LINKÖPINGS UNIVERSITET
INSTITUTIONEN FÖR TEKNIK OCH NATURVETENSKAP
AVDELNINGEN FÖR KOMMUNIKATIONS- OCH TRANSPORTSYSTEM
Tidtabellskvalitet (TTK)
Teknisk Slutrapport
Sara Gestrelius (RISE och Linköpings Universitet), Anders Peterson (Linköpings Universitet) och Martin Aronsson (RISE)
1 Sammanfattning
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.
2 Innehållsförteckning
1 Sammanfattning ... 2
3 Inledning ...6
4 Problemformulering ... 7
4.1 Tidiga workshoppar ... 7
4.2 TTK ramverkets plats i tågplaneprocessen ... 8
4.3 Avgränsning ... 12
4.4 Forskningsfråga och metod ... 12
5 Kvalitetsaspekter ... 13
5.1 Teoretisk körbarhet ... 13
5.2 Robusthet och återställningsförmåga ... 14
5.3 Konkurrenshantering ... 16
5.4 Reservkapacitet ... 17
5.5 Ansökningsuppfyllnad ... 18
5.6 Attraktivitet ... 19
5.7 Anpassning mot angränsande områden ... 20
6 Intervjustudie med praktiker ... 21
6.1 Metod ... 21
6.2 Regelverk och tumregler ...22
6.3 Viktningsvektorer ... 23
6.4 Diskussion och framtida forskning ... 25
7 Ramverket ...29
7.1 Regler ...29
7.1.1 Tåg som kör i samma riktning. ...29
7.1.2 Tåg som kör i motsatt riktning ... 30
7.1.3 Kapacitet på stationer ... 31
7.1.4 Nod- och banarbetstillägg ... 33
7.1.5 Gångtider ... 33
7.1.6 Stopp på station ... 33
7.1.7 Associationer ... 33
7.2 TTK-ramverkets design ... 33
7.2.1 Flermålsoptimering ... 33
7.2.2 Optimering innan och efter att tågordningen fixerats ...36
7.2.3 Val av mått ...36
7.3 Resultat ... 38
7.3.1 Mätningar på gamla tidtabeller ... 38
7.3.2 Optimerad tidtabell ...39
8 Diskussion och Framtida arbete ...42
8.1 De fem kvalitetsaspekterna ...42
8.2 Framtida arbete ... 44
8.2.1 Banarbeten ... 44
8.2.2 Saknade kvalitetsmått ... 44
8.2.3 Tåglägen som går över flera konstruktionsområden ... 44
8.2.4 Teori och Praktik ... 45
8.2.5 Kvalitetsmåttens effektivitet ... 45
9 Referenser ... 45
10 Appendix A: Intervjumaterialet ... 49
11 Appendix B: Mätning på T14-T18 ... 57
3 Inledning
Trafikverket har ett stort behov av att kunna mäta en tågplans kvalitet.
Branschsamarbetet Tillsammans för tåg i tid (TTT), vars långsiktiga mål är att nå 95% punktlighet, har identifierat ”Trafik- och resursplanering” som ett av åtta effektområden [1]. Vidare har verksamhetsutvecklingsprojektet Bättre Kapacitet som mål att frigöra och optimera järnvägens totala kapacitet. Båda dessa satsningar behöver således kunna identifiera en tågplans kvalitet - TTT behöver mäta kvalitet på tidtabellen för att avgöra om trafikplaneringen blir bättre, och MPK för att kunna optimera kapaciteten.
De ökande förväntningarna på automation i verkens verksamhet (se t.ex.
betänkandet i [2]) och Trafikverkets mål att öka antalet tåglägesansökningar som kan hanteras automatiskt ger ytterligare motivation till att utveckla metoder för kvalitetsbedömning. För att införa en automatiserad hantering av
tåglägesansökningar behöver de krav som ställs på planeringen vara kvantifierade, och det måste finnas metoder som automatiskt väger olika kvalitetsaspekter mot varandra. Utan en sådan kvantifiering och sammanvägning kan inte ett system fatta de nödvändiga myndighetsbeslut som behövs för automatiserad tåglägestilldelning.
Det har genomförts ett flertal forskningsprojekt som berör tidtabellskvalitet, både i Sverige och utomlands. Nedan ges en kort beskrivning av ett antal projekt som är relevanta för TTK och som svenska forskare har jobbat i. Framtidens
Leveranstågplaneprocess (FLTP) tog fram en metod som genererar
leveransåtagande från ansökningar med fokus på matchning mot ansökan. Robusta tidtabeller för järnvägstrafik (RTJ) studerade robusthetsaspekter i tidtabellen före drift. Realiserbara och ändamålsenliga tidtabeller: från plan till drift (RELÄET) fokuserade på robusthet med koppling till praktiskt utfall och revidering av
tidtabeller. I projektet Samhällsekonomiskt effektiv fördelning av järnvägskapacitet (SAMEFF) undersöks om samhällsekonomisk teori kan användas för att fördela kapacitet mellan olika typer av transporter. Inom EU-projektet Capacity4Rail (C4R) fanns kopplingar till robusta tidtabeller och då med särskilt fokus på allokering av bufferttider. I de nu pågående EU-projekten inom Shift2Rail undersöks bland annat möjligheterna för större flexibilitet i tidtabellsläggning av godståg, vilket berör tidtabellens kvalitet vad gäller anpassningsbarhet.
Som framgår av stycket ovan är det flera aspekter som bör beaktas när man analyserar en tågplans kvalitet. Det finns i dagsläget ingen metod på Trafikverket för att avgöra en tågplans kvalitet utöver kapacitetsberäkningen (som är baserad på standarden UIC406). I Tidtabellskvalitet (TTK) var målet att ta fram ett ramverk som kan användas för att bestämma tidtabellskvalitet utifrån flera olika
ingå i TTK-ramverket genomfördes först workshoppar och sedan en litteraturstudie och en intervjustudie med Trafikverksanställda som jobbar med eller nära
tidtabellsläggning. Baserat på resultaten från dessa studier utvecklades ett ramverk som testades på Värmlandsbanan. Testen gick dels ut på att göra mätningar på redan existerande tidtabeller, dels på att optimera en existerande tidtabell för att på så sätt förbättra den utifrån olika kvalitetsaspekterna.
Den här rapporten är upplagd som följer. I kapitel 4 beskrivs arbetet med att formulera och avgränsa frågeställningen som projektet skulle jobba med. Under detta tidiga stadium identifierades sju kvalitetsaspekter som beskrivs närmare i kapitel 5. I kapitel 6 sammanfattas en intervjustudie som genomfördes med
anställda på Trafikverket som jobbar med eller nära kapacitettilldelningsprocessen i långtiden, och i kapitel 7 beskrivs TTK-ramverket samt de tester som genomfördes. Rapporten avslutas med kapitel 8 som diskuterar projektets resultat samt ger förslag på framtida forskningsuppgifter.
4 Problemformulering
4.1 Tidiga workshoppar
För att få inspel till vad som bör ingå i begreppet ”tidtabellskvalitet” hölls tre workshoppar i projektets början (se Tabell 1). Målet var dels att etablera en gemensam förståelse för hur TTK-ramverket är tänkt att passa in i
tågplaneprocessen, dels att identifiera önskvärda effekter som en tidtabell bör generera. Dessa önskvärda effekter användes sedan för att styra projektets arbete; kvalitetsmått som inte kunde kopplas till någon önskvärd effekt har inte beaktats.
Tabell 1: Inriktningsworkshoppar.
Datum Närvarande
2017/10/24 Sara Gestrelius (RISE/LiU), Anders Peterson (LiU), Martin Aronsson (RISE) och Hans Dahlberg (Trafikverket)
2017/12/07 Sara Gestrelius (RISE/LiU), Anders Peterson (LiU), Martin Aronsson (RISE), Victoria Svedberg (RISE), Kenneth Håkansson (Trafikverket) och Hans Dahlberg (Trafikverket).
2018/06/01 Sara Gestrelius (RISE/LiU), Anders Peterson (LiU), Martin Aronsson (RISE), Hans Dahlberg (Trafikverket) och Bengt Palm (Trafikverket).
4.2 TTK ramverkets plats i tågplaneprocessen
För att förstå TTK-ramverkets innehåll och funktion är det viktigt att skilja på plan och utfall. TTK-ramverket är designat för att mäta kvaliteten på planen (tidtabellen) och inte på utfallet (trafiken, marknadsutvecklingen, kundnöjdheten etc.). Figur 1 visar hur TTK-ramverket passar in i tågplaneprocessen. I bilden är moln en representation av egenskaper som är önskvärda vid drift/trafikering (gula moln) och kapacitetstilldelning (blå moln), blå cirklar är tidtabellsmått (planmått), gula cirklar är utfallsmått och svarta ”flaggor” är exempel på förutsättningar och händelser som påverkar tidtabellen och trafiken. Målet är att tidtabellsmåtten i TTK-ramverket ska bidra till att realisera de önskvärda egenskaperna hos trafiken och processen i stort. Ibland kallar vi dessa önskade egenskaper för ”effekter” eftersom förändringar i tidtabellens kvalitet bör märkas på, dvs. ha effekt på, dessa egenskaper. Till exempel så bör effekten av att förbättra tidtabellens robusthet vara ökad rättidighet. Pilarna i Figur 1 visar hur olika komponenter påverkar varandra. Notera speciellt de dubbelsidiga pilarna mellan ”Lång- och korttidsplanering” och ”TTK-ramverket”. Pilarna är dubbelsidiga för att visa att tidtabellsmåtten kan och bör påverka planeringen, samtidigt som planeringen givetvis påverkar måtten.
