Durchgeführt wurde eine Logistiksimulation zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Verkehrssystems auf den Frankfurter Brücken

Die Simulation der autonom fahrenden Fahrzeuge im Streckennetz der Frankfurter Brücken zeigt, dass mit 400 Fahrzeugen rund 40 Millionen Passagiere pro Jahr mithilfe des zentral gesteuerten Systems befördert werden können.

Dabei sind die meisten Brücken-Strecken mindestens so schnell wie der ÖPNV, häufig sogar schneller. Vor allem aber ist es bequemer, wenn man von einem Brückenarm im Norden über den Ring zu einem Brückenarm im Süden (oder von Westen nach Osten) fahren will und weder umsteigen noch – vor allem nachts bzw. in der Dunkelheit – in U-Bahn oder S-Bahn-Schächte hinabsteigen muss.

Berücksichtigt wurden bei der Simulation auch der Verkehr der Nutzfahrzeuge (für Mehrwegsystem-Entsorgung, Grünpflege etc.).

Grundlagen und IST-Situation in Frankfurt am Main

Durch öffentliche Verkehrsmittel beförderte Personen im Rhein-Main Gebiet

Die Ausgangssituation in der Stadt Frankfurt am Main: Den Rahmen bietet das Fahrgastaufkommen im RMV-Gebiet (Streckengebiet des Rhein-Main Verkehrsverbundes), welcher sich von Darmstadt im Süden über Frankfurt, Offenbach und Hanau bis hin nach Marburg, Wetzlar und Gießen im Norden sowie Fulda im Nordwesten erstreckt. Dort wurden im Jahr 2018 etwa 788 Millionen Fahrgäste befördert.

Durch öffentliche Verkehrsmittel beförderte Personen in Frankfurt

Das Fahrgastaufkommen speziell in der Stadt Frankfurt am Main: In 2019 wurden durch die Verkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH (VGF) etwa 144 Mio. Fahrgäste per U-Bahn und etwa 67 Mio. Personen per Straßenbahn befördert. Zudem transportiert die In-der-City-Bus GmbH (ICB) jährlich mehr als 31 Mio. Fahrgäste per Bus durch Hessens größte Stadt. In Summe werden also innerstädtisch rund 242 Millionen Fahrgäste pro Jahr befördert.

Durch Brückenverkehrsmittel beförderte Personen

Das Gesamtsystem der Frankfurter Brücken (BrückenNahVerkehr = BNV) kann mit seinen 200 Bahnen und Bussen täglich mindestens 70.000 Personen bzw. jährlich mindestesn 25 Millionen Fahrgäste befördern. Mit weiteren 200 kleineren Fahrzeugen können mindestens weitere 10 Millionen Fahrgäste pro Jahr transportiert werden. Mit einer Fahrgastbeförderung von mindestens 35 Millionen Passagieren stellt der Brückenverkehr eine deutliche Entlastung des Frankfurter Straßenverkehrs dar.

Für die Sonderfahrzeuge wurden über 400 Fahrten pro Tag bei der Simulation einkalkuliert – das meiste davon sind Lieferfahrten

Fahrten von Polizei, Feuerwehr und Rettungsdienst

Zur Ermittlung der Anzahl an Fahrten der Sonderfahrzeuge, die auf Polizei sowie Feuerwehr und Rettungsdienst entfallen, wurden die Statistiken des Polizeipräsidiums Frankfurt mit 114.421 Einsätzen pro Jahr und die Daten der Feuerwehr Frankfurt mit insgesamt 110.975 Einsätzen für Feuerwehr und Rettungsdienst im Jahr genutzt. Diese 225.000 Einsätze dienten 763.380 Einwohnern Frankfurts. Für die 35.000 Brückenbewohner sind entsprechend mit maximal 10.000 Einsätzen pro Jahr für Polizei, Feuerwehr und Rettungsdienste zu rechen.

Fahrten für Lieferverkehr und Postsendungen

Dieselbe Berechnungssystematik wurde zur Ermittlung der jährlichen Paketsendungen verwendet. Deutschlandweit werden 3.650.000.000 KEP-Sendungen (Kurier-, Express- und Paket-Dienst Sendungen), versandt, was pro Person pro Jahr rund 45 Lieferungen entspricht. Zudem wird der Lieferverkehr für die Betriebe und Geschäfte auf den Brücken mit 1-2 Lieferungen pro Tag für frische Produkte berücksichtigt, wobei ebenfalls in die Simulation einfloss, dass nicht jede Lieferung vom selben Anbieter/Lieferanten kommt.

Fahrten zur Abfallverwertung

Der normale Restmüll wird auf den Brücken durch ein Pipeline-System entsorgt. Verpackungsmüll fällt kaum an, da die Einkäufe auf den Brücken selbst mit Mehrwegverpackungen oder PE-Verpackungen gesondert in „Renomaten“ gesammelt werden. Für diese müssen jedoch Fahrzeuge zur Abholung kommen, und auch voluminösere Dinge wie vor allem Grünflächen-Abfälle (Zweige, gemähtes Gras etc.) müssen abtransportiert werden. Die Renomaten-Abholung erfolgt nachts mit insgesamt ca. 15.000 Abholfahrten pro Jahr. Die Grünflächen-Abfälle und sonstige Sonderabfälle wurden mit 5.000 Fahrten p.a. veranschlagt.

