Untersuchung der Resilienz von Flughafenterminalsystemen auf Basis analytischer und simulationsbasierter Methoden

N. Metzner
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 73 (2023)

Zusammenfassung

Die Resilienz eines Systems kommt der Fähigkeit gleich, sich an innere oder äußere Störungen anzupassen und von diesen zu erholen. Flughäfen als Teil kritischer Infrastrukturen sehen sich im alltäglichen Betrieb verschiedensten Störereignissen ausgesetzt, sodass Resilienz eine fundamentale Eigenschaft von Flughäfen zur Aufrechterhaltung der Transportfunktion bildet. Die vorliegende Dissertation entwickelt aus der Literatur eine Kennzahl-Systematik zur Bewertung der Resilienz von Flughafenterminalanlagen und nimmt anhand von Simulationsexperimenten eine erste umfassende Analyse der Resilienz von Flughafenterminalanlagen vor.

Auf Basis einer ausführlichen Auswertung von Veröffentlichungen zum Thema Resilienz werden die grundlegenden Eigenschaften der Robustheit, der Schnelligkeit sowie des Leistungsverlustes über die Zeit als Kerndimensionen der Resilienz identifiziert und in Form von Kennzahlen messbar gemacht. Die Definitionen aus der Literatur werden auf das System Flughafenterminal übertragen. Eine Recherche möglicher Modellierungsansätze für Flughafenterminalsysteme liefert analytische und simulationsbasierte Werkzeuge zur Anwendung der entwickelten Bewertungssystematik auf Flughafenterminalsysteme.

Anhand vereinfachter, analytischer und simulationsbasierter Betrachtungen werden Wirkzusammenhänge zwischen den Modelleingangsgrößen und den Resilienz-Kennzahlen ermittelt. Eine erhöhte Störungsdauer und Auslastung des Systems wirken sich negativ und eine erhöhte Variabilität der Passagierankunftsrate positiv auf die Resilienz aus. Die analytischen Berechnungen können die diskreten, ereignisorientierten Simulationsergebnisse validieren. Über ein generisches Terminalmodell mit realen Flugplänen als Eingangsdaten wird die Resilienz gegenüber ausgewählten Störszenarien bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine geringe Resilienz der betrachteten Flughäfen gegenüber dem Störszenario "Terminalräumung" und eine mittlere Resilienz gegenüber dem Störszenario "IT-Systemausfall". Die Resilienz des generischen Modells hängt unter anderem vom betrachteten Flugplan, von den Passagierzahlen sowie vom modellierten Störszenario ab.

Die Ergebnisse der Simulationen quantifizieren die Zusammenhänge zwischen den Modelleingangsgrößen und den verschiedenen Dimensionen der Resilienz. Die Resilienz kann dabei als dynamische Größe angesehen werden, welche für ein Terminalsystem jeweils von der Auslastung sowie vom betrachteten Störszenario abhängig ist. Über die Bewertungssystematik können Schwachstellen und Handlungsbedarfe identifiziert werden, um in Zukunft Gegenstrategien zu erarbeiten, diese anhand der Kennzahlen zu bewerten und somit die Resilienz von Flughafenterminalsystemen auf lange Sicht gezielt zu erhöhen.

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

N. Weik
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 72 (2023)

Zusammenfassung

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 d¨unnbesetzte 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.

Ansätze zur Entwicklung und Validierung generischer Flughafenterminalmodelle

S. Kellner
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 71 (2023)

Zusammenfassung

Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der Modellierung der Abfertigungsprozesse von Passagieren im Flughafenterminal. Zur tiefergehenden Analyse werden hierfür computergestützte Simulationsmodelle genutzt. Eine Herausforderung für den Entwickler ist die zufriedenstellende Validierung eines Simulationsmodells im Kontext der zu bearbeitenden Fragestellung. Zusätzlich erschwert wird eine Validierung, wenn keine oder ungenügende empirische Daten und Zielwerte vorliegen, wie im Falle von generischen Modellen. An diesem Punkt setzt die Arbeit an und schlägt ein strukturiertes Vorgehen für die Validierung eben dieser generischen Flughafenterminalmodelle vor.

Ausgehend von einer umfangreichen Quellenauswertung wird der Bestand an Simulationsmodellen für Flughafenterminals ermittelt und ein Überblick über allgemeine Validierungstechniken geschaffen. Es bleibt festzustellen, dass sowohl bei kommerziellen Programmen als auch bei für konkrete Forschungsprojekte entwickelten Programmen die Verifizierung, d.h. die Überprüfung des mathematisch korrekten Ablaufs eines Simulationslaufs im Vordergrund steht und nachvollziehbar dokumentiert wird. Der Prozess der Modellbildung und somit die Übertragung der wesentlichen Wirkzusammenhänge aus dem Flughafenterminal in ein Simulationsmodell erfordern jedoch neben der Fertigkeit im Umgang mit dem genutzten Simulationsprogramm ausreichende Kenntnisse über die Abfertigungsprozesse. Die an einer gelungenen Modellbildung ansetzende Validierung wird in der Literatur tendenziell als Pflichtübung abgehandelt.

Als Ergebnis der Arbeit steht daher ein Verfahren, welches die Validierung wieder greifbarer macht, indem es qualitative und quantitative Aspekte kombiniert. Die qualitativen Aspekte - formuliert als Fragen an das Simulationsmodell – prüfen den Kontext der Simulation ab. Die Fragen leiten dabei den Entwickler des Simulationsmodells hin zu einer Darlegung, warum der gewählte Ansatz für die Fragestellung angebracht sein soll. Die quantitativen Aspekte - Kennzahlen in einem Netzdiagramm – erfordern einen zusätzlichen Modellierungsschritt: Der Untersuchungsgegenstand wird auf einer abstrakteren Ebene dargestellt und als Metamodell implementiert. So können die Ergebnisse des Simulationsmodells mit denen des Metamodells durch Kennzahlen verglichen werden. Eine quantitative Validierung generischer Simulationsmodelle, abgesichert durch die Betrachtung der qualitativen Aspekte, wird so ermöglicht.

Netzweite Ermittlung von Kapazitätskennwerten zur bedarfsgerechten Infrastrukturdimensionierung und Netzentwicklung im Eisenbahnwesen

A. Pfeifer
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 70 (2023)

Zusammenfassung

Der erwartete Anstieg der allgemeinen Verkehrsleistung im Personen- und Güterverkehr bedingt bei einer gleichzeitig prognostizierten Ausweitung des Modal Splits der Eisenbahn eine Ausdehnung von Kapazitätsengpässen der heute oftmals bereits stark ausgelasteten Schieneninfrastruktur. Eine effizientere Nutzung oder ein zielgerichteter Aus- und Neubau der betrieblichen Schieneninfrastruktur können dieser Entwicklung entgegenwirken, erfordern aber die Kenntnis netzweiter Kapazitätskennwerte.

Die Berechnung von Kapazitätskennwerten erfolgt gegenwärtig im Rahmen zeit- und personalaufwendiger eisenbahnbetriebswissenschaftlicher Untersuchungen und unterliegt somit einer räumlichen Beschränkung sowie einer geringen Aktualität. Eine netzweite eisenbahnbetriebswissenschaftliche Beurteilung kann bislang lediglich vereinfachend, makroskopisch oder durch Adaptionen der Kompressionsmethode nach UIC-Code 406 vorgenommen werden. Um detaillierte Kapazitätsaussagen insbesondere hinsichtlich der Detektion von Kapazitätsengpässen oder -reserven zu tätigen, bedarf es jedoch der Anwendung eines mikroskopischen Datenmodells. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren zur netzweiten Ermittlung von Kapazitätskennwerten für Eisenbahnstrecken und -knoten entwickelt, welches eine bedarfsgerechte Infrastrukturdimensionierung und Netzentwicklung und somit eine kapitalschonende Kapazitätsausweitung unterstützt.

Durch eine Ertüchtigung des derzeitigen Vorgehens eisenbahnbetriebswissenschaftlicher Untersuchungen für eine netzweite Anwendung und eine Überführung in eine weitreichend automatisierte Kapazitätsberechnung werden unter Einhaltung kurzer Rechenzeiten detaillierte Kapazitätsaussagen ermöglicht. Eine wesentliche Erweiterung des bisherigen Ansatzes stellt die automatisierte Berücksichtigung des Gelegenheitsverkehrs für Kapazitätsberechnungen von Strecken und die zusätzliche Berüksichtigung von Rangierfahrten im Rahmen der Knotenbewertung dar.

Das entwickelte Verfahren der Berechnung netzweiter Kapazitätskennwerte zeichnet sich durch eine signifikante Reduzierung manueller Eingriffe und somit eine Minimierung subjektiver Einflüsse aus. Erstmalig können unter Beachtung eines standardisierten Vorgehens aktuelle Kapazitätskennwerte des gesamten Schienennetzes für ein mikroskopisches Datenmodell bereitgestellt werden. Eine nutzeradäquate Ergebnisdarstellung bietet eine zielführende Grundlage für die Planung und Konzeptionierung von Infrastrukturmaßnahmen und erschließt neuartige Einsatzbereiche des Kapazitätsmanagements.

