Funktionalitäten

Mit dem Aufkommen von landesweiten Taktfahrplänen entstand das Bedürfnis, gewisse Zusammenhänge der Zugläufe nicht nur entlang einer Linie, sondern netzweit grafisch darzustellen. Dies war die Geburtsstunde der sogenannten Netzgrafik. Sie bildet das Eisenbahnnetz und den dazugehörigen Fahrplan schematisch ab: Jedes im Takt verkehrende Zugpaar erscheint als Strich, der die bedienten Knotenbahnhöfe unter Angabe der Ankunfts- und Abfahrtszeiten miteinander verbindet.

Die Netzgrafik gibt die Fahrpläne sämtlicher Linien eines Netzes in ihren gegenseitigen Abhängigkeiten (z.B. Anschlusssituation in Knotenbahnhöfen) anschaulich wieder. Die Verknüpfungen sind auf einen Blick sichtbar, was die Koordination für den Planer erheblich vereinfacht.

Viriato war das erste Planungssystem, das Netzgrafik, Bildfahrplan und Tabellenfahrplan zu einem integrierten Werkzeug verknüpfte.

Der Bildfahrplan ist als Weg-Zeit-Diagramm die traditionelle Art, den zeitlichen Verlauf eines oder mehrerer Züge entlang einer Strecke darzustellen. Schon seit den Ursprüngen der Eisenbahn dienen diese grafischen Fahrpläne der Abbildung des Betriebsgeschehens auf einer Strecke.

Der Bildfahrplan ist das zentrale Arbeitsdokument für den Fahrplankonstrukteur, erlaubt er doch eine erste Überprüfung der betrieblichen Machbarkeit eines Fahrplans. Der Fachmann erkennt in dieser Darstellung sofort die Konflikte wie ungenügende Zugfolgezeiten oder Kreuzungen auf eingleisigen Strecken gibt. Mit Hilfe von Bildfahrplänen, in denen alle Zugfahrten einzelner Linien dargestellt sind, lassen sich zudem erste Überprüfungen und Abschätzungen für den Umlaufplan durchführen.

Je nach Kunde und Planungsstufe sind unterschiedliche Inhalte oder Darstellungsformen gefordert. Neben flexiblen Anzeigefiltern ist daher das Layout des Viriato-Bildfahrplans frei definierbar, beispielsweise was Strichstärken und -farben betrifft. Diese individuellen Anpassungen sind von grossem Nutzen für die erfolgreiche interne und externe Informationsentwicklung.

Der Tabellenfahrplan verkörpert die ursprünglichste Darstellung eines Fahrplans entlang einer Strecke. Dies spiegelt sich im Englischen im Wort Timetable wider, das auf die Wurzeln der Bekanntgabe von Fahrplänen verweist. Trotz seiner langen Geschichte entfaltet der Tabellenfahrplan auch im neuen Viriato wieder seinen Nutzen. Im Zusammenspiel mit betrieblichen Modulen, wie zum Beispiel dem Bildfahrplan, bietet er gleichzeitigen Einblick in verkehrliche Aspekte des Fahrplans.

Mit der Aufgabenteilung zwischen Besteller und Betreiber hat der Tabellenfahrplan auch eine Kommunikationsfunktion erhalten: Juristisch einwandfrei beschreibt er das Angebot in Bezug auf Produkt, Umfang, Häufigkeit oder Haltepolitik.

Die funktionalen Anforderungen an den Tabellenfahrplan hängen vom Einsatzgebiet ab. Viriato bietet daher flexible Filtermöglichkeiten und Layout-Einstellungen. Eine Schnittstelle ermöglicht zudem die Weitergabe der Daten an MS Excel für eine individuelle Nachbearbeitung.

