Thesis (MBA (Business Management))--University of Stellenbosch, 2009.

The aim of this paper was to investigate whether infrastructure could be modelled in order to find critical points using network science and graph theory. Since a lot of information about ourinfrastructures is publicly available, an attacker might exploit this to find vulnerabilities in our systems. With that in mind, the methods of this paper were implemented from an attackers point of view who’d want to maximize harm with minimal effort. The Swedish railway network served as an example and starting point for the optimization of the methods. The data for the network was obtained from the Swedish Transport Agency’s website and was implemented in Networkx using Python. Different centrality metrics were used to identify and remove critical nodes in the network. The centrality metrics were also used to rank the nodes and to remove them after order of importance as the size of the largest component was recorded. This was done both with no recalculation and with a recalculation after each removal. The results were compared with the random removal of nodes, and it showed that without a recalculation the random removal performed better but with recalculation all the centrality metrics performed significantly better. The Swedish railway network is a sensitive network in terms of how it is connected. Targeting a few nodes could completely cut off parts of the graph, creating two sub components with no way of traveling between them. Many different methods can identify these nodes, but only a few are suitable in terms of generic results that could work on other networks as well. The most prominent one being the one dealing with degree and connectivity. The nodes that had a higher degree than connectivity between themselves and the source, identified nodes that would completely disrupt the network, leaving two subcomponents. Infrastructures can be seen as highly intertwined systems, where the physical-, cyber- and human parts all affect and interact with each other.

Anomaly detection in computer systems operating within complex environments,such as cyber-physical systems (CPS), has become increasingly popularduring these last years due to useful insights this process can provide aboutcomputer systems’ health conditions against known reference nominal states.As performance anomalies lead degraded service delivery, and, eventually,system-wide failures, promptly detecting such anomalies may trigger timelyrecovery responses. In this thesis, Process Mining, a discipline aiming at connectingdata science with process science, is broadly explored and employedfor detecting performance anomalies in complex computer systems, proposinga methodology for connecting event data to high-level process models forvalidating functional and non-functional requirements, evaluating system performances,and detecting anomalies. The proposed methodology is appliedto the industry-relevant European Rail Traffic Management System/EuropeanTrain Control System (ERTMS/ETCS) case-study. Experimental results sampledfrom an ERTMS/ETCS system Demonstrator implementing one of thescenarios the standard prescribe have shown Process Mining allows characterizingnominal system performances and detect deviations from such nominalconditions, opening the opportunity to apply recovery routines for steeringsystem performances to acceptable levels.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: The Tubular Track (TT) railway system is a twin beam modular railway system consisting of two reinforced concrete (RC) beams on which steel rails are continuously supported. The beams are linked with galvanised steel gauge tie bars and continuously supported by soil foundations, and can be used to replace conventional sleeper and ballast railway support. The TT railway system has in the past been analysed with various analysis methods, but were found to obtain con icting results. The con icting results means that one of the analysis methods used for the analysis and design of TT railway sections is either an underestimation or overestimation of section displacements, forces, and stresses; or both methods could even be incorrect. The main emphasis of this investigation is therefore to develop and verify static and dynamic analysis methods and modeling techniques which can be used to simulate the TT railway system accurately. The results and models of the previous analyses are not explicitly investigated in this dissertation, but