Störungen im Bahnbetrieb in Echtzeit beheben - Qnamic
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WISSEN ETR SWISS
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
www.eurailpress.de/etr ETR | Mai 2021 | NR. 5 75
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neten Lösungen den Dispositionsalltag
zu unterstützen. Tritt im Betrieb eine Stö
rung auf, so ist es nicht möglich die ge
planten Leistungen zu erfüllen. Es muss
meist in sehr kurzer Zeit eine Lösung erar
beitet und umgesetzt werden. Es mag auf
den ersten Blick erstaunen, dass die Opti
mierungsmethoden der Langfristplanung
sich nicht auch in der Disposition ein
setzen lassen. Doch die Anforderungen
könnten kaum unterschiedlicher sein: In
der Langfristplanung stehen primär wirt
schaftliche Aspekte im Mittelpunkt und
die Zeit zur Lösungsfindung ist nahezu
unbegrenzt. In der Disposition hingegen
muss in Echtzeit mit den verfügbaren Res
2: Mit dem Markteintritt in den Fernverkehr auf der Gotthard-Bergstrecke ab Basel/Zürich nach Locarno sourcen eine Lösung gefunden werden,
hat sich das Streckennetz der Südostbahn deutlich verlängert. Im Bild ein neuer Traverso-Flirt auf der die es ermöglicht, den Bahnbetrieb mög
Gotthard-Südrampe im Nordtessin Quelle: SOB/Markus Schälli
lichst angebotstreu aufrecht zu erhalten
und mit möglichst wenigen Planänderun
gen umzusetzen. Wirtschaftliche Aspekte
spielen dabei klar eine untergeordnete
lung von Störungen im operativen Betrieb primären Ziel, eine markante Kapazitäts Rolle.
mit konkreten Vorschlägen unterstützt. steigerung im Schienennetz zu realisieren.
Der Markt bietet nur Lösungen, mit de 3. Forschungsprojekt unterstützt die
ren Unterstützung Disponenten den Sys 2.2. Von RailOpt … Disposition
temzustand in Echtzeit mitverfolgen und
sich frühzeitig über sich anbahnende Res Qnamic AG, ein schweizerisches Soft 3.1. Kategorisierung von Störungen
sourcenkonflikte und Regelverletzungen wareunternehmen und Anbieterin des Res
informieren [1]. So werden Disponenten sourcen Management Systems RailOpt, hat Zu Beginn des Projektes stand das Bedürf
über Abweichungen zwischen Soll- und das Produkt für EVU erfolgreich im Markt nis, die Vielfalt der Störungen kennen zu
Ist-Zustand aufmerksam gemacht, können etabliert. Als eines der ersten Unterneh lernen, die im Betrieb von EVUs auftreten
dann manuell eingreifen und mit der Pla men hat es erkannt, dass eine Software können und sich eine Vorstellung zu schaf
nung geeigneter Massnahmen Konflikte zur reinen Verwaltung von Ressourcen den fen, was sie bewirken. Störungen haben
und Regelverletzungen auflösen. Ressour EVU heute nicht mehr ausreicht, um deren die unterschiedlichsten Ursachen: Wetter,
cenkonflikte treten dann auf, wenn Res komplexen Aufgabenstellungen zu erfül technische Probleme, menschliches Versa
sourcen (Triebfahrzeuge, Mitarbeitende, len. In ihrer über zehnjährigen Zusammen gen, Streiks oder Personenunfälle. Die Aus
usw.) nicht zum geplanten Zeitpunkt am arbeit mit der Schweizerischen Südostbahn wirkungen sind fast noch schwerer über
vorgesehenen Ort verfügbar sind. Zu den (SOB) hat Qnamic ihr Produkt RailOpt suk schaubar. Ein Auslöser, wie beispielsweise
Ursachen gehören unter anderen Stre zessive ausgebaut und ihm mit dem Deci- eine einfache Türblockierung, ruft mögli
ckenunterbrüche, Störungen am Fahrzeug sion Support System (DSS) ein eigenes Herz cherweise mehrere Probleme wie ein ver
und krankheitsbedingte Ausfälle. Regel verpasst. Dieses ermöglicht mit Hilfe von späteter Zug, ausgefallene Dienstfahrten,
verletzungen treten beispielsweise dann klugen Algorithmen eine kostenoptimierte Zugausfälle oder Zugumleitungen hervor.
