Neues verkehrswissenschaftliches Journal NVJ - Ausgabe 8 E-Book

Ullrich Martin

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 82

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

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.

Leseprobe

Vorwort

Das Teilprojekt RePlan „Bahnhofskapazität“ ist integraler Bestandteil des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Gesamtprojektes der DB Netz AG FreeFloat1 „Intelligentes Schienennetz – Verkehrsmanagement für die Schiene“ mit dem Ziel einer Steigerung der Leistung, Qualität und Nachhaltigkeit im Bereich der Eisenbahn. Das VWI war gemeinsam mit dem Institut für Eisenbahn- und Verkehrswesen der Universität Stuttgart darüber hinaus auch in die Bearbeitung der Teilprojekte Regler (Zuglaufregelung) und KosiDispo (Konsistente Disposition in Planung und Betrieb) eingebunden.

Die Effizienz des Eisenbahnnetzes hängt im besonderen Maße von der Leistungsfähigkeit und Betriebsqualität der Knoten, deren maßgebender Bestandteil oftmals die Bahnhöfe sind, ab. Deshalb ist der Gestaltung der Bahnhöfe im Zusammenspiel mit dem geplanten Betriebsprogramm und der vorgesehenen Betriebsqualität besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Im Teilprojekt „Bahnhofskapazität“ wurde deshalb die Methodik der Leistungsuntersuchungen weiterentwickelt, und die so entstandenen Forschungsergebnisse sind inzwischen in bestehende Verfahren implementiert, so dass eine unmittelbare praxisorientierte Anwendung (z.B. mit der Software PULEIV – Programm zur Untersuchung des Leistungsverhaltens) ermöglicht wird.

Neben bereits seit längerer Zeit genutzten globalen Indikatoren, wie z.B. dem Optimalen Leistungsbereich und dem Verspätungskoeffizienten, stehen mit der Engpassrelevanz, der Engpasssignifikanz und den Potentiellen Fahrwegreserven nun auch lokale Indikatoren zur Verfügung die u.a. zur genauen belegungselementbezogenen Identifikation von Engpässen und Reserven auch in sehr komplexen Infrastrukturen praktisch nutzbar sind. Durch die Bestimmung des Leistungsverhaltens einzelner Belegungselemente wird eine hinreichend genaue Analyse auf der Grundlage der Simulation des Eisenbahnbetriebs erreicht, so dass Maßnahmen im Bereich der Anpassung der Infrastruktur und / oder des Betriebsprogramms zielgerichtet ausgewählt und deren Wirkung bereits vor deren Realisierung präzise bestimmt werden kann.

Neben der Gewinnung neuer eisenbahnbetriebswissenschaftlicher Erkenntnisse leistet das Teilprojekt „Bahnhofskapazität“ so auch einen Beitrag zur intensivierten Nutzung des Eisenbahnnetzes und damit zur Verlagerung von Verkehren von der Straße auf die Schiene.

Stuttgart, im Januar 2014

Ullrich Martin

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Ziel und Aufgabenstellung

1.2 Strukturierung der Dokumentation

2 Motivation

2.1 Stand der Forschung

2.2 Problemstellung

3 Ablauf des Forschungsprojekts

4 Allgemeingültige Leistungsuntersuchungen

5 Infrastrukturmodellierung

5.1 Bisherige Verfahren zur Infrastrukturmodellierung

5.2 Neues Beschreibungsmodell der Infrastruktur

5.2.1 Grundkonzept

5.2.2 Das Belegungselement Fahrwegkomponente

5.2.3 Das Belegungselement Basisstruktur

5.2.4 Zusammenhang zwischen Fahrwegkomponenten und Basisstrukturen

5.2.5 Vergleich von Basisstrukturen und Teilfahrstraßenknoten

5.2.6 Vergleich von Basisstrukturen und Gleisgruppen

5.3 Vorteile des neuen Beschreibungsmodells

6 Bewertungsverfahren für das mikroskopische Leistungsverhalten

6.1 Qualitätsmaßstäbe und Qualitätsstufen

6.2 Vorhandene Kenngrößen bei Leistungsuntersuchungen

6.2.1 Kategorisierung der Kenngrößen

6.2.2 Infrastrukturbezogenen Kenngrößen

6.2.3 Zusammenwirken der Kenngrößen bei der Bewertung

6.2.4 Berechnungsalgorithmen

6.3 Ablauf der Bewertung der Betriebsqualität

6.3.1 Datengrundlagen aus den Simulationen

6.3.2 Zuordnungsmethoden

6.3.3 Vergleich der Methoden zur Zuordnung der Qualitätsstufen

7 Engpass- und Reserveerkennung

7.1 Engpassdefinition und Methoden zur Engpassidentifizierung

7.2 Engpassrelevanz und Engpasssignifikanz

7.2.1 Engpassrelevanz – Potentielle Engpässe bei großem Betriebsprogramm

7.2.2 Engpasssignifikanz – Engpässe mit betrieblichem Einfluss bei einer bestimmten Verdichtungsstufe bei einem konkreten Fahrplan

