approach to the dynamics of these separated jam clusters is given. The predictions are in good agreement with the results of computer simulations and provide a deeper insight into the dynamics of wide jams which seem to be generic for CA approaches and are therefore of special interest. Furthermore, the impact of a localized defect in a periodic system is analyzed in the VDR model. It turns out that depending on the magnitude of the defect stop-and-go traffic can occur which can not be found in the VDR model without lattice defects. Finally, the VDR model is studied with open boundaries. The phase diagrams, obtained by Monte-Carlo simulations, reveal two jam phases with a stripped microscopic structure and for finite systems the existence of a new high-flow phase is shown. The second part of this thesis concentrates on CA models for city traffic with the focus on the Chowdhury-Schadschneider (ChSch) model. In the context of jam clusters the model reveals interesting features since two factors exert influence on the jamming behavior. On the one hand, jams are induced at crossings due to the traffic lights, i.e., cars are forced to stop at a ``red light', and, on the other hand, the dynamics of such induced jams is governed by the NaSch model rules. One part of the investigations covers global (fixed) traffic light strategies. These are found to lead to strong oscillations in the global flow except for the case of randomly switching lights. Furthermore, the impact of adaptive (local) traffic light control is analyzed. It is found that the autonomous strategies can nearly match the global optimum of the ChSch model. In order to provide a more realistic vehicle distribution, the ChSch model is enhanced by a stochastic turning of vehicles and by inhomogeneous densities. Here, the autonomous strategies can outperform the global ones in some cases