Timetable Analysis based on Social Cost and Simulation

The timetable is essential for railway traffic. Its design affects rail operations – and by extension all operators, passengers, and freight clients. International practice for capacity allocation varies and there is no common algorithm for designing and evaluating timetable changes. Especially challenging is coordinating heterogeneous services competing for track capacity. Aim of this thesis is to improve efficiency and transparency in capacity allocation by new methods to assess timetable adjustments. Although integration of capacity analysis and socio-economic evaluation is beneficial, combination of the two methods is rare. Because of that, two types of model are proposed in this thesis: The first combines capacity variables and social costs to represent the goodness of a timetable slot or a timetable using performance indices describing the travelling time experience of passengers riding the trains. Historical delay data from existing timetables provides information about the performance under operation. For strategies, a combined timetable and simulation approach is proposed to reveal variables for input to performance evaluation models. We show that microscopic simulation is advantageous for estimating operational data. Because departures ahead of schedule are common for freight trains suffers a simulation that does not include that feature of inaccuracies. Because of that, we suggest an approach for including early freight train departures to improve the accuracy of simulation results. Simulation with a macroscopic tool can speed up evaluation and improve user-friendliness of the method. For relatively small changes such as changed departure times and supplements which is focus in this work however, the microscopic tool shows greater advantage. The second model type considers conflicts between commercial long-distance trains and publicly controlled short-distance traffic competing for track capacity. We propose a method to calculate the loss of societal benefits incurred by changing the commuter train timetable to accommodate a commercial train path request. The calculation of these benefits considers changes in commuter train passengers’ travel times, waiting times, transfers and crowding for all trips in the system in combination with changes in operating costs for operator(s) of the short-distance services. All methods are applied in case studies and can (with adaptions) be used for other lines to improve the timetable allocation process, and to support transparent conflict solution. However, choosing an adequate model configuration is essential as it can affect results significantly. Research was conducted for the two Swedish mainlines for passenger traffic (one articles includes an extension for a freight-focussed line), plus the Stockholm commuter network. The majority of the thesis concentrates on passenger traffic, and in particular, the conflict between long- and short-distance services. In addition to methodological contributions, we provide several practical results. We present strategies for improving reliability and evaluate them. Simple small changes in the timetable (such as changed departure times or time supplements) can have significant impact on the goodness of one or several timetable slots.Tidtabellen är av stort värde för järnvägstrafiken. Utformningen påverkarj ärnvägsdriften – och därmed operatörer, passagerare och fraktkunder. Det finns varken en gemensam internationell praxis för kapacitetstilldelning eller någon allmängiltig algoritm för att utforma och utvärdera ändringar i tidtabellen. Särskilt utmanande är samordningen av heterogen trafik som konkurrerar om spårkapacitet. Syftet med avhandlingen är att förbättra effektiviteten och transparensen ik apacitetstilldelningen med hjälp av nya metoder för att uppskatta och utvärdera ändringar i tidtabellen. Fastän en integrering av kapacitetsanalys och samhällsekonomisk utvärdering ärfördelaktig, kopplas dessa två metoder nästan aldrig ihop. Därför föreslås två typer av modeller i den här avhandlingen: Den första kombinerar kapacitetsvariabler och sociala kostnader för att presentera ett tågläges eller en tidtabells godhet i form av prestandaindex som beskriver upplevda restider för resenärerna. För befintliga tidtabeller ger historiska förseningsdata information om hur tidtabellen presterar i drift. För strategier rekommenderas kombinerad tidtabellsanalys och simulering för att ta fram variabler som indata till utvärderingsmodellen. Simulering på mikroskopisk nivå visade sig vara fördelaktig för att estimera operativa data. För att förbättra simuleringarnas precision föreslås en metod för att inkludera godståg somavgår före tidtabell. Simulering med ett makroskopiskt verktyg kan snabba på analysen och förbättra metodens användarvänlighet. Om små modifieringar som exempelvis ändrande avgångstider eller tidstillägg för enstaka tåg är i fokus så som idet här arbetet visas det mikroskopiska verktyget dock vara fördelaktigt. Den andra modellen behandlar konflikten mellan kommersiella fjärrtåg och subventionerad lokaltrafik i konkurrens om spårkapacitet. Vi föreslår en metod för att beräkna hur samhällsnyttan påverkas när pendeltågstidtabellen måste ändras för att skapa plats åt ett kommersiellt tågläge. Beräkningen av dessa nyttor tar hänsyn till förändringar i pendeltågsresenärernas res-, vänte- och bytestider samt trängsel för samtliga resor i systemet tillsammans med förändringar i driftkostnaderna förpendeltågsoperatören. Alla metoder har applicerats i fallstudier och kan (med anpassningar) användasför andra linjer för att förbättra processen för fördelning av tidtabeller och stödja konfliktlösning på ett transparent sätt. Att konfigurera modellen på ett lämpligt sättär dock viktig eftersom den kan påverka resultaten avsevärt. Forskning har genomförts för två svenska stambanor för persontrafik (i en avstudierna inklusive en förlängning på en viktig bana för godstrafik), samt pendeltågsnätet i Stockholm. Fokus i den här avhandlingen är framföralltpersontrafik och särskilt konflikten mellan lång- och kortdistanstrafik. Förutom de metodologiska bidragen presenterar vi flera praktiska resultat, till exempel visar och utvärderar vi strategier för att förbättra järnvägens robusthet. Redan små ändringar i tidtabellen, som till exempel ändrade avgångstider eller tidstillägg kan ge stora effekter på ett eller fleras tåglägens godhet.QC220511