Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen in der Langfristfahrplanung der DB Netz AG

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1 Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen in der Langfristfahrplanung der DB Netz AG DB Netz AG Thorsten Schaer Langfristfahrplan/Fahrwegkapazität (I.NMF 3 (V)) Leipzig, den

2 Agenda Organisation und Grundlagen Fahrwegkapazitätsbetrachtungen Fahrplanrobustheitsprüfungen 2

3 Die Infrastruktur muss sich zukünftig aus den Kundenwünschen und dem Langfristfahrplan ableiten Vergleich bisherige/neue Planungsmethodik Klassische Planung Prognosen Planungsmethodik netzweiter Taktfahrplan Prognosen/ Konzepte 1) Fazit Umlegung Verkehrsströme Infrastruktur Fahrplan Betrieb Infrastruktur 2) Fahrplan Betrieb Kurzfristig Langfristfahrplan Langfristig Langfristig Kurzfristig Zeitdruck Umkehr der Planungsmethodik Grundsatz: form follows function Langfristige Berücksichtigung der Kundenwünsche Einbeziehung des Fahrplans in die Investitionsplanung Infrastruktur bestimmt den Fahrplan Fahrplan bestimmt die Infrastruktur 1) Neben Verkehrsprognosen müssen Vorstellungen der Kunden zu ihren Konzepten berücksichtigt werden 2) 3Infrastruktur inklusive der im Langfristfahrplan entwickelten Maßnahmen

4 Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen unterstützen dabei die Bemessung und optimale Nutzung der Infrastruktur Verantwortung von Bund und Bahn für die Eisenbahninfrastruktur Bund als Eigentümer Verantwortung für Kapazitätsausbau Interesse an einem wirtschaftlichen Eisenbahnnetz und einer effizienten Bahn Allgemeinwohlinteressen sollen bei Ausbau und Erhalt des Eisenbahnnetzes gewahrt bleiben Regulierung des Netzzuganges Prüfung und Zustimmung bei Verzicht auf die Vorhaltung von unwirtschaftlichen Eisenbahnanlagen durch Eisenbahn-Bundesamt DB Netz AG als Betreiber Verantwortung für Instandhaltung und Ersatzinvestition Wirtschaftliche Infrastruktur vorhalten und mit hoher Effizienz betreiben Netzkapazität gemäß Bedarf und Prognose absichern Optimale Betriebsqualität für EVU sicherstellen Lebenszyklusoptimierung durch wirtschaftlich und technisch optimierte Einsatzzeitpunkte und Instandhaltungsaufwendungen Objektivierung von Investitions- und Rückbauentscheidungen mithilfe von eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Untersuchungen (EBWU) 4

5 Wird die Fahrwegkapazität um mehr als 10 % reduziert, so ist ein Verfahren nach AEG 11 einzuleiten Anforderungen des Gesetzgebers aus 11/18 AEG Maximale Kapazitätsreduzierung Notwendige Kapazitätsreserve Zukunftsfähigkeit der Infrastruktur < 10 % (Nennleistung) > 20 % (Nennleistung) Leistungsverhalten stimmig mit Prognosen: Langfristfahrplan und BVWP 2025 Robustheit gegenüber: Störungen und Bauarbeiten Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchung im Rahmen von gesetzlichen Verfahren 11 AEG 18 AEG 5

6 Das Regelwerk der DB Netz AG stellt den Stand der Technik dar und wird wie die EBW-Verfahren kontinuierlich weiterentwickelt AEG Empfehlungen Zertifizierung Auslegung des AEG durch BMVBS EBA- Bescheide jedes Release Richtlinie 405 Fahrwegkapazität jährlich zum Weiterentwicklung Verfahren Online- Programmhilfen Programm- Handbücher (R 2.0, R 3.0, ) Weisungen I.NMF 3 unverzüglich 6

