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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?

The work deals with two problems of mass rapid transit system operation: The development of flexible timetables and the realisation of flexible timetables. In both cases, genetic algorithms are used. In the process of (flexible) timetabling in suburban railways, a transport offer perfectly adapted to demand is searched for (temporal and spatial adaptation of demand as well as adaptation of capacity of the trains). After determination of the number of train runs per line and hour and their capacity, optimal departure times have to be found (with a precision of a minute down to 10 s), which fulfil criterias of the passengers (short waiting times) as well as of the operator (small number of vehicles needed). Two different codings for use with genetic algorithms have therefore been developed. They are tested on several case studies of the Dresden suburban railway network, assuming different degrees of flexibilisation. In the process of realising a flexible timetable, transitions between train headways as well as running time and dwell time reserves (margins in the order of a few seconds) are slightly modified in order to coordinate braking and accelerating trains and thereby reduce energy costs of a system of trains. Genetic algorithms can be applied for this problem as well, the proposed methods are tested on several case studies (S-Bahn Berlin, Metro Lille). / Die Arbeit behandelt zwei Probleme der Betriebsplanung von Stadtschnellbahnen: Die Erstellung flexibler Fahrpläne und die Umsetzung flexibler Fahrpläne. In beiden Fällen werden zur Lösung Genetische Algorithmen verwendet. Bei der Ermittlung flexibler Fahrpläne von S-Bahnen wird ein bestmöglich an die Verkehrsnachfrage angepasstes Verkehrsangebot gesucht (zeitlich, räumlich und bezüglich der Kapazität der einzelnen Züge angepasst). Nach stundenfeiner Festlegung der Fahrtenhäufigkeiten und Kapazitäten der einzelnen, sich überlagernden Linien werden deren Abfahrtszeiten gesucht (mit einer Genauigkeit von Minuten bis etwa 10 s), so dass sowohl die Wünsche der Fahrgäste nach gleichmäßigen Zugfolgezeiten als auch Betreiberwünsche (geringe Fahrzeuganzahl) erfüllt werden. Hierzu werden zwei verschiedene Kodierungen für die Verwendung mit Genetischen Algorithmen vorgestellt und das geschaffene Verfahren an verschiedenen Flexibilisierungsszenarien für die S-Bahn Dresden erprobt. Bei der Umsetzung flexibler Fahrpläne, die sich im Bereich weniger Sekunden abspielt, werden Übergänge zwischen Zugfolgezeiten, Fahr- und Haltezeitreserven geringfügig modifiziert, so dass durch bestmögliche Koordination von Anfahr- und Bremsvorgängen eines Systems von Zügen die Energiekosten minimal werden. Methodisch werden wiederum Genetische Algorithmen verwendet, die Erprobung des Verfahrens erfolgt anhand von Linien der S-Bahn Berlin und der Metro in Lille.

For developing commercially utilized high-performance high-temperature superconductors, the fabrication of biaxially textured (RE)Ba₂Cu₃O₇₋ₓ (REBCO, RE ═ Y, Gd) coated conductors via metal–organic decomposition of trifluoroacetate precursors (TFA-MOD) has become an interesting strategy for industrial scale-up due to low costs and simple operation. However, the hygroscopic nature of commonly used precursor solutions makes them very sensitive to water pollution through air humidity. This can lead to a degradation of the final microstructure, which in return deteriorates critical current densities. Here, we present a new method to overcome that problem by using a moderator of 2,4-pentanedione (acac) in a pre-existing REBCO precursor solution. Our results show that even initially low-performance solutions can be enhanced to such an extent that they finally outperform standard high-performance solutions and the temperature window for their optimal growth widens significantly. Scanning electron microscopy gives evidence of considerable microstructural improvements, e.g. avoidance of pore formation and grooves, reduction of buckling and surface granularity. X-ray investigations indicate texture improvements, and electrical measurements reveal that transport critical current densities (Jc) increase in self-field and applied magnetic fields. For YBCO, a molar ratio of acac/RE ═ 0.64 is most effective and leads to an increase of the maximum pinning force density Fmaxp from 1.0 to 2.4 GN mˉ³ at 77 K. For GdBCO, a broad window of annealing temperatures (790–840°C) is possible for films with Jc values above 2.9 MA cmˉ² and Fmaxp above 3 GN mˉ³ at 77 K.