Entwicklung eines Fahrzeugsimulators für die Durchführung von Last- und Funktionstests in einem rechnergestützten Betriebsleitsystem

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

0. Einleitung

1. Simulation in rechnergestützten Betriebsleitsystemen
1.1. Rechnergestützte Betriebsleitsysteme
1.2. Notwendigkeit und Ziel der Simulation im RBL
1.3. Analyse der Bestandslösung
1.4. Anforderungen an den neuen Fahrzeugsimulator

2. Simulationskonzepte
2.1. Szenarien
2.2. Fahrprofile und Simulationsereignisse in Szenarien
2.3. Spezifikation von Szenarien- und Simulationsbeschreibungen
2.4. Überführung von Szenarien- in Simulationsbeschreibungen
2.5. Ablauf der Fahrzeugsimulation

3. Systemarchitektur
3.1. Entwicklung mit dem .NET-Framework
3.2. Komponenten des Simulators und Anbindung an das RBL

4. Implementierung eines Prototyps

5. Bewertung des Prototyps und Ausblick

Anhang

Literaturverzeichnis

Weiterführende Internetressourcen

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Schematischer Aufbau eines RBL und Anbindung an die Außenwelt

Abb. 2 Schematische Übersicht der Anbindung verschiedener Entwicklungsstufen des Simulators an das RBL

Abb. 3 Grafische Darstellung eines berechneten Fahrprofils (nach Tab. 1)

Abb. 4 Hierarchische Elementstruktur von Szenarienbeschreibungen nach XML-Schema

Abb. 5 Hierarchische Elementstruktur von Simulationsbeschreibungen nach XML-Schema

Abb. 6 Architektur des RBL-Simulators

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Berechnung von Fahrprofilen an einem Beispiel 21

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

0. Einleitung

Diese Diplomarbeit entstand im Rahmen eines fünfmonatigen Praxissemesters bei der PSI Transportation GmbH¹ in Berlin. Kerngeschäft der Firma ist die Entwicklung von rechnergestützten Betriebsleitsystemen (RBL). Diese werden zur Steuerung, Überwachung und Fahrzeugkommunikation in öffentlichen Personennahverkehrsnetzen eingesetzt. Da es während der Entwicklung dieser Systeme nicht ohne weiteres möglich ist, Funktionalität und Belastbarkeit noch vor der Auslieferung an den Kunden mit Hilfe echter Fahrzeuge zu verifizieren, ist ein Fahrzeugsimulator ein wichtiges Werkzeug der Qualitätssicherung.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen bereits bestehenden Fahrzeugsimulator durch eine bezüglich der Simulation realistischere und hinsichtlich der Belastung eines RBLs vollstän- digere Version zu ersetzen. Teilaufgaben sind die Herausarbeitung der Anforderungen an eine neue Lösung durch Analyse der vorhandenen Version des Simulators, die Entwicklung eines umfassenden Simulationskonzepts zur Durchführung von Last- und Funktionstests in einem RBL, der Enwurf einer flexiblen und zukunftssicheren Systemarchitektur, die Imple- mentierung eines Prototyps auf Basis bereits bestehender Komponenten unter Verwendung der Sprache C# und des .NET-Frameworks sowie die abschließende Bewertung der Simu- lationskonzepte anhand des Prototyps.

Der vorliegende Text ist in fünf Kapitel mit folgenden Inhalten gegliedert:

Kapitel 1, Simulation in rechnergestützten Betriebsleitsystemen, gibt einen grundlegenden Einblick in rechnergestützte Betriebsleitsysteme und die Simulation von Fahrzeugen im RBL. Durch Analyse der bereits bestehenden Lösung werden die Anforderungen an einen neuen Simulator herausgearbeitet.

Im zweiten Kapitel, Simulationskonzepte, werden die theoretischen Grundlagen dargestellt. Ziel dieses Abschnitts ist die Festlegung verbindlicher Konzepte für eine ausreichend realistische Fahrzeugsimulation zur RBL-Entwicklung. Im Vordergrund stehen dabei vom Benutzer festgelegte Szenarienbeschreibungen, die den Ablauf einer Simulation abstrakt anhand von Fahrprofilen und Ereignissen beschreiben. Szenarienbeschreibungen werden im zweiten Arbeitsschritt in Simulationsbeschreibungen überführt, die dann als eigentliche Datengrundlage der Simulation dienen. Erläutert werden die Spezifikationen von Szenarien- und Simulationsbeschreibungen, die Algorithmen zur Erzeugung von Simulations- beschreibungen aus Szenarienbeschreibungen sowie der eigentliche Simulationsablauf. Im Anhang befinden sich die dazu entwickelten XML-Schemata und beispielhafte XML- Dokumente der in diesem Kapitel behandelten Szenarien- und Simulationsbeschreibungen.

Die Systemarchitektur des Simulators ist Thema des dritten Kapitels. Schwerpunkte sind hier vor allem die Rolle des .NET-Frameworks als Entwicklungsumgebung, die damit verbundenen Möglichkeiten hinsichtlich der Wiederverwendbarkeit und projektspezifischen Anpassbarkeit von Softwaremodulen, sowie die Integration bereits bestehender Komponenten und die Anbindung an das RBL.

