02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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3D-printed scale model for detection of railway wheel flats using augmented vibration data from axle box
(2024) Kim, Eui-Youl; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
As data-driven methods for defect detection become more prevalent in the railway industry, the demand for high-quality data continues to grow. However, field experiments are often time-consuming and constrained by practical limitations. This study introduces a methodology that uses Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing to develop a scale model for simulating wheel flat-induced vibrations, combined with a Long Short-Term Memory (LSTM)-based generative model to produce synthetic vibration data. This approach improves data quality by enhancing quantity, variety, and velocity, while increasing data volume and reducing the need for extensive experimental testing. The LSTM-based model generates realistic synthetic data, minimizing reliance on labor-intensive field experiments and offering a broader spectrum of defect scenarios. By accelerating the data generation process, this method provides an effective alternative in a laboratory setting and contributes to foundational research aimed at improving defect detection and maintenance processes in the railway industry.
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Ansätze für betriebliche und infrastrukturelle Verbesserungen einer Regionalverkehrsstrecke am Beispiel Basel – Lindau
(2004) Schlaich, Johannes
Inhalt dieser Diplomarbeit ist die Erörterung verschiedener Ansätze zur infrastrukturellen und betrieblichen Verbesserungen einer Regionalverkehrsstrecke am Beispiel der Strecke Basel – Lindau. Aufgrund der Vielfalt von Streckencharakteristika, Schwachstellen von Infrastruktur und Betriebsprogramm und zugehörigen Lösungsansätzen ist es nicht möglich, die Vorgehensweise dieser Arbeit auf jede andere Strecke ohne Anpassungen zu übertragen. Trotzdem kann die in dieser Arbeit verwendete Methodik als Leitfaden für Untersuchungen anderer Strecken dienen. Für die Beispielstrecke Basel – Lindau wird ein zweistufig umzusetzendes Betriebskonzept empfohlen. Während für die erste Stufe nur betriebliche Veränderungen vorgesehen sind, sind für die zweite Stufe die Elektrifizierung der gesamten Strecke sowie der zweigleisigen Ausbau von Streckenabschnitten notwendig.
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Approach to determine and evaluate the homogeneity of operating programs in railway operation based on infrastructure occupancy
(2017) Cao, Nan; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Contemporary railway traffic requires different train services share the same infrastructure. Capacity consumption together with the homogeneous level of train traffic gives a picture of the efficient use of infrastructure. Previous research suggests that the utilization is more efficient with a homogeneous operating program. During last decades, many researchers tried to describe and/or define the homogeneity of operating programs in rail service; however, no definition considered the infrastructure occupation. In addition, several methods were developed to evaluate the homogeneity in railway operation considering variations in speed, running time and headway. But, the occupancy of infrastructure has not been discussed in the existing methods. An extension of existing definitions is presented from the perspective of the infrastructure, which can be characterized by variations in blocking time, buffer time and running direction. The blocking time, buffer time and running direction describe the occupancy of train path on track sections based on the blocking time model. Accordingly, the homogeneity of operating programs is evaluated through three parameters, namely the homogeneity of blocking time (HBL), the homogeneity of buffer time (HBU) and the homogeneity of running direction (HRD). The overall homogeneity (OH) combined HBL; HBU and HRD to realize an integrity evaluation of homogeneity of operating programs. The results show that this new methodology can quantify the homogeneity of railway operations, not only for track sections but for an entire network, which contributes significantly to the efficient utilization of infrastructure. With the method developed in this thesis, the interrelationship between homogeneity of operating programs and operation quality were investigated quantitatively. Firstly, both the influence of each parameter of homogeneity and the overall homogeneity were analyzed. The operation quality (delay-coefficient) is evaluated for timetables with different train types, arrangements of buffer times and sequences of train runs. The results show that the operation quality deteriorates with less homogeneous timetables, in which the variation in buffer time has a more significant influence. Finally, the influence of homogeneity of operating programs is studied for different traffic flows. The low traffic flow is more sensitive to the homogeneity of buffer time and the homogeneity of blocking time is more significant for high traffic flow.
