Method for the optimised migration of ETCS

Die Einführung von ETCS als einheitliches, europäisches Zugsicherungssystem soll die Wettbewerbsfähigkeit der Eisenbahn gegenüber den anderen Verkehrsträgern sichern. Bei der Einführung, Migration genannt, darf der laufende Betrieb nicht unterbrochen werden. Zusätzlich ergibt sich eine Vielzahl von Randbedingungen, die die Migration zu einer komplexen Planungsaufgabe machen. Basis für die Methodik ist die Erstellung eines Prozessmodells der Migration. Der gesamte Migrationsprozess wird formalisiert und dadurch mit mathematischen Optimierungsmethoden behandelbar. Für die Modellierung des Migrationsprozesses werden Anforderungen abgeleitet. Durch die Gegenüberstellung von Funktionen und Komponenten kann das Vorgehen bis herunter auf die technische Ebene dargestellt werden. Außerdem werden das zu migrierende Netzwerk und seine Elemente mit Hilfe der System Modeling Language (SysML) als formaler Beschreibungssprache abgebildet. Damit liegt für die folgende Optimierung ein ganzheitliches und durchgängiges Modell vor. Ausgehend von der vorgestellten Modellbildung wird nach einem geeigneten Optimierungsansatz gesucht. Aus der formalen Systembeschreibung und Generierung von Migrationsstrategien wird es so möglich, eine optimale Umsetzung der ETCS-Migration zu ermitteln. Dabei wird die Netzwerkökonomik als Ausgangspunkt gewählt und anhand des modellierten Schienenverkehrsnetzes der Umfang der Optimierung ermittelt. Weiterführend wird die sich ergebende Komplexität behandelt und eine gültige Migrationsstrategie erstellt. Zunächst wird dazu die Optimierung der Reihenfolge von Migrationsaktivitäten für eine Maximierung des Nutzens durchgeführt. Die Migrationspfade und –ziele werden unter dem Gesichtspunkt eines optimierten Kosten-Nutzen-Verhältnisses untersucht. Der erarbeitete Ansatz wird anhand eines Fallbeispiels validiert. Der Optimierungsansatz liefert damit einen Beitrag um die neue Eisenbahnsicherungstechnik ETCS erfolgreich national und europaweit einzuführen.The introduction of ETCS as a unified European train control system shall ensure the competitiveness of the rail towards other transport modes. During the introduction, i.e. the migration, the railway has to stay operational. Additionally, there are many constraints. Thus, the planning of the migration becomes a complex task. This thesis introduces a method for planning and optimisation, based on formal methods to handle these challenges. The base of this method is the creation of a process model of the migration. The whole migration process is formalised. Hence, it can be handled with mathematical optimisation methods. For the modelling of the migration process, requirements are derived from the parties taking part in the migration. By comparing function and technical solutions, the strategies can be broken down to the technical level. Furthermore, the rail network to be migrated and its elements are described with the System Modelling Language (SysML) as a formal language. Starting with the presented model, a fitting approach for the optimisation is created. From the formal system description and the generation of migration strategies, the optimised implementation of the ETCS migration can be derived. As the starting point for the optimisation network economics are chosen. Based on the model of the railway network, the complexity of the optimisation is computed. The occurring complexity is handled and a valid migration strategy can be developed. As the first step, the order of the migration activities is optimised in a way that it maximises the use of the railway network. Considering the technical level, costs can be minimised, keeping the maximised use in mind. The developed approach is validated with a case study. The practical use and the quality of the results can be shown on a realistic scenario. The optimisation approach contributes to the successful introduction of ETCS on a national and European level

Optimizing the choice of level crossings in a technical as well as economical way

The planning of level crossings is so far mainly determined by operational rules and regulations. Economic aspects are often not part of a structured decision. This gap will be closed during the development of a method for the identification of a suitable safety and securing system for level crossings. With the method, it will be possible to optimize safety and securing systems for level crossings under technical and economical aspects during the planning phase. Elements of the method are a cost analysis as well as a value analysis. Aspects like the use of legacy components are taken into account. The structure and procedure of the decision-making of this new method are presented in this paper