serve as a motivation for this investigation. The TT system is supported by several soil strata providing vertical support, but geometrically modeling the subgrade strata in the analysis models adds a high level of complexity, and is not feasible for general analysis where soil conditions are mostly unknown. The elastic foundation theory is therefore used to accurately simulate the interaction between beam and foundation and therefore su ciently simpli es the analysis models. Simpli cation of a subgrade foundation by simulating a soil sti ness supporting the TT beam is investigated and analysed by comparing nite element analysis (FEA) results of various soil models using parameters of four known soil formations currently in use at TT railway sections. The FEA of the subgrade formations indicates that there is a linear relationship between the modulus of subgrade reaction for a square plate bearing test and a rectangular, in nitely long plate representing the subgrade support for the TT beams. A square plate bearing test can therefore be performed on site and modi ed to represent the actual subgrade support sti ness of the TT railway structure, whereafter it can be used for the analysis and design of the TT system using one of the proposed analysis methods. The analysis models used range from simple theoretical models based on elastic foundation principles, to two-dimensional (2D) beam elements, and ultimately to complex three-dimensional (3D) solid nite element models. The models used for the analyses are the Single and Double Beam elastic foundation, PROKON 2D beams, ABAQUS 2D beams and ABAQUS 3D solid element models. The alternative analysis methods considered should provide a clear indication of which analysis methods are accurate and feasible for design of the TT system. An in-situ reference model with known de ections and design parameters speci c to a TT railway section is used to analyse the di erent analysis methods' accuracy and validity. The Double Beam, ABAQUS 2D and ABAQUS 3D models were found to provide very similar displacements, bending moments and shear forces for a static analysis, whereas the PROKON and Single Beam models provide unsatisfactory results. The PROKON beam model underestimates the bending moments and shear forces in the rail, and overestimates bending moments and shear forces in the RC beam by a considerably margin. This result can lead to the underdesigning of the rail which could possibly force the RC beam to be subjected to larger maximum bending moments and shear forces than for what it was originally designed for, thereby nullifying or possibly even exceeding the amount for which it was overdesigned. This e ectively accelerates material fatigue, which might be the possible cause of the small cracks in the RC beams which have been found on some TT railway sections, which is currently being investigated. A graphical user interface of the Double Beam method is provided for quick and e cient analysis. Empirical methods used to simulate the dynamic nature of a railway system are often used in the industry to simplify the dynamic loading by determining a dynamic amplitude factor (DAF) to be applied to a static load. An implicit dynamic FEA is therefore performed to obtain the DAF for the reference section, which is subsequently used for the comparison with in-situ de ection results. The results of dynamic analysis validates the proposed empirical analysis method, as the displacements obtained were very similar to actual eld test results, thereby also verifying the accuracy of the proposed analysis methods. The sensitivity of the TT system to design parameters is also investigated to indicate to which parameters the design is sensitive to and where small variations of these parameters require due consideration for future and analysis of the TT railway system. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Tubular Track (TT) spoorweg stelsel is 'n dubbel balk modulêre treinspoor sisteem bestaande uit twee gewapende beton balke waarop staal spore voortdurend ondersteun word. Die balke word gekoppel deur gegalvaniseerde staal stawe vir laterale styfheid en word deurlopend ondersteun deur grond fondamente, en kan gebruik word om konvensionele dwarslêer en ballast spoorweg ondersteuning te vervang. Die TT spoorweg stelsel was in die verlede met verskeie analiseringsmetodes ontleed, maar het teenstrydige resultate gewerf. Die teenstrydige resultate beteken dat een van die analise metodes wat gebruik word vir die analisering en ontwerp van TT spoorweg seksies 'n onderskatting of oorskatting van verplasings, kragte, en spannings is; of beide metodes kan selfs verkeerd wees. Die hoofklem van hierdie ondersoek is dus die ontwikkeling en veri kasie van statiese en dinamiese analitiese metodes en modellering tegnieke wat gebruik kan word om die TT spoorweg stelsel akkuraat te simuleer. Die resultate en modelle van die vorige ontledings word nie uitdruklik in hierdie proefskrif ondersoek nie, maar dien as 'n motivering van hierdie ondersoek. Die TT stelsel word ondersteun deur verskeie grond strata wat vertikale ondersteuning verskaf, maar meetkundige modellering van die grond strata in die ontledingsmodelle veroorsaak 'n hoë vlak van kompleksiteit wat nie bruikbaar is vir algemene analises waar grondeienskappe meestal onbekend is. Die elastiese fondament teorie word daarom gebruik om die interaksie tussen die balk en die fondament akkuraat te simuleer, en vereenvoudig dus die analitiese modelle voldoende. Vereenvoudiging van 'n grond fondament deur 'n grond styfheid ondersteuning van die TT balk te simuleer is ondersoek en ontleed deur die resultate van eindige element analises van verskillende grond modelle te vergelyk. Bekende ontwerp parameters van vier bekend grondformasies wat tans gebruik word by TT spoorweg seksies word vir hierdie analises gebruik. Die eindige element analises van die grondformasies dui daarop aan dat daar 'n lineêre verwantskap tussen die modulus van grond reaksie vir 'n vierkantige plaat dratoets en 'n reghoekige, oneindige lang plaat dratoets bestaan. 'n Vierkantige plaat dratoets kan dus op terrein uitgevoer en aangepas word om die werklike styfheid van die grond ondersteuning van die TT spoorweg sisteem voor te stel. Die analitiese modelle wat gebruik word wissel van eenvoudige teoretiese modelle wat gebaseer is op elastiese fondament beginsels, twee-dimensionele (2D) balk elemente, asook komplekse driedimensionele (3D) soliede eindige element modelle. Die modelle wat gebruik is vir die ondersoek is die Enkel en Dubbel Balk elastiese fondament, PROKON 2D balke, ABAQUS 2D balke en ABAQUS 3D soliede element modelle. Hierdie reeks bied 'n duidelike aanduiding watter analiseringsmetodes akkuraat en haalbaar is vir die ontwerp van die TT stelsel. 'n In-situ verwysingsmodel met bekende de eksies en ontwerp parameters wat spesi ek is vir 'n TT spoorweg seksie word gebruik om die akkuraatheid en geldigheid van die verskillende analitiese metodes te analiseer. Die Dubbel Balk, ABAQUS 2D en ABAQUS 3D modelle verkry baie soortgelyke verplasings, buigmomente en skuifkragte vir 'n statiese analise, terwyl die PROKON en Enkel Balk modelle onbevredigende resultate verkry. Die PROKON model onderskat die maksimum buigmomente en skuifkragte in die staal spoor, en oorskat buigmomente en skuifkragte in die gewapende beton balk. Hierdie resultaat kan moontlik lei tot die onderontwerp van die staal spoor en dwing moontlik vir die gewapende beton balk om blootgestel te word aan groter buigmomente en skuifkragte as vir wat dit oorspronklik ontwerp is, en verontagsaam sodoende moontlik die kragte waarvoor dit oorontwerp is. Dit versnel e ektief materiaal vermoeiing, wat die moontlike oorsaak is van die klein krake wat gevind is in die gewapende beton balke op sommige TT spoorweg seksies wat tans ondersoek word. 'n Gra ese gebruikerskoppelvlak van die Dubbel Balk model is verskaf vir vinnige en doeltre ende ontleding. Empiriese metodes om die dinamiese aard van 'n spoorweg-stelsel te simuleer word dikwels gebruik in die bedryf om dinamiese belasting te vereenvoudig deur middel van die gebruik van 'n dinamiese amplitude faktor (DAF) wat op 'n statiese belasting aangewend word. 'n Implisiete dinamiese eindige element analise word dus uitgevoer om die DAF te ondersoek, wat daarna gebruik word vir die vergelyking met die in-situ de eksie resultate van die in-situ verwysingsmodel. Die resultate van die dinamiese analise bevestig dat die voorgestelde empiriese analise metode gebruik kan word, omdat die verplasings wat verkry baie soortgelyk was aan werklike veld toets resultate, en daardeur ook die veri ëring van die akkuraatheid van die voorgestelde analise metodes bewerkstellig. Die sensitiwiteit van die TT stelsel vir ontwerp parameters word ook ondersoek om aan te dui watter parameters die ontwerp voor sensitief is, en waar klein variasie in hierdie ontwerp parameters behoorlike oorweging vereis vir die toekomstige analisering en ontwerp van die TT spoorweg stelsel.