Auf Basis der nun erstmals zur Verfügung stehenden netzweiten Kapazitätskennwerte konnten schließlich mithilfe eines Benchmarkings Funktionen des Kapazitätsmanagements identifiziert werden, welche ein hohes Übertragungspotenzial für das Eisenbahnwesen aufweisen und geeignet sind, infrastrukturelle Ressourcen zu überwachen und bedarfsgerecht weiterzuentwickeln. So wurden u. a. Funktionen für eine historische Kapazitäts- und Trendentwicklung, einen Kennzahlenvergleich und ein automatisiertes Reporting entwickelt. Relevante eisenbahnbetriebswissenschaftliche Erkenntnisse lassen sich darüber hinaus aus der Ableitung netzweiter Qualitätskennwerte erzielen.

Im Rahmen einer Validierung der Kapazitätsberechnung und ausgewählter Funktionen des Kapazitätsmanagements anhand eines Teilnetzes kann eine hohe Ergebnisgüte aufgezeigt werden, welche für eine produktive Weiterverwendung im Kapazitätsmanagement von Eisenbahninfrastrukturunternehmen als geeignet anzusehen ist. Die wirtschaftlich optimale Nutzung infrastruktureller Ressourcen sowie eine präzise und bedarfsgerechte Planung von Infrastrukturmaßnahmen kann insbesondere vor dem Hintergrund hoher Investitionskosten, langer Lebensdauern und Planungszeiten sowie eines begrenzten Finanzierungsvolumens mithilfe des entwickelten Verfahrens begünstigt werden.

Berechnung und Bewertung der Gesamtleistungsfähigkeit von Eisenbahnnetzen

C. Meirich
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 69 (2018)

Zusammenfassung

Eine 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 Untersuchungszeitraums 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 Knoten, um zuverlässige Aussagen über die Realisierbarkeit von zusätzlichem Verkehrsaufkommen treffen zu können.

Im Bereich der mittel- und langfristigen Planung von Infrastruktur- und Fahrplankonzepten haben analytische bedientheoretische Methoden weitgehende Verbreitung bei der Ermittlung der Leistungsfähigkeit gefunden. Neben der Untersuchung konkreter Fahrplankonzepte sind diese Verfahren besonders geeignet, auch auf Basis noch unbekannter oder veränderbarer Fahrplanstrukturen Aussagen über die zu erwartende Leistungsfähigkeit zu treffen. Hierzu wird nach aktuellem Stand der Technik das Eisenbahnnetz in die Infrastrukturelemente Strecken, Gleisgruppen und Fahrstraßenknoten unterteilt, welche 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 Infrastruktur- 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 Fahrwegkapazität unter Berücksichtigung von Ausweich- und Umleitungsstrecken können Aus-, Um- und Rückbaumaßnahmen detailliert abgebildet und kapazitiv bewertet werden. Neben 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 Neuerstellung 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 Eisenbahninfrastruktur 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 Prozessschritt 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 einer 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 vergleichbaren Modellierung. So werden bei der Dimensionierung von Knoten aktuell die planmäßigen Wartezeiten, welche bei der Fahrplanerstellung, durch Verschieben von Trassen aus ihrer Wunschlage zur Vermeidung von Konflikten entstehen, zugrunde gelegt. Demgegenüber basiert die Dimensionierung von Strecken auf der Analyse der außerplanmäßigen Wartezeiten, welche in der Betriebsabwicklung aufgrund von Störungen und Verspätungen im vorhandenen konfliktfreien Fahrplan entstehen. Um die Vergleichbarkeit der Berechnung der Kapazitäten für die unterschiedlichen Systemkomponenten zu gewährleisten, wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Methodik zur Vereinheitlichung der unterschiedlichen Vorgehensweisen entwickelt. Beispielsweise wird für Fahrstraßenknoten eine Modifikation der Strele-Formel mittels der zuerst von Adler vorgestellten Verkettungszahl etabliert, dass erstmalig eine konsistente Berechnung der Kapazitäten für Strecken und Knoten auf Basis derselben Datengrundlage durchgeführt werden kann.

Das vorgestellte Verfahren wurde anhand protototypischer Berechnungen eines realitätsnahen 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.

Monetäre Bewertung von Konfliktlösungsmaßnahmen im Eisenbahnverkehr mit Hilfe von Modellen der Betriebssimulation und Verkehrsmittelwahl

M. Schneider
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 68 (2018)

Zusammenfassung

Um Konflikte zwischen Zügen in der Betriebsabwicklung im Eisenbahnverkehr zu lösen, können verschiedene betriebliche Maßnahmen angewandt werden. Sie basieren in Deutschland unter anderem auf dem Vergleich von Rangziffern, die die Prioritäten der Züge untereinander bestimmen. Die Konfliktlösungen können zeitliche und lokale Auswirkungen auf den niederrangigen Zug haben. Insbesondere die zeitlichen Folgen in Form von Wartezeiten werden in Deutschland für Qualitätsbestimmungen des Eisenbahnbetriebes herangezogen. Darauf aufbauend können wirtschaftliche Auswirkungen infolge von Konfliktlösungen bestimmt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Betrachtung dieser Auswirkungen auf den Endkunden ausgeweitet, indem auch Nachfrageänderungen berücksichtigt werden. Aufgrund von Verspätungen können sich Endkunden gegen den Verkehrsträger Bahn und für konkurrierende Verkehrsmittel entscheiden. Ein Rückgang der Erlöse kann eine Folge daraus sein. Dieser Rückgang führt in Kombination mit den variablen Kosten zu sinkenden Deckungsbeiträgen auf Seiten der Eisenbahnverkehrsunternehmen und letztlich auch der Eisenbahninfrastrukturunternehmen.

Für eine monetäre Bewertung von Konfliktlösungsmaßnahmen werden in der vorliegenden Arbeit drei Teilmodule betrachtet, die miteinander gekoppelt werden. Zunächst wird mit Hilfe von Modellen der Eisenbahnbetriebssimulation die rangbasierte Konfliktlösung vorgenommen, welche als Ergebnis die Wartezeiten je Zug liefert. Sie dienen im zweiten Schritt den Verkehrsmittelwahlmodellen als Eingangsgröße, um die Verkehrsnachfrage für den Schienenpersonennah-, Schienenpersonenfern- und Schienengüterverkehr in Form des Modal Split zu bestimmen. Das dritte Teilmodul stellt die Deckungsbeitragsrechnung dar, mit der ein monetärer Wert von Konfliktlösungen beschrieben wird. Hierin werden von den Erlösen die variablen Kosten abgezogen. Die Erlöse werden mit Hilfe von zuggattungsspezifischen und zeitvariablen Daten zu Auslastung, Reisezweckverteilung, Ticket- bzw. Transportpreisen und dem Nachfragefaktor, der den Modal Split beinhaltet, berechnet. Betrachtete Kostenbestandteile sind der Kapitaldienst und die Instandhaltungskosten des Rollmaterials sowie Personal- und Energiekosten.

Da das angewandte Simulationstool auf einer mikroskopischen, die Verkehrsmittelwahlmodelle jedoch auf einer makroskopischen Ebene arbeiten, können die Wartezeiten nicht direkt zur Bestimmung des Modal Split verwendet werden. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Anpassung vorgenommen, die mit Hilfe eines Kopplungsparameters eine Kombination von Einzel- und Mittelwerten für die Verspätungen vorsieht. Je nach Reise- bzw. Transporthäufigkeit orientiert sich der Endkunde bei seiner Entscheidung für oder gegen das Verkehrsmittel Bahn. Dies geschieht entweder eher aufgrund von Einzelverspätungen infolge von einzelnen Konfliktlösungen oder aber aufgrund vielfach gemachter Erfahrungen, die durch die mittleren Verspätungen repräsentiert werden.

Aus variierenden Rangvergaben von Zügen resultieren unterschiedliche Konfliktlösungen und Wartezeiten auf Seiten der Züge und der Endkunden. Mit diesem Ansatz wird schlussendlich eine Rangvergabe gefunden, bei der der monetäre Verlust auf Seiten der Eisenbahnverkehrsunternehmen infolge von Wartezeiten minimiert wird.

Wirtschaftliche Bewertung von Infrastrukturmaßnahmen zur Anpassung der Streckenleistungsfähigkeit auf Grundlage einer integrierten Systembetrachtung

B. Dickenbrok
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 67 (2012)

Zusammenfassung

Nach dem derzeitigen Stand der Forschung existiert kein Ansatz, mit dem das auf einem betrachteten Streckenabschnitt erzielte Wirtschaftsergebnis des Systems Bahn unter Berücksichtigung aller Erlöse und Kosten von Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU) und Eisenbahninfrastrukturunternehmen (EIU) für beliebige Streckenbelegungsgrade abgebildet werden kann. Die Betrachtung aller Erlöse und Kosten in Abhängigkeit von der Angebotsqualität ist jedoch erforderlich, um den wirtschaftlich optimalen Leistungsbereich ermitteln und Infrastrukturmaßnahmen zur Verbesserung des Betriebsablaufs bewerten zu können.

In dieser Arbeit wird deshalb ein Modellansatz entwickelt, der einen Zusammenhang zwischen der technischen Ausgestaltung der Eisenbahninfrastruktur, dem darauf abgewickelten Betriebsprogramm und der damit einhergehenden Infrastrukturauslastung einerseits sowie der erzielten Beförderungs- und Transportqualität und deren Wirkung auf den Endkunden andererseits herstellt. Dazu werden mit Hilfe von vier Teilmodellen die Erlöse und Kosten von EVU und EIU analysiert und in Abhängigkeit von der auf einem Streckenabschnitt verkehrenden Anzahl an Zügen im Gesamtmodell hinterlegt.

