Denna forskningsrapport redovisar en metod för kapacitetsanalys och dimensionering av trafikflöden över en järnvägsstation under olika driftsförhållanden. 

En optimeringsmodell har utvecklats, vilken maximerar mängden tåg som körs över en uppsättning med trafikrelationer, var och en med olika ruttningsalternativ. Modellen hanterar begränsad spårkapacitet på anslutande spår, plattformar och eventuella uppställningsspår, samt använder en probabilistisk kapacitetsmodell för växlingsområden. Den senare hanterar samtidiga tågrörelser över de olika växlingsområdena på en driftplats, där beräkningsformlerna generaliserats från existerande forskningslitteratur. Tågvägarna kan ha olika beläggningstid, baserat på tågens körtider inklusive tider för tågvägsläggning och frisläppning i signalsystemet. Dessutom hanteras stopp- och uppställningstider vid plattformar och bangårdsspår. Framför allt beräknas alla tågvägar och deras inbördes konflikter automatiskt från driftplatsens spårlayout. 

Beräkningsmodellen har implementerats och testats på olika testinstanser och i en fallstudie för Gävle driftplatsområde. Resultaten visar att modellen kan användas för realistiska problem och för att snabbt skapa kapacitetsanpassade trafiklösningar under olika avstängningsalternativ. En stor fördel är att en generaliserad trafikbeskrivning används, samt att tågvägarna beräknas automatiskt. Detta gör modellen lättare att använda och att den också passar för strategiska analyser av olika driftplatsutformningar. 

Den föreslagna modellen skulle kunna bli ett viktigt verktyg för kapacitetsanalyser, dimensionering av tågtrafik, och utformning av såväl arbetsområden på existerande driftplatser, som framtida spårlayouter eller ombyggnader. Därmed skulle ett viktigt analysbehov för långsiktig kapacitetsplanering på större driftsplatser kunna erbjudas och på sikt ge ett sammanhållet stöd för kapacitetskoordinering av hela järnvägsnätet och dess trafikering. 

Arbetet har utförts i forskningsprojektet ProPå (Probabilistisk metod för trafioch kapacitetspåverkan på driftplatser), finansierat av Trafikverket (FoI-portfölj Vidmakthålla, ärende-ID 8139, diarienummer TRV2024/111657) via branschprogrammet KAJT, Kapacitet i järnvägstrafiken (www.kajt.org). 

We consider the problem of creating weekly shift schedules for train dispatchers, which conform to a variety of operational constraints, in particular, several work and rest time restrictions. We create the schedules in a two-stage process. First, using a previously presented IP model, we create a set of feasible daily shifts, which takes care of minimum-rest and shift-length requirements, taskload bounds, and combinability of dispatching areas. We then formulate an IP model to combine these daily shifts into weekly schedules, enforcing that each daily shift is covered by some dispatcher every day of the week, while ensuring that the weekly schedules comply with various restrictions on working hours from a union agreement. With this approach, we aim to identify "good" sets of daily shifts for the longer schedules. We run experiments for real-world sized input and consider different distributions of the daily shifts w.r.t. shift length and ratio of night shifts. Daily shifts with shift-length variability, relatively few long shifts, and a low ratio of night shifts generally yield better weekly schedules. The runtime for the second stage with the best daily-shift pattern is below three hours, which - together with the runtime for stage 1 of ca. 2 hours per run - can be feasible for real-world use.

Med start 2025 avser Trafikverket förändra formerna för upphandling av basunderhåll i tre geografiska områden. Förändringarna innebär att en större mängd planering och produktionsledning sker i Trafikverkets regi. Syftet är att utveckla den egna beställarförmågan och att stärka leverantörsmarknaden.

VTI har fått Trafikverkets uppdrag att föreslå metoder för att kunna följa upp konsekvenserna av den förändrade organisationen. I rapporten redovisas uppdragets första del med fokus på konsekvenserna av ett förändrat ansvar för basunderhåll av Södra Malmbanan. Syftet med delstudien är att identifiera den information som krävs och de metoder som kommer att användas för att fördjupa förståelsen av hur den nya ansvarsfördelningen förändrar kostnader och förutsättningarna för trafik jämfört med dagens förfarande. Förutom att skapa goda förutsättningar att utvärdera de förändringar som genomförs kommer detta arbete också att kunna ge stöd för övergången till nya verksamhetsupplägg i de ytterligare två områden som står på tur att förändras, Ostkustbanan (2026) och Mälarbanan (2027). Information har inhämtats från personal inom Trafikverket och från aktörer på leverantörsmarknaden, samt via analyser av dokumentationen av underhållsverksamheten liksom en genomgång av relevant litteratur.