auf, wenn Arbeitszeit-, Ruhezeitregeln oder Angebotsplanung und Fahrplanerstellung. Es stellt sich also die Frage, wie sich Struk
Mindestqualifikationen für das Lenken ei Die Funktionalität ermöglicht es den EVU, tur in das Phänomen der Störung bringen
nes bestimmten Triebfahrzeugs oder das basierend auf betrieblichen Rahmenpara lässt. Gemäss Wikipedia wird eine Betriebs
Befahren einer bestimmten Strecke nicht metern – wie z. B. Nachfrage, Personalbe störung wie folgt charakterisiert:
eingehalten werden können. stand, Personalstützpunkten, Fahrzeugflot
ten, Schienennetz und Ertragsstrukturen Unter einer Betriebsstörung versteht
2.1. Smartrail 4.0 – unterschiedliche Szenarien von Angebo man unerwartet eintretende Ereignisse,
ten zu modellieren. Auf dieser Grundlage die auf den geplanten Produktionspro-
Die durch das Innovationsprogramm der lassen sich eine kostenoptimierte Fahr zess oder Geschäftsprozess einwirken
Schweizer Bahnbranche, smartrail 4.0, ini zeug- und Dienstplanung berechnen. und den vorgesehenen Arbeitsablauf
tiierten Projekte sehen keine Arbeitspakete behindern oder sogar verhindern. (Wiki-
zur Entscheidungsunterstützung für Dispo 2.3. … zu RailOpt DSSplus pedia, 25. Januar 2021)
nenten von Personal und Rollmaterial vor
[2]. Im Zentrum stehen dort die Moderni Das Team von Qnamic erkannte die Zei Diese Definition beschreibt einen zentra
sierung und Verbesserung der Bahnpro chen der Zeit und spinnt den Optimie len Sachverhalt im Störungsfall sehr tref
duktion aus Sicht der Infrastruktur mit dem rungsgedanken konsequent weiter. Ziel fend: Am Anfang steht eine Planung von
ist es, bald aktiv mit automatisch berech Geschäftsprozessen, an der durch das Ein
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treten unerwarteter Ereignisse nicht mehr Ersatzzuges aus dem Depot oder das deren Behebung die Infrastruktur bei
festgehalten werden kann. Abziehen einer defekten Komposition gezogen werden muss.
Basierend auf unserer Analyse von un aus dem Netz, die zwangsläufig Tras
vorhersehbaren Vorkommnissen entwi senanfragen beim EIU erfordern. Diese Kategorisierung bringt Struktur in
ckelten wir ein Modell, welches es erlaubt, (3) Eine Veränderung der Personalver die Vielfalt von Störungen. Alle Urstörun
jede Störung – unabhängig vom auslösen fügbarkeit lässt sich häufig ohne Be gen können einer dieser drei Kategorien
den Ereignis – einer von drei Störungska einträchtigung der beiden anderen zugeteilt werden. Abhängig von der zuge
tegorien zuzuordnen und dadurch den Kategorien lösen. Fällt beispielsweise ordneten Störungskategorie kann dann die
Prozess der Problembehebung durch den ein Lokführer vor Dienstantritt auf passende Massnahme getroffen werden.