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατασκευαστικής και λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος κίνησης του ηλεκτροκίνητου σιδηροδρόμου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι καταρχήν η μελέτη του υπάρχοντος συστήματος ηλεκτροκίνητου σιδηροδρόμου στην Ελλάδα και η μελέτη του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω προσομοίωσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό matlab/Simulink. Έπειτα γίνεται προσπάθεια διερεύνησης του προβλήματος επιστροφής ενέργειας κατά την πέδηση του συρμού. Αυτό εν γένει οφείλεται στην κατασκευαστική και φυσική ιδιομορφία των ηλεκτρικών μηχανών, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να συμπεριφερθούν ως γεννήτριες όταν ασκείται αρνητική ροπή στον άξονά τους. Αυτό φυσικά συμβαίνει όχι μόνον όταν πραγματοποιείται πέδη με τη μηχανή, αλλά και όταν ζητείται από αυτή να συγκρατήσει τον συρμό σε μία συγκεκριμένη ταχύτητα στις κατωφέρειες. 6 Διπλωματική Εργασία Τσούρτης Γιώργος Στη παρούσα εργασία γίνεται μία ιστορική αναδρομή από την προϊστορία ως σήμερα με σκοπό να αντιληφθούμε τη συμβολή του σιδηροδρόμου στις μεταφορές ,αλλά και να έχουμε μία εποπτεία τις πορείας και εξέλιξής του. Στη συνέχεια εξειδικεύεται στον συρμό του Ο.Σ.Ε. που μελετάμε και γίνεται μία ανάλυση για την διάταξη του συρμού, τα μέσα που χρησιμοποιούνται, (κύριος μετασχηματιστής, διάταξη ηλεκτρονικών στοιχείων ελέγχου των κινητήρων κλπ), αλλά και σύντομη αναφορά στην τεχνολογία αυτών των μέσων. Ακολουθεί μία εκτενής αναφορά, με φωτογραφικό υλικό, από έναν υποσταθμό τροφοδοσίας του δικτύου ηλεκτροκίνησης (25kV/50Hz μονοφασικό) την ώρα της συντήρησης του. Περνώντας τώρα στην προσομοίωση, προσδιορίζεται αρχικά ένα μαθηματικό μοντέλο με βάση το οποίο θα στηρίξουμε πέντε διαφορετικές υποθέσεις εργασίας, ούτως ώστε να έχουμε μία πιο εκτενή άποψη για το πρόβλημα που μας απασχολεί. Αφού λοιπόν ορίσουμε τις παραμέτρους και κάνουμε μία εύλογη προσέγγιση, προσομοιώνουμε την κάθε περίπτωση και παραθέτουμε τις ανάλογες κυματομορφές, ώστε να εξάγουμε αντίστοιχα συμπεράσματα. Τέλος αφού προηγηθεί μία συλλογή στοιχείων για την αναγεννητική πέδηση, ελέγχουμε αν η προτεινόμενη διάταξη πληροί έστω την ηλεκτρική προϋπόθεση, για να είναι εφικτή η επιστροφή ενέργειας από την πέδηση του τραίνου. Κλείνοντας, καταλήγουμε στα όποια συμπεράσματα-προοπτικές μας επιτρέπει να εξάγουμε η συγκεκριμένη εργασία. / This thesis deals with the study of the construction and functional behavior of the drive system of the electric railway. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical Engineering and Computer Engineering from the Polytechnic School of the University of Patras. The purpose of this work is the first study of the existing system of electric railway in Greece and the design of the drive system by using simulation software matlab / Simulink. Following is investigating the energy recovering problem during braking of the train. This is generally due to construction and physical peculiarity of electrical machines, which have the potential to behave as generators when there is a negative torque on the shaft. This of course happens not only when performing brake with the camera, but when asked it to hold the train at a certain speed on inclines. The present work is a flashback from prehistory to the present day in order to understand the contribution of rail transport, but also to have an oversight the course and evolution. Then specializes in train OSE we study and made an analysis of the provision of the train, the instruments used (main transformer, electronic device authentication engine, etc.), but also a brief reference to technology these instruments. Below is an extensive report, with photographs, of a power substation grid electrification (25kV / 50Hz single phase) at the time of maintenance. Moving in the simulation, initially defined a mathematical model based on which we will support five different assumptions in order to have a more comprehensive view of the problem that concerns us. Since we define the parameters and make a reasonable approach, we simulate the case and cite similar waveforms to draw appropriate conclusions. Finally preceded by a collection of data for regenerative braking, check if the proposed arrangement satisfies even the electrical condition to make possible the return of energy from the braking of the train. Finally, we come to any conclusions-our outlook allows to extract the specific task.

