Die automatische Bahn · 2014. 5. 12. · Prof. Dr. Ulrich Weidmann Treffpunkt Science City – Die...

Die automatische Bahn Wie Automatisierung und Schweizer Präzision die Bahn auf höchste Leistung bringen Treffpunkt Science City Prof. Dr. Ulrich Weidmann Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme Zürich, 16. März 2014

Die Bahn der Zukunft – die Zukunft der Bahn???

Prof. Dr. Ulrich Weidmann Treffpunkt Science City – Die automatische Bahn Zürich, 16. März 2014

Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme Professur für Verkehrssysteme

Blicke in die Zukunft der Bahn!


Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme Professur für Verkehrssysteme Die Zukunft der Bahn? Eher so!


Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme Professur für Verkehrssysteme Vor allem aber so!

Engpässe wohin man blickt – Kapazität als nationales Thema!



Schweizer Bahnen sind erfolgreich und stark genutzt



Potentiale für die Innovationsperiode 2013 bis 2053 200 – 250 Züge / Tag / Gleis

250 - 300 Züge / Tag / Gleis



Fernverkehr S-Bahnen

Schweiz wird zum Agglomerations-Land - S-Bahnen beanspruchen die Knoten

2 Raumkonzept Schweiz 3 Raumkonzept Schweiz

Karte 1Mit einer polyzentrischen

Raumentwicklung wettbewerbsfähig bleiben,

Zusammenarbeit und Partnerschaften pflegen

In Handlungsräumen planen, Kooperationen

in funktionalen Räumen ausbauen

Metropolitanräume Zürich,

Basel, Bassin Lémanique

Hauptstadtregion

Klein- und mittelstädtisch

geprägte Handlungsräume

Alpin geprägte

Handlungsräume

Internationale Positionierung stärken,

hohe Lebensqualität

trotz Wachstum erhalten

Grossstädtische Zentren

Alpine Tourismuszentren

mit /ohne Kern

Städtenetze bilden oder erweitern,

Synergien nutzen, Stärken hervorheben, in

den Agglomerationen zusammenarbeiten

Städtenetz in

grossstädtisch geprägten

Handlungsräumen

Städtenetz in klein- und

mittelstädtisch geprägten

Handlungsräumen

Klein- und mittelstädtische

Zentren

Agglomerationen

Wirtschaftliche Entwicklung und

überkommunale Versorgung auf

ländliche Zentren konzentrieren

Ländliche Zentren

Kooperationen über die Landesgrenze

fördern

Grenzüberschreitende

Räume

Quellen: Bundesamt für Landestopografie; Bundesamt für Statistik, GEOSTAT

Zugszahlen in den Knoten



1-Gleisig

13.02.2013 / pf

2-Gleisig

Nebenstrecke

Normalspurstrecke:

Belegungsgrad < 60 %Belegungsgrad 60 - 75 %Belegungsgrad > 75 %

Engpässe im heutigen Schienennetz Zentrale Netzteile sind überlastet



Engpässe im heutigen Strassennetz Zentrale Netzteile sind ebenfalls überlastet und gefährden die Landesversorgung

Aber wir bauen doch aus? Ja, aber das dauert!



Fortsetzung einer Kaskade von Ausbauten



1-Gleisig

13.02.2013 / pf

2-Gleisig

Nebenstrecke

Normalspurstrecke:

Belegungsgrad < 60 %Belegungsgrad 60 - 75 %Belegungsgrad > 75 %

Engpässe im Schienennetz bis 2030 ... es scheint nicht zu reichen



Engpässe im Strassennetz bis 2030 ... und der Verlagerungsdruck wird noch grösser werden



Der Umfang des Vierecks soll sinngemäß konstant bleiben, wenn sich der Wert auf einer Achse verändert.

Bahnausbau konsumiert aber auch natürliche Ressourcen Lebenszyklus-Energieverbrauch der Bahn:

•  Betrieb der Züge: 36 %

•  Infrastruktur (Bau, Unterhalt, Rückbau): 28 %

•  Rollmaterial (Bau, Unterhalt, Verschrottung): 19 %

•  Produktion der Antriebsenergie: 17 %



•  Kapazität ist das Zauberwort der schweizerischen Verkehrspolitik und jüngst haben die Stimmberechtigten hohe Summen für einen derartigen Ausbau der Bahn beschlossen.

•  Nicht überall, wo es eng wird, muss allerdings betoniert werden, denn es lassen sich noch verborgene Reserven mobilisieren.

•  Der Schlüssel ist die Präzision: Züge, die in einer Genauigkeit von 10 Sekunden geplant werden und diesen Fahrplan auf 10 Sekunden genau einhalten können, brauchen weniger Kapazität und lassen Platz für zusätzliche Züge.

