Railways provide high capacity, safe and energy efficient transportation of goods and passengers. However, railway transportation also suffers from intrinsic restrictions and the effectiveness and efficiency of the transportation depend on the railway actors’ ability to solve a set of hard and interconnected planning problems. As the digitalisation of rail-way planning advance, compute-intensive decision support tools could be implemented to support the planners’ work. Two support functions that would be useful are automatic generation of new plans and optimisation of existing plans. In this thesis, mathematical models are developed and analysed for optimisation of (1) train timetables and (2) marshalling yard plans. The aim is to investigate the feasibility and potential of using mixed integer linear programming (MILP) models to solve these two planning problems. To this aim, requirements and planning goals are identified and modelled as mathematical constraints and objective functions. The resulting mathematical models are then tested on realistic problem instances, and the execution times and optimised plans are analysed to determine if the mathematical models could be useful in practice.

The thesis contributes with an analysis of the definition of ”good” in a railway timetable setting from the perspective of an infrastructure manager, a novel mathematical model for timetable planning, an optimisation-based heuristic for decreasing execution times and last but not least an analysis of the potential of using optimisation to enable a new type of annual capacity allocation. For marshalling yard planning, the thesis contributes with an analysis of three different mathematical models for planning one of the sub-yards of a marshalling yard, and with an extended, more comprehensive, mathematical model that can be used to plan two sub-yards. Further, a heuristic is developed for the more comprehensive problem, and the effects of optimising two sub-yards rather than one are analysed.

The overall conclusion is that MILP models can contribute to improved railway planning. By using MILP optimisation, more effective plans can be made faster. However, more research is needed to reach the full potential of mathematical optimisation for railway planning problems, in particular when it comes to user experience and user interaction, but also to further decrease the execution times and extend the problem scope that can be handled.

This thesis consists of two parts. The first part introduces and summarises the research. It provides background knowledge on the two planning problems as well as on mathematical optimisation, and also present the research framework and some overall conclusions and suggestions for future work. The second part of the thesis consists of five appended papers, three on train timetabling and two on marshalling yard planning.

KAJT projektet TTK (Tidtabellskvalitet) var ett treårigt projekt som syftade till att ta fram ett ramverk som mäter en tidtabells kvalitet. Effektmålet är bättre balanserade och därmed mer kvalitativa tidtabeller.

I den här slutrapporten presenteras de resultat som togs fram under projektet. Det är dels texter baserade på litteraturstudier (kapitel 5 och delar av kapitel 7), ochs dels rapportering av resultat från workshoppar, en intervjustudie (kapitel 6) och den första implementation av ramverket (kapitel 7).

Projektet undersökte kvalitetsmått för fem kvalitetsaspekter: teoretisk körbarhet, robusthet och återställningsförmåga, konkurrenshantering, reservkapacitet och ansökningsuppfyllnad. Fyra slutsatser från projektet är att:

1. I dagens process finns det skrivna regler för teoretisk körbarhet, robusthet och tvistlösning. Övriga kvalitetsaspekter saknas det tydliga regler för, och det saknas helt stöd för att kunna väga olika kvalitetsaspekter mot varandra.
2. Det saknas forskning på kvalitetsmått för vissa kvalitetsaspekter. När det kommer till trafik så saknas specifikt publicerade mått för reservkapacitet och konkurrenshantering, trots att dessa aspekter lyfts fram i både svensk och europeisk lagstiftning. För att kunna designa ett fullvärdigt ramverk för flermålsoptimering krävs kvalitetsmått även för dessa aspekter.
3. I dagens planeringsprocess bedöms aspekterna teoretisk körbarhet och robusthet som viktiga. Minst viktig bedöms reservkapacitet vara. Däremot upplevs reservkapacitet som absolut svårast att jobba med.
4. Ramverket som projektet tog fram har testats på Värmlandsbanan. Kvalitetsmätningar genomfördes för andra torsdagen i oktober för 2014-2018. I dess mätningar syns en förbättring för ett flertal mått mellan 2016 och 2017 års tidtabeller, vilket är förväntat då nya konstruktionsregler infördes 2017. Ramverket med flermålsoptimering testades på andra torsdagen i oktober 2018. Tre styrpunkter användes för att ta fram tre olika tidtabeller, varav ingen dominerar de andra. Resultatet visar att det, i alla fall i enskilda trafikdagar, finns utrymme för att generera olika pareto-optimala tidtabeller. Det vill säga, givet att man inte i förväg kan bestämma sig för vilka kvalitetsmått som är viktigast, så kan man generera ett antal tidtabeller där ingen är absolut bättre än de andra.
5. Viktiga framtida forskningsområden är (1) att identifiera och implementera mätvärden för banarbeten i kvalitetsramverket, (2) att ta fram kvalitetsmått för de aspekter där sådana saknas, (3) att ta fram metoder för att säkerställa att tåglägen som går över flera konstruktionsområden är av god kvalitet (4) att ta fram en metod för att hantera gapet mellan teori och praktik samt (5) att undersöka olika kvalitetsmåtts effektivitet.

Vidare rekommenderar vi att Trafikverket undersöker möjligheterna för att ta fram riktlinjer även för de kvalitetsaspekter som inte är teoretisk körbarhet och robusthet, samt utvecklar processer och stödverktyg som hjälper tidtabellsplanerare väga olika kvalitetsaspekter mot varandra.