Digital Mobility Lab
Ziele
In den Zielen der Plattform wurden einerseits die Ziele des DML, andererseits aber auch die Bedeutung des Labors für Lehre sowie Forschung und Entwicklung erläutert. Wir führen die Ziele an dieser Stelle nochmals auf und ergänzen sie mit einigen uns wichtigen Punkten in Bezug auf Lehre und F&E:
Technologische Basis für F&E und Lehre
- Das Digital Mobility Lab bildet die methodische und technologische Basis für Forschungs- und Entwicklungsprojekte und wird bereits heute in der Lehre des Studiengangs Mobility Science eingesetzt.
- Im Rahmen von Projekten und studentischen Arbeiten soll das DML gezielt ausgebaut werden: durch die Weiterentwicklung der Open Source-Software-Komponenten, die Integration von weiteren Tools und durch die Anwendung der Tools auf neue Fragestellungen zu den Themen der Plattform.
- Aktuell wird das DML durch Forschende und Studierende der School of Engineering genutzt. Das DML soll zukünftig auch externen Forschungs- und Umsetzungspartnern im Sinne von Open Science zugänglich gemacht werden.
Einsatz in der Lehre
- Die integrierende Software-Umgebung kommt in vielen Fachmodulen des Studiengangs Mobility Science (SG MO) zum Einsatz. Sie schafft eine einheitliche Datenbasis (z. B. Daten des Gesamtverkehrsmodells des Kantons Zürich oder Geodaten), verbessert das Verständnis der Input-/Output-Daten zwischen den Anwendungen, bildet den «roten Faden» für die Studierenden über die gesamte Studiendauer und reduziert Doppelspurigkeiten bezüglich Inhalten.
- Durch Nutzung der verschiedenen Komponenten des DML (siehe auch Lab-Struktur) können die Prozesse zwischen den in der Wertschöpfungskette des Mobilitätssystems involvierten Parteien, insbesondere der digital vernetzten Mobilitätdienstleister modelliert, analysiert und optimiert werden. Kooperationen zwischen den Parteien werden dabei über sogenannte Service Level Agreements (SLA) organisiert.
- Der Einbezug des DML in den Unterricht stellt einen innovativen Lehransatz mit einer zentralen Laborplattform dar, welcher modul- und institutsübergreifend ist.
Einsatz in Forschung und Entwicklung
- Der zentrale Einsatzbereich des DML bezüglich F&E ist die Unterstützung der Forschenden bei ihren Projekten. Bereits in der Vergangenheit wurden verschiedene verfügbare Tools erfolgreich für F&E-Projekte eingesetzt.
- In F&E-Projekten sollen, wenn möglich Open Data (z. B. frei verfügbare soziodemografische oder sozioökonomische Daten, Geodaten, SBB Open Data, …) genutzt werden. Zudem sollen nach Möglichkeit auch allgemein zugängliche lizenzfreie (open source) Entwicklungsinstrumente (R, LinTim, QGIS, …) eingesetzt werden.
- Die kontinuierliche Erweiterung und Weiterentwicklung des DML ist notwendig, weil sich auch die Mobilitäts- und Umsysteme stetig ändern. Einige Beispiele: veränderte Mobilitäts- und Transportbedürfnisse; neue wissenschaftliche Erkenntnisse, welche zu verbesserten Simulationsmodellen oder schnelleren Optimierungsalgorithmen führen; veränderte Rahmenbedingungen (Umwelt, Gesellschaft); technologische Entwicklungen wie neue Kommunikations- oder Navigationstechnologien oder bessere Verkehrsinfrastrukturen (Verkehrsnetze oder Mobilitätshubs). Es ist wichtig, diese Entwicklungen zu verfolgen und das Lab, wo sinnvoll und möglich, in diese Richtungen zu erweitern bzw. weiterzuentwickeln.
