Optimization of running profiles in the guided land transport and their realization

Der Bewegung von Schienenfahrzeugen auf einem Bahn-Infrastrukturnetz sind durch vorgegebene Randbedingungen wie Höchstgeschwindigkeiten, Signalstellungen, Fahrzeugvermögen, Fahrplan und Betriebsvorgaben Grenzen gesetzt. Innerhalb dieser Grenzen sind die Fahrten jedoch mit unterschiedlichen Fahrweisen oder Fahrstrategien realisierbar. Mit der Wahl einer geeigneten Fahrweise kann der Energieverbrauch gesenkt, der Verschleiß sowie die Lärmbelastung verringert, die Pünktlichkeit gesteigert und der Streckendurchsatz erhöht werden. Diese Ziele müssen sich nicht gegenseitig ausschließen, sondern können häufig gemeinsam erreicht werden. Wird jedes dieser Ziele situationsabhängig mit einer Priorität versehen, kann durch eine dafür geeignete Fahrweise ein Gesamtoptimum erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst die Grundlagen zu Fahrweisen und die Einflüsse von Fahrzeug, Infrastruktur, Leit- und Sicherungstechnik sowie des Fahrplanes auf die Fahrweise analysiert. Der wichtige Bereich der Realisierung einer Fahrweise wird durch die Beschreibung einer typischen Fahrzeugsteuerung, eines typischen Fahrtverlaufes sowie der Einflüsse von Triebfahrzeugführer und der Systeme zum automatischen Fahren abgedeckt. Die theoretischen Grundlagen zur Optimierung von Fahrweisen werden anhand der energiesparsamen Fahrweise erläutert. Hierzu werden die grundlegenden Algorithmen für unterschiedliche Einsatzgebiete hergeleitet und analysiert. Zur Umsetzung von theoretisch ermittelten Fahrweisen im realen Betrieb werden Systeme zur Berechnung und Anzeige von Fahrempfehlungen eingesetzt (Advice Systeme). Neben den Aufgaben und dem prinzipiellen Aufbau dieser Systeme werden auch verschiedene realisierte oder in Entwicklung befindliche Systeme vorgestellt. Im Anschluss daran wird ein Leitfaden zur Entwicklung eines Advice Systems entwickelt. Wichtige Kriterien zur Bewertung von Fahrten und Fahrweisen werden aus der Auswertung von aufgezeichneten oder simulierten Fahrten gewonnen. Die Anforderungen an die Auswertung und deren Methoden werden erarbeitet und an Beispielen demonstriert. Zur wirtschaftlichen Bewertung von Advice Systemen wird ein Einblick in die Wirtschaftlichkeitsrechnung für solche Systeme gegeben. Die Einführung und Bewertung von Advice Systemen wird anhand einer typischen Abfolge und eines Beispiels für den Nahverkehr ausführlich dargelegt. Es wird gezeigt, dass moderne Advice Systeme in der Lage sind, die an sie gestellten Forderungen zur Optimierung der Fahrweise zu erfüllen und dass durch gezielte Schulung der Triebfahrzeugführer eine hohe Akzeptanz erreicht werden kann. Neben der technischen Machbarkeit wird die Wirtschaftlichkeit als bestimmendes Entscheidungskriterium identifiziert, denn diese ist nicht zwangsläufig gegeben und muss für jeden Anwendungsfall explizit nachgewiesen werden. Ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Systeme zur Optimierung von Fahrweisen schließen diese Arbeit ab.The motion of trains on a railway infrastructure is limited by given conditions such as maximum speed, signalling, engine power and the timetable as well as operational instructions. Nevertheless different kinds of driving strategies are possible within these limitations. By selecting an appropriate running profile, traction energy can be lowered, punctuality can be improved, wear and tear as well as noise pollution can be reduced and the throughput can be increased. These objectives are not necessarily mutually exclusive, but can frequently be achieved together. If each of these objectives is provided with a situation-dependent priority, a total optimum can be achieved by a suitable running profile. In the context of this work, first the basics of running profiles and the influences of vehicle, infrastructure, railway operation and control systems as well as the timetable on the running profiles are analyzed. The important topic of the realization of a running profile is covered by the description of a typical vehicle control, a typical travel process as well as the influences of the engine driver and of automatic driving systems. The fundamentals for the optimization of running profiles are described exemplary by the energy-economical running profile. For this the fundamental algorithms for different operational fields are deduced and analyzed. The realization of theoretically determined running profiles in operation is done by advice systems which compute and announce driving recommendations to the driver. In addition to the tasks and the structure of such systems some realized and developmental advice systems are presented. Subsequently, a guide for the development of an advice system is derived. Important criteria for the assessment of drives and running profiles are extracted from the evaluation of recorded or simulated drives. The requirements on the evaluation and their methods are developed and demonstrated by examples. After that a general guideline in economic evaluation of an advice system is given. The introduction and evaluation of Advice systems are stated in detail based on a typical implementation process and an example of the suburban traffic. It is shown that modern advice systems are able to fulfil the requirements in optimization running profiles and that calculated training of drivers can achieve a great acceptance. Apart from the technical feasibility economy is identified as determining decision criterion, because this is not inevitably given and must be proven for each application explicitly. An outlook on future developments and future advice systems conclude this work