Die Anschlussuhr zeigt grafisch die Beziehungen zwischen ankommenden und abfahrenden Zügen an einer Betriebsstelle. Dies ermöglicht dem Bearbeiter eine effiziente Planung der Ankunfts- und Abfahrtszeiten, mit dem Ziel, die Anschlussmöglichkeiten für den Reisenden zu maximieren. Die Ankunfts- und Abfahrtszeiten werden auf einer Uhr um die Betriebsstelle gezeichnet, um möglichst viele Informationen gemeinsam darzustellen. Ebenfalls kann die Belegung der einzelnen Bahnhofsgleise eingeblendet werden.

Grundlage für eine sorgfältige Fahrplanplanung sind präzise Kenntnisse der technisch möglichen Fahrzeiten der Züge. Im Rahmen des Planungsprozesses müssen diese Fahrzeiten deshalb laufend aktualisiert werden können. Nur so lassen sich Änderungen beim Rollmaterial oder bei der Infrastruktur – zum Beispiel temporäre Geschwindigkeitseinschränkungen – in der Fahrplanplanung berücksichtigen. Viriato berechnet die Fahrzeiten auf der Basis eines breiten Spektrums von technischen und betrieblichen Parametern.

Der neue Viriato-Fahrzeitrechner basiert auf dem Algorithmus, den die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) für die Berechnung sämtlicher Fahrzeiten nutzen. Dank beliebigen Kombinationen von Rollmaterial, Traktionsparametern, fahrdynamischen Parametern und Bremskurven berechnet Viriato hochpräzise Fahrzeiten, die von den SBB im täglichen Einsatz bestätigt wurden.

Durch die Berücksichtigung von Streckeneigenschaften wie Steigungen, Kurven, Tunnel oder Geschwindigkeitseinschränkungen entsteht ein detailliertes Abbild der Infrastruktur.

Der Planer kann im Modul beliebige, eigene Triebfahrzeuge mit ihren Eigenschaften und Leistungswerten leicht selbst erfassen.

Der Fahrzeitrechner ist vollständig in den Planungsprozess integriert. Die errechneten Fahrzeiten werden unmittelbar in den Zuglauf übertragen.

Die Planung effizienter Fahrzeugumläufe ist eine Kernaufgabe, die die Wirtschaftlichkeit eines Bahnunternehmens massgeblich bestimmt. Die Beschaffungskosten für Rollmaterial sind hoch. Gleichzeitig gilt es, das Leistungsversprechen gegenüber Fahrgästen und Kunden zu erfüllen und genügend Spielraum für Instandhaltungsmassnahmen einzuplanen. Das alles erfordert einen eng abgestimmten Planungsansatz.

Das Modul für den Viriato-Fahrzeugumlauf ist vollständig in die Fahrplan-Funktionalität von Viriato integriert. Dadurch lassen sich Fahrzeugumläufe direkt während des Planungsprozesses erstellen.

Über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrplans hinweg verändern sich die Anforderungen an die Umlaufplanung. Das Viriato-Umlaufmodul deckt diesen Prozess durchgängig ab:

In der strategischen, langfristigen Planungsphase kann sich der Benutzer darauf konzentrieren, die erforderliche Flottengrösse für das geplante Betriebsprogramm zu ermitteln. Sobald mehr Detailinformationen vorliegen, lassen sich die Umläufe schrittweise verfeinern durch detaillierte Rollmaterialdaten, Instandhaltungsfenster und Leerfahrten.

Bahnhöfe sind die Brennpunkte des Geschehens im Eisenbahnbetrieb. Hier laufen Strecken zusammen, fahren Züge ein und aus, Fahrgäste kommen, gehen und steigen um, Zuggarnituren werden abgestellt, gereinigt und unterhalten. Mit der Vertaktung des Angebots und der Bildung von Anschlussknoten steigen auch die Anforderungen an Betrieb und Kapazität im Bahnhof.

Nichts darf dem Zufall überlassen sein. Deshalb gehört auch das Überprüfen der Belegung von Bahnhofgleisen sowie der Zu- und Wegfahrten zu den Kernaufgaben der Fahrplanerstellung. Hier stellt sich zum Beispiel die Frage, ob zusätzliche Gleise oder Weichen den Betrieb vereinfachen oder ob die vorhandenen Gleise für ein geplantes Angebotskonzept ausreichen.