Die von EVU erzielten Erlöse aus Beförderungsentgelten werden mit Hilfe von Verkehrserzeugungs- und Verkehrsnachfragemodellen in Abhängigkeit von der Anzahl der verkehrenden Züge ermittelt. Dabei wird die Angebotsqualität eines betrachteten Streckenabschnitts in Bezug zur Nachfrageveränderung des Endkunden und zur Konkurrenzsituation mit anderen Verkehrsträgern gesetzt, um die Nachfragereaktion von Reisenden und Transportkunden sowie die damit einhergehenden Erlösveränderungen abbilden zu können.

Das Erlösmodell der EIU berücksichtigt die Einnahmen aus Trassen- und Stationsgebühren sowie Traktionsenergieverkäufen. Die Strecken- und Stationsgebühren sind dabei in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Strecken- und Stationskategorie im Modell hinterlegt. Der Energieverbrauch der Schienenfahrzeuge wird dabei in Abhängigkeit von der Zugmasse, der Geschwindigkeit, der Anzahl der Beschleunigungsvorgänge, der Länge der zurückgelegten Strecke und der Streckentopologie berücksichtigt.

Für die Ermittlung der Kosten von EVU wurde ein Lebenszykluskostenmodell entwickelt, welches die Investitions-, Instandhaltungs- und Energiekosten von Schienenfahrzeugen, die Personalkosten des Zugpersonals sowie die Kosten für Trassen- und Stationsgebühren berücksichtigt. Dabei wurden die zeitabhängigen Kostenkomponenten in Abhängigkeit von der auslastungsabhängigen Beförderungszeit im Modell hinterlegt, um die Auswirkungen von auslastungsabhängigen Wartezeiten auf die EVU-Kosten abbilden zu können.

Für die Modellierung der EIU-Kosten wurde ein Lebenszykluskostenmodell für die Eisenbahninfrastruktur entwickelt, welches die Investitions-, Instandhaltungs- und Betriebsführungskosten einzelner Infrastrukturelemente berücksichtigt. Abhängig von der technischen Ausrüstung der untersuchten Strecke können die jeweiligen Gesamtkosten der Infrastruktur für den Untersuchungszeitraum berechnet werden. Ein Großteil der Infrastrukturkosten wurde als Fixkosten im Modell abgebildet. Für Gleise, Weichen und Oberleitungen wurden die verschleißabhängigen Instandhaltungskosten in Bezug zu der Anzahl, der Geschwindigkeit und der Masse der verkehrenden Züge im Modell hinterlegt.

Mit Hilfe der vier beschriebenen Teilmodelle werden die auf einem Streckenabschnitt erzielten Erlöse und entstehenden Kosten von EVU und EIU ermittelt. Durch eine Gegenüberstellung der Gesamterlöse und -kosten ergibt sich der wirtschaftliche Leistungsbereich des Streckenabschnitts, innerhalb dessen ein positives Wirtschaftsergebnis erzielt wird und der von den wirtschaftlichen Grenzzugzahlen begrenzt wird. Innerhalb des wirtschaftlichen Leistungsbereichs stellt sich die wirtschaftlich optimale Zugzahl an der Stelle mit der größten Differenz zwischen Erlösen und Kosten ein. Im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Qualitätsmaßstäben zur Ermittlung der optimalen Streckenauslastung ist mit diesem Ansatz keine vorherige Eichung von Grenzwerten erforderlich.

Darüber hinaus können Infrastrukturmaßnahmen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den wirtschaftlich optimalen Leistungsbereich und das erzielte Wirtschaftsergebnis bewertet werden. Über einen Vergleich der tatsächlich verkehrenden Anzahl an Zügen und des wirtschaftlich optimalen Leistungsbereichs der betrachteten Strecke können Infrastrukturmaßnahmen dahingehend bewertet werden, inwiefern sie durch eine Verschiebung des wirtschaftlich optimalen Leistungsbereichs zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit einer Strecke beitragen. Der wirtschaftliche Erfolg der Maßnahme kann durch die Erlös- und Kostenberechnung auf der Basis von monetären Größen beziffert werden. Dadurch wird eine Entscheidungsgrundlage geschaffen, mit der Strategien für den Infrastrukturausbau und die Effizienz der eingesetzten Investitionsmittel bewertet werden können.

Ein Verkehrsmittelwahlmodell für den Personenfernverkehr auf der Basis von Verkehrswiderständen

M. Norta
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 66 (2012)

Zusammenfassung

Im Rahmen der Arbeit erfolgen die Entwicklung sowie die Validierung eines aggregierten aber dennoch den Reiseverlauf sehr feingranular abbildenden Verkehrsmittelwahlmodells für den Personenfernverkehr. Die Betrachtung erfolgt dabei stets auf eine Relation bezogen unter Berücksichtigung aller relevanten miteinander konkurrierenden Verkehrsmittel. Die in Abhängigkeit von der Relation stark differierenden Siedlungs- und Bevölkerungsstrukturen sowie die in den Untersuchungsräumen existierenden Verkehrsangebote werden somit umfassend abgebildet. Die Qualität dieser Verkehrsangebote wird auf der Basis einer präzisen Widerstandsformulierung beschrieben, deren Grundlagen die Angebotsparameter der betreffenden Angebote sowie die jeweiligen subjektiven nicht-linearen Bewertungen durch den das Angebot nutzenden Kunden darstellen.Der erste Schritt besteht in der Findung eines geeigneten Modellierungsansatzes sowie einer geeigneten Methodik zur Entwicklung der erforderlichen Entscheidungsalgorithmen. Im Hinblick auf die Erfordernisse, relationsbezogen und feingranular abzubilden, aber dennoch schnelle Ergebnisse zu liefern, wird auf das VIA-Widerstandsmodell zurückgegriffen. Damit ist die Kalibrierung des Modells nur einmalig erforderlich und die Maßnahmenreagibilität sichergestellt. Aufgrund der im Personenfernverkehr unzureichenden Datengrundlagen ist es notwendig, auf einen hypothesenbasierten Ansatz zur Modellentwicklung zurückzugreifen. Im nächsten Schritt werden die verkehrsmittel- und untersuchungsraumspezifischen Angebotsmerkmale der Verkehrsmittel quantifiziert sowie die subjektiven nicht-linearen Bewertungsfunktionen aufgestellt. Einen wesentlichen Schwerpunkt der Betrachtungen stellen dabei die notwendigen Zu- und Abgängen zu/von den öffentlichen Verkehrsmitteln, die Komplexität von Systemwechsel und Umsteigen, die Nutzbarkeit von Reisezeitelementen und die außerplanmäßigen Wartezeiten dar, da diese Aspekte einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Verkehrsmittelwahl haben. Anschließend wird ein Netzmodell entwickelt, welches sich an bestehenden Modellen orientiert und somit die Verwendung der an anderer Stelle vorgehaltenen soziodemographischen sowie siedlungsstrukturellen Datengrundlagen wesentlich vereinfacht. Die Erfordernis, die räumlich differenzierten Angebotsverhältnisse zusammenzufassen, wird mittels eines relationsbezogenen Mittelungsverfahren sichergestellt. In einem abschließenden Schritt werden die bislang vor allem auf Basis von Hypothesen entwickelten funktionalen Zusammenhänge mit Hilfe einer umfangreichen sowie feingranularen relationsspezifischen Reisendenerhebung validiert. Anhand der Überprüfung einer Vielzahl ganz unterschiedlich strukturierter Relationen ist die Gesamtfunktionalität des Modelles abgesichert. Mit diesem Modell steht ein Werkzeug zur Verfügung, das es ermöglicht, ohne vorgeschaltete Erhebungen plausible Ergebnisse und Verkehrsmittelwahlveränderungen realitätsnah zu berechnen. Der Ansatz bleibt dabei trotz seiner Detaillierung mathematisch überschaubar.