De betydande förändringar av verksamheten som förestår kan få konsekvenser i flera avseenden. För att kunna följa upp och jämföra kostnader och andra utfall i hela landet krävs uppgifter från samtliga kontraktsområden med avseende på verksamhetens kostnader, omfattning (antal kilometer bana, installationer av växlar och konstbyggnader), trafik, väder etcetera. Tack vare att Trafikverket sedan länge byggt upp databaser som innehåller den aktuella informationen är en viktig del av det fortsatta arbetet att etablera ett smidigt tillvägagångssätt för att årligen kunna komplettera informationen och göra nya observationer av förändringar som kan ha inträffat. Ett antal frågeställningar föreslås som kan besvaras med stöd av en analys av det föreslagna materialet. Svaret på dessa frågor gör det möjligt att stärka förståelsen av den verksamhet som bedrivs och att ta fram kunskap som kan omsättas i praktiken.

Train dispatchers monitor and control train traffi c from a dispatching center, which isresponsible for a certain region in the railway network. This region is divided into subareas, where each train dispatcher controls one or several subareas at any time. Giventhe high safety concerns of their profession, dispatchers’ working shifts should fulfi lseveral legal and operational constraints, such as bounds on the length of shifts andon the resting periods between shifts. To construct shift schedules for train dispatchers is a complex and time-consuming process that is currently done manually. In thispaper, we present an optimization framework to automate this process, based on amodel for single-day shifts. Here, we focus on the objective of minimizing the numberof dispatchers as a baseline for future objectives. We present experimental results forreal-world sized data (number of geographical areas and train movements in the orderof magnitude as for one dispatching center in Sweden, covering the southern partof the country). We study the impact on the run time for diff erent input parameters,namely: the total number of geographical areas, the maximum number of geographical areas that can be assigned to a dispatcher in any period, changes in adjacencybetween the geographical areas, and the number of geographical areas that eachdispatcher is qualifi ed to monitor. The run time for the instances is between 19 and305 seconds

Denna rapport ger en kunskapsgrund om de praktiska förutsättningarna, kravbild, och forskningsläge för utformning av underhållsområden på större driftplatser. Rapporten inleds med en bakgrund och motivering till behovet av underhållsområden, samt en beskrivning av hur studien har genomförts. En genomgång av förutsättningar och begränsningar visar bland annat att de tekniska delsystemen (spår-, signal-, och elkraftsystem) måste beaktas eftersom de har olika sektionering, gränspunkter och skyddsgivning för de arbeten som behöver utföras, samt att trafikeringsbehoven och dess variation behöver beskrivas på en generell nivå (oberoende av en specifik tidtabell), både vad gäller linjetrafik, växling och uppställning. 

Det centrala kapitlet är en krav- och behovsanalys. Där dokumenteras först vilka allmänna egenskaper som fördefinierade underhållsområden behöver uppfylla, varefter tre avsnitt följer som diskuterar specifika behov som ställs av de tre verksamhetsgrenarna underhåll, planering, och trafikledning. Ett viktigt resultat är att inga stora målkonflikter har identifierats vad gäller utformningen av underhållsområden samt att en samstämmighet råder om att trafikpåverkan bör vara den huvudsakliga värderingsgrunden för områdenas utformning. Den genomförda litteraturstudien har identifierat en relativt omfattande forskning om olika partitioneringsproblem, men bara ett fåtal publikationer inom rälsbundna transporter. För hantering av kapaciteter på driftplatser finns det metoder som kan hantera en övergripande trafikbild, men ännu inget bra stöd för analys av restkapacitet vid olika typer av tidsbegränsade spårreduktioner. Någon forskning om kombinationen av partitionering, eller indelning i underområden, av en driftplats bestående av flera delsystem där målet är att kunna hantera trafikbelastningen så bra som möjligt på den resterande spårkapaciteten har vi inte kunnat finna. 

Vi rekommenderar att Trafikverket vidareutvecklar sitt metodstöd för utformning av underhållsområden inom ramen för målområdet som arbetar med servicefönster. Både i detta metodstöd och för framtida forskning tror vi att den identifierade probabilistiska kapacitetsmodellen för driftplatser kan vara en lämplig grund. 

Arbetet har utförts i förstudieprojektet UFO (Utformning av underhållsområden på större driftplatser), finansierat av Trafikverket (FoI-portfölj Vidmakthålla, ärende-ID 7742, diarienummer TRV2022/138570) via branschprogrammet KAJT, Kapacitet i järnvägstrafiken (www.kajt.org).