7.3 Engpässe und Betriebsqualität

7.4 Engpassanalyse in der praktischen Anwendung

8 Umsetzung des Bewertungsverfahrens für die Knotenkapazität

8.1 Fragestellungen in praktischen Anwendungen bei Bewertungen der Knotenkapazität

8.2 Bewertungsprozess für die Knotenkapazität mit dem im Rahmen des Projekts entwickelten Verfahren

8.3 Integration in die Software PULEIV

8.4 Kernfunktionalitäten

8.4.1 Automatische Infrastrukturmodellierung

8.4.2 Ermittlung des Leistungsverhaltens einzelner Basisstrukturen

8.4.3 Engpassanalyse

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Glossar

11 Literaturverzeichnis

I Analyse von Teilfahrstraßenknoten bei Leistungsuntersuchungen

I.1 Annahmen bei Leistungsuntersuchungen mit analytischen Verfahren

I.2 Probleme bei Leistungsuntersuchungen auf der Grundlage von TFK

I.3 Schlussfolgerung

II Befragung Ulm

II.1 Ablauf der Befragung und der Kalibrierung

II.2 Durchführung der Befragung

II.3 Berechnung und Konsistenzprüfung

III Veröffentlichungen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 4-1:   Bestandteile, Ziele, Methoden und Ergebnisse von Leistungsuntersuchungen

Abbildung 5-1:   Infrastrukturmodellierung auf zwei Ebenen

Abbildung 5-2:   Modellierung der Fahrwegkomponenten in einem Beispiel

Abbildung 5-3:   Modellierung der Basisstrukturen in einem Beispiel

Abbildung 5-4:   Vergleich von Basisstrukturen und Teilfahrstraßenknoten

Abbildung 5-5:   Vergleich von Basisstrukturen und Gleisgruppen

Abbildung 6-1:   Entwicklung der Qualitätsstufen bei Leistungsuntersuchungen

Abbildung 6-2:   Anpassung der Bezeichnung der Qualitätsstufen bei mikroskopischen Leistungsuntersuchungen im Detaillierungsgrad einzelner Belegungselemente

Abbildung 6-3:   Infrastrukturbezogene Kenngrößen – Belegungsgrad und Behinderungsgrad

Abbildung 6-4:   Beispiel der Fahrwegkomponenten eines Infrastrukturabschnitts

Abbildung 6-5:   Beispiel für Basisstrukturen und Fahrwegkomponenten

Abbildung 6-6:   Zuordnung zwischen den Bewertungsfeldern und den Qualitätsstufen

Abbildung 6-7:   Auswahl der Simulationsdaten als Datengrundlage

Abbildung 6-8:   Zuordnung mit der Zwei-Punkte-Methode

Abbildung 6-9:   Zuordnung mit der Ein-Punkte-Methode

Abbildung 6-10: Zuordnung mit der Zwei-Bänder-Methode

Abbildung 6-11: Kalibrierte Abgrenzung der Bewertungsfelder

Abbildung 7-1:   Engpassstufe in Abhängigkeit von der Identifizierung mit unterschiedlichen Methoden

Abbildung 7-2:   Engpassrelevanz und Engpasssignifikanz bei unterschiedlichen Verdichtungsstufen

Abbildung 7-3:   Engpassrelevanz und Engpasssignifikanz im optimalen Leistungsbereich

Abbildung 7-4:   Vergleich der Klassifizierung der Qualitätsstufen bei der Engpass-Betrachtung und der Betrachtung der Betriebsqualität im gesamten Untersuchungsraum

Abbildung 8-1:   Verschiedene Detaillierungsgrade eines Betriebsprogramms

Abbildung 8-2:   Überblick der Umsetzung des RePlan-Verfahrens in PULEIV

Abbildung 8-3:   Darstellung eines Gleisplans in PULEIV

Abbildung 8-4:   Darstellung der Infrastrukturmodellierung mit Basisstrukturen

Abbildung 8-5:   Mikroskopisches Leistungsverhalten einer Infrastruktur

Abbildung 8-6:   Belegungsgrad der Basisstrukturen

Abbildung 8-7:   Simulationsergebnisse des Belegungs- und Behinderungsgrads

Abbildung 8-8:   Engpassrelevanz einer Infrastruktur

Abbildung 8-9:   Engpasssignifikanz einer Infrastruktur

Abbildung I-1:   Abgrenzung der TFK nach dem Verfahren von [VAKHTEL, 2002]

Abbildung I-2:   Fahrmöglichkeiten im TFK

Abbildung I-3:   TFK des Spurplans [DB NETZ AG, 405 (2008)]

Abbildung I-4:   Basisstrukturen des Spurplans

Abbildung II-1:  Ablauf der Befragung und der Kalibrierung

Abbildung II-2:  Das „Absolute-Mehrheit-Prinzip“

Abbildung II-3:  Vergleich mit der Engpassempfindlichkeit

Abbildung II-4:  Vergleich mit der Engpassempfindlichkeit

Abbildung II-5:  Die Engpässe mit hoher Plausibilität in Ulm Hbf

Tabellenverzeichnis

Tabelle 6-1:   Kategorisierung der Kenngrößen.

Tabelle 6-2:   Vergleich der Zuordnungsmethoden

Tabelle 8-1:   Indikatoren bei einer Leistungsuntersuchung

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.

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.