Kapazitätsmanagement von Eisenbahnstrecken auf Basis von Warteschlangensystemen und höherdimensionalen Markov-Ketten

 

Pünktlichkeit ist eine Tugend

RWTH-Forscherinnen und -Forscher helfen dabei, das deutsche Schienennetz möglichst effizient zu nutzen.

  Drei Personen lächeln in die Kamera Urheberrecht: Felix Schreiber Abbildung 1: Am Projekt maßgeblich beteiligt (von links): Doktorand Stephan Zieger, Professorin Anke Schmeink, Professor Nils Nießen

Wer keine Lust auf Autobahnstaus oder Fluglotsenstreiks hat, entscheidet sich oft für eine Reise mit der Bahn. Doch der Schienenverkehr folgt, wie viele aus leidlicher Erfahrung wissen, seinen ganz eigenen Gesetzen. Gerade in der Hauptreisezeit gehören Zugausfälle und Verspätungen leider zur Tagesordnung. Eine sinnvolle Auslastung des Schienennetzes ist allerdings nicht nur für den Personen- sondern auch für den Güterverkehr von entscheidender Bedeutung. Die Professoren Anke Schmeink und Nils Nießen forschen fachübergreifend an einer Lösung dieses Problems. Eine Seed Fund-Förderung des Exploratory Research Space unterstützt sie dabei.

Nils Nießen, selbst ein leidenschaftlicher Bahnfahrer, leitet das Verkehrswissenschaftliche Institut der RWTH Aachen. Inhaltlich beschäftigt er sich in seiner Forschung mit verschiedensten Fragestellungen, vom Bau von Bahnhofsanlagen oder Schienenwegen bis hin zur nötigen Sicherungstechnik oder der Steuerung des Verkehrsbetriebs.

Elektrotechnikprofessorin Anke Schmeink hingegen nähert sich dem Projekt aus der mathematischen Perspektive – in ihrer Forschung optimiert sie Netze, beispielsweise zukünftige mobile Kommunikationsnetze, wie sie in den kommenden Jahren wohl zunehmend unseren Alltag bestimmen werden. Dazu gehören zum Beispiel intelligente Gefahrenvorhersagen oder die Kommunikation zwischen Maschinen in der Industrie 4.0.

  Bahngleise in einem Tal Urheberrecht: Jürgen Jacobs Abbildung 2: Der Schweizer Lötschbergtunnel: Ein Überwerfungsbauwerk

Mit mehreren Doktorandinnen und Doktoranden haben die beiden ein Computermodell entwickelt, um Wartezeiten im Fahrbetrieb zu optimieren. Das sei vor allem für Knotenpunkte, Abzweigstellen und eingleisige Streckenabschnitte äußerst wichtig, da der Schienenverkehr hier quasi durch ein Nadelöhr fließen muss. Da beispielsweise eine eingleisige Strecke nur in eine Richtung befahrbar ist, während die andere Seite warten muss, können hier verstärkt Verspätungen entstehen, die sich negativ auf das gesamte Schienennetz auswirken. Um solche Rückstaus zu minimieren beziehungsweise ganz zu vermeiden, muss besonders gut koordiniert werden, wann welche Züge fahren oder warten sollen. Diese ideale Verteilung lässt sich mit Hilfe spezieller Algorithmen errechnen. Aktuelle Ereignisse wie Streckensperrungen können in die Kalkulationen mit einbezogen oder Fahrpläne optimiert werden.

Das so entstandene Computermodell soll es erleichtern, für Bahnhöfe oder Teilnetze die ideale Betriebsstrategie zu finden und neue Eisenbahnanlagen zu planen. Man könne sogar vermeiden, überflüssige Anlagen überhaupt erst für viel Geld zu bauen, so die beiden Professoren. Besonders wichtig sei das bei sogenannten „Überwerfungsbauwerken“, also Brücken und Unterführungen, die finanziell besonders stark zu Buche schlagen. Verschiedene Infrastrukturlösungen bei einer gegebenen Streckenbelegung kann man vergleichen, indem man die entstehenden Wartezeiten simuliert. So kann man ermitteln, ob es ausreichen würde, den Bahnbetrieb auf dem modellierten Streckenabschnitt zu optimieren oder ob tatsächlich ein Neubau nötig ist. Für die Anwender muss am Ende noch eine passende Software entwickelt werden. Bis das aktuelle Modell soweit ist, wird es allerdings wohl noch ein paar Jahre dauern.

  Schematische Darstellung eines Überwerfungsbauwerke Urheberrecht: Tobias Weitzel Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Überwerfungsbauwerkes wie auf Abbildung 2 zu sehen

„Unsere Erkenntnisse lassen sich durchaus auf andere Verkehrssysteme wie Straßenbahn, U-Bahn, Flugzeug oder gar Auto übertragen,“ sagt Nießen. Bereits vor dem ERS-Projekt ist im eigenen Unternehmen die Software LUKS entstanden. Von der DB Netz AG würde diese schon seit einiger Zeit eingesetzt, fügt er nicht ohne Stolz hinzu.

Folgeprojekte zum ERS-Seed Fund sind derzeit in Planung und eine britische Universität hat bereits reges Interesse am wissenschaftlichen Austausch bekundet. Bedenkt man, dass die Auslastung im Schienenverkehr permanent steigt und der Umstieg auf die Schiene zudem ein riesiges Potential zur CO2-Einsparung beinhaltet, dann wird die Bedeutung dieses Forschungsfeldes erst richtig deutlich.

Im Klartext bedeutet das: Investitionen in die Infrastruktur sind in Zeiten zunehmender Mobilität auch eine unabdingbare Investition in unsere Zukunft.