Streckade pilar visar möjliga ”kontroll-loopar”. Utfallet (driften) är ännu inte är känt när tidtabellen läggs, och därför kan tidtabellsmåtten inte baseras på utfallsmätningar. Dock kan tidtabellsmåtten och ramverket kalibreras och/eller utvecklas utifrån utfallsmätningar, vilket vi visar med dessa ”kontroll-loopar”. Att analysera utfallsmätningar i kombination med tidtabellsmått är viktigt för att avgöra om måtten verkligen har den avsedda effekten. Antag till exempel att vi har två tidtabeller med samma kvalitet i alla avseenden utom vad gäller robusthet, då borde tidtabellen med bäst robusthet också resultera i minst antal förseningar, givet att allt annat är lika. Denna typ av analys, som svarar på frågan om ett visst mått leder till avsedd effekt eller inte, ingick inte i TTK.
Figur 1:TTK-ramverkets plats i tågplaneprocessen.
Figur 2 visar hur kvalitetsmått för tidtabellen förhåller sig till önskade effekter och utfallsmått. I Figur 2 har även exempel på planmått och utfallsmått presenterats för en kvalitetsaspekt var (ansökningsuppfyllnad respektive punktlighet).
Figur 2: Förhållandet mellan kvalitetsmått för tidtabellen (planmått) och mått för utfallet (utfallsmått).
De kvalitetsaspekter och effekter som finns i Figur 2 identifierades under projektets två inledande workshoppar. Allteftersom projektarbetet fortgick utvecklades aspekterna. Mer specifikt så lades aspekten ”Anpassning mot angränsande
områden” in i ”Körbar/genomförbar” efter intervjustudien som presenteras i kapitel 6. Likaså lades ”Attraktivitet” in i ”Ansökningsuppfyllnad”. Sist men inte minst ändrade vi i slutet av projektet namnet ”körbarhet/genomförbarhet” till ”teoretisk körbarhet”.
Under workshopparna tog vi också fram en lista på möjliga testfall för TTK-ramverket, samt även en lista på svårigheter som uppstår under långtidsprocessen och där TTK-ramverket skulle kunna vara till nytta. Resultatet från dessa aktiviteter visas i Tabell 2 och Tabell 3. I Tabell 3 har vi även inkluderat vilken egenskap som svårigheten kan påverka. Det är värt att notera att ”Anpasslig” är den enda önskvärda egenskapen som vi inte kopplat specifikt till någon svårighet.
Anpasslighet är en egenskap som endast blir värdefull när den används, och som är svårare att konceptuellt passa in i dagens process där flexibiliteten är begränsad, i synnerhet efter fastställelse.
Tabell 2: Möjliga testfall.
Exempelfall Svårighet som kan undersökas
Jämför Skånes trångsektorsplan med Göteborgs trångsektorsplan
Trångsektorsplan vs. ansökningsuppfyllnad.
Jämför kontaktledningsbyte Laxå-Falköping T14-17 med kontaktledningsbytet mellan
Hässleholm-Lund T17-19
Olika sätt att lösa problemet med banarbeten som rör sig längst med en linje.
Skåne Blandning av taktad trafik och godståg. Banan kan inte stängas på natten för att genomföra
banarbeten.
Citybanan Taktad trafik, inga godståg. Kan stängas på natten för banarbeten.
Värmlandsbanan (före och efter nya konstruktionsregler)
Blandad trafik. Kontrollera om man ser skillnad på tidtabellen före och efter införandet av nya konstruktionsregler.
Gävle-Frövi-Mjölby / Vännäs-Ånge Anpasslighet är viktigt.
Sundsvall-Östersund-Storlien Blandad trafik. Virkesterminal i Töva som kräver anpasslighet.
Lund-Hässleholm Blandad trafik. Testa ett fåtal långa banarbetsavstängningar vs. många korta.
Tabell 3: Svårigheter som uppstår under tågplaneprocessen där TTK-ramverket skulle kunna vara av nytta.
Svårigheter Exempel Egenskaper som
påverkas Väga olika kvalitetsaspekter mot varandra Trångsektorsplan vs. ansökningsuppfyllnad
Rättidig och förutsägbar trafik vs. värdeskapande och konkurrenshanterad tilldelning.
Blandning av taktad trafik och godstrafik
Värdeskapande och konkurrenshanterad tilldelning.
Banarbetsplanering Rullande banarbeten Rättidig och förutsägbar trafik.
Stänga på natten (påverkar godståg) vs. annan taktik
Rättidig och förutsägbar trafik, värdeskapande och konkurrenshanterad tilldelning.
Korta avstängningar vs. långa avstängningar
Värdeskapande
tilldelning, rättidig trafik. Hur påverkar banarbetsplanering
sannolikheten att banarbetet blir av? T.ex. om det inte finns någon buffertid? Om avstängningarna är korta?
Värdeskapande tilldelning, rättidig och förutsägbar trafik.
Hur kan man hantera sent tillkomna banarbeten?
Värdeskapande tilldelning, rättidig och förutsägbar trafik. Datakvalitetsproblem
och
datalagringsproblem
Hastighetsnedsättningar som inte finns i databaserna Rättidig trafik. Inga tidspåslag när tåg kör in på avvikande spår Rättidig trafik. Konkurrens Konkurrenshanterad tilldelning.
Flera system som ska samverka
Olika tågsystem Värdeskapande och konkurrenshanterad tilldelning.
Olika infrastrukturägare Värdeskapande och konkurrenshanterad tilldelning.
Banarbeten Värdeskapande
tilldelning, rättidig trafik. När ska man säga nej till
ett tåg?
Värdeskapande tilldelning vs. andra kvalitetsaspekter Olika sorters robusthet T.ex. ”störningskänslighet” vs.
”återställningsförmåga”.
Rättidig trafik.
4.3 Avgränsning
Projektets mål är att föreslå en mängd mått som kan användas dels för att
uppskatta en tidtabells kvalitet under långtiden, dels för att designa en målfunktion till en optimeringsmodell för tidtabellsläggning. I och med att måtten är tänkta att användas innan trafiken har körts beaktar TTK endast ex-ante mått, dvs. mått som inte kräver något utfallsdata. Vidare beaktas endast linjära mått, då olinjära mått ofta är svåra att använda för optimering.
När projektet startades upp, och i de tidiga workshopparna, inkluderades både trafik och banarbeten i projektarbetet. Efter den inledande fasen avgränsades dock projektet till att bara inkludera trafik.
Sist men inte minst låg det inte inom TTKs ramar att undersöka om olika kvalitetsmått leder till avsedd effekt. Måtten som valts ut är antingen tagna från publicerade forskningsrapporter eller så har de tagits fram under projektarbetet. I de fall som måtten antingen matematiskt eller på annat sätt påvisats vara effektiva har vi tagit detta i beaktning.
4.4 Forskningsfråga och metod
Den grundläggande forskningsfrågan i TTK är ”Hur kan tidtabellskvalitet definieras utifrån en infrastrukturägares perspektiv?”. För att svara på frågan genomfördes en intervjustudie med anställda på Trafikverket (kapitel 6), en litteraturstudie (kapitel 5) och en första version av ett ramverk för att mäta tidtabellskvalitet
implementerades baserat på resultaten från litteraturstudien och intervjustudien (kapitel 7). Ramverket testades på tidtabeller för Värmlandsbanan.
5 Kvalitetsaspekter
Sju olika kvalitetsaspekter identifierades som viktiga under de inledande workshopparna: körbarhet/genomförbarhet (senare omdöpt till teoretisk körbarhet), robusthet och återställningsförmåga, konkurrenshantering, reservkapacitet, ansökningsuppfyllnad, attraktivitet och anpassning mot angränsande områden. I detta underkapitel beskrivs de olika aspekterna och vi hänvisar till några speciellt intressanta approacher och/eller vetenskapliga artiklar. Slutligen beskrivs kort hur aspekten hanteras i TTK-ramverket.
Det här kapitlet är baserat på Gestrelius et al. [3] och på en litteraturöversikt [4] som ännu inte är publicerad.