•  Welche neuen Formen der Planungs- und Steuerungsintelligenz dazu nötig sind und was dies mit einer automatischen Bahn zu tun hat, zeigt diese Präsentation.

Die automatisierte Bahn

Gibt es vielleicht schlummernde Reserven...?

Ein wenig Bahnbetriebstheorie



23

Systemeigenschaft! Spurführung" Lange Bremswege durch geringe Haftreibung"

Folgen für die Systemgestaltung!

Besondere Techniken zur Steuerung und Sicherung der Fahrwegelemente"

Besondere Techniken zur Regelung und Sicherung der Zugfolge"

Sicherheitsstrategien spurgeführter Systeme"Systemeigenschaften des Schienenverkehrs"



Sicherheit bezüglich der Fahrzeugbewegungen

24

Vermeidung von Folge- und Gegenfahrten zwischen zwei Bahnhöfen durch Streckenblock = Sicherungstechnische Abhängigkeit der beiden Stellwerke

Individuelle Übermittlung der Fahrvorschrift für jede Fahrstrasse und jeden Zug mittels Hauptsignale

Überprüfung der Belegung der Fahrstrasse durch Gleisstromkreise oder Achszähler

Zugsbeeinflussung zur Sicherstellung

der Befehlsaus-führung



Folge aus der Zugssicherung: Sperrzeit des Blockes und Sperrzeitentreppe sich folgender Züge



Folge aus der Zugssicherung: Sperrzeitentreppen und Fahrplanstruktur bestimmen Zahl der Züge auf der Strecke



1.   Unterschiede der Fahrzeugeigenschaften 2.   Unterschiedliche Witterungsverhältnisse 3.   Unterschiedliches Lokführerverhalten

!" #$%&'(&%)'&*"+*%,-./(0/&1*/2%3456/)*78$&79 :$;*4("

!""#$%#'()*+,-*./-.*#"0-*102#

Que

lle: M

. Fis

cher

SB

B

Plan und Wirklichkeit: Individuelle Fahrweise der Züge



Plan und Wirklichkeit: Verspätungen im Netz Beispiel: Primärverspätungen der SBB, 2009 Grund: Diverse Imperfektionen im täglichen Produktionsablauf

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

14%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

Ant

eil a

n S

töru

ngsf

älle

n

Primärverspätung in Minuten

Anteil Primärverspätungen

!



Trägheit der Züge mit 1000 bis 2000 Tonnen Gewicht Ungeplanter Halt macht aus pünktlichem einen unpünktlichen Zug – trotz 13 MW Anfahrleistung!

Unplanmässiger Halt

Vermiedener Halt durch optimierte Fahrweise

Verspätet



Grundsätzlicher Zusammenhang zwischen Kapazität und Pünktlichkeit - heute Je höher die Pünktlichkeit sein soll, desto tiefer ist die realisierbare Kapazität

Qualität

Auslastung

tief hoch

B

Q

Behinderungen

Hohe Qualität

Tiefe Kapazität

Schlüsselfaktor Präzision



Herkömmliche Betriebsweise stösst an Grenzen Bestimmte Ausgangssituation entwickelt sich unberechenbar weiter



•  Fahrzeitreserven: 5 – 9 % •  Pufferzeiten zwischen Zügen: Halbe mittlere Zugfolgezeit = 1 bis 2

Minuten •  Zulässige Auslastung von Engpassbereichen zur Verkehrsspitze:

75 bis 85 % •  Zulässige Auslastung von Engpassbereichen in der

Nebenverkehrszeit: 60 bis 70 % Diese 15 bis 25 % Reserve interessieren uns!

Massnahmen heute: Reserven im System



Physikalisch dichtest mögliche Zugfolge: 90 – 100 s

•  Trassenparallele “Slots” im Verdichtungsbereich

•  Planmässige Zugfolgezeit von tZf=100 s

100 s. 100 s. 100 s. 100 s. 100 s. 100 s.

Verdichtungsbereich Knoten A



Beispiel Verbindung zweier Knotenbereiche •  Trassenparallele “Slots” im Verdichtungsbereich für alle Netznutzer •  Planmässige Zugfolgezeit von tZf=100 s

Kapazitätsnutzen des verdichteten Fahrens



Kapazitätsnutzen des verdichteten Fahrens Beispiel Verbindung zweier Knotenbereiche •  Trassenparallele “Slots” im Verdichtungsbereich für alle Netznutzer •  Planmässige Zugfolgezeit von tZf=100 s



Abbildung: SBB

Besonders kritisch: Anschlussknoten von Bahn 2000



Besonders kritisch: Anschlussknoten von Bahn 2000

Wie wird diese Präzision Wirklichkeit?

