Internationales Verkehrswesen (69) 4 | 2017 18 INFRASTRUKTUR Automatisierung Funktionalisierung der Straßenverkehrsinfrastruktur Möglichkeiten und Potentiale infrastrukturintegrierter Sensoren, Generatoren, Kollektoren und Aktuatoren Ladetechnologie, Car-to-Infrastructure-Communication, Energie Harvesting Straßen werden derzeit hauptsächlich als Flächen zur Abwicklung des Güter- und Personenverkehrs genutzt, Funktionen zur Unterstützung der Elektromobilität, des hochautomatisierten Fahrens oder der individuellen Verkehrsbeeinflussungen sind kaum integriert. Im Artikel werden hierzu technische Lösungsansätze vorgestellt und deren Potentiale kurz umrissen. Fokussiert wird auf Ansätze zur straßeninfrastrukturintegrierten Verkehrsdatenerzeugung, zur Verkehrsbeeinflussung sowie zur Energiegewinnung und -übertragung. Markus Oeser, Dirk Kemper, Adrian Fazekas, Phillip-Armand Klee, Lukas Renken J edes Jahr verlieren in Deutschland ca. 3300 bis 3600 Menschen ihr Leben bei Straßenverkehrsunfällen [1]. Diese Zahl hat sich seit dem Jahr 2010 nur noch geringfügig verändert und repräsentiert einen Teil des Risikos, dem Menschen im Straßenraum ausgesetzt sind. Eine signifikante Reduktion dieser Größe kann voraussichtlich nur noch durch fahrzeugintegrierte Assistenz- und infrastrukturintegrierte Warnsysteme erreicht werden. Der Straßenverkehr birgt jedoch auch andere Risiken für Mensch und Umwelt, wie beispielsweise eine erhöhte NO x -Belastung in der Nähe stark befahrener Straßen. Mehr als die Hälfte der Messstationen an diesen Straßen lagen in Deutschland im Jahresmittelwerte über dem Grenzwert von 40 μg pro Kubikmeter Luft [2]. Lösungen zeichnen sich durch sauberere Verbrennungsmotoren und vor allem durch den flächendeckenden Übergang zur Elektromobilität ab. Weitere Risiken, wie die kaum noch planbaren Reisezeiten des motorisierten Individualverkehrs in Ballungsräumen [3] kommen hinzu. Derzeit werden Straßen lediglich als Flächen zur Verkehrsabwicklung genutzt. Die Funktionalisierung der Straßenverkehrsinfrastruktur kann auf dem Weg hin zu einer modernen und nachhaltigen individuellen Mobilität einen wichtigen Beitrag leisten und die gegenwärtigen Probleme lösen. Technische Ansätze sind bereits vorhanden und könnten systematisch in die bestehende und neu zu bauende Straßenverkehrsinfrastruktur integriert werden. Die Straße als Verkehrsdatenerzeuger Konventionelle Methoden zur Verkehrserfassung liefern i.d.R. aggregierte, querschnittbezogene Daten. So werden u.a. durch Induktionsschleifen, Laserdetektoren oder Infrarotanlagen lokale Daten erhoben und ausgewertet. Hierdurch können beispielsweise die mittlere Geschwindigkeit der Fahrzeuge, die Verkehrsstärke und fahrzeugtypische Charakteristiken wie die Fahrzeugklasse, die Silhouette und/ oder die Achsanzahl ermittelt werden. In der Fläche bzw. entlang der Strecke ist eine Erfassung mittels Videodetektion möglich. Hierbei können wie in Tunneln [4] oder an Streckenabschnitten mit temporärer Seitenstreifenfreigabe ortsfeste Kameradaten analysiert, Streckenbelegungen erfasst oder die Trajektorien der Fahrzeuge ermittelt und kameraübergreifend verfolgt werden. Dabei lassen sich Mikroverkehrsdaten wie beispielsweise die (relativen) Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Fahrzeuge in Echtzeit ableiten und auf sicherheitsrelevante Parameter wie