5.1 Teoretisk körbarhet
En tidtabell är körbar om alla tåg och banarbeten kan utföras som planerat givet att ingen störning inträffar. Det betyder att två aktiviteter aldrig är planerade att använda precis samma del av infrastrukturen samtidigt, att alla separationstider respekteras och att tågen inte är planerade att köra fortare än vad som är fysiskt möjligt. I TTK definierar vi en tidtabell som “teoretiskt körbar” om den respekterar alla gångtidsmallar, kapacitetsbegränsningar och separationstider (t.ex.
headwaytider och separationstider vid möten på enkelspår). En tidtabell med ett möte på en enkelspårslänk är till exempel inte teoretiskt körbar.
Notera att ett tågläge kan vara teoretiskt körbart samtidigt som det inte är praktiskt körbart, t.ex. om en gångtidsmall överskattar ett tågs hastighet. Likaså kan tåglägen vara praktiskt körbara samtidigt som de inte är teoretiskt körbara, t.ex. om
gångtidsmallen underskattar ett tågs hastighet. Det kommer alltid finnas en större eller mindre diskrepans mellan den modell som används vid planering, och de praktiska förutsättningar som råder på kördagen. Vid planering är det därför viktigt att ligga på en detaljeringsnivå som passar med de förväntade dagliga variationerna. Det gäller att inte missa viktiga detaljer när man definierar vad som är teoretiskt körbart, men också att inte ha med fler detaljer än vad som är tillämpbart under drift.
Så hur kan vi då mäta teoretisk körbarhet i en tidtabell, och på vilket sätt är teoretisk körbarhet kvalitet? Ett rättframt mått för att mäta teoretisk körbarhet är att räkna hur många gånger en tidtabell bryter mot någon tidtabellsregel (t.ex. överbelastade stationer, möten eller omkörningar där det inte finns kapacitet, tåg som planeras snabbare än sin gångtidsmall, headwaytider som inte är uppfyllda etc.). Det är dock inte nödvändigtvis så att en tidtabell som uppfyller alla
är en adekvat representation av trafiken som faktiskt kommer köras. T.ex. relaxerar Barber et al. [5] vissa tidskrav för att undersöka hur något mindre strikta
tidtabellsregler påverkar andra kvalitetsaspekter.
Ett annat sätt att hantera teoretisk körbarhet är utgå från att det är osäkert hur trafiken kommer köras och lägga en nominell tidtabell som kan ändras till olika operativa planer när man väl vet hur trafiksituationen är. Detta är en metod som Goerigk and Schöbel [6] har kallat “recover-to-optimality”. Om en sådan metod används vid planeringen behöver inte det nominella tågläget vara körbart eftersom det ändå aldrig är tänkt att köras, utan det viktiga är att de nominella tåglägena på ett effektivt sätt kan ändras till flera alternativa tidtabeller. Detta är en metod som kan vara lämplig när man t.ex. planerar för rullande banarbeten.
I TTK-ramverket implementeras mätetal för brott mot tidtabellsregler och
gångtidsmallar. Vidare antas att det är viktigt att tidtabellen är teoretiskt körbar och att dessa brott således ska minimeras så mycket det går.
5.2 Robusthet och återställningsförmåga
Givet att den teoretiska planeringsmodellen kommer att skilja sig från den operativa verkligheten, och att operativa störningar kommer inträffa, bör tidtabellen vara robust och ha en god återställningsförmåga. Den här
kvalitetsaspekten kan innefatta allt från reduktionsplaner vid vinterväder till extra långa headwaytider för att undvika oplanerade stoppsignaler. I vårt arbete har vi fokuserat på robusthet för mindre förseningar. Robusthet och återställningsförmåga är ett område som det har forskats mycket på. Lusby et al. [7] presenterar bl.a. en översikt av olika robusthetsmetoder, och i Caimi et al. [8] finns en jämförelse mellan vilka antaganden som olika optimeringsmetoder för robusthet är baserade på. Goerigk and Schöbel [6] jämför olika robusthetsapproacher vad gäller t.ex. körtidsförlängning och kostnad för återställning efter en försening. Salido et al. [9] har använt simulering för att testa hur olika tidtabellsaspekter påverkar förseningar på enkelspårbanor. Han undersöker bl.a. hur fördelningen av gångtidsmarginaler, antal tåg och trafikmixens heterogenitet påverkar förseningar.
För tåg ska kunna köra in småförseningar är det vanligt med tidspåslag på gångtidsmallarna. Det vill säga, man planerar inte med den teoretiskt minsta möjliga körtid utan lägger på lite tid. Tidspåslag ger givetvis en längre planerad körtid vilket i sig begränsar hur mycket tidspåslag som kan göras innan
transporttiden blir allt för dålig. Det är dock inte bara mängden påslag som ger robusthet, utan dess placering spelar också roll. Generellt ska tidspåslagen precis i början och slutet av en resa vara mindre än under resten av resan. Utöver denna riktlinje finns olika rekommendationer beroende på om försening mäts på varje station eller bara på slutstation. I Kroon et al. [10] mäts försening på varje station
och den bästa tidspåslagsfördelningen blir då en distribution med tyngdpunkten något flyttad mot den första halvan av resan. I Yang och Klemenz [11] och Salido et al. [9] läggs störst vikt på försening till slutstation, och då ska
tidspåslagsdistributionens tyngdpunkt istället ligga på den andra halvan av resan. Figur 3 är en schematisk bild som visar två olika distributionen, en med
tyngdpunkten på första halvan av resan (blå linje) och en med tyngdpunkten på andra halvan av resan (röd linje). Notera att Figur 3 endast är avsedd för att förtydliga beskrivningen ovan och inte är baserad på några experiment.
Figur 3: Olika distributioner för tidspåslag längst ett tågs resa.
Ett annat intressant robusthetsområde är sekundärförseningar, dvs. förseningar som uppstår pga. att ett annat tåg är försenat. Genom att räkna på hur mycket tidspåslag och buffertid som finns i en tidtabell med en given tågordning kan man räkna ut hur pass stor en enstaka försening kan bli på t.ex. ett leveransåtagande utan leda till sekundärföreningar på andra leveransåtagande. Ett exempel på detta beskrivs i Delorme et al. [12].
I TTK-ramverket har vi valt att rapportera medelvärdet på tidspåslag per länkpassage, stationspassage eller stopp, samt på stationsstopp med
leveransåtagande. Med stationsstopp menar vi att tåget spenderat mer än 11 sekunder på stationen. Ofta planeras ingen tid på stationen om tågen ska köra rakt igenom. Vidare rapporteras antal gånger som buffertiden för en separationstid är mindre än 30s, samt den största försening på ett leveransåtagande som, givet att det inte finns några andra primärförseningar, inte påverkar något annat
leveransåtagande. Det senare måttet kräver att tågordningen är fixerad, och vi antar att förseningar sprids när ett tåg måste vänta på ett annat tåg vid en enkelspårslänk. Förseningsspridning vid stationer inkluderades inte eftersom optimeringsmodellen inte har tillräckligt detaljerad stationsmodellering. Likaså analyserades endast händelsekedjor på upp till 25 händelser (händelser är stationspassage/stop, länkpassage och beroende mellan två tåg som använder samma enkelspårslänk). Uträkningen vi använder för att undersöka sekundärförseningar kräver att
tågordningen är fixerad och att tåg inte avgår tidigare än planerat. D’Ariano et al. [13] visar dock att tidiga avgångar har en positiv effekt på punktligheten, vilket våra metoder alltså inte utnyttjar eller fångar.
5.3 Konkurrenshantering
Efter järnvägens avreglering finns krav på att infrastrukturkapacitet ska tilldelas på ett ”konkurrensneutralt och icke-diskriminerande sätt” (1:a Järnvägslagen, SFS Nr. 2004:519). Även i EU-direktivet SERA [14] artikel 39, paragraf 1 påpekas vikten av konkurrenshantering: ”Infrastrukturförvaltaren ska särskilt säkerställa att
infrastrukturkapacitet tilldelas på ett rättvist och icke-diskriminerande sätt och i enlighet med unionsrätten”.
Trots att EU-direktivet föreskriver rättvis och icke-diskriminerande
kapacitetstilldelning finns ytterst lite forskning på hur dess krav kan hanteras vid tidtabellsläggning. Broman och Eliasson [15] simulerar en marknad med två konkurrerande operatörer och visar att deras tåglägen bör vara alternerande för att öka betalningsviljan, och att den maximala samhällsnyttan uppnås när båda operatörerna har ungefär samma antal avgångar. Enligt simuleringarna kommer operatörerna dock göra val som leder till att en operatör blir
marknadsdominerande. Broman and Eliasson [15] testar även att öka banavgiften enhetligt för att minska operatörernas övervinst. Detta leder dock till en minskad samhällsnytta.
En annan sorts konkurrens som uppstår på järnvägen är den mellan olika trafiksegment. Svedberg [16] diskuterar detta problem, och använder kostnad-nyttoanalys och dynamisk prissättning för att allokera kapacitet till olika segment och aktörer. Reservkapacitet, som diskuteras i nästa stycke, kan vara en del av en strategi för att hantera konkurrens mellan segment.
