Dr.-Ing. Matthias Jelinski, IVE mbH, Hannover
Dipl.-Ing Sascha Nesterow, TU Berlin, FG Schienenfahrzeuge
Mainz, 9. Oktober 2014
Konzept-Bausteine für ein Monitoring des Schienenverkehrslärms
Fachgebiet Schienenfahrzeuge
Ingenieurgesellschaft fürVerkehrs-und Eisenbahnwesen mbH
Inhalt
Bild 1Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Unterscheidung von Konzept-Bausteinen
• Ziele und Randbedingungen
• Ableitung von Anforderungen
Beispiele für ausgewählte Konzept-Bausteine
• Festlegung: Anzahl und Lage erforderlicher Messstellen im Eisenbahnnetz
• Notwendige Systeme
• Messung und Auswertung der Zugvorbeifahrten
Kurz-Vorstellung des Vorhabens (UFOPLAN) 3712 54 100
� «Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms»
Inhalt
Bild 1.1Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Unterscheidung von Konzept-Bausteinen
• Ziele und Randbedingungen
• Ableitung von Anforderungen
Beispiele für ausgewählte Konzept-Bausteine
• Festlegung: Anzahl und Lage erforderlicher Messstellen im Eisenbahnnetz
• Notwendige Systeme
• Messung und Auswertung der Zugvorbeifahrten
Kurz-Vorstellung des Vorhabens (UFOPLAN) 3712 54 100
� «Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms»
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
Bild 2Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Vorhaben (UFOPLAN) 3712 54 100
Projektziele und Arbeitsplan
• Auftraggeber • Forschungsnehmer
Beginn 10/2012
AP 4 – AP 6AP 1 – AP 3 AP 7 + AP 8
Kosten- und
Wettbewerbs-
bedingungen
untersuchen
Sektorinterne
Hemmnisse
identifizieren und
analysieren
Lösungsansätze
entwickeln und
Realisierbarkeit
abschätzen
Umsetzungskonzeption
• Monitoring
• Anreizsysteme
Abschluss 5/2016
Dr. Weinandy Prof. Mitusch Prof. Hecht Prof. Siefer Prof. Pache
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
Bild 2.1Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Vorhaben (UFOPLAN) 3712 54 100
Projektziele und Arbeitsplan
• Auftraggeber • Forschungsnehmer
Beginn 10/2012
AP 4 – AP 6AP 1 – AP 3 AP 7 + AP 8
Kosten- und
Wettbewerbs-
bedingungen
untersuchen
Sektorinterne
Hemmnisse
identifizieren und
analysieren
Lösungsansätze
entwickeln und
Realisierbarkeit
abschätzen
Umsetzungskonzeption
• Monitoring
• Anreizsysteme
Abschluss 5/2016
Dr. Weinandy Prof. Mitusch Prof. Hecht Prof. Siefer Prof. Pache
Inhalt
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES
09.10.2014
Unterscheidung von Konzept-Bausteinen
• Ziele und Randbedingungen
• Ableitung von Anforderungen
Kurz-Vorstellung des Vorhabens (UFOPLAN) 3712 54 100
� «Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms»
Beispiele für ausgewählte Konzept-Bausteine
• Festlegung: Anzahl und Lage erforderlicher Messstellen im Eisenbahnnetz
• Messung und Auswertung der Zugvorbeifahrten
• Notwendige Systeme
Konzeption Monitoring Schienenverkehrslärm
Bild 3Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Konzept-Bausteine
Ziele,Strategien
Verfahren, Organisation
Technische Randbedingungen
TechnischeAnforderungen
Ausbildung Messstelle, Netzwerk, …
Rechtlicher Rahmen
Entw
icklu
ngsr
ichtu
ng
TOP
Down
Entw
icklu
ngsrich
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Bottom
Up
Monitoring des Schienen(güter)verkehrslärms für…
Bild 4Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Ziel 2: Identifikation lauter Güterwagen
• Zuordnung: Schalldruckpegel – Wagen
• Information der EVU/Wagenhalter
• Überwachung im
laufenden Bahnbetrieb
Ziele, Strategien
Ziel 1: Erfassung des Schienenlärms
• Ist-Zustands, Langzeittrends
• Darstellung (zukünftiger)
Verbesserungen
• Überprüfung der Lärmkartierung
� Technische Innovationen
� Ergriffene Maßnahmen