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Beitrag zur Entwicklung eines Dispositionswerkzeuges zur Optimierung betriebsbedingter Wartezeiten im schienengebundenen Verkehr
(2002) Schlaich, Johannes
Seit mehreren Jahren wird an der Entwicklung eines Prototyps zur automatischen Disposition auf Grundlage der Theorie von MARTIN gearbeitet. Es wurden mehrere wissenschaftliche Arbeiten verfasst und von verschiedenen Studenten ein lauffähiges Programm implementiert. Das Testtool von PFENNIGSDORF hat gezeigt, dass die Ergebnisse der Optimierung mit diesem Dispo-Tool mangelhaft sind. Deshalb besteht weiterer Forschungsbdearf auf diesem Gebiet. Diese Arbeit soll die bisherigen Ergebnisse zusammenführen, überprüfen, korrigieren und erweitern sowie weiteren Forschungsbedarf aufzeigen. Zu Beginn dieser Arbeit werden kurz die für die Disposition wichtigsten Grundlagen des Schienenverkehrswesens erklärt. Danach werden die bisherigen Forschungsergebnisse zusammengefasst und es wird auf den aktuellen Entwicklungsstand des Prototyps eingegangen. In Kaptitel 5 wird die aktuelle Umsetzung kritisch auf mögliche Fehlerquellen untersucht und Lösungsvorschläge entwickelt. Besonderen Wert wird dabei auch auf die Vereinfachung und Verringerung der verschiedenen Arten der Bildungsvorschriften gelegt. Außerdem werden einige Erweiterungen des Systems bearbeitet. Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit der Integration der Fahrwegsuche nach BIRKHOLZ. Es wird die Implementierung von dritter Seite vorbereitet. Dabei ergibt sich eine wichtige Änderung gegenüber der Theorie von BIRKHOLZ, die sich auf die folgenden Gleichungen auswirkt. Zur Übersicht werden im Anhang noch einmal alle Gleichungen unter Berücksichtigung der Änderungen aus den Kapiteln 5 und 6 zusammengefasst. Nach den Möglichkeiten des Bedieners zur Beeinflussung der Dispositionsentscheidungen wird die angestrebte Datenstruktur für die rechentechnische Umsetzung der automatischen Disposition erläutert. Abschließend wird der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.
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Beitrag zur experimentellen Bestimmung der Wartezeitfunktion bei Leistungsuntersuchungen im spurgeführten Verkehr
(2009) Schmidt, Christine; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Die Eisenbahnbetriebswissenschaft befasst sich unter anderem damit, den Zusammenhang zwischen Auslastung einer Infrastruktur und Betriebsqualität zu beschreiben und daraus Empfehlungen für eine optimale Auslastung abzuleiten. Zwei sehr übliche Ansätze in der Eisenbahnbetriebswissenschaft sind die Simulation und die analytischen Methoden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren weiterentwickelt, mit dem zwischen beiden Ansätzen eine Brücke geschlagen wird: Mit Hilfe von Simulationen wird eine funktionale Beziehung zwischen Auslastung und Wartezeiten hergestellt - die Wartezeitfunktion. Aus der Wartezeitfunktion wird anschließend der optimale Leistungsbereich bestimmt wie ihn [Hertel 1992] beschreibt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Bestimmung der Wartezeitfunktion. Es werden für die einzelnen Arbeitsschritte jeweils verschiedene Algorithmen vorgestellt, an Fallbeispielen getestet und daraus Empfehlungen für ein verbessertes Verfahren abgeleitet. Dieses Verfahren zeichnet sich durch zwei Vorteile aus: Zum einen wird durch Automatisierung einiger manuell sehr aufwändiger Schritte der Arbeitsaufwand stark gesenkt, zum anderen lassen sich nun – je nach Struktur des untersuchten Teilnetzes – sehr viel besser abgesicherte Ergebnisse erzielen. Die wichtigsten Verbesserungen sind die Folgenden: - Zur Bestimmung der maximalen Leistungsfähigkeit wird ein neuer Ansatz entwickelt, der auch für Teilnetze anwendbar ist. Er basiert darauf, bestimmte Indikatoren über einen weiten Auslastungsbereich hinweg zu beobachten. Im Bereich der maximalen Leistungsfähigkeit tritt ein charakteristisches Verhalten des jeweiligen Indikators auf. Besonders geeignet ist der Indikator "Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsbelastung". - Die Fahrpläne sollten mit dem hier vorgestellten Algorithmus "Zufällige Fahrpläne" verdichtet werden. Dieser arbeitet mit einem Parameter (der Zeitscheibe), mit dem ein Bezug zum Variationskoeffizienten der Ankunftsverteilungen und damit der "Ordnung" des Betriebsprogramms hergestellt werden kann. Planmäßige Wartezeiten sollten bei der Fahrplanverdichtung grundsätzlich vermieden werden. - Das bisher verwendete Approximationsverfahren wird durch ein anderes Verfahren ersetzt (hier "logarithmische Approximation" genannt), das durchweg geeigneter ist und plausiblere Ergebnisse liefert. Damit hat das Verfahren zur Leistungsuntersuchung nach Hertel einen entscheidenden Schritt in Richtung Praxistauglichkeit vollzogen. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit einige Ansätze für zukünftige Entwicklungen aufgezeigt.
