Professor der RWTH Aachen untersucht Unpünktlichkeit der DB

Die Macht der Algorithmen : Ein RWTH-Professor will das Hauptproblem der Bahn lösen

Das Hauptproblem der Deutschen Bahn könnte in Nils Nießens Keller gelöst werden, er liegt gleich unter seinem Büro am Rand der Aachener Innenstadt und riecht nach Schmieröl.

Oben im Büro steht ein Computer, unten im Keller eine Modelleisenbahn, sie ist 20 Meter lang und hat mehrere Etagen. Wenn man die Gleise auf einer Geraden hintereinander legen würde, ergäben sie eine Strecke von 1200 Metern. Eine ziemlich große Modelleisenbahn, aber das Hauptproblem der Deutschen Bahn, ihre ewige Unpünktlichkeit, ist ja noch viel größer. Nießen sagt: „Interessente Aufgabe, oder?“

Das kann man wohl sagen.

Die Unpünktlichkeit ist nicht nur das Hauptproblem der Deutschen Bahn, es ist das Hauptproblem eigentlich aller Eisenbahnbetreiber. Ein ewiger Kampf, der nicht zu gewinnen ist, es geht nur darum, zumindest mit Anstand zu verlieren. In Deutschland ist das Problem aber derart gravierend, dass der Bundesverkehrsminister den Vorstandschef der Bahn zuletzt drei Mal einbestellt hat, wie der Rektor einen Schüler, der im Internet über seine Lehrerin herzieht. Dabei hat der Vorstandsvorsitzende, Richard Lutz, das Problem nur von seinen Vorgängern geerbt. Aber jetzt ist ja Nils Nießen da.

Im Keller am Lehrstuhl für Schienenbahnwesen der RWTH: Dort steht eine Modelleisenbahn, deren Gleise eine Gesamtlänge von 1,2 Kilometern haben. Foto: ZVA/Michael Jaspers

Nießen, 44 Jahre alt, Bauingenieur ohne Eisenbahnhintergrund, leitet trotzdem den Lehrstuhl für Schienenbahnwesen an der RWTH Aachen, was ungewöhnlich ist, weil Väter, Groß- und Urgroßväter vieler Eisenbahner oft selbst Eisenbahner waren, es ist ein bisschen wie im Bergbau. Als Nießen den Lehrstuhl 2013 übernahm, gab es Überlegungen, die Modelleisenbahn im Keller des Instituts auszurangieren, aber Nießen sagte: „Von wegen, die bauen wir noch aus“, und so ist es dann auch gekommen. Nach drei Jahre dauerndem Umbau, der 750.000 Euro gekostet hat, steht in Nießens Keller nun zwar nicht die größte, aber vielleicht doch die modernste Modelleisenbahn, die in den Kellern europäischer Universitäten so herumstehen.

Guardiolas unbemerkte Revolution

An dem Modell prüfen Nießen und seine 20 Mitarbeiter, ob das, was sie oben im Büro an den Computern entwickelt haben, in der Praxis funktioniert. Stark vereinfacht dargestellt, transformiert Nießen Probleme der Bahn in die Mathematik. Diese Probleme löst er und überträgt sie zurück aufs Eisenbahnwesen. Und aus dem Lösungsweg wird ein sogenannter Algorithmus, ein großes Wort.

Ein Algorithmus ist eine methodische Abfolge von Schritten, mit deren Hilfe Probleme gelöst werden können. Das Zubereiten eines Gerichts nach einem Rezept ist ebenso ein einfacher Algorithmus wie die Betriebsanleitung für ein Haushaltsgerät. Wenn man bestimmte Handlungen in einer genau definierten Reihenfolge vornimmt, führen sie zum gewünschten Ergebnis. Das ist das Prinzip eines Algorithmus’.

Die RWTH hat schon in den 90er Jahren damit begonnen, Algorithmen für die damalige Bundesbahn zu entwickeln, mit deren Hilfe Fahrpläne erstellt und optimiert wurden. Die Algorithmen von damals sind auch heute noch in Gebrauch, aber verglichen mit den Algorithmen, an denen Nießen arbeitet, waren sie eher simpel. Zum einen, weil die Fahrplanerstellung etwas weniger komplex ist als die Verspätungsminimierung, zum anderen, weil die Leistung der Computer in den 90er Jahren verglichen mit denen von heute jämmerlich war.

Der israelische Historiker Yuval Noah Harari schrieb in seinem 2016 erschienenen Buch „Homo deus – Eine Geschichte von Morgen“, dass „das 21. Jahrhundert von Algorithmen beherrscht werden wird“. Wenn „wir unser Leben und unsere Zukunft verstehen wollen, sollten wir alles daransetzen zu begreifen, was ein Algorithmus ist“, schreibt Harari. Diesen Gedanken hatten vor Harari allerdings schon andere, zum Beispiel Pep Guardiola.

