1 Einleitung

Anmerkungen zur Diplomarbeit:
Diese Diplomarbeit wurde mit dem Composer der Fa. Netscape erstellt. Die Bilder sind zum größten Teil mit Corel Draw 7.0 gezeichnet und dann im .gif-Format gespeichert. Die Einrechnungen wurden mit gnuplot erzeugt und mit Picture Publisher 6.0 nachbearbeitet.

1.1 Historischer Hintergrund

In den Anfängen der Trassierung verwendete man zur Beschreibung von Straßen, Gleisen und Kanälen Geraden und Kreise. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Fahrzeuge wurde es jedoch notwendig, ein weiteres Trassierungselement einzusetzen, um sprunghafte Fliehkraftwechsel zu vermeiden. Dazu wurde von L. Oerley erstmals im Jahr 1937 die Klotoide verwendet. Von diesem Zeitpunkt an etablierte sich die Klotoide als Geometrie-Element neben der Gerade und dem Kreis.
Die Klotoide ist eine Spiralkurve mit einer sich stetig ändernden Krümmung und wurde bereits 1860 von Max v. Leber untersucht.^§1 Durch den Einsatz von Klotoiden wurde es möglich Strecken ohne Krümmungssprünge zu beschreiben. Die Verwendung von Klotoiden brachte jedoch auch Nachteile mit sich. Klotoiden lassen sich nämlich nur näherungsweise berechnen. Man benutzte bei der Trassierung Klotoidenlineale, die man geeignet in den Plan legte, um daraus die benötigten Klotoiden zu berechnen. Im Jahre 1942 erschien in Berlin die erste Auflage des Buches "Die Klotoide als Trassierungselement". Es handelt sich dabei um das Standardwerk zur Klotoide. Dieses Buch besteht zum Großteil aus Tabellen von Klotoiden. Mit deren Hilfe war es einem Ingenieur möglich, die Zeit für eine Trasseneinrechnung von mehreren Wochen auf wenige Stunden zu reduzieren.
Zur damaligen Zeit gab es nur wenige Großrechner und deren Rechenleistung war im Verhältnis zu heute sehr gering. Ebenso erforderte deren Bedienung viel Zeit. Sie wurden daher nur dazu genutzt, um Klotoidentabellen zu berechnen. An eine Trasseneinrechnung war noch nicht zu denken. Erst mit der exponentiell wachsenden Rechenleistung gekoppelt mit dem Preisverfall und der immer intuitiver werdenden Bedienung wurde es möglich Programme zu entwickeln, die den Ingenieur bei der Trassierung unterstützen. Mit deren Hilfe ist der Anwender in der Lage, durch wenige Befehle innerhalb von Sekunden eine Trasse zu generieren und diese dann nach Belieben zu modellieren, bis sie seinen Ansprüchen genügt.

1.2 Grundgedanken bei der Trassierung

Für die Berechnung einer optimalen Trasse sind verschiedene, teils gegensätzliche Gesichtspunkte relevant. Es handelt sich dabei um folgende Faktoren:

Verlauf durch Zwangspunkte

flüssiger Trassenverlauf

Verkehrssicherheit

geringe Umweltbelastung und Zerstörung

fahrpsychologische Einflüsse

geringe Baukosten

ästhetische Gesichtspunkte

Je nach Gewichtung obiger Punkte gilt es eine optimale Trasse zu berechnen. Da es sich um die Entwicklung eines Programmes zur Trassierung von virtuellen Strecken handelt, treten insbesondere die ersten drei Faktoren in den Vordergrund.

1.3 Aufbau eines Fahrsimulators

Neben der Hardware wie beispielsweise dem Hydraulikgestell oder der sich darauf befindenden Kabine ist zum Betrieb eines Simulators auch Software nötig. Die Software ist im wesentlichen zweigeteilt. Man unterscheidet zwischen Sichtsystem und Basissimulation.
Das Sichtsystem berechnet anhand der aktuellen Position des Fahrzeuges in der virtuellen Welt sowie vorgegebenen Parametern wie Lichtmodell, Szenarien, Umwelteinflüsse durch Schnee, Regen oder sonstige Witterungsbedingungen, ein oder mehrere Bilder, die dann für den Fahrschüler dargestellt werden. Die Basissimulation ist hauptsächlich für die Dynamik verantwortlich. Sie bedient die Hydraulik und sorgt für eine realistische Ansteuerung der Instrumententafeln des Simulators.

1.4 Hintergrund der Diplomarbeit - der Streckeneditor

Derzeit liefern die Auftraggeber ihre Daten an Krauss-Maffei Wegmann. Sie werden in ein eigenes Format konvertiert, das sämtliche für den Simulator relevanten Informationen enthält. Aus diesem sogenannten Basisdaten-Format wird mit Hilfe von Programmen ein OpenFlight-File und ein Move-File generiert.
Das OpenFlight-Format wurde von MultiGen entwickelt und dient zur Verwaltung von Geländemodellen. Es beinhaltet die Daten für das Sichtsystem.
Im Move-File sind für die Basissimulation relevante Informationen gespeichert.
Ziel war die Entwicklung eines Editors, mit dessen Hilfe die Basisdaten modifiziert werden können. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Datenbasis ohne größeren Aufwand an Kundenwünsche anzupassen. Unter anderem soll der Editor in der Lage sein, den Streckenverlauf zu modifizieren und neue Trassen zu generieren. Die Einrechnung und Modifikation der Trassen ist der Kern dieser Diplomarbeit.

1.5 Getroffene Einschränkungen

Die Diplomarbeit behandelt eine Trassierung in der x-y-Ebene. Höheninformationen wie Neigungen des Gleises werden nicht berechnet. Diese Informationen können nachträglich generiert werden und sind orthogonal zur Modellierung in der Ebene, das heißt, sie sind gesondert behandelbar.
Sämtliche Berechnungen wurden im kartesischen Koordinatensystem durchgeführt. Eine Transformation kompletter Streckenzüge hätte den Umfang der Diplomarbeit gesprengt. Es ist jedoch möglich, aufbauend auf meine Algorithmen Methoden zu entwickeln, mit dessen Hilfe ganze Streckenabschnitte modifiziert werden können. In der Diplomarbeit wird nur die Neueinrechnung und Modifikation einzelner Streckenpunkte behandelt. Bei der Modifikation von Streckenpunkten wurde lediglich das zugehörige Rail in Betracht gezogen. Sofern bis zu den Enden eines Rails keine Einrechnung gefunden ist, wird die Berechnung abgebrochen. Darüber hinausgehende Betrachtungen wurden nicht durchgeführt, da sie umfangreichere Modifikationen des Streckennetzes nach sich ziehen.