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Berechnung und Bewertung der Gesamtleistungsfähigkeit von Eisenbahnnetzen = Calculation and assessment of overall capacity in railway network

Meirich, Christian

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Christian Meirich

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (221 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Nießen, Nils (Thesis advisor)^RWTH* ; Ábrahám, Erika (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06606
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/696083/files/696083.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/696083/files/696083.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Schienenbahnwesen und Verkehrswirtschaft und Verkehrswissenschaftliches Institut (313110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eisenbahnbetriebswissenschaft (frei) ; Eisenbahn (frei) ; Optimierung (frei) ; Kapazitätsermittlung (frei) ; Netzwerke (frei) ; Analytik (frei) ; Routensuche (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Berechnung und Bewertung der Gesamtleistungsfähigkeit von EisenbahnnetzenEine der Hauptaufgaben der Eisenbahnbetriebswissenschaft ist die Bemessung und Bewertung der Eisenbahninfrastruktur hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit. Hierbei wird unter der Leistungsfähigkeit die mögliche Anzahl an Zugfahrten, die unter Einhaltung eines vorgegebenen Qualitätsniveaus auf den Schienenwegen innerhalb eines Untersu-chungszeitraums durchgeführt werden können, verstanden. Vor dem Hintergrund der prognostizierten Steigerung des Schienenverkehrs in Europa gewinnt neben der kapazitiven Bewertung der Infrastruktur die optimale Nutzung der vorhandenen Infrastruktur mehr und mehr an Bedeutung. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei insbesondere die Analyse von Restleistungsfähigkeiten der Strecken und Kno-ten, um zuverlässige Aussagen über die Realisierbarkeit von zusätzlichem Verkehrsauf-kommen treffen zu können.Im Bereich der mittel- und langfristigen Planung von Infrastruktur- und Fahrplankonzep-ten haben analytische bedientheoretische Methoden weitgehende Verbreitung bei der Ermittlung der Leistungsfähigkeit gefunden. Neben der Untersuchung konkreter Fahr-plankonzepte sind diese Verfahren besonders geeignet, auch auf Basis noch unbekann-ter oder veränderbarer Fahrplanstrukturen Aussagen über die zu erwartende Leistungs-fähigkeit zu treffen. Hierzu wird nach aktuellem Stand der Technik das Eisenbahnnetz in die Infrastrukturelemente Strecken, Gleisgruppen und Fahrstraßenknoten unterteilt, wel-che dann individuell in Hinblick auf ihre Kapazität untersucht werden. Es existiert aktuell jedoch keine allgemein anerkannte Methode zur Ermittlung der Gesamtleistungsfähigkeit von Eisenbahnnetzen. Dabei ist jedoch gerade die gesamthafte Aussage über das zu betrachtende Netz, und nicht die Einzelergebnisse für Strecken und Knoten, für die Inf-rastruktur- und Fahrplanung von besonderem Interesse. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur optimierten Nutzung der Fahrwegkapazität von Eisenbahnnetzen. Durch die globale Betrachtung der Fahrweg-kapazität unter Berücksichtigung von Ausweich- und Umleitungsstrecken können Aus-, Um- und Rückbaumaßnahmen detailliert abgebildet und kapazitiv bewertet werden. Ne-ben der Identifikation und Vermeidung von Engpässen in der Infrastrukturplanung kann die entwickelte Methodik auch zur Erstellung nachfrageorientierter Betriebskonzepte im Prozess der Fahrplanerstellung beitragen. Hierbei ist der Einsatz nicht auf die Neuerstel-lung kompletter Fahrpläne beschränkt, sondern erstreckt sich insbesondere auch auf die optimierte Zuweisung von Restkapazitäten bei unterjähriger Konstruktion von Trassen in einem bereits existierenden Fahrplankonzept.Grundlage der Modellierung ist eine makroskopische Darstellung der Eisenbahninfra-struktur auf Basis der genannten Elemente der Strecken, der Gleisgruppen und der Fahrstraßenknoten. Die Kapazitätszuweisung für Zugtrassen erfolgt auf Basis eines zweistufigen Modells. Zunächst werden für jede Zugrelation alle marktgerechten bzw. wirtschaftlichen Laufwege in einem kürzesten Pfad-Problem ermittelt. Im zweiten Pro-zessschritt erfolgt die Zuweisung der Fahrwegkapazität an Zugfahrten mittels eines Mixed-Integer Programms. Ziel dieses Routing-Problems ist die Maximierung der Anzahl an durchführbaren Zugfahrten. Die Bestimmung der Leistungsfähigkeiten erfolgt mit ei-ner zugtypenspezifischen Hochrechnung des vorhandenen Betriebsprogramms. Für die Ermittlung der Leistungsfähigkeiten der einzelnen Netzkomponenten, welche als Nebenbedingung in das Routing-Problem eingehen, werden die anerkannten Verfahren für die individuelle Betrachtung der Infrastrukturkomponenten Strecke, Gleisgruppe und Fahrstraßenknoten verwendet. Aktuell basieren diese jedoch nicht auf einer vergleichba-ren Modellierung. So werden bei der Dimensionierung von Knoten aktuell die planmäßi-gen Wartezeiten, welche bei der Fahrplanerstellung, durch Verschieben von Trassen aus ihrer Wunschlage zur Vermeidung von Konflikten entstehen, zugrunde gelegt. Dem-gegenüber basiert die Dimensionierung von Strecken auf der Analyse der außerplanmä-ßigen Wartezeiten, welche in der Betriebsabwicklung aufgrund von Störungen und Ver-spätungen im vorhandenen konfliktfreien Fahrplan entstehen. Um die Vergleichbarkeit der Berechnung der Kapazitäten für die unterschiedlichen Systemkomponenten zu ge-währleisten, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Methodik zur Vereinheitli-chung der unterschiedlichen Vorgehensweisen entwickelt. Beispielsweise wird für Fahr-straßenknoten eine Modifikation der Strele-Formel mittels der zuerst von Adler vorge-stellten Verkettungszahl etabliert, dass erstmalig eine konsistente Berechnung der Ka-pazitäten für Strecken und Knoten auf Basis derselben Datengrundlage durchgeführt werden kann.Das vorgestellte Verfahren wurde anhand protototypischer Berechnungen eines reali-tätsnahen Teilnetzes von der Größe Nordrhein-Westfalens, welches 51 Gleisgruppen, 102 Fahrstraßenknoten und 150 Strecken aufweist, validiert. Für das betrachtete Netz konnten mithilfe der entwickelten Methodik bis zu 18% mehr Zugfahrten durchgeführt werden, sodass durch die optimierte Zuweisung der vorhandenen Restkapazität eine substantielle Verbesserung der Planung erzielen lässt.

