Aufbau und Einsatz von Simulationsmodellen für die Untersuchung von komplexen Problemstellungen im Schienenverkehr Braunschweiger Verkehrskolloquium 7. März 2013
Übersicht 1. Problemstellung 2. Methodik 3. Erhebung von Systemdaten 4. Modellierung von Systemelementen 5. Anwendung von Simulatoren 6. Erwartete Ergebnisse 7. Ausblick
1. Problemstellung Verkehr als komplexes System Die Systemelemente sind nicht oder nur bedingt prognostizier- und berechenbar; Faktor Mensch an den Schnittstellen; Wechselwirkungen zwischen den Systemelementen müssen berücksichtigt werden.
1. Problemstellung Beispiel 1: Anforderungen an den Lokführer Aufträge Adaptive Lenkung (empfohlene Geschwindigkeit) reglementierte Geschw. signalisierte Geschwindigkeit vorübergehende Langsamfahrstelle permanente Langsamfahrstelle zulässige Höchstgeschwindigkeit Fahrplan Zeit/ Weg
1. Problemstellung Beispiel 2: Thun, 24. November 2011 Bern Spiez - Brig Station Hauptsignal Rangiersignal
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011 Bern Spiez - Brig Station Rangiersignal als Zustimmung Gruppensignal für zwei Gleise Hauptsignal Rangiersignal
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:13 h Güterzug 48607 3055 Tonnen 136 Achsen 540 Meter
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:15 h Manöver: Beistellen von zwei Schiebeloks Güterzug 48607 3055 Tonnen 136 Achsen 540 Meter
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:22 h Zugverkehrsleiter: Weiterfahrt um 22:33 Uhr Güterzug 48607 3055 Tonnen 136 Achsen 540 Meter
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:30 h Inter City 991 440 Tonnen 36 Achsen 250 Meter Güterzug 48607 3055 Tonnen 136 Achsen 540 Meter
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:31 h
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:32 h
1. Problemstellung Thun, 24. November 2011, 22:32 h
1. Problemstellung Erkenntnisse aus dem Ereignis Das Gruppensignal ist nicht als solches zu erkennen Fehlerhafte Angaben des Zugverkehrsleiter kann den Lokführer ablenken Fehlhandlung des Lokführers mit hohem Schadenpotenzial: Missachtung der Zusatzsignalisierung
1. Problemstellung Vernetzung der Systemelemente Infrastruktur Zuverlässigkeit der Betriebsführung Sicherungsanlagen Umwelteinflüsse Halt zeigendes Signal Zuverlässigkeit Rollmaterial Zugsdichte / Fahrplan Betrieb Wahrnehmung der Signale Signalfall (SPAD) Fahrplanstabilität Ergonomie Arbeitsplatz Belastung am Arbeitsplatz Arbeitsplatz verstärkend Fehlhandlung Personal Falscher Entschluss durch Personal Aufmerksamkeit Routine / Monotonie Erfahrung des Personals Wohlbefinden Personal abschwächend Personal
1. Problemstellung Vernetzungsmatrix 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 von nach Zu uverlässigkeit Betriebsführung Sic cherungsanlagen Wa ahrnehmung der Signale Er rgonomie Arbeitsplatz Be elastung am Arbeitsplatz Um mwelteinflüsse Ha alt zeigendes Signal Fe ehlhandlung Personal Fa alscher Entschluss Personal Au ufmerksamkeit Zu uverlässigkeit Rollmaterial Zu ugsdichte/fahrplan Fa ahrplanstabilität Ro outine Monotonie Er rfahrung Personal Wo ohlbefinden Personal Ak ktivsumme Qu uotient Aktivsumme/Passivsumme 1 Zuverlässigkeit Betriebsführung - 2 3 0 2 0 3 2 2 1 1 0 3 2 1 2 24 0.67 2 Sicherungsanlagen 1-2 0 2 0 2 2 1 1 0 3 3 1 1 1 20 1.05 3 Wahrnehmung der Signale 2 2-1 1 0 0 3 3 2 0 1 2 0 2 2 21 0.75 4 Ergonomie Arbeitsplatz 2 0 2-2 0 1 1 1 2 1 0 1 0 0 3 16 2.29 5 Belastung am Arbeitsplatz 2 0 2 0-0 0 3 3 2 1 0 1 0 0 3 17 0.63 6 Umwelteinflüsse 2 2 1 0 1-0 2 1 1 1 0 2 0 0 1 14 0.13 7 Halt zeigendes Signal 2 0 2 0 1 0-3 2 2 1 1 3 2 2 1 22 1.00 8 Fehlhandlung Personal 3 2 2 0 3 1 