Sist men inte minst publicerar Trafikverket varje år prioriteringskriterier. Dessa kriterier ska användas om det uppstår tvister i kapacitetstilldelningsprocessen som inte går att lösa genom förhandling mellan parterna. Prioriteringskriterierna är utvecklade för att spegla samhällsnyttan, men Eliasson och Aronsson [17] pekar ut ett antal svagheter.
Då det finns få mått för konkurrenshantering kommer vi att endast inkludera ett mått i TTK-ramverket: antal tåg som har en gångtid som är längre än den
transporttid som anges för exkludering i prioriteringskriterierna. Målet är att mäta hur många tåg som har fått så pass mycket tidspåslag att de enligt
prioriteringskriterierna borde bli inställda. Detta mått får dock ses som en slags platshållare eller trubbigt lackmustest, då prioriteringskriterierna (som tidigare
påpekats) inte är felfria. Faktum är att just beräkningarna för exkludering ofta anses vara speciellt felvisande.
5.4 Reservkapacitet
SERA direktivet [14], svensk järnvägslag och projektet TTR [18] påpekar alla vikten av att infrastrukturägare sparar kapacitet till ansökningar som kommer in efter sista ansökningsdatum i april. I SERA-direktivet [14] står det att
”Infrastrukturförvaltarna ska, vid behov, göra en uppskattning av behovet av reservkapacitet som ska finnas tillgänglig inom ramen för den slutligt fastställda tågplanen för att göra det möjligt för dem att snabbt besvara förväntade ad hoc-ansökningar om kapacitet. Detta ska även gälla vid fall av överbelastad
infrastruktur.”
I TTR [18] föreslås en process där rullande planering skall tillgodose behov för operatörer som vill ha en flerårig plan eller saknar möjlighet att skicka in precisa ansökningar innan sista ansökningsdatum i april. I den rullande planeringen ska infrastrukturhållaren samarbeta med ansökande tågbolag och andra aktörer för att specificera den kapacitet som skall reserveras för senare ansökningar. Enligt den analys som gjorts inom TTR reserveras idag kapacitet för godståg genom
förplanerade tåglägen. Dessa tåglägen saknar dock ”prioritet, nätverksperspektiv och delvis också internationell harmonisering” (ibid.).
Det är skillnad mellan att spara kapacitet för en förväntad framtida efterfrågan, och att tilldela överbliven kapacitet till ad-hoc ansökningar. När vi använder ordet reservkapacitet i den här rapporten avses kapacitet som avsiktligt reserverats för ansökningar som förväntas inkomma efter sista ansökningsdatum eller efter att tågplanen fastställts.
Forskningslitteraturen om reservkapacitetsplanering är begränsad, men två olika ansatser kan identifieras. Den första handlar om att kapacitet kan reserveras för en speciell typ av trafik eller fram till en viss tidpunkt. En effekt av detta är att
ansökningar som skickas in i den årliga processen kan få avslag även om
kapaciteten (ännu) inte tilldelats något annat tåg eller banarbete. Svedberg et al. [19] föreslår en sådan modell. I deras arbete används en blandad heltalsmodell och kostnads-nyttoanalys för att bestämma hur många skattesubventionerade tåg som ger maximal samhällsekonomisk nytta. Detta antal kan sedan används för att begränsa antalet skattesubventionerade tåg som läggs in i tidtabellen, vilket innebär att kapacitet sparas till andra trafiksegment. Det optimala antalet
skattesubventionerade tåg kan också användas på omvänt sätt, dvs. infrastrukturägaren kan se till att spara kapacitet så att ”rätt” antal skattesubventionerade tåg kan planeras in.
Den andra ansatsen som vi hittat i forskningslitteraturen är att använda olika metoder för att reducera den allokerade trafikens kapacitetsupptag, och därigenom spara kapacitet till ansökningar som kommer in senare. Till exempel kan
kolonnkörning eller homogenisering av trafikmönstret tvingas fram. Liebchen och Möhring [20] presenterar en metod som är ett exempel på detta. De inkluderar särskilda krav som tvingar vissa på förhand utvalda homogena tåg att köra nära varandra.
Underhållsarbeten behöver också spårkapacitet. Det kan vara svårt att förutse när enskilda arbeten behöver genomföras, men det faktum att viss kapacitet kommer tas i anspråk av underhåll är mer eller mindre givet. Lidén [21] visar hur man kan samplanera underhåll och trafik genom s.k. servicefönster. Vilket arbete som ska utföras i varje givet tidsfönster är inte specificerat, utan servicefönsterna är en metod för att reservera kapacitet för underhåll, dvs. reservkapacitet.
Inga av de koncept och/eller mått som diskuteras ovan, förutom servicefönster, går att implementera i TTK-ramverket utan att först genomföra en djupare analys. Om vi genom analys tar fram gränser för de olika trafiksegmenten kan dessa givetvis inkluderas, men det påverkar snarare vilka tåg som ska planeras in än hur. Likaså skulle vi kunna tvinga fram kollonkörning, men då måste de tåg som ska
kollonköras först identifieras på något vis. Vad gäller servicefönster har vi valt att inte implementera dessa eftersom banarbeten ligger utanför TTKs avgränsning.
5.5 Ansökningsuppfyllnad
Det primära målet när en infrastrukturägare tilldelar kapacitet är att konstruera en tidtabell som uppfyller kraven i de inkomna ansökningarna i så stor utsträckning som möjligt. I SERA-direktivet [14], artikel 45, paragraf 1 står det att:
”Infrastrukturförvaltaren ska i så stor utsträckning som möjligt tillmötesgå alla ansökningar om infrastrukturkapacitet, inklusive sådana ansökningar om tåglägen som går genom fler än ett järnvägsnät, och i så stor utsträckning som möjligt ta hänsyn till alla förhållanden av betydelse för sökande, inklusive den ekonomiska effekten på deras verksamhet”
I Sverige består tåglägesansökningar av önskade ankomst- och/eller avgångstider vid viktiga geografiska punkter, samt önskade uppehållstider för kommersiella stopp, önskad service (t ex plattform för passagerarutbyte, tågvärmepost vid uppställning etc.) och associationer mellan tåg. Sökande kan även peka ut en specifik geografi där önskad ankomst- eller avgångstid är särskilt viktig. Denna geografi är oftast tågets utgångsstation eller slutstation.
Ansökningsuppfyllnad är en vanlig målfunktion inom forskningslitteraturen. Caprara et al. [22] introducerar problemet The Train Timetabling Problem (TTP),
där målet är att konstruera en tidtabell som ligger så nära en ideal tidtabell som möjligt, och i vilken avvikelser straffas i målfunktionen. I Forsgren et al. [23] och Gestrelius et al. [24] är målet att skapa en tidtabell där tåglägena uppfyller vissa ankomst- och avgångstider, s.k. leveransåtaganden. På ett liknande sätt presenterar Jovanović och Harker [25] ett beslutsstödsystem för att skapa en konfliktfri
tidtabell som vid vissa specifika punkter ligger så nära en nominell tidtabell som möjligt. Ett annat vanligt mål är att minimera skillnaden mellan planerad
ankomsttid till slutstation och den önskade och tidigast möjliga avgångstiden från utgångsstation (se t.ex. Higgins et al. [26] och Castillo et al. [27] ). Detta mått tar hänsyn till två mål samtidigt, nämligen operatörens önskade avgångstid och minimering av körtid.
I TTK-ramverket mäts dels största avstånd från ansökt tid på utgångs- eller slutstation, samt summan av skillnad mellan planerad och önskad tid på alla leveransåtagandepunkter. Det första måttet ger insikt om hur pass långt från ansökan det sämsta tåget ligger, medan det andra måttet ger en känsla för hur stor diskrepansen är mellan ansökt och planerat tågläge för tidtabellen generellt. Vidare mäts den största relativa körtiden, samt medelvärdet av de relativa körtiderna. Återigen är poängen med det första måttet att uppfatta hur pass mycket tidspåslag det värst drabbade tåget har fått, medan det andra måttet är till för att ge en uppfattning av hur situationen är generellt. Sist men inte minst mäts hur många associationer som uppfyller sökandes önskningar om minsta och största
associationstid.
5.6 Attraktivitet
Det är inte uppenbart vilket ansvar en infrastrukturhållare ska ta för transporternas attraktivitet på en avreglerad marknad. Det är i första hand tågoperatörernas ansvar att utforma en attraktiv transporttjänst för passagerare och godskunder medan infrastrukturhållarens ansvar är att tilldela kapacitet på ett konkurrensneutralt och icke-diskriminerande sätt.
Vissa attraktivitetsattribut kan dock hamna mellan de olika operatörernas stolar, eller vara omöjliga att kommunicera i ansökningsförfarandet. Till exempel kan en infrastrukturägare se till att det uppstår passagerarassociationer mellan tåg som tillhör olika operatörer, även om företagen själva inte specificerat detta i sina ansökningar eller för den delen ens är medvetna om att en passagerarassociation är möjlig. Infrastrukturhållarens tidtabellsläggare kan t.ex. också välja att sakta ner ett passagerartåg istället för att låta det stanna och starta, eftersom resenärer kan uppfatta stopp som en trafikstörning.
