Neues verkehrswissenschaftliches Journal - Ausgabe 14

Mikroskopische Engpassanalyse bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen

Xiaojun Li

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2015
• ISBN drucken: 9783739200439
• eBook-ISBN: 9783739262543
• Auflage: 1
• Thema: Business
• Thema: Management

Die Engpassanalyse ist eine der wichtigsten Aufgaben bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen in allen Planungsphasen, weil die Betriebsqualität und Kapazität der Infrastruktur durch Engpässe im Eisenbahnnetz stark beeinflusst werden können. Da Engpässe häufig in Infrastrukturbereichen mit komplexen Gleisstrukturen entstehen, beschränkt die hiermit verbundene hohe Berechnungskomplexität die Entwicklung in diesem Forschungsgebiet seit längerer Zeit. Mit Unterstützung der modernen Rechentechnik heutzutage kann die Beschränkung durch die Anwendung von passenden Werkzeugen und innovativen Bewertungsansätzen überwunden werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die simulative Methode zur mikroskopischen Engpassanalyse basierend auf einem neuen mikroskopischen Infrastrukturmodell entwickelt, die umfangreiche Aussagen über Engpässe und deren Ursachen unabhängig von der Komplexität der Infrastruktur und des Betriebsprogramms liefert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der mikroskopischen Lokalisierung von Engpässen und Bestimmung von deren Ursachen bei der Nutzung der simulativen Methode. Es wird der Zusammenhang von lokalen Engpässen im Untersuchungsraum und dem globalen Leistungsverhalten diskutiert und darüber hinaus die Korrelation der Wirkung von Engpässen und den mutmaßlichen Ursachen untersucht. Um die tatsächlichen Ursachen von Engpässen festzustellen, wird die Wirkung der Behinderungsfortpflanzung infolge des Zusammenwirkens von Infrastrukturabschnitten und Zugfahrten in dieser Arbeit berücksichtigt.

1 Einleitung

In allen Bereichen der Verkehrsinfrastruktur, ob auf Straßen, Schienen, Luftwegen oder Wasserstraßen, kann durch die Zunahme der Verkehrsbelastung ab einem gewissen Zeitpunkt das Verkehrsangebot die gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllen, sodass Engpässe wirksam werden und auf diese Weise die Infrastrukturnutzung gebremst wird. Der spurgeführte Verkehr nimmt als umweltfreundliches motorisiertes Verkehrsmittel eine strategische Rolle bei der Gestaltung nachhaltiger Verkehrssysteme ein, deren Kapazität und Qualität auch von Engpässen stark beeinträchtigt werden. Um eine Kapazitätssteigerung eines Verkehrssystems unter Beibehaltung einer gewünschten Qualität herbeizuführen, müssen vordringlich Engpässe, die betriebsbehindernd wirken, beseitigt oder minimiert werden. Wo sich der Engpass befindet, der für die Kapazität eines Eisenbahnnetz oder –teilnetz maßgebend ist, ist zurzeit oftmals nicht eindeutig bestimmbar und nur nach Erfahrungen abschätzbar. Zu diesem Zweck wird die Engpassanalyse in eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen eingesetzt, um Engpässe und deren Ursachen in einem Untersuchungsraum mittels modernen Verfahren zu identifizieren. Dafür werden Leistungsuntersuchungen durchgeführt, mit denen der Einfluss des Zusammenwirkens der beteiligten Verkehrskomponenten – Infrastruktur, Betriebsprogramm und Fahrzeuge – auf Kapazität und Qualität des Verkehrssystems untersucht und bewertet werden.