Cette thèse a été conduite dans le cadre d’une convention industrielle avec SNCF Réseau. Elle se situe dans le domaine de la géovisualisation d’informations spatio-temporelles, et porte plus particulièrement sur l’élaboration de méthodes de visualisation cartographiques adaptées à l’analyse des impacts des inondations sur le système ferroviaire. Les événements historiques sont une source d’informations importante pour la compréhension et la gestion des risques naturels. La cartographie s’est imposée comme un outil clé pour appréhender les risques dans leurs contextes territoriaux. Mais l’élaboration de visualisations cartographiques qui soient lisibles tout en restituant la complexité des processus survenus lors d’une catastrophe naturelle n’est pas aisée. Les verrous principaux sont la nécessité de représenter à la fois les dimensions spatiales et temporelles des événements issus de risques, le besoin de visualiser les effets dominos, qui conduisent à amplifier les dommages, et la volonté d’adapter les représentations aux besoins et aux capacités cognitives des utilisateurs. Ce travail a conduit à quatre contributions. La première contribution a consisté à formaliser les récits d’inondations dans une ontologie de domaine, qui décrit à la fois les événements issus d’inondations, les effets dominos et leurs impacts sur le système ferroviaire et les mesures de réaction pour ramener le système ferroviaire à l’état d’équilibre. Cinq cas d’inondations historiques ont été instanciés dans le modèle. Leur étude a permis de formuler des principes sémiologiques génériques pour cartographier les récits d’inondations, ce qui constitue la deuxième contribution. La troisième contribution est la production d’une interface de géovisualisation intégrant des représentations graphiques innovantes pour visualiser les temporalités associées aux événements. Cette interface de géovisualisation a fait l’objet d’une expérimentation auprès des experts ferroviaires. Les résultats ont validé les propositions relatives à la représentation du temps mais ont infirmé les propositions de visualisation des effets dominos. Suite à l’analyse des résultats, la quatrième contribution consiste en un modèle de protocole expérimental réutilisable, adapté au test d’interfaces de géovisualisation. / This research was led in an industrial partnership with SNCF Réseau. In the field of geovisualization of spatio-temporal information, it focuses on developing cartographical visualization methods adapted to the analysis of the impacts of floods on the railway system.Historical events are of great help to understand and manage natural risks. Cartography became a key tool to analyze risks in their territorial contexts. But making maps which remain legible while showing all the complexity of risk processes that occurred during natural disaster is not easy. The main challenges are the need to represent both the temporal and the spatial dimensions of risk events, the need to visualize domino-effect, because they often lead to worsen damages, and the will to adapt representations to the cognitive capacities of users.This research resulted in four contributions. The first one is the formalization of flood narratives in a domain ontology, which describes flood events, domino-effects, their impacts on the railway system and also response measures to restore the system. Five case studies of historical floods were instantiated in the model. Resulting from their study, the second contribution consists in generic semiology principles to visualize the narratives of floods on maps. The third contribution is a geovisualization interface, which includes original graphical representations to visualize the temporal features associated with flood events. This geovisualization interface was tested in an experiment with expert users of the railway field. Results confirmed the proposals of representation of time but disconfirm proposals of visualization of domino effects. The analysis of results led to the fourth contribution, which consists in a reusable model of an experimental procedure that is adapted to test geovisualization interfaces.

In der vorliegenden Dissertationsschrift wurde ein Instrumentarium zur Untersuchung der Zusammenhänge von Eisenbahnbetrieb, Infrastruktur und Kosten bei integrierten Eisenbahnunternehmen konzipiert und entwickelt. Fragestellungen zu dieser Thematik wurden bereits in einigen Forschungsarbeiten behandelt. Die Auswertung dieser Arbeiten zeigte allerdings, dass Ergebnisse häufig nicht als absolute (Zahlen-) Werte angegeben wurden, angewendete Methoden und Eingangsdaten nicht veröffentlicht wurden und eingesetzte Softwarelösungen ungeeignet bzw. zu komplex für Grundsatzuntersuchungen unter Kosteneinbeziehung und vielfältiger Auswertungen sind. Der Fokus der Arbeit liegt auf der integrierten Untersuchung der Aspekte Eisenbahnbetrieb, Systemauslegung und Kostenermittlung. Die gemeinsame und quantitative Betrachtung von sonst