Planung von Produktionsstrukturen im Schieneng�terverkehr
Leitweg/GIS setzt neue Ma�st�be f�r eine intuitive Bearbeitung
Zusammenfassung
Das Leitweg/GIS dient als Planungsinstrument f�r den
Schieneng�terverkehr. Die Bearbeitung von Leitwegen ist in der Einsatzplanung der Bahn
ein �u�erst komplexes Thema. Unzureichende Bearbeitungsm�glichkeiten riefen den Wunsch
nach einem intuitiv und einfach zu bedienenden Systems hervor. Die Integration in ein
geographisches Informationssystem bot sich aufgrund der geograpischen Struktur der
Leitwege an.
Ein Leitweg ist eine zielgerichtete Verbindung zwischen
zwei Bahnh�fen. In den seltensten F�llen wird eine Verbindung durch einen durchgehenden
Zug bedient. Vielmehr wird im Allgemeinen der Transport in einem mehrstufigen Sammlungs-
und Verteilungsproze� verfolgen, wodurch sich komplexe Leitwegstrukturen ergeben.
Das Leitweg/GIS stellt jeden Bahnhof als Punkt in einem
Bezugssystem dar. Erg�nzend dazu k�nnen Karten (z.B. L�ndergrenzen) im Hintergrund
plaziert werden. Per Mausklick k�nnen den Bahnh�fen spezifische Funktionen
(Quellbahnhof, Zielbahnhof) zugewiesen werden. Leitwege, sowie Leitwegsterne und
Leitwegstrukturen k�nnen daraufhin angezeigt werden. Zur Bearbeitung geh�rt das �ndern
von Leitwege unter Ber�cksichtigung bestimmter Kriterien, ebenso wie das Hinzuf�gen und
L�schen von Bahnh�fen.
1 concept software gmbh
1.1 Das Unternehmen
concept software gmbh wurde 1997 gegr�ndet. Der Firmensitz
ist in Berlin, ein weiteres Projektb�ro wurde 1999 in Frankfurt er�ffnet. Derzeit
besch�ftigt concept software 22 Mitarbeiter aus den Bereichen Informatik, Mathematik und
Geoinformatik.
1.2 Schwerpunkte Logistik und GIS
Der Schwerpunkt von concept software liegt bei der
Softwareentwicklung, speziell auf der Realisierung von Informations- und Planungssystemen
aus den Bereichen Verkehrswesen, Logistik und Geographische Informationssystemen (GIS).
Bei nationalen und internationalen Projekten �bernimmt concept software die
Kundenberatung und das Projektmanagement, sowie die Systemanalyse, Softwareentwicklung und
Anwenderschulung.
Die von concept software entwickelte Anwendungssoftware aus
dem Bereich Verkehrswesen sind Planungs- und Auskunftssysteme, die auch Optimierung,
Routing und Simulation enthalten. Zunehmend werden diese Komponenten in GIS-basierte
Applikationen integriert, um den Nutzerkomfort und die �bersichtlichkeit �ber die zum
Teil sehr komplexen Datenbest�nde zu erh�hen.
1.3 GIS-basierte Anwendung f�r den
Schieneng�terverkehr
concept software erstellte im Zeitraum von ca. zehn Monaten
das GIS-basierte Planungssystem Leitweg/GIS, welches zur Planung von Produktionsstrukturen
im Schieneng�terverkehr dient, und derzeit bei den �sterreichischen Bundesbahnen im
Einsatz ist.
2 Infrastrukturplanung der Bahn im Schieneng�terverkehr
2.1 Allgemeines Transportsystem Schieneng�terverkehr
Die Bahnen sind europaweit die gr��ten
Transportunternehmen. Die Gesellschaften der einzelnen Staaten (Deutsche Bahn AG,
�sterreichische Bundesbahnen, etc.) arbeiten in partnerschaftlicher Kooperation
miteinander, sind jedoch in einigen Bereichen auch konkurrierend. Bedingt durch eine
Verkehrspolitik, die dem Ausbau der Infrastruktur des Stra�en- und
Binnenschifffahrtsnetzes Vorrang einr�umt, arbeitet die Bahn seit Jahrzehnten im
defizit�ren Bereich. Hierbei mu� jedoch zwischen den Sektoren Personenbef�rderung und
G�terverkehr unterschieden werden. Im Personenverkehr konnte sich die Bahn in der
Angebotsl�cke zwischen Pkw und Flugzeug durch die Entwicklung neuer Technologien und
Konzepte, wie z.B. ICE-Netz und Hochgeschwindigkeitsverkehr, in einem wichtigen
Marktsegment etablieren.
