i Konstruktion eines Verfahrens zur Signifikanzbewertung von Änderungen im europäischen Eisenbahnwesen Von der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhemina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation Von Nicolas Petrek geboren am 15.09.1982 aus Braunschweig Eingereicht am Disputation am 13. Januar 2014 11. Juli 2014 Berichterstatter Prof. Dr. rer. nat. Jens Braband Prof. Dr.-Ing. Jörn Pachl 2014
Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 1 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung 1 1.2 ziel dieser Arbeit 2 2 RECHTLICHER HINTERGRUND 4 2.1 Die Eisenbahnsicherheitsrichtlinie 4 2.1.1 Bestimmungen zu Sicherheitsmanagementsystemen 5 2.1.2 Die gemeinsamen Sicherheitsmethoden-CSM 7 2.1.3 Die wesentlichen Teile des harmonisierten Risikomanagementverfahrens 8 2.1-3.1 Vorläufige Systemdefinition und Verfahren zur Bewertung von Änderungen 8 2.1.3.2 Systemdefinition 8 2.1.3.3 Gefährdungsermittlung 9 2.1.3.4 Risikoanalyse und -evaluierung 9 2.2 Risikoanalysen im Eisenbahnwesen 10 2.2.1 Das V-Modell der EN 50126 und seine Phasen 11 2.2.2 Vergleich der EN 50126 mit dem CSM-Risikomanagementprozess 11 2.3 Bewertung des rechtlichen Hintergrunds mit Hinblick auf das Verfahren zur Signifikanzbewertung 14 3 SIGNIFIKANZBEWERTUNG VON ÄNDERUNGEN 15 3.1 Verfahren der CSM-Verordnung 15 3.2 Veröffentlichungen der ERA zur CSM-Verordnung 18 3.2.1 Vorliegende Dokumente der ERA zur CSM-Verordnung 19 3.2.2 Vorliegende Beispiele von Änderungen der ERA 24 3.2.2.1 Beispiel 1 einer betrieblichen Änderung 25 3.2.2.2 Beispiel 2 einer technischen Änderung 25 3.2.2.3 Beispiel 3 einer technischen Änderung 26 3.2.2.4 Beispiel 4 einer betrieblichen Änderung 26 3.2.2.5 Beispiel 5 einer organisatorischen Änderung 27 3.2.2.6 Neue Erkenntnisse aus der Betrachtung der Beispiele 28 3.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse und Erläuterung des weiteren Vorgehens 32 3.3.1 Erkenntnisse hinsichtlich der Definition wesentlicher Begriffe 32 3.3.2 Anwendung des Verfahrens und die Gewichtung der Kriterien 33 3.3.3 Verständnis der Kriterien zur Signifikanzbewertung 33 3.3.4 Erläuterung des weiteren Vorgehens 34 4 AUSWEITUNG DER BETRACHTUNG 35 4.1 Verfahren zur Änderungsbewertung in eisenbahnfremden Bereichen 35 4.1.1 Safety Scanning in der Europäischen Luftsicherung 35 4.1.1.1 Der Ursprung des Modells der Safety Fundamentals 35 4.1.1.2 Anwendung des Safety Scannings 36 4.1.1.3 Vergleich des Verfahrens mit den Kriterien der CSM-Verordnung 39 4.1.1.4 Erkenntnisse aus der Betrachtung dieses Verfahrens 43 4.1.2 Die Bewertung von Änderungen an technischen Anlagen und Maschinen 44 4.1.2.1 Das Verfahren bei Anlagenänderungen nach dem Produktsicherheitsgesetz 45 Seite i