I TTK-ramverket hanteras inte attraktivitet som en egen kvalitetsaspekt, utan den anses ingå i ansökningsuppfyllnad. Det är dock möjligt att t.ex. minimera antalet onödiga stopp.
5.7 Anpassning mot angränsande områden
Internationell tågtrafik nyttjar järnvägsinfrastruktur i flera länder, och behöver därmed tilldelas kapacitet av flera infrastrukturhållare. Detta innebär att olika infrastrukturhållares tidtabeller måste passa ihop på gränsstationerna. En infrastrukturhållare kan även själv dela upp sitt nätverk i olika
konstruktionsområden och då få liknande utmaningar med fjärrtåg som korsar konstruktionsområdesgränser. Anpassning mellan olika planeringsområden är inte bara ett praktiskt problem, utan också något som pekas ut i SERA-direktivet [14], artikel 40: ”Samarbete vid tilldelning av infrastrukturkapacitet på mer än ett järnvägsnät”, vilket innehåller formuleringen: ”Medlemsstaterna ska säkerställa att infrastrukturförvaltarna samarbetar för att på ett effektivt sätt kunna tillhandahålla och tilldela infrastrukturkapacitet på mer än ett järnvägsnät av järnvägssystemet inom unionen…” och ”Infrastrukturförvaltare ska införa lämpliga förfaranden i enlighet med reglerna i detta direktiv och ska organisera tåglägen som passerar mer än ett järnvägsnät i enlighet därmed”. RailNetEurope har en one-stop-shop där tågbolag kan ansöka om internationella tåglägen [28]. Det finns dessutom färdigplanerade lägen i godskorridorer som ska vara samordnade över de olika infrastrukturområdena. Dessa täcker dock enbart en delmängd av den
gränsöverskridande trafik och enligt TTR [18] saknar de ”prioritet, nätverksperspektiv och delvis också internationell harmonisering”.
Så vitt vi känner till har det inte gjorts några försök att ta fram optimerande metoder för att säkerställa effektiv samordning mellan olika tidtabellsområden. Därför implementeras inte heller några mått för denna aspekt i TTK-ramverket.
6 Intervjustudie med praktiker
Inom ramen för TTK genomfördes en intervjustudie med anställda på Trafikverket. Studien är publicerad i Gestrelius et al. [3] och presenteras i korthet i detta kapitel.
6.1 Metod
I studien intervjuades åtta personer som antingen jobbade med eller nära tidtabellsplanering. Syftet med studien var att undersöka vilka kvalitetsaspekter som tidtabellskonstruktörerna behöver ta hänsyn till i processen, samt också vilka aspekter de tycker är (1) viktiga och/eller (2) svåra att hantera. Intervjun bestod av två delar: en semi-strukturerad del och en del med flervalsfrågor. Intervjumaterialet finns i Appendix A.
Inför intervjustudien hölls möten med erfaren personal på Trafikverket för att avgöra vilka kvalitetsaspekter som skulle ingå i studien. Intervjumaterialet togs fram i samarbete med dessa personer. Intervjumaterialet bestod av en förklaring av studiens syfte, en kort beskrivning av alla kvalitetsaspekter, två frågor för den semi-strukturerade intervjun och två flervalsfrågor där den intervjuade ombads att parvis jämföra kvalitetsaspekter med avseende på viktighet respektive svårighet.
Syftet med de semi-strukturerade intervjuerna var att samla in mått och/eller tumregler som används av tidtabellsläggarna i dagsläget, samt att fånga upp kvalitetsaspekter som missats. De två frågor som ställdes var:
1. För de olika kvalitetsaspekterna, finns det något speciellt mått eller tumregel som du brukar använda dig av?
2. Saknas det någon kvalitetsaspekt?
För att sortera kvalitetsaspekterna efter viktighetsgrad respektive svårighetsgrad användes en metod från Analytic Hierarchy Process [29]. Den består i att
deltagarna ombeds att parvis jämföra de egenskaper som ska ordnas/viktas. Svaren används för att räkna ut vilken ”vikt” varje deltagare lägger vid de olika
egenskaperna samt hur pass konsekvent bedömningen har varit.
I vår studie bad vi deltagarna att först jämföra kvalitetsaspekterna med avseende på viktighetsgrad och sedan med avseende på svårighetsgrad. För att räkna ut varje deltagares viktningsvektor och konsekvenskvot användes SuperDecision v. 2.6.0-RC1 från Creative Decision foundation [30]. Om konsekvenskvoten var högre än 0,1 ändrades svaren så att graden av konsekvens ökade. Uppdateringen baserades på analysfunktionen i programvaran. I de fall som svaren uppdaterades fick deltagaren möjlighet att gå igenom och ändra de uppdaterade svaren så att de stämde överens med deltagarens bedömning.
6.2 Regelverk och tumregler
Som svar på fråga 1. i den halvstrukturerade intervjun nämndes både publicerade regelverk och riktlinjer, samt tumregler som de olika planerarna använde sig av.
Vad gäller publicerade regler och riktlinjer finns tre olika sorters dokument. Dessa är:
• Riktlinjer för konstruktion av körplaner för tåg: Ett dokument som
beskriver de regler som används för att bedöma om en tågplan är konfliktfri eller inte. Dokumentet hänvisar även till andra dokument för t.ex.
banarbetstillägg, nodtillägg och täthet mellan tåg.
• Speciella konstruktionsregler: Ibland publiceras speciella regler för t.ex. högtrafikerade områden. Till exempel kapacitetsplaner och de reglerna för Värmlandsbanan som infördes till T17.
• Prioriteringskriterier: I Järnvägsnätsbeskrivningen publiceras de
prioriteringskriterier som Trafikverket använder för att tilldela kapacitet i del fall tå tvister inte går att lösa på annat sätt.
Utöver dessa dokument görs ett påslag med 3% på alla gångtidsberäkningar för att ta höjd för små dagliga variationer orsakade av t.ex. olika förarbeteende (Palmqvist et al. [31]). Detta är inte ett tidspåslag som planerarna behöver göra själva, utan det ingår redan i gångtidsmallen.
När det kommer till egna, informella, tumregler så kan dessa delas in i fyra kategorier: trafikflöde, kundnöjdhet, ansökningsuppfyllnad, och
körbarhet/robusthet. Vad gäller trafikflöde var en tumregel att inte stanna och starta ett tåg för mycket: ”Ett tåg som rullar ska helst fortsätta rulla…det kostar mycket att starta och stoppa”. En annan tumregel var att anpassa udda tåglägen så att de passade in i trafikmönstret, och därmed inte störde homogeniteten. När det kommer till kundnöjdhet nämndes två olika aspekter: rättvisa (”om alla parter är lika nöjda med den slutliga produkten, då har jag gjort ett bra jobb”) och
kundnöjdhet som en generell indikator för tidtabellens kvalitet. Den tredje typen av tumregler handlar om att försöka uppfylla alla ansökningar så bra som möjligt, eller sagt annorlunda, att försöka få in så mycket som möjligt i tidtabellen. Denna typ av tumregel nämndes av många deltagare (”Jag försöker få med så mycket som möjligt.”, ”Vi försöker alltid…tillgodose ansökan så bra som möjligt”) och är också i linje med både den svenska järnvägslagen och SERA direktivet. Några deltagare pekade på problemet med ett ensidigt fokus på ansökningsuppfyllnad eftersom det kan leda till trängsel och försämra andra tidtabellskvaliteter. Detta är speciellt problematiskt om den andra kvaliteten inte har några regler eller riktlinjer. Om det inte finns någon regel eller mått för en kvalitetsaspekt så har
tidtabellskonstruktörerna inget formellt stöd för att neka en kapacitetsansökan, även om denne anser att det påverkar tidtabellens kvalitet på ett negativt sätt. Den
sista gruppen tumregler handlar om körbarhet och robusthet. De flesta påpekade att tidtabellen skulle vara konfliktfri, men några fyllde även på med erfarenhet om hur en tidtabells robusthet kan ökas. Dessa erfarenhetsbaserade regler kunde t.ex. handla om att lägga in extra buffertid när man planerade interaktioner som man visste ofta ledde till problem. En deltagare påpekade att robusthet och kanske
egentligen är viktigare än körbarhet eftersom tågen ändå sällan kör precis i tågläget.
6.3 Viktningsvektorer
Flera deltagare påpekade att det var svårt att jämföra olika kvalitetsaspekter mot varandra. Två tillfrågade personer som valde att inte delta i studien uppgav att en av anledningarna till detta var just att frågorna var för svåra att svara på. Denna svårighet syns också i resultaten: sju av åtta jämförelsematriser för viktighet, och fem av åtta matriser för svårhet, hade en inkonsekvenskvot på mer än 0,1 efter intervjun. Jämförelsematriserna för viktighet hade en inkonsekvenskvot på 0,16 i medelvärde innan uppdateringen, och jämförelsematriserna för svårighet 0,15. Viktningsvektorerna för de uppdaterade jämförelsematriserna finns i Figur 4 och Figur 5. I figurerna finns även en nionde vektor som är framräknad för att representera den viktning som gruppen som enhet gjort. Denna vektor kallas AIJ efter metoden som användes för att räkna fram den (se Forman and Peniwati [32] ).