� Fahrzeug-Instandhaltung
�Sanktionsregime: Boni, Strafzölle
�Betriebsbeschränkungen
Monitoring des Schienen(güter)verkehrslärms für…
Bild 4.1Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Ziele, Strategien
Tech
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Akte
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höher
Ziel 2: Identifikation lauter Güterwagen
• Zuordnung: Schalldruckpegel – Wagen
• Information der EVU/Wagenhalter
• Überwachung im
laufenden Bahnbetrieb
Ziel 1: Erfassung des Schienenlärms
• Ist-Zustands, Langzeittrends
• Darstellung (zukünftiger)
Verbesserungen
• Überprüfung der Lärmkartierung
Monitoring des Schienen(güter)verkehrslärms durch…
Bild 5Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Technische Randbedingungen
�Grenz-/ Eingreifwerte für Lärm
�Achsabstände
�Schnittstellen für Vernetzung
Fahrwegseitige Messung
Notwendige Systeme: Grundausstattung einer Messstelle
• Schallmessung durch 2 Mikrofone
• Achsdetektoren �Steuerung des Auswertezeitraums
�Bezug Schallmessung – Zugvorbeifahrt
� Erkennen von Gv, Pv, Wagen
�Verkehrsaufkommen
�Züge, Wagen
• Auswertesystem und
-algorithmen
• Kommunikationssystem
Anforderungen an ein Monitoringsystem – Top-Down
Bild 6Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Ziele, Strategien
Reproduzierbarkeit der
Messungen
• Doppel-/ Mehrfach-Auswertung
� Zentrale Datenhaltung
• Beobachtungzeitraum
� Datenarchivierung
Betreibermodelle
• Empfehlung: Öffentlicher Betreiber
� Daten-Zugriff, Datenschutz
Überwachungsdichte
• Anzahl und Lage
der Stationen im Netz
Verfahren, OrganisationRechtlicher Rahmen
Technische Anforderungen
Anforderungen an ein Monitoringsystem – Top-Down + Bottom-Up
Bild 7Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Technische Anforderungen
Ergänzungssysteme
• Kommunikationssysteme,
notwendige Schnittstellen
• Datenarchivierung für
Langzeit-Untersuchungen
• Identifikationssysteme:
Zug, Fahrzeug, Wagen
• Technischer Daten-Server
Ziele, StrategienTechnische Randbedingungen
Messstelle, Akustikmodul
• Örtlichkeit
• Infrastruktur der Station
• Gleislage
• Gleisabklingrate (TDR)
• Schienenrauheit
�Normiertes Umfeld
� Instandhaltung: Messstelle + Gleis
Inhalt
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES
09.10.2014
Unterscheidung von Konzept-Bausteinen
• Ziele und Randbedingungen
• Ableitung von Anforderungen
Kurz-Vorstellung des Vorhabens (UFOPLAN) 3712 54 100
� «Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms»
Beispiele für ausgewählte Konzept-Bausteine
• Festlegung: Anzahl und Lage erforderlicher Messstellen im Eisenbahnnetz
• Notwendige Systeme
• Messung und Auswertung der Zugvorbeifahrten
Grobkonzeption fahrwegseitiges Monitoringsystem
Bild 8Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Erforderliche Messstellen im
Eisenbahnnetz
• Lage im Netz
� Eisenbahnbetrieblich sinnvoll
• Anzahl der Messstellen
� Zwei Ansätze
� Ziele des Monitorings
Aufkommen des SGV
• Quellen: IVE, destatis,
DB-Veröffentlichungen
• Stand 2013
• Anzahl Güterzüge:
ca. 895,61 Mio. Züge
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 8.109.10.2014Strategien zur effektiven Minderung
des Schienengüterverkehrslärms
Aufkommen des SGV
• Quellen: IVE, destatis,
DB-Veröffentlichungen
• Stand 2013
• Anzahl Güterzüge:
ca. 895,61 Mio. Züge
�Verkehrsleistung: Zug-km
Grobkonzeption Monitoringsystem
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 909.10.2014
1. Ansatz: 15 Stationen
• Verteilung im Netz
• Ziel 1: Erfassung des Lärms
Aufkommen des SGV
• Stand 2013
Strategien zur effektiven Minderungdes Schienengüterverkehrslärms
Erforderliche Messstellen
