Eisenbahnsysteme sind aufgrund ihrer Komplexität (Personal, Personenverkehr, Signale, Betriebssteuerung, Fahrpläne usw.), ihrer z.T. hohen Auslastung und begrenzter Redundanzen besonders anfällig für das Auftreten unerwarteter Ereignisse und Störungen. Da Störungen für kritische Infrastrukturen unvermeidlich sind, müssen Entscheidungsträger Strategien festlegen, die darauf abzielen, die Betriebskontinuität der Systeme zu gewährleisten und die grundlegenden Servicequalitäten während dieser Vorkommnisse so weit wie möglich aufrechtzuerhalten. Für verschiedene Arten von Eisenbahnnetzen wurden im Rahmen des präventiven Störfallmanagements Verfahren für eine strukturierte Reaktion auf Störungen festgelegt. Diese sehen die Entwicklung und Implementierung von Störfallprogrammen (SFP) vor. SFP beinhalten vordefinierte Dispositionsmaßnahmen für Züge, Lenkungsmaßnahmen für Fahrgäste und Kommunikationsprotokolle für Mitarbeiter und wurden entwickelt, um bestimmte Störungsszenarien innerhalb eines Eisenbahnsystems mit geringen Aufwand zügig zu managen. Dazu enthält jedes SFP eine Reihe von linienspezifischen Maßnahmen (gültig für eine ganze Linie), die hauptsächlich aus zwei unterschiedlichen Konzepten bestehen: einem Betriebskonzept und einem Verkehrskonzept. Das Betriebskonzept enthält eine Reihe von Maßnahmen, mit denen das Betriebsprogramm einer Linie an die durch die Störung verursachte eingeschränkte Verfügbarkeit der Infrastruktur angepasst wird. Das Verkehrskonzept enthält eine Reihe von Maßnahmen zur Lenkung der Passagiere und damit zur Aufrechterhaltung der Mobilität innerhalb des Systems. SFP werden in verschiedenen Phasen umgesetzt. Unter diesen Phasen ist die Einschwingphase und damit der Übergang in einen stabilen Betrieb die kritischste Phase. Die Einschwingphase dauert von dem Ausrufen des gewählten SFPs bis zum Beginn des stabilen Betriebs des Systems während der Störung. Ein stabiler Betrieb ist überdurchschnittlichen nur erreicht, wenn alle Züge zuverlässig auf ihren im SFP geplanten (verkürzten) Strecken mit (reduzierten) Takten fahren, ohne dass es zu Verspätungen kommt. Bisher führen Disponenten die Umsetzung von SFP manuell aus. Daher wird die erfolgreiche Umsetzung eines SFP in einem gestörten Netz immer noch entscheidend von der Erfahrung und den Fähigkeiten der in dieser Situation stark belasteten Disponenten beeinflusst. Die SFP-Entwicklung selbst ist ebenfalls ein komplexer Prozess, bei dem verschiedene Interessengruppen (z. B. erfahrene Disponenten, Betreiber öffentlicher Verkehrsmittel, …) einbezogen werden müssen. Während einige Ansätze darauf abzielten, von einer manuellen Entwicklung von SFPs zu einer Entwicklung mit Hilfe eines Entscheidungsunterstützungssystems überzugehen, sind noch Lücken in dieser Entwicklung zu schließen. Besonderes Augenmerk muss auf die Bewertung von Maßnahmen zur intermodalen Reisendenlenkung im Rahmen der Verkehrskonzepte gelegt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Modelle verfolgen zwei spezifische Ziele. Das erste Ziel besteht darin, ein Modell zu entwickeln, mit dem Entscheidungsträgern Maßnahmen für die intermodale Lenkung von Fahrgästen für SFP-Verkehrskonzepte entwickeln können, die die Restkapazität lokaler öffentlicher Verkehrssysteme berücksichtigten. Das zweite Ziel ist die Entwicklung eines Modells, das die dynamische Bereitstellung von zugspezifischen SFP-Betriebskonzepten in einer tatsächlichen Betriebssituation des Netzes teilautomatisieren kann. Jedes der Ziele konzentriert sich auf die verschiedenen Konzepte (Betriebs- und Verkehrskonzepte) innerhalb der SFP, sie sind jedoch nicht miteinander verbunden. Daher ist diese Arbeit in zwei verschiedene Hauptteile (Sections) unterteilt. Im ersten Hauptteil wird ein Modell zur Abschätzung der Restkapazität der öffentlichen Verkehrsmittel, die sich für die intermodale Lenkung von Fahrgästen eignen könnten, entwickelt. Das Modell ermöglicht die Prüfung von Entwürfen intermodaler SFP-Verkehrskonzepte anhand ihrer Auswirkungen auf die Auslastung von Bus, Stadtbahn und U-Bahn als Grundlage für die anschließende Diskussion mit den Betreibern der alternativen Verkehrsmittel und dem Aufgabenträger. In einem ersten Schritt werden die für die Umleitung der Reisenden verfügbaren Restkapazitäten für Reisende abgeschätzt. Als wesentliche Einflussgrößen wurden die Gefäßgrößen, der Fahrplan sowie die abgeschätzte Auslastung, die von Tageszeit, Entfernung vom Stadtzentrum und Verkehrsmittel abhängt, anhand von Daten mehrerer deutscher Städte unterschiedlicher Größe identifiziert. Die Auslastung konnte