Störungen im Bahnbetrieb in Echtzeit beheben - OST ...
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ETR SWISS WISSEN
Störungen im Bahnbetrieb
in Echtzeit beheben
Wetterkapriolen und Stellwerkstörungen sind für Disponenten von Eisenbahn
verkehrsunternehmungen tägliche Herausforderungen. Sie verlangen rasch
nach Lösungen. Heutige Ressourcenmanagement Systeme unterstützen sie
dabei nur teilweise. Die Fachhochschulen OST und Nordwestschweiz
entwickeln mit dem Softwarehaus Qnamic ein neues Decision Support System.
Basis dazu bildet eine Kombination von bewährten Ansätzen des
Operation Research und Machine Learning.
1. Situation im nationalen zusätzlichen Streckenangeboten oder die Fabian Leuthold
Schienenverkehr Schulung von Personal zum Einsatz neuer Wiss. Mitarbeiter, IMS, OST
Fahrzeuge. Taktverdichtung, die sukzessive fabian.leuthold@ost.ch
Die COVID-19 Pandemie und immer häu gestiegene Netzauslastung und Verlage
figer auftretende extreme Witterungs rung des Güterverkehrs von der Strasse auf
verhältnisse fordern Eisenbahnverkehrs die Schiene fordern die Disponenten der
unternehmen (EVU) und ihre Disposition EVU: Sie müssen immer weitreichendere
aufs Äusserste. Kurzfristige Entwicklung Entscheidungen in einem laufend komple
Prof. Dr. Katrin Hügel
von Ersatzfahrplänen, krankheitsbedingte xeren Umfeld treffen. Dafür steht ständig
Projektleiterin, IMS, OST
Ausfälle von Mitarbeitern oder blockierte weniger Zeit zur Verfügung.
katrin.huegel@ost.ch
Streckenabschnitte verlangen schnelle Lö
sungen bei sich dauernd ändernden Gege 2. Möglichkeiten heutiger Ressourcen
benheiten. Störungen sind eingebettet in Management Systeme
einen Kontext aus planmässigen Heraus
forderungen, wie beispielsweise der regu Heute gibt es keine Software, welche die
läre Fahrplanwechsel, die Umsetzung von Disponenten von EVU bei der Behand
Prof. Dr. Harold Tiemessen
Institutsleiter, IMS, OST
harold.tiemessen@ost.ch
Phillip Gachnang
Wissenschaftlicher Assistent,
Institut für Wirtschaftsinformatik,
Fachhochschule Nordwest-
schweiz
phillip.gachnang@fhnw.ch
Dipl.-Pol. Kurt Metz
Publizist SFJ-BR
mail@kurtmetz.ch
1: Disponent der Südostbahn bei der Arbeit mit RailOpt Quelle: SOB
2 ETR | Mai 2021 | NR. 5 www.eurailpress.de/etr
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lung von Störungen im operativen Be
trieb mit konkreten Vorschlägen unter
stützt. Der Markt bietet nur Lösungen, mit
deren Unterstützung Disponenten den
Systemzustand in Echtzeit mitverfolgen
und frühzeitig über sich anbahnende Res
sourcenkonflikte und Regelverletzungen
informieren [1]. So werden Disponenten
