Simulation based hybrid model for a partially automatic dispatching of railway operation

Abstract

The efficiency and service quality in railway operation can be improved with the support of a partially-automatic dispatching system. Three types of automatic dispatching system model are prevailing: simulative, analytical, and heuristic. However, none of them is able to reconcile the different preferences between system performance and the quality of dispatching solutions individually. A hybrid model is therefore designed in this dissertation. In the hybrid model, the synchronous simulation is utilized as a basis in order to generate a basic dispatching solution. This dissertation focuses on the components and the workflow of a synchronous simulation and addresses the deadlock problem during a synchronous simulation. Deadlock avoidance can be achieved by the Banker's algorithm and the associated improvements, which are designed to prevent trains from unnecessarily stopping and to improve system performance. The implementation shows that the synchronous simulation can reschedule train movements reliably, and the Banker's algorithm can deal with deadlock problems even for very complex train movements (e.g. shunting movements). In a simulative dispatching mode, the calculated train priority parameters are utilized in requesting infrastructure resources, allocating infrastructure resources, or both. After a basic dispatching solution has been generated, further optimization can be carried out on a macroscopic level, and then be elaborated on a microscopic level. Several different optimization techniques, including Tabu search and Linear Pro-gramming, can be utilized in such a multi-level dispatching and optimization frame-work. Finally, an optimized dispatching solution will be developed with consideration to the balance of system performance and dispatching solution quality using a simulation-based hybrid model. In this dissertation, the framework of a hybrid model for a partially-automatic dis-patching of railway operation is proposed. A synchronous simulation model is implemented in the work of the dissertation as the basis, from which further implementation can be designed and be developed continuously.

Mit der Unterstützung einer teilautomatisierten Disposition kann die Effizienz und Qualität im Eisenbahnbetrieb verbessert werden. Obwohl grundsätzlich bereits drei Typen automatisierter Dispositionsmodelle existieren, kann weder der simulative noch der analytische oder der heuristische Ansatz als einzelnes Modell die System-leistung und die Qualität der Dispositionslösung gleichzeitig berücksichtigen. Um diesen Anspruch praxisorientiert umzusetzen, wird in dieser Dissertation ein Hybrid Modell entwickelt. Die synchrone Simulation wird bei dem entwickelten Hybrid Modell als Grundlage verwendet, um eine erste Dispositionslösung zu generieren. Der Schwerpunkt der Dissertation liegt auf den Komponenten und dem Ablauf der synchronen Simulation sowie der Lösung des in der synchronen Simulation auftretenden Deadlock-Problems. Durch Verwendung des Banker-Algorithmus und der damit verbundenen Verbesserungsmaßnahmen, die zur Vermeidung von unnötigen Halten und zur Verbesserung der Systemleistung dienen, werden Deadlocks auch bei sehr komplexen Betriebssituationen, wie sie beispielsweise regelmäßig im Rangierdienst auftreten, ausgeschlossen. Im simulativen Teil des Hybrid Modells wird ein Zugprioritätsparameter berechnet, der bei der Ressourcenbeantragung und/oder der Ressourcenreservierung verwendet wird. Die Implementierung zeigt, dass mit synchroner Simulation zwar zuverlässig ein neuer Dispositionsfahrplan erstellt werden kann, eine Optimierung in Abhängigkeit von der Komplexität jedoch sehr schnell an Grenzen stößt. Nachdem die erste Dispositionslösung generiert wurde, wird eine Optimierung der Lösung auf einer makroskopischen Ebene ermöglicht. Bei Erfordernis kann die Lö-sung auf einer mikroskopischen Ebene verfeinert werden. Verschiedene Methoden der Optimierung, z. B, Tabu Search und Lineare Optimierung, können im Rahmen einer Multi-Level-Disposition und -Optimierung über mehrere Ebenen eingesetzt werden. Schließlich wird in dem simulationsbasierten Hybrid Modell eine optimierte Dispositionslösung unter Berücksichtigung des Ausgleichs zwischen der Systemleistung und der Qualität der Dispositionslösung entwickelt. In dieser Dissertation wird der Rahmen eines Hybrid Modells für eine teilautomatisierte Disposition des Eisenbahnbetriebs entworfen. Ein erweiterungsfähiges synchrones Simulationsmodell wird als Grundlage implementiert.