Autorin:
Wiebke Just
concept software gmbh
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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.