Magdeburg-News: IHK Magdeburg würdigt wissenschaftliche Leistungen mit „Forschungspreis 2021“

Mit dem Preis, der mit jeweils 2.000 Euro dotiert ist, sollen wissenschaftliche und anwendungsorientierte Arbeiten ausgezeichnet werden, die einen Beitrag zur zukünftigen Entwicklung der gewerblichen Wirtschaft leisten. Ziel ist es, herausragende technisch-technologische sowie betriebs- oder volkswirtschaftliche Untersuchungen und Konzepte vornehmlich des wissenschaftlichen Nachwuchses zu prämieren, die Lösungsansätze für eine nachhaltige Wirtschaftsentwicklung aufzeigen.

Städte verfolgen auf Basis von Leipzig Charta und New Urban Agenda das Ziel der nachhaltigen, inklusiven und kompakten Stadtentwicklung. Das Erreichen einer CO2-neutralen Welt bis 2045 unter Wahrung des 1,5°C-Ziels (United Nations, 2015) mit der Anforderung einer rapiden Dekarbonisierung von Städten stellt eine Herkulesaufgabe dar (Rockström u. a., 2017). Planerisch soll es mit integrierten, bürgernahen Prozessen umgesetzt werden. Urbaner Güterverkehr, der gemessen an der Verkehrsleistung überproportional zu Treibhausgasemissionen, Luftverschmutzung und Unfällen beiträgt, rückt zunehmend in den städtischen Problemfokus. Immer mehr Logistik mit konventionellen Konzepten für die autofokussierte Stadt widerspricht den Anforderungen an eine zukünftige Stadt, die im Klimawandel wie dem globalen Wettbewerb bestehen muss. Die glückliche (Montgomery, 2015) Stadt nach menschlichem Maß (Gehl, 2015b) mit kleinteiligen, fußgängerfreundlichen Siedlungsstrukturen zeigt ihr starken Erfolge (vgl. Reckwitz, 2018, S. 382ff). Die Logistik, als die unternehmerische Realisierung des urbanen Güterverkehrs, ist bisher jedoch weder theoretisch nach praktisch in die integrierte Planung von Stadt bzw. deren baulich-räumlichen Organisation eingebunden. Langfristig nachhaltige Logistiksystem unter dem Ziel der kompakten Stadt können somit nicht oder nur sehr eingeschränkt geplant werden. 

Die Arbeit hat über die Studie der Literatur zur Planungstheorie von Städtebau und urbaner Logistik die erste integrierte Planungssystematik für die urbane nachhaltige Logistik entwickelt. Auf Basis der Herleitung einer integrierten Definition urbaner Logistik aus den Komponenten von Stadt und Logistik auf der Basis der Theorie des Städtebaus nach (Frick, 2011) stellt sie ein geeignetes Vorgehensmodell für die kooperative Planung der Stadt durch städtische und logistische Akteure dar. Sie gibt starke Erkenntnisse auf der prozeduralen Ebene der Planung über alle Planungsebenen von Stadt und fordert für die urbane Logistik die Quartierslogistik als notwendiges, neues Paradigma für nachhaltige, integrierte Planungsprozesse ein (Abbildung 1). 

Das Paradigma der Quartierslogistik wird als planungsleitende Konzeption des urbanen Logistiksystems herausgearbeitet. Seine Stärke liegt in der Harmonisierung der Planungsebenen von Stadt und Logistik und der Fokussierung des Quartiers als maßgebenden Maßstab der attraktiven, nachhaltigen Stadt. Es erlaubt, urbane Logistiksysteme und -konzepte als Kombination von, an spezifische Quartiere effizient angepassten, Erschließungssystemen und Verbindungssystemen für deren Verbindung untereinander sowie zu interurbanen Logistikknoten zu beschreiben und zu planen. Für das planerische Vorgehen selbst ist eine konsistente Vorgehensbeschreibung entwickelt, welche über vier Planungsfälle die planerischen Aufgaben der urbanen Logistikplanung fallspezifisch abdeckt, die Einbindung von Planungsakteuren sowie Stakeholdern beschreibt und die Instrumente der Planung beider Domänen in zweckhafte Abfolgen bringt.