Grundlagen und IST-Situation zu Wasserstoff-Bussen und -Bahnen im BNV

Nutzungsdauer von H2-Bussen im BNV

Die Anzahl der benötigten H₂-Fahrzeuge wurde von bestehenden Verkehrssystemen mit H₂-Bussen abgeleitet. Dort besitzen Wasserstoffbusse bei einer täglichen Einsatzzeit von 8-16 Stunden und einem 7-Tage Betrieb pro Woche eine Verfügbarkeit von 0,6. Darum muss der Brücken-Fahrzeugbedarf mindestens mit 1,66 multipliziert werden, um die real benötigte Menge an Fahrzeugen zu erhalten. Mit einem breiteren Einsatz der Wasserstofftechnologie ist eine Steigerung der Verfügbarkeit von H2-Fahrzeugflotten auf 0,85 zu erwarten.

Stillstand durch Betankung und Fahrten zu Tankstellen

Darüber hinaus müssen ebenfalls alle Fahrten zu Tankstellen und die Betankungszeit berücksichtigt werden. Die Brücken-Bahnen (i.e. Fahrzeuge mit Bahn-Optik) und Busse sind kleiner als herkömmliche H₂-Busse des ÖPNV. Außerdem sind sie deutlich leichter gebaut. Die Betankungszeit beträgt bei Fahrzeugen dieser Größe und diesen Gewichts entsprechen im Durchschnitt 10 Minuten, so dass rund 2 Tankstopps pro Fahrzeug pro Tag notwendig sind.

Wartung einer neuen Technologie

Wasserstoffbusse haben eine geringere Verfügbarkeit als Busse mit Verbrennungsmotor. Größter Treiber hierbei ist das Wartungsintervall, welches bei Personennahverkehrsfahrzeugen nur 7 Tage beträgt. Bei steigendem Einsatz, Weiterentwicklung und jahrelanger Erfahrung ist davon auszugehen, dass dieses Wartungsintervall auf das Niveau von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor reduziert werden kann.

Profis zu dem Thema

TU Dortmund Institut für Transportlogistik (ITL) - Fraunhofer ITWM - Bauhaus Universität Weimar Professur Infrastrukturwirtschaft und -management (IWM) - HS Kaiserslautern Angewandte Logistik- und Polymerwissenschaften

Durchgeführt wurde eine Logistiksimulation zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Verkehrssystems

Die Logistiksimulation diente zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit und der maximalen Gesamtkapazität des Verkehrssystems.

Darüber hinaus wurde auf Basis der Simulationsergebnisse eine Optimierung von Kreuzungen, Stationen und Streckenabschnitten durchgeführt, sodass Staubildung und lange Wartezeiten vermieden werden können.

Allerdings wurde in der vorliegenden Simulation extrem konservativdavon ausgegangen, dass die 200 größeren Fahrzeuge an allen Stationen halten. Dies ist jedoch das absolute Worst-Case-Szenario, denn die Fahrzeuge halten de facto nur bedarfsweise an Stationen, zu denen sie „on demand“ kommen, also wenn jemand dort ein Fahrzeug per Knopfdruck anfordert oder im Vorfeld über einen Klick auf der Brücken-App sein Fahrtziel und seinen Standort signalisiert hat.

In der Simulation wurden 400 Fahrzeuge für Personentransporte auf einer 130 km langen Brückenstrecke angenommen

Die Gesamtstrecke besitzt eine Länge von 60 Kilometern zuzüglich Abzweigungen von ca. 5km Länge auf beiden Seiten. Auf ihr fahren hin und zurück 400 Busse, Bahnen und PKWs, zuzüglich 30 Sonderfahrzeuge: Verkehr gibt es dort rund um die Uhr. Die untenstehende Tabelle zeigt die Fahrzeuganzahl, die in der jeweiligen Fahrzeugklasse zur Verfügung steht.

Die Fahrzeuge bedienen bedarfsgesteuert die Stationen auf der Strecke, in Abhängigkeit von der Fahrgastnachfrage in der Brücken-App. PKWs dienen zu privaten Sonderfahrten und können auch Parkplätze von Brücken-Gebäuden direkt anfahren, was bedeutet, dass sie nicht nur an Stationen halten.

In der Kategorie Sonderfahrzeuge befinden sich alle Fahrzeuge, die für das alltägliche Leben auf den Brücken notwendig sind, wie z.B. Müllabfuhr, Feuerwehr, Polizei, Rettungswagen und Post.

Die Logistiksimulation diente hierbei zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit und der maximalen Gesamtkapazität des Verkehrssystems unter Worst-Case-Bedingungen (i.e. Halt der großen Fahrzeuge an jeder Station und vergleichsweise geringer Fahrgastwechsel pro Station, s.u.). Darüber hinaus kann auf Basis der Simulationsergebnisse eine Optimierung von Kreuzungen, Stationen und Streckenabschnitten durchgeführt werden, sodass Staubildung und lange Wartezeiten vermieden werden können.

Auf dem Streckennetz der Frankfurter Brücken können mit einer bedarfsdeckenden Flotte von 400 Fahrzeugen im Schnitt ca. 40 Mio Passagiere pro Jahr transportiert werden

Das Gesamtsystem mit 266 Stationen, an denen durchschnittlich 4 Personen aus- oder zusteigen (Fahrgastwechselzahl), kann so täglich mindestens bis zu 68.814 Menschen an ihr Wunschziel befördern. Das entspricht etwa der Einwohnerzahl der Stadt Fulda. Nimmt eine höhere Fahrgastwechselzahl von 6 oder 7 Personen an, die aus- oder zusteigen, so steigt die Zahl der transportierten Menschen auf rund 100.000 bis 120.000 pro Tag. Auf das Jahr gerechnet bedeutet dies: Es werden im Worst Case Szenario 25 Mio Menschen pro Jahr auf den Frankfurter Brücken transportiert, unter normalen Voraussetzungen jedoch zwischen 37 Mio und 44 Mio p.a.