den TTC-Wert (time to collision) schließen. Im Bereich außerhalb von Tunnel und temporären Seitenstreifenfreigaben liegen i. d. R. keine Videodaten vor. Hier können beispielsweise Drohnen eingesetzt werden [5]. Probleme der bildbasierten Detektion bestehen meist in der Qualität der Videoaufnahme (Blendung bei Nacht) und den Wetterbedingungen (Regen, Nebel). Eine andere Möglichkeit der Fahrzeugdetektion liegt in der Verwendung von flächendeckenden Sensoren, z. B. MEMS-Beschleunigungssensoren oder Körperschallsensoren. Diese Sensoren weisen Abmessungen im Bereich weniger Millimeter auf Bild 1: Fahrzeugdetektion des Konzeptes der „Sensitiven Straße“ Internationales Verkehrswesen (69) 4 | 2017 19 Automatisierung INFRASTRUKTUR und können in Deckschichten von Straßen integriert werden (siehe Bild 1). Die aufgenommenen Mikroverkehrsdaten werden im Sensor vorprozessiert, an „Roadside-Units“ übergeben und beispielsweise an Verkehrsrechenzentralen weitergeleitet. In den Rechenzentralen werden die Daten aggregiert, mit anderen Informationen verschnitten, plausibilisiert und Informationen zur Verkehrssteuerung ermittelt. Weitere Informationen wie die Sicht-, Temperatur-, Regen- und Windverhältnisse oder die Glätte der Fahrbahn werden bereits heute auf wichtigen Strecken punktuell ermittelt und an Verkehrsrechenzentralen übermittelt. Zudem können mit WIM-Sensoren (weight in motion) Achslastdaten während der Fahrt aufgenommen werden-[6]. Die Straße als Verkehrsbeeinflusser Kollektive Verkehrsbeeinflussung Derzeit existieren verschiedene Systeme der kollektiven Verkehrsbeeinflussung. Die prominentesten Vertreter sind Wechselverkehrsanlagen. Diese werden von Verkehrsrechenzentralen automatisch und in Ausnahmefällen manuell gesteuert und sind für eine abschnittsbezogene Verkehrsbeeinflussung geeignet. Neben Geschwindigkeitsvorgaben können Verkehrsinformationen oder Umleitungsempfehlungen übertragen werden. Mit diesen Anlagen können der Verkehrsfluss homogenisiert und Unfälle sowie Staus bis zu einem gewissen Grad vermieden werden. Das Konzept „Smart Highways“ des Designers Daan Rosegaarden und des niederländischen Bauunternehmens Heijmans [7] arbeitet neben selbstleuchtenden Straßenmarkierungen (Glowing Lines) mit LED- Markierungen, die in Abhängigkeit der Temperatur oder der Verkehrssituation ihre Position, Helligkeit oder Farbe ändern (Dynamic Lines, Dynamic Paint). Einige Ansätze dieses Projektes finden auf der Straße N329 in den Niederlanden bereits eine erste Anwendung. Die Wirkung auf die Fahrer und die Befolgungsrate wird derzeit u.a. in dem von der EU geförderten Projekt „Measures for Behaving Safely in Traffic“ (Me- BeSafe) untersucht [8]. Durch die Weitergabe gezielter Information soll ein maximales Maß an Verkehrssicherheit für alle Verkehrsteilnehmer und eine Optimierung der Streckenkapazität unter Berücksichtigung aller relevanter Bedingungen (Wetter, Helligkeit, etc.) erreicht werden. Individuelle Verkehrsbeeinflussung Das von der EU geförderten Projekt „Measures for Behaving Safely in Traffic“ (Me- BeSafe) zielt neben der kollektiven Verkehrsbeeinflussung auch auf die individuelle Verkehrsbeeinflussung ab. Im Rahmen dieses Projektes werden „Nudging“-Maßnahmen entwickelt und implementieret. Hierbei werden Potentiale eines beleuchteten Fahrbahnbelages zur Steigerung der Befolgung von