über Abweichungen zwischen Soll- und
Ist-Zustand aufmerksam gemacht, können
dann manuell eingreifen und mit der Pla
nung geeigneter Massnahmen Konflikte
und Regelverletzungen auflösen. Ressour
cenkonflikte treten dann auf, wenn Res
sourcen (Triebfahrzeuge, Mitarbeitende,
usw.) nicht zum geplanten Zeitpunkt am
vorgesehenen Ort verfügbar sind. Zu den 2: Mit dem Markteintritt in den Fernverkehr auf der Gotthard-Bergstrecke ab Basel/Zürich nach Locarno
Ursachen gehören unter anderen Stre hat sich das Streckennetz der Südostbahn deutlich verlängert. Im Bild ein neuer Traverso-Flirt auf der
Gotthard-Südrampe im Nordtessin Quelle: SOB/Markus Schälli
ckenunterbrüche, Störungen am Fahrzeug
und krankheitsbedingte Ausfälle. Regel
verletzungen treten beispielsweise dann
auf, wenn Arbeitszeit-, Ruhezeitregeln oder
Mindestqualifikationen für das Lenken ei sierend auf betrieblichen Rahmenparame 3. Forschungsprojekt unterstützt die
nes bestimmten Triebfahrzeugs oder das tern – wie z. B. Nachfrage, Personalbestand, Disposition
Befahren einer bestimmten Strecke nicht Personalstützpunkten, Fahrzeugflotten,
eingehalten werden können. Schienennetz und Ertragsstrukturen – un 3.1. Kategorisierung von Störungen
terschiedliche Szenarien von Angeboten
2.1. Smartrail 4.0 zu modellieren. Auf dieser Grundlage las Zu Beginn des Projektes stand das Bedürf
sen sich eine kostenoptimierte Fahrzeug- nis, die Vielfalt der Störungen kennen zu
Die durch das Innovationsprogramm der und Dienstplanung berechnen. lernen, die im Betrieb von EVUs auftreten
Schweizer Bahnbranche, smartrail 4.0, ini können und sich eine Vorstellung zu schaf
tiierten Projekte sehen keine Arbeitspakete 2.3. … zu RailOpt DSSplus fen, was sie bewirken. Störungen haben
zur Entscheidungsunterstützung für Dispo die unterschiedlichsten Ursachen: Wetter,
nenten von Personal und Rollmaterial vor Das Team von Qnamic erkannte die Zei technische Probleme, menschliches Versa
[2]. Im Zentrum stehen dort die Moderni chen der Zeit und spinnt den Optimie gen, Streiks oder Personenunfälle. Die Aus
sierung und Verbesserung der Bahnpro rungsgedanken konsequent weiter. Ziel wirkungen sind fast noch schwerer über
duktion aus Sicht der Infrastruktur mit dem ist es, bald aktiv mit automatisch berech schaubar. Ein Auslöser, wie beispielsweise
primären Ziel, eine markante Kapazitäts neten Lösungen den Dispositionsalltag zu eine einfache Türblockierung, ruft mögli
steigerung im Schienennetz zu realisieren. unterstützen. Tritt im Betrieb eine Störung cherweise mehrere Probleme wie ein ver
auf, so ist es nicht möglich die geplanten späteter Zug, ausgefallene Dienstfahrten,