Von vorrangigem Interesse bezogen auf die Verkehrskomponente Infrastruktur ist dabei das Eisenbahnnetz, welches aus Eisenbahnknoten und Strecken besteht, die die Eisenbahnknoten miteinander verknüpfen. Aus zahlreichen praktischen Beispielen lässt sich schließen, dass die Leistungsfähigkeit eines Eisenbahnknotens maßgeblich von dessen Gestaltung und Nutzung abhängt. Obwohl Eisenbahnknoten eines Eisenbahnnetzes aufgrund ihrer komplexen Gleisstruktur im Gegensatz zu den Strecken häufig Engpässe darstellen, existieren für Eisenbahnknoten bisher nur wenige Verfahren, um die Kapazität eines Eisenbahnknotens zu bewerten sowie gleichzeitig die zugrunde liegenden Ursachen der Engpässen zu identifizieren. Darüber hinaus ist es relativ schwierig, geeignete Maßnahmen zur Beseitigung derartiger Engpässe zu ermitteln. Der Grund hierfür liegt darin begründet, dass sich die gegenwärtig existierenden Bewertungsverfahren weitgehend lediglich auf abgeschlossene Teilbereiche beziehen. Daher ist eine ganzheitliche Betrachtung eines größeren Untersuchungsraums, der Strecken und Eisenbahnknoten oder komplexe Knotenstrukturen umfasst, in detaillierter Form bislang nicht durchführbar.

In der vorliegenden Arbeit, die im Zusammenhang mit dem DFG-Forschungsprojekt [Martin & Li 2014] entstanden ist, wird ein neues Verfahren zur mikroskopischen Engpassanalyse bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen entwickelt, um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden. Diese Engpassanalyse orientiert sich an einer konkreten Problemlösung, indem Engpässe und deren Ursachen diagnostiziert werden, um darauf aufbauend geeignete Maßnahmen zur Beseitigung oder Vermeidung von Engpässen abzuleiten.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Engpassanalyse im spurgeführten Verkehr unter Verwendung mikroskopischer Modelle sowie der simulativen Methode und ist wie folgt aufgebaut:

• Kapitel 2 gibt einen Überblick über die Problematik der Engpassanalyse im spurgeführten Verkehr und die gängigen Methoden der eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen, bei denen die Engpassanalyse berücksichtigt wird.
• Die Modellauswahl dient als eine wichtige Voraussetzung für eine zielorientierte Engpassanalyse. In Kapitel 3 werden verschiedene Modelle der Leistungsuntersuchungen vorgestellt, die für unterschiedliche Aufgabenstellungen eingesetzt werden. Für die Zielstellung der vorliegenden Arbeit wird das im Rahmen des DFG-Projekts [Martin & Li 2014] entwickelte mikroskopische Modell für die weitere Untersuchung ausgewählt, da es sich für den beabsichtigten Zweck als besonders vorteilhaft erweist.
• Kapitel 4 und 5 stellen den Kern der Arbeit dar und beschreiben die wesentlichen Ansätze zur Identifizierung von Engpässen sowie deren Ursachen. In Kapitel 4 wird dabei der Ansatz zur Lokalisierung von Engpässen vorgestellt, der basierend auf der Grundlage des DFG-Projekts [Martin & Li 2014] entwickelt wurde. Kapitel 5 stellt den Ansatz zur Bestimmung der tatsächlichen Ursachen von Engpässen dar, wobei auf den Suchalgorithmus aus dem DFG-Projekt [Martin & Li 2014] aufgebaut wird.
• Kapitel 6 beschreibt, wie die Engpassanalyse mit den Ansätzen aus den Kapiteln 4 und 5 bei allgemeingültigen Leistungsuntersuchungen angewendet und integriert wird.
• Die wesentlichen Ergebnisse und ein Ausblick über die Weiterentwicklung sowie offene Fragen werden in Kapitel 7 zusammengestellt. Die Ergebnisse der mikroskopischen Engpassanalyse mit den hier beschriebenen Bewertungsansätzen werden mit Fallbeispielen im Anhang erläutert.

2 Grundlagen der Engpassanalyse im spurgeführten Verkehr

Verkehrsträgerübergreifend sind Engpässe maßgebend für die Kapazität des Verkehrssystems. Der Zusammenhang von Kapazität und Engpässen ist allerdings aufgrund der verkehrsträgerspezifischen Besonderheiten unterschiedlich. Das führt dazu, dass jeder Verkehrsträger einen individuellen Anspruch für die Engpassanalyse besitzt. Im Allgemeinen liegen die Ursachen von Engpässen in der Gestaltung und der Nutzung (Betrieb) der Infrastruktur. In diesem Kapitel werden zunächst die Engpässe allgemein im Verkehr und die Besonderheiten im spurgeführten Verkehr diskutiert. Die Engpassanalyse ist eine Teilaufgabe von Leistungsuntersuchungen, weshalb die theoretischen Grundlagen von Leistungsuntersuchungen ebenfalls Gültigkeit besitzen. In Abschnitt 2.2 und 2.3 werden die Grundbegriffe und die gängigen Methoden bei Leistungsuntersuchungen vorgestellt, darauf basierend die Anforderungen zur Engpassanalyse bei Leistungsuntersuchungen verdeutlicht und anschließend die Zielstellung der vorliegenden Arbeit abgeleitet.

2.1 Engpässe im spurgeführten Verkehr

2.1.1 Engpässe im Verkehr allgemein

Der Begriff „Engpass“ wird laut Duden [DUDEN] definiert als:

„Schmale, verengte Stelle auf einem Weg, einer Straße, einem Durchgang o. Ä.“ oder „wirtschaftliche Notlage, schwierige Situation [In der etwas knapp geworden ist]“

Engpässe im Verkehr können ursachenbezogen in zwei Kategorien gegliedert werden:

• Dauerhafte Engpässe
• Temporäre Engpässe

Dauerhafte Engpässe sind Engpässe, die im System regelmäßig auftreten und dauerhaft existieren. Sie resultieren aus verschiedenen Gründen, wobei die folgenden zu den bedeutsamsten zählen:

• Engstellen in der Infrastruktur, die aus räumlichen, geografischen oder technischen Gegebenheiten die flüssige Durchfahrt behindern,
• Starke Verkehrsbelastung aus regelmäßigen richtungsbezogenen oder zeitraumbezogenen starken Verkehrsströmen oder aus hohem Fahrgastaufkommen
• Unzureichende Anschlüsse sowie langandauernde Bauarbeiten

Dauerhafte Engpässe sind meist vorhersehbar und durch die Umsetzung von geeigneten Optimierungsmaßnahmen in den Planungsphasen vermeidbar. Im Vergleich dazu resultieren temporäre Engpässe aus in Planungsphasen nicht vorhersehbaren Situationen, die vorrangig dispositiv behandelt werden, wie beispielsweise:

• Erhöhtes Reisendenaufkommen
• Kurzfristige Wartungsarbeiten
• Witterungsbedingte Störungen
• Unfälle
• Technische Störungen der Einrichtungen

Bei der Engpassanalyse im Rahmen der Leistungsuntersuchung stellt sich die Frage, wie die vielfältigen Ursachen von Engpässen und deren Wirkungen hinreichend berücksichtigt werden können.

2.1.2 Besonderheiten im spurgeführten Verkehr

In [BVU 2007] wird eine Steigerung der Verkehrsleistung im motorisierten Individualverkehr um 16% und im Straßengüterfernverkehr um 84% im Zeitraum von 2004 bis 2025 prognostiziert. Mit dieser Steigerung der Verkehrsleistung werden zwangsläufig immer mehr Engpässe wirksam, wodurch das bereits vorhandene leistungsfähige dichte Straßennetz für die Bewältigung des zunehmenden Verkehrswachstums kaum geeignet sein wird [Martin 2013]. Aufgrund der vielfältigen Vorteile des Schienenverkehrs im Vergleich zum Straßenverkehr werden bei der zukünftigen Infrastrukturplanung die zunehmenden Verkehre verstärkt auf die Eisenbahn verlagert, um negative Auswirkungen des Straßenverkehrs und eine Überlastung des Straßennetzes abzumildern (vgl. [Martin 2013]). Neben seiner Umweltfreundlichkeit zeichnet sich der spurgeführte Verkehr vor allem durch seine Fähigkeit aus, große Mengen von Personen und große Massen von Gütern transportieren zu können. Dieser Vorteil wird allerdings von zwei Systemeigenschaften beschränkt [Pachl 2011]:

• Die Ortsveränderung von Fahrzeugen im spurgeführten Verkehr ist an Schienen gebunden, sodass ein Spurwechsel nur durch voreingestellte bewegliche Fahrwegelemente (Weichen) möglich ist.
• Die große Masse und geringe Reibungskraft der Fahrzeuge führen zu einem langen Bremsweg, der dadurch die Sichtweite des Triebfahrzeugführers übersteigen kann.