Geschwindigkeits- und Spurvorschreibungen untersucht [9]. Weitere neue Ansätze der individuellen Verkehrssteuerung liegen mit dem Konzept der „Sensitiven Straße“ vor (siehe Bild 2). Hierbei werden Informationen der Verkehrsrechenzentralen, die (wie oben beschrieben) vorher von infrastrukturintegrierter Sensorik generiert wurden, über „Roadside Units“ an einzelne Fahrzeuge übermittelt (infrastructure to car communication). Eine zielgerichtete Bereitstellung der relevanten Informationen zur Unfall-, Stau- und Gefahrenvermeidung ist auf diese Weise über ein sicheres Netz möglich. Weiterhin könnte über derartige Systeme hochautomatisierte oder sogar fahrerlose Fortbewegung von Fahrzeugen sicher realisiert werden. Die Straße als Energieerzeuger PV-Module auf Straßen Derzeit existieren verschiedene Ansätze, mit welchen durch infrastrukturintegrierte Photovoltaikmodule regenerativ Energie aus Verkehrsflächen gewonnen wird. Im Projekt „SolaRoad“ [9] wurde nördlich von Amsterdam ein 100 m langer Fahrradweg mit PV-Modulen bestückt. Hierüber kann die Energieversorgung von drei durchschnittlichen Haushalten erfolgen. Die realisierte Lösung basiert auf vorgefertigten Betonplatten der Abmessung 2,5 x 3,5 m, auf welche PV-Zellen appliziert wurden. Die Oberfläche der Module besteht aus texturiertem Glas, um eine ausreichende Griffigkeit zu gewährleisten. Weitere Schritte werden derzeit vom „SolaRoad“-Konsortium unternommen, um diese Technologie für Fußwege, Plätze oder Höfe nutzbar zu machen. Eine Nutzung für Bereiche mit höheren Verkehrslasten (Straßen) ist geplant. Im Rahmen des vom französischen Umweltministerium finanzierten Projektes „Wattways“ [10] sollen Straßen mit einer Gesamtlänge von 1000 km mit PV-Modulen bestückt werden. Dabei werden auf existierende Straßenoberflächen flexible und texturierte PV-Module mit einer Abmessung von 15 x 15 cm aufgebracht und miteinander verschaltet. Mit einer Modulfläche von 7000 m 2 (dies entspricht näherungsweise der Oberfläche einer zweistreifigen Straße mit einer Länge von 1 km) könnte die Stromversorgung der Straßenbeleuchtung eines durchschnittlichen französischen Ortes mit 5000 Einwohnern abgedeckt werden. Für den Betrieb einer Lichtsignalanlage wären 15 m 2 PV-Modulfläche notwendig. Das wohl bekannteste Photovoltaikprojekt auf Straßen, „Solar Roadways“ [11], wird neben einer öffentlichen Anschubfinanzierung in Höhe von 750 000 USD größtenteils über Crowdfunding finanziert. Der technologische Ansatz besteht in der Verlegung vorgefertigter, befahrbarer sechseckiger PV-Module, die miteinander verschaltet werden. In diese Module sind neben den Photovoltaikzellen auch LED Anzeigen integriert, mit welchen, ähnlich wie beim „Smart Highways“-Konzept Informationen zur Verkehrsbeeinflussung übertragen werden können. Weiterhin können die Module Bild 2: Konzept der „Sensitiven Straße“ Internationales Verkehrswesen (69) 4 | 2017 20 INFRASTRUKTUR Automatisierung beheizt werden, um eine permanente Schnee- und Eisfreiheit der Flächen zu gewährleisten. In Deutschland strebt das Start-Up Unternehmen „Solmove“ [12] die Nutzung der Straßenoberflächen für Photovoltaik an (Bild 3). Zunächst sollen schwach befahrende Flächen (Wege, Plätze, Radwege, Nebenstraßen) mit „Solmove“-Modulen bestückt werden. Die Module bestehen aus mehreren funktionalen Schichten und einem hochfesten und