Adaptierte Fahrzeitvorgaben + Präzise Einhaltung


Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme Professur für Verkehrssysteme Schlüssel: Informationstechnologie



§  Automatische Konflikterkennung und netzweit optimierter neuer Fahrplanvorschlag in Kadenz von 1 Minute

§  Planerische und operative Genauigkeit von 10 s §  Interaktion zwischen automatisierter Fahrplanautomatisierung und

automatischer Zugsführung

§  Aufteilung des Netzes in Verdichtungs- und Entspannungsbereiche §  Automatische Führung der Züge in Zonen mit hoher Zugsdichte und in

Knoten

§  Annäherung der Zugseigenschaften, insbesondere zwischen Personen- und Güterzügen

Vision Bahn 2050 Die hochpräzise, reagible und proaktive Bahn



LP: max 6x + 5y s.t. x + y

≤ 1200 5x + 3y

≤ 5400 x

≥ 250 y

≤ 750

Operations Research (Mixed

Integer Linear Programming)

Graph theory, Algorithms and

complexity, software

engineering

Planning of railway systems and

networks, contact to companies

Functional requiremnts of the market

Infrastructure restrictions

Alg.

Timetable: - conflict-free -  optimal -  macroscopic -  periodic

If problem is infeasible

Verknüpfung neuer mathematischer Modelle, erhöhter Computerleistungsfähigkeit und Produktionstechnologie der Bahn

Automatische Fahrplangenerierung in 1 bis 2 Minuten

[IVT / Dissertation Herrigel]



1)   Fernverkehrszüge 2)   S-Bahn- und

Regionalzüge unter Anwendung von Prorisierungsregeln

3)   Koordination der Regionen untereinander mit Koordinationsregeln

Hierarchisierung und Regionalisierung der Optimierungsaufgabe Automatische Fahrplangenerierung in 1 bis 2 Minuten

[IVT / Dissertation Herrigel]



[IVT / Dissertation Sabrina Herrigel]

Beispielnetz für Testanwendung



IM

CHA

EBI

RK

KÜS

MEG

makroskopisch mikroskopisch

Reduktion der Komplexität durch Topologievereinfachung auf zwei Stufen

Rechenzeit ca. 15 Minuten für gute Lösung



Grundlage für präzise Zugsführung: Integrierte Regelkreise



Risiko: Über- oder Unterreaktion der Lokführer auf ständig wechselnde Geschwindigkeitsvorgaben

Train Management

ATPATO

Driver

Train

outer-loop

inner-loop

Advisory Information

Production Command

Ansatz: Automatisierte Zugsführung



Train Management

ATPATO

Driver

Train

outer-loop

inner-loop


Production Command

Supervision Data Preparation Rescheduling

Traffic Management

Supporting tool Driver Train

Production Plan

outer-loop

inner-loop

Supervision Data Preparation Rescheduling

Traffic Management

outer-loop

ATPATO

Driver

Train

inner-loop


Production Command

Weiterentwicklung der Verkehrsflussoptimierung Umsetzung: Verknüpfung von automatischer Fahrplangenerierung und automatischer Zugsführung

[SYSTRANSIS / IVT / DissertationXiaolu]



Macro scheduling: Globale Koordination der Züge in

einer aggregierten Topologie

Intelligente Kombination automatischer und manueller Zugsführung

Automatische Führung für hochverdichtetes Fahren

Manuelle Führung für optimale Reservennutzung



Kapazität

Energie

Zuver-lässigkeit Flexibilität

Automa-tisierung

Weitere

Ganzheitliche Optimierung

Optimierung der Kapazitäts-nutzung

Effiziente Neu-planung / Rescheduling

Kapazitäts-management-System (TMS)

Optimierung des

Zugsverhaltens

Betriebliche Präzision des

Zuges

Automatische Zugsführung

(ATO)

Weiterentwicklung der Verkehrsflussoptimierung Multidimensionale Zielfunktionen

[SYSTRANSIS / IVT / Dissertation Xiaolu]



Beispiel für Zusatznutzen: Energieeinsparung



Das automatische Auto: Konkurrenz der Ideen?



Das automatische Auto: Konkurrenz der Ideen? “Google-Gründer Larry Page ist überzeugt: Eine Automatisierung des Autoverkehrs könnte in 20 Jahren nicht nur jährlich 600.000 Verkehrstote verhindern, sondern auch Benzinverbrauch und Stauaufkommen drastisch reduzieren. Stau, das bedeutet allein in Deutschland jedes Jahr 600.000 Kilometer Stillstand – und verschwendete Arbeitszeit und Ressourcen. Fast 300.000 Stunden vertrödeln die Deutschen so pro Jahr und jagen dabei 16 Milliarden Liter verbrannten Kraftstoff durch die Auspuffrohre. Über 24 Milliarden Euro verpuffen in 40 Millionen Tonnen ausgestoßenem CO₂. Roboterautos könnten ein Ausweg sein.” [Zeit online, Zeit Wissen 3/2013]



Vieles davon ist bei der Bahn längst erfüllt – unsere Ziele sind daher bescheidener, dafür vielleicht realistischer Nicht Personal eliminieren, sondern neue Zusammenarbeitsformen und Prozesse sowie Nutzung der menschlichen Intelligenz Dadurch schneller mehr Kundennutzen für weniger Geld

Was gibt es davon schon?