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Ein Beitrag zur operativen Zuglaufregelung unter besonderer Berücksichtigung vorausschauender Zugförderung bei der Umsetzung dispositiver Entscheidungen
(2017) Neuber, Marco; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Die bedienergeführte Betriebsprozessdisposition befasst sich unter anderem mit der Reihenfolgeregelung der Zugfahrten und Anordnung von Dispositionsmaßnahmen. Hierzu zählen neben dem Reihenfolgewechsel auch die Anordnung von Signalen für Zugpersonal, welche als Fahrempfehlungen abhängig vom Grad der technischen Ausrüstung zum Triebfahrzeugführer übermittelt werden. Grundlage für die Berechnung von Fahrempfehlungen sind belegungskonfliktfreie Fahrplantrassen mit einer knickfreien Zeit-Wege-Linie. Die belegungskonfliktfreien Fahrplantrassen sind Ergebnis der Zugdisposition. Bei Mehrzugkonflikten existieren diese nach dem Stand der Technik quasi nicht. Der Bearbeitungsaufwand zur Erstellung dieser ist in den heutigen Leitsystemen nach wie vor unverhältnismäßig hoch. Insbesondere dispositive Geschwindigkeitsvorgaben können nach dem Stand der Technik als Fahrempfehlung nur unzureichend berechnet und übertragen werden. Fahrplantrassen der Prognose oder Disposition sind nach dem Stand der Anwendung nicht knickfrei berechnet. Der Nachweis der fahrdynamischen Fahrbarkeit auch von Konfliktlösungen ist damit nicht gegeben. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, welches im Anschluss an die dispositive Reihenfolgeregelung der Zugfahrten fahrbare, konfliktfreie Fahrplantrassen berechnet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der automatisierten Erarbeitung eines belegungskonfliktfreien Dispositions- und Prognosefahrplans unter Einhaltung der dispositiv angeordneten Zugreihenfolge. Die dabei berechneten Fahrplantrassen sind knickfrei und damit fahrdynamisch fahrbar. Die verschieden Arbeitsschritte des erarbeiteten Verfahrens werden erläutert. An ausgewählten Fallbeispielen erfolgt die Anwendung der beschriebenen Algorithmen.
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Bewertung von Umweltwirkungen aus dem Energieverbrauch des ÖPNV – Entwicklung einer Methode für Variantenvergleiche unter Berücksichtigung der verkehrlichen Wirkungen
(2001) Schmid, Christine
Der Verbrauch von Energie ist mit Umweltbelastungen verbunden, sei es bei der Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren oder bei der Produktion von elektrischem Strom in Kraftwerken. Diese Belastungen sind unterschiedlicher Natur, die wichtigsten werden durch Luftschadstoffe hervorgerufen. Luftschadstoffe schädigen die menschliche Gesundheit, die Vegetation und das Klima. Da jeder Bereich eines Verkehrssystems mit dem Verbrauch von Energie verbunden ist, entsteht im Zusammenhang mit einer Verkehrsinfrastrukturmaßnahme eine Vielzahl von Wirkungen auf die Umwelt. Bei den drei derzeit eingesetzten gesamtwirtschaftlichen Bewertungsverfahren für Verkehrsinfrastrukturinvestitionen wird versucht, diese Wirkungen zu quantifizieren und zu bewerten. Die Quantifizierung erfolgt über die Bilanzierung von Schadstoffemissionen. Bei den EWS wird auch der Versuch unternommen, Immissionen zu ermitteln. Bei den EWS und dem Verfahren zur Aufstellung des BVWP werden ausschließlich direkte Emissionen quantifiziert. Das sind diejenigen Emissionen, die direkt am Fahrzeug bzw. am Kraftwerk entstehen. Bei der standardisierten Bewertung gehen zusätzlich Emissionen, die bei der Bereitstellung von Kraftstoff und Strom entstehen, in die Bilanzierung mit ein. Emissionen, die bei der Bereitstellung von Infrastruktur und Fahrzeugen entstehen, bleiben dagegen bei allen drei Verfahren unberücksichtigt. Die Bewertungssätze sind bei allen Verfahren ähnlich, da sich EWS und Standardisierte Bewertung an dem BVWP-Verfahren orientieren: Mithilfe von