Neues verkehrswissenschaftliches Journal NVJ - Ausgabe 8

Knotenkapazität - Bewertungsverfahren für das mikroskopische Leistungsverhalten und die Engpasserkennung im spurgeführten Verkehr (RePlan)

Ullrich Martin, Yong Cui, Fabian Hantsch, Zifu Chu, Xiaojun Li

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2015
• ISBN drucken: 9783839119440
• eBook-ISBN: 9783738689433
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Engineering General

Ein wichtiger Aspekt von Leistungsuntersuchungen betrifft die Erkennung von Leistungsreserven sowie die Lokalisierung von Engpässen insbesondere in komplexen Eisenbahninfrastrukturen. Der Schwerpunkt der in diesem Bericht beschriebenen Forschungsarbeiten liegt daher in der Entwicklung eines neuen Beschreibungsmodells zur Modellierung von Eisenbahnknoten, welches die Entwicklung eines Ansatzes zur Berechnung der Knotenkapazität ermöglicht und anhand dessen auch das Leistungsverhalten einzelner Belegungselemente bestimmt und bewertet werden kann. Des weiteren werden neu entwickelte Algorithmen zur Auswertung der Belegungen und Behinderungen auf einzelnen Belegungselementen beschrieben, welche die genaue Lokalisierung von potentiellen Engpässen im Untersuchungsraum sowie eine Klassifizierung dieser Engpässe nach deren tatsächlichen betrieblichen Einfluss erlauben. Durch die Einbindung der entwickelten Lokalisierungs– und Bewertungsmethoden in die Software PULEIV wird die praktische Anwendbarkeit der neuen Methoden sichergestellt und damit die Grundlage für die Erweiterung von Leistungsuntersuchungen auch auf die mikroskopische Ebene geschaffen.

1 Einleitung

1.1 Ziel und Aufgabenstellung

Eisenbahnknoten¹ spielen als leistungsbestimmende Elemente eine wichtige Rolle in der Eisenbahninfrastruktur, weil Engpässe meistens in jenen Knoten auftreten, die die Betriebsqualität und Kapazität der Infrastruktur maßgebend vermindern. Wegen z. T. äußerst komplexer Strukturen ist der Aufwand zur Bewertung der Knoten nicht zu unterschätzen. Es ist dazu ein Beschreibungsmodell für die Eisenbahninfrastruktur erforderlich, durch welches komplexe Gleisstrukturen übersichtlich strukturiert und der gesamte Untersuchungsraum zur Ermittlung der Qualitätskenngrößen aufgeteilt werden kann. Die bereits existierenden verschiedenen Modelle zur Beschreibung einer Eisenbahninfrastruktur sind allerdings nur teilweise für Leistungsuntersuchungen geeignet. Um ein neues Beschreibungsmodell für Belegungselemente² im Rahmen des Projekts RePlan zu entwickeln, werden die vorhandenen Eisenbahninfrastrukturmodelle analysiert, einander gegenübergestellt und in Bezug auf die Eignung für den Projektkontext geprüft.

Ebenso existieren bereits eine Reihe von Methoden bzw. Verfahren, die Kenngrößen der Leistungsfähigkeit und Kapazität einer Infrastruktur ermitteln und bewerten. Um einen geeigneten Ansatz speziell zur Bewertung der Bahnhofs- bzw. Knotenkapazität zu entwickeln, werden die möglichen Anwendungsgebiete und Beschränkungen der existierenden Methoden und Verfahren zur Leistungsuntersuchung als Grundlage analysiert. Basierend auf dem entwickelten Beschreibungsmodell der Eisenbahninfrastruktur wird ein Ansatz zur Berechnung der Knotenkapazität³ unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Belegungselementen erarbeitet, auf dessen Grundlage die zu untersuchenden Kenngrößen ermittelt werden. Anhand dieser Kenngrößen stellt sich die Frage, wie die Kapazität und Qualität der zu untersuchenden Knoten bewertet werden können. Zur Beantwortung dieser Frage werden die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Kenngrößen analysiert, um daraus ein geeignetes Bewertungsverfahren für die Knotenkapazität abzuleiten.