7 I.NMF 3 bietet die nachfolgende Produkte an und führt Fahrplanrobustheitsprüfungen zusammen mit Regionen durch Verkehrsumlegung Umlegung der Verkehre laut Prognose Analyse der Umlegungen im Rahmen des Bundesverkehrswegeplans (BVWP) Langfristfahrplan für mehrere Zielhorizonte netzweite fahrplanbasierte Kapazitätsanalyse und -planung Identifizieren zukünftiger Kapazitäten und Engpässe Verkehrsberatung Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen (EBWU): Fahrwegkapazitätsbetrachtung: Bemessung der Eisenbahninfrastruktur auf Basis der Prognosen des Bundes und des Langfristfahrplans der DB Netz AG Untersuchungen für Verfahren nach 11, 18 AEG Fahrplanrobustheitsprüfung: Prüfung der Robustheit von Fahrplanstudien auf Basis von Langfristfahrplänen, Fahrplankonzepten von Aufgabenträgern und Eisenbahnverkehrsunternehmen Technologiebewertung: Bewertung der betrieblichen und verkehrlichen Auswirkungen/ Effekte von neuen Eisenbahntechnologien Weiterentwicklung eisenbahnbetriebswissenschaftlicher Methoden, Verfahren und Werkzeuge 7

8 Es stehen je nach Produkt unterschiedliche EBW-Verfahren zur Verfügung, die entsprechend Aufgabenstellung verfeinert werden können Methode kurzfristig Zeithorizont mittelfristig langfristig Erläuterung Netzmodell Umlegung prognostizierter Verkehrsmengen auf das Netz und Engpassanalyse Analytische Verfahren Ermittlung von Leistungsverhalten mit Hilfe von Berechnungen auf Basis der Bedienungstheorie und Wahrscheinlichkeitsrechnung Konstruktion/ Simulation Durchführung von Fahrplanstudien zur Prüfung von Angebotskonzepten; Abbildung von Fahrplanerstellung und Betriebsdurchführung mittels Simulation Produkte Fahrplanrobustheitsprüfung Fahrwegkapazitätsbetrachtung klassischer Anwendungsbereich Anwendungsbereich mit Langfristfahrplan 8

9 Agenda Organisation und Grundlagen Fahrwegkapazitätsbetrachtungen Fahrplanrobustheitsprüfungen 9

10 Um Aussagen zur Fahrwegkapazität machen zu können, müssen zwei von drei Einflussgrößen konstant gehalten werden Welche Anlagen werden wo benötigt? Wie können die Anlagen finanziert werden? Welche Anlagen sind wirtschaftlich? Infrastruktur Ermittlung der Fahrwegkapazität unter Berücksichtigung von Kosten und Erlösen Wie viele Züge sollen fahren? Wann sollen Züge fahren? Sind die Kapazitäten vorhanden? Wie werden die erforderlichen Kapazitäten geschaffen? Betriebsqualität Betriebsprogramm Welche Pünktlichkeit erwartet der Kunde? Wie pünktlich fahren die Züge? Durch welche Maßnahmen wird die Pünktlichkeit verbessert? 10

11 Mithilfe von Analytischen Verfahren lassen sich Kapazitätskenngrößen nach dem mit dem EBA abgestimmten Vorgehen ermitteln Übersicht von Methoden der Analytischen Verfahren Wahrscheinlichkeits- und Bedienungstheorie Abbildung Betriebsführungsprozess als Zufallsprozess Nutzung von Bedienungsmodellen: Zugfahrten = Bedienungseinheiten Eisenbahninfrastruktur = Bedienungskanäle Beispiel für Kenngröße: Warteschlangenlänge Kombinatorik Abbildung der großen Anzahl möglicher Varianten von Leistungsanforderung und Nutzungen der Eisenbahninfrastruktur durch Kombination Beispiel: Erzeugen zufälliger Fahrpläne durch vollständiges Ausprobieren aller zulässigen Kombinationen Mathematische Statistik und Heuristik Herleiten von Modellen und Methoden zur Auswertung von Statistik oder zur Abbildung von Expertenwissen in Algorithmen und Formeln Beispiel: Formel zur Ermittlung des Zuwachses der Folgeverspätung in einem Streckenabschnitt Modellierung des Betriebsführungsprozesses unter Berücksichtigung der Variabilität von Betriebsprogrammen (z.b. Änderung Angebotsplanung EVU) und Betriebsabläufen (z.b. täglich geänderte Disposition des Eisenbahnbetriebes aufgrund von Verspätungen), mit dem Ziel einer Dimensionierung der Eisenbahninfrastruktur für einen Betrieb mit wirtschaftlich-optimaler Qualität. 11