Die Bachelorthesis hat Herr Theile im Rahmen eines Praktikums bei der Alstom Lokomotiven Service GmbH mit Sitz in Stendal angefertigt. Ausgangspunkt der Arbeit sind die hoch angesetzten politischen Klimaschutzziele und der damit notwendigen Ablösung des Dieselmotors im Schienenverkehr, um die Dekarbonisierung voranzutreiben. Es wurde untersucht, ob ein Brennstoffzellensystem als Ersatz für die Dieselgeneratoreinheit einer bestehenden Rangierlokomotive technisch und wirtschaftlich realisierbar ist. Dazu wurden zwei unterschiedliche Antriebsstrategien herangezogen und die dafür benötigten Komponenten, in Anlehnung an den Brennstoffzellenzug Coradia iLint von Alstom, in den vorhandenen Bauraum integriert sowie eine Systemanalyse durchgeführt.

Eine Antriebsstrategie verfolgt die Idee des Range Extender Prinzips. Dabei wird eine leistungsstarke Traktionsbatterie in den vorhandenen Bauraum integriert, die ausreichend Leistung für die Traktion und die Versorgung der Nebenverbraucher bereitstellt, sowie eine Brennstoffzelle, die ausschließlich für das Laden der Traktionsbatterie zuständig ist. Die zweite Antriebsstrategie beinhaltet im Vergleich zum Range Extender Prinzip eine kleinere Traktionsbatterie und eine größere Brennstoffzelle. Dabei stellt die Brennstoffzelle primär die elektrische Energie für die Fahrmotoren und die Nebenverbraucher bereit und ist außerdem für das Laden der Traktionsbatterie zuständig. Die Traktionsbatterie dient in diesem Fall als Booster, falls die Leistung der Brennstoffzelle nicht ausreicht. Im Rangierbereich kommt es durch häufiges Anfahren zu vielen Lastwechseln, welche sich negativ auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirken. Aus diesem Grund wurde die Strategie abgewandelt, wobei die Traktionsbatterie wie beim Range Extender primär für die Traktion und Versorgung der Nebenverbraucher zuständig ist. Der Unterschied hierbei ist, dass die Brennstoffzelle zusätzlich als Booster dazugeschaltet werden kann. Dadurch wird die Anzahl der Lastwechsel für die Brennstoffzelle reduziert und somit eine längere Lebensdauer erzielt.

Als Grundlage für die Untersuchung dienten fünf reale Fahrprofile unterschiedlicher Prima H3 Lokomotiven, welche die neuen Antriebssysteme in Bezug auf Leistung und Reichweite erfüllen mussten. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wurden die Antriebsstrategien methodisch bewertet und mit der dieselelektrischen Ausgangsvariante verglichen. Bei den Kriterien handelte es sich um: 

Die Bewertungskriterien resultierten aus den Anforderungen des Kunden und den gegebenen Fahrprofilen. Um die Bewertungskriterien messbar zu machen, wurden Expertenbefragungen mittels paarweisen Vergleiches durchgeführt und damit für die Nutzerwertanalyse objektiviert.  

Die Nutzwertanalyse zeigt, dass die zwei bewerteten Varianten sowie die Ausgangsvariante auf Dieselbasis in Bezug auf die Bewertungskriterien etwa gleichauf sind. Die dieselelektrische Ausgangsvariante punktet besonders mit der Wirtschaftlichkeit, Reichweite und Lebensdauer, wobei die beiden Brennstoffzellen Varianten mit ihrer Umweltfreundlichkeit überzeugen. Die Antriebsstrategie des Range Extenders eignet sich nicht für den Rangierbetrieb, da aufgrund des begrenzten Bauraums nicht genügend Wasserstoff untergebracht werden konnte, um einen 24-Stunden-Betrieb zu gewährleisten. Zusätzlich ist das Verhältnis zwischen Lade- und Entladevorgang der Traktionsbatterie zu groß, woraus folgt, dass es bei häufigen Rangiereinsätzen innerhalb kurzer Zeit zum Stillstand der Lokomotive kommen kann. Die zweite alternative Antriebsstrategie hingegen erfüllt alle technischen und physikalischen Anforderungen, die zuvor definiert wurden und beweist eine technische Umsetzbarkeit. Unter der Voraussetzung, dass grüner Wasserstoff verwendet wird, wäre die Lokomotive völlig klimaneutral, was einen großen Beitrag zur Dekarbonisierung im Schienenverkehr leisten würde. Diese Variante ist zum jetzigen Zeitpunkt im Vergleich zum dieselelektrischen Hybridantrieb noch nicht wirtschaftlich, was sich in Zukunft durch politische Regulierungen und Massenproduktion von Brennstoffzellen ändern sollte. 

