Universität zu Köln

Lückerath, Daniel (2017). Ein Simulationsmodell für Öffentlichen Personennahverkehr mit regelbasiertem Verkehrsmanagement. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Projekt Computer Aided Traffic Scheduling (CATS) zielte bisher auf den Entwurf und die Entwicklung von Methoden und Softwarewerkzeugen zur Generierung, Simulation und Bewertung von Stadtbahnfahrplänen, um Verkehrsplaner während der taktischen Planungsphase zu unterstützen. Im Zuge der Arbeit am Projekt entstand der Wunsch nach einem Simulationsmodul, das zur Abbildung von multi-modalem Öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) in der Lage ist und Verkehrsplaner nicht nur während der taktischen Planungsphase, sondern auch während des operativen Betriebs unterstützen kann. Im Zuge dieser Arbeit werden Ziele aus drei Bereichen bearbeitet: Zunächst wird ein Optimierungsmodul zur Generierung von Fahrplänen mit hoher Serviceregularität für multi-modale Verkehrssysteme entworfen und entwickelt, das zusätzlich die Möglichkeit bietet Interdependenzen innerhalb und zwischen Verkehrsmodi, wie bspw. Umsteigeverbindungen, zu berücksichtigen. Um eine Anwendbarkeit der resultierenden Fahrpläne im täglichen Betrieb zu gewährleisten, besteht außerdem die Möglichkeit bereits während der Optimierung von Verkehrsplanern formulierte ökonomische, betriebliche und politische Bedingungen zu berücksichtigen. Anhand beispielhafter Anwendungen des Optimierungsmoduls auf Modelle künstlicher Nahverkehrsnetze sowie auf ein Modell des Kölner Busnetzes aus dem Jahr 2001 wird seine Korrektheit und Leistungsfähigkeit nachgewiesen. Weiterhin wird ein neues ereignisbasiertes, mesoskopisches Simulationsmodul für multi-modalen ÖPNV entworfen und entwickelt, das zur Evaluation der Güte eingesetzter Fahrpläne verwendet werden kann. Die einzelnen Bestandteile des Moduls sind so gestaltet, dass zukünftige Erweiterungen, wie z.B. neue Verkehrsmodi, auf einfache Art und Weise möglich sind. Durch theorie- und funktionsbezogene Validierungen anhand von Modellen eines künstlichen Busnetzes sowie des Kölner Stadtbahnnetzes aus dem Jahr 2001 wird die Korrektheit des Simulationsmodells nachgewiesen und gezeigt, dass es auch bei Verwendung sehr spärlicher Datengrundlagen noch plausibles Verhalten aufweist. Die Leistungsfähigkeit des Simulationsmoduls wird anhand von beispielhaften Laufzeituntersuchungen nachgewiesen. Das Simulationsmodul wird daraufhin um die Möglichkeit erweitert selbstständig Maßnahmen des Verkehrsmanagements anstoßen zu können, um Anwenderinnen in die Lage zu versetzen unterschiedliche Verkehrsmanagementstrategien evaluieren zu können. Die Korrektheit der implementierten Verfahren wird beispielhaft anhand einiger Anwendungen auf Modelle künstlicher und realer Verkehrsnetze nachgewiesen. Zuletzt wird die Anwendbarkeit des resultierenden Gesamtprogrammpakets anhand eines typischen Anwendungsfalls für das Kölner Gesamt-ÖPNV-Netz aus dem Jahr 2001 nachgewiesen. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in Kontext, Motivation und Ziele (Kapitel 1), woraufhin eine Einführung in das Gebiet der Fahrplanerstellung für den ÖPNV, sowie eine kurze Besprechung ausgewählter aus der Literatur bekannter Optimierungsmodelle folgt (Kapitel 2). Auf Basis zweier dort besprochener Modelle wird anschließend ein neues Optimierungsmodell zur Fahrplangenerierung für multi-modale ÖPNV-Systeme vorgestellt (Kapitel 3). Die zur Lösung des Optimierungsmodells entworfene Softwareanwendung wird dabei anhand einiger Beispielanwendungen auf ihre Korrektheit und Leistungsfähigkeit untersucht. Darauf folgend werden einige allgemeine Simulationsverfahren sowie diverse in der Literatur zu findende speziell für Verkehrssysteme entwickelte Simulationsmodelle besprochen (Kapitel 4), bevor ein neues Simulationsmodell zur Abbildung von multi-modalen ÖPNV-Systemen vorgestellt wird (Kapitel 5). Die Korrektheit und Leistungsfähigkeit der resultierenden Simulationsanwendung wird durch beispielhafte Anwendungen auf Modelle künstlicher und realer Nahverkehrssysteme untersucht. Im Anschluss wird das Simulationsmodell um die Möglichkeit erweitert selbstständig regelbasierte Verkehrsmanagementmaßnahmen einzuleiten. Dazu erfolgt zunächst eine kurze Einführung in die Grundlagen des Verkehrsmanagements im Nah- und Fernverkehr sowie eine Besprechung ausgewählter in der Literatur zu findender Ansätze (Kapitel 6), bevor die eigentlichen Erweiterungen des Modells besprochen werden (Kapitel 7). Ausgewählte Erweiterungen des Simulationsmodells werden dabei anhand weiterer Beispielanwendungen auf ihre Korrektheit und Plausibilität untersucht. Nach Abschluss der Einzeluntersuchungen, wird die Anwendbarkeit des Gesamtprogrammpakets abschließend demonstriert, indem ein typischer Anwendungsfall für ein Modell des gesamten ÖPNV-Netzes der Stadt Köln aus dem Jahr 2001 besprochen wird (Kapitel 8). Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung des Erreichten und einem Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten (Kapitel 9).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language A simulation model for public transit with rule-based traffic management English