Demgegen�ber verzeichnet die Bahn im Schieneng�terverkehr
trotz steigendem Gesamttransportvolumen einen R�ckgang der Aufkommensmengen. Dies ist
nicht zuletzt auf die Strukturentwicklung der transportierten G�ter zur�ckzuf�hren.
W�hrend der Anteil an Masseng�tern stagniert, nimmt der Transportanteil kleinerer
Sendungsgr��en in h�heren Sendungsfrequenzen weiter zu. In diesem Bereich, der ein
hohes Ma� an Flexibilit�t erfordert, ist die Bahn aufgrund ihrer Infrastruktur dem
System LKW-Stra�e unterlegen. Angesichts dieser Situation ist es notwendig, die Effizienz
des Produktionsapparats zu steigern und das Leistungsangebot auf Marktbereiche
auszurichten, die wirtschaftlich erschlie�bar sind.
2.2 Das Leitwegsystem und dessen Grundlagen
Die Abwicklung des Schieneng�terverkehrs erfolgt bei allen
Bahnen �ber die Bahnh�fe. Diese sind durch ein bestimmtes Bezeichnungssystem
gekennzeichnet.
Die niedrigste Ebene in diesem Bezeichnungssystem
charakterisiert die sogenannten Netzpunkte. Die Netzpunkte k�nnen durch Fahrplan-
Abk�rzungen / G�terwagenstellpl�tze bei der Deutschen Bahn AG, oder durch Knotenpunkte
des Streckengraphen bei den �sterreichischen Bundesbahnen gekennzeichnet sein.
Die n�chst �bergeordnete Struktur stellen die
Richtzahlbahnh�fe dar. Ein Richtzahlbahnhof kann mehreren Netzpunkten �bergeordnet sein.
Die Richtzahlbahnh�fe stellen die Grundlage f�r die Darstellung der Leitwege dar.
Zwischen jedem Paar von Richtzahlbahnh�fen kann eine
Verkehrsverbindung bestehen. Diese Verkehrsverbindung wird als Leitweg bezeichnet.
Tats�chlich durchg�ngige Z�ge, also direkte Verbindungen zwischen zwei
Richtzahlbahnh�fen, werden als Zugbildung bezeichnet. Die Zugbildung ist die kleinste
streckenbezogene Planungseinheit. Im Allgemeinen wird der Transport in einem mehrstufigen
Sammel- und Verteilprozess erfolgen.
Leitwege und Zugbildungen sind geographische Strukturen.
Sie sind an spezifische Orte wie Versand-, Empfangs- und Umstellbahnh�fe gebunden, die
genau definiert und mit geographischen L�ngen- und Breitenangaben belegt sind. Ein
Leitweg gibt an, wie ein G�terwagen von seinem Aufkommensort (Quelle) zu seinem
Bestimmungsort (Ziel) verfahren werden soll und wie viele Umstellungen daf�r erforderlich
sind. Leitwege sind immer zielgerichtet, d.h. in einem Bahnhof ist f�r alle Wagen einer
Zielrichtung unabh�ngig von ihrem bisherigen Transportweg der gleiche Leitweg festgelegt.
Ein l�ngerer Leitweg enth�lt daher immer mehrere k�rzere Leitwege.
3 Leitweg/GIS
3.1 Zielsetzung
Das Leitweg/GIS wurde mit der Zielsetzung realisiert, dem
Planer ein Werkzeug an die Hand zu geben, welches eine intuitive, vereinfachte Bearbeitung
der Leitwege zul��t. Da Leitwege r�umlich orientiert sind, ist diese Anforderung
innerhalb eines Geographischen Informationssystems umgesetzt.
