<p>Railway transportation is showing a substantial increase. Investments in new infrastructure, new fast and comfortable vehicles, and high frequency of service are important factors behind the increase.</p><p>Infrastructure configuration and timetable construction play important roles in the competitiveness of railway transportation. This is especially true on single-track lines where the travel times and other timetable related parameters are severely restricted by crossings (train meetings). The crossings also make the lines’ operation more sensitive to disturbances.</p><p>Since the major part of the Swedish railway network is single-track it is of great interest to examine the relationships between operation properties, such as travel times and reliability, and infrastructure configuration on single-track lines. The crossings are the core feature of single-track operation and this thesis focuses on the crossing time, i.e. the time loss that occurs in crossing situations.</p><p>A simplified analytical model, SAMFOST, has been developed to calculate the crossing time as a function of infrastructure configuration, vehicle properties, timetable and delays for two crossing trains. The effect of possible surrounding trains is not taken into account and all kinds of congestion effects are thus excluded from evaluation. SAMFOST has been successfully validated against the simulation tool RailSys, which shows that this type of simplified model is accurate in non-congested situations.</p><p>A great advantage of disregarding congested situations is that analysis is independent of timetable assumptions. The model also explicitly shows the effect of punctuality, which is of particular importance on single-track lines where the interdependencies between trains are strengthened by the crossings.</p><p>For the same reason, the timetable is severely constrained. Nonetheless, there is often a need for changes of the timetable (crossing pattern). The thesis proposes three simple measures of timetable flexibility, all based on assigned crossing time requirements. Together, these measures can be used to evaluate how infrastructure configuration, vehicle properties, punctuality etc affect possibilities to alter the timetable.</p><p>As an example of its application, SAMFOST has been used to evaluate the effect of shorter inter-station distance, partial double-track and combined crossing and passenger stop. These measures affect the operational properties quite differently.</p><p>More crossing stations result in a minor decrease in travel time (lower mean crossing time) but significantly higher reliability (lower crossing time variance). These effects are independent of punctuality, which is a valuable property.</p><p>A partial double-track results in shorter travel times and in some cases also higher reliability. Both effects are strongly dependent on punctuality and high punctuality is needed to achieve high effects.</p><p>A combined crossing and passenger stop results in a situation similar to that of a partial double-track. In this case it is important to point out that the assignment of time supplements in the timetable should be directly correlated to punctuality in order to achieve good operation.</p>

[pt] Esta pesquisa tem por objetivo conceber um sistema de apoio à decisão ao centro de controle operacional no gerenciamento do tráfego ferroviário. O sistema consiste na resolução de conflitos entre trens. Esta pesquisa justifica- se devido à deficiência encontrada pelos controladores de tráfego na tomada de decisões. Atualmente, as prioridades dos trens são pré-estabelecidas e, a partir da análise de um gráfico feito à medida que os eventos ocorrem, o planejamento do despacho de trens é realizado. As prioridades podem ser modificadas ao longo do dia, a partir de alguma ordem superior. Assim, existe a necessidade do desenvolvimento de um novo sistema que auxilie os controladores de tráfego na determinação da melhor solução para os conflitos entre trens. Inicialmente, foram realizados os levantamentos bibliográficos e de dados. Na revisão bibliográfica, foram analisados o sequenciamento de trens, condições de ultrapassagem e de cruzamentos e modelos de programação de trens. Em seguida, foi aplicada uma heurística proposta por Leal (2003) desenvolvida a partir da formulação de Szpigel (1972) e implementada em um programa de computador, na linguagem delphi. Esta heurística apresenta uma solução para os conflitos entre trens. A aplicação foi baseada nos dados fornecidos pela empresa MRS logística, situada em Juiz de Fora (MG). A partir da solução gerada por Leal (2003), foi desenvolvido um gráfico no Excel, utilizando a linguagem visual basic, onde são analisadas as programações dos trens com a solução dos conflitos. O objetivo final desta pesquisa é sugerir uma ferramenta de auxílio para o gerenciamento do tráfego ferroviário, contribuindo para a evolução e eficiência das ferrovias no Brasil. / [en] The objective of this research is to conceive a decision support system for the operational control center in the railroad traffic management. The system consists of the resolution of conflict between trains. The justification of this research is due to the deficiency founded by controllers of traffic in the decisions making. Currently, the trains priorities are previously established and, through the analysis of a done graph to the measure that the events go happening, these priorities can be modified. Thus, there is the necessity of the development of a new system which helps the controllers in the determination of the best alternative. Initially, the bibliographical surveys and the data-collectings had been made. In the bibliographic revision, the sequenciament of trains, ultraticket and crossing conditions, and trains programming models had been analyzed. The next step was the application of an heuristic developed by Leal (2003), based in the formularization of Szpigel (1972), and implemented in a computer program, in the Delphi language, showing the solution of conflicts between trains. The application was based in the data of MRS logistic company, situated in Juiz De Fora (MG). From the solution generated for Leal (2003), a graph in the excel was developed, using visual basic language, and shows the programmings of the trains with conflits solution. The final objective is to suggest a tool for helping the railroad traffic management, contributing for the evolution and efficiency of the railroads in Brazil.