kratzsicheren Deckglas, welches eine spezielle Noppenstruktur und Texturierung aufweist [13]. Durch die Noppenstruktur wird die Drainage des Oberflächenwassers sichergestellt und der Nachteil des ungünstigeren Einfallswinkels der horizontal ausgerichteten Module kompensiert. Die Texturierung gewährleistet eine ausreichende Griffigkeit. Wie beim „Solar Roadways“-System sollen die Module mit LEDs ausgerüstet werden. Energieerträge von 100 kWh pro Jahr und Quadratmeter werden derzeit realisiert. Generatoren in Straßen Piezoelektrische Generatoren wandeln mechanische Energie, die in Form von Deformationen des Straßenaufbaus von den Fahrzeugen eingetragen wird, in elektrische Energie um. Eine erste Lösung liegt mit dem Konzept der Firma „Innowattech“ [14] vor. Hierbei werden Module piezoelektrischer Generatoren in die Radlastpfade von Straßendecksichten eingelassen und miteinander verschaltet. Nach Firmenangaben können auf diese Weise auf einer Strecke von 1 km Länge, die stündlich von 600 LKW mit einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/ h befahren wird, pro Stunde 200 kW elektrische Energie erzeugt werden. Ein experimenteller Nachweis dieser Angaben oder eine prototypisch ausgestattete Strecke liegen allerdings bis dato nicht vor. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) (siehe z. B.: Baugher [15]) wandeln ebenfalls mechanische Energie in elektrische Energie um. Das Baugher-System nutzt dafür piezoelektrische Generatoren gemäß [16]. Hiermit können Kleinstmengen an elektrischer Energie erzeugt werden, die beispielsweise zur Stromversorgung von Sensoren oder Aktuatoren in Straßen nutzbar sind. „Underground Power“ [17] ist eine italienische Firma, die sich seit 2011 mit der Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie auf Straßen befasst. Das Konzept basiert auf sogenannten „Rubber Tiles“, die in Straßen eingelassen und bei einer PKW- oder LKW-Überfahrt nach unten gedrückt werden. Aus dieser Bewegung wird mit einem linearen induktiven Generator Strom erzeugt. Durch den erhöhten Rollwiderstand auf der mit den „Rubber Tiles“ ausgestatteten Fläche werden die Fahrzeuge gleichzeitig abgebremst. Das System eignet sich besonders vor Fußgängerübergängen, Kreisverkehren oder in Wohnstraßen, auf welchen gezielt Geschwindigkeitsreduktionen realisiert werden sollen. Weiterhin liegen mit den Arbeiten [18, 19, 20] MEMS vor, welche die mechanische Energie der Deformation der Straße in Gas- oder Flüssigkeitsströme umwandeln, die dann induktive Mikrogeneratoren antreiben und auf diese Weise Kleinstmengen an elektrischer Energie erzeugen, die beispielsweise für den Betrieb autarker Sensorsysteme genutzt werden kann. Die Straße als Energieüberträger Induktive Energieübertragung Schnelles und bequemes Laden von E-Fahrzeugen kann kontaktlos über induktive Energieübertragung realisiert werden. Dabei entsteht in einer Primärspule, die in die Straße eingelassen ist, ein magnetisches Feld, welches in der Sekundärspule, die im Fahrzeug verbaut ist, eine Spannung induziert. Die Firma Primove hat diese Technologie für das stationäre Laden von PKW, Bussen und Straßenbahnen entwickelt. Weiterhin liegen Lösungen für die induktive Energieübertragung während der Fahrt für alle Fahrzeugtypen vor [21]. Sensoren in der Straße detektieren die betreffenden Fahrzeuge und lösen die Energieübertragung