Qualität von Heuristiken in der Disposition des Eisenbahnbetriebs

F. Weymann
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 65 (2011)

Zusammenfassung

Der reibungslose Auflauf des Bahnbetriebs ist ein entscheidender Faktor für den Erfolg des Systems Bahn. Als offenes System ist die Bahn allerdings sehr empfindlich gegenüber externen Störungen, welche zu unvermeidbaren Verspätungen bei den Zugfahrten führen. Umso wichtiger ist eine schnelle Reaktion durch eine vorausschauende und weiträumige Disposition, welche soweit wie möglich verhindert, dass verspätete Zugfahrten andere Fahrten behindern und dadurch Folgeverspätungen hervorrufen. Um den Disponenten bei seiner Arbeit zu unterstützen, wurden in den letzten Jahren zahlreiche rechnergestützte Verfahren zur Lösung von Belegungskonflikten entwickelt, allerdings nur oberflächlich evaluiert. Ein großes Problem bei der Bewertung der Verfahren ist das Fehlen eines Goldstandards, welcher für eine gegebene Betriebssituation eine optimale Lösung vorgibt. Ohne diesen Standard kann nur gezeigt werden, dass ein Verfahren akzeptable und plausible Ergebnisse liefert, es kann aber nicht abgeschäzt werden, wie viel Potential tatsächlich ausgenutzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein optimales Lösungsverfahren entwickelt, welches den Ansatz der gemischt-ganzzahlig linearen Programmierung (MIP) verfolgt und auf einer weichenscharfer Darstellung der Infrastruktur, einer detaillierten Berechnung von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen und einer Abbildung des Sicherungssystems mit Hilfe der Sperrzeitentheorie aufsetzt. Nach einer Optimierung des Laufzeitverhaltens ist es dem MIP-Löser Gurobi auf einem modernen Rechnersystem trotz der detaillierten Modellierung möglich, innerhalb kurzer Zeit – für die meisten Situationen nur wenige Minuten – eine optimale Dispositionsentscheidung zu ermitteln. Im Rahmen dieser Arbeit wird somit gezeigt, dass die Rechnerhardware und die MIP-Software inzwischen einen Stand erreicht haben, welcher eine realitätsnahe Optimierung der Bahndisposition erlaubt. Mit Hilfe des optimalen Lösungsverfahrens wird anschließend die Güte verschiedener heuristischen Dispositionsverfahren bestimmt. Dabei wird besonderer Wert auf eine möglichst breite Streuung bei den eingesetzten Datenmodellen und Lösungsansätzen gelegt. Um die Stärken und Schwächen der verschiedenen Verfahren genauer analysieren zu können, kommen beim Vergleich sechs Dispositionsbereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften sowie verschiedene Arten von Störungssituationen zum Einsatz. Die verschiedenen Dispositionsverfahren werden nicht nur hinsichtlich der Güte der gefundenen Lösungen verglichen, vielmehr wird auch die benötigte Laufzeit auf Echtzeittauglichkeit untersucht. Kurze Laufzeiten sind notwendig, da eine signifikante Reduktion von Folgeverspätungen nur erreicht werden kann, wenn der Dispositionsvorgang mit ausreichendem Abstand zum Konfliktbeginn abgeschlossen ist. Aus den Ergebnissen werden zuletzt Empfehlungen abgeleitet, welche Heuristiken aus Gründen der Lösungsgüte und der Rechenzeit für den Einsatz in bestimmten Situationen empfehlenswert sind.

Planmäßige Verspätungen im Luftverkehr: Definition und Nutzung eines Qualitätsmaßes für die Flughafenkoordination

D. Kösters
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 64 (2010)

Zusammenfassung

Die Flughafenkoordination ist ein strategischer Kapazitätsmanagementprozess für hoch belastete Flughäfen. Für jeden Start und für jede Landung ist die vorherige Zuweisung eines sog. Flughafen-Slots erforderlich. Diese zeitlich spezifizierten Zugangs- und Nutzungsrechte für die Flughäfen sind nur begrenzt verfügbar. Wenn die Nachfrage das Kapazitätsangebot übersteigt, kommt es bereits in der Planungsphase zu Belegungskonflikten. Potentielle Infrastrukturnutzer müssen eine zeitliche Verschiebung oder sogar die Zurückweisung ihrer Slot-Wünsche in Kauf nehmen. Die Flughafenkoordination ist das maßgebende Instrument zur Steuerung des betrieblichen Zugangs zu den Flughäfen. Es ist das Ziel der Dissertation, eine standardisierte Auseinandersetzung mit der Flughafenkoordination unter dem Aspekt der Realisierbarkeit des operativen Infrastrukturzugangs durch die nachfragenden Fluggesellschaften zu ermöglichen. Hierzu wird die planmäßige Verspätung als Maß für die Planungsqualität von Flughäfen – die Qualität in der Flughafenkoordination – definiert, mit dem die Konsequenzen des strategischen Kapazitätsmanagements für den gewünschten Flughafenzugang quantitativ, transparent und damit belastbar eingeschätzt werden können. Aufgrund der Neuartigkeit einer Diskussion der Planungsqualität wird außerdem die mögliche Nutzung der planmäßigen Verspätung, insbesondere im Umgang mit Fragen der Auslastung und Dimensionierung von Flughäfen, betrachtet. Im ersten Teil der Arbeit wird die Realisierbarkeit des operativen Infrastrukturzugangs als Qualitätsaspekt für den strategischen Kapazitätsmanagementprozess definiert. Für die Fluggesellschaften als Kunden im Markt für Infrastrukturleistungen ist der Zugang zu den Flughafenkapazitäten notwendige Voraussetzung für das Angebot von Verkehrsdiensten im Markt für Transportleistungen. Betriebliche Anforderungen sowie das Endkundenverhalten bestimmen die gewünschte zeitliche Lage des Zugangs. Wenn zur Abstimmung mit dem Kapazitätsangebot die Nachfrage in der Vorausplanung reguliert werden muss, können nicht alle Slot-Anmeldungen wie gewünscht berücksichtigt werden. Die so spezifizierte Planungsqualität beeinflusst das Verhalten der Teilnehmer in den Luftverkehrsmärkten. Eine Prozessanalyse im zweiten Teil vermittelt die notwendige Kenntnis des Ablaufs der Flughafenkoordination. Deren (Teil-)Prozesse und Ereignisse werden anhand einer Auswertung von empirischen Daten zur Flughafenkoordination an den deutschen koordinierten Flughäfen in den Flugplanperioden Sommer 2005 und Winter 2005/2006 nachvollzogen. Auf dieser Basis kann eingangs des dritten Teils der Arbeit die Flughafenkoordination als System abstrahiert werden. Als dessen zentrale Parameter und Abhängigkeiten werden die angemeldete Slot-Nachfrage (Eingangsgröße und System-Belastung), der Koordinierungsprozess mit der Konfliktlösung sowie das allozierte Slot-Aufkommen (Ausgangsgröße und System-Leistung) abgegrenzt. Die planmäßige Verspätung wird als Maß für die Planungsqualität definiert. Planmäßige Verspätungen erfassen die bei der Konfliktlösung mögliche Abweichung von der zeitlichen Wunschlage für den betrieblichen Infrastrukturzugang. Eine Verspätungsanalyse verdeutlicht signifikante Unterschiede an den deutschen koordinierten Flughäfen in den betrachteten Flugplanperioden. Obwohl mit steigender Belastung (Slot-Nachfrage) und Leistung (Slot-Aufkommen) grundsätzlich ein Rückgang der Planungsqualität konstatiert werden kann, gelingt es anhand der verfügbaren empirischen Daten nicht, diese Relationen – hier als Belastungs- und Leistungsverhalten in der Flughafenkoordination bezeichnet – präzise abzubilden. Es wird daher ein deterministisches Modell für die Konfliktlösung eingeführt, das mit Slot-Nachfrage und Kapazitätsangebot als Eingangsgrößen eine Vorausschätzung der planmäßigen Verspätungen und damit eine Abbildung der genannten Relationen erlaubt. Im vierten Teil der Arbeit steht die mögliche Nutzung der planmäßigen Verspätung im Fokus. Anhand von planmäßigen Verspätungen können das strategische Kapazitätsmanagement und der Aspekt der Realisierbarkeit des Flughafenzugangs in die systematische Leistungs- und Qualitätskontrolle von Flughäfen integriert werden. Es wird so eine Auseinandersetzung mit der Leistungsfähigkeit von Flughäfen in der Planungsphase unter diesem Qualitätsaspekt ermöglicht.

Leistungskenngrößen für Gesamtfahrstraßenknoten

N. Nießen
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 63 (2008)

Zusammenfassung

Das Eisenbahnnetz besteht aus den Infrastrukturelementen Strecken, Gleisgruppen und Gesamtfahrstraßenknoten. Als Gesamtfahrstraßenknoten werden die Weichenzonen in den Bahnhofsköpfen bezeichnet. Durch die in den Gesamtfahrstraßenknoten angelegten Fahrwege ergeben sich die möglichen Verknüpfungen zwischen den an einen Knoten angrenzenden Strecken. Dabei ist es möglich, dass in einem Gesamtfahrstraßenknoten zeitgleich mehrere Zugfahrten durchgeführt werden, wenn sich diese nicht gegenseitig behindern.

Während für Eisenbahnstrecken und Gleisgruppen analytische Verfahren zur Bestimmung von Leistungskenngrößen verfügbar sind, liegen für Gesamtfahrstraßenknoten hingegen nur Lösungsansätze vor. In der vorliegenden Arbeit werden Vorgehensweisen hergeleitet, mit den sich für einen Gesamtfahrstraßenknoten die Kenngrößen

• Grenzleistung,
• Verlustwahrscheinlichkeit,
• Wartewahrscheinlichkeit,
• planmäßige Wartezeiten
• und außerplanmäßige Wartezeiten

bestimmen lassen. Als besonders hilfreich hat sich hierzu der Ansatz erwiesen, das Modell einer multiresource queue aus der Bedientheorie zur Modellierung eines Gesamtfahrstraßenknotens zu verwenden.

Aufgrund der Mehrkanaligkeits-Eigenschaft des Bediensystems Gesamtfahrstraßenknoten können zwei oder auch mehrere Zugfahrten zeitgleich stattfinden. Damit die theoretische Leistungsfähigkeit der Anlage – die so genannte Grenzleistung – erreicht wird, müssen die Zugfahrten zeitlich optimal angeordnet werden. So ist es aus Gründen der Leistungsmaximierung notwendig, parallele Zugfahrten zu bündeln, statt diese nacheinander abzufahren. In dieser Arbeit wird ein mathematischer Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die Grenzleistung eines Gesamtfahrstraßenknotens mit Hilfe einer linearen Optimierung zu ermitteln.