Disponenten zu leiten: grund Krankheit aus, kann im Idealfall
noch früh genug ein Ersatzlokführer 3.2. Phasen in der Störungsbehebung
(1) Die Basis stellen Veränderungen in aus der Reserve eingeplant und auf
der Verfügbarkeit von Ressourcen geboten werden. Erst wenn auf der Nach einer Bestandesaufnahme der ver
der Infrastruktur – insbesondere von Personalebene keine Lösung möglich schiedenen Störungen untersuchten wir
Trassen – dar. Diese Form der Störung ist und daher zur Erfüllung einer Leis den Prozess der Störungsbehebung ge
hat immer Auswirkungen auf alle tung z.B. alternatives Rollmaterial mit nauer. Einen wichtigen Beitrag zu unserem
nachfolgenden Störungskategorien, einfacheren Qualifikationsanforderun Prozessverständnis lieferte die Untertei
weil Änderungen an der Trassenver gen eingesetzt werden muss, können lung des Störungsbehebungsprozesses in
fügbarkeit immer auch die Planung daraus Folgestörungen resultieren, zu zwei grundsätzlich voneinander getrennte
von Rollmaterial und Personal beein
flussen. Eine besondere Herausforde
rung der Behebung solcher Störungen
besteht darin, dass sie die EVU nicht 3: Kategorisierung von
selbständig beheben können, da Stre Störungen nach ver-
änderter Verfügbarkeit
ckennetze häufig von einem anderen von Infrastruktur, Roll
Player, nämlich dem Eisenbahninfra material und Personal
strukturunternehmen (EIU), betrieben
Quelle: Eigene Darstellung
werden.
(2) Die Veränderung der Rollmaterial
verfügbarkeit hat stets auch Auswir
kungen auf das Personal, zumindest
auf jenes des betroffenen Zuges.
Häufig bewirkt die Behebung von Stö
rungen dieser Kategorie wiederum
neue Folgestörungen auf Seite der
Infrastruktur, wie z. B. das Stellen eines
4: Die zwei Phasen im Störungsbehebungs-Prozess Quelle: Eigene Darstellung
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ein kurzfristiger Streckenunterbruch dazu,
dass am Ende des Fahrplantages Rollmate
rial nicht am geplanten Zielort abgestellt
wird und als Folge davon der am nächsten
Tag vorgesehene Werkstatttermin gezwun
genermassen entfällt. Folgestörungen, die
erst später auftreten, können in einer spä
teren Projektphase durch die Ausweitung
des Zeithorizonts in der Berücksichtigung
von Regelverletzungen bei der Lösungs
beurteilung realisiert werden. Das Ende
der Aufräumphase fällt mit dem Zeitpunkt
zusammen, wo alle geplanten Dispositi
onsmassnahmen – unabhängig davon, ob
5: Grobe Lösungsarchitektur Quelle: Eigene Darstellung durch Störungen oder Folgestörungen be
gründet – geplant und umgesetzt sind.
3.3. Wie Software Mehrwert schaffen kann
Phasen: Die «Akute Störungsbehebungs lediglich eine Anpassung der Personalpla Im Gegensatz zu heute verfügbarer Dispo
phase» und die «Aufräumphase». nung erfordern, können die EVU die Mass sitionssoftware besteht die Einzigartigkeit
nahmen meist ohne Einbezug der Infra der in diesem Projekt angestrebten Lösung
Akute Störungsbehebungsphase struktur planen und umsetzen. Sind jedoch darin, Ressourcenkonflikte und Regelver
Die akute Störungsbehebungsphase dauert Änderungen an der Fahrzeugplanung und letzungen sowohl zu präsentieren wie
je nach Komplexität und Umfang der Stö damit zusammenhängende Trassenan auch gleich mehrere erfolgsversprechende
rung zwischen einigen Minuten bis zu einer fragen erforderlich, so ist die Infrastruktur Planänderungen zu berechnen und vorzu
Stunde. In dieser Zeitspanne entwickeln zwingend bei der Lösungssuche mitein schlagen. Damit erarbeitet die neue Soft
Disponenten verschiedene Lösungskon zubeziehen. Die Konzeption von Lösungs ware in Interaktion mit dem Disponenten
zepte, prüfen die Erfüllung der Vorausset vorschlägen führt nicht selten dazu, dass rasch und sicher eine optimale Lösung.