Figur 4: Normaliserade viktningsvektorer för hur pass viktiga de olika kvalitetsaspekterna bedöms vara. A-H är intervjudeltagare och AIJ är en aggregerad vektor.
Figur 5: Normaliserade viktningsvektorer för hur pass svåra de olika kvalitetsaspekterna bedöms vara. A-H är intervjudeltagare och AIJ är en aggregerad vektor.
Som synes i punktdiagrammet i Figur 4 bedöms aspekterna
körbarhet/genomförbarhet, robusthet och återställningsförmåga samt anpassning mot angränsande områden vara viktigast. Detta är kvaliteter som ska säkerställa att trafiken i stor utsträckning kan framföras enligt plan, dvs. att tågen kan gå i tid. Under intervjun sa en deltagare att ”körbarhet och robusthet är vår ledstång”, vilket återspeglas i resultaten. Andra kvalitetsaspekter, t.ex. sådana som ska leda till att tågplanen är så värdeskapande som möjligt, anses vara mindre viktiga är de kvaliteter som leder till punktlig trafik.
Några deltagare påpekade att det var svårt att skilja på aspekten
”körbarhet/genomförbarhet” och ”anpassning mot angränsande områden” eftersom en tidtabell inte kan anses vara körbar om den inte passar ihop på
överlämningsgeografierna. Några deltagare påpekade också att det var svårt att skilja på ”ansökningsuppfyllnad” och ”attraktivitet”, och en deltagare sa att det var upp till sökande att ansöka om attraktiva tåglägen.
Reservkapacitet bedömdes vara minst viktigt i arbetet med tågplanen, och även absolut svårast. Flera deltagare påpekade att det inte finns några riktlinjer för hur man ska spara kapacitet till senare inkomna ansökningar.
Notera att på liknande sätt som reservkapacitet anses vara minst viktigt och svårast, anses ”körbarhet/genomförbarhet” och ”anpassning mot angränsande områden” vara mest viktigt och lättast.
6.4 Diskussion och framtida forskning
Det finns en diskrepans mellan den önskade process som framställs i lagar och utvecklingsprojekt, och den nuvarande processen för kapacitetstilldelning i Sverige. En förenklad sammanfattning av situationen är att huvudfokus i dagens
tilldelningsprocess är tågplanens körbarhet, medan lagar och utvecklingsprojekt i större grad lyfter värdet av trafiken som inkluderas i tågplanen. Dock lägger både dagens process och lagar/utvecklingsprojekt stor vikt vid att uppfylla sökandes önskemål. Diskrepansen mellan dagens process och lagar/utvecklingsprojekt är känd av praktiker, men den är svårt att arbeta bort på grund av komplexiteten i både kapacitetstilldelning och konkurrenshantering. Ett steg mot det önskade läget skulle vara att utveckla och publicera regler och riktlinjer för alla kvalitetsaspekter som ska beaktas vid kapacitetstilldelning. Till exempel saknas riktlinjer för
reservkapacitet helt, och prioriteringskriterierna, som är den enda riktlinje som finns för konkurrenshantering, har visat sig ha svagheter när det kommer till att säkerställa en samhällsekonomiskt effektiv tidtabell (Eliasson and Aronsson, [17]). Publicerade regler och riktlinjer skulle dels stötta tidtabellsplanerarna i arbetet med tidtabellen, dels göra det tydligare för sökande vad de kan förvänta sig under
kapacitetstilldelningsprocessen.
För att riktlinjer och regler ska hjälpa processen krävs dock att de är adekvat utformade. Regler som är allt för otydliga eller går stick i stäv med den
erfarenhetsbaserade kunskap som finns inom branschen riskerar att ignoreras eller orsaka ytterligare svårigheter. Reglernas överrensstämmelse med
erfarenhetsbaserad kunskap och nuvarande praxis är en viktig frågeställning att hantera. Det finns två olika perspektiv att beakta: dels svårigheterna och värdet som kan uppstå om regler införs som inte överensstämmer med nuvarande praxis, dels värdet av att skapa nya regler baserade på erfarenhetsbaserad kunskapen. Notera att nya regler som baseras på erfarenhetsbaserad kunskap bör utvärderas innan de läggs till i samlingen av konstruktionsregler, så att de leder till förbättring snarare än cementerar ett existerande arbetssätt.
Bristen på riktlinjer, mätetal och data påverkar konstruktörernas dagliga arbete. Till exempel kan ett tågläge som en konstruktör anser vara olämpligt störningskänsligt ändå fastställas eftersom konstruktören inte har något sätt att driva igenom eller registrera sin bedömning. Det är särskilt utmanande att försöka minska
ansökningsuppfyllnad till förmån för andra kvaliteter som inte har publicerade regler eller riktlinjer. Ansökningsuppfyllnad är onekligen en viktig aspekt. Den utpekas i lagen och drivs på av sökande. Men risken är att ett ensidigt fokus på ansökningsuppfyllnad näst efter giltighetsregler inte kommer leda till den mest effektiva tidtabellen. Därför är det värdefullt med utveckling och forskning på hur man kan mäta, arbeta med och väga kvalitetsaspekter mot varandra.
Några av kvalitetsaspekterna som ingick i intervjustudien är förhållandevis väl utforskade (genomförbarhet/körbarhet, robusthet och återställningsförmåga, ansökningsuppfyllnad), medan andra nästa är helt outforskade. Reservkapacitet och konkurrenshantering är två aspekter där operationsanalys litteraturen är ytterst begränsad. Det krävs även mer forskning på metoder för att koordinera tidtabeller vid överlämningspunkter.
Datakvalitet är en utmaning för den annars lätthanterade kvalitetsaspekten
körbarhet. Data kan saknas eller vara undermålig av flera anledningar. Till exempel kanske data inte har samlats in, eller så kan den ha så pass stor osäkerhet att den inte går att planera med i dagens process. Det senare kan t.ex. gälla
tågsammansättning och fordonskopplingar om dessa varierar beroende på situationen på kördagen, och även rörliga banarbeten där den exakta kapacitetsåtgången inte kommer vara känd förrän nära inpå kördagen. Om problemet är att data inte samlats in, kan det lösas genom att data samlas in. I det andra fallet, då data är osäker, krävs planeringsstöd och metoder för att hantera osäkerheten.
Flera av intervjudeltagarna påpekade att banarbetsplanering är en viktig del av kapacitetstilldelningen. Tre specifika utmaningar togs upp när det gäller
banarbeten: dagliga variationerna i kapacitetstillgänglighet orsakade av arbetena, hur man kan jobba med robusthet i banarbetsplanering och hur man ska väga banarbetstider mot tåglägen.
En sammanfattning av de problem som påpekades under intervjustudien finns i Tabell 4. Tabellen innehåller också möjliga lösningar.
Tabell 4: Sammanfattning av problem som påpekades under intervjuerna, samt förslag på möjliga lösningar.
Kvalitetsaspekt Utmaning Möjlig lösningsansats
Körbarhet/genomförbarhet Körbarhet/genomförbarhet är en kvalitetsaspekt som bedöms vara viktig och där det finns regler att följa. Därför läggs det mycket tid på att skapa körbara tidtabeller.
Genom att utveckla tidtabellssystem med automatisk konfliktlösning skulle planeringstid frigöras till att jobba med andra kvalitetsaspekter.
Data är inte tillgänglig, antingen för att den inte har samlats in (t.ex.
Om datainsamling är möjligt, samla in data.
geografidata) eller för att utfallet inte är känt (t.ex. väderberoende data, exakt tågsammansättning och fordonsomlopp).
Utveckla och inför planeringsverktyg som låter användaren anpassa och utöka reglerna som används för
konfliktreglering. T.ex. ska det vara möjligt att lägga in villkor som förbjuder godståg att stanna på vissa platser, eller sätta kapacitetsvillkor som beror på elkraftsystemet snarare än
blocksignaler. Utveckla och inför en
kapacitetsansökningsprocess som tillåter olika sätt att ansöka om kapacitet, med olika detaljeringsnivåer och
sannolikheter.
Utveckla och inför processer för att hantera osäkerhet (t.ex. planera om när utfallet blir känt, ha en back-up plan för alternativa utfall, genomför
känslighetsanalys på tidtabellen och använd denna för att avgöra vilka utfall som är hanterbara).
Inför och använd Successiv Tilldelning. Utveckla och inför planeringsstöd för olika detaljeringsgrader och osäkerhet i data och utveckla metoder för att detaljera planen allt eftersom utfallet bli känt.
Tillåt omplanering av tåglägen efter fastställelse.
Utveckla och inför bättre stöd för att planera om tidtabellen.