Zur Bestimmung der Verlustwahrscheinlichkeiten werden für zwei unterschiedliche Verfahren Formeln aufgezeigt. Da bei der Berechnung der Verlustwahrscheinlichkeiten für Gesamtfahrstraßenknoten die Komplexität sehr schnell ansteigt, wird außerdem ein Algorithmus erläutert, der das Gesamtsystem in mehrere Teilsysteme zerlegt. Diese Teilsysteme können so zunächst einzeln berechnet werden. Anschließend liefert ein Zusammenfügen die exakten Ergebnisse für das Gesamtsystem. Zur Abschätzung der Wartewahrscheinlichkeiten werden dann – ebenso wie bei Potthoff für Gleisgruppen - die Verlustwahrscheinlichkeiten verwendet.

Bei der Berechnung der Wartezeiten wird zwischen den plan- und außerplanmäßigen Wartezeiten unterschieden. Die planmäßigen Wartezeiten sind die bei der Fahrplankonstruktion entstehenden Wartezeiten, wenn ein Zug von seiner ursprünglichen Wunschlage im Fahrplan abweichen muss, um Konflikte mit anderen Zügen zu vermeiden.

Die außerplanmäßigen Wartezeiten sind die Wartezeiten, die im Betriebsablauf aufgrund von Folgeverspätungen entstehen. Bei einem vollständig pünktlichen Betreib würden daher keine außerplanmäßigen Wartezeiten auftreten.

In der vorliegenden Arbeit werden die planmäßigen Wartezeiten an einem Gesamtfahrstraßenknoten mit Hilfe eines modifizierten Verlust- / Wartesystems ermittelt. Eine Erweiterung der STRELE Formel nach Schwanhäußer ermöglicht die Berechnung der außerplanmäßigen Wartezeiten für Gesamtfahrstraßenknoten.

Die Arbeit enthält zusätzlich einige Rechenbeispiele, die die Funktionsweise der beschriebenen Modelle erläutern.

Erarbeitung eines Handlungsrahmens für
die Entwicklung von Fluglärmkontingentierungen

Ch. Piehler
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 62 (2003)

Zusammenfassung

Die zur nachhaltigen Sicherung der Luftverkehrsmobilität notwendige Akzeptanz auf breiter Basis kann nur erreicht werden, wenn es gelingt, die vor allem im Umfeld der Verkehrsflughäfen konfligierenden ökonomischen, ökologischen und sozialen Interessen in eine faire Balance zu bringen. Vielversprechende Beiträge hierzu werden von Fluglärmkontingentierungen erwartet, obwohl es gerade bei ihrer Ausgestaltung immer noch zahlreiche Probleme und Unzulänglichkeiten gibt. Wissenschaftliche Abhandlungen haben sich bisher in erster Linie mit isolierten ökonomischen und juristischen Teilbereichen der komplexen Kontingentierungsproblematik beschäftigt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb die ergebnisorientierte Synthese dieser Erkenntnisse und ihre systematische Ergänzung zu einem integrierten Handlungsrahmen, der die Entwicklung von sachgerechten und planungssicheren Fluglärmkontingentierungen in adäquater Weise unterstützt.

Um das gesetzte Ziel zu erreichen, werden zunächst sukzessive die maßgeblichen Determinanten von Fluglärmkontingentierungen erörtert. Darauf aufbauend wird sodann in allen wesentlichen Handlungsfeldern das theoretische Potenzial strukturiert herausgearbeitet und auf seine praktische Relevanz überprüft. Hieraus wird im Anschluss ein konkreter Handlungsrahmen abgeleitet, der das gesamte Ausgestaltungsspektrum von Fluglärmkontingentierungen umfasst.

Dieser Handlungsrahmen bildet schließlich die Basis übergeordneter Schlussfolgerungen, die gezielt zu Ausgestaltungsoptionen verdichtet werden. Dabei wird besonderer Wert auf die Berücksichtigung der Interdependenzen zwischen den einzelnen Handlungsfeldern gelegt. Essenzielle Aussagen, Argumentationsketten und Schlussfolgerungen werden bei Bedarf anhand von computergestützten Berechnungen für einen Hybrid-Flughafen diskutiert und veranschaulicht.

Im Ergebnis bestätigen die Analysen und Bewertungen die erwartete Vielschichtigkeit und Komplexität einer gleichermaßen angemessenen wie praktikablen Ausgestaltung. Dies gilt verschärft für den Einsatz marktwirtschaftlicher Vergabeverfahren für lärmabhängige Kontingentanteile. Insbesondere ist ein Lärmlizenzhandel infolge massiver Ausgestaltungshemmnisse derzeit nicht sachgerecht realisierbar. Andere marktnahe Vergabeformen unterliegen erheblichen Restriktionen.

Erst die Abkehr vom Anspruch auf eine explizite Lizenzvergabe erweitert das reduzierte Ausgestaltungsspektrum. Unter umweltökonomischen Aspekten verliert eine Fluglärmkontingentierung mit der direkten Mengensteuerung das wesentliche Charakteristikum. Die Einhaltung der quantitativ festgeschriebenen Lärmbelastung kann somit nur noch indirekt abgesichert werden. Für den Ausgleich der divergierenden Interessen ist die konkrete Steuerungsmethode jedoch nachrangig.

Rechnerunterstützte Konfliktermittlung und Entscheidungsunterstützung
bei der Disposition des Zuglaufs

J. Jacobs
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 61 (2003)

Zusammenfassung

Die Eisenbahnen entwickeln sich immer mehr zu einem modernen und leistungsfähigen Verkehrsunternehmen. Dabei muß sich die Bahn marktorientierten Grundsätzen unterwerfen. Neben der sicheren und pünktlichen Abwicklung des Betriebes sollen auch Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit gewährleistet sein.

Die zentrale Rolle bei der Betriebsführung stellt die Zuglaufdisposition dar. Die Disponenten entscheiden über Zugreihenfolge auf den Strecken und weisen bei Verspätungen die Fahrdienstleiter an, die Reihenfolge zu tauschen. Dabei gilt es, der Pünktlichkeit und der Wirtschaftlichkeit des Betriebes stets Rechnung zu tragen.

Für qualitativ hochwertige Dispositionsentscheidungen muß die Datengrundlage für die Konfliktermittlung entscheidend verbessert werden, denn nur aufgrund einer exakten Ermittlung kann eine Konfliktlösung ein hohes Qualitätsniveau erreichen. Durch Anwendung vom Methoden des Trassenmanagements - aufbauend auf der Fahrplanfeinkonstruktion mit einer genauen Fahrzeitrechnung und auf Sperrzeitenbasis - können im Betriebsablauf neue Dispositionsfahrpläne erstellt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals dieser Ansatz für die Dispositionsunterstützung bei der Betriebsabwicklung von Eisenbahnen angewendet. Der Einsatz von Methoden des rechnerunterstützten Trassenmanagements und die Anwendung des asynchronen Ansatzes führen zu einem neuen Dispositionsverfahren ASDIS.

Mit Hilfe dieses neu konzipierten Verfahrens ASDIS können konfliktfreie Dispositionsfahrpläne erstellt werden. Diese Dispositionsfahrpläne beruhen auf den Gegebenheiten des aktuellen Betriebsgeschehens. Bei jeder Abweichung vom derzeit aktuellen Dispositionsfahrplans wird, falls aus den Abweichungen Konflikte entstehen, ein neuer Dispositionsfahrplan konstruiert. Auf Grund einer exakten Fahrzeitrechnung, die auch das Kürzen der Fahrzeitzuschläge im Verspätungsfall beinhaltet, kann eine genaue Prognose für die weiteren Fahrtverläufe der Züge erstellt werden. Mit Hilfe der asynchronen Vorgehensweise können Konflikte erkannt und gelöst werden, die erst in weiterer Zukunft auftreten werden. Dadurch kann eine weiträumige Disposition realisiert werden.

Durch die Einführung einer automatischen Disposition in den Betriebszentralen kann nicht nur Rationalisierungspotential erschlossen, sondern auch eine Verbesserung der Produktivität, der Qualität und der Flexibilität in der Betriebsführung erzielt werden.

Simulation der Fahrplanerstellung auf der Basis eines hierarchischen
Trassenmanagements und Nachweis der Stabiliät der Betriebsabwicklung

Th. Gröger
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 60 (2002)

Zusammenfassung

Der Schwerpunkt dieser Arbeit besteht in der Weiterentwicklung der asynchronen Verfahren zur Simulation der Fahrplanerstellung und der Betriebsabwicklung von Schienenbahnen. Die neu entwickelte Simulationsstrategie und die Verwendung geeigneter Basiskomponenten aus dem Bereich des rechnergestützten Trassenmanagements führen zu einem Simulationsverfahren, das in verschiedenen Planungsphasen unter Berücksichtigung der Zugprioritäten eingesetzt werden kann und dem direkt flächendeckende Infrastruktur- und Fahrplandaten zur Verfügung stehen.

In den klassischen Fragestellungen der Eisenbahn- betriebswissenschaft - Bemessung von Eisenbahninfrastruktur und Validierung neuer Fahrplan- und Betriebskonzepte - erzielt das neue asynchrone Simulationsverfahren aufgrund der verfeinerten Konfliktlösung insbesondere in eingleisigen Abschnitten und in komplexen Netzstrukturen bessere Ergebnisse. Hierzu tragen vor allem die selbst bestimmten Laufwegalternativen, die abschnittsweise Konfliktlösung auf der Basis von Überholungsabschnitten und die adaptive Berechnung unterschiedlicher Konfliktlösungsalternativen mit Auswahl anhand einer Zielfunktion bei.