Railway transportation is showing a substantial increase. Investments in new infrastructure, new fast and comfortable vehicles, and high frequency of service are important factors behind the increase. Infrastructure configuration and timetable construction play important roles in the competitiveness of railway transportation. This is especially true on single-track lines where the travel times and other timetable related parameters are severely restricted by crossings (train meetings). The crossings also make the lines’ operation more sensitive to disturbances. Since the major part of the Swedish railway network is single-track it is of great interest to examine the relationships between operation properties, such as travel times and reliability, and infrastructure configuration on single-track lines. The crossings are the core feature of single-track operation and this thesis focuses on the crossing time, i.e. the time loss that occurs in crossing situations. A simplified analytical model, SAMFOST, has been developed to calculate the crossing time as a function of infrastructure configuration, vehicle properties, timetable and delays for two crossing trains. The effect of possible surrounding trains is not taken into account and all kinds of congestion effects are thus excluded from evaluation. SAMFOST has been successfully validated against the simulation tool RailSys, which shows that this type of simplified model is accurate in non-congested situations. A great advantage of disregarding congested situations is that analysis is independent of timetable assumptions. The model also explicitly shows the effect of punctuality, which is of particular importance on single-track lines where the interdependencies between trains are strengthened by the crossings. For the same reason, the timetable is severely constrained. Nonetheless, there is often a need for changes of the timetable (crossing pattern). The thesis proposes three simple measures of timetable flexibility, all based on assigned crossing time requirements. Together, these measures can be used to evaluate how infrastructure configuration, vehicle properties, punctuality etc affect possibilities to alter the timetable. As an example of its application, SAMFOST has been used to evaluate the effect of shorter inter-station distance, partial double-track and combined crossing and passenger stop. These measures affect the operational properties quite differently. More crossing stations result in a minor decrease in travel time (lower mean crossing time) but significantly higher reliability (lower crossing time variance). These effects are independent of punctuality, which is a valuable property. A partial double-track results in shorter travel times and in some cases also higher reliability. Both effects are strongly dependent on punctuality and high punctuality is needed to achieve high effects. A combined crossing and passenger stop results in a situation similar to that of a partial double-track. In this case it is important to point out that the assignment of time supplements in the timetable should be directly correlated to punctuality in order to achieve good operation. / <p>QC 20170222</p>

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?

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?