Optimierung der Migration von ETCS

Die Einführung von ETCS als einheitliches, europäisches Zugsicherungssystem soll die Wettbewerbsfähigkeit der Eisenbahn gegenüber den anderen Verkehrsträgern sichern. Bei der Einführung, Migration genannt, darf der laufende Betrieb nicht unterbrochen werden. Zusätzlich ergibt sich eine Vielzahl von technischen, betrieblichen, wirtschaftlichen und politischen Randbedingungen, die die Migration zu einer komplexen Planungsaufgabe machen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf formalen Methoden basierender Planungs- und Optimierungsansatz vorgestellt, der dem gegebenen Problemumfang gerecht wird. Basis für die Methodik ist die Erstellung eines Prozessmodells der Migration. Der gesamte Migrationsprozess wird formalisiert und dadurch mit mathematischen Optimierungsmethoden behandelbar. Damit wird die Grundlage für eine transparente und damit bis ins Detail nachvollziehbare Entwicklung von Migrationsstrategien gelegt, wie sie für eine koordinierte und erfolgreiche Durchführung notwendig sind. Für die Modellierung des Migrationsprozesses werden ausgehend von den daran beteiligten Parteien Anforderungen abgeleitet. Durch die Gegenüberstellung von Funktionen und Komponenten kann das Vorgehen bis herunter auf die technische Ebene dargestellt werden. Außerdem werden das zu migrierende Netzwerk und seine Elemente mit Hilfe der System Modeling Language (SysML) als formaler Beschreibungssprache abgebildet. Damit liegt für die folgende Optimierung ein ganzheitliches und durchgängiges Modell vor. Durch die Vorgehensweise können Fehler in der Modellierung schnell aufgedeckt werden. Die Entscheidung für eine Strategie wird nachvollziehbar und reproduzierbar. In Anbetracht der Komplexität der Problemstellung ist dieser Punkt besonders hervorzuheben. Ausgehend von der vorgestellten Modellbildung wird nach einem geeigneten Optimierungsansatz gesucht. Aus der formalen Systembeschreibung und Generierung von Migrationsstrategien wird es so möglich, eine optimale Umsetzung der ETCS-Migration zu ermitteln. Es ist damit eine durchgängige Systematik und Nachvollziehbarkeit von der Aufnahme der Anforderungen an die Migration bei der Modellierung bis hin zur optimierten Strategie gegeben. Dabei wird die Netzwerkökonomik als Ausgangspunkt gewählt und anhand des modellierten Schienenverkehrsnetzes der Umfang der Optimierung ermittelt. Weiterführend wird die sich ergebende Komplexität behandelt und eine gültige Migrationsstrategie erstellt. Zunächst wird dazu die Optimierung der Reihenfolge von Migrationsaktivitäten für eine Maximierung des Nutzens durchgeführt. Eine Detaillierung bis hinunter auf Komponentenebene kann darauf aufbauend ermittelt werden. Die Migrationspfade und –ziele werden unter dem Gesichtspunkt eines optimierten Kosten-Nutzen-Verhältnisses untersucht. Externe Planungsvorgaben bspw. durch Politik oder Gesetzgebung werden anschließend anhand eines iterativen Prozesses integriert. Der erarbeitete Ansatz wird anhand eines Fallbeispiels validiert. Dabei kann die Praxistauglichkeit und die Qualität des Ergebnisses in einem realistischen Szenario nachgewiesen werden. Der Optimierungsansatz liefert damit einen Beitrag um die neue Eisenbahnsicherungstechnik ETCS erfolgreich national und europaweit einzuführen

Modellierung der Einflussparameter für die Strategiewahl bei der Migration neuer Systeme der Produktionssteuerung im Eisenbahnbetrieb