Utveckla och inför ramverk för robusthetsoptimering av tidtabellen. Konkurrenshantering Få vetenskapliga publikationer och
inget samförstånd för vad konkurrenshantering innebär vid tidtabellsläggning.
Forskning för att förstå
marknadsmekanismerna och hur de samspelar med tidtabellsläggning.
Fler interna och externa diskussioner om hur konkurrens ska hanteras vid
tidtabellsläggning. Inga riktlinjer eller stöd för
planeraren förrän efter en tvist inte går att lösa och banan har förklarats överbelastad.
Utveckla och inför beslutsstöd för förlikning (t.ex. med interaktiv flermålsoptimering).
Ta fram riktlinjer för konkurrenshantering. Svårt att tillgodose behov från olika
transportsegment (t.ex. passagerartåg och godståg).
Forskning för att förstå vilka krav och möjligheter som de olika segmenten har, ur affärs-, planerings- och operativ synvinkel. Utveckla ett
planeringsramverk som respekterar de olika segmentens krav och utnyttjar dess möjligheter.
Riktlinjer för hur kapaciteten ska utnyttjas (t.ex. godstågsbanor och/eller tider).
Reservkapacitet Få vetenskapliga publikationer och inget samförstånd för hur
reservkapacitet ska hanteras. Dock finns samförstånd om att
reservkapacitet inte läggs in i dagsläget.
Forskning för att förstå vilket behov av reservkapacitet som finns.
Forskning för att förstå
marknadsmekanismerna och hur de samspelar med tidtabellsläggning. Koncept från Revenue Management kanske kan användas.
Inga riktlinjer för hur reservkapacitet ska hanteras.
Utveckla och inför riktlinjer.
Stor diskrepans mellan nuvarande och önskade läget.
Diskutera diskrepansen och möjliga lösningar i olika forum – vetenskapligt, politiskt och internt hos
Ansökningsuppfyllnad Många aktörer kontrollerar och framhåller ansökningsuppfyllnad som viktig, inte minst sökande. Andra kvalitetsaspekter som inte är formellt definierade med regler och riktlinjer riskerar att bortprioriteras till förmån för ansökningsuppfyllnad.
Infrastrukturägaren bör utveckla och införa riktlinjer för alla kvalitetsaspekter som denne anser vara viktiga.
Anpassning mot angränsande områden
Existerande metoder anses inte vara tillräckligt bra.
Förbättra processen för tåg som kör över lands- och/eller områdesgränser. Utveckla beslutstödsmetoder för problemet med gränskompatibilitet.
7 Ramverket
7.1 Regler
För att kunna jämföra tidtabeller från olika årtal behövs en gemensam uppsättning regler för konfliktfrihet. 2017 introducerades nya konstruktionsregler för
Värmlandsbanan, vilket innebär att tidtabellerna för 2017 och framåt är
konstruerade enligt andra regler än tidigare tidtabeller. I underkapitlen nedan går vi igenom vilka regler som beaktas i M2:an, dvs. i det optimeringsramverk som vi implementerat TTK-ramverket i.
7.1.1 Tåg som kör i samma riktning.
För separation mellan tåg som kör i samma riktning på dubbelspår används en headwaytid på 3 minuter.
För separation mellan tåg på enkelspår används regel 6 i Bilaga 6 till ”Konstruktionsregler för Värmlandsbanan” [33]. Där står det att:
”Tidsintervall som bör tillämpas för passerande respektive tåg med uppehåll är: Genomfartståg i D får ej passera D tidigare än 3 minuter efter att föregående tåg passerat/ankommit E (enligt alt A i Figur 1). Tåg som startar i D får ej starta tidigare än då föregående tåg passerar/ankommer E (enligt alt B i Figur 1).”
Figur 1 från Bilaga 6 i [33] återfinns i den här rapporten som Figur 7. Alla noder som finns i TrainPlan antas ha huvudsignaler. Vidare tillåts bara omkörningar på
stationer där tåget som ska köras om tillåts att stanna. Tåg tillåts stanna på stationer som de stannat på i fastställd tågplan.
Figur 6: Tidsseparation på enkelspår. Figur 1 i Bilaga 6 till [33].
7.1.2 Tåg som kör i motsatt riktning
Ingen separation krävs mellan tåg som kör i motsatt riktning på dubbelspår. Det är inte tillåtet för tågen att köra på högerspår.
För separation mellan tåg på enkelspår används Regel 7 från ”Konstruktionsregler för Värmlandsbanan” [33]. I Regel 7 står att:
”På en mötesdriftplats med ej samtidig infart ska minimitiden mellan första tågets (01) ankomst till andra tågets (02) ankomst eller passertid vara minst 3 minuter (se Figur 2). På en
mötesdriftplats med skyddsväxlar/-avstånd ska minimitiden mellan första tågets (01) ankomst till andra tågets (02) ankomst eller passertid vara minst 2 minuter (se Figur 2). På en
mötesdriftplats med samtidig infart beror tidsintervallet på om tågen har fast uppehåll eller inte. Om det andra tåget (02) ej har fast uppehåll skall det vara minst 1 minut mellan första tågets (01) ankomsttid och det andra tågets (02) passertid (se Figur 2). Om båda tågen har fast uppehåll kan tågen ha samma ankomsttid.”.
Figur 2 från Bilaga 6 i [33] återfinns i den här rapporten som Figur 7. Huruvida samtidighet tillåts eller inte kan bero på vilket spår som de olika tågen är planerade på. Dock är stationsspår inte modellerade i M2, och således måste en station antingen tillåta samtidighet för alla möten eller för inga. Tabell 5 innehåller alla stationer där M2 tillåter samtidig infart. Alla övriga stationer antas vara stationer där 3 minuters separationstid krävs.
Figur 7: Tidsseparation för tågmöten på enkelspårssträckor. Figur 2 i Bilaga 6 till [33]. Tabell 5: Stationer med samtidig infart.
Arvika Karlstads central Åmotfors Ölme Charlottenberg Skåre Edane Skattkärr Högboda Strömtorp Hasselfors Svartån Kristinehamn Väse Kil
7.1.3 Kapacitet på stationer
Det får som mest finnas 𝑛 tåg samtidigt på en station med kapacitet 𝑛. Kapaciteten på de olika stationerna är baserad på antalet stationsspår som finns i TrainPlan- exporten. Om det inte finns några stationsspår i TrainPlan- exporten sätts
kapaciteten på stationen till 1. Likaså sätts kapaciteten till 1 om stationen finns med på en (gammal) lista över krysstationer som M2 läser in. Stationernas kapacitet visas i Tabell 6.
Tabell 6: Stationskapacitet.
Förkort. Namn Kapacitet
2014 2015 2016 2017 2018 AR Arvika 3 3 9 8 8 BJB Björneborg 3 3 5 5 5 BJB_L3 BJB_L3 1 1 1 1 1 BOF Bofors 1 1 10 11 11 BU Brunsbergstunneln 1 1 1 1 1 BUK Brunsberg 1 1 1 1 1 CG Charlottenberg 3 3 4 4 4 CGGR Charlottenberg Gräns 1 1 1 1 1 DE Deje 1 1 1 x x DG Degerfors 3 3 6 6 6
EL Edsvalla 2 2 3 3 3 EN Edane 2 2 2 2 2 FGÅ Fagerås 1 1 1 1 1 GUY Gunnarsbyn 1 1 1 1 1 HBD Högboda 2 2 3 2 2 HS Hasselfoors 2 2 4 3 4 HS_L3 HS_L3 1 1 1 1 1 HÖJA Höja 1 1 1 1 1 KASD Karlskroga Dalbacksgatan 1 1 1 1 1 KHN Kristinehamn 7 7 28 29 29 KHN_L3 KHN_L3 x x 1 1 1 KIL Kil 8 8 29 29 29 KIL_L13 KIL_L13 x x x x 1 KIL_L3 KIL_L3 1 1 1 1 1 KS Karlstad C 10 10 29 30 30 KS1
Karlstad växel mot
Skoghall 1 1 1 1 1 KSAC Karlskoga Centrum 1 1 1 1 1 KUD Klingerud 1 1 1 1 1 KV_AE_ Karlstad Välsviken 1 1 1 1 1
LEN Lene 1 1 1 1 1 LRT Lerot 1 1 1 1 1 LÅ_3 Laxå vxl mot HS 2 2 2 2 2 LÅ_L3 LÅ_L3 1 1 1 1 1 OT Ottebol 1 1 1 2 2 SDM Sandmon x 1 2 SDM_L3 Sandmon L3 x 1 1 SKOG Skoghall 1 1 2 3 3 SKR Skåre 2 2 3 3 3 SKR_L3 SKR_L3 1 1 1 1 1 SPJB Spjutbäcken 1 1 1 1 1 SRR Skattkärr 2 2 2 3 3 SRT Strömtorp 3 3 4 4 4 SRT_L3 SRT_L3 1 1 1 1 1 AVÅ Svartå 2 2 3 3 3 SVÅ_L3 SVÅ_L3 1 1 1 1 1 SÅN Stenåsen 1 1 1 2 2 TGS Trångstad 1 1 1 1 1 VE Väse 2 2 2 3 3 VE_L3 Väse L3 1 1 1 1 1 ÅS Ås 1 1 1 1 1 ÅT Åmotfors 2 2 2 3 3 ÖL Ölme 2 2 3 3 3 ÖL_L3 ÖL_L3 x x 1 1 1
7.1.4 Nod- och banarbetstillägg
Nod- och banarbetstillägg hanteras inte separat, utan ses som gångtidsbuffertid. I optimeringen finns inget krav på att nod- och banarbetstillägg ska planeras in, utan istället optimeras de kvalitetsmål som valts ut. Det skulle dock vara enkelt att implementera nod- och banarbetstillägg i M2:an.