Zur Verbesserung der Marktsituation des Schienengüterverkehrs und damit zur Umsetzung der verkehrspolitischen Zielvorgaben für eine Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schiene sind neben einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit vor allem auch eine Steigerung der Qualität der Leistungserstellung und die bedarfsgerechte Weiterentwicklung der Angebotsformen insbesondere des Bündelungsverkehrs erforderlich. Eine entscheidende Voraussetzung hierfür stellt die Verbesserung der Abläufe und Verfahren bei der betrieblichen Planung der Zugbildungsbahnhöfe dar. Die bestehenden Verfahren hierfür weisen allerdings wesentliche Schwachstellen hinsichtlich der Qualität der Planungsergebnisse sowie des zeitlichen und personellen Aufwands für ihre Anwendung auf. Sie sind daher nicht geeignet, die anstehenden Herausforderungen bei der Weiterentwicklung des Schienengüterverkehrs im zunehmenden Spannungsfeld zwischen Digitalisierung und demografischem Wandel zu bewältigen. Auch die Mehrzahl der diesbezüglichen wissenschaftlichen Ansätze der letzten Jahre und Jahrzehnte besitzt nicht das notwendige Potential für eine entscheidende Weiterentwicklung der Planungsverfahren. Die Erfahrungen aus angrenzenden Planungsbereichen des Eisenbahnsystems lassen vermuten, dass die mathematische Optimierung geeignet ist, eine neue Qualität bei der betrieblichen Planung von Zugbildungsbahnhöfen zu erreichen, indem das vollständige Planungsproblem in geeigneter Weise als mathematisches Optimierungsproblem formuliert und gelöst wird. Begünstigend wirkt dabei, dass durch die fortschreitende Entwicklung der Computertechnik heute auch umfangreiche reale Problemstellungen mit Hilfe effizienter Lösungsverfahren in akzeptabler Rechenzeit lösbar sind. Für die pratkische Umsetzung des daraus abgeleiteten neuartigen Ansatzes, nämlich der Beschreibung des Problems „Betriebsplanung für einen Zugbildungsbahnhof“ durch ein geeignetes Totalmodell und die Lösung desselben mit Hilfe der mathematischen Optimierung, werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die notwendigen wissenschaftlichen Voraussetzungen zu schaffen. Die verschiedenen Zugbildungsbahnhöfe weisen weder in Bezug auf ihre bauliche Gestaltung, noch in Hinblick auf die Ausprägung der Betriebsprozesse und die eingesetzten Ressourcen eine einheitliche Form auf. Auch die verkehrlichen und betrieblichen Anforderungen unterscheiden sich teilweise erheblich. Für die Entwicklung eines allgemeingültig auf alle Zugbildungsbahnhöfe anwendbaren Planungsverfahrens sind daher die betriebstechnologischen und ressourcenspezifischen Abhängigkeiten und Randbedingungen zunächst in einer allgemeinen Art und Weise zu formalisieren. Da dies mit den derzeit bekannten Beschreibungsmodellen nicht möglich ist, wurde ein universelles Betriebsprozessmodell abgeleitet, das auf beliebige Zugbildungsbahnhöfe anwendbar ist. Für einen konkreten Zugbildungsbahnhof lässt sich daraus in Verbindung mit den zu erfüllenden Leistungsanforderungen das logische Planungsproblem mit allen einzuhaltenden Abhängigkeiten und Nebenbedingungen vollständig formulieren. Für die Lösung dieses logischen Planungsproblems mit Hilfe der mathematischen Optimierung ist ein geeignetes mathematisches Optimierungsmodell erforderlich. Dieses muss bezüglich der Art der zu berücksichtigenden Nebenbedingungen und der Detaillierung der Prozessabbildung kompatibel zum Betriebsprozessmodell sein. Hierbei konnte auf bereits vorhandene erste Ansätze für eine entsprechende mathematische Modellformulierung zurückgegriffen werden. Um jedoch das mathematische Optimierungsproblem vollständig formulieren und mit Hilfe geeigneter Lösungsverfahren lösen zu können, ist es zunächst erforderlich, das logische Planungsproblem vollständig zu beschreiben. Da die Leistungsanforderungen in der Praxis durch den teilweise langen zeitlichen Vorlauf häufig nur unvollständig beschrieben werden können, wird ein zusätzlicher Aufbereitungsschritt zur Vervollständigung der planerischen Problemstellung erforderlich. Ein weiterer Aufbereitungsschritt ergibt sich nach der Optimierung, in dem die gefundene Lösung vor der Ausgabe noch bezüglich bestimmter sekundärer Kriterien, die nicht in der Zielfunktion berücksichtigt werden, zu verfeinern ist. Anhand dieser grundsätzlichen Funktionsweise konnte ein Verfahren zur Betriebsplanung in Zugbildungsbahnhöfen auf Basis der mathematischen Optimierung abgeleitet und beschrieben werden. Es erlaubt für die der Disposition zeitlich vorgelagerten Planungsteilbereiche erstmals die Erstellung optimaler Betriebspläne, wobei sämtliche Betriebsprozesse und Ressourcen simultan geplant werden. Das Verfahren kann über die verschiedenen zeitlichen Planungsebenen durchgehend angewandt werden und bildet zudem die Grundlage für eine Automatisierung der einzelnen Teilschritte. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das entwickelte Planungsverfahren für die Anwendung auf eisenbahnbetriebswissenschaftliche Fragestellung erweiterbar ist und dabei ein hohes Potential für die Weiterentwicklung der eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Verfahrenswelt besitzt. Hierbei ergibt sich insbesondere bei der Untersuchung des Leistungsverhaltens von Gleisgruppen und Zugbildungsbahnhöfen erstmals die Möglichkeit zur Bestimmung einer optimalen Betriebsqualität. Die praktische Anwendbarkeit dieses Ansatzes und die Eignung des hierfür entwickelten mathematischen Optimierungsmodells konnten im weiteren Verlauf der Arbeit ebenfalls gezeigt werden. Die Einhaltung einer geforderten Betriebsqualität stellt neben wirtschaftlichen und leistungsbezogenen Vorgaben eine wesentliche Zielstellung bei der betrieblichen Planung von Zugbildungsbahnhöfen dar. Die erzeugten Betriebspläne müssen also gegenüber vielfältigen stochastischen Einflüssen robust sein. Um dies zu gewährleisten ist eine Erweiterung des Planungswerkzeugs um eine Komponente zur Auswahl und Bemessung der hierfür notwendigen planerischen Maßnahmen erforderlich. Als Grundlage hierfür dient die zuvor hergeleitete Vorgehensweise zur Untersuchung der Betriebsqualität in Zugbildungsbahnhöfen. Das darin formulierte mathematische Modell zur Optimierung der Betriebsqualität bildet die Basis für eine systematische Vorgehensweise zur Auswahl und Bemessung der planerisch vorzusehenden Robustheitsmaßnahmen, womit ein völlig neuer Ansatz gegenüber bisherigen Verfahren verfolgt wird. Durch diese Erweiterung des zuvor entwickelten Planungsansatzes liegt schließlich das vollständige Verfahren zur robusten Betriebsplanung in Zugbildungsbahnhöfen auf Basis der mathematischen Optimierung ('ROBEZO') vor. Dieses stellt nicht nur eine neue Qualität von Planungsverfahren für Zugbildungsbahnhöfe dar, sondern schafft zudem die Voraussetzungen für eine vollständige Automatisierung der betrieblichen Planung in Zugbildungsbahnhöfen. In der Arbeit erfolgte überdies eine umfangreiche wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen stochastischen Einflüsse aus dem Betriebsablauf. Es konnte gezeigt werden, dass diese kategorisierbar sind und sich nicht nur in Form ihrer qualitativen und quantitativen Ausprägungen, sondern auch hinsichtlich ihrer prinzipiellen Wirkungen auf einen Betriebsplan deutlich unterscheiden. Für eine Reihe dieser Einflüsse gelang in diesem Zusammenhang erstmals eine tiefgehende Analyse und theoretische Darstellung. Hervorzuheben ist hierbei insbesondere die gefundene Möglichkeit zur allgemeingültigen modellmäßigen Beschreibung von Einbruchsverfrühungen durch Weibull-Verteilungen, die auch eine hohe Relevanz für andere eisenbahnbetriebswissenschaftliche Anwendungen besitzt.

With continuing digitization of railways an increasing number of data is recorded but particularly in operation advanced analysis tends to be partially rudimentary. Yet, it is essential to implement sophisticated processing for all records in order to develop more purposeful and predictive vehicle maintenance strategies that adhere to the increasing requirements imposed by the homologation. Typically developing requisites are permissible track forces and lateral accelerations which are directly affected by the vehicle's condition. The present work addresses this issue by executing a case study focused on a Swiss high-speed electric multiple unit with equivalent conicity being the main parameter of interest. This geometry quantity holds high relevance in determining the running stability of track guided vehicles, respectively in assessment of comfortable and safe operation. Currently, it experiences an increasing significance in the homologation as well. Thus, wheelset maintenance is challenged to elaborately embed equivalent conicity to the other influencing factors in the re-profiling strategy. A framework is established on how operational data can be analyzed and findings systematically be evaluated. The required records are provided by a Swiss railway operator and majorly processed by visualization as well as statistic tools while considering vehicle design and operational aspects. The subsequent proposition of strategies is accompanied by holistic balancing of vehicle needs, maintenance resources, and vehicle scheduling needs. As a result, correlations concerning the vehicle's configuration, design, and operational properties are observed. Incorporating these observations, for example by applying advanced warning limits, enables deduction of more predictive and holistic strategies. The potentially emerging benefits are manifold and range from lower demand on engineering staff, increased mileages, to fewer unplanned servicing tasks and subsequently increased operational stability. Further, the findings emphasize the need of in depth understanding about relevant data to derive more advanced and holistic maintenance strategies. / Med fortsatt digitalisering av järnväg registreras ett ökande antal data. Men