Das Zusammenwachsen der Europäischen Union und das mit dem weltweiten Wirtschaftswachstum steigende internationale Verkehrsaufkommen stellen gerade den Schienenverkehr vor neue Herausforderungen. Die Eisenbahn ist bisher stets ein nationales Verkehrsmittel gewesen, mit Schienenetzen, die nicht für einen internationalen Verkehr ausgelegt sein mussten. So ist europaweit ein heterogenes Bild an Spurweiten, Spannungsversorgungen, Lichtraumweiten und Systemen der Leit- und Sicherungstechnik entstanden. Damit kann die Bahn dem Kundenwunsch nach grenzüberschreitender Mobilität kaum noch gerecht werden. Aus ökonomischen, ökologischen und politischen Gründen hat sich die Europäische Union entschlossen, diesen Zustand mittelfristig zu verändern und für grenzüberschreitende Interoperabilität des Schienenverkehrs zu sorgen. Das beinhaltet auch die Entwicklung und Einführung einer einheitlichen Leit- und Sicherungstechnik, dem ETCS (European Train Control System). Es verspricht zudem eine Leistungssteigerung und sinkende Kosten für Wartung und Instandhaltung. Die Umstellung auf das neue System muss während des laufenden Betriebs geschehen, ein solcher Vorgang wird Migration oder Technologie-Migration genannt. Um möglichst schnell einen Nutzen durch die neue Technik zu generieren, geschieht die erste Phase der Einführung entlang von Hauptverkehrsflüssen, sogenannten Korridoren. Während des Investitionsprozesses stellen sich einige zentrale Herausforderungen. Zum einen zeichnet sich der europäische Bahnsektor durch eine starke Heterogenität der verwendeten Komponenten, Systeme und Abläufe aus. Dieser Aspekt wird durch die große Lebensdauer der vorhandenen Technologie weiter verstärkt. Zum anderen ist eine große Zahl von Interessengruppen an diesem Projekt beteiligt. Es ist ein koordiniertes Vorgehen von Europäischer Union, Nationalstaaten, Herstellern, Verkehrsunternehmen und Infrastrukturbetreibern notwendig. Den Herausforderungen kann durch die Instrumente des Investitionscontrollings mit systematisierter Planung, Kontrolle und Information begegnet werden. Für die Erstellung eines Ansatzes zur Planung der Migration der Eisenbahnleit- und Sicherungstechnik wurde ausgehend von der Systemanalyse auf die Nutzwertanalyse, die Lebenszykluskostenrechnung und die Investitionsrechnung zurückgegriffen. Dabei wurde die Investitionsrechnung modifiziert, um die eigentliche Migration anhand von Migrationskosten beurteilen zu können. Als Grundlage für die Migrationsplanung wird in dieser Arbeit eine Systemanalyse gewählt. Am Anfang steht eine Systemdefinition, die Investitionsobjekt und –prozess durch Randbedingungen und Einflussparameter beschreibt. Dabei werden operative Faktoren, wie die Steuerung des Zugbetriebs und Abhängigkeiten zwischen technischen Komponenten, genauso berücksichtigt wie die strategische Perspektive volkswirtschaftlichen Betrachtungen und Entscheidungsprozessen auf politischer und gesetzgeberischer Ebene. Es wird eine Unterteilung in Objekt- und Wertsystem vorgenommen. In dem diese kombiniert werden, ist eine Beurteilung einzelner Investitionsschritte möglich. Das Modell bietet durch seine exakte Systembeschreibung gerade für eine Beurteilung anhand der Lebenszykluskosten gute Vorraussetzungen. Vor allem unter dem Gesichtspunkt hoher Investitionen, hoher Gemeinkosten im Betrieb und der langen Lebenszyklen der Komponenten scheint dies das richtige Kriterium. Es ist insbesondere möglich, fahrzeugseitige und streckenseitige Investitionen gegeneinander abzuwägen. Durch eine Modifikation des Planungsansatzes kann außerdem eine Ausweitung der Bewertung von einem Schienenkorridor auf ein gesamtes, nationales Schienennetz vollzogen werden. Dabei geht allerdings ein Teil der detaillierten Betrachtungsweise zugunsten einer strategischeren Perspektive verloren

Betriebliche Ansätze zur Minderung von Schienenverkehrslärm: Untersuchung der Auswirkungen einer Verringerung der Fahrgeschwindigkeit von Güterzügen auf die Leistungsfähigkeit verschiedener Streckenstandards