Die Hälfte der Fahrzeugflotte besteht aus Fahrzeugen, die bis zu 25 Passagiere transportieren können. Im Bestfall bedeutet dies, dass an einer Station mit 90 Sekunden Taktzeit innerhalb einer Stunde bis zu 1.000 Passagiere befördert werden.

Die Abbildungen unten rechts zeigen beispielhaft das größte Fahrzeug, einen Bus, der Platz für 16 sitzende Fahrgäste bietet und bis zu 10 Stehplätze vorsieht (der Fahrersitz samt Lenkrad ist nicht für die Steuerung des autonom fahrenden Fahrzeuges vorgesehen, sondern ergibt sich aus dem Vorbild der Oldtimer-Replikate und ist zum Beispiel ein ganz besonders spannender Sitzplatz für Kinder).

Leistungsversprechen statt Fahrplan: Eine kurze Wartezeit von 90 Sekunden ermöglicht schnelle Wege ans Wunschziel

Ist die Nachfrage nach Fahrzeugen in einem Bereich der Strecke besonders hoch, können dortige Stationen mit einer Taktzeit von unter 90 Sekunden angefahren werden und verkürzen somit die Wartezeiten für Passagiere auf ein absolutes Minimum. Erreicht wird dies durch das nachfrageorientierte On-Demand-System, die hohe Anzahl an jederzeit verfügbaren Fahrzeugen und die Streckenoptimierung durch Simulation von Extremfällen.

Fahrzeuge, die gerade nicht benötigt werden, werden an den Wartungspunkten an den Enden der Brückenarme gesäubert und aufgetankt und sind so jederzeit bereit für einen neuen Einsatz.

Vorgehensweise bei der Streckenmodellierung und Modellbildung zur Simulation

Modellierung des Streckenverlaufs auf Stadtkarten

Um in der Simulation höchste Genauigkeit zu erreichen, wird die Strecke auf Stadtkarten in einem Maßstab, bei dem ein Pixel 0,169 Meter entspricht, modelliert. Die Strecke definiert die Fahrtrichtung der Fahrzeuge (Gegenfahrbahn baulich getrennt) und gibt das Streckennetz vor, auf dem sich die Fahrzeuge bewegen können.

Modellierung der Fahrzeuge und Stationen

Fahrzeuge werden in der Simulation als Objekte mit definierter Länge, Beschleunigung, Geschwindigkeit und vielen weiteren Parametern abgebildet. Stationen werden als Haltelinien mit fester Position und einer definierten Haltedauer der Fahrzeuge (die auch statistisch verteilt vorgegeben werden kann) dargestellt.

Erstellung des Algorithmus zur Steuerung der Fahrtstrecke der Fahrzeuge

Die Bewegung der Fahrzeuge auf dem durch die Brücken vorgegebenen Streckennetz wird in der Simulation durch einen Algorithmus festgelegt, der Parameter wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, zu fahrende Strecke, angefahrene Stationen und die Haltezeit an Stationen festlegt.

Auf den Frankfurter Brücken entsteht ein großes Stationsnetzwerk mit zahlreichen Ein- und Ausstiegspunkten in Frankfurt

Auf der gesamten Strecke verteilen sich über 266 Stationen und 613 Parknischen. Eine Station dient als Haltestelle für die Fahrzeuge und gleichzeitig als Ausweichspur, um vorbeifahrende Sonderfahrzeuge wie Polizei, Notarzt und Feuerwehr nicht zu behindern. Darüber hinaus dienen sie als Aufenthaltsbereich für wartende Passagiere und ermöglichen ein barrierefreies Ein- und Aussteigen. Parknischen dienen hingegen ausschließlich dazu, PKWs und Kleinbusse abzustellen bzw. um am Zielort ein- oder auszusteigen.

Das Transportnetz der Frankfurter Brücken untergliedert sich in stark frequentierte Haupt-Stationen und weniger frequentierte Neben-Stationen

In dem nachfragegesteuerten Verkehrssystem werden Bereiche und Stationen mit vielen Fahrtanfragen deutlich öfter angefahren.

So ergeben sich Hauptstationen mit sehr hoher Nachfrage, an denen ca. alle 90 Sekunden ein Bus-/Bahn-Fahrzeug hält, da das zentrale System (meist durch Kameras) über das hohe Fahrgastaufkommen informiert wird; Nebenstationen hingegen haben eine geringere Anzahl an Fahrtanfragen, die in der Regel auch häufiger über die Brücken-App und seltener über Kameras an das zentrale Steuerungssystem gemeldet werden (wer auf eine Nebenstation zuläuft, dürfte im Vorfeld eher über seine Brücken-App sein Ziel schon eingeben, weil man nicht davon ausgehen kann, dass schon andere dort warten und die Kamera „aktiviert“ haben – bei Hauptstationen hingegen verlässt man sich eher darauf, dass ohnehin dauernd Fahrzeuge kommen). Dadurch ergibt sich für die Nebenstationen im Schnitt eine Taktzeit von durchschnittlich 5 Minuten Wartezeit bis zum nächsten Fahrzeug.

