Verkehrsabhängige Betriebsführung Bei Stadtschnellbahnen
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Verkehrsabhängige Betriebsführung bei Stadtschnellbahnen Dipl.-Ing. Christine Große Berlin 2003 D 83 Verkehrsabhängige Betriebsführung bei Stadtschnellbahnen vorgelegt von Diplom-Ingenieurin Christine Große Berlin Von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dipl.-Ing. H. Linde Berichter: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann Berichter: Prof. Dr.-Ing. M. Hecht Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 26. August 2003 Berlin 2003 D 83 Danksagung Ich danke allen ganz herzlich, die zum Gelingen meiner Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. habil. Jürgen Siegmann, der meine Dissertation von der Themenfindung bis zur Fertigstellung fachlich begleitet hat. Insbesondere danke ich für die konstruktiven Ratschläge und für die in den letzten Monaten der Erstellung gewährte Entlastung von anderen Aufgaben am Fachgebiet. Herzlich danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Markus Hecht für die Übernahme der Funktion eines Zweitberichters in meinem Promotionsverfahren. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dipl.-Ing. Horst Linde für die Übernahme des Vorsitzes im Prüfungsverfahren. Ein ganz besonderer Dank gilt Frau Dr.-Ing. Heike Twele, die meine Dissertation durch sehr konstruktive, fachliche Diskussionen und Ratschläge begleitete und mich stark zur Weiterarbeit motivierte. Sie nahm sich viel Zeit für meine Probleme und die Korrekturen mehrerer Versionen der Arbeit und hat damit wesentlich zum Gelingen der Promotion beigetragen. Ebenfalls bedanke ich mich ganz herzlich bei cand. ing. Hannes Franzmeier, der auf Basis meiner Ideen das Simulationsprogramm erstellte. Er zeigte einen bemerkenswerten Einsatz und eine hohe Motivation bei der Umsetzung so vieler Ideen wie möglich in der Simulation. Die Unterstützung und Motivation durch meine Familie gaben mir zusätzlichen Rückhalt. Christine Große Vorwort Der Schienenverkehr kann angesichts der sich verändernden gesellschaftlichen Rahmenbedingungen immer weniger seine Bündelungsfähigkeit vorteilhaft zur Geltung bringen. Starre Taktkonzepte sind im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit und Bedienungsfrequenz / Wartezeitminimierung oftmals nicht mehr eine zukunftsfähige Lösung. Die Automatisierung von Stadtschnellbahnen bietet die Möglichkeit, ohne Sprungkosten für das Personal die Bedienungsfrequenz drastisch anzuheben. Noch besser ist eine verkehrsabhängige Betriebsführung, die nur dann Kapazität bereitstellt, wenn diese gebraucht wird. Frau Dr. Große hat in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren erarbeitet, mit dem eine derartige verkehrsabhängige Betriebsführung durchleuchtet werden kann. Sie hat dabei die Komplexität des Themas sehr gut strukturiert und einer Lösung zugeführt. Die Arbeit profitiert von einer sehr guten Kooperation mit der BVG im Rahmen eines Lehrauftrages an Herrn Kaiser. Frau Dr. Große hat auch ihre Erfahrungen aus fünfjähriger Lehrtätigkeit an meinem Fachgebiet Schienenfahrwege und Bahnbetrieb einfließen lassen. Es ist zu hoffen, dass die Arbeit dazu beiträgt, die kritische Wirtschaftlichkeit automatischer Stadtschnellbahnen anzuheben, so dass die noch zaghaften Schritte in dieser Richtung in Deutschland (Nürnberg, Berlin, Frankfurt u.a.) intensiviert werden. Immerhin erhalten die Kunden mit einer verkehrsabhängigen Betriebsführung eine bessere Bedienungsqualität. Berlin, im September 2003 Prof. Dr.