Das Thema Schienenlärm erhält zu Recht mehr Aufmerksamkeit. Durch den Wegfall des Schienenbonus, durch den die Anforderungen an den Lärmschutz für Neu- und Ausbaustrecken um fünf dB(A) gesenkt wurden, ergeben sich direkte Auswirkungen auf die Zukunftsfähigkeit des Schienengüterverkehrs. Neue Wege, die die Wettbewerbsfähigkeit der Schiene aufrechterhalten und gleichzeitig die Lärmbelastung der Anwohner reduzieren, sind notwendig. Hier wurde die Möglichkeit einer reduzierten Streckengeschwindigkeit für den Güterverkehr untersucht. Mit dem Ergebnis, dass diese Maßnahme nicht zu empfehlen ist, da die negativen Auswirkungen auf den gesamten Schienenverkehr gravierend sind. Zudem ist aufgrund der zunehmenden Brems- und Beschleunigungsvorgänge auch eine lärmmindernde Wirkung in Frage zu stellen. The issue of rail noise rightfully receives greater attention. The elimination of the “railway bonus” which leads to stricter noise protection requirements for new and upgraded lines by strengthening the limits by 5 dB(A), produces direct effects on the future viability of rail freight transport. There is a need for new ways to maintain the competitiveness of rail transport with a simultaneous reduction of noise pollution for residents. Possibilities to reduce the line speed for freight traffic were investigated. The result was that this measure should not be recommended as the consequences on rail traffic as a whole are serious. Furthermore, due to the increased brake and acceleration processes, the noise reduction effect has to be questioned

Generierung und Auswahl von Strategien zur Migration von ETCS

Das Zusammenwachsen der Europäischen Union und die Zunahme des internationalen Verkehrs stellt die Eisenbahn vor neue Herausforderungen. Ihnen soll durch die Einführung des European Train Control Systems (ETCS) begegnet werden. Für eine erfolgreiche Migration ist die Wahl der optimalen Migrationsstrategie entscheidend. Der vorgestellte Ansatz kann bei dieser Aufgabe ganze Korridore und Netze unterstützen. Dabei wird auf die lokalen Gegebenheiten genauso eingegangen wie auf die Wechselwirkungen zwischen Infrastruktur- und Fahrzeugausrüstung. Durch ein softwaregestütztes Werkzeug werden nachvollziehbare und reproduzierbare Ergebnisse erzeug

Wie teuer darf ein Ortungssystem sein?