1.2 Strukturierung der Dokumentation

• In Kapitel 2 werden der derzeitige Forschungsstand bei Leistungsuntersuchungen und Bewertungen für Eisenbahnknoten sowie offene Fragen diskutiert.
• Im darauf folgenden Kapitel 2 wird der Ablauf der Projektbearbeitung vorgestellt.
• Ein Überblick der Aufgaben bei allgemeingültigen Leistungsuntersuchungen wird in Kapitel 2 schematisch angegeben.
• Daran anschließend werden die heute existierenden Modelle für die Beschreibung der Infrastruktur in Bahnhöfen und Knoten und das neu entwickelte Beschreibungsmodell in Kapitel 2 vorgestellt.
• Basierend auf diesem neuen Beschreibungsmodell werden neue Berechnungsund Bewertungsverfahren für das mikroskopische Leistungsverhalten entwickelt, die in Kapitel 2 erläutert werden.
• Kapitel 2 beschreibt einen neuen Ansatz zur Identifizierung und Priorisierung von Engpässen, die oftmals die Kapazität der Knoten entscheidend beeinträchtigen.
• Das Grundkonzept zur softwareunterstützten Umsetzung des im Rahmen des Projekts entwickelten Bewertungsverfahrens und die wichtigen implementierten Funktionalitäten im Programm PULEIV (Programm zur Untersuchung des Leistungsverhaltens) werden in Kapitel 2 dargestellt.
• Abschließend werden in Kapitel 2 die aktuellen Forschungsergebnisse und Möglichkeiten zur Weiterentwicklung zusammengefasst.

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¹ Betriebsstellen, in denen mindestens zwei Strecken verknüpft sind.

² Ein Belegungselement ist ein gerichteter oder ungerichteter Teil der befahrbaren Infrastruktur.

³ Der im ursprünglichen Projektantrag definierte Begriff „Bahnhofskapazität“ wird in der gesamten Projektbearbeitung im Sinne einer umfassenderen Anwendbarkeit zum Begriff der „Knotenkapazität“ erweitert.

2 Motivation

2.1 Stand der Forschung

Nach jahrzehntelanger Entwicklung der Infrastruktur im spurgeführten Verkehr gibt es in Europa immer weniger reale Möglichkeiten für einen extensiven Neubau von Strecken und Knoten. Die Herausforderung liegt darin, die vorhandene Infrastruktur möglichst intensiv und intelligent zu nutzen und die maximale Auslastung zu erreichen, ohne dabei die Betriebsqualität zu vermindern. Wegen der komplexen Struktur des Eisenbahnnetzes sind Engpassbereiche, die die Kapazität der Eisenbahninfrastruktur sehr stark beeinträchtigen können, nicht vollständig vermeidbar. Solche Engpässe entstehen oftmals in Eisenbahnknoten, die komplexe Gleisstrukturen aufweisen. Neben der Frage, wo die Engpässe in bestehenden Infrastrukturen liegen, ist (über die Aufgabenstellung in diesem Projekt hinaus) auch die Frage nach den Ursachen für diese Engpassbereiche zu klären.

Zur Beantwortung dieser Fragestellungen werden Leistungsuntersuchungen durchgeführt, mit denen bestimmte Kenngrößen für Netzelemente⁴ ermittelt werden. In [FENGLER, 2007] wurde eine einheitliche Methodik zur Untersuchung von Eisenbahnknoten vorgeschlagen, in der die Vorgehensweise der strukturierten Knotenanalyse beschrieben wurde. Bei dieser Methodik werden Knotenuntersuchungen in Leistungsuntersuchungen von Infrastrukturen, Fahrten, verkehrlichen Beziehungen und Betriebsprogrammen unterteilt. Für Infrastrukturen mit komplexen Gleisstrukturen können Simulationsverfahren bei Leistungsuntersuchungen die Realität des Bahnbetriebs abbilden und statistisch gesicherte Ergebnisse liefern. Eine wichtige Voraussetzung für die Engpassanalyse besteht darin, die Infrastruktur vor der Leistungsuntersuchung in hinreichend feine Belegungselemente zu unterteilen, die dann anhand geeigneter Kenngrößen bewertet werden. In [RADTKE, 2008] und [SIEFER, 2010] werden makroskopische und mikroskopische Infrastrukturmodellierungen vorgestellt. Ein Ansatz zur Umwandlung der zwischen mikroskopischen und makroskopischen Infrastrukturmodellen optimierten Fahrpläne für langfristige Planungen und Fahrplansimulationen wurde in [BORNDÖRFER, 2010] entwickelt.