Die Planung von Leitwegen erfolgte bisher durch manuelle
Tabellenbearbeitung. Aufgrund der hohen Datenmengen und der zu ber�cksichtigenden
Konsistenzbedingungen ergab sich ein erh�hter Erfassungsaufwand und damit verbundene
Fehleranf�lligkeit bei der Bearbeitung der Tabellen. Au�erdem konnte die Qualit�t des
Leitweges im Sinne der optimalen Streckenf�hrung nicht ermittelt werden, da er nicht in
seinem r�umlichen Bezug darstellbar war.
Das Leitweg/GIS integriert die Planungsdaten in ihrer
bisherigen Datenstruktur, und stellt zus�tzlich den r�umlichen Bezug her. Der Bearbeiter
hat �ber eine intuitiv zu bedienende graphische Benutzeroberfl�che Zugriff auf die
Daten, und kann sie unter Ber�cksichtigung der integrierten Konsistenzbedingungen
ver�ndern.
Eine direkte geographische Visualisierung der
Planungsschritte erm�glicht nun die zus�tzliche Qualit�tskontrolle.

Abb. 1: Graphische Benutzeroberfl�che Leitweg/GIS
3.2 Grundlagen
Leitweg/GIS wurde unter Verwendung der objektorientierten
Dialogentwicklungswerkzeuges PowerBuilder 6.0 von Sybase realisiert. Die
GIS-Funktionalit�t wurde mit Hilfe von MapObjects 1.2 von Esri integriert.
Grundlage f�r das Leitweg/GIS sind zwei Datentabellen.
Diese Datentabellen werden in einem internen Datenformat der Bahn zur Verf�gung gestellt
und k�nnen �ber eine Importfunktion in das Leitweg/GIS integriert werden.
1. Die Bahnh�fe dienen im Leitweg/GIS als
r�umliche Orientierungspunkte und stellen Grundlage f�r die
Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei da. Die relevanten Inhalte dieser Tabelle sind:
- Richtzahl
- Name (Standpunkt eines Bahnhofs mit Richtzahl)
- L�ngengrad
- Breitengrad
Die Richtzahl ist der Schl�ssel zwischen Bahnh�fen und
Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei (ZWAD). Der Name dient der Identifizierung eines Bahnhofes
sowie der r�umlichen Orientierung. Die Koordinaten L�nge und Breite werden f�r die
r�umliche Zuordnung im Leitweg/GIS ben�tigt, beim Import der Bahnhofs-Datei wird darauf
zugegriffen. Weiterhin enth�lt die Tabelle der Bahnh�fe technische Daten sowie
bahnrelevante Inhalte.
2. Die Tabelle ZWAD enth�lt die Spalten
"VON" (Startpunkt, Quelle), "NACH" (Endpunkt, Ziel) und
"UEBER" (Zwischenpunkt, Umstellbahnhof). In den Zeilen sind alle m�glichen
Leitwegkombinationen mit Hilfe der Richtzahlen dargestellt. Die Anzahl der
Leitwegkombinationen richtet sich nach der Anzahl der Bahnh�fe. Die Daten der Bahnh�fe
und der ZWAD m�ssen daher aufeinander abgestimmt sein.

Abb. 2: Auszug aus der ZWAD
3.3 Konsistenzbedingungen
W�hrend die Festlegung eines einzelnen Leitweges noch
recht einfach ist, wird die Planung von Leitwegstrukturen, also der Gesamtheit aller
Leitwege f�r eine gegebene Menge von Richtzahlen �u�erst komplex. Die Zahl der Leitwege
und deren Variationen ist sehr hoch, au�erdem sind die einzelnen Leitwege voneinander
abh�ngig. So kann man die Zahl der Leitwege durch eine Formel errechnen. Bei n
Richtzahlen existieren n� Leitwege, was bei einer Anzahl von 1.500 Richtzahlen schon 2.25
Millionen Leitwege ergibt.
Eine Unabh�ngigkeit der Leitwege ist nicht gegeben. Daher
wurden feste Regeln aufgestellt, die Konsistenzbedingungen f�r Leitwegstrukturen:
Die Vollst�ndigkeitsforderung besagt, da� jedes Paar von
Richtzahlen durch einen Leitweg verbunden sein mu�.

Abb. 3: Darstellung der
Vollst�ndigkeitsforderung
Die Forderung nach Zyklenfreiheit besagt, da� Leitwege
nicht zu Kreisfahrten f�hren d�rfen.