Die Übersichtskarte in der Abbildung zeigt diese Verteilung mit Hauptstationen in rot und Nebenstationen in blau.

Die Haupt-Stationen auf den Frankfurter Brücken werden von nahezu allen Fahrzeugen angefahren.

So ist die Wartezeit an diesen Stellen besonders kurz und beträgt im Bestfall sogar nur 50 Sekunden.

Hauptstationen sind häufig Teil von Expressrouten, bei denen nur ausgewählte Hauptstationen bedient werden, um schnell lange Strecken zurückzulegen.

Generelle Transportstrategie auf den Frankfurter Brücken

Kreisende Fahrzeuge stellen Versorgung der Stationen im Bestfall innerhalb von 50 Sekunden sicher

Um im Bestfall Fahrzeuge rund um die Uhr bereits nach 50 Sekunden an Stationen bereitzustellen, halten sich in allen Streckenabschnitten Fahrzeuge auf, um kurzfristige Nachfrage zu bedienen. D.h. es kreisen zum Teil Fahrzeuge in Streckenabschnitten (vor allem auf dem Ring), ohne an Stationen zu halten.

Privatfahrten per PKW und kleineren Mehrpersonen-Fahrzeugen werden on demand durchgeführt – und alle barrierefreien Fahrzeuge haben ohnehin immer Priorität im Gesamtsystem

Durch die gleichmäßige Verteilung der Parkbuchten über das Streckennetz erfolgt auch da selbst bei kurzfristigen Anfragen die Abholung sehr schnell. Dabei haben barrierefreie PKW und „Kleinbusse“ stets Vorrang vor allen anderen Fahrzeugen: Sie kommen am schnellsten.

Sonderfahrzeuge fahren nur bei Bedarf/Einsätzen

Aus Statistiken der Stadt Frankfurt und weiterer deutscher Großstädte wurde ermittelt, wieviele Polizei-, Feuerwehr-, Müllabfuhr- und Postfahrten es durchschnittlich auf den Brücken geben dürfte. Dies wurde in der Simulation als sogenanntes „Grundrauschen“, d.h. zufällig kreisende Fahrzeuge, berücksichtigt. Notfallszenarien mit absoluter Vorfahrt von Einsatzfahrzeugen wurden im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie noch nicht simuliert. Eine ausreichende Zahl von Ausweichbuchten hingegen wurde in der Strecke eingeplant.

Die Logistiksimulation wurde mit bestimmten Randbedingungen und Eingangsparametern vorgenommen

Parametrisierung der Fahrzeuge

Fahrzeug wurden in der Simulation wie folgt parametrisiert:

- Initiale Geschwindigkeit: 30 km/h

- Maximale Geschwindigkeit: 30 km/h

- Positive Beschleunigung: 1,0 m/s²

- Negative Beschleunigung: 1,0 m/s²

Parametrisierung der Strecke

Die Strecke ist wie folgt parametrisiert:

- Die Auslegung der Kurvenradien wurde so gewählt, dass alle Abschnitte mit 30 km/h fahren können.

- Keine Geschwindigkeitsbegrenzungen (Maximalgeschwindigkeit ist durch Auslegung autonomer Fahrzeuge auf 30 km/h beschränkt).

- Einbiegende Fahrzeuge lassen vorbeifahrende Fahrzeuge passieren und biegen nur ohne Behinderung nachfolgender Fahrzeuge ab.

Für die Simulation von Stationen und Haltestellen wurden u.a. Erfahrungswerte aus dem ÖPNV parametrisiert

Stationen sind zweispurige Abschnitte der Strecke, die an einer definierten Position eine Haltelinie besitzen, an denen die Fahrzeuge zum Passagierwechsel halten können.

Fahrzeuge, die an der Station nicht halten müssen, können ohne Behinderung auf der zweiten Fahrspur passieren.

Beim Einfahren in Haltestellen bremsen die Fahrzeuge mit der parametrisierten Beschleunigung bis zum Stillstand ab.

Anschließend stehen die Fahrzeuge 30 Sekunden an der Linie, um Ein- und Ausstieg der Passagiere zu ermöglichen. Dieser Wert wurde empirisch anhand eines öffentlichen Verkehrssystems in einer Schweizer Großstadt ermittelt und für die Gesamtsimulation verwendet.

Abschließend beschleunigen die Fahrzeuge wieder mit dem parametrisierten Wert und fahren unter Einhaltung der Vorfahrtsregel wieder auf die Hauptstrecke auf.

Referenzrecherche zu durchschnittlichen Stationshaltezeiten im ÖPNV

Zur Definition der Eingangsdaten und -parameter in die Logistiksimulation ist es darum notwendig, auf verlässliche Daten aus den vorhandenen Daten der ÖPNV-Bussysteme europäischer Großstädte zurückzugreifen.

Ziel ist es, aus den vorhandenen Daten die durchschnittliche Dauer eines Halts an einer Station zu definieren. Diese setzt sich aus Türöffnungs- und Schließzeit, Fahrgastwechselzeit sowie der Zeit bis zum Wiederanfahren des Fahrzeugs zusammen. Das bedeutet, dass die komplette Zeitspanne, in der das Fahrzeug stillsteht, berücksichtigt wird.

Zusatzinformationen zur Berechnung der durchschnittlichen Haltezeit

Das Histogramm zeigt eine ganztätige Auswertung eines Fahrgastzählsystems der europäischen Großstadt Winterthur (CH). Dabei wird deutlich, dass eine Haltezeit von 80 Sekunden den Worst-Case darstellt, da der Großteil -mit über 75 % aller Stopps- kürzer als 30 Sekunden ausfällt.