12 Zur Berechnung von Kapazitätseffekten aus Rück-, Aus-, Neubau kommen schwerpunktmäßig analytische Berechnung zum Einsatz Übersicht der Modelle auf Basis der Wahrscheinlichkeits- und Bedienungstheorie Nichtschlangentheorie Behinderungstheorie Bedienungstheorie z.b. Bemessung von Gleisgruppen z.b. Bemessung von Fahrstraßenknoten z.b. Bemessung von Streckenabschnitten LUKS (STRELE) Vorteile Wahrscheinlichkeits- und Bedienungstheorie: Aussage zur Leistungsfähigkeit und Qualität sind ohne Kenntnis eines konkreten Fahrplanes bzw. von Zuglagen bei relativ geringem Zeitbedarf für die Berechnung möglich. 12

13 Die Nennleistung stellt die relevante Kenngröße zur Ermittlung der Fahrwegkapazität auf Strecken dar Begriffsdefinition Leistungsfähigkeit Leistungsfähigkeit Praktische Leistungsfähigkeit (mit Qualitätsbezug) beinhaltet fahrbare Zugzahlen theoretische Leistungsfähigkeit (ohne Qualitätsbezug) hat keine praktische Bedeutung stellt einen nicht zu überschreitenden oberen Eckwert dar Infrastrukturbezogene Leistungsfähigkeit Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung am Besteller orientierter Dispositionsregeln: Nicht explizit als Kenngröße definiert! Fahrplanleistungsfähigkeit Nennleistung (= optimale Zugzahl im Betrieb) aus proportionaler Hochrechnung des Basisbetriebsprogramms Spezifizierte Leistungsfähigkeit auffüllen der Reservekapazität mit bestimmten Zügen oder Zugfamilien Richtlinie 405 Fahrwegkapazität Grenzwert: 75% verketteter Belegungsgrad UIC-Kode

14 In der Eisenbahnbetriebswissenschaft dienen Wartezeiten als Maßstab für die Ermittlung der zulässigen Zugzahl einer Qualitätsstufe Betriebsqualität t (Wartezeit/ Verspätung) wirtschaftlich optimaler Bereich Optimum Nennleistung Anzahl Züge nutzung Infrastrukturauslastung geringe unwirtschaftliche Auslastung (unwirtschaftlich) Auslastung optimale Auslastung hohe Auslastung zu hohe Überlastung Auslastung Betriebsqualität wirtschaftlichoptimale Betriebsqualität Premiumqualität risikobehaftete risikobehaftete Betriebsqualität Qualität mangelhafte Betriebsqualität (nicht marktgerecht) 14

15 Sperrzeitentreppen und Mindestzugfolgezeiten charakterisieren den Kapazitätsbedarf von Zugfahrten Quelle: Prof. Pachl, TU Braunschweig 15

16 Agenda Organisation und Grundlagen Fahrwegkapazitätsbetrachtungen Fahrplanrobustheitsprüfungen 16

17 Definition: Fahrplanrobustheitsprüfungen (Spezialfall: Stresstest ) Gegenstand: Fahrplanrobustheitsprüfungen sind eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen (EBWU), in welchen Fahrplankonzepte im zeitlichen Vorlauf von drei bis 10 Jahren mithilfe von Fahrplan- und Betriebssimulationen im Hinblick auf die realisierbare Betriebsqualität (R 405 Fahrwegkapazität) bewertet werden. Anlass: Gegenüber dem aktuellen Netzfahrplan ändern sich Fahrplankonzepte aufgrund von Bestellwünschen von Aufgabenträgern und Eisenbahnverkehrsunternehmen. Ziel: Ableiten von Maßnahmen zur Erhöhung der Fahrplanrobustheit und Betriebsqualität. Die Maßnahmen können einen Bezug zu Betrieb, Fahrplan oder Infrastruktur haben und sowohl in der Zuständigkeit der DB Netz AG als auch derjenigen der EVU und Aufgabenträger liegen. Basis: Konstruktion des Fahrplankonzeptes gemäß R 402 Trassenmanagement Besonderheiten: Wenn bei einer Fahrplanrobustheitsprüfung ein deutlich höheres Betriebsprogramm angesetzt wird, als dieses mittelfristig zu erwarten ist, so spricht man analog zu Stuttgart 21 von einem Stresstest. 17