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 9.1 09.10.2014
1. Ansatz: 15 Stationen
• Verteilung im Netz
• Ziel 1: Erfassung des Lärms
Aufkommen des SGV
• Stand 2013
Abgleich
Schienenverkehrslärm
• Nächtliche Schall-
emissionen 2012
• Quelle: DB Umwelt-
zentrum, ISU LENa
Strategien zur effektiven Minderungdes Schienengüterverkehrslärms
Erforderliche Messstellen
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 9.2 09.10.2014
Anteil der erfassten
Verkehrsleistung
• Verkehrsleistung: Zug-km
• Keine Beachtung von
Mehrfach-Messungen
1. Ansatz: 15 Stationen
• Verteilung im Netz
• Ziel 1: Erfassung des Lärms
� 15 Stationen: 69% der Zug-km
Strategien zur effektiven Minderungdes Schienengüterverkehrslärms
Erforderliche Messstellen
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 9.309.10.2014
Anteil der erfassten
Verkehrsleistung
• Verkehrsleistung: Zug-km
• Keine Beachtung von
Mehrfach-Messungen
1. Ansatz: 15 Stationen
• Verteilung im Netz
• Ziel 1: Erfassung des Lärms
� 15 Stationen: 69% der Zug-km
� 6 Stationen: 49% der Zug-km
Strategien zur effektiven Minderungdes Schienengüterverkehrslärms
Erforderliche Messstellen
Anzahl und Lageder Stationen im Netz
Bild 1009.10.2014Strategien zur effektiven Minderung
des Schienengüterverkehrslärms
Anteil der erfassten
Verkehrsleistung
• Verkehrsleistung: Zug-km
2. Ansatz: Zugverfolgung
• Doppel- / Mehrfach-
Auswertung
• Ziel 2: Identifikation
�Streckenabschnitte
Erforderliche Messstellen
Bild 10.109.10.2014
Anteil der erfassten
Verkehrsleistung
• Verkehrsleistung: Zug-km
� Anteil an der Gesamtleistung
2. Ansatz: Zugverfolgung
• Doppel- / Mehrfach-
Auswertung
• Ziel 2: Identifikation
� 8 Abschnitte: 52 % der Zug-km
� 16 Stationen
Strategien zur effektiven Minderungdes Schienengüterverkehrslärms
�Streckenabschnitte
Erforderliche Messstellen
Ausstattungsvarianten der Messstelle
Bild 11Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Subsysteme an einer Messstelle
Notwendige Arbeiten
• Kalibrierung + System-Check
• Instandhaltung Gleis
7,5 m 7,5 m
1,2 m ü. SO
1,2 m ü. SO
• Akustikmodul
• Energie + Infrastruktur
• Kommunikationssystem
LST
• Identifikationssystem
• Schnittstellen, z. B. LST
Netzwerk-Umgebung für alle Messstellen
Bild 12Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Einmal-Entwicklungen
• Bildauswerte-Software
• Schnittstellen
Fahrzeug-/ Wagen-Datenbanken
Personale
• Auswertung Akustik
• Verwaltung / Instandhaltung
des Systems• Datenbank «Akustik»
• Auswerte-Server
«Überwachung»
• Technischer
Daten-Server
Alle Messstellen
• Ergebnisse
• Lebens-
zeichen
Subsysteme der Umgebung
Lösungsansätze
Bild 13Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Ziel 1: Erfassung des Schienenlärms
• Empfehlung: Messaufbau
nach TSI Noise
• Bestimmung des Vorbeifahrt-
pegels LAeq für gesamten Zug
nach TSI Noise
• Bestimmung des Tag-, Abend-,
Nacht-Pegel LDEN
nach TA Lärm
�Akustischer Zustand des Gleises
nach TSI Noise nicht zwingend
notwendig
� «Leise» Wagen kaum einen
Einfluss auf Vorbeifahrtpegel
-300
-200
-100
0
100
200
300
Mik
rofo
nsi
gn
al [
mV
/Pa
]
1
2
3
4
5
6
Ach
ssig
na
l [V
]
-5 0 5 10 15 20 25 30
s
0
5
10
15
20
25
Zeit
[s]
0 1 2 3 4 5Frequenz [kHz]
40
50
60
70
80
Sch
alld
ruck
peg
el [
dB]
Messung und Auswertung einer Zugvorbeifahrt
Bild 14Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Mikrofon
Achsdetektion
Mikrofon- und Achssignal
Frequenzverlauf
Schallpegelverlauf
60
65
70
75
80
85
90
Sch
alld
ruck
pe
ge
l [d
B(A
)]
-5 0 5 10 15 20 25 30Zeit [s]
Beispiel: 4-achsige Lok, 1 × 4-achsiger Aufenthaltswagen, 15 × Sggrss-Wagen (6-achsige Gelenkwagen)am 02.04.2014 zwischen Waidbruck und Klausen (Südtirol), V ≈ 75km/h