Beschreibung eines Simulationslaufs der Logistiksimulation für den Brückenverkehr

Umfang der Gesamtsimulation

- Simuliert wird das Versorgen aller Haltestellen auf dem gesamten modellierten Streckennetz.

- Es wird nur eine Fahrtrichtung simuliert, welche mit 50% aller vorhandenen Fahrzeuge befahren wird.

- Ziel der Simulation ist das Feststellen der Leistungsfähigkeit des Systems unter Maximalbelastung.

- Die Simulation betrachtet den Worst-Case.

-> Simulationsergebnis

Das Simulationsergebnis ergibt sich aus drei gemessenen Kennzahlen:

1.Stop-Anzahl: Anzahl der Fahrzeuge, die innerhalb 24 h an einer Station des Netzwerks halten

2.Durchschnittsgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der sich die Fahrzeuge durchschnittlich fortbewegen

3.Gesamtzeit: Die Zeit, welche die Fahrzeuge für das Anfahren einer Abfolge von Haltestellen benötigen

Beschreibung eines Simulationslaufs der Logistiksimulation: Der Algorithmus für den Streckenverlauf der Fahrzeuge im System arbeitet mit festgelegten Werten

Erzeugung der Fahrzeuge

Am Beginn der Seitenarme werden Fahrzeuge mit einem Zeitabstand von 90 Sekunden aus einer sogenannten „Quelle“ erzeugt (diese „erschafft“ Fahrzeuge, die neu in das Streckennetz starten). Die Fahrzeuge halten anschließend an allen Stationen dieses Seitenarmes - das ist der Worst-Case: In der Realität halten sie nur an Haltestellen, für die dem zentralen Steuerungssystem Bedarf gemeldet wurde.

Bedienung des gesamten Streckennetzes

Die Fahrzeuge befahren den Ring und weitere Seitenarme nach dem folgenden System:

- Die Fahrzeuge fahren über den Ring in alle weiteren Seitenarme: Sowohl auf dem Ring als auch auf den Seitenarmen werden alle Stationen bedient. Die Verteilung, wieviele Fahrzeuge welche Seitenarme anfahren, ist in der Tabelle weiter unten aufgeführt.

- Es werden nicht nur alle Seitenarme bedient, sondern auch der Ring wird vollständig mit einer Linie bedient.

- Fahrzeuge des sogenannten „Grundrauschens“ befahren den Ring, ohne an Stationen zu halten.

- Da in der Simulation nur eine Fahrtrichtung betrachtet wurde, wurden alle Fahrzeugzahlen halbiert verwendet.

- Insgesamt werden mit 74 Linien aus jedem Seitenarm heraus alle Bereiche und Stationen des Streckennetzes befahren.

Simulationslauf

Sobald alle 400 Fahrzeuge über die Quellen ins System gebracht wurden und sich nach dem in der Tabelle gezeigten Schlüssel auf die Linien verteilt haben, wiederholen sie ihre Strecke bis zum Ende der Simulation (vordefinierte Simulationszeit: 86.000s = 24h).

Ein Simulationslauf der Logistiksimulation lässt sich in drei Stadien unterteilen

Beginn der Simulation

Ab Start jedes Simulationslaufs werden am Startpunkt jedes Seitenarms sowie an einem Punkt des Rings Fahrzeuge mit einem Zeitabstand von 90 Sekunden aus einer sogenannten Quelle generiert (diese erzeugt Fahrzeuge, die neu in das Streckennetz starten – s.o.).

Verlauf der Simulation

Sobald alle Fahrzeuge in das Streckennetz gestartet sind (340 Fahrzeuge, die an Stationen halten, und 60 Fahrzeuge, die das Grundrauschen darstellen), fahren diese gemäß dem auf der Vorseite beschriebenen Verteilungsschlüssel alle Bereiche des Streckennetzes an.

Erreicht ein Fahrzeug das Ende seiner Strecke, wird diese wiederholt vom Fahrzeug befahren. Dies stellt sicher, dass während des gesamten Simulationslaufs der festgelegte Verteilungsschlüssel eingehalten wird – und jeder Streckenabschnitt durchgehend bedient wird.

Ende der Simulation

Ein Simulationslauf für den Verkehr auf den Frankfurter Brücken endet nach 86.400 s, was einer Simulationszeit von 24 Stunden entspricht. Zu diesem Zeitpunkt werden die Statistiken gespeichert und ausgewertet.

Jeder Simulationslaufs der Logistiksimulation folgt einem Algorithmus, der von bestimmten Streckenverläufen der Fahrzeuge ausgeht

Simulationsablauf – grafisch erklärt

Die Fahrzeuge starten am Anfang eines Seitenarmes, befahren anschließend alle Stationen dieses Seitenarmes und verteilen sich sodann anhand des Verteilungsschlüssels im System.

D.h. es gibt eine Linie, die vom Start-Seitenarm auf den Ring und anschließend in den nächstgelegenen Seitenarm fährt (1), dann eine Linie, die nach dem Startarm den übernächsten Seitenarm befährt (2) und eine, die den dritten Arm ab Start-Seitenarm befährt (3). Hat ein Fahrzeug die Strecke beendet, befährt es sie erneut.

Die Abbildung zeigt dies aus Übersichtlichkeitsgründen exemplarisch für einen Seitenarm sowie nur für die anschließende Verteilung in 3 Seitenarme/Bereiche des Systems.