Im Rahmen des Praxissemesters entstand ein Softwareprototyp, der die wichtigsten Teile des Simulators exemplarisch implementiert und zum Testen der Simulationskonzepte und der Systemarchitektur dient. Dieser ist Thema von Kapitel 4, Implementierung eines Prototyps.

Das abschließende Kapitel 5, Bewertung des Prototyps und Ausblick, zieht ein Résumée hinsichtlich der durch den Prototypen bewertbaren Einsetzbarkeit und gibt einen Ausblick auf den möglichen weiteren Ausbau des Simulators.

1. Simulation in rechnergestützten Betriebsleitsystemen

1.1. Rechnergestützte Betriebsleitsysteme

Im Transportationbereich ist es wichtig, die eingesetzten Firmenressourcen stets zentral über- wachen und steuern zu können. In öffentlichen Personennahverkehrsnetzen sind dieses z.B. Fahrzeugflotten (Busse, Straßenbahnen, U-Bahnen) oder Fahrgastinformationssysteme. Darüber hinaus müssen andere Statusinformationen wie Staus, Verkehrshindernisse oder Weichenstellungen stets verfügbar sein. Für diesen Zweck werden rechnergestützte Betriebs- leitsysteme eingesetzt. Thema dieser Arbeit sind ausschliesslich RBL, die im Öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) eingesetzt werden. Zu den Aufgaben eines RBLs in diesem Kontext zählen unter anderem:

- Aufbereitung aller relevanten Betriebszustände zur Verwaltung auf Disponenten- arbeitsplätzen. Dazu gehören beispielsweise die grafische Darstellung von Fahrzeug- positionen auf einer Karte, die Anzeige der Fahrplanlage (Verspätung oder Verfrühung eines Fahrzeugs) oder Informationen über gefährdete Anschlussfahrten.
- Generierung von tagesaktuellen Umlaufplänen aus Fahrplänen.
- Steuerung von Fahrgastinformationssystemen, z.B. Anzeigetafeln an Bahnsteigen mit Informationen über Ziel und Abfahrtszeit des nächsten Fahrzeugs.
- Abwicklung des Funkverkehrs zwischen dem RBL und den Fahrzeugen (Daten) sowie zwischen Disponenten und Fahrern (Sprache).
- Generierung von Statistiken und Betriebsberichten zur langfristigen Optimierung von Betriebsabläufen.

Das RBL der Firma PSI Transportation, für das der Fahrzeugsimulator entwickelt wird, ist ein komplexes modulares System, das ständig weiterentwickelt und projektspezifisch an Kundenwünsche angepasst wird. Abbildung 1 zeigt eine Übersicht des RBLs und stellt die wichtigsten Komponenten dar:

- Zentrales Element des RBLs ist ein hausintern entwickeltes Framework, das auf eine relationale Datenbank aufsetzt und ein komplexes sowie vollständiges Objektmodell zur Implementierung von RBL-Applikationen und -Diensten über eine Reihe von Bibliotheken bereitstellt.
- RBL-Anwendungsprogramme, wie die grafische Benutzeroberfläche (GUI) für die

Disponentenarbeitsplätze, oder RBL-Dienstprogramme, die z.B. periodisch Daten- integritätschecks, Garbage Collection oder die Erstellung von tagesaktuellen Umlaufplänen durchführen, setzen auf das Objektmodell auf. Das Framework stellt sicher, dass alle Instanzen dieses Modells stets mit der Datenbank synchron gehalten werden und allen Programmen somit der gleiche Datenbestand und -stand zur Verfügung steht. Eine Erweiterung des RBLs um neue Anwendungen ist dadurch problemlos und unabhängig von anderen Komponenten möglich, wie bei komplexen verteilten Systemen dieser Größe notwendig und üblich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schematischer Aufbau des RBL und Anbindung an die Außenwelt

- In der Komponente Process Control werden die Nachrichten erzeugt, die an Fahrzeuge oder andere Teile der Peripherie gesendet werden. Je nach Gegenstelle geschieht dieses hier anhand projekt- und technologiespezifischer Protokollspezifikationen. Auf die gleiche Art und Weise werden eingehende Nachrichten für das RBL dekodiert und den RBL- Anwendungen über das Objektmodell zur Verfügung gestellt.
- Die eigentliche Fahrzeugkommunikation wird über das Messaging abgewickelt. Je nach Bedarf und Gegenstelle kommen verschiedene Technologien wie Bündelfunk (MPT), GSM, GPRS oder WLAN zum Einsatz. Technologiespezifische Messagehandler kümmern sich um die korrekte Weiterleitung von Nachrichten in beide Richtungen.
- Boardcomputer in den Fahrzeugen dienen als Schnittstelle zwischen Fahrer und RBL. Sie übermitteln dem RBL beispielsweise die Fahrplanlage des Fahrzeugs, steuern den Sprech- funk zwischen Fahrer und Disponent, zeigen Anweisungen an den Fahrer auf einem

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¹ Für nähere Informationen zur PSI Transportation GmbH siehe [PSI] unter Weiterführende Internetressourcen (S. 45).