Evaluation of dispatching algorithms in a railway lab under realistic conditions

Liebhold, Alexandra Angelika; Koseki, Takafumi; Nießen, Nils

doi:10.18154/RWTH-2024-11302

Evaluation of dispatching algorithms in a railway lab under realistic conditions

Liebhold, Alexandra Angelika^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexandra Angelika Liebhold, geb. Grub

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Nießen, Nils (Thesis advisor)^RWTH* ; Koseki, Takafumi (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11302
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/998323/files/998323.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Schienenbahnwesen und Verkehrswirtschaft und Verkehrswissenschaftliches Institut (313110)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)403435275 - Integrierte Disposition im Eisenbahnbetrieb (403435275) (403435275)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eisenbahnlabor (frei) ; Zugdisposition (frei) ; railway lab (frei) ; train dispatching (frei) ; train rescheduling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Der Anteil des Verkehrs, der über die Schiene abgewickelt wird, nimmt stetig zu, sodass verspätete Züge die Pünktlichkeit anderer Züge im Netzwerk massiv beeinträchtigen können. Ziel der Zugdisposition ist die Reduktion oder Vermeidung solcher Folgeverspätungen und die Steigerung der Gesamtpünktlichkeit durch Zeitanpassungen, Reihenfolgeänderungen oder räumliche Umleitungen. Die Disposition wird heutzutage meist manuell von erfahrenen Disponenten durchgeführt. Im Laufe der letzten Jahre wurden einige Dispositionssysteme entwickelt und erfolgreich eingesetzt, die Disponenten durch Entscheidungsempfehlungen unterstützen. Vollautomatisierte Dispositionssysteme kommen derzeit nur sehr selten zum Einsatz. Vor der Inbetriebnahme neuer Dispositionssysteme sind ausgiebige Testungen erforderlich. Theoretische Algorithmen werden in computerbasierten Fallstudien und Simulationen, die oft auf realen Daten basieren, auf ihre generelle Eignung getestet. Nach erfolgreichen Computersimulationen werden neue Dispositionssysteme normalerweise in Feldtests auf kleinen Segmenten des realen Netzwerks auf ihre Praxistauglichkeit sowie Anwenderfreundlichkeit getestet. Feldtests sind jedoch sehr kostspielig und erfordern lange Planungshorizonte. Eisenbahnlabore können als Testumgebung für neue Dispositionssysteme eine Zwischenebene darstellen, die mehr Realitätsnähe als reine Computersimulationen bietet. Neue Dispositionsverfahren zunächst in Eisenbahnlaboren zu erproben ist zudem wirtschaftlicher, als direkt im Anschluss an Computersimulationen die ersten Feldtests durchzuführen und darüber hinaus wird eine Beeinträchtigung des realen Betriebs verhindert. In der Vergangenheit wurden jedoch nur wenige Dispositionssysteme in Eisenbahnlaboren getestet und die durchgeführten Tests beinhalteten keinen vollautomatischen Betrieb und somit keine automatische Umsetzung der Dispositionsentscheidungen. Um einen automatischen Echtzeitbetrieb unter realitätsnahen Bedingungen zu ermöglichen und Dispositionsentscheidungen von einem externen Dispositionssystem umzusetzen, wurde eine Steuerungssoftware für Eisenbahnlabore weiterentwickelt, sodass die Steuerung der Züge und das Einstellen der Fahrstraßen automatisch auf Basis eines gegebenen Fahrplans möglich ist. Die Geschwindigkeitsprofile der Züge und die Fahrkurven wurden so modelliert und umgesetzt, dass Fahrverhalten und Fahrzeiten realitätsnah abgebildet werden. Weiterhin wurde eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem externen Dispositionssystem entwickelt. Über die Schnittstelle werden Informationen über die aktuelle Betriebssituation an das Dispositionssystem weitergeleitet. Die Dispositionsmaßnahmen werden wiederum vom Dispositionssystem an die Steuerungssoftware des Eisenbahnlabors übermittelt und von dieser verarbeitet und während des Betriebs umgesetzt. Um außerdem energiesparendes Fahren zu ermöglichen, wurde eine neue Methode entwickelt und in die Steuerungssoftware integriert, die den Energieverbrauch einer Zugfahrt auf Basis von empfohlenen Zeitkorridoren für die Überfahrt von Blocksignalen optimiert. Die entwickelten Softwaresysteme bieten eine realitätsnahe Testumgebung für Dispositionsalgorithmen und -strategien. In einer Fallstudie wurde die Anwendbarkeit der entwickelten Testumgebung bestätigt. Die Steuerungssoftware wurde im Echtzeitbetrieb an der ELVA, der Eisenbahntechnischen Lehr- und Versuchsanlage der RWTH Aachen University, angewendet und das externe Dispositionssystem OptDis, das in die Software LUKS® integriert ist, wurde angebunden. Da Störungsszenarien leicht rekonstruierbar sind, ermöglicht die entwickelte Testumgebung den direkten Vergleich verschiedener Dispositionsstrategien. Verschiedene Störungsszenarien wurden konstruiert und die Disposition wurde für alle Testfälle einerseits automatisch durch OptDis durchgeführt und andererseits durch einen erfahrenen menschlichen Disponenten. Die Auswertungen zeigen, dass die entwickelten Softwaresysteme eine realitätsnahe Testumgebung als Zwischenebene zwischen reinen Computersimulationen und Feldtests während der Erprobung neuer Dispositionssysteme bieten. Weiterhin lassen die gewonnenen Ergebnisse darauf schließen, dass ein erheblicher Nutzen durch den Einsatz automatisierter Dispositionssysteme, im Vergleich zur manuellen Disposition, zu erwarten ist, wenn die Betriebssituationen sehr komplex sind und Entscheidungen innerhalb kurzer Zeit getroffen werden müssen. Die vorgestellte Methode für energiesparendes Fahren wurde ebenfalls in einer Fallstudie an der ELVA getestet und vielversprechende Ergebnisse wurden erzielt.