-Ing. habil. J. Siegmann Verkehrsabhängige Betriebsführung bei Stadtschnellbahnen Christine Große Kurzfassung Das Angebot bei konventionellen Schienenverkehrsmitteln ist langfristigen Fahrgastverläufen angepasst, die in Form von Tagesganglinien dokumentiert werden. Auf kurzfristige Anstiege in der Fahrgastnachfrage, die in Folge schlechter Witterung oder bei Großveranstaltungen auftreten können sowie auf Nachfragerückgänge infolge Urlaubszeiten oder starker Umsteigerzahlen auf das Fahrrad kann nur unzureichend reagiert werden. Damit stoßen konventionelle Schienenverkehrsmittel bezüglich ihrer Flexibilität an enge Grenzen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, welches auf schwankende Fahrgastströme reagiert und das Angebot der eingesetzten Fahrzeuge zum Transport der Fahrgäste kontinuierlich optimiert. Somit wird ein erhöhter Auslastungsgrad der eingesetzten Fahrzeuge über den Betriebstag erreicht. Die Auslastung über die Zeit und die Strecke kann in Form des Verkehrswirkungsgrades als Quotient aus Verkehrsleistung (Personenkilometer pro Zeiteinheit) zur Betriebsleistung (Platzkilometer pro Zeiteinheit) ausgedrückt werden. Die flexible Einsatzplanung wird dadurch effizienter, dass von einer automatischen Betriebsführung im Sinne von MTO (manless train operation) ausgegangen wird – die Züge verkehren demzufolge ohne Fahrer und Begleiter. Basis des entwickelten Verfahrens der verkehrsabhängigen Betriebsführung ist eine permanente Erfassung der Zahl der Fahrgäste im System. Das entwickelte Verfahren besteht aus vier mathematisch formulierten Einsatzstrategien für: · Linien mit Anfangsbahnhöfen mit starker Fahrgastnachfrage · Linien mit einem Anfangsbahnhof mit geringer Fahrgastnachfrage · Verstärkerzüge auf verkürztem Linienweg · Dispositionszüge zur Sicherstellung einer ausreichenden Fahrzeugverfügbarkeit in den Depots. Aus diesen Elementen lassen sich unterschiedliche Strategien zusammensetzen, so dass die meisten realen Stadtschnellverkehrsstrecken mit dem Verfahren optimiert werden können. Mittels einer Simulation, die den Betriebsablauf auf einer realen Beispielstrecke, der für eine Automatisierung vorgesehenen Berliner U-Bahn-Linie U5, bei unterschiedlichen Randbedingungen darstellt, konnten die Funktionsfähigkeit des Verfahrens und seine Potenziale hinsichtlich des Verkehrswirkungsgrades nachgewiesen werden. Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis iv Tabellenverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1. Einleitung 1 2. Problemstellung 2 3. Nachfragecharakteristik 4 3.1 Verkehrszwecke 4 3.2 Nachfragesensitivitäten 4 3.3 Nachfragezeiten 6 3.4 Einfluss der soziodemografischen Aspekte auf die Verkehrsmittelwahl 8 4. Angebotsbemessung 9 4.1 Bemessung des Leistungsangebotes 9 4.2 Randbedingungen der Angebotsplanung 11 4.3 Bedienungsformen im öffentlichen Verkehr 13 4.4 Grenzen der Reaktionsfähigkeit