Das leistungsstarke Viriato-Modul für die Gleisbelegung ist leicht zu bedienen und unterstützt den Anwender bei der Planung, Beurteilung und Darstellung von Gleisbelegungen. Züge lassen sich per Mausklick von einem Gleis aufs andere verschieben, um allfällige Konflikte direkt zu beheben.

Viriato unterstützt den Planer bei der Erstellung von konfliktfreien Gleisbelegungen mit dem optionalen Modul Konflikterkennung, welches Verletzungen von Planungsregeln und Konflikte zwischen sich gegenseitig ausschliessenden Zugfahrten im Bahnhofsbereich anzeigt.

Ein Eisenbahnfahrplan unterliegt zahlreichen Rahmenbedingungen, unter anderem bei der Infrastruktur (Gleise, Zugfolgezeiten, Sicherungsanlagen etc.), beim Rollmaterial (Beschleunigung, Zugtyp etc.) und bei der Angebotsstruktur (Zwischenhalte, Anschlüsse etc.). Je höher die Komplexität des Schienennetzes und je grösser die Streckenauslastung, desto wichtiger wird die Beachtung dieser Rahmenbedingungen.

In komplexen Fällen ist es schwierig sicherzustellen, dass alle Einschränkungen berücksichtigt sind und der geplante Fahrplan konfliktfrei fahrbar ist.

Die Konflikterkennung von Viriato ermittelt alle vorhandenen Problemfälle in kürzester Zeit und stellt sie im Bildfahrplan dar. Verändert der Anwender die Fahrlage eines Zuges, beispielsweise mit der Maus direkt im Bildfahrplan, meldet Viriato sofort die verbleibenden Konflikte. Neben der grafischen Anzeige der Konflikte ist immer auch eine vollständige tabellarische Darstellung verfügbar.

Im Bahnhofsbereich besteht zudem die Möglichkeit, automatisch nach konfliktfreien Lösungen für die Gleisbelegung zu suchen. Der Algorithmus findet Konflikte im Gleisbelegungsplan und ist so für den Planer eine wertvolle, frühzeitige Hilfe, wenn das geplante Angebotskonzept nicht fahrbar ist.

Die Die Fahrplanerstellung ist ein interaktiver Prozess im Spannungsfeld einer grossen Zahl von Rahmenbedingungen und sich widersprechender Ziele. Betriebliche Zwänge verursachen häufig nachfrageseitige Auswirkungen, die nicht auf Anhieb zutage treten. Ausserdem sind in grossen Netzen die systemweiten Folgen von lokalen Fahrplanänderungen oft nicht unmittelbar ersichtlich.

Die Viriato-Reisezeitanalyse unterstützt den Planer beim Vergleich und bei der Beurteilung von verschiedenen Fahrplankonzepten und deren Angebotsqualität. Aus den Daten einer Fahrplanvariante berechnet sie unter Berücksichtigung von Fahrzeiten und Umsteigezeiten alle sinnvollen Verbindungen im Netz. Daraus werden die aus Kunden- und betrieblicher Sicht wichtigsten Kennziffern ermittelt.

Die Reisezeitanalyse bietet eine Reihe von Auswertungen an, die dem Planer eine sorgfältige Analyse der alternativen Fahrplankonzepte ermöglichen. Eine attraktive Darstellung der Ergebnisse in verschiedenen grafischen Formen erlaubt es, die Vorteile eines neuen Fahrplans effizient zu kommunizieren.

Die Schaffung neuer Fahrpläne und Angebote beeinflusst häufig die Reisewege der Fahrgäste. Das Viriato-Zusatzmodul Reisezeitanalyse berechnet die Wege für die Fahrgäste unter Berücksichtigung der Umsteigevorgänge und gibt Hinweise auf Veränderungen der Angebotsqualität zwischen Fahrplänen. Die zugscharfe Umlegung geht einen Schritt weiter, indem sie die Nachfrage mit der Reisezeitanalyse kombiniert und als Resultat die Besetzung auf jedem Zug des Fahrplans ausweist.