Bei Leistungsuntersuchungen werden verschiedene Kenngrößen für unterschiedliche Anwendungsgebiete bestimmt und zur Bildung geeigneter Indikatoren verwendet. Bei einer mittlerweile allgemein anerkannten Methode wird der optimale Leistungsbereich als Leistungskenngröße aus der Wartezeitfunktion abgeleitet. Dieser Ansatz wurde von Hertel und Ludwig [HERTEL, 1987] für zweigleisige Eisenbahnstrecken entwickelt. In der Diplomarbeit von Bosse [BOSSE, 1995] wurde das Verfahren verbessert und im Zusammenspiel mit Simulationsverfahren angewandt. In der Dissertation [SCHMIDT, 2009] wird eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes vorgestellt. Die globale Kenngröße „optimaler Leistungsbereich“ wird bei Leistungsuntersuchungen als globaler Indikator dafür herangezogen, wie viele Züge sich in einem zu untersuchenden gut ausgelasteten Eisenbahnnetz bewegen sollten, ohne dass die Betriebsqualität signifikant eingeschränkt wird. Neben Leistungskenngrößen dienen Qualitätskenngrößen zur betriebsprogrammabhängigen Qualitätsbeschreibung von Eisenbahnnetzen. Wartezeit und Pünktlichkeitsgrad [DB NETZ AG, 405 (2008)] sind Maßstäbe der Qualitätskenngrößen, mit denen die Qualität des Eisenbahnbetriebs z. B. in vier verschiedenen Stufen bewertet wird. Die wirtschaftliche Kenngröße „Transportimpulsdifferenz“ wurde in [OETTING, 2005] entwickelt und bewertet eine Strecke unter betriebswirtschaftlichen Rahmenbedingungen. [BUSSIECK, 1997] entwickelten einen Ansatz zur Bewertung der optimalen Linienführung, bei dem die Kenngrößen aus verschiedenen Aspekten für jede Verbindung bewertet werden, um die besten Verbindungen zu bestimmen. In der internationalen Richtlinie UIC Code 406 [UIC, 2004] für Leistungsuntersuchungen werden lediglich Belegungen auf Streckenabschnitten für die Bewertung der Infrastrukturkapazität betrachtet.

Im Forschungsprojekt PULEIV [MARTIN, 2008] [MARTIN, 2011a] entstand eine Methode zur relationsbezogenen Engpassanalyse, die sich auf die Wartezeiten der gerichteten Relationen zwischen zwei Betriebsstellen bezieht. Diese Engpassanalyse basiert auf makroskopischen Modellen und kann die Ursachen im Netz nur sehr grob abschätzen. Bei analytischen Verfahren wird die Kenngröße „Qualitätsfaktor“⁵ zur Engpassanalyse genutzt [VAKHTEL, 2002] und vereinfachend die überlastete Stelle als Systemengpass betrachtet. Ein anderer Beitrag zur Engpasserkennung anhand einer Leistungsuntersuchung mit analytischen Verfahren wurde in [KETTNER, 2005] vorgestellt. Dieses Verfahren analysiert die Engpässe unter dem Gesichtspunkt der langfristigen Infrastrukturplanung und identifiziert die überlasteten makroskopischen Knoten und Kanten des Infrastrukturnetzes als Engpässe. Für die Feinoptimierung der mikroskopisch zu modellierenden Infrastruktur ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet.

2.2 Problemstellung

Derzeitige Verfahren zur Kapazitätsberechnung beschränken sich vorwiegend auf Strecken oder homogene Teilbereiche innerhalb der Knoten, denn Belegungselemente können in ihrem vollständigen Zusammenwirken wegen der Komplexität der Gleisstruktur und der vielfältigen Kombinationen von Fahrwegen mit existierenden Ansätzen noch nicht befriedigend bewertet werden.

Eine der wichtigsten Aufgaben der Leistungsuntersuchung von Knoten ist das Erkennen von Engpässen, welche die Kapazität der Knoten beschränken, sowie die Identifikation von Reserven, die nicht ausgelastet werden. Weil Engpässe sowohl von der Infrastruktur als auch vom Betriebsprogramm bzw. Fahrplan abhängig sind, ist ein Ansatz zur Engpassanalyse notwendig, der alle relevanten Szenarien berücksichtigt.

Bei mikroskopischen Leistungsuntersuchungen eines Knotens muss die Infrastruktur in hinreichend feine Belegungselemente unterteilt werden. Bisher existiert jedoch noch keine geeignete Methode zur Infrastrukturmodellierung, welche bei der Aufteilung Fahrtmöglichkeiten berücksichtigt.

