Brauner, Anna-Katharina (2023)
Algorithmen zur (teil-)automatisierten betrieblichen und verkehrlichen Bewertung von Störfallprogrammen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023651
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Große Störungen – üblicherweise als „Störfalle“ bezeichnet - treten zufällig auf, sind in ihrem Auftreten oft nicht beeinflussbar, schränken die Infrastrukturverfügbarkeit ein und verändern die Betriebslage deutlich. Dabei stellen sie das Betriebspersonal vor große Herausforderungen und zwingen einen Teil der Fahrgäste, ihr Mobilitätsverhalten an die veränderte Betriebslage anzupassen. Um den gestörten Betrieb zuverlässig abzuwickeln, Disponenten zu entlasten und Kunden zielgerichtet zu informieren, werden sog. „Störfallprogramme“ eingesetzt. Diese beinhalten für typische Störungen mit hohen verkehrlichen Auswirkungen eine meist linienspezifische Planung der betrieblichen Maßnahmen (insbes. (Teil-)Ausfälle mit vorzeitigen Wenden und Umleitungen). Durch die eingeschränkte Infrastrukturverfügbarkeit bei Störfällen führt ein Störfallprogramm zu einem im Vergleich zum Regelbetrieb reduzierten Fahrplan. Störfallprogramme werden oftmals durch erfahrene Mitarbeiter erstellt, die mögliche Auswirkungen der Störung erkennen, passende betriebliche Maßnahmen planen, deren Auswirkungen im Betrieb abschätzen und auf diese Weise ein „Betriebskonzept“ für den Störfall mit großem Aufwand ex ante erstellen. Die sich aus den betrieblichen Maßnahmen ergebenden Auswirkungen auf die Fahrgäste können bei Erstellung eines Störfallprogramms in der Regel lediglich erfahrungsbasiert und implizit bei der Festlegung der betrieblichen Maßnahmen grob berücksichtigt werden. Um auch im Störfall einen attraktiven öffentlichen Schienenpersonennahverkehr zu ermöglichen, sollten sich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit nicht nur auf das Angebot des Betriebs beziehen, sondern auch auf die zugehörige Reisendenlenkung. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Begriff „Störfallprogramm“ daher nicht nur klassischerweise das „Betriebskonzept“ umfassen, sondern um die Reisendenlenkung im Rahmen eines „Verkehrskonzeptes“ ergänzt werden. Die Konzeption eines kundenorientierten Störfallprogramms beginnt mit der Planung von betrieblichen Maßnahmen durch den Ersteller. Dieses Betriebskonzept ist anschließend zu bewerten und um die Auswirkungen auf den Fahrgast zu ergänzen. Das Ziel der Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer (teil-) automatisierten Bewertung von Betriebskonzepten sowie Algorithmen zur Erstellung und Bewertung von entsprechenden Verkehrskonzepten, so dass in einer integrierten Planung kundenorientierte Störfallprogramme entstehen können. Zwischen Betriebskonzept und Verkehrskonzept liegt jedoch ein Zielkonflikt vor. Dieser besteht zwischen dem schnellen Erreichen eines stabilen Betriebs durch das Ausstellen möglichst vieler Fahrzeuge im Betriebskonzept und dem Erhalt eines möglichst umfangreichen und damit attraktiven Verkehrsangebots im Verkehrskonzept, das ein möglichst attraktives Betriebskonzept mit wenig Zugausfällen erfordert. Die Arbeit adressiert diesen Zielkonflikt, indem in einer modularen Systemarchitektur nicht nur nach Betriebs- und Verkehrskonzept, sondern zusätzlich, innerhalb dieser Konzepte, in weitere Module und Submodule differenziert wird. Alle (Sub-)Module wurden basierend auf umfassend erhobenen Anforderungen problemadäquat spezifiziert. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf konsistente Algorithmen in den verschiedenen (Sub-)Modulen gelegt. So konnte beispielsweise ein kundenorientiertes Bewertungssystem, das zur verkehrlichen Maßnahmenauswahl, Verkehrskonzeptbewertung und Störfallprogrammbewertung Verwendung findet, entwickelt werden. Im Weiteren wird das Vorgehen bei der Algorithmenentwicklung und deren Anwendung in der Praxis anhand von vier wesentlichen Schritten dargestellt. Dies sind:

1. die Bewertung eines Betriebskonzeptes, das die Grundlage für

2. die Erstellung eines Verkehrskonzeptes und

3. dessen anschließende Bewertung bildet.