datengetrieben in Abhängigkeit der genannten Einflussgrößen ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit geschätzt werden. In einem zweiten Schritt wurde ein Algorithmus zum kapazitätsabhängigen Routing entwickelt und auf einen Störfall beispielhaft angewendet. Mit diesem Algorithmus lassen sich kalibrierungsfrei Entwürfe für Umleitungskonzepte für die Reisenden automatisiert unter Berücksichtigung der verfügbaren Restkapazitäten als Grundlage für die anschließende Abstimmung mit den Betreibern der alternativen Verkehrsmittel und dem Aufgabenträger bewerten. Der zweite Hauptteil bildet den Kern dieser Arbeit. Gegenstand ist die Entwicklung eines Systems zur störungs- und fahrzeugspezifischen Konkretisierung des linienspezifischen SFP-Betriebskonzepts unter Beachtung der tatsächlichen Betriebssituation eines gestörten S-Bahnnetzes. Das Modell berücksichtigt die Tageszeit, die tatsächliche Position der Züge im Netz und die von der Störung betroffenen Infrastrukturelemente. Ergebnis des somit dynamischen Systems ist ein zugnummern- und minutenscharfer (sekundengenauer) konfliktfreier Fahrplan, der einen Übergang von der aktuellen Betriebssituation in einen stabilen Betrieb sicherstellt. Dazu werden Lösungen für die (integrierte) Lösung sowohl von Verfügbarkeits- und Belegungskonflikten als auch von Anschluss- und Umlaufkonflikte unter besonderer Berücksichtigung der typischerweise auftretenden Staueffekte vor dem SFP-Wendebahnhof entwickelt. Das dynamische SFP-Umsetzungssystem ist modular aufgebaut, sodass seine Module leicht aktualisiert oder ersetzt und neue Module hinzugefügt werden können. Jedes der Module des Systems wird in dieser Arbeit algorithmisch untersetzt. Soweit sich keine existierenden Ansätze eignen, werden die erforderlichen Algorithmen neu entwickelt, wobei die Art der verwendeten Algorithmen problemabhängig gewählt wird. Problemkonform sieht das dynamische System die Anpassung sowohl des Fahrplans als auch der Umlaufspläne des betroffenen S-Bahnnetzes vor. Das System umfasst für die meist NP-harten Probleme sowohl heuristische Konflikterkennungs- und Konfliktlösungsansätze und metaheuristische Methoden (genetische und Tabu-Such Algorithmen). Im Falle heuristischer Ansätze werden je Konflikt grundsätzlich mehrere Konfliktlösungsalternativen generiert. Die Grundlage bilden jeweils ca. sechs bis acht problemabhängig entwickelte elementare Konfliktlösungen. Zur Auswahl der geeignetsten Konfliktlösung werden die potentiellen Alternativen vergleichend unter Berücksichtigung weiterer Konflikte bewertet. Die Bewertung umfasst Kenngrößen wie die erwartete relative zeitliche Änderung, die induzierte Änderung der weiteren Betriebssituation, Gleiswechsel und Haltausfälle. Die Konfliktlösung erfolgt differenziert nach linienspezifischen und darauf aufbauend fahrzeugspezifischen Konflikten. Die linienspezifischen Konflikte, die Fahrzeugverfügbarkeits- und Erreichbarkeitskonflikte umfassen, werden zunächst identifiziert und klassifiziert. Die auf linienspezifischer Betriebsebene generierten Alternativen werden durch metaheuristische Algorithmen kombiniert. Jede Kombination wird darauf aufbauend auf die fahrzeugspezifische Betriebsebene übertragen. Ein heuristischer fahrzeugspezifischer KE/KL Algorithmus identifiziert (KE) und löst (KL) jeden induzierten Konflikt, um für jede Kombination einen konfliktfreien Fahrplan zu erhalten. Auf dieser Ebene behandelt der KE/KL Algorithmus vier verschiedene Arten von Konflikten. Anschließend werden die einzelnen Konfliktlösungsalternativen zu konfliktfreien Kombinationen zusammengestellt und anhand der Informationen aus jeder einzelnen Konfliktlösung bewertet. Dies wird ergänzt durch eine Bewertung der Fahrzeugpositionen am Tagesende (Fahrzeuge, die ihren Dienst an einem Ort im Netz beenden, der nicht mit dem geplanten Ort für die Abstellung, Wartung oder Instandhaltung entspricht) und Änderungen an den geplanten Wendebahnhöfen der Züge. Nachdem das System die technische und betriebliche Eignung jeder konfliktfreien Kombination festgestellt hat, kann es die beste Alternative auswählen. Zusammenfassend bildet das im zweiten Hauptteil dieser Arbeit erarbeitete System die Grundlage für die halbautomatische störungs- und fahrzeugspezifische Konkretisierung von SFP-Betriebskonzepten unter Beachtung der tatsächlichen Betriebssituation des gestörten Netzes. Das für S-Bahnen erarbeitete dynamische System ist darauf ausgelegt, unmittelbar eine Lösung für den Übergang des Betriebs in einen stabilen Zustand zu entwickeln.