Diese beiden genannten Systemeigenschaften werden durch eine spezielle Sicherungs- und Steuerungstechnik beeinflusst. Demzufolge wird die Sicherheit im spurgeführten Verkehr durch eine Einschränkung der Flexibilität erhöht. Aufgrund der betrieblichen Wirkung der Sicherungstechnik müssen oftmals mehrere Infrastrukturabschnitte für einen Zug freigehalten werden, obwohl sie nicht, noch nicht bzw. nicht mehr von diesem Zug befahren werden. Hieraus ergibt sich, dass räumlich nicht belegte Abschnitte der Eisenbahninfrastruktur oftmals nur stark eingeschränkt benutzbar sind.

Aufgrund dieser Systemeigenschaften kann ein Infrastrukturabschnitt durch unterschiedliche Fahrzeuge sogar mehrfach unterschiedlich lang belegt werden, was dazu führt, dass das Mischungsverhältnis der eingesetzten Fahrzeuge bei keinem anderen Verkehrsträger eine so wichtige Rolle spielt wie im spurgeführten Verkehr.

Im Vergleich mit dem Straßenverkehr haben Störungen im Schienenverkehr einen deutlich höheren Einfluss auf die Wirkung von Engpässen. So liegt nach [DB Netz AG 2014] die Ursache von ca. 72% der Verspätungen in Bauarbeiten, technischen Störungen und Fahrwegstörungen. Aus diesem Grund stellt sich bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen die Frage, wie störungsbedingte stochastische Einflüsse berücksichtigt werden sollen.

2.1.3 Definitionen von Engpässen

Bei Leistungsuntersuchungen ist eine eindeutige Definition für den Begriff „Engpass“ nicht vorhanden. Die Definition steht meistens in Zusammenhang mit der Aufgabenstellung und dem Bewertungsverfahren. In [DB Netz AG 2008] wird ein Engpass definiert als „maßgebendes Netzelement für das Leistungsverhalten, dessen Nutzungsgrad der Nennleistung¹ im mangelhaften Bereich der Qualität liegt“. In [UIC 2011] und [Vakhtel 2002] wird ein sehr hochbelastetes Netzelement als ein Engpassabschnitt eines Eisenbahnnetzes identifiziert. Bei beiden Definitionen dient die Belastung als das einzige Kriterium für die Qualität. In der Praxis haben allerdings nicht alle hochbelasteten Infrastrukturabschnitte einen entscheidenden Einfluss auf die gesamte Leistungsfähigkeit. Ist z. B. ein Abstellgleis für einen längeren Zeitraum durch einen haltenden Güterzug belegt, so hat dies trotz hoher Auslastung keinen signifikanten Einfluss auf die gesamte Leistungsfähigkeit, wenn dieses Gleis innerhalb des Auswertezeitraums nicht von anderen Zügen angefordert wird. Aus dieser Überlegung heraus wird die problemstellungsorientierte Definition nach [Hantsch & Li et al. 2013] in der vorliegenden Arbeit verwendet:

Ein Infrastrukturabschnitt² ist dann ein Engpass, wenn andere Fahrten wegen der Belegung auf diesem Infrastrukturabschnitt so stark beeinträchtigt werden, dass der Betrieb auf benachbarten Abschnitten behindert und damit die Betriebsqualität negativ beeinflusst wird, d.h. dieser Infrastrukturabschnitt betriebsbehindernd wirkt [Hantsch & Li et al. 2013].

