Robuste Eisenbahn-Infrastruktur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Erweiterungen der Eisenbahninfrastruktur werden üblicherweise basierend auf Nachfrageprognosen sowie politischen Vorgaben geplant und für weitere Planungsschritte, wie die Linien- oder Fahrplanung, als gegeben angenommen. Dies führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der Erstellung attraktiver Fahrpläne, wenn Fahrzeiten zwischen Bahnhöfen nicht optimiert sind oder die Kapazitäten auf Strecken und in Knoten nicht ausreichen. Daher gehen immer mehr Eisenbahninfrastrukturunternehmen dazu über, einen strategischen Fahrplan zu erstellen und Infrastrukturmaßnahmen auf diesem basierend zu projektieren. Diese strategischen Fahrpläne enthalten netzweit optimierte Fahrzeiten und Anschlüsse und folgen häufig den Grundsätzen eines integralen Taktfahrplans. Aufgrund des großen zeitlichen Abstandes zwischen der Erstellung und der Umsetzung unterliegen strategische Fahrpläne jedoch Unsicherheiten, da sich im zeitlichen Verlauf die Rahmenbedingungen ändern können. Um den Prozess der strategischen Fahrplanung sowie der Ableitung von Infrastrukturmaßnahmen zu unterstützen, wurden im Rahmen des Projektes „Robuste Eisenbahn-Infrastruktur“ Optimierungsmodelle für eine fahrplanbasierte Infrastrukturplanung, die robust gegenüber Änderungen des strategischen Fahrplans ist, entwickelt. Basierend auf dem Netzwerk-Design-Problem wurden zwei Optimierungsmodelle formuliert, die Infrastrukturkosten unter der Voraussetzung minimieren, dass ein vorgegebener (strategischer) Fahrplan fahrbar ist. Kosten fallen dabei sowohl für den Bau von Streckengleisen als auch die Reduzierung von Fahr- und Zugfolgezeiten an. Die Fahrplandaten enthalten die einzuplanenden Züge mit zeitlichen Schranken sowie Vorgaben zu Takten und Anschlussbeziehungen zwischen mehreren Zügen. Die beiden Modelle unterscheiden sich in der Modellierung des zeitlichen Aspekts des Fahrplans: zum einen werden die Abfahrts- und Ankunftszeiten der Züge als Variablen modelliert, zum anderen werden sie in einen zeitexpandierten Graphen integriert. Beide Modelle wurden für verschiedene Anwendungsfälle getestet und verglichen. Die Robustheit gegenüber Änderungen des Zielfahrplans wurde erreicht, indem verschiedene Fahrplankonzepte als diskrete Szenarien modelliert werden und die Modelle Netzwerke errechnen können, die mehrere Szenarien abdecken. Außerdem wurden Schwankungen der Nachfrage innerhalb eines Szenarios über optionale Züge abgebildet. Bei der Anwendung der Modelle wurde die Sensitivität bezüglich der Inputparameter betrachtet und ein Verfahren zur Ermittlung der Restkapazität der Infrastruktur unter dem jeweiligen Fahrplan implementiert. Die während des Projekts entwickelten Modelle zeigen die Machbarkeit einer kostenminimalen, robusten Infrastrukturplanung auf Basis strategischer Fahrpläne auf. Aktuell sind sie für regionale Eisenbahnnetze anwendbar. Um das Modell auch für größere Netze lösen zu können, wurden Ansätze für Dekompositionsverfahren formuliert, die in weiteren Forschungen vertieft werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Timetable-based railway network design Abstract Book 31. European Conference on Operational Research, EURO 2021, Athens, Greece, 11-14 July 2021
Tim Sander
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Designing Railway Networks based on Timetables Book of Abstracts INOC 2022
Tim Sander
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Introducing an Optimization Model for Timetable Based Railway Network Design
Tim Sander & Karl Nachtigall
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Modelling the Railway Network Design Problem with Capacity Expansion under Timetable constraints Abstract Book 32. European Conference on Operational Research, Euro 2022, Espoo, Finland, 3 Jul 2022 - 6 Jul 2022 261-261 (2022)
Nadine Friesen; Tim Sander; Karl Nachtigall & Nils Nießen
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Robustes fahrplanbasiertes Netzwerkdesign Eisenbahntechnische Rundschau 71(10), 16-20 (2022)
Tim Sander; Nadine Friesen; Karl Nachtigall & Nils Nießen
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Modeling Uncertainty in the Timetable-Based Railway Network Design Problem. Lecture Notes in Operations Research, 503-509. Springer International Publishing.
Sander, Tim; Friesen, Nadine; Nachtigall, Karl & Nießen, Nils
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Modelling Time in the Timetable-Based Railway Network Design Problem (Abstract) Book of Abstracts ICROMA RailBelgrade 2023
Nadine Friesen; Tim Sander; Karl Nachtigall & Nils Nießen
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Modelling Time in the Timetable-Based Railway Network Design Problem.
Nadine Friesen; Tim Sander; Karl Nachtigall & Nils Nießen
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The complexity of the timetable‐based railway network design problem. Networks, 83(2), 289-299.
Friesen, Nadine; Sander, Tim; Büsing, Christina; Nachtigall, Karl & Nießen, Nils