Der iterative Prozess in Viriato zeigt dem Planer in transparenter Weise die Wechselwirkung zwischen neuen Fahrplankonzepten und den dadurch ausgelösten Veränderungen von Reisewegen und Fahrgastflüssen. In diesem Prozess erfolgt schrittweise zuerst die Erstellung eines Fahrplankonzepts, dann die Berechnung der möglichen Verbindungen und zum Schluss die Umlegung der Verkehrsnachfrage auf die neuen Verbindungen und damit die Besetzung der Züge. Nimmt der Planer eine Änderung am Fahrplankonzept vor, wiederholt er anschliessend diesen Prozess. Diese Analyse erfolgt in Viriato unter Verwendung der beiden Zusatzmodule Reisezeitanalyse und zugscharfe Umlegung.

Der Algorithmus für die Zuordnung von Passagieren zu Zügen erfolgt auf Basis des Verfahrens der Simultanumlegung. Das heißt, die Nachfrage eines Quelle-Ziel-Paares wird simultan je nach Widerstand (Attraktivität der Verbindung) auf die verschiedenen Verbindungen zwischen dieser Quelle und diesem Ziel umgelegt. Die Attraktivität einer Verbindung wird anhand der Reisezeit und der Anzahl Umsteigevorgänge bestimmt.

Viriato berechnet auf Basis der Nachfrage für jede Quelle-Ziel-Verbindung eine individuelle Tagesganglinie. Dies ermöglicht die Modellierung von Hauptverkehrszeiten oder Passagierströmen in Zentren.

Im iterativen Prozess der Fahrplanerstellung spielt die Bewertung der Konzepte eine entscheidende Rolle. So ist die betriebliche Robustheit einer Fahrplanvariante im Allgemeinen nur schwer zu quantifizieren und zu bewerten. Die Bestimmung des Einflusses von lokalen Änderungen an Fahrplan oder Infrastruktur auf die Robustheit des Gesamtsystems ist auch für erfahrene Planer eine schwierige Aufgabe, wenn grosse und dichte Netze geplant werden.

Das Modul für die Robustheitsanalyse ermöglicht es, die Robustheit eines Fahrplans zu überprüfen und die Leistungsfähigkeit alternativer Fahrplanvarianten miteinander zu vergleichen. Dazu definiert der Anwender Verspätungsszenarien mit vorgegebenen Störungsereignissen, anhand derer der Fahrplan, inklusive baubedingter Sperrungen, simuliert wird. Viriato berechnet die Auswirkungen der initialen Verspätungen, indem diese so lange durch das Netz propagieren, bis diese komplett abgebaut sind und der Sollfahrplan gilt. Die Berechnung kann für Einzelfälle oder im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation durchgeführt werden. Nach Abschluss der Berechnung erstellt Viriato Statistiken, und der gestörte Fahrplan lässt sich als normales Fahrplanszenario abspeichern.

Das Resultat der Verspätungsfortpflanzung lässt sich in Viriato analysieren und beinhaltet Statistiken wie beispielsweise die Gesamtdauer bis zur Rückkehr in den Normalzustand oder die Summe der durch die Initialstörung verursachten Verspätungsminuten. Die Statistiken können für weitergehende Analysen und Visualisierungen exportiert werden. Werden die Resultate als neues Fahrplanszenario gespeichert, lassen sie sich unter Verwendung aller Standardfunktionalitäten in Viriato anzeigen und analysieren. Die Robustheit jedes neuen Fahrplans lässt sich mit diesem Modul effizient analysieren und einfach darstellen.

Obwohl beim Betrieb eines Bahnunternehmens natürlich der Transport von Personen und Gütern im Vordergrund steht, darf nicht vergessen werden, dass die Infrastruktur laufend instandgehalten und ausgebaut werden muss, um den Betrieb aufrechterhalten und das Leistungsangebot erweitern zu können. Ohne regelmässige Wartung beginnt die Qualität der Infrastruktur schnell zu leiden.