Insgesamt werden von jedem Seitenarm aus alle anderen Seitenarme und der Ring befahren. Inklusive Grundrauschen ergeben sich damit 74 Linien.

Das Simulationsergebnis zeigt: Der Brückennahverkehr gibt ein leistungsstarkes und zuverlässiges Transportversprechen, wie simulierte Kennzahlen zeigen

Um die Einhaltung des Leistungsversprechens bereits vor dem Bau der Strecke zu gewährleisten, werden in der Logistiksimulation unterschiedlichste Kennzahlen eingesetzt – welche bei jedem Simulationslauf gemessen werden:

Fahrzeuganzahl – Taktzeit – Stops pro Fahrzeug – Stops pro Haltestelle – Gesamtfahrzeit eines Fahrzeugs - zurückgelegte Strecke eines Fahrzeugs etc.

Die Fahrzeuge auf den Brücken fahren mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von rund 19 km/h

Das Abbremsen und das Beschleunigen vor und nach Haltestellen wurden in die Durchschnittsgeschwindigkeit miteinberechnet - die Haltezeit hingegen ist in diesen Durchschnittswert nicht mit eingeflossen.

Abseits der Haltestellen- und Stationsbereiche fahren die Fahrzeuge mit 30 km/h, es sei denn, sie bremsen an Personen-Übergängen. Diese Fahrtunterbrechungen wurden in der Simulation jedoch nicht berücksichtigt, da sie den Rahmen der Machbarkeitsstudie gesprengt hätten.

Geschwindigkeit wirkt sich auf Fahrgastkomfort aus: Dies wurde ebenso wie die kurzen Transportzeiten bei der Streckenplanung berücksichtigt

Die Geschwindigkeit, mit der ein Fahrzeug eine Kurve durchfahren kann, ergibt sich aus der Geometrie der Strecke und den festgelegten Grenzwerten für die Querbeschleunigung. Für den Verkehr auf den Frankfurter Brücken ist die Querbeschleunigung auf maximal 1 m/s² festgelegt, was es den Fahrgästen erlaubt, sich während der Fahrt sicher im Fahrzeug zu bewegen und auch stehend die Fahrt zu genießen. Dies wurde bei der Streckenplanung durch große Kurvenradien berücksichtigt, wodurch die Fahrzeuge fast alle Kurven mit 30 km/h durchfahren können.

Das Brückenverkehrssystem (BVS) wurde in verschiedene Abschnitte unterteilt

Ergebnis der Simulation: Täglich können mindestens rund 70.000 Fahrgäste mit den größeren Fahrzeugen auf den Brücken transportiert werden, in Summe mindestens 25 Mio pro Jahr – erhöht man den Parameter „Fahrgastwechsel an Stationen“ von vier auf 6 bis 7, so können jährlich mindestens rund 40 Mio Passagiere transportiert werden

Das Endergebnis der Gesamtsimulation kann nach Abschnitten des Verkehrssystems ausgegeben werden und beinhaltet die folgenden Größen:

- Anzahl an Stops je Abschnitt in 24 h.

- Durchschnittliche Taktzeit je Abschnitt über 24 h.

- Beförderte Personen je Abschnitt in 24 h, unter der Annahme, dass pro Halt durchschnittlich 4 Fahrgastwechsel (z.B. jeweils 2 Ein- und Ausstiege) stattfinden.

Pro Tag werden laut Simulation (im Worst Case Szenario) insgesamt 68.814 Personen transportiert (jährlich 25,1 Mio Fahrgäste).

Die schnellste Taktzeit beträgt 50 Sekunden. Die langsamste Taktzeit beträgt 295 Sekunden (4 Minuten 55 Sekunden).

Profis zu dem Thema

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung - TU Dresden Professur für Elektrische Maschinen und Antriebe - ZSW Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung - Forschungszentrum Jülich IEK Institut für Energie und Klimaforschung - Forschungsnetzwerke Energie - DWI Leibnitz-Insittut für Interaktive Materialien

Streckenbeispiele zeigen, dass Brückenfahrzeuge entlang des Rings viele Punkte schneller verbinden als der RMV - trotz niedriger Durchschnittsgeschwindigkeit von rund 19km/h

Beispiel 1: Mit dem Brückenverkehr kommt man in 21 Minuten vom Bürgerhospital in Bornheim zum Messeingang Nähe Emser Brücke – mit dem RMV hingegen braucht man 25 Minuten zuzüglich potentieller Wartezeit an der Station von bis zu 15 Minuten und einem Fußweg von insgesamt 11 Minuten.

Bei freier Fahrt und ohne Stau sind natürlich PKW auf der Straße am schnellsten – sie können vom Brückenverkehr nur durch angenehmes Fahrgefühl, hohe Sicherheit und Bequemlichkeit übertroffen werden (man braucht nicht selbst zu fahren und sein Fahrzeug nicht zu parken, betanken etc.).

Bei vielen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen entlang des Brückenrings ist der ÖPNV zwar nur geringfügig langsamer, aber seine Nutzung erfordert Umsteigen, während man beim Brückennahverkehr (BNV) bequem durchfahren kann

Ergänzung zu Streckenbeispiel 1: in 23 min vom Bürgerhospital zum Goethe-Gymnasium. Wer heute in Bornheim wohnt und sein Kind auf das Goethe-Gymnasium an der Friedrich-Ebert-Anlage schicken möchte, muss in Kauf nehmen, dass es zweimal über Tage oder einmal unter Tage mit S-Bahn oder U-Bahn Teile der Strecke fährt. Mit dem BNV hingegen lassen sich sämtliche Schulen entlang des Rings (rund ein Dutzend weiterführende Schulen und auch zahlreiche Grundschulen) leichter für viele Frankfurter erreichen, die auf der anderen Seite der Stadt leben und diese Schulen häufig wegen aufwendigerer ÖPNV-Verbindungen für ihre Kinder gar nicht erst in Betracht ziehen.