Messung und Auswertung einer Zugvorbeifahrt
Bild 15 Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Vorbeifahrt (apl=0,20)LAeq=89,2 dB(A) (LAeq,80=90,1 dB(A))
60
65
70
75
80
85
90
Sch
alld
ruck
pe
ge
l [d
B(A
)]
-5 0 5 10 15 20 25 30Zeit [s]
TSI-Grenzwert (Neubau)
LAeq=83 dB(A)
TSI-Grenzwert(Erneuerung)LAeq=85 dB(A)
Achssensoren
Beispiel: 4-achsige Lok, 1 × 4-achsiger Aufenthaltswagen, 15 × Sggrss-Wagen (6-achsige Gelenkwagen)am 02.04.2014 zwischen Waidbruck und Klausen (Südtirol), V ≈ 75km/h
Messung und Auswertung einer Zugvorbeifahrt
Bild 15.1 Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
60
65
70
75
80
85
90
Sch
alld
ruck
pe
ge
l [d
B(A
)]
-5 0 5 10 15 20 25 30Zeit [s]
• Beispiel: Sggrss
• Wagenscharfe Messung
LAeq, Wagen= 83 dB(A)
• Achsscharfe Messung
mit Impulszeitbewertung
� nicht nach TSI
LAeq,1 = 81,7 dB(A)
LAeq,2 = 81,9 dB(A)
LAeq,3 = 77,8 dB(A)
LAeq,4 = 77,8 dB(A)
LAeq,5 = 87,2 dB(A)
LAeq,6 = 87,5 dB(A)Achssensor
Lösungsansätze
Bild 16Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Ziel 2: Identifikation lauter Güterwagen
• Empfehlung: Messaufbau nach TSI Noise
• Gleiszustand nach TSI Noise (Schienenrauheit, Abklingrate)
• Wagen- oder Achsscharfe Detektion
• Bestimmung von Eingreifwerten
� für die Information
der EVU und Wagenhalter
� für Boni oder Strafzölle
�Grenzwerte nach TSI Noise
nicht geeignet
�Akustische Neutralität der
Nachbarwagen kann nicht
gewährleistet werden
• Kurzer Zeitbereich bei der Vorbeifahrt (neue Zeitbewertung)
� Frequenzanalyse zur Detektion von tonhaltigen Geräuschen
Zusammenfassung Monitoringsystem
Bild 17Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms
(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES09.10.2014
Konzept-Bausteine für ein Monitoringsystem
• Ableitung technischer Anforderungen
Grobkonzeption für ein fahrwegseitiges Monitoring
• Lage der Messstellen im Netz
• Notwendige Anzahl von Messstellen
�Ausrichtung des Monitoringsystem auf die Zielsetzung
• Ziel 1 «Erfassung»
• Ziel 2 «Identifikation lauter Güterwagen»
�Festlegung eines rechtlichen Rahmens und von Standards
Dr.-Ing. Matthias Jelinski, IVE mbH, Hannover
Dipl.-Ing Sascha Nesterow, TU Berlin, FG Schienenfahrzeuge
Mainz, 9. Oktober 2014
Konzept-Bausteine für ein Monitoring des Schienenverkehrslärms
Fachgebiet Schienenfahrzeuge
Ingenieurgesellschaft fürVerkehrs-und Eisenbahnwesen mbH
Kostenhochrechnung für eine Messstelle
Bild 1809.10.2014
Subsystem Investitions-kosten
in [€]
LebensdauerRevisions-zeitraumin [a]
Laufende Kosten
in [€]
Energie und Infrastruktur 20.000 20 12.000
Akustikmodul,Erst-Kalibrierung und Installation
70.000 6 15.000
Identifikationssystem mit intelligenter Videotechnik
80.000 5 10.000
Kommunikationssystem mit netzwerkfähiger Datenverbindung
15.000 5 2.000
Instandhaltung der Messstelle mit Kalibrierung und System-Checks
2.000
Instandhaltung der Gleise 15.000
Kosten-Ansätze für eine Messstelle 185.000 56.000
Summe für 16 Messstellen 2,96 Mio. 896.000
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES
Kostenhochrechnung Monitoringsystem
Bild 1909.10.2014
Datenbank Akustik 60.000 3 195.000
Auswerte-Server Überwachung 60.000 3 5.000
Entwicklung Bildauswerte-Software 100.000 4 0
Schnittstellen zur Fz-Identifikation 50.000 250.000
Technischer Daten-Server 35.000 3 140.000
Summe 305.000 590.000
Subsystem Investitions-kosten
in [€]
LebensdauerRevisions-zeitraumin [a]
Laufende Kosten
in [€]
Summen 3,265 Mio. 1,486 Mio.
Ansatz Netzwerk-Umgebung
Kostenansätze Monitoring
Strategien zur effektiven Minderung des Schienengüterverkehrslärms(UFOPLAN) 3712 54 100 im Auftrag des UMWELTBUNDESAMTES