Abb. 4: Darstellung der Forderung nach
Zyklenfreiheit
In der Forderung nach Zielgerichtetheit ist geregelt, da�
Leitwege zu einer Ziel-Richtzahl, die sich in einem Umstellungsbahnhof treffen, sich nicht
mehr trennen d�rfen.

Abb. 5: Darstellung der Forderung nach
Zielgerichtetheit
Leitwege sollten eine maximale Umstellungsanzahl von drei
bis f�nf Umstellungen nicht �berschreiten. Eine Zugbildung sollte nicht umfahren werden.
Die ersten drei Forderungen sind unbedingt erforderlich,
und m�ssen bei der Planung von Leitwegstrukturen eingehalten werden. Die beiden letzten
Regeln sind keine zwingenden Forderungen, erleichtern aber die �bersichtlichkeit der
Leitwegstrukturen.
3.4 Schnittstellen / Import / Export
Die Planung im G�terverkehr erfolgt in einzelnen Phasen,
in welchen verschiedene Module zum Einsatz kommen. Das Leitweg/GIS gew�hrleistet durch
Schnittstellen die Datenversorgung und wird so in den gesamten Planungsablauf integriert.
In das Leitweg/GIS k�nnen �ber die Schnittstelle die
Daten der Bahnh�fe, wie auch die Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei (ZWAD) importiert bzw.
exportiert werden. Zur Herstellung der korrekten Funktionalit�t m�ssen in der
Bahnhofsdatei die geographischen Angaben zur L�nge und Breite gef�llt sein. Eine
Bearbeitung der Bahnh�fe ist somit sowohl innerhalb des Leitweg/GIS, als auch in anderen
Datenbankanwendungen m�glich.
Beim Import werden die Daten in das interne
Esri-Shapefile-Format �berf�hrt. F�r Bahnh�fe und Leitwege werden hierbei jeweils
getrennte Shapefiles angelegt. Nach dem Import sind die Daten im Leitweg/GIS verf�gbar,
indem die Shapefiles ge�ffnet werden. Die Bahnh�fe werden im Leitweg/GIS durch
Punktsymbole dargestellt, und k�nnen bearbeitet werden. Auf der Grundlage der
importierten ZWAD k�nnen Leitwege und Zugbildungen zwischen dargestellten Bahnh�fen
angezeigt und bearbeitet werden.
Die Exportfunktion des Leitweg/GIS erlaubt den Export der
Bahnhofsdaten und der ZWAD, wobei das Shapefile-Format in ein definiertes internes
Datenformat der Bahn �berf�hrt wird.
3.5 Funktionalit�t
Das Leitweg/GIS wurde so konzipiert, das der Bediener das
Programm nach einer sehr kurzen Einarbeitungszeit nutzen kann. Ein Benutzerhandbuch
beschreibt die Datengrundlagen, Schnittstellen und Funktionen ausf�hrlich, so da� der
Bediener jeden Bearbeitungsschritt nachlesen kann.
Interne Arbeitsabl�ufe steuern die Einhaltung der
Konstistenzbedingungen, die f�r die Bearbeitung von Leitwegen unabk�mmlich sind. Die in
dBase-Format importierte Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei (ZWAD) dient als feste Grundlage
f�r die Visualisierung und Bearbeitung der Leitwege. Bei der interaktiven Bearbeitung auf
dem Bildschirm werden die Daten der ZWAD automatisch ge�ndert. Somit kann die ge�nderte
ZWAD sp�ter wieder exportiert werden und f�r weitere Arbeitsg�nge verwendet werden.
Das Leitweg/GIS in seiner jetzigen Version 1.2 enth�lt
folgende Funktionalit�t:
1. Die einfachen Darstellungsm�glichkeiten
Das Leitweg/GIS stellt jeden Bahnhof als Punkt in einem
Bezugssystem dar. Die urspr�ngliche Position wird durch den zugeordneten Netzpunkt
festgelegt, jedoch kann der Anwender Ver�nderungen vornehmen.
Zus�tzlich zu der Darstellung des Bahnhofssystems k�nnen
beliebige Karten hinterlegt werden, insbesondere landesweite �bersichtskarten (z.B.