2.2. Von RailOpt … Leistungen zu erfüllen und es muss meist Zugausfälle oder Zugumleitungen hervor.
in sehr kurzer Zeit eine Lösung erarbeitet Es stellt sich also die Frage, wie sich Struk
Qnamic AG, ein schweizerisches Soft und umgesetzt werden. Es mag auf den tur in das Phänomen der Störung bringen
wareunternehmen und Anbieterin des Res ersten Blick erstaunen, dass die Optimie lässt. Gemäss Wikipedia wird eine Betriebs
sourcen Management Systems RailOpt, hat rungsmethoden der Langfristplanung störung wie folgt charakterisiert:
das Produkt für EVU erfolgreich im Markt sich nicht auch in der Disposition ein
etabliert. Als eines der ersten Unternehmen setzen lassen. Doch die Anforderungen Unter einer Betriebsstörung versteht
hat es erkannt, dass eine Software zur rei könnten kaum unterschiedlicher sein: In man unerwartet eintretende Ereignisse,
nen Verwaltung von Ressourcen den EVU der Langfristplanung stehen primär wirt die auf den geplanten Produktionspro-
heute nicht mehr ausreicht, um deren kom schaftliche Aspekte im Mittelpunkt und zess oder Geschäftsprozess einwirken
plexen Aufgabenstellungen zu genügen. In die Zeit zur Lösungsfindung ist nahezu und den vorgesehenen Arbeitsablauf
ihrer über zehnjährigen Zusammenarbeit unbegrenzt. In der Disposition hingegen behindern oder sogar verhindern. (Wiki-
mit der Schweizerischen Südostbahn (SOB) muss in Echtzeit mit den verfügbaren Res pedia, 25. Januar 2021)
hat Qnamic ihr Produkt RailOpt sukzessive sourcen eine Lösung gefunden werden,
ausgebaut und ihm mit dem Decision Sup- die es ermöglicht, den Bahnbetrieb mög Diese Definition beschreibt einen zentra
port System (DSS) ein eigenes Herz verpasst. lichst angebotstreu aufrecht zu erhalten len Sachverhalt im Störungsfall sehr tref
Dieses ermöglicht mit Hilfe von klugen Al und mit möglichst wenigen Planänderun fend: Am Anfang steht eine Planung von
gorithmen eine kostenoptimierte Ange gen umgesetzt werden kann. Wirtschaftli Geschäftsprozessen, an der durch das Ein
botsplanung und Fahrplanerstellung. Die che Aspekte spielen dabei klar eine unter treten unerwarteter Ereignisse nicht mehr
Funktionalität ermöglicht es den EVU, ba geordnete Rolle. festgehalten werden kann.
www.eurailpress.de/etr ETR | Mai 2021 | NR. 5 3
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Basierend auf unserer Analyse von un rung der Behebung solcher Störungen (3) Eine Veränderung der Personalver-
vorhersehbaren Vorkommnissen entwi besteht darin, dass sie die EVU nicht fügbarkeit lässt sich häufig ohne Be
ckelten wir ein Modell, welches es erlaubt, selbständig beheben können, da Stre einträchtigung der beiden anderen
jede Störung – unabhängig vom auslösen ckennetze häufig von einem anderen Kategorien lösen. Fällt beispielsweise
den Ereignis – einer von drei Störungska Player, nämlich dem Eisenbahninfra ein Lokführer vor Dienstantritt auf
tegorien zuzuordnen und dadurch den strukturunternehmen (EIU), betrieben grund Krankheit aus, kann im Idealfall
Prozess der Problembehebung durch den werden. noch früh genug ein Ersatzlokführer
Disponenten zu leiten: (2) Die Veränderung der Rollmateri- aus der Reserve eingeplant und auf
alverfügbarkeit hat stets auch Aus geboten werden. Erst wenn auf der
(1) Die Basis stellen Veränderungen in wirkungen auf das Personal, zumin Personalebene keine Lösung möglich
der Verfügbarkeit von Ressourcen dest auf jenes des betroffenen Zuges. ist und daher zur Erfüllung einer Leis
der Infrastruktur – insbesondere von Häufig bewirkt die Behebung von tung z.B. alternatives Rollmaterial mit
Trassen – dar. Diese Form der Störung Störungen dieser Kategorie wiederum einfacheren Qualifikationsanforderun
hat immer Auswirkungen auf alle neue Folgestörungen auf Seite der In gen eingesetzt werden muss, können
nachfolgenden Störungskategorien, frastruktur, wie z. B. das Stellen eines daraus Folgestörungen resultieren, zu
weil Änderungen an der Trassenver Ersatzzuges aus dem Depot oder das deren Behebung die Infrastruktur bei
fügbarkeit immer auch die Planung Abziehen einer defekten Komposition gezogen werden muss.
von Rollmaterial und Personal beein aus dem Netz, die zwangsläufig Tras
flussen. Eine besondere Herausforde senanfragen beim EIU erfordern. Diese Kategorisierung bringt Struktur in die
Vielfalt von Störungen. Alle Urstörungen
können einer dieser drei Kategorien zuge
teilt werden. Abhängig von der zugeordne
3: Kategorisierung von ten Störungskategorie, kann dann die pas
Störungen nach ver- sende Massnahme getroffen werden.