Mit Hilfe dieser Machbarkeitsstudie wurde der Grundstein für weitere Untersuchungen gelegt, die sich mit dem Thema Wasserstoff auf einer Rangierlokomotive beschäftigen inkl. auch der Betrachtung von Wasserstoffverbrennungsmotoren.

Die Fortschritte im Bereich künstlicher Intelligenz und immer leistungsstärkerer Rechner haben in den letzten Jahren zu enormen Verbesserungen in der Objekterkennung geführt. Mithilfe von maschinellem Lernen, einer Anwendung der künstlichen Intelligenz, können automatisch Muster und Zusammenhänge aus Daten erkannt werden. Für die Objekterkennung bedeutet das, dass anschließend an ein Trainingsverfahren Objekte auf digitalen Bildern und Videos automatisch erkannt werden können. Dies ermöglicht beispielsweise die Erkennung von Fahrzeugen, Personen etc., welche für das autonome Fahren und viele weitere Anwendungen notwendig ist. 

Mit der wachsenden Bedeutung von Bilddateien für Unternehmen kommt die klassische Verschlagwortung von Bildern an ihre Grenzen. Bilderkennungssoftware und KI-gesteuerte Verschlagwortung rücken immer mehr in den Fokus. Doch gerade kleinere Unternehmen haben nicht die nötige Datenmenge, Rechenleistung und Expertise eine automatische Objekterkennung zu implementieren. Da oft das Budget von kleinen, mittelständischen Unternehmen zu gering ist, um eine kommerzielle Lösung einzukaufen, wurden freiverfügbare Modelle als Alternative untersucht. Um die Praxistauglichkeit von sogenannten Open Source Datensätzen und vortrainierten Modellen zu testen, wurde im Rahmen der Masterarbeit am Fraunhofer Institut für Software- und Systemtechnik mit einem Tourismusunternehmen in Dortmund zusammengearbeitet. 

In der Arbeit wurden mithilfe einer Literaturrecherche frei zugängliche, vortrainierte neuronale Netze ausgewählt und auf einem zur Verfügung gestellten Praxisdatensatz getestet und verglichen. Dabei konnte festgestellt werden, dass die ausgewählte Personenerkennung mit fast 90% Erkennungsgenauigkeit praxistauglich, allerdings das Geschlecht und Alter von Personen schwierig vorherzusagen war. Die Erkennung des Geschlechts der Personen auf den Bildern konnte mithilfe eines 3D-Körpermodells verbessert werden. Bei der Erkennung von Fahrrädern traten in einigen Fällen Verwechslungen mit Motorrädern auf. Die Probleme bei der Objekterkennung konnten auf die Datensatzvoreingenommenheit bzw. die fehlende Diversität in den Open Source Trainingsdatensätzen zurückgeführt werden.

Es wurde gezeigt, dass ein repräsentativer Trainingsdatensatz entscheidend ist, damit eine Objekterkennung auf Realweltdaten anwendbar ist. Verwendete Open Source Trainingsdatensätze müssen ähnlich zum eigenen Datensatz sein, damit Objekte erkannt werden können. Eine sorgfältige Auswahl und umfangreiches Testen sind dabei unerlässlich. Nichtsdestotrotz ist die Verwendung von Open Source Daten und Modellen eine vielversprechende Möglichkeit zur Objekterkennung, je nach Komplexität und Individualität des Anwendungsfalls. Dadurch wird es insbesondere kleineren Unternehmen möglich von automatisierter Objekterkennung zu profitieren.

Text & Foto: IHK Magdeburg