4. Abschließend erfolgt eine kundenorientierte Bewertung des Störfallprogramms insgesamt.

Die Algorithmen berücksichtigen die unmittelbar nach Eintreten des Störfalls beginnende „Ermittlungs- und Entscheidungsphase“ und umfassen sowohl die nach Ausrufen des Störfallprogramms folgende „Einschwingphase“ als auch den eingeschwungenen Zustand, der als „stabile Phase“ bezeichnet wird. Zunächst wird ein vom Ersteller konzipiertes Betriebskonzept anhand der einzelnen geplanten betrieblichen Maßnahmen und deren Wechselwirkungen auf die Funktionsfähigkeit in der stabilen Phase geprüft. Dazu werden die Netzelemente, an denen durch mindestens eine betriebliche Maßnahme auslastungserhöhende Veränderungen stattfinden, auf eine Einhaltung des Belegungsgrads des Regelbetriebs und nach UIC Kode 406-Grenzwert bewertet. Unter Berücksichtigung der Fahrzeugstandorte bei Störungseintritt und des Erreichens von geplanten Standorten und Zugzahlen wird die Einschwingphase auf Ausschlusskriterien untersucht, die die Möglichkeit zur Erreichung der stabilen Phase verhindern könnten. Daran schließt sich die Entwicklung eines konstruktiven Verfahrens zur Berechnung der mittleren Einschwingdauer, die vergleichend und anhand einer Zielfunktion bewertet werden kann, an. Auch bei einer niedrigen Einschwingdauer kann dieser rein betriebliche Qualitätsmaßstab aufgrund des o. g. Zielkonflikts keine Aussage zur Kundenorientierung liefern. Daher wird anschließend ein Verkehrskonzept erstellt und bewertet. Die Planung dieses Konzeptes ist darauf ausgerichtet, trotz Störfall so viele Fahrgäste wie möglich an ihr Ziel zu bringen und die negative Wahrnehmung der Angebotsveränderung durch die Fahrgäste möglichst gering zu halten. Die dazu entwickelte Bewertung wird einheitlich für nicht mehr verfügbare Verbindungen und unveränderte aber konfliktäre Verbindungen sowie die anschließende Bewertung des Störfallprogramms konsistent verwendet. Für die stabile Phase werden Verbindungskonflikte, die durch das Störfallprogramm entstehen und ein abweichendes widerstandserhöhtes Mobilitätsverhalten erzeugen, ermittelt. Für diese werden anschließend verbindungsspezifische Alternativen ermittelt, bewertet und als individuelle, beste Lösung ausgewählt. Da über Lautsprecher und ähnliche Kommunikationskanäle, die sich an eine Vielzahl von Fahrgästen wenden, nur wenige Informationen übertragen werden können, werden zudem kollektive Lösungen ermittelt. Das aus kollektiven und verbleibenden individuellen Lösungen bestehende Verkehrskonzept ist abschließend zu bewerten. Das Bewertungssystem bündelt die kundenrelevanten Eigenschaften des Verkehrskonzepts mit einer einzigen geschlossenen Zielfunktion. Bei einem als nicht ausreichend bewerteten Verkehrskonzept wird ein interaktiver Prozess zur Überarbeitung durch den Ersteller ausgelöst. Die kundenorientierte Bewertung des Störfallprogramms insgesamt berücksichtigt zudem die verkehrlichen Auswirkungen in der Einschwingphase. Für die Einschwingphase werden zusätzliche und gegenüber der stabilen Phase veränderte Verbindungskonflikte, unter Verwendung der zusätzlichen Verspätungen in der Einschwingphase, bestimmt, bei Bedarf vereinfacht gelöst und anschließend bewertet. So können abschließend die Auswirkungen von Betriebskonzept und Verkehrskonzept auf den Fahrgast in Einschwing- und stabiler Phase zusammengeführt werden. Damit ist es gelungen, mit Algorithmen für die integrierte Planung von Störfallprogrammen, entsprechend der Zielsetzung, den o. a. Zielkonflikt aufzulösen, das geplante Betriebskonzept zu bewerten und um ein Verkehrskonzept zu erweitern. Ein Störfallprogramm stellt somit eine integrierte Planung aus Maßnahmen für Züge und Fahrgäste dar. Durch eine kundenorientierte Bewertung des Störfallprogramms anhand einer Zielfunktion wird sichergestellt, dass die Wahrnehmung der reduzierten Angebotsqualität durch den Fahrgast im Störfall umfassend in der Planung berücksichtigt werden kann, um so den Fahrgästen im Störfall ein zuverlässiges und attraktives Angebot anbieten zu können.

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