The management of terminal yards requires quite complex day-to-day operations when hundreds of trains could be entered and/or exited marshalling yards every day. More specifically, multi-dimensional decisions are necessary to be taken in daily basis for management of operations. Manual solutions might cause inefficiency in the yard’s operation and consequently to the network. Nowadays, many freight trains in Sweden fail to follow their scheduled plan. In particular, a small portion of trains are following the scheduled arrival and departure time while the majority of trains run ahead of schedule.This master thesis aims to conduct evaluation of internal procedures within a marshalling yard in terms of time, examine the magnitude of delays from the scheduled departure time, and to identify the key reasons causing the delay during departure and their main implications. Furthermore, the master this aims to investigate ways of optimizing operations to increase system punctuality. The Malmo’s marshalling yard was used as a case study.The methods are used for this master thesis are a qualitative as well as a quantitative assessment. A literature review has been conducted using journal papers, conference papers and technical reports from other relevant projects as well as on-site visit and interviews. In order to manipulate the data for the research, the software Planimate was used and a simulation model is built based on operations in Malmo’s marshalling yard. Three scenarios are performed. The first one is considered without any usage of automation. The second one, automation is applied in the case of the arrival yard and the third one, automation is applied in the arrival and the departure yard.The findings from the qualitative research show that there are several factors cause delays, either network failures such as the late arrival of trains in the yard or internal factors as the reduced railway capacity. Also, as the simulation model has been demonstrated, any application of automated processes within the marshalling yard’s operations will be beneficial because will speed up the internal processes. For instance, the third scenario turns out the best scenario among the others because time is reduced almost to half time compared to the first scenario.

This paper analyzes the effects of emerging technologies in intermodal terminals and marshallingyards, based on “Intelligent Video Gate” project within the H2020 – Shift2Rail initiative. Projectaim is to initiate the next logical step to a higher level of automation in terminals and to reduce thelead-time needed for the identification/verification process of freight trains. Thesis projectexamine different emerging technologies that could be applied in intermodal terminal automationand possibilities for their application in different processes. Technologies considered in researchare RFID, cameras, scanners, sensors, GPS and scales. Marshalling yard as important freight nodeon railway network is included in research, where departing processes are examined, andtechnology proposed for automation of brake test procedures.Qualitative research is used as a method to investigate current processes in intermodal terminaland marshalling yards. This research included all the processes from train arrival to the terminal,through transshipment processes and train departure from the terminal. Research also conducteddifferent steps which Intermodal Transport Units go through during operations in intermodalterminal. Knowing processes enabled next step in qualitative research, finding the opportunitiesfor improvements in operations. Third step in qualitative research investigated different emergingtechnologies and as a result gave opportunities and obstacles behind each of technologies.Complementing findings from qualitative research, model simulation is performed, based onoperations in Malmö Kombiterminal. Intermodal terminal operations are simulated in Planimate®software. Addition to the qualitative research is finding the opportunities for improvements inmarshalling yards and proposing emerging technology that could be applied.Master thesis successfully accomplished the task of finding the effects of emerging technologiesin intermodal terminals and marshalling yards. The methodology concluded to be appropriate onefor building task solution. The project is viewed as a breakthrough in this domain but theexpectations for Intelligent Video Gate should stay realistic and proceeded carefully. Eliminationof brake test in marshalling yards is also very optimistic goal but should be followed by appropriatesafety rules and regulations. Simulation of complex systems such as intermodal terminals andmarshalling yards is the task that should be supported by accurate and detailed data, in order tokeep the model and results more realistic.

Zur Verbesserung der Marktsituation des Schienengüterverkehrs und damit zur Umsetzung der verkehrspolitischen Zielvorgaben für eine Verkehrsverlagerung von der Straße auf die Schiene sind neben einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit vor allem auch eine Steigerung der Qualität der Leistungserstellung und die bedarfsgerechte Weiterentwicklung der Angebotsformen insbesondere des Bündelungsverkehrs erforderlich. Eine entscheidende Voraussetzung hierfür stellt die Verbesserung der Abläufe und Verfahren bei der betrieblichen Planung der Zugbildungsbahnhöfe dar. Die bestehenden Verfahren hierfür weisen allerdings wesentliche Schwachstellen hinsichtlich der Qualität der Planungsergebnisse sowie des zeitlichen und personellen Aufwands für ihre Anwendung auf. Sie sind daher nicht geeignet, die anstehenden Herausforderungen bei der Weiterentwicklung des Schienengüterverkehrs im zunehmenden Spannungsfeld zwischen Digitalisierung und demografischem Wandel zu bewältigen. Auch die Mehrzahl der diesbezüglichen wissenschaftlichen Ansätze der letzten Jahre und Jahrzehnte besitzt nicht das notwendige Potential für eine entscheidende Weiterentwicklung