Struktur des Labors und Software-Tools
Labor-Struktur
Die nachfolgende Grafik veranschaulicht in vereinfachter Form, welche Planungs-, Simulations-, Optimierungs- und Bewertungsarbeiten mit welchen Software-Werkzeugen durchgeführt werden können und welche Beziehungen (meist via Datenaustausch) zwischen diesen Werkzeugen bestehen. Das DML ist in seiner aktuellen Version wie folgt strukturiert:
- Inputdaten: Je nach Tool und Fragestellung werden sehr unterschiedliche Daten benötigt. Das DML schafft eine einheitliche und transparente Datenbasis. Speziell auch in der Lehre sollen damit Datensätze modulübergreifend genutzt werden können.
- Verkehrsplanung: Hier können alle vier im Fokus der Plattform stehenden Verkehrsträger (ÖV, Auto, Fahrrad, zu Fuss) einzeln oder in Kombination geplant und analysiert werden.
- Planung des öffentlichen Verkehrs: Der aktuelle Stand besteht aus: (i) dem Open-Source Framework LinTim (makroskopische Topologie); (ii) verschiedenen Eigenentwicklungen in Kombination mit kommerziellen Tools für die Planung auf mesoskopischer Ebene und (iii) Bewertungstools (Stabilität, Reisezeiten etc.).
- Simulation von Strassen- und Schienenverkehr auf mikroskopischer Ebene.
- Verschiedene weitere Tools: zur Analyse von Fahrplänen, der Simulation von dynamischen Systemen, zur Analyse und Visualisierung von räumlichen Daten (GIS), zur Ökobilanzierung oder zum Routing auf Verkehrsnetzen.
Aktuell eingesetzte Software-Werkzeuge
Den Nutzenden (Studierende, Forschende) des Digital Mobility Labs stehen aktuell die folgenden etablierten Softwareanwendungen zur Verfügung:
PTV Visum
PTV Visum ist eines der weltweit führenden Software-Werkzeuge für die Verkehrsplanung, mit dem sich sowohl Netze des Individualverkehrs wie auch des öffentlichen Verkehrs zuverlässig abbilden und analysieren lassen. Hersteller des Tools ist die Firma PTV Planung Transport Verkehr AG in Karlsruhe. PTV Visum vereint Verkehrsanalysen, -prognosen und GIS-orientierte Datenverwaltung und bildet alle Verkehrsteilnehmer und ihre Interaktionen ab. Die Software findet insbesondere Einsatz in der ÖV-Angebotsplanung.
PTV Vissim
PTV Vissim ist eine weltweit etablierte und sehr leistungsfähige und flexible Verkehrssimulationssoftware, mit der sich komplexe Fahrzeuginteraktionen auf mikroskopischer Ebene simulieren lassen. Nachfrage, Angebot und Verhalten lassen sich detailgetreu modellieren und auch multimodale (d. h. verkehrsträgerübergreifende) Verkehrssysteme sowie Systeme von vernetzten, autonomen Fahrzeugen, inkl. MaaS, lassen sich damit effizient untersuchen. Die nahtlose Integration mit der Verkehrsplanungssoftware PTV Visum erlaubt die in der Praxis wichtige Verknüpfung von mikro- und makroskopischer Systemsicht.
OpenTrack
OpenTrack ist ein an der ETH Zürich entwickeltes leistungsfähiges und benutzer:innenfreundliches Simulationsprogramm für verschiedene Rechnerplattformen, mit welchem sich komplexe Fragestellungen aus dem Bereich des Eisenbahnwesens lösen lassen. OpenTrack erlaubt die Modellierung, Simulation und Analyse unterschiedlicher Bahnsysteme und Zugsgattungen. Typische Fragestellungen für OpenTrack sind beispielsweise die Berechnung von Fahrzeiten, die Fahrplankonstruktion, Stabilitäts- und Machbarkeitsuntersuchungen von Fahrplänen oder der Nachweis von Infrastrukturbedarf.
Viriato
Das Fahrplan-Planungssystem Viriato von sma.software ist ein leistungsstarkes, integriertes Werkzeug zur Optimierung des Prozesses der Eisenbahnplanung. Es ist in zwei Versionen verfügbar (Enterprise und Standard), von denen im Digital Mobility Lab die Version Viriato Standard eingesetzt wird.