änderter Verfügbarkeit
von Infrastruktur, Rollm-
aterial und Personal 3.2. Phasen in der Störungsbehebung
Quelle: Eigene Darstellung
Nach einer Bestandesaufnahme der ver
schiedenen Störungen untersuchten wir
den Prozess der Störungsbehebung ge
nauer. Einen wichtigen Beitrag zu unserem
Prozessverständnis lieferte die Untertei
lung des Störungsbehebungsprozesses in
zwei grundsätzlich voneinander getrennte
Phasen: Die «Akute Störungsbehebungs
phase» und die «Aufräumphase».
4: Die zwei Phasen im Störungsbehebungs-Prozess Quelle: Eigene Darstellung
4 ETR | Mai 2021 | NR. 5 www.eurailpress.de/etr
WISSEN ETR SWISS
Im Gegensatz zu heute verfügba-
rer Dispositionssoftware besteht
die Einzigartigkeit der in diesem
Projekt angestrebten Lösung
darin, Ressourcenkonflikte und
Regelverletzungen sowohl zu
präsentieren wie auch gleich
mehrere erfolgsversprechende
Planänderungen zu berechnen 5: Grobe Lösungsarchitektur Quelle: Eigene Darstellung
und vorzuschlagen.
phase bildet in jedem Fall der definitive darin, Ressourcenkonflikte und Regelver
Umsetzungsentscheid. letzungen sowohl zu präsentieren wie
auch gleich mehrere erfolgsversprechende
Aufräumphase Planänderungen zu berechnen und vorzu
Die Aufräumphase kann von wenigen Stun schlagen. Damit erarbeitet die neue Soft
den bis mehrere Tage dauern. In dieser ware in Interaktion mit dem Disponenten
Akute Störungsbehebungsphase Phase wird zuerst die Planung basierend rasch und sicher eine optimale Lösung.
Die akute Störungsbehebungsphase dauert auf der zuvor konzipierten und gewählten Um diese Produktinnovation zu reali
je nach Komplexität und Umfang der Stö Lösung aktualisiert und es werden dem sieren, werden folgende drei technische
rung zwischen einigen Minuten bis zu einer Personal die Änderungen kommuniziert. Innovationen kombiniert:
Stunde. In dieser Zeitspanne entwickeln Anschliessend erfolgt die planmässige Um
Disponenten verschiedene Lösungskon setzung der Lösung basierend auf der neu Parametrisierte Konstruktionsheuristiken
zepte, prüfen die Erfüllung der Vorausset en Ressourcenplanung. In den meisten Fäl Die Algorithmen in der RailOpt DSS Soft-
zungen für deren Umsetzung und wägen len ist zwar hinsichtlich der ursprünglichen ware von Qnamic wurden für die Ange
sie – basierend auf unterschiedlichen Be Störung bereits nach einigen Stunden wie botserstellung und die Langzeitplanung
wertungskriterien – gegeneinander ab. Je der der Normalzustand hergestellt, jedoch von EVU entwickelt. Zur Anwendung in
nach Art der Störung ist in dieser Phase auf führen die getroffenen Dispositionsmass der Echtzeit-Ressourcendisposition sind sie
kommunikativer Ebene mehr oder weni nahmen häufig zu Folgestörungen. Diese entschieden zu langsam. Vielversprechend
ger Austausch mit der Infrastruktur erfor manifestieren sich oft erst in den nach in diesem Kontext ist der Einsatz von pa
derlich. Sofern die zur Störungsbehebung folgenden Tagen. So führt beispielsweise rametrisierten Konstruktionsheuristiken in
erforderlichen Dispositionsmassnahmen ein kurzfristiger Streckenunterbruch dazu, Kombination mit einer passenden Meta-
lediglich eine Anpassung der Personalpla dass am Ende des Fahrplantages Rollmate Heuristik. Dieser innovative Ansatz ermög
nung erfordern, können die EVU die Mass rial nicht am geplanten Zielort abgestellt licht die Einbindung von Kontextwissen in
nahmen meist ohne Einbezug der Infra wird und als Folge davon der am nächsten leistungsstarke, generische Optimierungs
struktur planen und umsetzen. Sind jedoch Tag vorgesehene Werkstatttermin gezwun algorithmen. Dieser Ansatz wurde von Prof.