Toxizitätsfaktoren werden verschiedene Schadstoffe zusammengefasst zu Schadstoffäquivalenten. Durch eine Erhebung der luftschadstoffbedingten Gesamtschadenssumme eines Jahres und der Ermittlung der zugehörigen Schadstoffemissionen wird ein Kostensatz für Schadstoffäquivalente ermittelt. Mit diesem können die Emissionen bewertet werden, die durch die zu untersuchende Investitionsmaßnahme entstehen. In den Kostensatz gehen Atemwegserkrankungen, Schäden an Wäldern und Feldfrüchten sowie Schäden an Gebäuden mit ein. Unberücksichtigt bleiben weitere Gesundheitsschäden wie solche, die durch hohe Ozonkonzentrationen hervorgerufen werden sowie Krebserkrankungen. Ebenfalls unberücksichtigt bleiben Schäden an der natürlichen Flora und Fauna. Neben klassischen Schadstoffen werden auch CO2-Emissionen bewertet, da diese zu einer Änderung des Weltklimas beitragen. Da die zu erwartenden Schäden derzeit schwer quantifizierbar sind, wird für die Ermittlung der Kostensätze ein Vermeidungskostenansatz herangezogen. In dieser Arbeit wird eine verbesserte Bewertungsmethode entwickelt, die auf die untersuchten Bewertungsmethoden, insbesondere auf die Standardisierte Bewertung, aufbaut. Mit ihr ist es möglich, bei Infrastrukturmaßnahmen des ÖV Variantenvergleiche durchzuführen. Dabei werden neben den antriebsbedingten Emissionen auch Emissionen der Fahrzeug-, Infrastruktur- und Energiebereitstellung berücksichtigt. Für die monetäre Bewertung werden eigene Kostensätze entwickelt. Das Verfahren wird an einem Fallbeispiel demonstriert und dem entsprechenden Teilergebnis gegenübergestellt, das sich aus der Standardisierten Bewertung ergibt. Man erhält als Resultat zwar keine neue Variantenreihung, aber es ergeben sich deutlich andere Gesamtnutzen bzw. -kosten, so dass dem Bereich der Umweltwirkungen gegenüber anderen Nutzenkomponenten ein größeres Gewicht zukommt.
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Detektion von Fehlern am Gleis mittels Frequenzanalyse am Beispiel eines Fahrweg-Fahrzeug-Modells
(2018) Aboul Seoud, Ibrahim
Durch die kontinuierlich steigende Verkehrsleistung im Eisenbahnverkehr erhöht sich auch die Anzahl der gefährlichen Ereignisse. Einige dieser Eisenbahnunfälle könnten durch eine frühzeitige Identifizierung von Fehlern am Fahrweg vermieden werden. Dabei könnte die kontinuierliche Überwachung und Bewertung des Fahrwegzustands in Echtzeit durch an Regel-zügen angebrachten Sensoren erfolgen, wodurch auch eine erhebliche Kostenersparnis und Erhöhung des Fahrkomforts sowie der Sicherheit ermöglicht würde. Zur Erkennung von Feh-lern können typische Frequenzbereiche genutzt werden. Um diese zu generieren wurde am Institut für Eisenbahn- und Verkehrswesen der Universität Stuttgart ein Modell gebaut. Im Modell können Gleisfehler mit unterschiedlichen Geometrien und Steifigkeiten am Fahrweg installiert werden. Zur Fehlerdetektion wurde die vertikale Beschleunigung mit einem Beschleunigungssensor am Fahrzeug erzeugt. Für das Beschleunigungssignal im Bereich von Fehlern wurden dann die Frequenzen analysiert. Der Vorteil des Modells ist, dass die Positionen der Fehler im Modell bekannt sind, wodurch leicht zwischen den einzelnen Fehlern im Mess-schrieb unterschieden werden kann. Um Einzelfehler im Messschrieb bewerten zu können, ist eine Klassifikation der detektierten Fehler notwendig. Im Rahmen der Bachelorarbeit erfolgt deshalb eine Frequenzanalyse zu einzelnen im Modell existierenden Fehlern. Die Messschriebe im Bereich von Fehlern wurden mittels Fast Fourier Transformation, der spektralen Beschleunigungsdichte und der Wavelet-Analyse untersucht. Darauf aufbauend wurde einer Logik zu Detektion der Gleisfehler im Modell entwickelt und mittels der Software Enterprise Architect diese dargestellt. Anschließend wurde diese Logik mit der Software MATLAB umgesetzt und getestet.