4.1.2.2 Vergleich des Verfahrens mit den Kriterien der CSM-Verordnung 46 4.1.2.3 Erkenntnisse aus der Betrachtung dieses Verfahrens 47 4.1.3 Umgang mit Änderungen in der Kerntechnik 48 4.1.3.1 Nationale Vorschriften 50 4.1.3.2 Die Bewertung von Änderungen im Bundesland Baden-Württemberg 51 4.1.3.3 Erkenntnisse aus der Betrachtung dieses Verfahrens 54 4.1.4 Aufwandsbewertung in der Softwareentwicklung nach COCOMO 55 4.1.4.1 Erläuterung des Modells COCOMO II 56 4.1.4.2 Die Einflussfaktoren des COCOMO Il-Modells 58 4.1.4.3 Vergleich des Verfahrens mit den Kriterien der CSM-Verordnung 59 4.1.4.4 Erkenntnisse aus der Betrachtung dieses Verfahrens 61 4.1.5 Erkenntnisse aus der Betrachtung der Verfahren aus eisenbahnfremden Bereichen 62 4.2 Neue Ansätze und Verfahren im Eisenbahnwesen 64 4.2.1 Verfahren der ÖBB zur Bewertung von Änderungen 64 4.2.2 Verfahren der SBB zur Bewertung von Änderungen 67 4.2.3 Verfahren des ORR zur Bewertung von Änderungen 73 4.2.4 Vorschlag des VDB, der DB AG und des VDV zur Signifikanzbewertung 77 4.2.5 Signifikanz von Änderungen aufgrund relevanter Regelwerke 81 4.2.6 Verfahren der DB zur Bewertung von Änderungen 82 4.2.7 Verfahren zur Signifikanzbewertung anhand einer Ausfallfolgen-Unsicherheits-Matrix 88 4.2.8 Erkenntnisse aus der Betrachtung der Verfahren und Ansätze 91 4.3 Darstellung der weiteren Entwicklung im Bereich der CSM-Verordnung 92 4.3.1 Darstellung der Diskussion zum Thema CSM 93 4.3.2 Revision der CSM-Verordnung 94 4.3.3 Vortrag der ERA bezüglich der deutschen CSM-Erfahrungen 95 5 ERKENNTNISSE HINSICHTLICH DER SIGNIFIKANZBEWERTUNG 98 5.1 Erkenntnisse hinsichtlich der wesentlichen Begriffe 98 5.1.1 Erkenntnisse hinsichtlich des Begriffs der Änderung 98 5.1.2 Erkenntnisse hinsichtlich des Begriffs der Signifikanz sowie der Signifikanzbewertung 99 5.2 Erkenntnisse hinsichtlich der Art des Verfahrens 101 5.3 Erkenntnisse hinsichtlich der Kriterien zur Signifikanzbewertung 102 5.3.1 Abgrenzung der Sicherheitsrelevanz vom Kriterium Folge von Ausfällen" 102 5.3.2 Diskussion des Kriteriums Folge von Ausfällen" 104 5.3.3 Grundlegende Diskussion der Relevanz der qualitativen Kriterien 105 5.3.4 Diskussion der Kriterien Innovation" und Komplexität" 107 5.3.5 Diskussion des Kriteriums Überwachung" 108 5.3.6 Diskussion des Kriteriums Umkehrbarkeit" 108 5.4 Übersicht über die Kriterien und ihre Kategorien 110 5.5 Zusammenfassung der Erkenntnisse 111 6 WEITERGEHENDE UNTERSUCHUNGEN 114 6.1 Übersicht über die multivariate Statistik 114 6.2 Erläuterung der relevanten statistischen Verfahren 115 6.2.1 Diskriminanzanalyse 115 6.2.2 Logistische Regressionsanalyse 119 Seite ii
6.3 Diskussion des weiteren Vorgehens 121 6.4 Diskussion und Bewertung der Änderungen 121 6.4.1 Beispiele von Änderungen des NeGSt-Berichts 121 6.4.2 Beispiele von Änderungen der ERA-Dokumente 122 6.4.3 Beispiele von Änderungen aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen 123 6.4.4 Beispiele von Änderungen der SBB 124 6.4.5 Diskussion der vorliegenden Daten 125 6.5 Anwendung der Diskriminanzanalyse 126 6.5.1 Überprüfung der Randbedingungen 126 6.5.2 Erläuterung der Diskriminanzanalyse der vorhandenen Datenbasis 128 6.5.3 Betrachtung der Diskriminanzfunktion 128 6.5.4 Betrachtung der Merkmalsvariablen 131 6.5.5 Betrachtung der Merkmalsvariablen Umkehrbarkeit" und Komplexität" 132 6.5.6 Klassifikation neuer Elemente 134 6.