Als Guardiola 2008 Trainer des FC Barcelona wurde, teilte er den Superstars Ronaldinho, Deco und Samuel Eto’o umgehend mit, dass er nicht mehr mit ihnen plane. Für die Fachwelt und die Fans kam das überraschend, die Sportpresse war kollektiv entsetzt. Aber Guardiola hatte offenbar ein Buch gelesen, das ihn auf eine Idee brachte. Erst viel später begann die Sportwelt zu begreifen, was in Guardiolas Zeit in Barcelona eigentlich passiert war.

Pep Guardiola 2009 als Trainer des FC Barcelona, bei dem er den Fußball ausgehend von Beanes Prinzipien gewissermaßen neu erfand. Foto: imago sportfotodienst

Der FC Barcelona gewann zwischen 2009 und 2012 mit Guardiola 14 Titel, es war die erfolgreichste Zeit des großen Klubs. Die Grundlage von Guardiolas Erfolg basierte auf der statistischen Gewissheit, dass eine Fußballmannschaft kein Spiel verlieren wird, wenn sie verhindert, dass ihr Gegner in Ballbesitz kommt. Darauf richtete Guardiola seine Taktik und die Zusammenstellung seiner Mannschaft aus. Zwar begann sich schon vorher in Spanien der Trend des sogenannten Ballbesitzfußballs durchzusetzen, doch Guardiola trieb seine eigene Idee von dieser Art des Fußballs auf die Spitze. Flanken und lange Pässe kamen in diesem Fußball kaum mehr vor, selbst Ecken und Freistöße ließ Guardiola nicht mehr in den Strafraum schlagen; seine Spieler sollten die sogenannten Standardsituationen zur Spieleröffnung nutzen: kurze Pässe, Ballbesitz.

Der medienscheue Guardiola hat noch nie ausführlich über seine Ideen gesprochen, aber man kann davon ausgehen, dass Guardiola errechnet hatte, dass die statistische Wahrscheinlichkeit, Tore aus dem Spiel heraus zu schießen, höher ist als die, Tore nach Standardsituationen zu erzielen. Und zudem ist die Wahrscheinlichkeit, bei kurz gespielten Standards in Ballbesitz zu bleiben, erheblich höher, als wenn man Flanken oder lange Pässe schlägt. Das war der Grundsatz des von Guardiola entwickelten Algorithmus’, nach dem er die Mannschaft spielen ließ.

Weil die meisten Fußballfans und -experten zunächst nicht erkannten, welche Prinzipien Guardiolas Spielweise zugrunde lagen und schon gar nicht an Algorithmen auf Basis statistischer Wahrscheinlichkeiten dachten, gab man dem spanischen Ballbesitzfußball einfach den Namen „Tiki-Taka“, was so viel heißt wie „klick klack“. Kurzpassspiel.

Das Buch, das Guardiola sehr wahrscheinlich gelesen hatte, heißt „Moneyball“, geschrieben hat es 2003 der Investmentbanker und Journalist Michael Lewis. 2011 wurde es mit Brad Pitt in der Hauptrolle verfilmt. In dem Buch geht es um die Daten-Revolution im Baseball, die von der Fachwelt lange unbemerkt geblieben und erst durch Lewis’ Buch öffentlich geworden war.

Brad Pitt als Baseball-Visionär Billy Beane im Film „Moneyball“. Foto: dpa/Sony Pictures

Baseball wird in den USA seit 1871 professionell gespielt, seit 1900 werden umfangreiche Statistiken erhoben und gesammelt, jedes der 30 Teams spielt pro Saison 162 Spiele. Jede Saison besteht also aus 4860 Spielen, eine Fußball-Bundesligasaison nur aus 612. Es liegen im Baseball so derart viele Statistiken vor, dass sich Baseball besser als jeder andere Sport dazu eignet, auf einer datenbasierten Grundlage Algorithmen zu entwickeln, deren Ziel es ist, eine Mannschaft so zusammenzustellen, aufzustellen und spielen zu lassen, dass die statistische Wahrscheinlichkeit, ein Spiel zu gewinnen, am höchsten ist.

Mittlerweile werden die US-amerikanischen Profiteams nicht mehr nur von Baseball-Fachleuten, sondern auch und zunehmend von fachfremden Statistikern und Datenanalysten geführt, die ebenso gut für Google, Facebook, Hedgefonds oder die Deutsche Bahn arbeiten könnten. Datenbasierte Algorithmen steuern schon heute große Teile des Werbemarktes im Internet, sie steuern Aktienfonds und Produktionsabläufe. Entwickeln sich Computer-Algorithmen selbst weiter, spricht man von künstlicher Intelligenz.

Obwohl die europäischen Fußballfans von solchen Entwicklungen bislang kaum Notiz nehmen, hat die systematische Datenerhebung mittlerweile in allen großen Profiligen begonnen. Die Fußballstadien sind mit Kameras ausgestattet, die keinen anderen Zweck haben, als Spiel- und Spielerdaten zu erheben: Zweikampfverhalten, Laufwege, Passlänge, Passquote, Sprintverhalten und Dutzende weiterer Parameter. In Dänemark wurde der Provinzklub FC Midtjylland 2015 und 2018 Meister, sein Team wurde nicht von einem Sportdirektor, sondern von datenbasierten Algorithmen eines Londoner Derivatenhändlers zusammengestellt.