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Graphendatenbank-Modell für Infrastrukturdatensätze
(2023) Schuk, Vitali; Martin, Ullrich (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
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Hybrid model for proactive dispatching of railway operation under the consideration of random disturbances in dynamic circumstances
(2017) Zhao, Weiting; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
With the increasing traffic demand and limited infrastructure expansion, railway networks are often operated close to the full capacity, especially in heavily used areas. As a result, the basic timetable is quite susceptible to the operational disturbances, and thereby the propagation and accumulation of delays significantly degrade the service level for customers. To solve this problem, extensive researches have been conducted by focusing on the predefined robust timetables and the real time dispatching algorithm development. However, it has been widely recognized that excessive robust timetables may deteriorate the operating capacity of the railway network and the addition of recovery time and buffer time can be hardly implemented in the congested area. Moreover, most of the conventional dispatching algorithms ignore the further potential random disturbances during the dispatching process, which yield non-implementable dispatching solutions and, as consequences, inferior punctuality and repetitive dispatching actions. To this end, this project aims to develop a new algorithm for real-world dispatching process with the consideration of risk-oriented random disturbances in dynamic circumstances. In the procedure of this project, an operational risk map will be firstly produced: by simulating considerable amount of disturbed timetables with random disturbances generated in a Monte-Carlo scheme and calculating the corresponding expected negative impacts (average total weighted waiting time among all the disturbances scenarios), different levels of operational risk will be assigned to each block section in the studied railway network. Within a rolling time horizon framework, conflicts are detected with the inclusion of risk-oriented random disturbances in each block section, and the near-optimal dispatching solutions are calculated by using Tabu search algorithm. Finally, three indicators including total weighted waiting time, the number of relative reordering and average absolute retiming, are chosen to testify the effectiveness and advantages of the proposed dispatching algorithm. The sensitivity analysis of dispatching-related parameters is conducted afterwards to investigate the most appropriate relevant parameters for the specific studied area. The proposed algorithms are expected to be capable of automatically producing near-optimal and robust dispatching solutions with sufficient punctuality achieved.
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Investigation of form effect on ballast mechanical behavior based on discrete element modeling
(2018) Wang, Bo; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
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Metaheuristic-based dispatching optimization integrated in multi-scale simulation model of railway operation
(2017) Liang, Jiajian; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
The dispatching system serves as an integral component of railway operation control and aims to eliminate the negative impacts of unforeseen events occurred during the operation process. On account of the time-critical decision-making and the associated complexity of the process-integrated dispatching, an acceptable compromise must be found regularly between the processing time of a dispatching task, which is often determined by the computer technology, and the dispatching solution quality. This applies equally to simulation software of railway operation, in order to make the workload of operational investigations acceptable. Accordingly, it is particularly important in the design of dispatching tools to find a good balance between required computation time and sufficient quality of results. With this central goal, a dispatching optimization algorithm was developed in this dissertation, which is based on a widely used metaheuristic algorithm - tabu search - and the integration in a multi-scale simulation model. The approach is based directly on the findings from the DFG project “The influence of dispatching on the relationship between capacity and operation quality of railway systems” and expands these by a universal multi-scale model. The multi-scale simulation model is characterized by continuously scaling, in which railway operation processes are simulated on microscopic, mesoscopic and macro-scopic levels concurrently. For large investigation areas, the relevant areas are pre-sented on microscopic level, while the others are presented on more efficient mesoscopic and macroscopic levels. Furthermore, an assessment method for the multi-scale model was developed to determine the significant values of different in-frastructure elements in the investigation area. Depending on the significant values, the simulation model can migrate continuously between three abstraction levels, so that the computational complexity and the accuracy of simulation results are well-balanced. With the proposed multi-scale simulation model, the sequence of train movements can be determined by the simplest dispatching principle (First Come First Serve) or a predefined dispatching solution. “First Come First Serve” is employed to generate basic dispatching solutions, while predefined dispatching solutions are used to simulate and evaluate optimized solutions. The simulation model-supported tabu search-based algorithm for dispatching optimization is able to optimize the basic solution by a series of dispatching measures iteratively until a satisfactory solution is obtained. It could be proved by means of a reference example that the developed algorithm for dispatching optimization can provide a suboptimal/optimal solution in a limited time.