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 138 6.7 Beschreibung des vollständigen Verfahrens 140 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 142 7.1 Zusammenfassung 142 7.2 Ausblick 143 8 ANHANG 145 8.1 Anhang zum Kapitel 2 145 8.1.1 Die gemeinsamen Sicherheitsindikatoren 145 8.1.2 Die gemeinsamen Sicherheitsziele 146 8.1.3 Nationale Sicherheitsvorschriften 146 8.1.4 Die Technischen Spezifikationen für Interoperabilität 147 8.1.5 Die Transeuropäische Eisenbahn-Interoperabilitätsverordnung 147 8.1.6 Sicherheitsbescheinigung und Sicherheitsgenehmigung 148 8.1.7 CSM on Supervision und CSM on Monitoring 149 8.2 Anhang des Kapitels 4 150 8.2.1 Anhang zum Verfahren Safety Scanning 150 8.2.1.1 Übersicht über die Herkunft der Fundamentals 150 8.2.1.2 Gewichtung der Fundamentals im Bereich Sicherheitsmanagement 152 8.2.1.3 Das grundlegende Systemmodell im Safety Scanning 152 8.2.2 Anhang zum Verfahren in der Kerntechnik 154 8.2.2.1 Die zehn grundlegenden Sicherheitsgrundsätze der IAEA 154 8.2.2.2 Vorgehen der IAEA im Umgang mit Änderungen und Modifikationen 154 8.2.3 Anhang zum COCOMO Il-Modell 156 8.2.3.1 Transformation der Formel zur Berechnung des Projektaufwands 156 8.2.3.2 Die Post-Architecture-Kostentreiber 157 8.2.3.3 Die Early-Design-Kostentreiber 158 8.2.4 Anhang zum ORR-Verfahren: Diagramm mit Übersicht über die Anwendung 160 8.2.5 Anhang zum DB-Verfahren: Erläuterung des Punkteschemas 160 8.3 Anhang des Kapitels 6 162 8.3.1 Tabelle mit der Übersicht über alle Änderungen 162 Seite iii
8.3.2 Erläuterung der Bewertung der SBB-Beispiele 163 8.3.2.1 SBB-Beispiel Nummer 1 163 8.3.2.2 SBB-Beispiel Nummer 2 163 8.3.2.3 SBB-Beispiel Nummer 3 163 8.3.2.4 SBB-Beispiel Nummer 4 164 8.3.2.5 SBB-Beispiel Nummer 5 164 8.3.2.6 SBB-Beispiel Nummer 6 164 8.3.2.7 SBB-Beispiel Nummer 7 164 8.3.2.8 SBB-Beispiel Nummer 8 164 8.3.2.9 SBB-Beispiel Nummer 9 165 8.3.2.10 SBB-Beispiel Nummer 10 165 8.3.2.11 SBB-Beispiel Nummer 11 165 8.3.3 Kovarianz-Matrizen für die betrachtete Datenbasis 166 8.3.4 Standardisierung der Diskriminanzkoeffizienten 166 8.3.5 Klassifizierungsergebnisse unter Ausschluss der Variable Komplexität" 167 8.3.6 Klassifizierungsergebnisse unter Ausschluss der Variable Umkehrbarkeit" 168 8.3.7 Diskriminanzanalyse ohne die Beispiele Nummer 3 und 8 168 8.3.8 Kreuzvalidierung 171 8.3.9 Klassifikation neuer Elemente anhand der Formel mit Werten ohne Nachkommastellen 172 8.3.10 Vergleich der Punktwerte des entwickelten Verfahrens und des DB-Verfahrens 173 8.3.11 Logistische Regressionsanalyse 174 8.4 Anhang zur Anwendung des Programms R 177 8.5 Anhang zum Verfahren zur Signifikanzbewertung von Änderungen 179 9 TERMINOLOGIE 183 10 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 185 11 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 189 12 TABELLENVERZEICHNIS 190 13 LITERATURVERZEICHNIS 193 Seite iv