särskilt i drift är avancerad analys av dessa data ofta outvecklad och otillräcklig. Därför är det väsentligt för framgångsrik järnvägsdrift att implementera mer avancerad analys för att utveckla mer målmedvetna och förutsägande strategier för fordonsunderhåll i syfte att följa befintliga regelverk. Det här arbetet belyser denna fråga genom en fallstudie med fokus på ekvivalent konicitet i schweiziska eldrivna höghastighetståg. Koniciteten är mycket relevant för att bedöma dynamisk gångstabilitet på spårfordon och avgörande för bekväm och säker tågrörelse. Den utgör en viktig indikator i utformandet av regelverk vilket i sin tur är avgörande vid underhåll av hjulpar och för att bedöma hjulprofilers status. Avhandlingen föreslår ett tillvägagångssätt för hur data av ekvivalent konicitet och relaterade aspekter kan analyseras och systematiskt implementeras i fordonens reprofileringsstrategi av hjulen. Dokumenten tillhandahålls av en schweizisk operatör och utvärderas huvudsakligen genom visualisering och statistiska verktyg samtidigt som design- och driftsaspekter kontinuerligt prövas. Präsentationen av strategier åtföljs av en helhetlig utvärdering av behov för såväl fordon och underhållsanläggningar som schemaläggningar av driften. Som ett resultat av detta observeras korrelationer mellan fordonens tekniska egenskaper med design- och driftsegenskaper. Genom att inkludera dessa observationer, till exempel genom att tillämpa avancerade varningsgränser, kan mer predikativa och helhetliga strategier föreslås. De potentiella fördelarna är många och kan sträcka sig från lägre behov av ingenjörspersonal, ökad körsträcka, till färre oplanerade serviceuppgifter och leder till ökad driftstabilitet. Vidare betonar resultaten behovet av djupgående förståelse för parametrar för att härleda helhetliga underhållsstrategier.

This thesis shows the advantages of simple models for analysis of railway operation. It presents two tools for infrastructure and timetable planning. It shows how the infrastructure can be analysed through fictive line designs, how the timetable can be treated as a variable and how delays can be used as performance measures. The thesis also gives examples of analyses of complex traffic situations through simulation experiments. Infrastructure configuration, timetable design and delays play important roles in the competitiveness of railway transportation. This is especially true on single-track lines where the run times and other timetable related parameters are severely restricted by crossings (train meetings). The first half of this thesis focuses on the crossing time, i.e. the time loss that occurs in crossing situations. A simplified analytical model, SAMFOST, has been developed to calculate the crossing time as a function of infrastructure configuration, vehicle properties, timetable and delays for two crossing trains. Three measures of timetable flexibility are proposed and they can be used to evaluate how infrastructure configuration, vehicle properties, punctuality etc affect possibilities to alter the timetable. Double-track lines operated with mixed traffic show properties similar to those of single-tracks. In this case overtakings imply scheduled delays as well as risk of delay propagation. Two different methods are applied for analysis of double-tracks: a combinatorial, mathematical model (TVEM) and simulation experiments. TVEM, Timetable Variant Evaluation Model, is a generic model that systematically generates and evaluates timetable variants. This method is especially useful for mixed traffic operation where the impact of the timetable is considerable. TVEM may also be used for evaluation of different infrastructure designs. Analyses performed in TVEM show that the impact on capacity from the infrastructure increases with speed differences and frequency of service for the passenger trains, whereas the impact of the timetable is strongest when the speed differences are low and/or the frequency of passenger services is low. Simulation experiments were performed to take delays and perturbations into account. A simulation model was set up in the micro simulation tool RailSys and calibrated against real operational data. The calibrated model was used for multi-factor analysis through experiments where infrastructure, timetable and perturbation factors were varied according to an experimental design and evaluated through response surface methods. The additional delay was used as response variable. Timetable factors, such as frequency of high-speed services and freight train speed, turned out to be of great importance for the additional delay, whereas some of the perturbation factors, i.e. entry delays, only showed a minor impact. The infrastructure factor, distance between overtaking stations, showed complex relationships with several interactions, principally with timetable factors. / QC20100622 / Framtida infrastruktur och kvalitet i tågföring