Calculation and assessment of overall capacity in railway networkOne of the main objectives of railway operation research is the assessment and evalua-tion of railway capacity. In this context, capacity denotes the possible number of train runs, which can be operated on the infrastructure compliant to a predefined level of ser-vice.In view of the forecasted increase of rail traffic in Europe the optimal use of the existing infrastructure is becoming increasingly important. In this regard, the analysis of the re-sidual capacity of railway stations and lines, respectively, is an essential prerequisite to assess the feasibility of additional traffic volume in the network. In medium- and long-term planning of infrastructure and operations analytical queueing-based approaches have been widely used to determine the capacity. Besides being ap-plicable to existing timetables these methods are particularly suited to cope with uncer-tain input, e.g. if only a rough operational concept, but no precise timetable exists. Ac-cording to the state of the art in this sector, the railway network is generally decomposed into smaller infrastructure elements such as lines, set of tracks and route nodes. In terms of capacity, these elements are investigated individually, whereas interdependencies between different elements and the capacity of the entire network cannot be assessed, globally. However, it is precisely the overall capacity, and not the individual results for lines and nodes, which are of particular interest for infrastructure and timetable planning.The goal of this thesis is to provide an approach enabling the optimal utilization of the available capacity in railway networks. By taking a network perspective on capacity in-cluding alternative train routings the developed method allows for a detailed description and capacity evaluation of infrastructure modifications. Apart from the identification and prevention of system bottlenecks in infrastructure planning it also provides valuable in-sights in timetable design facilitating a demand oriented design of operations. At this point, the approach is not limited to the construction of new timetables from scratch, but can also be used to optimally attribute residual capacities to additional train runs in exist-ing timetables. In the present work, the calculation and assessment of overall capacity in railway net-works is performed using a macroscopic model based on railway lines, set of tracks and route nodes. The capacity allocation for train courses is based on a two-stage model. The first step consists of finding all economically feasible train paths for the demanded relations by solving a shortest-path problem. In the second process step, infrastructure capacity is assigned to individual trains using a mixed-integer programming approach. The objective of the routing problem is to maximize the number of feasible train runs through the network. The capacity is determined based on a train specific extrapolation of the existing operating program on each infrastructure section.To determine the individual capacities of lines, set of tracks and route nodes, which pro-vide constraints to the routing MIP commonly used analytical procedures in railway ca-pacity analysis are used. Currently, these procedures rely on differing modeling tech-niques and input data requirements. Capacity analysis of railway stations, for example, usually relies on so-called scheduled waiting times, which originate in timetabling when trains need to be shifted from their original timeslots due to conflicts with other train runs. The assessment of railway lines, by contrast, is performed based on knock-on delays, which arise in operations due to conflicts between trains arising from perturbations or initial delays in the planned timetable. In order to ensure the comparability of the calcula-tion of the capacities for the different infrastructure elements, a methodology for the standardization of the different approaches is developed. For example, the applicability of the Strele-formula – which has previously been used to model railway lines – has been extended to route nodes by incorporating a parameter concatenating different train moves. For the first time, the calculation of capacity for railway lines and railway nodes can now be carried out based on the same database.The presented approach has been validated based on prototypical calculations for a realistic subnetwork of the size of North Rhine-Westphalia. The network consists of 51 set of tracks, 102 route nodes and 150 railway lines. It has been shown that, by optimally assigning residual network capacity based on the developed method, the number of train runs on this network can be increased by up to 18%. The methodology hence provides a significant improvement in network and timetable planning.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT019395198

Interne Identnummern
RWTH-2017-06606
Datensatz-ID: 696083

Beteiligte Länder
Germany