für sich betrachteten Aspekten des Eisenbahnsystems weist allerdings eine höhere Komplexität als bei abgegrenzten Untersuchungen auf. Besonders die Überlagerung von Einzeleffekten kann zu unerwarteten Ergebnissen führen. Untersuchungsgegenstand ist die Durchführung eines (variierbaren) generischen Betriebsprogramms auf einer (variierbaren) generischen Eisenbahnstrecke. Reale Eisenbahnstrecken und Fahrpläne wurden bewusst ausgeschlossen, weil die im Fokus stehenden grundsätzlichen Zusammenhänge häufig durch lokale und betriebliche Besonderheiten überdeckt oder zumindest beeinflusst werden. Der gegenwärtige Entwicklungsstand erlaubt die Untersuchung von artreinem Verkehr sowie Mischverkehr mit zwei Zuggattungen auf einer generischen Eisenbahninfrastruktur. Die Zugfahrten werden auf einem, im Ein-Richtungsbetrieb befahrenen, Richtungsgleis einer zweigleisigen Eisenbahnstrecke durchgeführt. Derzeit sind drei Zuggattungen modelliert (Schienenpersonennahverkehr, Schienenpersonenfernverkehr und Schienengüterverkehr). Diese unterscheiden sich durch Zugmasse, Zuglänge, Geschwindigkeit und die Kostensätze. Die wesentlichen Infrastrukturparameter sind Blocklänge, Überholbahnhofabstand und die Kostensätze für alle Infrastrukturkomponenten. Es wurden nur diejenigen Infrastrukturkomponenten modelliert, die für die Durchführung des Betriebsprogramms direkt benötigt werden und insofern in direkter Beziehung dazu stehen. Kostenkomponenten, die hauptsächlich von der Topografie und Besiedlung abhängen (Erd- und Ingenieurbauwerke) sowie Verkehrsbauten wurden, um den Umfang der Arbeit nicht zu sprengen, nicht modelliert. Das gilt es bei der Interpretation der absoluten Infrastrukturkosten zu berücksichtigen, so dass im gegenwärtigen Entwicklungsstadium eine Eignung vornehmlich für vergleichende Untersuchungen unter denselben Topografie-Bedingungen gegeben ist. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit war die Schaffung des Instrumentariums, weil in der Phase der Konzeption der Arbeit deutlich wurde, dass existierende Fachsoftware zu viele Restriktionen aufweist, als dass die Untersuchungen in der gewünschten Form hätten durchgeführt werden können. Das entwickelte Softwaretool erlaubt es, Berechnungen elegant durchzuführen (z.B. Variation einer oder mehrerer Eingangsgrößen in beliebigen Wertebereichen in einem einzigen Rechendurchgang), Berechnungsmethoden beliebigen Detailierungsgrades einzusetzen sowie das System zu verfeinern und zu erweitern. Durch die Implementierung des Softwaretools als MS Excel-Applikation können alle Möglichkeiten, die Excel zur Weiterverarbeitung und Darstellung von Daten bietet, ohne Zusatzaufwand eingesetzt werden. Die Anwendung des Tools auf verschiedene Fallbeispiele kommt zu dem Ergebnis, dass für praxisnah konfigurierte Strecken und Betriebsprogramme etwa ein Kostenverhältnis von 30 % Infrastrukturkosten zu 70 % Zugkosten vorliegt, wobei sich hier die reduzierte Infrastrukturmodellierung natürlich bemerkbar macht. Infrastrukturell bedeutsam sind Streckenkosten und Betriebserschwerniskosten. Bei den Zugkosten bilden Instandhaltungskosten, Energiekosten und der Kapitaldienst den Hauptanteil, Personalkosten fallen dahinter zurück. Wartekosten weisen nur bei starker Streckenauslastung eine gewisse Bedeutung auf. Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse lässt erkennen, dass sich der Einfluss einzelner Eingangsgrößen für verschiedene Systemzustände bzw. Einstellungen quantitativ grundsätzlich unterscheiden kann. Je komplexer das System, desto schwieriger ist es, Wirkungszusammenhänge „vorherzusehen“. Das Tool unterstützt und vereinfacht entsprechende Untersuchungen. Ein komplexer Verlauf eines Kostengraphen kann etwa durch eine Aufschlüsselung der Untersuchung auf die einzelnen Kostenkomponenten nachvollziehbar werden. Durch die integrierte Betrachtung wird implizit ein Verständnis für die Strukturen des gesamten Bahnsystems geschaffen. Das im Tool abgebildete System wird besonders bezüglich der innewohnenden kostenrelevanten Wirkungsmechanismen untersucht, wodurch Kostentreiber identifiziert werden können. Es wird ermittelt, wie diese Komponenten auf Veränderungen von Eingangsgrößen reagieren. Mit dem geschaffenen Instrumentarium können dann zum Beispiel nachfolgende Fragestellungen vergleichsweise aufwandsarm untersucht werden: Welche gemeinsame Kostenstruktur weisen ein konkret konfigurierter Eisenbahnstreckenabschnitt und ein darauf durchgeführtes Betriebsprogramm auf? Wie entwickeln sich die Kosten bei veränderter Streckenbelastung? Welche Kostenstrukturen und -unterschiede weisen Personenverkehr und Güterverkehr auf? Wie werden die Fahrwegkosten durch die Betriebsbelastung beeinflusst? Welche Zusammenhänge bestehen zwischen der Qualität des Betriebsablaufs und den Kosten? Wie beeinflusst die Zugmischung die spezifischen Kosten? Welche Einflüsse können Baukostenkostenzuschüsse oder veränderte Energie- bzw. Personalkosten auf die Gesamtkosten ausüben?