As the traffic volume operated via rail constantly increases, delayed trains can severely impact the punctuality of other trains within the network. Train dispatching aims at reducing or avoiding the extent of such secondary delays while increasing the overall punctuality by retiming, reordering or rerouting of trains in the network. Today, dispatching is mostly performed manually by experienced human dispatchers. Over the past years, several decision support systems, which provide recommendations to the human dispatchers, have been developed and successfully implemented during real operation. Fully automated dispatching systems are still rarely applied. Prior to the commissioning of new dispatching systems, extensive testing is required. Theoretical algorithms are first tested for their general feasibility during computer-based case studies and simulations, which are often based on real-world data. After successful simulations, new dispatching systems are normally assessed for their practical usability during field tests on small segments of the real network. However, field tests are extremely costly and long planning horizons are involved. Railway labs can provide an intermediate level testing environment for new dispatching systems under more realistic conditions than pure computer simulations. Tests performed in a railway lab are also more cost-effective than tests performed directly on the real field, while not impeding any real-world operations. However, only few dispatching systems were tested in railway labs so far and previous tests did not incorporate fully automatic operation and thus dispatching decisions were not implemented automatically. To enable automatic real-time train operation under realistic conditions and incorporate dispatching decisions from an external dispatching system during operation, a railway lab control software was extended, enabling automatic train control and train route setting based on a given timetable. Train speed profiles and speed curves were modeled and implemented to allow for realistic driving characteristics and running times. Furthermore, a communication interface to connect an external dispatching system was developed. Via the interface, constant information on the current operational situation are provided to the dispatching system. Dispatching measures are forwarded from the dispatching system to the railway lab control software and implemented during operation accordingly. Predefined disturbance scenarios can be imported into the control software and incorporated during operation. To further allow for energy-efficient train driving, a novel method for the energy optimization of single train runs, based on recommended time corridors for the passing of block signals, was developed and included in the railway lab control software. The developed software systems provide a realistic testing environment for dispatching algorithms and strategies. During a case study, the validity of the developed testing environment was confirmed. The railway lab control software was used to control real-time train operations on the ELVA, the Railway Signalling Lab of RWTH Aachen University, while the external dispatching system OptDis, which is integrated in the software LUKS®, was connected. As disturbance scenarios can easily be reconstructed, the developed testing environment enables the direct comparison of different dispatching strategies. Several disturbance scenarios were constructed and dispatching was performed both automatically by OptDis and manually by an experienced human dispatcher for all test cases.The evaluations show that the developed software systems provide a realistic testing framework for different dispatching strategies, which can serve as an intermediate level testing environment between computer simulations and real field tests. Moreover, the obtained results suggest significant benefits of automated dispatching systems over manual dispatching if operational situations are very complex and decisions must be made quickly. The energy-saving driving method was also tested in a case study on the ELVA network and promising results were obtained.

OpenAccess:
PDF
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