Strategische Planung und Optimierung der Kapazität in Eisenbahnnetzen unter Nutzung von automatischer Taktfahrplanung

In den aktuellen Verkehrsprognosen für Deutschland wird im Schienenverkehr ein Wachstum gegenüber der heutigen Verkehrsleistung vorausgesagt. Demgegenüber steht jedoch die Knappheit der finanziellen Mittel für den Neu- und Ausbau sowie für den Erhalt der Schieneninfrastruktur, sodass es wichtig ist, die "richtigen" Infrastrukturmaßnahmen zur Engpassauflösung zu bestimmen und umzusetzen. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der Kapazitätsplanung in Eisenbahnnetzen unter Nutzung von automatischer Taktfahrlagenplanung und erschließt diese Verfahren für die praktischen Fragestellungen aus der strategischen Fahrplanung. Dabei wird auch explizit der Schienengüterverkehr berücksichtigt und optimiert, sodass die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit des Systems Bahn insgesamt gesteigert werden kann.

Autorentext

Daniel Pöhle wurde 1986 in Berlin geboren. Sein Studium im Verkehrsingenieurwesen an der TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften "Friedrich List", schloss er 2011 als Diplom-Ingenieur erfolgreich ab. Im Jahr 2012 wurde er für seine Leistungen im Studium mit der Lohrmann-Medaille der TU Dresden geehrt. Umfassende praktische Erfahrungen im strategischen Fahrplan- und Kapazitätsmanagement sammelte der Autor beim Eisenbahninfrastrukturbetreiber DB Netz AG als Experte für Langfristfahrplanung und begleitete in dieser Zeit eng die methodische Weiterentwicklung der Optimierungsmodelle für die automatisierte Fahrplanung. Von 2012 bis 2015 verfasste der Autor die vorliegende Dissertation zur strategischen Kapazitätsplanung im Eisenbahnverkehr.

Leseprobe
Textprobe:
Kapitel 5.2, Greedy-Strategien für die Konstruktion:
Im ersten Unterkapitel werden relativ einfache Strategien für die Konstruktion von Trassen auf überlagerten Zuglaufabschnitten erläutert. Diese Strategien ergeben sich intuitiv wenn man über eine Konstruktion bei überlagerten Zuglaufabschnitten nachdenkt, oder sind bewährte Heuristiken der manuellen Fahrplankonstruktion. Sie werden daher Greedy-Strategien genannt32 und in den Abschnitten 5.2.1 bis 5.2.4 beleuchtet.
5.2.1, Strategie "Auflösung der Überlagerungen":
Eine einfache Lösungsmöglichkeit besteht in der Auflösung der Überlagerungen durch Unterteilung der Zuglaufabschnitte an allen Verzweigungs- und Konfliktpunkten im Netz. Dadurch entstehen viele kurze Zuglaufabschnitte, die keine Überlagerungen mehr aufweisen. Abbildung 5.4 zeigt die Aufteilung der vier langen Zuglaufabschnitte in zehn kürzere Zuglaufabschnitte.
[...] Die Trennung der Zuglaufabschnitte an allen Verzweigungspunkten würde zwar die Überlagerungen auflösen, hätte jedoch zwei entscheidende Nachteile:

• Fahrzeiten auf den kürzeren Zuglaufabschnitten passen nicht mehr zu gewünschten Lenkzeiten von 3,5 Stunden.
• Keine ausreichende Pufferkapazität in vielen Teilungspunkten im Netz verfügbar.
  Die Auflösung der Überlagerungen wird somit mit neuen Abhängigkeiten erkauft, die ebenfalls verhindern, dass die Zuglaufabschnitte unabhängig voneinander konstruiert werden können. Die Komplexität der überlagerten Zuglaufabschnitte und der konkurrierenden Relationen würde in das Belegungsverfahren übertragen werden, da dort für eine konfliktfreie Lösung beispielsweise die Knotenkapazitäten detailliert betrachtet werden müssen. Daher ist der Lösungsansatz der Unterteilung allein nicht zielführend und es müssen Trassen für die langen und überlagerten Zuglaufabschnitte konstruiert werden, die anschließend optimiert belegt werden. Jedoch wird die Idee der Unterteilung langer Zuglaufabschnitte in den Strategien "Engpassorientierung" und "Belegung und Flexibilität" aufgegriffen und mit weiteren Verfahren kombiniert.
  5.2.2, Strategie "Seriell":
  Eine weitere Lösungsmöglichkeit zur Konstruktion auf überlagerten Zuglaufabschnitten ist die sequentielle Abarbeitung der Zuglaufabschnitte. Zuerst wird eine Reihenfolge festgelegt, in der die Konstruktion erfolgen soll, beispielsweise nach absteigender Anzahl Trassen, die aus der Prognose gefordert werden. Anschließend wird für den ersten Zuglaufabschnitt in der Bearbeitungsreihenfolge die geforderte Trassenanzahl konstruiert (im Beispiel Tabelle 5.1 fünf Trassen zwischen H und M). Danach wird für die weiteren Zuglaufabschnitte in der Reihenfolge mit der verbleibenden Restkapazität auf den Strecken ebenfalls versucht die geforderte Anzahl Trassen zu erreichen.
  [...] Falls für einen Zuglaufabschnitt aus Kapazitätsgründen nicht die geforderte Trassenanzahl konstruierbar ist, werden nur so viele Trassen konfliktfrei konstruiert wie möglich sind. Anschließend wird der nächste Zuglaufabschnitt in der Reihenfolge bearbeitet. Die Strategie "Seriell" garantiert (bei der absteigenden Sortierung nach geforderter Anzahl Trassen), dass auf Relationen mit hoher prognostizierter Nachfrage auch viele Systemtrassen angeboten werden können. Dies geht zulasten der Relationen, für die nur eine geringe Nachfrage besteht.
  5.2.3, Strategie "Parallel":
  Bei der Strategie "Parallel" wird im Gegensatz zur Strategie "Seriell" auf allen Zuglaufabschnitten gleichmäßiger konstruiert. Nach Festlegung einer Reihenfolge wird pro Zuglaufabschnitt immer genau eine Trasse konstruiert, bevor die Bearbeitung des nächsten Zuglaufabschnitts erfolgt (siehe Tabelle 5.2). Ein Zuglaufabschnitt wird nur so oft erneut in die Reihenfolge aufgenommen, bis die geforderte Trassenanzahl erfüllt ist. Dementsprechend werden die beiden Zuglaufabschnitte H-R und W-M genau einmal bearbeitet, da die Nachfrage nach einer Systemtrasse bereits nach der ersten