Energiebasiertes Routing für die Elektromobilität

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Szenario

1.2 Ziel dieser Arbeit

1.2.1 Entwurf eines Routingalgorithmus

1.2.2 Darstellung einer Route

1.2.3 Verifizierung des Verfahrens mit einem Elektrofahrzeug

1.3 Gliederung dieser Arbeit

2 Elektromobilität

2.1 Elektrofahrzeugkonzepte

2.1.1 Personenkraftfahrzeuge

2.1.2 Zweiradfahrzeuge

2.1.3 Schienenfahrzeuge

2.2 Probleme bei Elektrofahrzeugen

2.2.1 Leistungsfähigkeit von Traktionsbatterien

2.2.2 Reichweitenbeschränkung der Elektrofahrzeuge

2.2.3 Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

2.3 Anforderungen für das energiebasierte Routing

3 Navigation

3.1 Problemstellung in der Navigation

3.2 Routing

3.2.1 Routingstrategien für treibstoffbetriebene Kraftfahrzeuge

3.2.2 Routingstrategien für andere Verkehrsteilnehmer

3.3 Suchverfahren in Graphen

3.3.1 Uninformierte Suche

3.3.2 Heuristische Suche

4 Theoretischer Lösungsansatz

4.1 Skizzierung des Lösungsansatzes

4.2 Abbilden eines Straßennetzes in eine Graphenstruktur

4.3 Aufstellen einer Metrik auf Basis von Einflussfaktoren

4.3.1 Fahrzeugspezifische Einflussfaktoren

4.3.2 Umweltspezifische Einflussfaktoren

4.3.3 Konstruktion eines Fahrzeugmodells aus den fahrzeugspezifischen Einflussfaktoren

4.3.4 Konstruktion eines Weltmodells aus den umweltspezifischen Einflussfaktoren

4.3.5 Komposition einer Metrik zur Bestimmung der gesuchten Route

4.4 Auswahl eines Suchalgorithmus

4.4.1 Konstruktion einer Heuristikfunktion

4.4.2 Beweis für die Gültigkeit der konstruierten Heuristikfunktion

4.4.3 Algorithmus zur Routenberechnung

5 Praktische Umsetzung

5.1 Allgemeine Beschreibung der Implementierung

5.2 Architektur des Zielsystems

5.3 Komponenten des Zielsystems

5.3.1 Graphical User Interface

5.3.2 Heuristisches Suchverfahren

5.3.3 Objektrelationales Datenbanksystem

5.4 Verwendete Frameworks und Technologien

5.4.1 GeoTools

5.4.2 Geographische Daten von OpenStreetMap

5.4.3 Höhenbezogene Daten von SRTM

5.4.4 PostgreSQL mit PostGIS als geospatiale Datenbankerweiterung

5.5 Interaktionsdiagramme der Komponenten

5.6 Realisierung

5.6.1 Aufbereiten der geodäsischen Daten

5.6.2 Entwurf der JAVA-Klassen

5.6.3 Darstellung der Route

5.7 Probleme

6 Evaluation

6.1 Konfiguration der Metrik auf Basis eines Elektrofahrzeug

6.1.1 Konfiguration der Parameter des Fahrzeugmodells

6.1.2 Konfiguration der Funktionen des Fahrzeug- und des Weltmodells

6.2 Verifizierung der Metrik auf Basis der Parametrierung

7 Diskussion und Ausblick

7.1 Ausblick

8 Anhang

Zielsetzung & Themen

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Werkzeugs zur Routenberechnung für Elektrofahrzeuge, das den Energieverbrauch minimiert, um die begrenzte Reichweite effizient zu nutzen. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie ein Routing-Algorithmus unter Berücksichtigung fahrzeugspezifischer und umweltbedingter Einflussfaktoren gestaltet werden kann, um eine optimale, energieeffiziente Strecke zu ermitteln.