Auch wenn Infrastrukturbetreiber stets bemüht sind, die Auswirkungen von Instandhaltungsarbeiten auf ihre Kunden so gering wie möglich zu halten, lässt sich doch nicht immer vermeiden, dass geplante Zugfahrten geändert werden müssen, um auch an Tagen mit Baustellen auf der Strecke angeboten werden zu können. Dazu müssen die Verkehrsunternehmen wissen, welche Fahrstrassen zwischen den einzelnen Bahnhöfen sowie in den Gleisanlagen der Bahnhöfe selbst verfügbar sind und ob sich die Fahrzeiten aufgrund etwaiger Langsamfahrstellen verlängern.

Das Baufahrplanungs-Modul ermöglicht es, Baumassnahmen zu erfassen und deren Auswirkungen auf geplante Züge darzustellen. Die Bauarbeiten lassen sich mithilfe von Szenarien zusammenfassen, sodass Anwender Teilmengen nach eigenen Kriterien gruppieren und filtern können. Zudem können Baumassnahmen über das standardisierte TCR-Format importiert und exportiert werden, was den Datenaustausch mit anderen Systemen ermöglicht.

Um dem Benutzer einen strategischen Überblick über die Bauarbeiten zu ermöglichen, wurde Viriato um eine zweite Visualisierungsoption ergänzt, die einen summarischen Überblick auf Tagesbasis bietet. Für jeden Abschnitt im Gleisnetz wird angegeben, ob es sich um eine Voll- oder Teilsperrung am Tag und/oder in der Nacht handelt. So kann der Benutzer schnell das den Einschränkungen zugrundeliegende Muster erkennen, alternative Fahrstrassen finden und fahrplanrelevante Entscheidungen treffen.

Eine Zugfahrt durchläuft in der Regel viele Planungsstufen über einen langen Zeitraum. Es beginnt bei der groben Angebotsskizze, die laufend verfeinert wird und schliesslich in der operativen Zugfahrt mündet, welche mit dem Controlling abgeschlossen wird. Dabei sind auf verschiedenen Stufen Iterationen notwendig, um ein Optimum aus betrieblicher und wirtschaftlicher Sicht zu erreichen.

Viriato vermag mit seiner Vielseitigkeit alle Stufen der Planung abzudecken. Trotzdem wird höchstwahrscheinlich an der einen oder anderen Stelle des gesamten Prozesses ein Datenaustausch mit anderen Systemen, welche die Daten parallel oder nachgelagert verarbeiten, unumgänglich sein. Ein zentrales Element in diesem Prozess ist die Sicherstellung eines durchgängigen Datenflusses ohne aufwendige und fehleranfällige Neuerfassung. Die Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Systeme über intelligente und standardisierte Schnittstellen miteinander zu verknüpfen.

SMA und Partner AG hat deshalb von Anfang an die railML-Initiative (www.railml.org) mitgetragen und aktiv an der konkreten Umsetzung mitgewirkt. railML hat das Ziel, über definierte Schnittstellen verschiedenste Programme im Umfeld des Eisenbahnbetriebs miteinander zu verknüpfen und den Informationsaustausch durch die Systematisierung und die Definition von standardisierten XML-Schemata für eisenbahnspezifische Daten zu vereinfachen.

Der Fahrplanimport und -export von Viriato ist von railML.org nach den Schemata railML 2.2 und 2.5 zertifiziert.

Zur Anbindung von Fahrgastinformationssystemen bringt Viriato einen GTFS-Export mit; ergänzend ist eine NeTEx-Schnittstelle erhältlich, die aktuell auf das Schweizer Profil ausgelegt ist. Zusätzlich gibt es ein optionales Modul zum Export von Fahrplandaten nach IVU.rail.