Umrisse von Staats- und Landesgrenzen), Streckenkarten (bahnbezogen) und
Bahnhofslagepl�ne etc.
2. Auswahlm�glichkeiten
Durch einfache Dialogverfahren ("Mausklick")
k�nnen Bahnh�fe selektiert werden. Dem selektierten Bahnhof k�nnen dann spezifische
Funktionen im Sinne der Bearbeitung zugewiesen werden, insbesondere Quellbahnhof und
Zielbahnhof.
Die Selektion bewirkt ein gleichzeitiges Markieren von
einem Bahnhof in der Karte und den Zugriff auf den passenden Datensatz in der dBase-Datei.
3. Erweiterte Darstellungsm�glichkeiten
Zugbildungen und Leitwege k�nnen zwischen ausgew�hlten
Quell- und Zielbahnh�fen dargestellt werden. Die Darstellung erfolgt als Linienzug bzw.
als Polygonzug zwischen den Bahnh�fen. Weiterhin k�nnen alle Ausgangs-Zugbildungen eines
Quellbahnhofs, sowie alle Eingangs-Zugbildungen eines Zielbahnhofs als Zugbildungssterne
dargestellt werden. Die gesamte Leitwegstruktur bezogen auf einen Quellbahnhof kann anhand
eines Leitwegbaums verdeutlicht werden.

Abb. 6: Leitwegbaum
Mit Hilfe der markierten Bahnh�fe werden passende
Eintr�ge in der Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei (ZWAD) herausgesucht. Die Eintr�ge der
ZWAD werden als Linienz�ge bzw. Polygonz�ge in der Karte am Bildschirm visualisiert.
4. Bearbeitungsm�glichkeiten
Zwischen den aktuell ausgew�hlten Quell- und
Zielbahnh�fen kann eine Zugbildung definiert werden. Dabei wird in der
Zwischen-Weg-Umstellungs-Datei (ZWUD) der �berbahnhof durch den Zielbahnhof ersetzt.
Wenn ein Quellbahnhof, ein Zielgebiet (Menge von
Bahnh�fen) und ein erster Umstellungsbahnhof selektiert ist, kann der Leitweg vom
Quellbahnhof zu allen Bahnh�fen des Zielgebietes �ber den selektierten ersten
Umstellungsbahnhof geleitet werden. In der ZWAD werden die bisherigen Umstellbahnh�fe in
der Zeile "�ber" durch den markierten Umstellbahnhof ersetzt.
Es k�nnen basierend auf Zugbildungen Leitwege ge�ndert
werden, indem ein Umstellbahnhof durch einen anderen ersetzt wird. In der
Zwischen-Weg-Abschnitts-Datei werden in diesem Fall alle Eintr�ge des alten
Umstellbahnhofs in der Zeile "�ber" durch den neu gew�hlten Umstellbahnhof
ersetzt.
Es k�nnen Bahnh�fe hinzugef�gt werden. Die
hinzugef�gten Bahnh�fe werden automatisch in der Karte dargestellt und in die ZWAD
eingebunden. Nach dem Einbinden bestehen zu dem hinzugef�gten Bahnhof, sowie von ihm
ausgehend Zugbildungen (Direktverbindungen) zu allen bestehenden Bahnh�fen.
Es k�nnen Bahnh�fe gel�scht werden, wenn sie nicht als
�berbahnhof verwendet werden. Die ZWAD wird automatisch erneuert, der/die gel�schten
Bahnh�fe werden aus der Karte und der ZWAD entfernt.
4 Schlu�betrachtung
4.1 Einsatz bei den �sterreichischen Bundesbahnen
(�BB)
Das Leitweg/GIS wird im Bereich Planung von Leitwegen und
Zugbildungen in der Version 1.2 seit M�rz 1999 bei den �sterreichischen Bundesbahnen
(�BB) eingesetzt. Die Planung auf Grundlage der Software erfolgt an 10 Arbeitspl�tzen,
und ersetzt die manuelle Tabellenbearbeitung.
Laut �BB wurde durch den Einsatz des Leitweg/GIS die
durchschnittliche Bearbeitungszeit bei der Planung von Leitwegen um ca. 70% reduziert.