Translated abstract:	Abstract Language Until recently the project Computer Aided Traffic Scheduling (CATS) was only concerned with the design and implementation of methods and software tools that enable transport providers to generate, simulate and evaluate tram schedules, assisting them during the tactical planning phase. During the work on the project the desire for a simulation software arose, which would be able to represent multi modal public transit systems and could assist transport planners not only during the tactical planning phase but also during daily operations. This thesis deals with three main goals: At first, an optimization software for the generation of timetables with high service regularity for multi modal public transit systems is developed, which is also able to consider interdependencies within and between different modes of transportation, e.g. transfer connections. In addition, the software can incorporate other economic, operative, and political requirements during the optimization to assure feasibility of the resulting timetables during daily operations. The correctness and efficiency of the optimization model is demonstrated by applying it to models of artificial transit networks as well as to a model of the bus network of Cologne from 2001. Furthermore, a new event-based, mesoscopic simulation software for multi modal public transit systems is developed, which can be used to evaluate timetable quality. The individual components of the software are designed in such a way that future extensions of the model, e.g. new modes of transportation, can be incorporated easily. The correctness and plausibility of the simulation model, even when using sparse data sets, is proven through theory and function based validation, using models of an artificial bus network as well as the tram network of Cologne from 2001. The efficiency of the simulation software is demonstrated via exemplary runtime analyses. Thereupon, the simulation software is extended with capabilities to autonomously initiate rule-based traffic management measures, enabling transport planners to evaluate different traffic management strategies. The correctness of the implemented measures is demonstrated exemplarily by applying them to models of artificial and real-world transit networks. Lastly, the applicability of the complete software package is demonstrated via its application to a typical use case of the complete public transit network of Cologne from 2001. The thesis begins with an introduction to context, motivation and aims (chapter 1), followed by an introduction to the domain of public transit timetable generation as well as a review of selected existing literature (chapter 2). Afterwards, a new optimization model for the generation of timetables for multi modal public transit systems is presented, which is based on two models reviewed beforehand (chapter 3). The correctness and efficiency of the optimization software designed to solve the optimization model is proven via sample applications. After this, some general simulation techniques as well as existing simulation models specific to public transit systems are discussed (chapter 4), before a new simulation model for multi modal public transit systems is presented (chapter 5). Its correctness and efficiency is demonstrated by applying it to models of artificial and real-world transit networks. Then the simulation model is extended with capabilities to autonomously initiate rule-based traffic management measures. To this end a short introduction to the domain of traffic management for short- and long- distance transit systems as well as a review of selected existing literature is given (chapter 6), before the actual extensions of the model are presented (chapter 7). The correctness of selected extensions is demonstrated via sample applications. After completion of the analyses of single components of the software package, its applicability is demonstrated by applying it to a typical use case of the complete public transit network of Cologne from 2001 (chapter 8). The thesis concludes with a short summary and some thoughts on further research (chapter 9). English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Lückerath, Daniel d.lueckerath@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-71183
Date:	January 2017
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Mathematics and Computer Science > Institute of Computer Science
Subjects:	Data processing Computer science Natural sciences and mathematics Mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Simulation English Public Transit English Disruption Management English Optimization English Timetabling English
Date of oral exam:	1 December 2016
Referee:	Name Academic Title Speckenmeyer, Ewald Prof. Dr. Schrader, Rainer Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7118