auf schwankende Nachfrage 16 4.5 Anforderungen der Kunden und Betreiber an Stadtschnellverkehrssysteme 17 5. Ausprägungen und Randbedingungen der verkehrsabhängigen Betriebsführung 20 5.1 Zielstellung der verkehrsabhängigen Betriebsführung 20 5.2 Wirtschaftliche und betriebliche Randbedingungen 20 5.2.1 Wirtschaftliche Randbedingungen 20 5.2.2 Fahrpersonal 21 5.3 Ausprägungsarten verkehrsabhängiger Betriebsweisen 22 5.3.1 Flügelzüge 23 5.3.2 Verkehrsabhängige Bedienung von schwach ausgelasteten Linienenden 24 5.3.3 Expresszüge 27 5.3.4 Taktgebundenes Grundangebot mit Verstärkerzügen 29 5.3.5 Verkehrsabhängiger Betrieb ohne Grundtakt 30 5.3.6 Vergleich der Ausprägungsarten der verkehrsabhängigen Betriebsführung30 5.4 Weiterführende Konzepte der verkehrsabhängigen Betriebsführung 31 5.4.1 Einsatz unterschiedlicher Zuggrößen in geplanter Folge 31 5.4.2 Einsatz flexibler Zuggrößen nach dem aktuellen Bedarf 33 5.5 Randbedingungen eines automatischen Betriebes 34 5.5.1 Technische und betriebliche Voraussetzungen an Fahrzeugen und Infrastruktur 35 5.5.2 Gefahrraumüberwachung und Abfertigung 36 5.5.3 Zugbildung und Zugtrennung 37 5.6 Vorteile der Automatisierung aus Sicht der Kunden und Betreiber 38 5.7 Beispiele automatischer Stadtschnellverkehrssysteme 38 5.7.1 Frankreich 39 5.7.2 Deutschland 40 i 6. Automatische Erfassung von Fahrgastzahlen 43 6.1 Erfassung am Zugangs- und Wartebereich des Bahnhofes 43 6.2 Erfassung in den Fahrzeugen 45 6.3 Gegenüberstellung der Möglichkeiten der Fahrgasterfassung 50 7. Verfahren zur Ermittlung der Zugfolgezeiten und Zuggrößen für stark frequentierte Anfangsbahnhöfe 52 7.1 Randbedingungen 52 7.2 Herleitung der Berechnungsformeln für Linien mit hoher Auslastung der Züge am Anfangsbahnhof 53 7.3 Berücksichtigung sehr starker Fahrgastzahlanstiege in der morgendlichen HVZ 57 7.4 Berücksichtigung der Verfügbarkeit von Fahrzeugen durch Einbeziehung der eintreffenden Fahrzeuge aus der Gegenrichtung – Depotverfügbarkeit 60 7.5 Abstellen von Zügen 62 7.6 Maßnahmen zur Optimierung des Verkehrswirkungsgrades 62 7.7 Optimierung der Abfahrtszeiten vor dem Taktzug 65 8. Verfahren zur Ermittlung der Zugfolgezeiten und Zuggrößen für schwach frequentierte Anfangsbahnhöfe 69 9. Kapazitätsanpassung des Fahrzeugangebotes an die Nachfrage an Zwischenhaltepunkten / Verstärkerzüge auf verkürztem Linienweg 74 9.1 Einsatz von Verstärkerzügen auf verkürztem Linienweg bei zwei unterschiedlich stark belasteten Streckenabschnitten 74 9.2 Entlastung eines überfüllten Haltepunktes 78 9.3 Linienkürzung 80 9.4 Diskussion der Akzeptanz 81 10. Wahl von Ausprägungsart und Beispielstrecke für vertiefende Betrach- tung der verkehrsabhängigen Betriebsführung 83 10.1 Wahl der Ausprägungsart der verkehrsabhängigen Betriebsführung 83 10.2 Wahl der Beispielstrecke 83 10.3 Vorstellung der Beispielstrecke 84 10.4 Eingesetzte Fahrzeugtypen 86 10.5 Verkehrliche und betriebliche Charakteristika der U5 87 10.6 Auslastung 88 10.7 Bedeutung der Haltepunkte der U5 89 10.8 Kapazitäten in verschiedenen Verkehrszeiten 91 10.9 Verkehrswirkungsgrad beim konventionellen U-Bahn-Betrieb 93 11 Anwendung des Verfahrens der verkehrsabhängigen Betriebsführung auf die U-Bahn-Linie U5 der