Los sistemas ferroviarios son particularmente vulnerables a la ocurrencia de eventos inesperados y disrupciones debido a su dimensión y compleja disposición de sus componentes y operaciones (es decir: estaciones, vías, interruptores, vehículos, personal, tráfico de pasajeros, señales, control de operaciones, horarios, etc.). Como la ocurrencia de disrupciones en cualquier infraestructura crítica es inevitable, los responsables de la toma de decisiones deben establecer estrategias destinadas a garantizar la continuidad operativa de los sistemas y mantener las cualidades del servicio básico durante estos eventos. En muchas redes ferroviarias, se han establecido enfoques planificados de gestión de interrupciones para una reacción estructurada a las disrupciones. Los enfoques planificados de gestión de disrupciones prevén el desarrollo y la implementación de programas de disrupción (DRP - por sus siglas en inglés). Los DRP pueden explicarse como conjuntos de medidas de despacho predefinidos para trenes, medidas de re direccionamiento para pasajeros y protocolos de comunicación, para miembros del personal, que se desarrollan en el abordaje de escenarios de disrupción específicos dentro de una red ferroviaria. En consecuencia, cada DRP contiene un conjunto de medidas específicas de línea (es decir, válido para una línea completa), que están constituidas principalmente por dos conceptos diferentes: un concepto operativo y un concepto de transporte. El concepto operativo contiene una serie de medidas específicas de línea que permiten que el programa operativo de una línea se ajuste a la disponibilidad de infraestructura degradada inducida por la disrupción. El concepto de transporte contiene una serie de medidas de re direccionamiento de pasajeros que lidian con la capacidad de servicio afectada del sistema. Los DRP se implementan en diferentes fases. Entre estas fases, la fase de transición a operaciones estables es posiblemente la más crítica. La fase de transición dura desde la declaración del DRP hasta que el sistema ha alcanzado operaciones estables durante la interrupción. La estabilidad solo se logra cuando todos los trenes se mueven por el sistema de manera confiable en sus rutas visualizadas en el DRP (acortadas) con frecuencias reducidas, sin acumular más demora. Hasta la fecha, los despachadores ejecutan la implementación de DRP manualmente. Por lo tanto, el despliegue exitoso de un DRP en una red afectada por efectos disrruptivos, aún está críticamente influenciado por la experiencia y habilidad de los despachadores. El desarrollo de los DRP en sí mismos también es un proceso extenuante, que requiere la participación de diferentes actores (por ejemplo, despachadores, operadores de transporte público y otros). Si bien parte del trabajo ha tenido como objetivo la transición de un desarrollo manual de DRP a un desarrollo asistido por un sistema de apoyo durante la toma de decisiones, todavía quedan vacíos por cubrir. La evaluación de las medidas de desvío de pasajeros intermodales dentro de los conceptos de transporte requiere una atención particular. El trabajo presentado en este documento, tiene dos objetivos específicos. El desarrollo de un modelo que permita a los tomadores de decisiones desplegar estrategias de re direccionamiento intermodal de pasajeros para los conceptos de transporte DRP, que consideren la capacidad residual de los sistemas locales de transporte público y el desarrollo de un sistema capaz de soportar el despliegue dinámico de conceptos operativos DRP en una situación operativa real. Cada uno de los objetivos se centra en los diferentes conceptos al interior de los DRP; por tanto, no están relacionados entre sí. En este sentido, el presente trabajo se divide en dos secciones diferentes: La primera sección describe el desarrollo de un modelo para estimar la capacidad residual de los medios de transporte público utilizados para el re direccionamiento intermodal de pasajeros durante una disrupción, como se prevé en el concepto de transporte DRP bajo investigación. Las estrategias de re direccionamiento de pasajeros evaluadas proporcionan una base para discusiones posteriores y mucho más detalladas con los operadores locales de transporte público. Para respaldar una estimación de la capacidad residual, se deriva y valida un marco de evaluación utilizando información operativa real de tres modos de transporte público: autobuses, tren ligero y metro. El modelo incorpora el marco de evaluación y está estructurado utilizando algoritmos basados en reglas respaldadas por teoría gráfica. El modelo tiene la capacidad de incorporar diferentes estrategias