Im Rahmen der Konzeption dieser neuen Simulationsstrategie werden neben den Modellen der Eisenbahnbetriebswissenschaft die Verfahren zur Erstellung von Fahrplänen betrachtet, die algorithmische Komplexität einer automatischen Fahrplanerstellung diskutiert und entsprechende mathematische Ansätze analysiert. Dabei zeigt sich insbesondere, dass die mathematische Modellierung aufgrund der kombinatorischen Vielfalt der möglichen Reihenfolgen der Züge und der jedem Zug zur Verfügung stehenden Fahrwege eine Betrachtung vereinfachter Modellstrukturen erfordert, die von den Fragestellungen des Trassenmanagements zum Teil weit entfernt sind.

Dagegen ergibt sich durch die Verwendung des sperrzeitenbasierten Ansatzes und die explizite Betrachtung der Konflikte eine konzeptionelle Nähe zum rechnergestützten Trassenmanagement, die aufgrund der verbesserten Konfliktlösungsstrategie neue Anwendungen in diesem Bereich erlaubt. So kann durch die Erzeugung von Konfliktlösungsvorschlägen, die Suche nach freien Einzeltrassen in bestehenden Fahrplänen und das kapazitätsschonende Einlegen mehrerer Zugtrassen eine direkte Effizienzsteigerung im rechnergestützten Trassenmanagement erreicht werden. Mit Hilfe der Simulation der Betriebsabwicklung kann schließlich die im Betriebsablauf zu erwartende Stabilität beliebiger Fahrpläne überprüft und so eine frühzeitige Qualitätssicherung der zugehörigen Planungen realisiert werden.

Rechnerunterstützte analytische Ermittlung der Kapazität von Eisenbahnnetzen

S. Vakhtel
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 59 (2002)

Angebotsabhängige Modellierung der reisezweckspezifischen
Verkehrserzeugung und ihre Anwendung auf den städtischen Freizeitverkehr

A. Oetting
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 58 (2002)

Werkzeuge für Planung und Führung des Bahnbetriebes

3. Eisenbahnbetriebswissenschaftliches Kolloquium
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 57 (2000)

Inhaltsverzeichnis

Möglichkeiten eines Cargo-Takt-Systems zur Verbesserung der Transportqualität
im Schienengüterverkehr

A. Müller
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 56 (1999)

Möglichkeiten eines Cargo-Takt-Systems zur Verbesserung der Transportqualität
im Schienengüterverkehr

E. Wendler
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 55 (1999)

Verkehrswirtschaftliche Ermittlung von Qualitätsmaßstäben im Eisenbahnbetrieb

H. E. Jochim
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 54 (1999)

Die P+R-Nachfrage und ihre Einflußgrößen

K. Walther
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 53 (1997)

Theoretische Grundlagen und Anwendungsbeispiel

Die drei Automobilfirmen Bayerische Motorenwerke, Daimler-Benz und Volkswagen haben dem Verkehrswissenschaftlichem Institut der RWTH Aachen (VIA) einen Forschungs- und Entwicklungsauftrag erteilt, in dem die Problematik des Park+Ride-Verkehrs auf der Grundlage des am VIA neu definierten Verständnisses des Verkehrswiderstands zu bearbeiten war, um den Wissensstand auf diesem bereits von einer Vielzahl von Autoren behandelten Gebiet zu erweitern. Das Forschungsziel bestand darin, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe der Anteil des P+R-Verkehrs und dessen maßnahmenbedingte Beeinflußbarkeit berechnet werden kann.

Mit der Entwicklung des VIA-Modells zur Ermittlung der P+R-Nachfrage ist es gelungen, die Nachteile der bisherigen, i.A. statistischen Methoden, die auf der Modellierung von Beobachtungen des P+R-Verkehrs basieren, zu vermeiden. Es wird der gesamte Verkehrsmarkt mit seinen komplexen Wirkungszusammenhängen erfaßt, wobei die subjektiven Empfindungen der Verkehrsnutzer allen relevanten Angebotsparametern gegenüber, einschließlich der Einkommenssituation, Berücksichtigung finden. Neben den Zeitkomponenten haben auch die Einflüsse von Kosten und Preisen auf den Personenverkehrsmarkt den ihnen zustehenden Stellenwert, der Straße und dem System ÖPNV in den Wechsel zwischen dem System Straße und dem System ÖPNV in den sogenannten Systemwechsel-Widerstand kommt hier besondere Bedeutung zu.

Das Modell ist nicht nur als eingenständiges Planungsinstrumentarium für den P+R-Verkehr einsetzbar, sondern auch in die neue, konsequent simultane Modellstruktur für die Personenverkehrsplanung integriebar. Es eröffnet die Möglichkeit, bei veränderten ökonomischen und verkerhspolitischen Randbedinungen für weitestgehend beliebige Szenarien für die jeweiligen angebotsparameter der konkurrierenden Verkehrsmittel die Veränderung der Nachfrage bei den drei Verkehrssystemen ÖPNV, MIV und P+R zu ermitteln. Dies kann für beliebige Zeithorizonte erfolgen, deren Definition vor allem wichtig ist vor dem Hintergrund der Entwicklung von Kraftstoffkosten und mittleren Flottenverbräuchen.

Die Ergebnisse eines umfassenden Anwendungsbeispiels und der Vergleich der Modellwerte mit korrespondierenden Befragungsergebnissen sowie die Sensitivitätsanalyse, welche die realitätsnahe Reagibilität des Modells aufzeigt, erlauben die Schlußfolgerung, daß nunmehr ein Instrumentarium zur Verfügung steht, das den Anforderungen an ein zuverlässig arbeitendes Verfahren für verkehrswirtschaftliche und planerische Aufgaben auf dem Gebiet des P+R-Verkehrs gerecht wird.

Simultane Modellstruktur für die Personenverkehrsplanung auf der Basis
eines neuen Verkehrswiderstandes

K. Walther, A. Oetting, D. Vallée
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 52 (1997)

Ausgehend von den Unzulänglichkeiten des konventionellen 4-Stufen-Algorithmus' für die städtische Verkehrsplanung mit seinen logischen Brüchen und der Notwendigkeit von jeweils fallspezifischen Modellkalibrierungen werden in der vorliegenden Forschungsarbeit Grundlagen für einen neuen Planungsalgorithmus entwickelt, der die genannten Nachteile nicht hat.

Basis dieser Forschungen ist ein neues Verständnis des Begriffs "Verkehrswiderstand", der in sehr komplexer Weise die Angebotsparameter (Zeiten, Kosten, Komfort) aller konkurrierenden Verkehrsmittel und die jeweiligen subjektiven Empfindungen des Menschen erfasst. Dieser Widerstand hat sich als "gemeinsamer Nenner" für die Modellierung des Verkehrs von der Routenwahl über die Verkehrsteilnahme und ihre lntensität (Mobilität) bis zur Ziel- und Verkehrsmittelwahl erwiesen. Dies führt zu einer sehr transparenten und damit einfachen Abbildung von Verkehr, zumal auf personengruppenspezifische Einflüsse insofern verzichtet werden kann, als die Gemeinsamkeiten bei der Bevölkerung bezüglich der subjektiven Empfindung von Zeit-, Kosten- und Qualitätskomponenten ganz offensichtlich signifikanter sind.

Die erarbeiteten Grundlagen stellen eine wesentliche Vereinfachung und Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit bei der Berechnung verkehrlicher, verkehrswirtschaftlicher und umweltorientierter Auswirkungen von weitgehend beliebigen Angebotsveränderungen bei den konkurrierenden Verkehrsmitteln dar (Tarife im ÖPNV, Bedienungshäufigkeiten, ÖPNV-Beschleunigungsmaßnahmen, Komfortverbesserung, mittlerer Treibstoff-Flottenverbrauch, Benzinpreis, Parkraum, Parkkosten, Straßenaus- bzw. -rückbau, road pricing, City-Maut, Radwegenetz usw.), nicht nur bezüglich der Verkehrsverlagerung, sondern auch im Hinblick auf den induzierten Verkehr (Neuverkehr oder Verkehrsverzicht) und das Zielwahlverhalten. Dasselbe gilt fur Veränderungen im ökonomischen und raumstrukturellen Umfeld.

Die hohe Abbildungsgenauigkeit dieses konsequent simultanen Planungsalgorithmus' wird am konkreten Beispiel des Binnenverkehrs der Bevölkerung der Stadt Bonn im Jahre 1991 durch den Vergleich markanter Kenngrößen des Verkehrs aus der Modellrechnung mit Erhebungsergebnissen aus demselben Jahr demonstriert. Bei der Modellanwendung sind Eingabedaten ausschließlich die vorgegebenen Angebotsstrukturen aller konkurrierenden Verkehrsmittel (zu Fuß, Fahrrad, ÖPNV, MIV) sowie die Einkommenssituation und die siedlungsstrukturellen Gegebenheiten in Bonn im Bezugsjahr.