aus. Das hierfür notwendig magnetische Feld wird lediglich unterhalb der Fahrzeuge segmentweise aufgebaut und sofort abgeschaltet, wenn das Fahrzeug das betreffende Segment verlässt. Andere Verkehrsteilnehmer, wie Fußgänger oder Radfahrer gelangen nicht in den Wirkbereich des Feldes. Die Unterseite der e-Fahrzeuge wird mit Aluminiumplatten versehen, sodass empfindliche Bauteile und die Fahrzeuginsassen abgeschirmt sind. Mit dem Primove-System können Ladeleistungen von 20 bis etwa 200-kW und Wirkungsgrade von über 90 % realisiert werden. Konduktive Energieübertragung Von der Firma Siemens wird derzeit ein System zur kontaktbasierten Energieübertragung für LKW entwickelt, das dem von Oberleitungsbussen in Städten ähnelt. LKW werden mit Stromabnehmern versehen, über die elektrische Energie während der Fahrt ins Fahrzeug eingespeist wird [22]. In Streckenabschnitten ohne Oberleitung werden die LKW mit Hybridmotoren betrieben. Ziel dieser Technologie ist die flächendeckende Elektrifizierung des Straßengüterverkehrs. Wirkungsgrade der Energieübertragung liegen ähnlich hoch wie bei der induktiven Übertragung. LKW können während der Fahrt Energie austauschen. Bei einer Talfahrt können LKW durch das sogenannte Motorbremsen Energie erzeugen und ins Netz einspeisen, die anderen LKW zur Verfügung gestellt werden kann. Die Technologie wird derzeit implementiert. Es existiert ein sogenannter eHighway mit einer Länge von 2 km in Schweden. Ein weiterer Streckenabschnitt, der mit entsprechenden Oberleitungen ausgerüstet ist, wird in Kalifornien (USA) realisiert. Fazit Die Straßenverkehrsinfrastruktur der Zukunft wird viele neue Aufgaben erfüllen müssen, wenn eine weitere Reduktion der Risiken des Straßengüter- und Personenverkehrs für die Verkehrsteilnehmer und die Umwelt gewährleistet werden soll. Ziele wie die Elektromobilität, das hochautomatisierte Fahren oder der sichere Betrieb von autonomen Fahrzeugen können nur erreicht werden, wenn die Straßenverkehrsinfrastruktur zielgerichtet funktionalisiert wird. Die hierfür erforderlichen Lösungsansätze liegen in vielen Fällen bereits vor. Die Bild 3: „Solmove“- Konzept [12] Internationales Verkehrswesen (69) 4 | 2017 21 Automatisierung INFRASTRUKTUR Forschung und Entwicklung muss sich zukünftig neben den technischen Fragestellungen auch den ökonomischen Aspekten solcher Systeme widmen. Allerdings ist hier ein gesamtwirtschaftlicher Blick geboten. Wenn es gelingt, die Verkehrssicherheit zu erhöhen, die Kapazität des Netzes zu optimieren und die Belastungen des Straßengüter- und Personenverkehrs für Mensch und Umwelt zu vermindern, entsteht ein hoher gesamtwirtschaftlicher Nutzen, der die Kosten einer zielgerichteten Funktionalisierung der Straßenverkehrsinfrastruktur weit übersteigen wird. ■ LITERATUR  [1] Statistisches Bundesamt (2014), Pressemitteilung vom 24. Februar 2017 - 65/ 17  [2] Bundesumweltamt (2015), Pressemitteilung vom 09.02.2015 - 05/ 15  [3] ADAC (2016), Staubilanz, https: / / www.adac.de/ _mmm/ pdf/ statistik_staubilanz_0117_231552.pdf  [4] Fazekas, A., Bommes, M., & Oeser, M. (2013). Vehicle Tracking using 3D Particle Filter in Tunnel Surveillance. Proceedings of the 3rd International Conference on Models and Technologies for Intelligent Transportation Systems  [5] DROVA (2017), http: / / www.isac.rwth-aachen.de/ cms/ ISAC/ Forschung/ Projekte/ Planung/ ~oeky/ DROVA/  [6] Obrien, E. (2011), History of Weigh-in-Motion & Technologies, 1st International Seminar of Weigh in Motion, Santa Catarina, Brasilien  [7] Careless, J. (2014), Advancing asphalt roadways into the future, Asphalt: The magazine of Asphalt Institute, http: / / asphaltmagazine. com/ advancing-asphalt-roadways-into-the-future/  [8] MeBeSafe (2017), http: / / www.isac.rwth-aachen.de/ cms/ ISAC/ Forschung/ Projekte/ Planung/ ~nzih/ MeBeSafe/  [9] SolaRoad (2017), http: / / www.solaroad.nl/ [10] Wattways (2016), http: / / www.wattwaybycolas.com/ en/ [11] Solar Roadways (2015), http: / / www.solarroadways.com/ [12] Solmove (2017), http: / / www.solmove.com/ [13] Renken, L. & Oeser, M. (2017): „Klimawandel - Berücksichtigung beim Bau von Straßen” Kolloquium Kommunales Verkehrswesen - Tagungsband [FGSV-Nr. 002/ 117], ISBN 978-3-86446-179-8, Münster [14] Innowattech (2010), Innowattech Alternative Energy Harvesting System Roads Solution [15] Baugher 2013, Patent No. US20130193930 [16] Arman, H. & Kim, S.-G. (2011) Ultra-wide Bandwidth Piezoelectric Energy Harvesting, Department of EECM, Massachusetts Institute of Technology [17] Underground Power (2017), http: / / upgen.it/ en/ undergroundpower-lybra-speed-absorber/ [18] Guckel, H. (1998), Progress in magnetic Microactuators, Microsystem Technologies [19] Zorlu, O. & Külah, H. (2013), A MEMS-based energy harvester for generating energy from non-resonant environmental vibrations, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 202, pp 124-134 [20] Xionga, H. & Wang, L. (2016) Piezoelectric energy harvester for public roadway: On-site installation and evaluation, International Journal of Applied Energy, vol. 174, pp. 101-107 [21] Primove (2017), http: / / primove.bombardier.com/ de.html [22] Siemens (2015), https: / / www.siemens.com/ press/ de/ feature/ 2015/ mobility/ 2015-06-ehighway.php Phillip-Armand Klee, M. Sc. RWTH Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen klee@isac.rwth-aachen.de Lukas Renken, Dipl.-Ing. Geschäftsführer, Ingenieurgesellschaft für Straßenwesen Aachen mbH renken@isac-gmbh.com Adrian Fazekas, Dipl.-Ing. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen fazekas@isac.rwth-aachen.de Dirk Kemper, Dr.-Ing. Oberingenieur, Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen kemper@isac.rwth-aachen.de Markus Oeser, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Institutsdirektor, Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen, RWTH Aachen oeser@isac.rwth-aachen.de Digitalisierung versus Lebensqualität Big Data | Green Digital Charter | Kritische Infrastrukturen | Privatheit | Sharing-Systeme 1 · 2016 Was macht Städte smart? URBANE SYSTEME IM WANDEL. DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN g Mit veränderten Bedingungen leben Hochwasserschutz und Hitzevorsorge | Gewässer in der Stadt | Gründach als urbane Klimaanlage |Baubotanik 1 · 2017 Stadtklima URBANE SYSTEME IM WANDEL. DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN Lebensmittel und Naturelement Daseinsvorsorge | Hochwasserschutz | Smarte Infrastrukturen | Regenwassermanagement 2 · 2016 Wasser in der Stadt URBANE SYSTEME IM WANDEL. DAS TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHE FACHMAGAZIN URBANE SYSTEME IM WANDEL. 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