Viriato Standard deckt die Anforderungen der Bahnindustrie bestmöglich ab. Die Nutzung von weltweiten Best Practices sowie die systematische Integration des Feedbacks unserer Anwendenden ergeben ein System, das höchsten Anforderungen an Funktionalität und Zuverlässigkeit gerecht wird. sma.software ermöglicht grundsätzlich, das Produkt Viriato mit Ergebnissen aus Forschung und Entwicklung zu erweitern.
SimaPro
SimaPro ist die weltweit am meisten verkaufte Ökobilanz-Software mit Nutzenden in über 80 Ländern. Mit SimaPro sind effiziente, verlässliche und qualitative hochwertige Analysen im Ökobilanzbereich möglich. Ein weiterer Vorteil ist die umfassende Auswahl an verfügbaren Sachbilanzdatenbanken (z. B. der ecoinvent-Datenbank) und Bewertungsmethoden. SimaPro erlaubt eine effiziente und transparente Bilanzierung von Prozessen und Dienstleistungen. Jeder einzelne Einheitsprozess kann analysiert und eine Substanz über den gesamten Lebenszyklus verfolgt werden.
AnyLogic
AnyLogic stellt eine einheitliche Plattform für eine Vielzahl von möglichen Fragestellungen im Bereich der dynamischen Modellierung und Simulation zur Verfügung. Mit AnyLogic können Anwender:innen verschiedenste Systeme und Prozesse aus Wirtschaft, Technik, Gesellschaft und Umwelt simulieren und untersuchen; von Fertigungslinien und Logistiksystemen, über Marketingkampagnen und gesellschaftliche Fragestellungen bis hin zu Verkehrssystemen (z. B. Fussgänger oder Strassenverkehr). Eine Stärke von AnyLogic ist, dass damit eine Umgebung für die sogenannte Multimethoden-Modellierung bereitgestellt wird. Damit können Modelle mit drei modernen Simulationsmethoden entwickelt und untersucht werden: Ereignisorientierte Methode (Discrete Event Systems), Agentenbasierte Modellierung (Agent-Based Modelling) und Systemdynamik (System Dynamics).
LinTim
LinTim ist ein wissenschaftlicher Software-Werkzeugkasten, der sich seit 2007 in der Entwicklung befindet und die Möglichkeit bietet, die verschiedenen Planungsschritte im öffentlichen Verkehr zu lösen. Obwohl sich der Name ursprünglich von "Lineplanning and Timetabling" ableitet, sind die verfügbaren Funktionen weit über diesen Umfang hinaus gewachsen. Derzeit implementiert sind u. a. Algorithmen für die Linienplanung, die Fahrplanerstellung, das Verspätungsmanagement und den Umlauf von Fahrzeugen. Die Integration in eine gemeinsame Umgebung ermöglicht es, die gegenseitige Beeinflussung der Planungsschritte zu analysieren und grafisch darzustellen. So können Lösungseigenschaften gefunden werden, die bei klassischen Ansätzen unsichtbar gewesen wären. Die gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um z. B. bereits die Linien so zu planen, dass ein guter Fahrplan entsteht, oder um Fahrpläne zu planen, die robust gegen Verspätungen sind.
Lab Manager
ZHAW
School of Engineering
Forschungsschwerpunkt Transport and Traffic Engineering
Technikumstrasse 81
8400 Winterthur
ICT-System-Administrator
ZHAW
School of Engineering
Technikumstrasse 9
8400 Winterthur
DML-Team
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Prof. Dr.-Ing. Thomas Sauter-Servaes
ZHAW School of Engineering
Abteilung Angewandte Mathematik, Physik, Systeme und Operations
Technikumstrasse 9
8400 Winterthur -
ZHAW School of Engineering
Forschungsschwerpunkt Transport and Traffic Engineering
Technikumstrasse 81
8400 Winterthur -
ZHAW School of Engineering
Institut für Datenanalyse und Prozessdesign
Technikumstrasse 81
8400 Winterthur -
ZHAW School of Engineering
Forschungsschwerpunkt Nachhaltiges Supply Chain Management und Mobilität
Technoparkstrasse 2
8400 Winterthur -
ZHAW School of Engineering
Forschungsschwerpunkt Nachhaltiges Supply Chain Management und Mobilität
Technoparkstrasse 2
8400 Winterthur