Auch Freizeit-Angebote lassen sich in der Stadt deutlich leichter und komfortabler mit dem BNV erreichen: Sowohl die Angebote in der Innenstadt werden für Anwohner an den Außenarmen der Brücken mit dem BNV bequem erreichbar, als auch Angebote auf der „anderen Seite“ der Stadt

Streckenbeispiel 2: Von Bornheim zum Rebstockbad in 33 Minuten ohne Umsteigen – mit dem ÖPNV fährt man genauso lange, muss jedoch mindestens einmal umsteigen. Fährt man noch weiter vom Osten zum Rebstockbad, z.B. von der Helmholtzschule aus, erhöht sich die Fahrtzeit mit dem ÖPNV auf 42 Minuten, oder aber man muss für eine schnellere Verbindung einmal in die U-Bahn umsteigen – der Brückennahverkehr hingegen benötigt nur wenige Minuten mehr und fährt über Tage „door to door“.

Von einem Außenarm der Frankfurter Brücken zum anderen Außenarm gelangt man mit dem BNV fast in der Hälfte der Zeit wie mit dem ÖPNV – und sogar die Fahrt auf den Straßen mit dem PKW ist bei diesen Strecken nicht mehr deutlich schneller

Streckenbeispiel 3: Von Bornheim zum Deutsche Bank Park (früher Commerzbank-Arena) braucht man mit dem BNV nur 37 Minuten, mit dem ÖPNV hingegen über eine Stunde – mit dreimaligem Umsteigen und (bei der schnellsten Verbindung) mit einer Teilstrecke in der U-Bahn - was für Kinder, Frauen oder ältere Menschen vor allem in den Abend- und Nachtstunden weniger angenehm ist als die Nutzung von Transportmitteln "über Tage".

Es gibt auch Strecken, auf denen der Brückennahverkehr deutlich langsamer ist als der ÖPNV – allerdings nach wie vor mit dem Vorteil, dass selbst ungewöhnliche Verbindungen ohne Umsteigen zurückgelegt werden können

Streckenbeispiel 4: Möchte man von Fechenheim zur Carl-von-Weinberg-Siedlung an der Miquelallee, so schafft man dies mit dem ÖPNV in einer Dreiviertelstunde, der BNV hingegen braucht (worst case) über eine Stunde dafür – und zwar wenn wie in der Simulation angenommen wird, dass das Fahrzeug an fast allen Stationen auf dem Weg hält. Geht man jedoch davon aus, dass es in der Realität auch Fahrten mit wenigen Stationshalten geben wird, so kommt die Fahrtdauer des BNV in die Nähe von der des ÖPNV.

Die jeweiligen Situationen bzw. Umstände auf der Strecke verändern die Ergebnisse eines Geschwindigkeitsvergleichs ja auch bei PKW auf der Straße: Bei Stau auf der Hanauer Landstraße zum Beispiel kann die Fahrt von Fechenheim zur Miquelallee mit dem PKW an manchen Tagen auch zu ganz anderen Werten führen als bei dem hier genannten Durchschnitt von 20 bis 40 Minuten.

Der schnellste Verkehrsweg durch Frankfurt sind im Durchschnitt die Brücken

Wie die untenstehende Tabelle zeigt, ist das Brückennetzwerk einer der schnellsten Wege, um sich in der Großstadt Frankfurt fortzubewegen. Besonders im Vergleich zu den bestehenden öffentlichen Verkehrsmitteln des RMV sind die Fahrzeuge auf den Brücken eine attraktive Alternative, um das jeweilige Wunschziel zu erreichen – eine Entlastung für den Straßenverkehr ebenso wie für die öffentlichen Verkehrsmittel.

Die vorliegende Simulation hat beträchtliches Optimierungspotential, da sie den Worst-Case der Belastung des Gesamtsystems annimmt: Für den Realbetrieb ist im „Normal-Fall“ eine deutlich bessere Performance des Verkehrssystems zu erwarten – dass auch deutlich mehr als 25 Mio Passagiere p.a. transportiert werden können

Die vorliegende Gesamtsimulation simuliert den Extremfall /Worst-Case der Belastung des Gesamtsystems. Im Realbetrieb gibt es verglichen zu diesem Worst-Case Belastungsfall einen „Normalbetrieb“, mit einer deutlich höheren Performance des Verkehrssystems:

1. Im Realbetrieb werden Stationen nachfrageorientiert angefahren (Passagier fragt Fahrt via App an bzw. Kamera meldet, dass jemand an der Station wartet, der ggf. dort auf einem Bildschirm sein Fahrtziel eingegeben hat) – d.h. anders als in der Worst-Case Belastungssimulation wird nicht mehr an jeder Station gehalten, sondern nur dort wo auch Personen zu- oder aussteigen.

- Reduktion der benötigten Zeit für die gefahrene Strecke, da Abbremsen, 30 s Haltezeit und Beschleunigen an allen übersprungenen Stationen entfallen.

