02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access 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.Item 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.Item Open Access Modeling of various mixed traffic zones for evaluation of operating performance on urban rail-bound networks(2017) Liu, Di; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Die Zukunft des Verkehrs(2000) Heimerl, GerhardWenn Menschen einander näherkommen wollen, dann ist dazu ein intaktes Verkehrssystem erforderlich. Gleiches gilt analog für die Versorgung der Menschen, also für den Gütertransport, für Handel, Gewerbe und Produktion. Diese Grundbedürfnisse bestehen seit Beginn der Menschheitsgeschichte. Die Reichweite der menschlichen Beziehungen hängt von den verfügbaren Transportmöglichkeiten ab – vom Zu-Fuß-Gehen über den Einsatz von Reit- und Lasttieren bis zum ersten Fahrzeug, das mit der Erfindung des Rades durch die Sumerer möglich wurde. Bis zum 19. Jahrhundert hat sich über viertausend Jahre keine revolutionäre Veränderung ergeben. Erst mit der Dampfmaschine und der Eisenbahn, sodann dem Verbrennungsmotor und dem Automobil und schließlich mit dem Luftverkehr haben wir innerhalb von 150 Jahren Verkehrsmöglichkeiten geschaffen, die zu einer enormen Ausweitung der Verkehrsnachfrage im Personen- und Güterverkehr, im Nah- und Fernverkehr geführt haben. Zwischen Nachfrage und Angebot besteht bekanntlich ein sehr enger interdependenter Zusammenhang; gleiches gilt auch im Verkehrswesen.Item Open Access 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.Item Open Access Probabilistic analysis of crack growth in railway axles using a Gaussian process(2020) He, Jiajie; Cui, Yong; Liu, Yusun; Wang, HuiItem Open Access 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.Item Open Access Track data-oriented maintenance intervention limit determination for ballasted light rail tracks through multibody simulations(2019) Camacho Alcocer, David; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)Light rail trains (LRT) form an important part of public transport. However, due to the high life-cycle costs, light rail systems are not always considered a suitable solution. One way to reduce life cycle costs is in the area of maintenance management. The maintenance of light rail tracks is based on the experience of the infrastructure managers and focuses on preventive and corrective maintenance. The current track condition is not always sufficiently considered, which means there are hardly any possibilities for optimizing costs. In particular, tolerance and limit values for maintenance measures applicable to light rail systems have not yet been defined or adequately analyzed. Instead, limits are taken from the regular railway guidelines, which means that adequate intervals for maintenance and repair measures are not possible. Tolerances and limits for light rail systems should be based on vehicle reactions, which in turn depends on the current track quality. This would permanently lead to a track condition which allows an operation that is comfortable for the passenger or economically profitable for the infrastructure manager. The focus of this work is on the evaluation of the track geometry of LRT tracks, for which, based on the vehicle reaction, tolerance and limit values for maintenance measures are determined. Since data for sections in very bad condition were not available, artificially poor track conditions are generated by a successive increase of the signal amplitudes within the frequency range of the measured track geometries. The track measurement data is imported into a multi-body simulation software and the vehicle response is calculated on the passage of selected sections for a running time of five minutes. Then the vehicle reaction is evaluated on the basis of the passenger comfort, the track loading and the derailment coefficient, and the quality of the track position is determined. The load on the track body calculated by the multi-body simulation does not exceed permissible limits in comparison to the comfort value and the derailment coefficient. To better illustrate the tolerances and limits for light rail systems derived from the vehicle reaction, a track geometry index is introduced. The Track Geometry Index allows a track manager to visualize the deterioration of the track layout and to divide it into different quality levels. The quality levels help infrastructure managers to determine the time for repair measures in a scheduled manner. Two LRT lines are examined in detail using the method developed here. The result indicates that the routes considered in this work were repaired too early. Future work should detect irregularities in the road through continuously measured accelerations on the vehicle and in the track. In addition, acceleration data can then also be used for the assessment of longer sections of the route using the approach developed here.Item Open Access 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.Item Open Access Detektion von Fehlern am Gleis mittels Frequenzanalyse am Beispiel eines Fahrweg-Fahrzeug-Modells(2018) Aboul Seoud, IbrahimDurch 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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