This paper concerns a case study for optimal planning and coordination of railway maintenance windows and train traffic. The purpose is to validate a previously presented optimization model on a demanding real-life problem instance and to obtain results that apply in similar planning situations. A mixed integer linear programming model is used for a 913 km long, single-track railway line through the northern part of Sweden, with traffic consisting of 82 trains per day, most of which are freight trains. Cyclic 1-day schedules are produced, which show that 2 h long maintenance windows can be scheduled with small adjustments of the train traffic. The sensitivity for cost changes is studied, which shows that the train costs must increase by more than 30% in order to change the structure of the window solutions. Resource efficient window schedules are obtained by assigning maintenance teams to all windows while respecting crew work and rest time restrictions. A comparison with manually constructed plans from the Swedish Transport Administration indicates that larger window volumes can be scheduled at a lower cost and with solution structures which are deemed reasonable and useful as guidance for constructing the real window patterns. Finally, we estimate that using an integrated planning approach (where maintenance and trains are jointly planned) instead of a sequential approach (where a train timetable has precedence over the maintenance windows), will give maintenance cost savings of 11–17%, without incurring any large cost increases for the train traffic. The paper also presents a method for achieving cyclic schedules without any period-deciding variables, and discusses the consequences of the aggregated capacity usage model that has been adopted.

Denna forsknings- och resultatrapport redovisar arbetet i projektet Utformning av servicefönster för varierande trafik- och underhållssituationer (UHF). Arbetet har bestått av följande delar:

• En existerande optimeringsmodell för samplanering av servicefönster och tågtrafik har vidareutvecklats med nya funktioner, tillhörande arbetssätt och parametersättningar. Dessutom har ett verktyg för inläsning, filtrering och konvertering av trafikdata från Trainplan utvecklats;
• Två större fallstudier, med olika typer av nätverk, trafik och underhålls-situationer, har genomförts – den ena för Bergslagen, den andra för Stockholmsområdet. En arbetsmetod för dylika studier har utarbetats och följts;
• Användbarheten av dessa metoder för Trafikverket har utvärderats.

Resultaten visar att verktygen klarar av att lösa stora veckoproblem med över 1500 tåg för komplexa nätverk med enkel-, dubbel- och flerspår, samt kombinationer av dessa. Optimala lösningar har producerats för en stor mängd instanser, med lösningstider som oftast ligger på 5–20 minuter, vilket har möjliggjort ett interaktivt arbetssätt.

Förutom de konkreta planer och lösningar som produceras av verktygen, så erhålls en kostnadsmässig kvantifiering av den ömsesidiga påverkan som servicefönster och trafik har på varandra. Detta är en stor styrka eftersom det ger en objektiv jämförelse baserat på kompletta planer för både trafik och underhåll, istället för att behandla enstaka tåg eller avstängningar var för sig. Det lyfter också dialogen till att istället gälla vilka kostnader, regler och villkor som ska användas vid kapacitetstilldelning av olika tåg- och underhållsaktiviteter.

I Bergslagsstudien har två olika kostnadsnivåer för underhållet analyserats och banarbetsveckor som ger tillgång till alla spåravsnitt under en treveckorsperiod har producerats där trafikanpassningskostnaderna har kunnat sänkas med 10–15%. Vid låga underhållskostnader stämmer lösningarna överens med nuvarande praxis vad gäller dag- och nattarbete. Vid höga underhållskostnader visar det sig vara kostnadsmässigt fördelaktigt att förlägga vissa servicefönster till dagtid, trots att det fordrar inställelser av tåg och att det finns tågfria nattider. Implikationerna av dessa resultat diskuteras vidare i rapporten. Slutligen har effekten av nuvarande helgrestriktioner och en eventuell förändring av dessa analyserats, vilket indikerar besparingspotentialer på 8% för underhållet med mindre restriktiva helgregler.

I Stockholmsstudien har nattliga servicefönster med partiell avstängning studerats, så att möjligheten till tågtrafik kan upprätthållas via så kallad kanalkörning. Nya funktioner för tågseparation och konfliktreglering för de tåg som passerar servicefönstren, tillsammans med en finare tidsupplösning av fönstrens schemaläggning har gett planer med en minimal trafikpåverkan. Dessutom har en sammanhängande servicefönsterutformning skapats som är oberoende av kontraktsuppdelningen och som gör det möjligt att utföra underhåll på hela det geografiska området, vilket är en stor underhållsmässig fördel, Dessa planer har verifierats genom uppritning i kapacitetstilldelningsverktyget Trainplan och det förefaller möjligt att lösningen rentav skulle kunna användas i den årliga tågplanen vilket skulle göra dessa servicefönster tillgängliga året om.