18 Für Fahrplanrobustheitsprüfungen ist zusätzlich die Richtlinie 402 Trassenmanagement relevant RiL 402 Trassenmanagement RiL 405 Fahrwegkapazität Regelungsgegenstand: Konstruktion und Koordination von Fahrplan- Trassen gemäß gesetzlicher Vorgaben (hohes Maß an Regulierung) Mitwirkende bei Erstellung: DB Netz AG, Eisenbahnverkehrsunternehmen, BNetzA, EBA, BMVBS (wegen EIBV) Stand: Aktualisierung laufend Regelungsgegenstand: Eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen (EBWU) zur Bemessung der Eisenbahninfrastruktur und zur Ermittlung der Betriebsqualität nach dem aktuellen Stande von Wissenschaft und Technik Mitwirkende bei Erstellung: DB Netz AG, Hochschulen (z.b. RWTH Aachen), externe Fachexperten (z.b. Softwareentwicklungsfirmen) Stand: Aktualisierung laufend 18

19 Mithilfe der Fahrplankonstruktion werden Konflikte im Angebotskonzept identifiziert. Die Lösungen müssen ins Konzept einfließen. Fahrbarkeitsprüfung durchführen Zeit Die Fahrbarkeitsprüfung verdeutlicht Überlappungen KONFLIKT Zeit Lösung des Konflikts durch Verschieben der Fahrlage Weg Weg KONFLIKT

20 Im Regelfall simuliert DB Netz zukünftige Angebotskonzepte, um gemeinsam mit Aufgabenträgern und EVU die Robustheit zu erhöhen Termin -6 Monate Termin -2 Monate Termin -1 Monat Entwicklung Angebotskonzept Konstruktion Fahrplanstudie Fahrplansimulation durchführen Dispositionsentscheidung treffen Infrastruktur einrichten Datenbüro des RB Langfristfpl. RB + Zentrale Fahrplan RB + MA EBWU Betriebssimulation durchführen Mitarbeiter für eisenbahnbetriebswissenschaftliche Untersuchungen Fahrplan ist robust Fahrplan ist nicht robust Abbildung der Infrastruktur mit ggf. notwendigen Erweiterungsoptionen Abstimmen Angebotskonzept auf verkehrlicher Grundlage des Aufgabenträgers Konstruktion Fahrplanstudie inkl. Spitzenstunde (inkl. SGV und SPFV) 3. Rückkopplung Erweiterung der betrieblichen Infrastruktur um eine oder mehrere Optionen Simulation Fahrplanstudie zur Prüfung der Konfliktfreiheit 2. Rückkopplung Optimierung Fahrplan 20 Festlegung der Dispo- Entscheidung bei Störereignissen Überprüfung der Robustheit des Fahrplans bei Störereignissen Fahrplanrobustheitsprüfung 1. Rückkopplung Optimierung der Dispo-Entscheidung

21 Regionalbereiche und Zentrale führen Fahrplanrobustheitsprüfungen nach bundesweit gültigen Standards gemeinsam durch Zusammenarbeit Regionalbereich und Zentrale Abstimmung der Leistungsanforderung Fahrplanrobustheitsprüfung Fahrplan Eisenbahn- Infrastruktur Konstruktion RuT-K Simulation KNS/RailSys Regionalbereich Abstimmen Plausibilisieren nur SPNV (ohne überregionale Bedeutung) MA Regionalbereich Angebotskonzepte + Prognosen Regionalbereich + Zentrale auch SPFV + überregionaler SGV betroffen? MA Regionalbereich MA EBWU Aufgabenverteilung bei der Fahrplanrobustheitsprüfung (FRP), Prozess: LN Zentrale (Eisenbahnbetriebswissenschaft) Fachbetriebsführung EBW-Verfahren (RailSys) Qualitätssicherung und Fortbildung Durchführung der Betriebssimulation nach R 405 Regionalbereich (Infrastrukturentwicklung) Infrastrukturdaten erfassen Angebotskonzepte SPNV mit Aufgabenträger abstimmen Fahrplan regelkonform nach R 402 konstruieren 21