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Mikroskopische Engpassanalyse bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen
(2015) Li, Xiaojun; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Die Engpassanalyse ist eine der wichtigsten Aufgaben bei eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Leistungsuntersuchungen in allen Planungsphasen, weil die Betriebsqualität und Kapazität der Infrastruktur durch Engpässe im Eisenbahnnetz stark beeinflusst werden können. Da Engpässe häufig in Infrastrukturbereichen mit komplexen Gleisstrukturen entstehen, beschränkt die hiermit verbundene hohe Berechnungskomplexität die Entwicklung in diesem Forschungsgebiet seit längerer Zeit. Mit Unterstützung der modernen Rechentechnik heutzutage kann die Beschränkung durch die Anwendung von passenden Werkzeugen und innovativen Bewertungsansätzen überwunden werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die simulative Methode zur mikroskopischen Engpassanalyse basierend auf einem neuen mikroskopischen Infrastrukturmodell entwickelt, die umfangreiche Aussagen über Engpässe und deren Ursachen unabhängig von der Komplexität der Infrastruktur und des Betriebsprogramms liefert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der mikroskopischen Lokalisierung von Engpässen und Bestimmung von deren Ursachen bei der Nutzung der simulativen Methode. Es wird der Zusammenhang von lokalen Engpässen im Untersuchungsraum und dem globalen Leistungsverhalten aus vorhandenen Forschungsbeiträgen diskutiert und darüber hinaus die Korrelation der Wirkung von Engpässen und den mutmaßlichen Ursachen untersucht. Um die tatsächlichen Ursachen von Engpässen festzustellen, wird die Wirkung der Behinderungsfortpflanzung infolge des Zusammenwirkens von Infrastrukturabschnitten und Zugfahrten in dieser Arbeit berücksichtigt. Dabei wurden wichtige neue Erkenntnisse gewonnen: Zur präzisen Lokalisierung von Engpässen wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der auf einem mikroskopischen Infrastrukturmodell basiert, das insbesondere für die simulative Methode geeignet ist. Bei diesem Ansatz zur Lokalisierung von Engpässen wird der Einfluss der zunehmenden Behinderungen an einzelnen Infrastrukturabschnitten auf das Leistungsverhalten des gesamten Untersuchungsraums berücksichtigt. Die Behinderungen an Engpässen werden mit der Kenngröße „Nicht erfüllbare Belegungswünsche“ (NEB) und deren Zuwachs mit der neuen Kenngröße „NEB-Zuwachsrate“ (Zuwachsrate der Nicht erfüllbaren Belegungswünsche) dargestellt. Die beiden Kenngrößen werden als Kriterien für die Lokalisierung von Engpässen in der vorliegenden Arbeit verwendet. Mit dem Ansatz werden nicht nur wirksame, sondern auch potenzielle Engpässe im Untersuchungsraum identifiziert. Darüber hinaus wird der maßgebende Engpass mit einer hohen, für die praktische Anwendung hinreichenden Wahrscheinlichkeit bestimmt. Um zu beantworten, durch welche Ursachen die lokalisierten Engpässe ausgelöst werden, wird die Fortpflanzung von Behinderungen anhand der Wechselwirkung von Zugfahrten und Infrastrukturabschnitten untersucht. Darauf basierend wurde ein Suchalgorithmus entwickelt, mit dem die tatsächlichen Ursachen der Engpässe entlang der Fahrwege lokalisiert werden können. Auf diese Weise wird festgestellt, wo sich die Ursachen genau befinden und, ob diese durch eine ungeeignete Nutzung der Infrastruktur oder einer mangelhaften Dimensionierung bzw. Gestaltung der Infrastruktur begründet sind. Die Einflussfaktoren auf die Entstehung von Engpässen werden zusammengestellt, und es können geeignete Maßnahmen zur Entschärfung der Engpässe abgeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit, die im Kontext des DFG-Forschungsprojekts „Entwicklung einer simulationsbasierten Methodik zur ursachenbezogenen Engpassbewertung komplexer Gleisstrukturen in spurgeführten Verkehrssystemen unter Berücksichtigung stochastischer Bedingungen“ entstanden ist, wird die vorhandene makroskopische Bewertung bei Leistungsuntersuchungen mit der neu entwickelten mikroskopischen Engpassanalyse ergänzt, so dass eine allgemeingültige umfassende Leistungsuntersuchung innerhalb eines Bewertungsprozesses möglich ist.