2. Bereiche, in denen keine bzw. geringe Nachfrage herrscht, können auch seltener bzw. nur auf Anfrage bedient werden, denn die Fahrgäste können Fahrten bei Bedarf per App (auch im voraus bzw. bereits auf dem Weg zur Haltestelle) buchen. Dies schafft Kapazitäten für Bereiche mit hoher Auslastung.

- Reduktion der Taktzeit im Berufsverkehr

- Erhöhung der maximal transportierbaren Personenzahl im Berufsverkehr

3. Bei Bedarf kann bis zu einem gewissen Grad die Anzahl der Fahrzeuge erhöht werden (indem Routine-Wartungsaufenthalte an den Brückenenden verschoben werden), um die Taktzeiten zu verringern und die Zahl der beförderten Personen zu erhöhen.

- Reduktion der Taktzeit aller Abschnitte

- Erhöhung der maximal transportierbaren Personenzahl aller Abschnitte

Keine Staubildung durch Streckenoptimierung und On-Demand-System

Zentral gesteuerte autonom fahrende Verkehrssysteme sind die Zukunft: In einigen Jahrzehnten werden sie sich in Ballungszentren weltweit etabliert haben – mit den Frankfurter Brücken erhält Europa die Chance, Vorreiter in allen dafür benötigten Technologien zu werden

Europa hat zwar eine starke Automobil-Industrie, aber die Voraussetzung für die Einführung von zentral gesteuerten autonom fahrenden Verkehrssystemen sind –vor allem rechtlich- in anderen Ländern wie China oder den USA deutlich besser bzw. die Hürden sind niedriger und der Leidensdruck auch oft höher.

Umso wichtiger ist es, eine Innovationsplattform in Europa zu schaffen, wo der Betrieb und die Optimierung von autonom fahrendem Verkehr erprobt wird und sämtliche dazu benötigten Technologien sowie KI-Systeme Anwendung finden. Nur anhand einer großen live-Simulation können Probleme beseitigt, Herausforderungen bewältigt und Lernkurven durchlaufen werden.

Frankfurt bietet aufgrund seiner Größe, Verkehrsinfrastruktur und Pendler-Historie den idealen Standort, um mit der live-Plattform Frankfurter Brücken nicht nur ein Forschungsareal für die Automobil-Industrie zu erschaffen, sondern auch tatsächlich die eigene Verkehrssituation signifikant zu verbessern: Für PKW und LKW auf den Straßen bedeuten die Frankfurter Brücken eine massive Entlastung von Stauvorkommnissen, für Fahrradfahrer wird dadurch mehr Platz geschaffen, um Fahrradspuren einzuführen, und für Nutzer des ÖPNV ergibt sich bei sehr vielen Strecken eine deutlich bessere Punkt-zu-Punkt-Verbindung quer durch die Stadt:

- Sie erreichen zahllose entfernte Fahrtziele ohne Umstieg

- Sie erreichen sie häufig sehr viel schneller als mit dem ÖPNV

- Sie haben vergleichsweise kurze Wartezeiten von 50 Sekunden bis maximal 5 Minuten

- Der komplette Transport findet über Tage statt und ist für Kinder, Frauen oder ältere Menschen insbesondere in den Abend- und Nachtstunden eine sicherere und angenehmere Alternative als die U- oder S-Bahn-Tiefbahnhöfe.

Der BNV ist geplant als selbstlernendes System: Ein solches wird mit der Zeit immer besser und effektiver

Das Computersystem, welches die Fahrzeuge steuert, lernt aus den eingehenden Daten: Wenn an einer bestimmten Haltestelle zu einer bestimmten Zeit immer großer Bedarf besteht, so wird dies zukünftig von vorneherein eingeplant.

Auch Großereignisse wie Fußballspiele oder Konzerte werden vorab vermerkt. Das System errechnet dann den Bedarf an Fahrzeugen und setzt zu diesen Zeiten mehr Fahrzeuge ein.

Für den Pendler-Verkehr nach Frankfurt rein gibt es an zwei Stellen optimale park-and-ride-Möglichkeiten: Am Parkplatz des Deutsche Bank Parks (Stadion) und am Messe-Parkplatz am Römerhof sind bequeme Umsteigemöglichkeiten vom PKW in das Brückennahverkehrssystem zu planen

An den anderen Brückenarmen gibt es zwar keine vergleichbar großen Parkplätze – aber vereinzelt können dort ebenfalls kleinere park-and-ride-Umsteigemöglichkeiten geschaffen werden, die den Innenstadtverkehr entlasten können.

Der autonom fahrende Brückenverkehr kann den Frankfurter Verkehr massiv entlasten und stellt gleichzeitig eine Technologie-Plattform für die Automobil-Industrie Europas dar

Rund 40 Millionen Passagiere kann der Brückennahverkehr (BNV) pro Jahr transportieren.

Es entstehen dadurch für Frankfurter Bürger viele Verbindungen, für die es bislang zwar ein Angebot des ÖPNV gab, die jedoch mit dem Brückenverkehr häufig schneller, ohne Umsteigen und über Tage (d.h. nicht mit Untergrundbahnen) funktionieren.

Es gibt kein vergleichbares Netz eines autonom fahrenden Systems weltweit, da derzeit überall noch zu viele Verkehrsteilnehmer die gleiche Fahrbahn nutzen wie die autonom fahrenden Fahrzeuge: Mit dem BNV entsteht ein Netz aus geschützten Fahrbahnen, auf denen erstmals autonom fahrender Verkehr in dieser Komplexität und Größenordnung etabliert und erforscht werden kann.