7.1.5 Gångtider
Tågens gångtider baseras på gångtidsmallarna från TrainPlan. Inga negativa tidsavvikelser är tillåtna, men tåget tillåts köra långsammare än gångtidsmallen.
7.1.6 Stopp på station
För stopp på station med passagerarutbyte antar vi att minst en minuts stopptid ska planeras in. Vid stopp för andra kommersiella aktiviteter används den tid som fanns i den fastställda tågplanen som minsta acceptabla tid.
7.1.7 Associationer
Vi använder tiden som definieras i ”min Time” i TAS-raden i TrainPlan-exporten som den minsta tid som en association ska ha för att anses vara upprätthållen. Ingen övre gräns på associationstid används.
7.2 TTK-ramverkets design
7.2.1 Flermålsoptimering
Som beskrivits tidigare beror tidtabellskvalitet på flera aspekter. Därför baseras TTK-ramverket på flermålsoptimering. Två viktiga koncept vid flermålsoptimering är dominans och pareto-optimalitet. En lösning A dominerar en lösning B om A är lika bra eller bättre än B för alla mål. En lösning som inte är dominerad av någon annan lösning är pareto-optimal (se Figur 8).
a) Ett minimeringsproblem med två målfunktioner (f1 och f2) och tio lösningar.
Lösningarna markeras som punkter baserat på deras målfunktionsvärden. Antag att målfunktionerna inte kan bli negativa, då skulle den optimala lösningen vara i
nollpunkter (markerad med en grön stjärna).
b) Lösning 3 dominerar lösningarna 7,8,9 och 10.
c) Lösning 8 är dominerad av lösning 2 och 3.
d) Lösning 5 dominerar inte någon annan lösning, och är inte heller
dominerad.
e) Lösningarna 1, 2, 3, 4 och 5 är pareto-optimala eftersom de inte domineras av någon annan lösning. Figur 8: Exempel på dominans och pareto-optimalitet för ett minimeringsproblem med två
målfunktioner.
Det finns oftast många pareto-optimala lösningar. Om de olika målen har en absolut inbördes ordning, eller om det i förväg går att bestämma en viktning för de
olika målen, kan problemet omvandlas till ett vanligt optimeringsproblem och en optimal lösning kan returneras. Om målen däremot inte går att ordna/vikta i förväg kan man istället generera ett antal olika lösningar som en beslutsfattare/användare sedan får välja mellan. Denna process kan också vara iterativ och låta användaren styra optimeringen mot en bra lösning.
TTK-ramverkets metod baseras på att det finns en beslutsfattare/användare, t.ex. en tidtabellskonstruktör, som kan styra optimeringen dels genom att ange
målvärden 𝑖𝑘 ≥ 0 för olika kvalitetsmått 𝑘, men också genom att definiera en gräns
för hur pass dåligt ett mått får bli, 𝑤𝑘. Notera att 𝑖𝑘 och 𝑤𝑘 är parametrar och inte variabler. Låt 𝑝 ∈ 𝑃 vara alla giltiga tidtabellslösningar, och 𝑘(𝑝) vara det värde som mål 𝑘 har i en given tidtabell . Låt 𝐾𝑚𝑖𝑛 vara den mängd mått som ska
minimeras (𝑖𝑘 < 𝑤𝑘) och 𝐾𝑚𝑎𝑥 vara de mått som ska maximeras (𝑤𝑘 < 𝑖𝑘).
Vidare, låt 𝑜𝑘 vara en variabel som används i målfunktionen för att representera
mått 𝑘. I den första optimeringen i TTK-ramverket söks en lösning som ligger nära de önskade kvalitetsmåttsvärdena. För kvalitetsmått där 𝑖𝑘 inte är noll minimeras den procentuella ”felet” mellan det önskade värdet och det planerade, och om 𝑖𝑘 =
0 minimeras eller maximeras bara det faktiska värdet:
min ∑ 𝑜𝑘 𝑘∈𝐾𝑚𝑖𝑛 − ∑ 𝑜𝑘 𝑘∈𝐾𝑚𝑎𝑥 𝑘(𝑝)𝑖 𝑘 ≤ 𝑜𝑘 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾 𝑚𝑖𝑛|𝑖 𝑘> 0} 𝑘(𝑝) ≤ 𝑜𝑘 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾𝑚𝑖𝑛|𝑖𝑘= 0} 𝑜𝑘 ≤ 𝑘(𝑝) 𝑖𝑘 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾 𝑚𝑎𝑥|𝑖 𝑘> 0} 𝑜𝑘≤ 𝑘(𝑝) ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾𝑚𝑎𝑥|𝑖𝑘= 0} 1 ≤ 𝑜𝑘 ≤ 𝑤𝑘 𝑖𝑘 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾 𝑚𝑖𝑛|𝑖 𝑘> 0} 0 ≤ 𝑜𝑘 ≤ 𝑤𝑘 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾𝑚𝑖𝑛|𝑖𝑘= 0} 𝑤𝑘 𝑖𝑘 ≤ 𝑜𝑘 ≤ 1 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾 𝑚𝑎𝑥|𝑖 𝑘> 0} 𝑤𝑘≤ 𝑜𝑘 ≤ 0 ∀𝑘 ∈ {𝑘 ∈ 𝐾𝑚𝑎𝑥|𝑖𝑘= 0} 𝑝 ∈ 𝑃
Den lösning som returneras för optimeringsproblemet ovan, 𝑝1, är inte
nödvändigtvis pareto-optimal, och därför används Lin-Giesy metoden med 𝑘(𝑝1)
som initialt tröskelvärde för att hitta en pareto-optimal lösning. En beskrivning av Lin-Giesy metoder finns i boken av Collette och Siarry [34].
7.2.2 Optimering innan och efter att tågordningen fixerats
Att bestämma en tågordning är en kritisk uppgift vid tidtabellsläggning. När tågordningen väl är fixerad reduceras antalet möjliga planeringsval markant. Det finns mått som är svåra att hantera innan tågordningen är fixerad, t.ex. mått som analyserar följdförseningar i flera steg. Därför består TTK-ramverket av två optimeringsfaser, i den första genereras en giltig tidtabell utifrån ett antal mått, sedan fixeras tågordningen, och fas två startas. I fas två används alla mått från fas ett samt även de mått som kräver att tågordningen är fixerad.
7.2.3 Val av mått
Teoretisk körbarhet
Fem mått har valts ut för att mäta teoretisk körbarhet:
1. Ogiltiga möten eller omkörningar (#): antal gånger som tåg byter ordning på en geografi där detta inte är tillåtet.
2. Antal gånger stationer är överbelagda (#): Antal gånger som fler tåg är planerade att befinna sig på en station än vad stationen har kapacitet för. 3. Ogiltiga överlapp (#): Antal gånger två tåg befinner sig samtidigt på en
geografi där de inte borde få överlappa (t.ex. en station med kapacitet 1 eller ett enkelspår).
4. Brott mot separationstid (s): Summan av separationstid som inte respekteras. I begreppet separationstid ingår headwaytid, tidsintervall mellan beläggningar av enkelspårslänkar samt krav på
ankomsttidsseparation på enkelspårsstationer. Brott mot
ankomsttidsseparation på enkelspårsstationer räknas endast på stationer där tåg i motsatt riktning faktiskt möts.
5. Brott mot gångtidsmallar och minsta tid för stopp (s): Summan av den gångtid och stopptid som inte respekterats.
Robusthet och återställningsförmåga
Fem mått har valts ut för att mäta robusthet och återställningsförmåga: 1. Medelvärde buffertid på station med leveransåtagande (s): Medelvärdet av
buffertid för stopp på stationer med leveransåtagande.
2. Medelvärde buffertid på station (s): Medelvärdet av buffertid för stopp/passage vid stationer.
3. Medelvärde buffertid länkpassage (s): Medelvärdet av buffertider för körtider på länkar.
4. Buffertid för separationstid är mindre än 30s: antal gånger buffertiden för en separationstid är mindre än 30s. Notera att buffertiden är den extra tid som är planerad, utöver den som enligt konstruktionsreglerna måste planeras.
5. Minsta buffertid mellan två leveransåtagande: ger den största försening som ett tåg kan ha vid ett leveransåtagande utan att påverka något annat