Änderungen an der Fahrzeugplanung und genermassen entfällt. Folgestörungen, die Dr. Harold Tiemessen, Leiter Algorithmen
damit zusammenhängende Trassenan erst später auftreten, können in einer spä Entwicklung in diesem Projekt, während
fragen erforderlich, so ist die Infrastruktur teren Projektphase durch die Ausweitung seines Engagements bei Philips bei der Op
zwingend bei der Lösungssuche mitein des Zeithorizonts in der Berücksichtigung timierung von Bestückungsprogrammen in
zubeziehen. Die Konzeption von Lösungs von Regelverletzungen bei der Lösungs der Halbleiterindustrie bereits erfolgreich
vorschlägen führt nicht selten dazu, dass beurteilung realisiert werden. Das Ende eingesetzt.
neue Folgestörungen ausgelöst werden. der Aufräumphase fällt mit dem Zeitpunkt
Kann beispielsweise ein bestimmter Zug zusammen, wo alle geplanten Dispositi Autokonfiguration der Zielfunktion
aufgrund der erforderlichen Strecken- oder onsmassnahmen – unabhängig davon, ob über Maschinelles Lernen
Traktions-Qualifikationen nur von weni durch Störungen oder Folgestörungen be Sämtliche Optimierungsalgorithmen be
gen Lokomotivführern bedient werden, gründet – geplant und umgesetzt sind. nötigen eine Methode, um Lösungen ver
kann es nötig sein, einen Lokführer von gleichen respektive bewerten zu können
einem anderen Dienst abzuziehen. Treten 3.3. Wie Software Mehrwert schaffen kann – die sogenannte Zielfunktion. In unserem
Folgestörungen innerhalb des aktuellen Kontext spielen eine Vielzahl von Zielkrite
Fahrplantages auf, müssen sie zwingend in Im Gegensatz zu heute verfügbarer Dispo rien eine Rolle. In Operations Research ist
der Lösung mitberücksichtigt werden. Der sitionssoftware besteht die Einzigartigkeit es üblich, die Optimierung mittels Gewich
Abschluss der akuten Störungsbehebungs- der in diesem Projekt angestrebten Lösung tung dieser Kriterien durchzuführen, ggf.
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Projektstand zu informieren. Aktuelle In
formationen zum Projektverlauf stellen wir
dem interessierten Publikum ausserdem
auf der Projekt-Website unter https://www.
fhnw.ch/plattformen/dssplus/ zur Verfü
gung und sind selbstverständlich jederzeit
offen für Rückmeldungen.
Literatur
[1] Leitsystem zur Netzdisposition Kunde, LeiDis-NK
Premiumversion, https://bit.ly/3d02v2u
[2] smartrail 4.0; Teilprojekt Traffic Management System,
https://bit.ly/3tIalnp
6: Die Chemins de Fer Luxembourgeois gehören mit den SOB zu den Pionieren der Entwicklung des
neuen Echtzeit-Ressourcenmanagement-Systems RailOpt DSSplus Quelle: © CFL
Links
Qnamic: https://qnamic.com/de/
Ostschweizer Fachhochschule: https://www.ost.ch/
Fachhochschule Nordwestschweiz: https://www.fhnw.