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Modeling of various mixed traffic zones for evaluation of operating performance on urban rail-bound networks
(2017) Liu, Di; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
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Modell zur Identifizierung von punktuellen Instabilitäten am Bahnkörper in konventioneller Schotterbauweise
(2017) Rapp, Sebastian; Ullrich, Martin (Prof. Dr.-Ing.)
Die Existenz von punktuellen Instabilitäten - sogenannten Schlammstellen - am Bahnkörper in Schotterbauweise ist seit Beginn des Eisenbahnbaus bekannt. Durch das Aufweichen des bindigen Bodens im Unterbau / Untergrund sowie das Aufsteigen von feinkörnigem Bodenmaterial unter Verkehrsbelastung kann sich die Tragfähigkeit und damit einhergehend die Gleislage in kurzem Zeitraum rapide verschlechtern. Um die Steifigkeits- sowie die Dämpfungsverhältnisse am Bahnkörper rechtzeitig vor einer einsetzenden signifikanten Schädigung zu erfassen, sind bislang Aufschlüsse mittels Bohrungen notwendig, die einen erhöhten Aufwand hervorrufen. Eine zerstörungsfreie Prüfung am Bahnkörper ist jedoch bis jetzt nicht befriedigend möglich. Gerade die kontinuierliche Erfassung des Qualitätszustands eines Bahnkörpers, besonders nach einer Instandsetzungsmaßnahme aufgrund einer punktuellen Instabilität oder deren Erkennung, verlangt eine für die Praxis leicht anwendbare sowie zerstörungsfreie Methode, die idealerweise auch im laufenden Betrieb nutzbar ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines theoretischen Verfahrens zur zerstörungsfreien Erfassung der Bodenverhältnisse am Bahnkörper in konventioneller Schotterbauweise sowie der Modellierung einer punktuellen Instabilität als periodischer Längshöhenfehler.
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Modellierung der Wartezeitfunktion bei Leistungsuntersuchungen im Schienenverkehr unter Berücksichtigung der transienten Phase
(2014) Chu, Zifu; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Hohe Investitionen beim Ausbau der Eisenbahninfrastruktur und eine begrenzte extensive Erweiterbarkeit des Netzes erzwingen eine Verbesserung der Effizienz des Bahnbetriebs, die gleichzeitig dessen steigende Qualitätsansprüche berücksichtigt. Deswegen ist die Ableitung einer optimalen Auslastung, mit der einerseits die Eisenbahninfrastruktur möglichst stark ausgenutzt wird und andererseits die Betriebsqualität das erwünschte Niveau erreicht, seit langer Zeit Forschungsgegenstand in der Eisenbahnbetriebswissenschaft. Dabei sind die simulative und die analytische Methode zwei übliche Ansätze. In der vorliegenden Arbeit wird die simulative Methode zur Bestimmung der Wartezeitfunktion sowie des optimalen Leistungsbereichs, die von Hertel (1992) entwickelt und von Schmidt (2009) verbessert wurde, weiterentwickelt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der realitätsnahen Modellierung des Eisenbahnbetriebs bei der Nutzung der simulativen Methode. Die Beibehaltung des Betriebsprogramms als Randbedingung der Modellbildung wird diskutiert. Darüber hinaus wird durch die explizite Betrachtung der transienten Phase in der Simulation ein entscheidender Effekt, der bei der Modellierung des Eisenbahnbetriebs bislang nicht hinreichend berücksichtigt ist, untersucht. Die Wirkungen der transienten Phase auf die unterschiedlichen Kenngrößen (durchsatzbezogene Leistungsfähigkeit sowie optimaler Leistungsbereich) werden in dieser Arbeit mit einbezogen. Dabei wurden wichtige neue Erkenntnisse gewonnen: - Der neu entwickelte Algorithmus "Dynamisierung der Zeitscheiben mit exakter Zugzahl" kann für die künftige Fahrplanverdichtung bei Leistungsuntersuchungen zielführend genutzt werden. Durch die "Dynamisierung der Zeitscheiben" kann nicht nur eine Zufälligkeit des Fahrplans generiert, sondern auch das als Randbedingung der Untersuchung vorgegebene Betriebsprogramm (Zugmix) beibehalten und somit eine hinreichende Ordnung des Fahrplans gewährleistet werden. - Zur Bestimmung der durchsatzbezogenen Leistungsfähigkeit wurde ein neuer Ansatz entwickelt, mit dem die Wirkungen der transienten Phase in Form eines Zuschlages berücksichtigt werden. Der Zuschlag wird anhand einer neu entwickelten Modellfunktion und der Einflussfaktoren der transienten Phase ermittelt. - Eine neue Modellfunktion der Wartezeitfunktion, die bei der Anpassung der Simulationsergebnisse mathematisch beherrschbar ist und ein höheres (korrigiertes) Bestimmtheitsmaß als die bisher verwendete Modellfunktion besitzt, wurde unter Berücksichtigung der Wirkungen der transienten Phase entworfen. Aus der so bestimmten Wartezeitfunktion gewinnt der optimale Leistungsbereich, der unmittelbar von der Wartezeitfunktion abhängig ist, eine höhere Genauigkeit und Aussagekraft. In der vorliegenden Arbeit, die im Kontext des DFG-Projekts "Direkte experimentelle Bestimmung der maximalen Leistungsfähigkeit bei Leistungsuntersuchungen im spurgeführten Verkehr" entstand ist, wird das Verfahren zur Leistungsuntersuchung nach Hertel (1992) methodisch weiterentwickelt. Die Umsetzung der Erkenntnisse in den gegenwärtig genutzten Werkzeugen zur Leistungsuntersuchung erhöht die Genauigkeit und Aussagekraft der Untersuchungsergebnisse gerade auch in solchen Fällen, bei denen die große Spannweite der Ergebnisse bislang zusätzlich eine aufwendige Interpretation bzw. vertiefte Betrachtungen erforderte.