• Konstruktion von Fahrzeug- und Weltmodellen zur Energiebedarfsanalyse.
• Abbildung von Straßennetzen in eine gewichtete Graphenstruktur.
• Implementierung eines heuristischen Suchverfahrens (A*-Algorithmus) zur Pfadoptimierung.
• Verifizierung des theoretischen Modells durch empirische Datenaufzeichnung mit einem Elektro-Roller.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Diese Einleitung motiviert die Relevanz ressourcenschonender Elektromobilität und definiert das Ziel, durch energieeffizientes Routing die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu maximieren.

2 Elektromobilität: Dieses Kapitel analysiert verschiedene Fahrzeugkonzepte sowie die technologischen Herausforderungen und Probleme bei Elektrofahrzeugen, insbesondere in Bezug auf Batterien und Infrastruktur.

3 Navigation: Es werden grundlegende Aspekte der Navigation und Routing-Strategien für verschiedene Verkehrsteilnehmer sowie Suchverfahren in Graphen erläutert.

4 Theoretischer Lösungsansatz: Hier wird der theoretische Ansatz zur Abbildung der Umgebung, zur Erstellung von Fahrzeug- und Weltmodellen sowie zur Auswahl eines A*-Suchalgorithmus detailliert dargelegt.

5 Praktische Umsetzung: Dieses Kapitel beschreibt die technische Realisierung des Systems unter Verwendung von JAVA, GeoTools und einer PostgreSQL-Datenbank sowie die Darstellung der Route.

6 Evaluation: Es erfolgt eine Konfiguration der Metrik basierend auf Messwerten eines Elektro-Rollers sowie eine Verifizierung der theoretischen Modelle durch Testfahrten.

7 Diskussion und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer Reflexion über die erzielten Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf potenzielle Erweiterungen und Optimierungen.

8 Anhang: Der Anhang enthält umfangreiche Messdaten der Testfahrten sowie Kartenmaterial zur Unterstützung der Evaluation.

Schlüsselwörter

Elektromobilität, Routing, A*-Algorithmus, Energieverbrauch, Traktionsbatterie, Reichweitenoptimierung, OpenStreetMap, Geodaten, Graphentheorie, Fahrzeugmodell, Weltmodell, Energieeffizienz, Navigation, Routenplanung, PostGIS

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?

Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung der Routenwahl für Elektrofahrzeuge, um deren begrenzte Reichweite durch eine minimierte Entladung der Batterie besser auszunutzen.

Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?

Zentral sind die Elektromobilität, moderne Routing-Algorithmen (speziell A*-Suche), geographische Informationssysteme und die Modellierung von Energieverbrauchsfaktoren.

Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?

Das primäre Ziel ist die Entwicklung und Verifizierung eines Werkzeugs, das eine energieoptimierte Route berechnet und für den Benutzer visualisiert.

Welche wissenschaftliche Methode wird zur Lösung verwendet?

Es wird eine formale Modellierung der Umgebung in einem gerichteten Graphen vorgenommen, ergänzt durch eine heuristische Kostenfunktion zur Lösung des Suchproblems mittels A*-Algorithmus.

Welche Aspekte stehen im Hauptteil der Arbeit im Fokus?

Im Hauptteil werden theoretische Ansätze für Fahrzeug- und Weltmodelle erarbeitet, in eine Graphenstruktur übertragen und anschließend praktisch implementiert.

Welche Begriffe beschreiben die Arbeit am besten?

Wichtige Begriffe sind Energieeffizienz, Traktionsbatterie, Routenoptimierung, Geodatenverarbeitung und Elektromobilität.

Warum spielt die Batterietechnologie eine so große Rolle für das Routing?

Da Batterien eine deutlich geringere Energiedichte als fossile Brennstoffe besitzen, ist die optimale Ausnutzung der gespeicherten Energie für die Alltagstauglichkeit und Reichweite eines Elektrofahrzeugs entscheidend.

Wie wurde die Korrektheit des Routing-Ansatzes geprüft?

Die Prüfung erfolgte durch Testfahrten mit einem Elektro-Roller, bei denen reale Energieverbrauchsdaten aufgezeichnet und mit dem theoretisch berechneten Modell verglichen wurden.