Für die Datenanalyse in Drittsystemen gibt es einen XML-Reporting-Export mit den Fahrplan- allen relevanten Stammdaten. Auf diese Weise können weiterführende Abfragen und Nachbearbeitungen durchgeführt werden.

Das Viriato Trassensuche-Modul generiert und integriert konfliktfreie Trassen in einen bestehenden Fahrplan ein. Ausgehend von einem Referenzzug als Vorlage ermittelt Viriato Fahrzeiten und Fahrlagen, die alle Infrastruktureinschränkungen, Zugfolge- und Trennzeiten einhalten. Gleichzeitig werden Abweichungen vom gewünschten Betriebsablauf auf ein Minimum reduziert.

Das mathematische Modell basiert auf Mixed Integer Linear Programming (MILP) und eignet sich für die Fahrplankonstruktion, für Kapazitätsanalysen sowie für die Ermittlung von Restkapazitäten im Netz. Für die Nutzung dieses Algorithmus ist eine Lizenz für den Gurobi-Solver erforderlich.

"Microscopy on Demand" (MoD) bezieht sich auf eine konzeptionelle Softwarearchitektur, die SMA in den letzten Jahren spezifiziert und entwickelt hat. Dieses Konzept ermöglicht einen einfachen Wechsel zwischen dem makroskopischen und dem mikroskopischen (d.h. hochdetaillierten) Modell in allen Phasen des Planungsprozesses. Die grundlegenden Aufgaben der Angebotsplanung, des Designs, der Überprüfung der Fahrbarkeit (einschließlich Fahrzeit, Belegungsberechnung und Konflikterkennung) und der Analyse eines bestehenden konzeptionellen Angebots (d.h. Stabilität, Auslastung, Fahrzeugumläufe, etc.) können nun mit MoD mit dem am besten geeigneten Werkzeug durchgeführt werden. Durch die Nutzung externer Routing-, Fahrzeit- und Konflikterkennungsdienste von Drittanbietern lassen sich die Vorteile der Effizienz und Genauigkeit der Fahrplanplanung auch für den Anwender in Viriato erreichen. Vollständige MoD-Implementierungen stehen für Deutschland und Belgien zur Verfügung, während sich die Lösung für Frankreich derzeit in der Pilotphase befindet und ein länderunabhängiges System Infrastrukturdienste bereitstellt.

Eine zentrale Aufgabe bei der Fahrplanplanung ist es, die verfügbare Restkapazität genau zu kennen: Es muss genügend Spielraum für einen stabilen Betrieb vorhanden sein, ohne dass wertvolle Kapazitäten ungenutzt bleiben. Das Modul Netzkapazitätsanalyse umfasst mehrere Algorithmen, um den Kapazitätsverbrauch für einen gegebenen Fahrplan präzise zu ermitteln.

Der erste Ansatz basiert auf der praktischen Kapazität. Hierbei komprimiert ein Algorithmus die geplanten Züge auf einem bestimmten Streckenabschnitt oder Knotenpunkt so weit wie möglich, ohne Zugfolge- und Mindestabstandszeiten zu verletzen. Dies liefert einen direkten Kennwert für die genutzte Kapazität. Zeigt sich beispielsweise, dass das Angebot einer vollen Stunde auch in 45 Minuten abgewickelt werden könnte, ergibt sich daraus eine potenzielle Kapazitätsauslastung von 75 Prozent.

Die zweite Methode ermittelt die Restkapazität. Dabei bleibt der bestehende Fahrplan unverändert, während der Algorithmus schrittweise zusätzliche Trassen einfügt, bis keine weiteren Fahrten mehr möglich sind. Ab diesem Sättigungszeitpunkt kennt der Planer das theoretische Maximum an zusätzlich fahrbaren Zügen. Für diesen Algorithmus ist eine Lizenz für den Gurobi-Solver erforderlich.

Beide Verfahren bieten ausführliche Auswertungen, die detailliert aufzeigen, wie viel Kapazität im Fahrplan noch frei verfügbar ist.