2-3 1 2 2 3 1 3 2 30 0.88 9 Falscher Entschluss Personal 3 1 2 0 2 1 2 3-1 1 2 3 1 3 2 27 0.87 10 Aufmerksamkeit 3 2 3 1 2 2 2 3 3-2 2 3 3 3 2 36 2.00 11 Zuverlässigkeit Rollmaterial 3 2 1 2 2 1 1 2 2 0-2 3 2 2 3 28 1.75 12 Zugsdichte/Fahrplan 3 2 1 0 2 2 3 2 2 1 2-3 1 2 1 27 1.50 13 Fahrplanstabilität 3 2 1 0 2 0 3 2 1 1 0 1-2 3 2 23 0.62 14 Routine Monotonie 2 0 2 1 1 0 1 2 2 3 1 1 2-2 3 23 1.35 15 Erfahrung Personal 3 2 2 1 2 1 1 2 3 1 2 3 3 2-2 30 1.15 16 Wohlbefinden Personal 2 0 2 1 2 0 1 2 2 2 1 0 2 0 2-19 0.63 Passivsumme 36 19 28 7 27 8 22 34 31 21 16 18 37 17 26 30 Produkt Aktivsumme*Passivsumme 864 380 588 112 459 112 484 1020 837 756 448 486 851 391 780 570
1. Problemstellung Netzwerkdiagramm stille Elemente 1200.00 schwach aktiv passive Elemente 8 1000.00 schwach passiv 1 13 16 5 3 9 800.00 600.00 7 2 15 10 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 400.00 14 12 11 stark passiv 200.00 6 aktive Elemente 0.00 stark aktiv 4 kritische Elemene
1. Problemstellung Netzwerkdiagramm stille Elemente 1200.00 schwach aktiv passive Elemente Fehlhandlung Personal 1000.00 8 schwach passiv Schwache Schalthebel mit nur geringen Nebenwirkungen. 13 16 5 1 3 9 800.00 600.00 7 2 15 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 400.00 200.00 14 12 11 Zuverlässigkeit Rollmaterial 10 Aufmerksamkeit stark passiv Kritisch-passiver Grenzbereich: System kann leicht ausser Kontrolle geraten. 6 Umwelteinflüsse Ergonomie Arbeitsplatz 4 aktive Elemente 0.00 stark aktiv kritische Elemene
2. Methodik Zu betrachtende Systemelemente Infrastruktur Fahrbahn Sicherungsanlagen Elektrische Anlagen Betrieb Fahrplan Züge Betriebsführung Umwelt Naturraum Kulturraum Schnittstellen
2. Methodik Zu betrachtende Systemelemente Infrastruktur Fahrbahn Sicherungsanlagen Elektrische Anlagen Betrieb Fahrplan Züge Betriebsführung Umwelt Naturraum Kulturraum Schnittstellen
2. Methodik Zu betrachtende Systemelemente Infrastruktur Fahrbahn Sicherungsanlagen Elektrische Anlagen Betrieb Fahrplan Züge Betriebsführung Umwelt Naturraum Kulturraum Schnittstellen
2. Methodik Stellwerk - Fahrsimulator Methode für Simulationsmodell unter gleichzeitiger Beteiligung von Lokführer und Zugverkehrsleiter Detailgetreue Nachbildung der Schnittstelle Mensch-Maschine Modularer Aufbau erlaubt die Verwendung verschiedenen Fahrsimulatoren und Stellwerktypen
2. Methodik Entstehung eines Simulators Datenerhebung Aufbereitung der Daten Modellierung Infrastruktur/ /Betrieb Stellwerklogik Anwendung der Modelle
2. Methodik Praktische Untersuchungen Versuchsstrecke Bern Langnau Luzern
2. Methodik Praktische Untersuchungen Labor für den Test von Lösungsansätzen
3. Erhebung von Systemdaten Versuche mit videobasiertem Ansatz QRailScan: Entwicklung aus Braunschweig Erstellen von Video- und GPS-Aufnahmen ab der Lok Halbautomatische Erfassung der benötigten Objekte der Infrastruktur Untersuchungen für die Überführung der Daten ins Standard-Format railml
3. Erhebung von Systemdaten Benutzeroberfläche
3. Erhebung von Systemdaten Erfassen der Gleisachsen Während Abspielen des Videos durch Mausklicks Manuelles Setzen von Knoten im Luftbild Nachträgliche Anpassungen und Präszisierungen
3. Erhebung von Systemdaten Erfassen mittels Photogrammetrie: Diplomarbeit an der ETHZ HS.A120.002900.00.64.128 VS.C*120.002900.00.64.455 Automatisches Erkennen und Erfassen von Signalen
4. Modellierung von Systemdaten Stellwerklogik Verwendung des standardisierten Datenformats railml Modellierung der Stellwerklogik: heute keine Standards bekannt Die Bedeutung der Verschlusstabelle Beschreibung und Abbildung von Funktionen, Anzeigen und Bedienungen am Stellwerk