57

ETCS Level 2 Kontinuierliche Übermittlung sicherer Informationen auf den Führerstand



Die ETCS-MigrationszieleZi l b d BAV fü di I f t ktZielvorgaben des BAV für die Infrastruktur

2. Ziel: Migration des übrigen normalspurigen Netzes2. Ziel: Migration des übrigen normalspurigen NetzesBis Ende 2017 ist das gesamte normalspurige Eisenbahnnetz in der Schweiz ETCS tauglich umgerüstet.

Bundesamt für Verkehr,

03.05.2012Hanspeter Hänni

Ab 2025: Umrüstung des ganzen Netzes auf ETCS Level 2!!Damit Geschwindig-keitsinformation in technischer Form und höchster Sicherheitsstufe auf Führerstand verfügbar!



[4]

Verkehrsflussoptimierung heute: Lötschberg-Basistunnel Systemumgebung und Vernetzung

[SYSTRANSIS]



Optimierte und adaptierte Fahrweise der Züge Automatik-Funktion Lötschberg-Basistunnel

[SYSTRANSIS]

Wirkungen Kapazität: •  Geplant: 110 Züge / Tag •  Erreicht: Bis 142 Züge / Tag Energie: •  Einsparung von 60 kWh pro

vermiedenem Konflikt •  Hochrechnung für ganzes Netz

der Schweiz: 200 GWh = 40 Mio CHF



Optimierte und adaptierte Fahrweise der Züge Adaptive Zugslenkung ADL der SBB

Technik •  Belegungskonflikte und ungeplante

Signalhalte werden in RCS frühzeitig erkannt.

•  Ein optimales Geschwindigkeitsprofil wird berechnet und über GSM-R als Fahrempfehlung dem Lokführer übermittelt.

Ziel: •  Reduzierter Energieverbrauch im

Fahrbetrieb •  Erhöhte Präzision in der Produktion •  Stabiles Netz trotz Mehrbelastung •  Einsparungen von Unterhaltskosten

durch Reduktion von ungeplanten Halten



Zentralisierte Überwachung und Steuerung des Bahnnetzes Betriebsleitzentralen von SBB und BLS

Zürich

Olten

Pollegio

Spiez Lausanne



Automatische Bahnsysteme

Ausblick



Interaktion Disposition - Zugsführung

Automatisierte Fahrplanerstel-lung lokal

Automatisierte Fahrplanerstel-lung netzweit

Maximale Kapazitäts-ausnutzung

Prognose der Störungsdauer

Ausfallprogno-se / proaktive Intervention

Integrale Überwachung der Infrastruktur

Homogenisie-rung der Zugs-eigenschaften

Automatisierte Zugsführung in Knotenbereichen

Planerische/ope-rative Genauig-keit von 10 s

Maximierte Robustheit des Gesamtsystems

Maximale Verfügbarkeit der Infrastruktur

ETCS Level 2 netzweit

Prognose der Störungsaus-wirkungen

Automatisierte Disposition gros-ser Störungen

Automatisierte Disposition klei-ner Störungen

2015 2025 2035 2045



§  Zentrale Zukunftsanforderung an Bahn: Höchste Leistung im Bereich des physikalisch Möglichen zu tiefsten Kosten

§  Höchste Leistung heisst: Maximale Ausnützung der Kapazität + Minimaler Kapazitätsverlust durch Ausfälle

§  Schlüsselkompetenzen: Informationsverarbeitung + Optimierungs-/Prognoseverfahren + Betriebliche Präzision + Übergreifende Regelkreise

§  Künftige Betriebsweise: Automatische Führung der Züge durch Knotenbereiche, manuelle Führung der Züge zwischen den Knoten

§  Verknüpfung der Prognose der Störungsdauer mit der kurzfristigen Neuplanung des Angebotes: Automatisierung kleiner Routinedispositionen

§  Verfügbarkeitsmaximierung durch Prognose des Komponentenausfalls + Prognose der Störungsdauer + Gezielte Redundanz

Synthese

Die automatische Bahn · 2014. 5. 12. · Prof. Dr. Ulrich Weidmann Treffpunkt Science City – Die...

Documents

Transcript of Die automatische Bahn · 2014. 5. 12. · Prof. Dr. Ulrich Weidmann Treffpunkt Science City – Die...