Der Vortrag stellt eine neuartige Methodik für eine optimierte Technologiemigration bei besonderer Betrachtung des Systemdesigns dar. Sie wird anhand des Beispiels der Einführung eines fahr-zeugseitigen Ortungssystems zur Senkung der Infrastrukturkosten auf Nebenstrecken erläutert. Dabei werden das tatsächlich umzurüstende Streckennetz und die davon betroffenen Fahrzeuge explizit berücksichtigt. Zu Beginn wird die Optimierungsgröße identifiziert. Dies könnte in dem gezeigten Beispiel bspw. die Amortisation der getätigten Investitionen in das neue Ortungssystem durch Einsparungen der streckenseitigen Wartungs- und Instandhaltungskosten innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne sein. Mit Hilfe der neuen Methode werden dazu Zielkosten abgeleitet, die eine Beurteilung und Op-timierung des neu einzuführenden Systems zulassen. Im nächsten Schritt wird eine Systemanalyse des abzulösenden Altsystems und der potenziellen Nachfolgersysteme durchgeführt. Basierend auf einer funktionalen Darstellung werden alte und neue Funktionsträger gegenüber gestellt. Während einer schrittweisen Ablösung des Altsystems, also der Migration im engeren Sinne, muss sichergestellt sein, dass zu jedem Zeitpunkt alle für Si-cherheit und Leistungsfähigkeit relevanten Funktionen durch einen Funktionsträger erfüllt werden. Mit dem Wissen der funktionalen Machbarkeit können direkt die zulässigen Basismigrationsstrate-gien abgeleitet werden. Sie bestimmen, welche Komponenten in welcher Reihenfolge getauscht werden dürfen. Im dritten Schritt wird das zu migrierende Netzwerk modelliert. Im gezeigten Beispiel ist dies ein Nebenstreckennetz mit den entsprechend darauf geplanten Fahrzeugflotten. Dabei erfolgt eine eindeutige Zuordnung von Streckenabschnitten und Fahrzeugen, die diese befahren. Die zuvor identifizierten Basismigrationsstrategien können jetzt auf die Streckenabschnitte und Fahrzeugflot-ten angewendet werden. Aus den möglichen Kombinationen ergeben sich alle für das gesamte Netzwerk zulässigen Migrationsstrategien. Die somit gefunden Migrationsstrategien stellen ein sich zeitlich veränderndes Mengengerüst dar, welches für die Auswahl der optimalen Strategie mit Kostensätzen belegt wird. So lassen sich alle für die Bewertung des einzuführenden Ortungssystems relevanten Kostendaten ermitteln: die Hö-he und die Zeitpunkte der Investitionen, die Entwicklung der Kosten für Wartung, Instandhaltung und Betrieb sowie die alleinig durch die Einführung anfallenden Migrationskosten. Aus der erläuterten Analyse ergibt sich nun auch, zu welchem Zeitpunkt sich die Investitionen in das neue Ortungssystem amortisiert haben. Liegt der Zeitpunkt innerhalb der zuvor als Anforde-rung definierten Amortisationszeitspanne, steht der Einführung des neuen Systems nichts mehr im Wege. Wird die Zeitspanne überschritten, können durch die zuvor erfolgte Systemanalyse auf funktionaler Basis Maßnahmen für eine Optimierung des Systems abgeleitet werden. Dies könnte zum einen eine reine Kostensenkung sein, also die Definition von Zielkosten. Zum anderen könnte die Verfehlung der Zielvorgaben auch in einer nicht ausreichenden Migrationsfähigkeit liegen. Durch Anpassungen, die beispielsweise durch eine bessere Kompatibilität zum Altsystem eventu-elle Adapter überflüssig machen oder eine schnellere Migration ermöglichen, kann eine erfolgrei-che Einführung ermöglicht werden. Die in diesem Beitrag vorgestellte neue Methode erlaubt zum einen die Bewertung hinsichtlich der Migrationsfähigkeit von Systemen und zeigt für eine erfolgreiche Systemmigration eventuell not-wendige Systemverbesserung auf. Zum anderen ermöglicht sie eine anschauliche Definition der betrieblich und wirtschaftlich besten Migrationsstrategie

Migration und Sicherung der Interoperabilität von ETCS als neue Zugbeeinflussung

Zur Zeit befinden sich mehr als 20 verschiedene Leit - und Sicherungssysteme im Einsatz, die untereinander nicht kompatibel sind. Die EU hat sich entschieden, diesen Zustand durch die Einführung eines einheitlichen europäischen Zugsicherungssystems ETCS zu verbessern. Der Beitrag behandelt Methodiken zur Optimierung von Migrations- und Teststrategien um ein erfolgreiches Ausrollen des Systems zu gewährleisten

Leise und wettbewerbsfähig - Forschung für die Zukunftsfähigkeit des Schienengüterverkehrs

Das Thema Schienenlärm erhält zu Recht mehr Aufmerksamkeit. Neue Wege, die die Wettbewerbsfähigkeit der Schiene aufrechterhalten und gleichzeitig die Lärmbelastung der Anwohner reduzieren, sind notwendig. Im Beitrag werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, die in einem gesamtheitlichen Ansatz kombiniert werden können. Insbesondere wird das Potenzial einer auf Lärmminderung ausgelegten, vorausschauenden Fahrweise dargestellt (IbO:LES). Dabei ließen sich die Ziele eines stabilen Betriebs mit maximaler Streckenkapazität, eines minimierten Energiebedarfs sowie einer Minderung der Lärmbelastung der Anwohner miteinander kombinieren. Welches Potenzial dieser Ansatz angewendet auf das gesamte deutsche Streckennetz hätte, müssen weitere Untersuchungen zeigen