Fahrplanbasierte Ermittlung der Kapazität von Eisenbahnnetzwerken unter Berücksichtigung der Betriebsqualität

• Antragsteller: Professor Dr. Karl Nachtigall; Professor Dr. Norman Weik
• Fachliche Zuordnung: Verkehrs- und Transportsysteme, Intelligenter und automatisierter Verkehr ; Städtebau/Stadtentwicklung, Raumplanung, Verkehrs- und Infrastrukturplanung, Landschaftsplanung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512633826

Im Zuge des in Deutschland verfolgten Wandels hin zu einem fahrplangetriebenen Planungsansatz sind mit der wechselseitigen Abhängigkeit von Netzfahrplankonzept und Infrastruktur grundsätzliche Fragestellungen verknüpft, welche umfassende Analysen und neue methodische Ansätze erfordern. Vor diesem Hintergrund wird im Antrag eine Methodik entwickelt, welche den geänderten Rahmenbedingungen in Kapazitätsplanung und Trassenmanagement Rechnung trägt und die zeitlichen und räumlichen Verknüpfungen von Belegungsanforderungen an die Infrastruktur auf Netzebene berücksichtigt. Zentral ist hierbei die Verknüpfung von Verfahren der mathematischen Optimierung zur Angebotskonzeption und Trassenbelegung mit einem stochastischen (max,+)-Ansatz zur Bewertung der Betriebsqualität einer gegebenen Fahrplanbelegung. Durch die Kopplung dieser beiden Komponenten entsteht ein makroskopisches Verkehrsumlegungsmodell, mit dessen Hilfe die Fähigkeit zur Abbildung einer vorhandenen Nachfrage untersucht bzw. durch geeignete Skalierung der Nachfrage eine Bewertung der vorhandenen Infrastrukturkapazität vorgenommen werden kann.Dieses makroskopische Modell stellt die Grundlage der Kapazitätsplanung dar. Ausgehend von einer mikroskopischen Infrastruktur werden sog. Zuglaufabschnitte (ZLA) konstruiert. Die ZLA dienen als räumliche Grundlage für die Systemtrassen, welche die Basis der nachfolgenden Trassenbelegung bilden. Anschließend wird die gegebene Nachfragestruktur auf entsprechende Relationen abgebildet, sowie die Verkehrsmengen als Zugzahlen auf makroskopischer Ebene gemäß der Nachfrage geroutet. Zur Ermittlung von vollständigen, optimalen Zugläufen wird ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem verwendet, das die Systemtrassen verknüpft. Das berechnete Ergebnis umfasst sowohl die kapazitätsoptimale Netzbelegung der gegebenen Nachfrage als auch die verbleibende Restkapazität. Durch ein iteratives Vorgehen von Systemtrassenanpassung und -optimierung wird die kapazitäts-optimale Lage aller Systemtrassen simultan und netzweit ermittelt und so die Bestimmung der optimalen Belegung und Restkapazität ermöglicht. Die betriebliche Robustheit wird in einem weiteren Schritt durch einen stochastischen (max,+)-Ansatz zur Abbildung der betrieblichen Pünktlichkeitsentwicklung integriert. Zugfahrten werden durch Zufallsgrößen, welche die jeweilige lokale Fahrzeit, Haltezeit bzw. Verspätung beschreiben, modelliert. Die Bewegungen der Züge durch das Netz entsprechen der Abfolge von makroskopischen Aktivitäten, die durch Präzedenzrelationen miteinander verknüpft sind, sodass die Verspätungspropagation zwischen Zugfahrten rekursiv abgebildet werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der Verspätungspropagation kann die Betriebsqualität auf unterschiedlichen Netzabschnitten getrennt sowie netzweit ausgewiesen werden, sodass die Kapazität zusammenhängend unter Berücksichtigung von Fahrplanverknüpfungen sowie mit direktem Bezug zur Betriebsqualität bewertet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen