Long-term capacity planning of railway infrastructure : a stochastic approach capturing infrastructure unavailability

  • Langzeit-Kapazitätsplanung der Eisenbahninfrastruktur : Ein stochastischer Ansatz unter Berücksichtigung von Infrastrukturverfügbarkeitseinschränkungen

Weik, Norman; Nießen, Nils (Thesis advisor); Bohlin, Markus (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die Kapazitätsanalyse nimmt eine Schlüsselfunktion innerhalb des Planungsprozesses im Eisenbahnwesen ein. Ihre Hauptaufgabe ist die Prognose der Wechselwirkung zwischen Verkehrsaufkommen und Angebotsqualität. Hierbei werden zwei wesentliche, miteinander verwandte Fragestellungen unterschieden: Die Prognose der zu erwartenden Qualität für ein gegebenes Betriebsprogramm oder Fahrplankonzept, sowie die Bestimmung des maximalen Verkehrsaufkommens, das unter Einhaltung eines zuvor spezifizierten Qualitätsniveaus auf einer gegebenen Infrastruktur durchgeführt werden kann. Für beide Aufgaben werden sowohl detaillierte Kenntnisse des Betriebskonzepts als auch der zugrundeliegenden Infrastruktur benötigt. In den letzten Jahren ist ein verstärktes Interesse an der Entwicklung robuster, fahrgastfreundlicher Fahrplankonzepte zu beobachten. In der Folge wurde auch der Fokus der Kapazitätsplanung auf fahrplanbasierte Ansätze wie die Methode nach UIC Code 406 oder Fahrplanstabilitätsanalysen auf Basis von Optimierungsmodellen oder der (max,+)-Systemtheorie gelegt. Die Rolle der Infrastruktur hat weniger Beachtung erfahren, ihre Zuverlässigkeit und Resilienz in Anbetracht von Störfällen sind jedoch grundlegende Voraussetzungen um eine kundengerechte Qualität zu gewährleisten. Der langwierige Planungsprozess, eine Vielzahl von Interessengruppen und hohe Investitionssummen erfordern einen strategischen Langfristplanungshorizont bei der Konzeption und Modifikation von Eisenbahninfrastruktur. Gleichzeitig prägen Investitionsentscheidungen aufgrund der langen Erneuerungszyklen, die leicht 30 Jahre überschreiten können -- ein Zeitraum in dem üblicherweise mehrere gravierende Fahrplanneukonzeptionen vorgenommen werden -- die Struktur des Netzwerks. Eine gewisse Robustheit der Infrastruktur in Bezug auf Fahrplanstruktur und Verkehrsnachfrage ist daher unbedingt wünschenswert. In diesem Zusammenhang wurden Bedienmodelle, welchen eine abstrahierte Beschreibung des Eisenbahnverkehrs auf Basis von Verkehrsströmen zugrunde liegt, erfolgreich eingesetzt. Einzelne Systemkomponenten wie Streckenabschnitte, Bahnhöfe, Abzweigstellen oder Fahrstraßenknoten werden als Bedienstellen interpretiert, für die Leistungsparameter wie Wartezeit, Wartewahrscheinlichkeit oder Warteschlangenlänge bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Infrastrukturvarianten in Abhängigkeit vom Betriebsprogramm, jedoch ohne konkretes Wissen des Fahrplankonzepts, untersucht und verglichen werden. Um generelle Bedienzeiten und Ankunftsprozesse abbilden zu können, basieren aktuell verwendete Ansätze typischerweise auf einer mittelwertbasierten Betrachtung. Dies hat eine Limitierung zur Folge, da die Effekte seltener Ereignisse oder die Dauer und Höhe der Überschreitung nicht akzeptabler Qualität nur unzureichend berücksichtigt werden können. Diese Problematik kommt insbesondere im Kontext von Infrastrukturausfällen zum Tragen, die zwar einen gravierenden Effekt auf Pünktlichkeit und Qualität besitzen, jedoch typischerweise bei der Kapazitätsanalyse lediglich implizit als Ursache von Unsicherheit oder Primärverspätungen