4. Modellierung von Systemdaten Stellwerklogik Verschlusstabellen können grundsätzlich von Maschinen gelesen werden.
4. Modellierung von Systemdaten
4. Modellierung von Systemdaten Stellwerk - Fahrsimulator Simulation Lok und Umwelt Dynamischer Fahrsimulator Schnittstelle Dispatcher (middleware) Engine- Dispatcher Interlocking- Dispatcher Stellwerklogik Simulation Betrieb Führerstand Lok Stellwerk
5. Anwendung von Simulatoren Fallstudien und Versuchsfahrten Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Nordwestschweiz Drei Diplomarbeiten Situation Awareness Kommunikation Lokführer Zugverkehrsleiter Handlungsempfehlungen für Meldewesen Lokführer als Probanden Qualitative Datenerhebungen
5. Anwendung von Simulatoren Bewegungssystem für die Simulation der Fahrdynamik Detaillierte Modellierung: erhöht die Möglichkeiten für die Untersuchungen
5. Anwendung von Simulatoren Fallstudien und Versuchsfahrten Spezielle Versuchsübungen angelegt Jeder Proband fährt zwei Szenarien auf der Strecke Olten Zürich Messung des Verhaltens durch Ausführen/Unterlassen von Manipulationen und Meldungen Fahr- und Reaktionszeiten v/s-diagramm Erhebung von Messwerten (V, Zug-/Bremskraft, Druck der Bremsanlage) Inhalt der Kommunikation
6. Erwartete Ergebnisse Partizipativer Lösungsansatz LOCSIM: Videobasierter Ansatz Zusammenarbeit mit SBB und BLS Untersuchungen mit Probanden der Bahn RailML Standard für XL Modelle RailQScan und Bahnkonzept ETHZ: Photogrammetrie Datenerhe ebung Verarbeitung bestehender Daten Aufbereit tung der Dat ten Bahnkonzept: videobasierter Ansatz Modellier rung Infrastruktur/ /Betrieb Stellwerkl logik System ZUSI: 3D- Geländemodell Anwendun ng der Model lle FHNW: Diplomarbeiten Testen von Hypothesen
6. Erwartete Ergebnisse Datenerhebung Neue effiziente Methode für die Erfassung von Infrastrukturdaten in genügender Genauigkeit, unterstützt durch Photogrammetrie Aufzeigen der Notwendigkeit und Möglichkeit, auch die Einsatzzeiten der Objekte zu erfassen: Modellierung von Zeitintervallen Anwendung von qualitativen Methoden für die Modellierung von vergangenen Zuständen
6. Erwartete Ergebnisse Modellierung Beitrag für die standardisierte Modellierung der Stellwerklogik Erkenntnisse über die verwendeten Lösungsansätze (videobasiert, 3D-Modell)
6. Erwartete Ergebnisse Einsatz von Simulatoren Erkenntnisse über die Anforderungen an Simulatoren (Detaillierung, Bewegungssystem, Auflösung der Streckendarstellung) Aufzeigen von konkreten Problemstellungen, welche nur mit Simulatoren untersucht werden können: Erkennen von Schwachstellen und Ableiten von Handlungsempfehlungen für die Kommunikation zwischen Zugverkehrsleiter und Lokführer Aufzeigen der Notwendigkeit über Situation Awareness bei Lokführer und Zugverkehrsleiter.
6. Erwartete Ergebnisse Einsatz von Simulatoren Aufzeigen der Bedürfnisse nach integrierten Simulatoren (Lokführer und Zugverkehrsleiter) Ableiten von Konsequenzen auf die Methoden der Datenerhebung und Modellierung
7. Ausblick Forschungslabor als Institution Vereinsgründung am 23. Februar 2013 erfolgt Vorgesehene Entwicklung des Labors Integrierte Fahrsimulatoren mit Betriebszentrale Mehrzugbetrieb auf Teststrecke Sensitivitätsanalysen
Danke für Ihre Aufmerksamkeit www.desm.ch DLR, 6. März 2013 Simulationsmodelle für komplexe Untersuchungen im Schienenverkehr