Aufgrund der genannten Problemstellung wird im Rahmen dieses Forschungsprojekts ein neuer Ansatz zur Bewertung von Eisenbahnknoten entwickelt, der sowohl ein neues Beschreibungsmodell zur Infrastrukturmodellierung, als auch ein Bewertungsverfahren unter Berücksichtigung des Zusammenhangs von Belegung und Behinderung sowie eine neue Methode zur Engpasserkennung einschließt.

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⁴ Teile des Fahrweges, für die sich Kenngrößen ermitteln lassen (z.B. Strecke, Fahrstraßenknoten, Gleisgruppe). [DB NETZ AG, 405 (2008)]

⁵ Der Qualitätsfaktor ist der Quotient aus der tatsächlichen und der vorgegebenen zulässigen Warteschlangenlänge

3 Ablauf des Forschungsprojekts

Die Bearbeitung des Projekts wurde in folgenden Schritten durchgeführt:

• Einarbeitung in existierende Beschreibungsmodelle für Belegungselemente

Die bereits existierenden Modelle für die Beschreibung von Elementen in Bahnhöfen bzw. Knoten wurden einander gegenübergestellt und in Bezug auf die Eignung für den Projektkontext analysiert.

• Entwicklung eines Beschreibungsmodells für Belegungselemente

Aufbauend auf den Erkenntnissen der existierenden Infrastrukturmodelle wurde ein neues Modell zur Beschreibung der Belegungselemente erarbeitet. Dieses bezieht auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Belegungselementen mit ein.

• Einarbeitung in existierende Berechnungs- und Bewertungsansätze für die Knotenkapazität

Die bereits existierenden Modelle wurden analysiert, miteinander verglichen und in Bezug auf die Anwendbarkeit bei der Erstellung eines Bewertungsverfahrens für die Knotenkapazität geprüft.

• Entwicklung eines Ansatzes zur Berechnung der Knotenkapazität

Unter Berücksichtigung der vorhandenen Bewertungsverfahren für Strecken wurde ein Ansatz zur Berechnung der Kapazität von Bahnhöfen und Knoten entwickelt, welcher die streckenbezogenen Verfahren ergänzt. Dabei wurden die zu bewertenden Kenngrößen als Grundlage für Indikatoren, welche insbesondere Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Belegungselementen und den Zusammenhang zwischen verschiedenen Kenngrößen berücksichtigen, zielführend festgelegt. Der Ansatz bildet die Grundlage für das Bewertungsverfahren der Knotenkapazität.

• Vorbereitung, Durchführung und Analyse einer Befragung
  Um Grundlagen für die Kalibrierung des neuen Verfahrens zu gewinnen, wurden Expertenbefragungen organisiert und analysiert. Im Rahmen der Projektbearbeitung wurde eine Befragung in Ulm Hbf durchgeführt und dazu Experten aus der Fahrdienstleitung des Stellwerks Ulm Hbf, der Betriebszentrale sowie weitere Sachkundige eingebunden (vgl. Anhang II).
• Kalibrierung des Bewertungsverfahrens für die Knotenkapazität
  Aufbauend auf den Ergebnissen der Expertenbefragung wurde das entwickelte Verfahren zur Berechnung und Bewertung von Knoten kalibriert. Die Kalibrierung erfolgte auf der Basis repräsentativer Knoteninfrastrukturen und charakteristischer Betriebsprogramme und ergänzt damit methodisch die Erkenntnisse aus der vorangegangenen Befragung.
• Implementierung des Bewertungsverfahrens für die Knotenkapazität
  Die im Rahmen des Projekts neu entwickelten Ansätze wurden zur rechnergestützten Anwendung softwareseitig umgesetzt, um die Bewertung von komplexen Knoten effektiv zu unterstützen. Dazu wurde das Verfahren in die für die DB Netz AG entwickelte Software PULEIV integriert, um die Möglichkeit zu erschließen, anhand realer Infrastrukturbeispiele das Bewertungsver...

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Motivation
• 3 Ablauf des Forschungsprojekts
• 4 Allgemeingültige Leistungsuntersuchungen
• 5 Infrastrukturmodellierung
• 6 Bewertungsverfahren für das mikroskopische Leistungsverhalten
• 7 Engpass- und Reserveerkennung
• 8 Umsetzung des Bewertungsverfahrens für die Knotenkapazität
• 9 Zusammenfassung und Ausblick
• 10 Glossar
• 11 Literaturverzeichnis
• I Analyse von Teilfahrstraßenknoten bei Leistungsuntersuchungen
• II Befragung Ulm
• III Veröffentlichungen
• Impressum