zungen für deren Umsetzung und wägen neue Folgestörungen ausgelöst werden. Um diese Produktinnovation zu reali
sie – basierend auf unterschiedlichen Be Kann beispielsweise ein bestimmter Zug sieren, werden folgende drei technische
wertungskriterien – gegeneinander ab. Je aufgrund der erforderlichen Strecken- oder Innovationen kombiniert:
nach Art der Störung ist in dieser Phase auf Traktions-Qualifikationen nur von weni
kommunikativer Ebene mehr oder weni gen Lokomotivführern bedient werden, Parametrisierte Konstruktionsheuristiken
ger Austausch mit der Infrastruktur erfor kann es nötig sein, einen Lokführer von Die Algorithmen in der RailOpt DSS Soft-
derlich. Sofern die zur Störungsbehebung einem anderen Dienst abzuziehen. Treten ware von Qnamic wurden für die Ange
erforderlichen Dispositionsmassnahmen Folgestörungen innerhalb des aktuellen botserstellung und die Langzeitplanung
Fahrplantages auf, müssen sie zwingend in von EVU entwickelt. Zur Anwendung in
der Lösung mitberücksichtigt werden. Der der Echtzeit-Ressourcendisposition sind sie
Abschluss der akuten Störungsbehebungs- entschieden zu langsam. Vielversprechend
phase bildet in jedem Fall der definitive in diesem Kontext ist der Einsatz von pa
Umsetzungsentscheid. rametrisierten Konstruktionsheuristiken in
Im Gegensatz zu heute verfügba- Kombination mit einer passenden Meta-
Aufräumphase Heuristik. Dieser innovative Ansatz ermög
rer Dispositionssoftware besteht Die Aufräumphase kann von wenigen Stun licht die Einbindung von Kontextwissen in
die Einzigartigkeit der in diesem den bis mehrere Tage dauern. In dieser
Phase wird zuerst die Planung basierend
leistungsstarke, generische Optimierungs
algorithmen. Dieser Ansatz wurde von Prof.
Projekt angestrebten Lösung auf der zuvor konzipierten und gewählten Dr. Harold Tiemessen, Leiter Algorithmen
Lösung aktualisiert und es werden dem Entwicklung in diesem Projekt, während
darin, Ressourcenkonflikte und Personal die Änderungen kommuniziert. seines Engagements bei Philips bei der Op
Regelverletzungen sowohl zu Anschliessend erfolgt die planmässige Um
setzung der Lösung basierend auf der neu
timierung von Bestückungsprogrammen in
der Halbleiterindustrie bereits erfolgreich
präsentieren wie auch gleich en Ressourcenplanung. In den meisten Fäl eingesetzt.
len ist zwar hinsichtlich der ursprünglichen
mehrere erfolgsversprechende Störung bereits nach einigen Stunden wie Autokonfiguration der Zielfunktion
Planänderungen zu berechnen der der Normalzustand hergestellt, jedoch
führen die getroffenen Dispositionsmass
über Maschinelles Lernen
Sämtliche Optimierungsalgorithmen be
und vorzuschlagen. nahmen häufig zu Folgestörungen. Diese nötigen eine Methode, um Lösungen ver
manifestieren sich oft erst in den nach gleichen respektive bewerten zu können
folgenden Tagen. So führt beispielsweise – die sogenannte Zielfunktion. In unserem
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Kontext spielen eine Vielzahl von Zielkrite
rien eine Rolle. In Operations Research ist
es üblich, die Optimierung mittels Gewich
tung dieser Kriterien durchzuführen, ggf.
mit Unter- oder Obergrenzen für ausge
wählte Zielkriterien. Es ist aber in der Praxis
nicht einfach aber gleichzeitig sehr wichtig,
schnellstmöglich sinnvolle Zielgewichtun
gen zu definieren. Momentan bestimmen
die Disponenten in RailOpt DSS die Gewich
tungen selbst und individuell. Neu wollen
wir aus den historischen Gewichtungen ler
nen und daraus kontextuell bestmögliche
Gewichtungen vorschlagen. So können für
jedes EVU und ihre Störfälle die Zielfunktio
nen automatisch konfiguriert werden.
Domain Specific Language
Obwohl häufig ähnliche Störfälle im Be
trieb von EVU auftreten, muss die konkrete 6: Die Chemins de Fer Luxembourgeois gehören mit den SOB zu den Pionieren der Entwicklung des
Lösung immer wieder neu geplant werden. neuen Echtzeit-Ressourcenmanagement-Systems RailOpt DSSplus Quelle: © CFL
Im Projekt wird eine domänenspezifische
Sprache (DSL) entwickelt, mittels derer ma
nuelle und fehleranfällige Arbeitsschritte
formal beschrieben, kundenspezifisch hin Ausgangspunkt für das Machine Learning Literatur
terlegt und später (teil-)automatisiert abge darstellt.
[1] Leitsystem zur Netzdisposition Kunde, LeiDis-NK
wickelt werden können. Dadurch werden Wir planen, regelmässig in Fachzeit Premiumversion, https://bit.ly/3dISaXE
manuelle und repetitive Arbeitsschritte eli schriften und auf Konferenzen über den [2] smartrail 4.0; Teilprojekt Traffic Management System,
miniert und die Disponenten entlastet, so Projektstand zu informieren. Aktuelle In https://bit.ly/3tIalnp
dass mehr Zeit für die herausfordernde und formationen zum Projektverlauf stellen wir
kreative Arbeit bei der Lösungsfindung zur dem interessierten Publikum ausserdem
Verfügung steht. auf der Projekt-Website unter https://www.
Die drei oben erwähnten technischen fhnw.ch/plattformen/dssplus/ zur Verfü
Innovationen bilden zusammen eine trans gung und sind selbstverständlich jederzeit
disziplinäre Innovation. Via DSL (Domain offen für Rückmeldungen. Summary
Specific Language) Skripts erhält RailOpt
Troubleshooting in railway operations in real time
DSSplus die Leistungen und Ressourcen
Weather conditions and interlocking faults are
für den Aufruf der Optimierung und über
daily challenges for rail transport companies.
die Machine Learning Algorithmen die Ge
Links They require rapid solutions. Today’s resource
wichtungen der Zielkriterien für diese Op
management systems give only partially sup-
timierung. Der Disponent kann die berech Qnamic: https://qnamic.com/de/
port. The University of Applied Science OST and
neten Massnahmen direkt übernehmen Ostschweizer Fachhochschule: https://www.ost.ch/
North-Western Switzerland are developing a
Fachhochschule Nordwestschweiz:
oder Anpassungen vornehmen und eine new Decision Support System with the software
https://www.fhnw.ch
erneute Optimierung starten, wodurch Chemins de Fer Luxembourgeois CFL: house Qnamic. Basis for this is a combination of
die Machine Learning Algorithmen weiter https://www.cfl.lu approved approaches of the Operation Research
lernen. Die grobe Lösungsarchitektur ist in Schweizerische Südostbahn: https//www.sob.ch and Machine Learning tool.
Bild 5 grafisch dargestellt.
4. Ausblick
Die konzeptionelle Arbeit im Projekt ist Multinationales Forschungsprojekt
weitgehend abgeschlossen und erste Test Das Innovationsprogramm Innosuisse fördert das Forschungsprojekt «Echtzeit Ressour-
instanzen wurden von den EVU bereitge cendisposition von Personal und Rollmaterial in der Eisenbahnbranche». Das Soft-
stellt. In den nächsten Schritten werden warehaus Qnamic, die Ostschweizer Fachhochschule und die Fachhochschule Nord-
mit Hilfe ganzzahliger Programmierung westschweiz entwickeln mit der Société Nationale des Chemins de Fer Luxembourgeois
optimale Lösungen für überschaubare und der Schweizerischen Südostbahn neue Ansätze und Lösungen, um Disponenten
Testinstanzen berechnet, erste Konstrukti bei der Behebung von Störungen zu unterstützen. Dabei kommen parametrisierte Kon-
onsheuristiken entwickelt und die Daten struktionsheuristiken in Kombination mit der passenden Meta-Heuristik, maschinelles
grundlage erhoben, die in der Folge den Lernen und eine Domain Specific Language zum Einsatz.
www.eurailpress.de/etr ETR | Mai 2021 | NR. 5 79
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