mit Unter- oder Obergrenzen für ausge kann die berechneten Massnahmen direkt
ch
wählte Zielkriterien. Es ist aber in der Praxis ausführen oder Anpassungen vornehmen Chemins de Fer Luxembourgeois CFL: https://www.
nicht einfach aber gleichzeitig sehr wichtig, und eine erneute Optimierung starten, wo cfl.lu
schnellstmöglich sinnvolle Zielgewichtun durch die Machine Learning Algorithmen Schweizerische Südostbahn: https//www.sob.ch
gen zu definieren. Momentan bestimmen weiter lernen. Die grobe Lösungsarchitek
die Disponenten in RailOpt DSS die Gewich tur ist in Bild 5 grafisch dargestellt.
tungen selbst und individuell. Neu wollen
wir aus den historischen Gewichtungen ler 4. Ausblick
nen und daraus kontextuell bestmögliche Summary
Gewichtungen vorschlagen. So können für Die konzeptionelle Arbeit im Projekt ist
Störungen im Bahnbetrieb in Echtzeit beheben
jedes EVU und ihre Störfälle die Zielfunktio weitgehend abgeschlossen und erste Test
nen automatisch konfiguriert werden. instanzen wurden von den EVU bereitge Wetterkapriolen und Stellwerkstörungen sind
für Disponenten von Eisenbahnverkehrsun-
stellt. In den nächsten Schritten werden
ternehmungen tägliche Herausforderungen.
Domain Specific Language mit Hilfe ganzzahliger Programmierung
Sie verlangen rasch nach Lösungen. Heutige
Obwohl häufig ähnliche Störfälle im Be optimale Lösungen für überschaubare
Ressourcenmanagement Systeme unterstützen
trieb von EVU auftreten, muss die konkrete Testinstanzen berechnet, erste Konstrukti sie dabei nur teilweise. Die Fachhochschulen
Lösung immer wieder neu geplant werden. onsheuristiken entwickelt und die Daten OST und Nordwestschweiz entwickeln mit dem
Im Projekt wird eine domänenspezifische grundlage erhoben, die in der Folge den Softwarehaus Qnamic ein neues Decision Support
Sprache (DSL) entwickelt, mittels derer ma Ausgangspunkt für das Machine Learning System. Basis dazu bildet eine Kombination von
nuelle und fehleranfällige Arbeitsschritte darstellt. bewährten Ansätzen des Operation Research und
formal beschrieben, kundenspezifisch hin Wir planen, regelmässig in Fachzeit Machine Learning.
terlegt und später (teil-)automatisiert abge schriften und auf Konferenzen über den
wickelt werden können. Dadurch werden
manuelle und repetitive Arbeitsschritte eli
miniert und die Disponenten entlastet, so
dass mehr Zeit für die herausfordernde und
kreative Arbeit bei der Lösungsfindung zur Multinationales Forschungsprojekt
Verfügung steht. Das Innovationsprogramm Innosuisse fördert das Forschungsprojekt «Echtzeit Ressour-
Die drei oben erwähnten technischen cendisposition von Personal und Rollmaterial in der Eisenbahnbranche». Das Soft-
Innovationen bilden zusammen eine trans warehaus Qnamic, die Ostschweizer Fachhochschule und die Fachhochschule Nord-
disziplinäre Innovation. Via DSL Skripts westschweiz entwickeln mit der Société Nationale des Chemins de Fer Luxembourgeois
erhält RailOpt DSSplus die Leistungen und und der Schweizerischen Südostbahn neue Ansätze und Lösungen, um Disponenten
Ressourcen für den Aufruf der Optimierung bei der Behebung von Störungen zu unterstützen. Dabei kommen parametrisierte Kon-
und über die Machine Learning Algorith struktionsheuristiken in Kombination mit der passenden Meta-Heuristik, maschinelles
men die Gewichtungen der Zielkriterien Lernen und eine Domain Specific Language zum Einsatz.
für diese Optimierung. Der Disponent
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