Die geographische Visualisierung der komplexen
Leitwegstrukturen und die Werkzeuge des Leitweg/GIS zur Darstellung nach unterschiedlichen
Kriterien lassen eine intuitive und einfache Bearbeitung der komplexen Datenbest�nde zu.
Hierzu stehen Funktionen zur Auswahl und Bearbeitung von Bahnh�fen und Leitwegen bezogen
auf ihre Lage und ihre spezifischen Eigenschaften, sowie die Schnittstelle zum
TransportPlanungsModell (TPM) der �sterreichischen Bundesbahnen zur Verf�gung. Die in
das Leitweg/GIS integrierten Konsistenzbedingungen realisieren die Plausibilit�tspr�fung
und erh�hen die Bearbeitungssicherheit.
4.2 Erweiterungen in Planung
Weitere Ausbaustufen des Leitweg/GIS sind bereits in der
Planung. So werden Funktionen f�r die Regionalplanung, sowie die Verfeinerung des
Datenbestandes bezogen auf die Trassen mit ihren Restriktionen integriert. Au�erdem ist
die Einbeziehung der Transportmengen geplant. Hierbei wird sowohl die Belastung der
Strecken als auch der Bahnh�fe innerhalb der geographischen Oberfl�che visualisiert.
4.3 Weitere Produkte von concept software aus dem
Bahnbereich
Der Trassenkostenrechner (TKR) ist ein
Instrumentarium zur Planung von Zug-Laufwegen und zur Bestimmung der dabei anfallenden
Kosten. Es werden dabei drei Berechnungsarten unterschieden:
- Die Berechnung f�r einen vorhandenen Zug, dessen
Fahrplandaten vollst�ndig vorliegen.
- Die Berechnung der Trassenkosten f�r einen zu planenden Zug
- Die Berechnung der Trassenkosten f�r h�here
Aggregationseinheiten( Korridore, Relationen, Teilnetze, Gesamtnetz
Die Streckenverl�ufe der geplanten Linien k�nnen in einem
Geographischen Informationssystem differenziert vorgegeben werden. Um den Eingabeaufwand
auf ein Minimum zu beschr�nken k�nnen zudem bestehende Datenhaltungen �bernommen
werden. Insbesondere werden vorhandene Fahrplandaten importiert und die dort beschriebenen
Streckenverl�ufe f�r die weitere Bearbeitung zugrundegelegt.
Das Netzbetriebsprogramm - GIS (NBP-GIS) ist ein
Analyse-Tool, welches Auslastungen von Leitwegen auf
Grundlage erwarteter Transportmengen analysieren. Dabei sind kapazitive Restriktionen (Umstell-Leistung der Rangierbahnh�fe,
Kapazit�t der Zugbildungen) ebenso zu ber�cksichtigen wie Anforderungen an die Qualit�t
der Verbindungen. Die Plaunung erfolgt je nach Organisation des Planungsprozesses manuell,
automatisch oder halbautomatisch (algoritmische Optimierung mit manueller
Nachbearbeitung).
Das NBP-GIS stellt die relevanten Kenngr��en in ihrem
geographischen Bezug dar. Die Belastung der Netzelemente wird durch entsprechende
graphische Symbole direkt in einer Landkarte, die das Planungsgebiet darstellt,
abgebildet. F�r den Planer sind dadurch problematische Belastungssituationen und
Engp�sse sehr leicht erkennbar.
Das Programm Datenverwaltung Netz (DIP/N) ist ein
Programm zur Strategischen Infrastrukturplanung. Die wichtigen Bestandteile sind die
Verwaltung und Visualisierung von Streckendaten. Dar�ber hinaus ist es m�glich
Streckenabschnitte zu Segmenten zusammenzufassen bzw. das automatische Generieren von
Segmenten und somit einer Optimierung mit unterschiedlichen Rand-, Neben- und
Zielbedingungen.
Die Funktionalit�t des DIP/N ist vollst�ndig in ein
Geographisches Informationssystem (GIS) eingebunden. Dadurch kann der Benutzer seine
Aktionen direkt im korrekten r�umlichen Bezug durchf�hren. �bersichtlichkeit und
Genauigkeit werden dadurch au�erordentlich verbessert. |