Nach dieser Definition wirkt ein Infrastrukturabschnitt als ein Engpass, wenn die behinderungsbedingten Wartezeiten im Durchschnitt für alle Zugfahrten, die die Belegung dieses Infrastrukturabschnitts beanspruchen, soweit ansteigen, dass eine festgelegte Grenze der Betriebsqualität unterschritten wird. Dabei verursacht der Engpass stets Behinderungen auf benachbarten Infrastrukturabschnitten, wohingegen eine Behinderung der Zugfahrten im Abschnitt mit dem Engpass selbst nicht unbedingt auftreten muss. Weiter muss der Engpass selbst nicht in jedem Fall übermäßig belegt sein.

2.2 Grundbegriffe

Betriebsprogramm: Im Sinne der eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Untersuchung ist das Betriebsprogramm die umfassende Beschreibung von Betriebsvorgängen und an diesen Vorgängen beteiligten Verkehrseinheiten je nach Aufgabenstellung im erforderlichen Detaillierungsgrad. Die wichtigsten Merkmale sind z.B.

• Menge der Verkehrseinheiten (Fahrzeuge)
• Struktur, Reihenfolge, Eigenschaften und Verhältnis der Verkehrseinheiten zueinander,
• Zeitliche Verteilung der Verkehrseinheiten, usw.

Zugmix: Struktur des Betriebsprogramms, die die Eigenschaften der Modellzüge und das anteilige Verhältnis der Zugzahl jeder Gruppe von Zügen, die einen Modellzug repräsentiert (in dieser Arbeit auch „Zuglaufgruppe“ genannt), umfasst. Der „Zugmix“ wird auch als „grobes Betriebsprogramm“ bezeichnet.

Belastung: Anzahl der Zugfahrten pro Zeitintervall im Auswertezeitraum, die für Leistungsuntersuchungen im Untersuchungsraum zu berücksichtigen sind [DB Netz AG 2008]. Eine Aussage über eine Belastung beinhaltet immer ein bestimmtes Betriebsprogramm.

Verdichtungsstufe: Der Begriff „Verdichtungsstufe“ ist ein spezifischer Begriff im Sinne der Leistungsuntersuchungen mit Simulationsverfahren (vgl. [Martin et al. 2011] in Bezug auf einen zugrunde gelegten Fahrplan (Basisfahrplan). Jede Verdichtungsstufe entspricht einer Belastung im Verhältnis zu der Belastung des Basisfahrplans. Beispielsweise hat die Verdichtungsstufe 200%, basierend auf einem Basisfahrplan mit der Belastung von 10 Zügen/h, eine Belastung von 20 Zügen/h. Eine Verdichtungsstufe stellt keinen konkreten Fahrplan, sondern die Größe einer Belastung dar. Sie kann mehrere Fahrpläne gleicher Belastung unter Beibehaltung der Struktur des Betriebsprogramms umfassen.

Eisenbahnknoten: Bahnhöfe, in denen mindestens zwei Strecken oder Abzweigstellen miteinander verknüpft sind [DB Netz AG 2008]. E...

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Zusammenfassung
• Abstract
• 1 Einleitung
• 2 Grundlagen der Engpassanalyse im spurgeführten Verkehr
• 3 Modelle zur Engpassanalyse
• 4 Methoden zur Lokalisierung von Engpässen
• 5 Ansatz zur Zuordnung der Ursachen von Engpässen
• 6 Ablauf der rechnerunterstützten Engpassanalyse mit der simulativen Methode
• 7 Schlussfolgerung und Ausblick
• Anhang I: Fallbeispiele
• Beispiel 1 – Eine Zuglaufgruppe auf einer Strecke
• Beispiel 2 – Zwei einfädelnde Zuglaufgruppen
• Beispiel 3 – Drei kreuzende Zuglaufgruppen
• Beispiel 4 – Kleines Eisenbahnnetz
• Beispiel 5 - Großer Eisenbahnknoten
• Anhang II: Ablauf eines allgemeingültigen Bewertungsverfahrens in [Martin & Li 2014]
• Abkürzungen
• Formelzeichen
• Glossar
• Literaturverzeichnis
• Impressum