de re direccionamiento de los conceptos de transporte DRP y está diseñado para asegurar una validez general que pueda aplicarse independientemente del entorno de implementación (es decir, medios de transporte público y diseño del transporte público y redes ferroviarias interrumpidas). La segunda sección constituye la principal contribución de este trabajo. Introduce un sistema para el despliegue dinámico del concepto operativo DRP a la situación operativa real de una red ferroviaria afectada por una disrupción. La situación operativa real considera la hora del día, la posición actual de los trenes en la red y los elementos de infraestructura afectados. Como resultado, el sistema entrega un horario sin conflictos, especificando el número de tren con una precisión de segundos y garantizando que la red pueda alcanzar operaciones estables. El sistema de despliegue dinámico de DRP está concebido como una estructura modular para que sus módulos puedan actualizarse o reemplazarse fácilmente y, eventualmente, se puedan agregar nuevos módulos. Cada uno de los módulos, que constituyen el sistema, se derivan, analizan y describen en detalle a lo largo de este trabajo. Para cumplir su objetivo, el sistema de despliegue dinámico de DRP prevé el ajuste, tanto del horario como de los planes de circulación, de la red ferroviaria en disrupción. El sistema está estructurado a través de métodos heurísticos (es decir, identificación heurística de conflictos - o IC - y resolución de conflictos - o RC -) y métodos metaheurísticos (es decir, algoritmos de búsqueda tabú y genéticos) para hacer frente a los problemas mayormente NP-Hard, y divide el problema en dos niveles operativos diferentes: nivel específico de línea y nivel específico del vehículo. En el nivel específico de línea, el enfoque identifica y clasifica conflictos específicos de línea (incluidos los conflictos de disponibilidad de vehículos y conflictos de alcance) y establece posibles alternativas de solución de conflictos con el apoyo del concepto operativo DRP, así como un conjunto predefinido de ocho tipos de soluciones elementales. Las posibles alternativas de solución se implementan en trenes individuales para resolver los conflictos específicos de la línea y establecer un conjunto de alternativas de resolución de conflictos a nivel operativo específico de la línea. Las alternativas que se han generado en el nivel operativo específico de la línea se combinan mediante algoritmos metaheurísticos. Cada combinación se maneja más tarde en el nivel operativo específico del vehículo. Un enfoque de ICRC heurístico específico a nivel vehicular identifica y resuelve cualquier conflicto inducido para obtener un horario libre de conflictos de cada combinación. En este nivel, el proceso ICRC maneja cuatro tipos diferentes de conflictos. Estos incluyen ocupación, disponibilidad de infraestructura, circulación y conflictos de servicio. Para cada conflicto identificado, el proceso ICRC desarrolla posibles alternativas de resolución de conflictos utilizando seis tipos de alternativas de solución de conflictos elementales. Las alternativas de resolución de conflictos se evalúan contemplando aspectos como el cambio de tiempo relativo esperado, el cambio inducido en la situación operativa proyectada, los cambios en las vías o las cancelaciones de paradas de trenes. Una vez evaluado, solo se selecciona e implementa una alternativa de resolución de conflictos. Además, una vez que las combinaciones están libres de conflictos, se evalúan de acuerdo con la información ya valorada de cada resolución de conflicto utilizada para derivar la combinación libre de conflictos. Esto se complementa con una evaluación de los desequilibrios inducidos al final del día (es decir, vehículos que terminan sus funciones en ubicaciones de la red que no son compatibles con las operaciones programadas para el día siguiente) y cambios en las estaciones de giro de los trenes. Finalmente, habiendo comprobado la idoneidad de cada combinación libre de conflictos, el sistema puede seleccionar y mostrar la mejor alternativa. En última instancia, la contribución avanzada en la segunda sección de este trabajo sienta las bases para un despliegue semiautomático de los conceptos operativos DRP en la situación operativa real de la red. El sistema dinámico de implementación de DRP está estrictamente diseñado para mantener la rápida transición de la red hacia operaciones estables. Si bien el sistema está diseñado para redes ferroviarias de cercanías, puede emplearse independientemente de su entorno de implementación local.