Influence of train and traffic control on railway station capacity

Abstract

Derzeit sind viele Strecken im Eisenbahnwesen hochbelastet und können dem benötigten Verkehrsaufkommen nicht mehr gerecht werden. Da Neubauten sehr hohe Investitionen erfordern und nicht überall möglich sind, stellt sich die Frage, ob man dem Verkehrsaufkommen in anderer Form gerecht werden kann, um eine weitere Verkehrsverlagerung zur Schiene zu ermöglichen. Im Zuge dieser Dissertation soll daher untersucht werden, ob und wie eine Steigerung der Kapazität im Bereich von Bahnhöfen durch die Adaptierung der Zugsicherung möglich ist. Es wird dazu untersucht, wie die Betriebsabwicklung im Bestand durchgeführt wird und welche Zugsicherungssysteme dabei bereits in der Praxis zur Anwendung kommen. Dazu werden PZB, LZB, CBTC und ETCS erörtert. Neben der Erarbeitung dieser Grundlagen ist die Definition von Kapazität ein maßgeblicher Punkt der vorliegenden Dissertation. So werden verschiedene Definitionen für diesen Begriff erörtert und entsprechende Berechnungsmethoden zur Kapazitätsbestimmung präsentiert. Typischerweise lassen sich zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit konstruktive Methoden, Optimierungsmethoden, Parametrische Methoden, statistisch- Deterministische Modelle bzw. stochastische Methoden anwenden. Letztere lassen sich in analytische Methoden und Simulationen einteilen, wobei in dieser Arbeit synchrone Simulationsverfahren mit der Software OpenTrack zur Anwendung kommen. Als Vergleichsparameter wird in dieser Arbeit die Zugfolgezeit herangezogen. Dabei werden acht verschiedene Strecken in sechs Simulationen untersucht. Neben einer Ausgangsvariante wird ETCS Level 2, und ETCS Level 3 Moving Block untersucht. Zusätzlich zu diesen Varianten wird auch untersucht, wie sich das Fahren mit Streckengeschwindigkeit bis zum Beginn einer Weiche unter ETCS Level 2 auswirkt. Kombiniert wird dies mit verdichteten Blockabständen. Es zeigt sich dabei, dass die Implementierung von ETCS Level 2 ohne weitere Begleitmaßnahmen nicht zur einer Kapazitätssteigerung führt. Mit den entsprechenden Begleitmaßnahmen können jedoch Verbesserungen erzielt werden. So zeigt sich, dass bei verkürzten Blockabschnitten die Zugfolgezeit Richtung jener des Moving Blocks strebt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen somit wie ETCS Level 3 Hybrid, jener Variante mit den verkürzten Blockabschnitten, zu einer Erhöhung der Kapazität führen kann. Insbesondere zeigt sich, dass das Potential erst voll ausgenutzt werden kann, wenn sämtliche Züge über ein System zur Bestätigung der Zugintegrität verfügen. Die größten Erkenntnisse in dieser Dissertation liegen in der Quantifizierung der Zugfolgezeiten.

Existing railway lines, especially in urban areas, are often highly utilized and it is not possible to add additional train routes. Building new railway lines cannot be the solution, because of high construction costs, and the duration of planning and construction. Therefore, for a model shift to the rail, it is necessary to find other solutions. For this purpose, within this dissertation, it should be analysed how the capacity of stations can be increased by train- and traffic control. At the beginning, there will be an analysis of the existing procedures in railway operations, to understand which and how train protection systems are used. In addition, PZB, LZB, CBTC and ETCS are explained. Beneath this background research there will also be research on how capacity is defined and which measures are used to calculate capacity; for these, objective different methods are used, like constructive methods, optimization methods, parametric methods, statistical/deterministic methods, and stochastic models. Stochastic models can be subdivided into analytical methods and simulation methods. In this thesis, synchronous simulations with the software OpenTrack are used. Here, eight different railway lines are simulated in six simulations. Beneath a base variant, variants with ETCS Level 2 and Level 3 Moving Block are investigated. Another ETCS Level 2 scenario is, that at diverging turnouts, with lower speed, the line speed is used up to the beginning of the turnouts. Compared to the situation where the lower turnout speed must be used from the home signal, there can be found a different headway. These measures will be combined with shorter block sections. It can be shown that ETCS Level 2 without additional measures does not result in an increase in capacity. With additional accompanying measures, there can be an increase in capacity. With ETCS Level 2 and the shorter block sections, the headway aims to the headway time of ETCS Level 3 Moving Block. This means, that ETCS Level 2 with shorter blocks, which corresponds to the principle of ETCS Level 3 Hybrid, leads to a higher capacity. The potential is fully used when all trains are equipped with a train integrity monitoring system. The main result of this thesis is the quantification of the change in headway.