In Nießens Keller ist die Lage etwas anders. Schon jetzt ist klar, dass es ihm nicht gelingen wird, einen oder mehrere Algorithmen zu entwickeln, die die Verspätungen auf 33.000 Kilometern Schienen, die von der Deutschen Bahn betrieben werden, auf null zu reduzieren. Nach eigenen Schätzungen ist die Bahn für etwa zwei Drittel der Verspätungen wegen Stellwerksausfällen, Personalmangels oder Wartungsrückständen, wegen defekter Züge oder anderer technischer Probleme, selbst verantwortlich. Ein Drittel der Verspätungen gehen auf Zufälle zurück, die die Bahn nicht beeinflussen kann: Wetter, randalierende Fußballfans, Suizide auf Bahngleisen.

Zwar sind Nießen und seine Mitarbeiter damit befasst, eine Art Frühwarnsystem für Stellwerksprobleme zu entwickeln, weil Stellwerken eine so zentrale Rolle im Bahnverkehr zukommt. Ist ein Stellwerk defekt, geht im Umkreis von manchmal Hunderten Kilometern gar nichts mehr. Aber im Wesentlichen setzt Nießens Arbeit nach irgendeinem Ereignis an, das zu einer Verspätung führt, er nennt ein Beispiel:

Zwei seiner 20 Mitarbeiter sind Peter Laumen (l.) und Albrecht Morast. Foto: ZVA/Michael Jaspers

Der ICE Frankfurt-Köln-Aachen-Brüssel verlässt aus irgendeinem Grund den Frankfurter Hauptbahnhof 20 Minuten zu spät. Im Normalfall entscheidet nun ein Disponent der Bahn, also ein Mensch, was diese Verspätung für den Zugverkehr auf dieser und angrenzenden Strecken bedeutet. Irgendwo in der Provinz ist das Problem leicht zu lösen, aber in Ballungsräumen wird die Sache schnell komplex.

Eine Frage ist, wann beispielsweise der RE 9 von Köln nach Aachen den verspäteten ICE passieren lässt, der eigentlich den Kölner Hauptbahnhof vor ihm hätte verlassen sollen. Fährt der RE 9 nach Horrem und wartet dort, bis der ICE ihn passiert? Oder wartet er in Ehrenfeld? Oder erst in Düren? Und was bedeutet die Verspätung des ICE für alle anderen Züge, die mit ihm im Kölner Hauptbahnhof hätten einfahren sollen oder nun mit ihm einfahren werden? Muss vielleicht der Bahnsteig geändert werden? Die verspätete Abfahrt des ICE hat Auswirkungen auf fast den gesamten Bahnverkehr in Nordrhein-Westfalen, manchmal sogar darüber hinaus. Der Bahn-Disponent wird das Problem lösen, die Frage ist nur, in welcher Zeit, wenn doch jede Sekunde zählt, und: Wie effektiv löst er das Problem?

Das Schienennetz in Nießens Keller mag nur 1,2 Kilometer lang sein, aber es lässt sich am Computer auf etwa 100 Kilometer hochrechnen. Das reicht, um auf Grundlage Tausender Parameter für fast alle Eventualitäten Algorithmen zu entwickeln, Nießen kann jede Art von Strecke darstellen: Nahverkehr, Fernverkehr, Güterverkehr. Die Fahrpläne der Deutschen Bahn sind auf den Computern des Instituts installiert, damit er mit der Modelleisenbahn Szenarien darstellen kann, die die Realität simulieren.

8000 Stunden Verspätung pro Tag

Nießens Problem ist, dass er nur auf eine begrenzte Datenmenge zurückgreifen kann, da im Moment noch keine durchgängigen Daten aller fahrenden Züge vorliegen. Das wird sich erst ändern, wenn irgendwann einmal jede Bahnbewegung per GPS nachvollzogen werden kann. Und: Es gibt nur das bestehende Schienennetz, die Zahl der Optionen sind begrenzt. Nießen geht davon aus, dass es mit Hilfe seiner Algorithmen gelingen wird, die Verspätungen der Deutschen Bahn um fünf bis zehn Prozent zu reduzieren. Das mag sich nicht nach viel anhören; doch wenn man weiß, dass die Bahn 2016 im Durchschnitt etwa 8000 Stunden Verspätungen pro Tag anhäufte, bekommt man einen Eindruck davon, wie viel fünf bis zehn Prozent dann doch sein können.

Die Algorithmen, auch die von Nießen, werden eher früher als später dazu führen, dass es unabsehbar viele Arbeitsplätze nicht mehr geben wird, weil Computer-Algorithmen die Arbeit übernehmen. Nießen sagt schon heute: „Je komplexer die Problemlage, desto eher sollten wir den Computer entscheiden lassen.“ Doch was das für die Zukunft bedeutet, welche gesellschaftlichen Konsequenzen daraus entstehen, wird dann wahrscheinlich nicht in Neßens Keller verhandelt werden.

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