Trafikverket bedömer att modellen har mycket stor potential att – utvecklad i ett användarvänligt verktyg – vara ett stort stöd framförallt i den årliga tågplaneprocessen, när kapacitet för servicefönster ska reserveras, samt i revisionsskedet, när ändringar i den fastställda tågplanen behöver göras. Det finns också en förhoppning att ett dylikt verktyg skulle vara till stort stöd inför upphandling av underhållskontrakt – när servicefönstren utformas i grunden, vilket sker ungefär vart sjunde år. Då krävs dock också en lång rad andra bedömningar av trafik- och banarbetsutveckling under kontraktstiden, varför resultatet som verktyget producerar måste ackompanjeras av åtskilliga avväganden och gissningar från Trafikverkets sida.

Det huvudsakliga projektarbetet har bedrivits vid Linköpings universitet och Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) av Tomas Lidén, i nära samarbete med en projektgrupp, bestående av Lars Brunsson, Per Edholm, Michael Germundsson och Fredrik Lundström från Trafikverket, samt utvidgad med Lars Swahn från MTR och Jonas Kjellgren från Strukton för Stockholmsstudien. Referensgrupper för de två fallstudierna har involverats, med totalt 5 + 9 representanter från entreprenörer, operatörer, regional trafikmyndighet och infrastrukturhållare. Projektet har finansierats av Trafikverket via branschprogrammet Kapacitet i Järnvägstrafiken (KAJT). Projektet startades i februari 2019 och kommer att avslutas i november 2020.

Fr8Rail II/Work-Package 3 Real-time network management and improved methods for timetable planning addresses the problem to improve capacity and punctuality in the railway system by developing concepts and methods for tactical planning and operational traffic. In this report the state-of-the-art has been summarised.

The aim of the project is to:

• Propose concepts and methods that improve the annual and short-term timetable planning.
• Demonstrate how the proposed timetable planning concepts improve the prerequisites for real-time network management.
• Develop methods and tools that can reduce inefficiencies in real time network management.

An important aspect is to improve the coordination between yards/terminals and the line network, and between Infrastructure Manager, Yard Managers, and freight Rail Undertakings.

We motivate our research by the current situation in Sweden, which is characterised by low on-time performance for freight trains, dense and heterogenous traffic on the major railway lines, and a rigid annual timetabling process, which is non-suitable for short-term changes. We believe that better tools for network planning and management on tactical and operational level can help to connect planning and operational processes.

Aiming for improvements of the operational traffic, there is a need for systematic development of methods applied at several planning horizons, based on both simulation and optimization techniques. Close to operation fast methods are needed, for example, based on meta-heuristics.

The maintenance planning process and improvement potential have been described. This is a new piece of the puzzle and it is important to close the gap between timetable planning and operational traffic. The different planning processes at the Infrastructure Manager, the Rail Undertakings and the Maintenance Contractors should be aligned.

When developing new approaches for computational decision-support tools for real-time network management, it is important — but very challenging — to evaluate and benchmark with existing software tools. We also observe that the research stream on computational decision-support and algorithm development for railway traffic management has not yet been sufficiently merged with the corresponding research stream focusing on aspects of human computer interaction.

This paper addresses the scheduling problem of coordinating train services and network maintenance windows for a railway system. We present model reformulations, for a mixed integer linear optimization model, which give a mathematically stronger model and substantial improvements in solving performance - as demonstrated with computational experiments on a set of synthetic test instances. As a consequence, the solution times are reduced and more instances can be solved to optimality within a given time limit.

This research report documents the findings from the pre-study project STAPLA-F, conducted by Linköping University and Trafikverket via the research program KAJT. The purpose has been to investigate how strategic facility planning for balancing of maintenance and train traffic could be done, especially regarding switches and crossings (S&C). The project has also investigated the potentials for network simplifications and the removal of (redundant) S&C. Specifically, the station Katrineholm have been used as a case study.

The results show that the economic potential for reducing the S&C maintenance spending can be in the range of 10% for midsize and larger stations, which translates to 70-80 MSEK per year, and that net traffic delays can be reduced by removal of redundant S&C. Furthermore, this is an interesting research problem, which has not yet been addressed in the research literature. Hence, it is recommended to continue with a PhD research project.