Konzeption einer Rechnerunterstützung für die Feinkonstruktion
von Eisenbahnfahrplänen

O. Brünger
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 51 (1996)

Flughäfen im Luftfrachtmarkt - ein entscheidungsbasierter Systemansatz
zur Erklärung und Vorausschätzung des Luftfrachtaufkommens
von Flughäfen

Ch. Zimmer
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 50 (1995)

Kurzfassung

Die Entwicklung des Luftfrachtverkehrs wurde in den vergangenen Jahren durch ein schnelles Wachstum des Frachtvolumens sowie durch umfassende Veränderungen im Luftfrachtmarkt gekennzeichnet. Ein geeignetes Verfahren zur Erklärung und Vorausschätzung des Luftfrachtaufkommens einzelner Flughäfen in Abhängigkeit von diesen Einflußgrößen wird hier erstmals vorgestellt.

Die Erklörung der Luftfrachtnachfrage erfolgt unter Anwendung eines Regelkreismodells auf Basis von 12 Bestimmungsgrößen. Zunächst werden der interkontinentale Außenhandel, jüngste Entwicklungen der Logistik und die Einflüsse der Entwicklung der Preise sowie der Angebotskapazitäten im Luftfrachtmarkt eingehend erläutert. In einem weiteren Schritt werden alle gegenseitigen Abhängigkeiten der Einflußgrößen getrennt diskutiert und formal interpretiert. Als Ergebnis wird ein formal gestütztes Verfahren zur Schätzung von Volumen und Struktur der Nachfrage nach Luftfracht vorgestellt.

Die Darstellung der Grundlagen der Angebotsgestaltung im Luftfrachtmarkt umfaßt die Erläuterung maßgeblicher Randbedingungen im Markt. Dazu wird eine Segmentierung des Angebots nach drei verschiedenen Produktqualitäten sowie ein Ansatz zur Bewertung der verschiedenen Merkmale des Luftfrachtangebots eines Flughafens entwickelt.

Im Anschluß wird das flughafenspezifische Luftfrachtaufkommen systematisch erklärt. Zunächst wird die Frachtbeiladung auf Passagierflugzeuge betrachtet, wobei der interkontinentale und der kontinentale Verkehr unterschieden werden. Daneben wird der Frachtverkehr mit Nur-Fracht-Flugzeugen an den europäischen Flughäfen umfassend analysiert. In allen Fällen werden die beobachteten Frachtvolumina systematisch an Hand eines eigens dafür definierten Verfahrens bewertet. Schließlich werden die Strukturen des Luftfrachtersatzverkehrs sowie die dynamischen Aspekte der Entwicklung explizit gewürdigt.

Daraus wird ein formales Modell zur Erklärung des Luftfrachtaufkommens von Flughäfen entwickelt. Dieses fußt auf der Prämisse weitgehend freien Wettbewerbs im Luftfrachtmarkt und berücksichtigt die westeuropäischen Rahmenbedingungen. In Analogie zur tatsächlichen Entscheidungssituation der Anbieter erfolgt die Abbildung der Angebotsgestaltung. Unter Berücksichtigung der beobachteten mittleren Auslastungen und der dafür maßgeblichen Gesetzmäßigkeiten wird dann auf das anzunehmende Frachtaufkommen geschlossen.

An Hand der Anwendung auf den Flughafen München wird die Eignung des Modells zur Prognose abgeleitet. Es gelingt erstmals, die gesamte Bandbreite der Bestimmungsgrößen systematisch zu berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen, daß letztendlich die Angebotsgestaltung der Fluggesellschaften Volumen und Struktur des Luftfrachtaufkommens eines Flughafens bestimmt.

Das Verkehrsangebot als Basis zur Berechnung der Mobilität im Stadtverkehr

D. Vallée
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 49 (1994)

Kurzfassung

Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung der sehr komplexen Kenngröße Mobilität (Wege/Person-Tag) im Stadtverkehr. Dieses sollte ohne vorherige - meist aufwendige - Befragungen auskommen. Die Untersuchung basiert auf einem neuen Verständnis des "Verkehrswiderstands", wie er von WALTHER formuliert wurde. Damit kann unter anderem das Verkehrsangebot in all seinen Einzelheiten zum Gesamtsystem-Widerstand, einem Indikator für die Qualität des Verkehrsangebotes in einem Untersuchungsgebiet, zusammengefaßt werden. Die Arbeit geht von der Hypothese der Existenz eines Widerstandsbudgets für mobile Personen aus. Dieses Budget wird anhand weniger Beispiele quantifiziert. Die Mobilität der Mobilen errechnet sich als Ausschöpfung des Widerstandsbudgets durch den Gesamtsystem-Widerstand.

Zur Verifizierung der Hypothese und der Größe des gefundenen Budgets wurden 26 Städte unterschiedlicher Größe und Struktur herangezogen. Für diese Städte war die Mobilität der Mobilen aus Befragungen bekannt. Die Werte, die sich aufgrund der Hypothese errechnen ließen, wurden mit den Befragungsergebnissen verglichen. Das überzeugende Ergebnis des Vergleichs kann als Beweis der Hypothese im Sinne eines Induktionsbeweises angesehen werden. Da nicht alle Personen eines Bevölkerungskollektivs am Verkehr teilnehmen, ist für das Verkehrsgeschehen auch die Kenngröße Verkehrsbeteiligung von Bedeutung. Auch für diese Kenngröße konnte eine Abhängigkeit vom Gesamtsystem-Widerstand nachgewiesen werden.

Sensitivitätsanalysen erbringen den Nachweis, daß die gefundenen Zusammenhänge auch bei extremen Verkehrsangeboten realistische Ergebnisse liefern. Die untere Grenze der Mobilität der Mobilen kann zu ca. 2 Wegen pro Person und Tag bestimmt werden, die obere Grenze zu ca. 6,5 Wegen pro Person und Tag. Die Verkehrsbeteiligung liegt zwischen 55 % und 95 %.

Mit diesen Größen läßt sich die Mobilität Aller als Produkt aus der Mobilität der Mobilen mit der Verkehrsbeteiligung berechnen. Damit wird die Quantifizierung des induzierten Verkehrs (als Mobilitätsveränderung infolge von Angebotsveränderungen definiert) für alle Verkehrsmittel möglich. Die Berechnung geschieht durch die Erweiterung des bekannten Modal-Split des stattfindenden Verkehrs um den "Nicht-Verkehr" zu einer ganzheitlichen Betrachtung von stattfindendem und potentiellen Verkehr.

Der Einfluß des menschlichen Fehlers auf die Sicherheit der Eisenbahn

A. Hinzen
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 48 (1993)

Der Modal-Split im Personenfernverkehr - Analyse und Berechnung
des menschlichen Wahlverhaltens

Th. Krämer
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 47 (1992)

Bemessung der Pufferzeiten in Anschlüssen von Reisezügen

Y. Meng
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 46 (1991)

Kurzfassung

Bei Anschlüssen zwischen miteinander verknüpften Reisezügen können Anschlußverspätungen übertragen werden. Um die Übertragung von Anschlußverspätungen zu dämpfen, müssen zu den Mindestübergangszeiten für den Zugwechsel durch die Reisenden Anschlußpufferzeiten im Fahrplangefüge der Eisenbahn zugeschlagen werden, deren vorhandene Ansätze sich auf die empirisch gewählten Werte stützen. In der vorliegenden Studie wird ein theoretisch abgesichertes Verfahren zur Bemessung der erforderlichen Anschlußpufferzeit entwickelt. Bei Verfügbarkeit eines Wartemodells infolge der Anschlußgestaltung sind zwei Wartestrategien - absolute und relative Wartestrategie - denkbar.

Die Berechnungsgleichungen der Anschlußverspätung, bezogen auf die Anschluß- und Haltepufferzeit, wurden mit einem in dieser Studie entwickelten Modellsystem aus den Anschlußvorgängen abgeleitet. Die von der analytischen Methode abgeleiteten Berechnungsgleichungen wurden mit Hilfe der Simulation auf Plausibilität überprüft.

Unter Berücksichtigung der gammaverteilten Ankunftsabstände, der Anzahl der Bahnhofsgleise und des Überschreitungsrisikos der Aufnahmefähigkeit der Gleisanlagen als Qualitätsmaßstab wurde mit Modellen der Nichtschlangentheorie die Bahnsteiggleisstandzeit bestimmt. Diese setzt sich aus der Mindestbelegungszeit sowie den planmäßigen und außerplanmäßigen Wartezeiten zusammen. Aufbauend auf diesen Zusammenhängen können die Bemessungsgleichungen der erforderlichen mittleren Halte- und Anschlußpufferzeiten abgeleitet werden. Entsprechende Programme zur Ermittlung der erforderlichen mittleren Halte- und Anschlußpufferzeiten aus der Bemessungsgleichung wurden entwickelt.

Maßnahmenreagibler modal-split für den Städtischen Personenverkehr - Theoretische Grundlagen und praktische Anwendung

K. Walther
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 45 (1991)

Methode zur parametrischen Anpassung von Fahrzyklen an die
wechselnden Verkehrsabläufe im Straßenverkehr

W. Simon
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 44 (1989)

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur synthetischen, parametrischen Konstruktion wirklichkeitsnaher Fahrzyklen zur Anpassung an die wechselnden Verkehrsabläufe im Straßenverkehr vorgestellt.