Open Access
Modellierung des Zeitbedarfs für Verkehrshalte im spurgeführten Personenverkehr
(2021) Uhl, Johannes; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Die aktuellen Entwicklungen rund um die Haltezeiten der Züge in den Stationen stellen die Betriebsplanung sowie Betriebsführung im Bereich des spurgeführten Verkehrs vor beträchtliche Herausforderungen. Für eine effiziente Nutzung der Infrastruktur und eine zufriedenstellende Betriebsqualität wird dabei eine Kenntnis der zu erwartenden mittleren Haltezeiten wie auch ihrer Variationsbreite immer bedeutender. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein Modell zur linienbezogenen Prognose von Verkehrshaltezeiten in spurgeführten Verkehrssystemen entwickelt. Hierzu werden zunächst die zentralen Einflussfaktoren der Haltezeit sowie deren Zusammenhänge strukturiert dargestellt und quantifiziert. Dabei wird besonders auf das bei einer situativen Zugfolgezeit zu erwartende Fahrgastaufkommen, die Verteilung der Ein- und Aussteiger auf die Fahrzeugtüren sowie die resultierenden Fahrgastwechselzeiten vertieft eingegangen. Auf dieser Basis erfolgt dann - unter anderem mittels bedienungstheoretischer Ansätze - eine Modellierung der Verteilungsfunktion des für den Fahrgastwechsel sowie die hierfür erforderlichen vor- und nachgelagerten Prozesse anzunehmenden Zeitbedarfs. Der postulierte Ansatz ermöglicht eine hohe Prognosegüte und beschränkt sich hinsichtlich des Datenbedarfs auf typischerweise in Verkehrsunternehmen verfügbare Daten.
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Optimization of schedules with heterogeneous train structure in planning of railway lines
(2019) Kim, Hyoung June; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)
Open Access
Probabilistic analysis of crack growth in railway axles using a Gaussian process
(2020) He, Jiajie; Cui, Yong; Liu, Yusun; Wang, Hui
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PULSim: user-based adaptable simulation tool for railway planning and operations
(2018) Cui, Yong; Martin, Ullrich; Liang, Jiajian
Simulation methods are widely used in the field of railway planning and operations. Currently, several commercial software tools are available that not only provide functionality for railway simulation but also enable further evaluation and optimisation of thenetwork for scheduling, dispatching, and capacity research. However, the various tools are all lacking with respect to the standards they utilise as well as their published interfaces. For an end-user, the basic mechanism and the assumptions built into a simulation tool are unknown, which means that the true potential of these software tools is limited. One of the most critical issues is the lack of the ability of users to define a sophisticated workflow, integrated in several rounds of simulation with adjustable parameters and settings. This paper develops and describes a user-based, customisable platform. As the preconditions of the platform, the design aspects for modelling the components of a railway system and building the workflow of railway simulation are elaborated in detail. Based on the model and the workflow, an integrated simulation platform with open interfaces is developed. Users and researchers gain the ability to rapidly develop their own algorithms, supported by the tailored simulation process in a flexible manner. The productivity of using simulation tools for further evaluation and optimisation will be significantly improved through the useradaptable open interfaces.