Railway history. High-speed railway systems. Characterization of high-speed railway service in France. European high-speed railway system. International high-speed railway system Thalys. History, statistics, technical information, company cooperation and positive measures to travellers.

In der vorliegenden Dissertationsschrift wurde ein Instrumentarium zur Untersuchung der Zusammenhänge von Eisenbahnbetrieb, Infrastruktur und Kosten bei integrierten Eisenbahnunternehmen konzipiert und entwickelt. Fragestellungen zu dieser Thematik wurden bereits in einigen Forschungsarbeiten behandelt. Die Auswertung dieser Arbeiten zeigte allerdings, dass Ergebnisse häufig nicht als absolute (Zahlen-) Werte angegeben wurden, angewendete Methoden und Eingangsdaten nicht veröffentlicht wurden und eingesetzte Softwarelösungen ungeeignet bzw. zu komplex für Grundsatzuntersuchungen unter Kosteneinbeziehung und vielfältiger Auswertungen sind. Der Fokus der Arbeit liegt auf der integrierten Untersuchung der Aspekte Eisenbahnbetrieb, Systemauslegung und Kostenermittlung. Die gemeinsame und quantitative Betrachtung von sonst für sich betrachteten Aspekten des Eisenbahnsystems weist allerdings eine höhere Komplexität als bei abgegrenzten Untersuchungen auf. Besonders die Überlagerung von Einzeleffekten kann zu unerwarteten Ergebnissen führen. Untersuchungsgegenstand ist die Durchführung eines (variierbaren) generischen Betriebsprogramms auf einer (variierbaren) generischen Eisenbahnstrecke. Reale Eisenbahnstrecken und Fahrpläne wurden bewusst ausgeschlossen, weil die im Fokus stehenden grundsätzlichen Zusammenhänge häufig durch lokale und betriebliche Besonderheiten überdeckt oder zumindest beeinflusst werden. Der gegenwärtige Entwicklungsstand erlaubt die Untersuchung von artreinem Verkehr sowie Mischverkehr mit zwei Zuggattungen auf einer generischen Eisenbahninfrastruktur. Die Zugfahrten werden auf einem, im Ein-Richtungsbetrieb befahrenen, Richtungsgleis einer zweigleisigen Eisenbahnstrecke durchgeführt. Derzeit sind drei Zuggattungen modelliert (Schienenpersonennahverkehr, Schienenpersonenfernverkehr und Schienengüterverkehr). Diese unterscheiden sich durch Zugmasse, Zuglänge, Geschwindigkeit und die Kostensätze. Die wesentlichen Infrastrukturparameter sind Blocklänge, Überholbahnhofabstand und die Kostensätze für alle Infrastrukturkomponenten. Es wurden nur diejenigen Infrastrukturkomponenten modelliert, die für die Durchführung des Betriebsprogramms direkt benötigt werden und insofern in direkter Beziehung dazu stehen. Kostenkomponenten, die hauptsächlich von der Topografie und Besiedlung abhängen (Erd- und Ingenieurbauwerke) sowie Verkehrsbauten wurden, um den Umfang der Arbeit nicht zu sprengen, nicht modelliert. Das gilt es bei der Interpretation der absoluten Infrastrukturkosten zu berücksichtigen, so dass im gegenwärtigen Entwicklungsstadium eine Eignung vornehmlich für vergleichende Untersuchungen unter denselben Topografie-Bedingungen gegeben ist. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit war die Schaffung des Instrumentariums, weil in der Phase der Konzeption der Arbeit deutlich wurde, dass existierende Fachsoftware zu viele Restriktionen aufweist, als dass die Untersuchungen in der gewünschten Form hätten durchgeführt werden können. Das entwickelte Softwaretool erlaubt es, Berechnungen elegant durchzuführen (z.B. Variation einer oder mehrerer Eingangsgrößen in beliebigen Wertebereichen in einem einzigen Rechendurchgang), Berechnungsmethoden beliebigen Detailierungsgrades einzusetzen sowie das System zu verfeinern und zu erweitern. Durch die Implementierung des Softwaretools als MS Excel-Applikation können alle Möglichkeiten, die Excel zur Weiterverarbeitung und Darstellung von Daten bietet, ohne Zusatzaufwand eingesetzt werden. Die Anwendung des Tools auf verschiedene Fallbeispiele kommt zu dem Ergebnis, dass für praxisnah konfigurierte Strecken und Betriebsprogramme etwa ein Kostenverhältnis von 30 % Infrastrukturkosten zu 70 % Zugkosten vorliegt, wobei sich hier die reduzierte Infrastrukturmodellierung natürlich bemerkbar macht. Infrastrukturell bedeutsam sind Streckenkosten und Betriebserschwerniskosten. Bei den Zugkosten bilden Instandhaltungskosten, Energiekosten und der Kapitaldienst den Hauptanteil, Personalkosten fallen dahinter zurück. Wartekosten weisen nur bei starker Streckenauslastung eine gewisse Bedeutung auf. Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse lässt erkennen, dass sich der Einfluss einzelner Eingangsgrößen für verschiedene Systemzustände bzw. Einstellungen quantitativ grundsätzlich unterscheiden kann. Je komplexer das System, desto schwieriger ist es, Wirkungszusammenhänge „vorherzusehen“. Das Tool unterstützt und vereinfacht entsprechende Untersuchungen. Ein komplexer Verlauf eines Kostengraphen kann etwa durch eine Aufschlüsselung der Untersuchung auf die einzelnen Kostenkomponenten nachvollziehbar werden. Durch die integrierte Betrachtung wird implizit ein Verständnis für die Strukturen des gesamten Bahnsystems geschaffen. Das im Tool abgebildete System wird besonders bezüglich der innewohnenden kostenrelevanten Wirkungsmechanismen untersucht, wodurch Kostentreiber identifiziert werden können. Es wird ermittelt, wie diese Komponenten auf Veränderungen von Eingangsgrößen reagieren. Mit dem geschaffenen Instrumentarium können dann zum Beispiel nachfolgende Fragestellungen vergleichsweise aufwandsarm untersucht werden: Welche gemeinsame Kostenstruktur weisen ein konkret konfigurierter Eisenbahnstreckenabschnitt und ein darauf durchgeführtes Betriebsprogramm auf? Wie entwickeln sich die Kosten bei veränderter Streckenbelastung? Welche Kostenstrukturen und -unterschiede weisen Personenverkehr und Güterverkehr auf? Wie werden die Fahrwegkosten durch die Betriebsbelastung beeinflusst? Welche Zusammenhänge bestehen zwischen der Qualität des Betriebsablaufs und den Kosten? Wie beeinflusst die Zugmischung die spezifischen Kosten? Welche Einflüsse können Baukostenkostenzuschüsse oder veränderte Energie- bzw. Personalkosten auf die Gesamtkosten ausüben?

Im bisherigen Auslegungsprozess wird ein Bahnsystem in der Regel in Teilsysteme zerlegt, die nacheinander und für sich betrachtet entworfen werden. Das Verhalten des Gesamtsystems im geplanten täglichen Betrieb wird nur für wenige Varianten mittels Simulation überprüft. In dieser Arbeit wird der Ansatz vorgestellt, ein elektrisches Bahnsystem als Optimierungsaufgabe zu modellieren und diese mit einem geeigneten mathematischen Suchverfahren zu lösen, um Wechselwirkungen im Gesamtsystem bereits während der Dimensionierung berücksichtigen zu können. Zu diesem Zweck wird ein mehrkriterieller genetischer Algorithmus mit Zugfahrtsimulation und Netzberechnung gekoppelt, um ein für elektrische Bahnen entwickeltes Optimierungsmodell zu lösen. Am Beispiel einer realen Metrostrecke wird das Verfahren auf seine Eignung getestet und die erzielten Ergebnisse bewertet. / In the previous design process the electric railway system was subdivided into subsystems that are conceived one after the other and independent of each other. The performance of the complete railway system under realistic operation conditions can only be verified for some very few variants using simulation tools. The paper presents an approach to formulate an electric railway system as a self-contained optimization problem solved by means of a mathematical optimization method in order to consider interactions within the system in the early stage of the design process. Therefore a multi-objective genetic algorithm is coupled with both train simulation and electrical network calculation solving an optimization model specially designed for electrical railway systems. The proposed method is tested on an actual metro system. The results of this case study are presented and evaluated.