Die Arbeit gliedert sich in eine Aufzählung der bekannten Modelle zur Beschreibung individueller Verkehrsäbläufe, die Entwicklung der Modellfunktionen, die Anwendung der Modellfunktionen in einem Modell zur Konstruktion von Fahrzyklen und den Test des Modells. Abschließend wird die Anwendung des Verfahrens an einem Beispiel erläutert.

Die Modellfunktionen werden am Beispiel des Verkehrsablaufs auf Landstraßen abgeleitet. Dafür ist es notwendig, zuerst die physikalischen Bewegungszustände (Geschwindigkeit und Beschleunigung) der Fahrzeuge analytisch zu beschreiben.

Die Modelfunktionen sollen den analytischen Zusammenhang zwischen makroskopischen Verkehrsmerkmalen und mikroskopischen Fahrzeugbewegungen beschreiben. Dafür wurden als makroskopische Verkehrsmerkmale die Ergebnisse empirischer Untersuchungen ausgewertet und mit numerischen Rechenverfahren in mathematische Funktionen umgewandelt. Makroskopische Daten betreffen das kollektive Verhalten aller Verkehrsteilnehmer. Beispiele dafür sind die Verkehrsdichte und der Straßenquerschnitt. Mikroskopische Verkehrsmerkmale sind dagegen z.B., die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrzeugbeschleunigung von Einzelfahrzeugen. Anschließend wurden die Modellfunktionen programmiert und in einem Rechenmodell implementiert. Als Programmiersprache wurde ebenso wie für die numerischen Rechenverfahren FORTRAN verwendet.

Mit dem erstellten Rechenmodell konnte die Wirkung der Modellfunktionen bei der Idealisierung von Fahrtabläufen untersucht werden. Dafür wurden in einer Sensitivitätsanalyse die Fahrkurven von 20 verschiedene Fahrzyklen nach festen Eingabedaten ermittelt. Mit weiteren 10 Fahrzyklen wurde schrittweise die Wirkung der ermittelten Modellfunktionen z.B. in Abhängigkeit von der Verkehrsdichte gezeigt.

Die berechneten Fahrkurven haben sowohl für den Kraftstoffverbrauch als auch für die Schadstoffemissionen des Modellfahrzeugs (Pkw mit 72 kW Otto-Motor) deutliche Unterschiede zu vereinfacht berechneten Werten erkennen lassen. Daher hat sich das wesentliche Ziel dieser Arbeit bestätigt: Vereinfachte Ermittlungen des Energiebedarfs oder der Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen sind in verkehrswirtschaftlichen Analysen wie z.B. Bewertungsverfahren nur bedingt brauchbar.

Abschließend wird ein hypothetisches Anwendungsbeispiel des Rechenmodells dargestellt. Die Ergebnisse bestätigen ebenfalls, daß globale Werte auch für die mittleren Beförderungsgeschwindigkeit einer Fahrt nur als grober Anhalt verwendet werden sollten.

Die Berechnung der Grenzkapazität eines "ONE-RUNWAY-MAIN-SYSTEM" -
Ein neuer Ansatz auf der Basis einer Radardatenauswertung

R. Chaumet
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 43 (1989)

Kurzfassung

Die steigende Anzahl von Flugbewegungen in der Bundesrepublik Deutschland führt zu einer zunehmenden Belastung der einzelnen Komponenten des Luftverkehrssystems. Auch die Flughäfen betrifft diese Entwicklung und erfordert es, die Kapazität eines bestehenden Bahnsystems voll auszuschöpfen. Unter diesen Bedingungen einer ständigen Nachfrage erreicht ein Bahnsystem seine Grenzkapazität, zu deren Ermittlung mit dieser Arbeit ein Lösungsansatz für ein "one-runway-main-system" am Beispiel des Flughafens München-Riem vorgestellt wird.

Die Grundlage sowohl des Modells für Anflugfolgen als auch die Ermittlung der Zeitabweichungen von den modellmäßig erfaßten Anflugcharakteristika bildet hier eine Radardatenauswertung. Diese Daten, die zeitsynchron alle vom Radar erfaßten Bewegungen im Flughafennahbereich abbilden, werden zu individuellen Flugprofilen und Flugbewegungsfolgen aufbereitet. Mit Hilfe von Algorithmen werden die für die orts-, höhen- und zeitmäßigen Auswertungen maßgebenden Radarpunkte ermittelt und durch Ausgleichsrechnungen Überflugzeitpunkte und -geschwindigkeiten angegeben. Zusätzlich zu den Untersuchungen der Anflüge ermöglicht die Radardatenauswertung, die Abstände zwischen startenden und landenden Flugzeugen als eine empirisch ermittelte Verteilung anzugeben.

In das Modell zur Berechnung der Grenzkapazität gehen die Ergebnisse der Radardatenauswertung zum einen als flugzeugklassenspezifische Geschwindigkeitsprofile im Endanflug und zum anderen in der modellmäßigen Simulation von Startmöglichkeiten in einer Landefolge ein. Für das Anwendungsbeispiel München-Riem werden mit dem Modell die maßgebenden Flugzeugfolgezeiten sowie die für den jeweiligen Fall anzusetzende mittlere Flugzeugfolgezeit ermittelt.

Analyse der Flugaktivität im nichtgewerblichen Motorflugverkehr
und Schulflugverkehr der Bundesrepublik Deutschland als Grundlage
für eine Abschätzung seiner künftigen Entwicklung

U. Desel
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 42 (1988)

Kurzfassung

Der sonstige nichtgewerbliche Motorflugverkehr, der Motorsegelflugverkehr und der Schulflugverkehr sind zwar wesentliche Sparten des zivilen Luftverkehrs in der Bundesrepublik Deutschland, wurden aber in den vorliegenden wissenschaftlichen Arbeiten nur am Rande betrachtet. Somit war es vorrangig notwendig, die Entwicklung dieser Verkehrsbereiche durch eine tiefgreifende Analyse wesentlicher verkehrlich relevanter Eckdaten, wie Flugzeugbestand, Flugbewegungen, Flugstunden sowie spezifischer Kenngröößen, zu beschreiben. Diese Analysen zeigten bei den meisten Verkehrsgrößen nach den Jahren der Verkehrszunahme seit 1980 einen teilweise beachtlichen Rückgang. Von diesem Trend ausgenommen ist eigentlich nur der Motorseglerverkehr.

Im weiteren galt es, Parameter zu finden, die diese Entwicklung hinreichend erklären können. Sie sollten sachlogisch und möglichst quantifizierbar sein. Neben der Einkommensentwicklung und dem Wettergeschehen stellte sich die Kostenentwicklung im Flugbetrieb als ein bestimmender Parameter heraus. Daher wurde großen Wert auf eine detaillierte und komponentenweise Untersuchung der Kostentwicklung des Fluggerätes, des Flugbetriebes und der Ausbildung sowie auf die Bewertung des heutigen technischen Standards. Darauf aufbauend werden in einer breiten Zusammenschau die zu erwartenden technischen Entwicklungen im Kleinflugzeugbau aufgezeigt und im Hinblick auf ihre Marktchancen diskutiert.

In Abhängigkeit von der Datenlage wurden anschließend mit Hilfe von ökonometrischen Modellen, Trendextrapolationen oder sachlogischen, plausiblen Schätzungen Prognosen der Verkehrsgrößen durchgeführt. Aufgrund der zur Zeit recht positiv angenommenen wirtschaftlichen Entwicklung, gekoppelt mit verhaltenen Kostenanstiegen, ist für die Bundesrepublik Deutschland im nichtgewerblichen Motorflugverkehr wieder ein leichter Anstieg der Flugaktivität zu erwarten, der allerdings bei geringeren als vorausgeschätzten Realeinkommensentwicklungen bzw. überproportionalen Kostensteigerungen schnell in ein Stagnieren oder gar ein weiteres Absinken der jeweiligen Verkehrsgröße umschlagen könnte. Der Schulflugverkehr ist geprägt von sinkendem Ausbildungsgeschehen und abnehmenden Flugbewegungszahlen. Da mannigfaltige Faktoren diese Tendenz beeinflussen, konnte hier nur ein Entwicklungstrend mit entsprechender Wertebandbreite angegeben werden. Er läßt günstigenfalls eine Stagnation mit leichtem Anstieg der Flugaktivität bis zum Jahr 1990 erwarten.

Da diese Arbeit auch disaggregierte Analysen auf der Ebene der Bundesländer bzw. für Nordrhein-Westfalen auf der Ebene der Planungsräume des DIW enthält, konnten sowohl regionale Entwicklungsunterschiede aufgezeigt, als auch Plausibilitätskontrollen durchgeführt werden. Allerdings zeigten gerade kleinräumige Untersuchungsgebiete die Grenzen von Luftverkehrsprognosen auf der Basis des vorhandenen Datenmaterials auf. Um für die DIW-Zellen die zukünftige Flugaktivität abschätzen zu können, wären für jeden Flugplatz umfangreiche und detaillierte Untersuchungen notwendig.

Möglichkeiten zur Anhebung der bremstechnisch zulässigen
Höchstgeschwindigkeit langer Güterzüge

W.-D. Meier-Credner
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 40 (1986)

Wartezeiten infolge stehender Überholungen auf Eisenbahnstrecken

I. Gast
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 39 (1986)

Modell für die asynchrone Simulation des Betriebes in Teilen des Eisenbahnnetzes

K. Schultze
Veröffentlichung des Verkehrswissenschaftlichen Institutes der RWTH Aachen
Heft 38 (1985)