berücksichtigt werden. Eine explizite Modellierung des Zustands der zugrunde liegenden Infrastruktur ist nicht Teil der Kapazitätsanalyse. In dieser Dissertation wird ein effizientes Modell auf Basis von Quasi-Geburts- und Todesprozessen (QBDs) vorgestellt, welches existierende analytische Kapazitätsplanungsansätze auf Basis von Bedienmodellen vereinheitlicht und erweitert. Durch die Verwendung eines zustandsraumbasierten Ansatzes werden verteilungsbasierte Aussagen und neue Leistungskennzahlen wie beispielsweise die Überschreitungshäufigkeit eines Qualitätsniveaus zugänglich. Darüber hinaus können Bedienprozesse und Abhängigkeiten zwischen Zugfahrten realitätsnäher modelliert werden, sodass eine detailliertere Abbildung in der Realität beobachtbarer Effekte ermöglicht wird. Durch die Integration eines eingebetteten steuernden Umgebungsprozesses, welcher es erlaubt, den Bedienprozess als Funktion des Infrastrukturzustands zu modifizieren, wurde ein integrierter Ansatz zur Modellierung von Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit entwickelt. Im Gegensatz zu weitverbreiteten szenariobasierten Ansätzen, welche auf einer isolierten Betrachtung der Systemleistungsfähigkeit im Störfall basieren, beinhaltet dieser Ansatz Ausfall- und Reparaturprozesse in ihrer Gesamtheit, d.h. inklusive der Übergangsphase nach Eintreten und im Nachgang von Störungen. Im Rahmen einer zustandsbasierten Modellierung kann die Kritikalität der einzelnen Systemkomponenten bezüglich der Betriebsqualität untersucht werden. Somit können die Implikationen von Entscheidung im Bereich der Anlagenplanung nicht mehr nur heuristisch, sondern mit direktem Bezug zu Qualitätskennzahlen bewertet werden. Neben der quantitativen Analyse erlaubt diese Vorgehensweise auch, Anhaltspunkte für Infrastrukturanpassungen zur Verbesserung der Verfügbarkeit abzuleiten. Es wird gezeigt, wie die Methodik in einen automatisierten und modularen Softwareprozess zur integrierten Kapazitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse eingebettet werden kann, welcher lediglich weitverbreitete Infrastruktur- und Zugdatenaustauschformate als Input erfordert. Hierbei werden effiziente Techniken auf Basis von Kronecker-Produkten und Krylovraummethoden, welche besonders für große dünnbesetzte Matrizen geeignet sind, zur Erzeugung und Analyse des Modells eingesetzt und erstmalig für die Leistungsfähigkeitsanalyse von Eisenbahnsystemen verwendet. Eine praxistaugliche Performance für Eisenbahnverkehrsplanung und Asset Management ist somit gewährleistet. Die Anwendbarkeit bei der Kritikalitätsanalyse von Fahrstraßenknoten sowie -- nach geeigneter Aggregation -- von Eisenbahnstrecken wird in realistischen Anwendungsfällen untersucht und belegt. Hierbei wird die Leistungsfähigkeit der Infrastruktur als Funktion der Komponentenverfügbarkeit in Hinblick auf die Verkehrsqualität untersucht. Infrastrukturanpassungen, Wartungs- und Instandhaltungsstrategien können somit hinsichtlich der Gewährleistung von Qualitätsversprechen gegenüber Kunden oder Vertragspartnern bewertet werden. Als weitere Konsequenz dieses integrierten Ansatzes für Infrastruktur- und Verkehrsplanung wird ein verbessertes Verständnis der Abhängigkeiten zwischen Anlagen- und Verkehrsplanung erzielt, das beispielsweise eine Abwägung zwischen der Reduktion der Fehlerhäufigkeit durch eine schlanke Infrastruktur und der Resilienz des Systems durch flexibles Routing im Störfall erlaubt.

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