der Planungsverfahren. Die Erfahrungen aus angrenzenden Planungsbereichen des Eisenbahnsystems lassen vermuten, dass die mathematische Optimierung geeignet ist, eine neue Qualität bei der betrieblichen Planung von Zugbildungsbahnhöfen zu erreichen, indem das vollständige Planungsproblem in geeigneter Weise als mathematisches Optimierungsproblem formuliert und gelöst wird. Begünstigend wirkt dabei, dass durch die fortschreitende Entwicklung der Computertechnik heute auch umfangreiche reale Problemstellungen mit Hilfe effizienter Lösungsverfahren in akzeptabler Rechenzeit lösbar sind. Für die pratkische Umsetzung des daraus abgeleiteten neuartigen Ansatzes, nämlich der Beschreibung des Problems „Betriebsplanung für einen Zugbildungsbahnhof“ durch ein geeignetes Totalmodell und die Lösung desselben mit Hilfe der mathematischen Optimierung, werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die notwendigen wissenschaftlichen Voraussetzungen zu schaffen. Die verschiedenen Zugbildungsbahnhöfe weisen weder in Bezug auf ihre bauliche Gestaltung, noch in Hinblick auf die Ausprägung der Betriebsprozesse und die eingesetzten Ressourcen eine einheitliche Form auf. Auch die verkehrlichen und betrieblichen Anforderungen unterscheiden sich teilweise erheblich. Für die Entwicklung eines allgemeingültig auf alle Zugbildungsbahnhöfe anwendbaren Planungsverfahrens sind daher die betriebstechnologischen und ressourcenspezifischen Abhängigkeiten und Randbedingungen zunächst in einer allgemeinen Art und Weise zu formalisieren. Da dies mit den derzeit bekannten Beschreibungsmodellen nicht möglich ist, wurde ein universelles Betriebsprozessmodell abgeleitet, das auf beliebige Zugbildungsbahnhöfe anwendbar ist. Für einen konkreten Zugbildungsbahnhof lässt sich daraus in Verbindung mit den zu erfüllenden Leistungsanforderungen das logische Planungsproblem mit allen einzuhaltenden Abhängigkeiten und Nebenbedingungen vollständig formulieren. Für die Lösung dieses logischen Planungsproblems mit Hilfe der mathematischen Optimierung ist ein geeignetes mathematisches Optimierungsmodell erforderlich. Dieses muss bezüglich der Art der zu berücksichtigenden Nebenbedingungen und der Detaillierung der Prozessabbildung kompatibel zum Betriebsprozessmodell sein. Hierbei konnte auf bereits vorhandene erste Ansätze für eine entsprechende mathematische Modellformulierung zurückgegriffen werden. Um jedoch das mathematische Optimierungsproblem vollständig formulieren und mit Hilfe geeigneter Lösungsverfahren lösen zu können, ist es zunächst erforderlich, das logische Planungsproblem vollständig zu beschreiben. Da die Leistungsanforderungen in der Praxis durch den teilweise langen zeitlichen Vorlauf häufig nur unvollständig beschrieben werden können, wird ein zusätzlicher Aufbereitungsschritt zur Vervollständigung der planerischen Problemstellung erforderlich. Ein weiterer Aufbereitungsschritt ergibt sich nach der Optimierung, in dem die gefundene Lösung vor der Ausgabe noch bezüglich bestimmter sekundärer Kriterien, die nicht in der Zielfunktion berücksichtigt werden, zu verfeinern ist. Anhand dieser grundsätzlichen Funktionsweise konnte ein Verfahren zur Betriebsplanung in Zugbildungsbahnhöfen auf Basis der mathematischen Optimierung abgeleitet und beschrieben werden. Es erlaubt für die der Disposition zeitlich vorgelagerten Planungsteilbereiche erstmals die Erstellung optimaler Betriebspläne, wobei sämtliche Betriebsprozesse und Ressourcen simultan geplant werden. Das Verfahren kann über die verschiedenen zeitlichen Planungsebenen durchgehend angewandt werden und bildet zudem die Grundlage für eine Automatisierung der einzelnen Teilschritte. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das entwickelte Planungsverfahren für die Anwendung auf eisenbahnbetriebswissenschaftliche Fragestellung erweiterbar ist und dabei ein hohes Potential für die Weiterentwicklung der eisenbahnbetriebswissenschaftlichen Verfahrenswelt besitzt. Hierbei ergibt sich insbesondere bei der Untersuchung des Leistungsverhaltens von Gleisgruppen und Zugbildungsbahnhöfen erstmals die Möglichkeit zur Bestimmung einer optimalen Betriebsqualität. Die praktische Anwendbarkeit dieses Ansatzes und die Eignung des hierfür entwickelten mathematischen Optimierungsmodells konnten im weiteren Verlauf der Arbeit ebenfalls gezeigt werden. Die Einhaltung einer geforderten Betriebsqualität stellt neben wirtschaftlichen und leistungsbezogenen Vorgaben eine wesentliche Zielstellung bei der betrieblichen Planung von Zugbildungsbahnhöfen dar. Die erzeugten Betriebspläne müssen also gegenüber vielfältigen stochastischen Einflüssen robust sein. Um dies zu gewährleisten ist eine Erweiterung des Planungswerkzeugs um eine Komponente zur Auswahl und Bemessung der hierfür notwendigen planerischen Maßnahmen erforderlich. Als Grundlage hierfür dient die zuvor hergeleitete Vorgehensweise zur Untersuchung der Betriebsqualität in Zugbildungsbahnhöfen. Das darin formulierte mathematische Modell zur Optimierung der Betriebsqualität bildet die Basis für eine systematische Vorgehensweise zur Auswahl und Bemessung der planerisch vorzusehenden Robustheitsmaßnahmen, womit ein völlig neuer Ansatz gegenüber bisherigen Verfahren verfolgt wird. Durch diese Erweiterung des zuvor entwickelten Planungsansatzes liegt schließlich das vollständige Verfahren zur robusten Betriebsplanung in Zugbildungsbahnhöfen auf Basis der mathematischen Optimierung ('ROBEZO') vor. Dieses stellt nicht nur eine neue Qualität von Planungsverfahren für Zugbildungsbahnhöfe dar, sondern schafft zudem die Voraussetzungen für eine vollständige Automatisierung der betrieblichen Planung in Zugbildungsbahnhöfen. In der Arbeit erfolgte überdies eine umfangreiche wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen stochastischen Einflüsse aus dem Betriebsablauf. Es konnte gezeigt werden, dass diese kategorisierbar sind und sich nicht nur in Form ihrer qualitativen und quantitativen Ausprägungen, sondern auch hinsichtlich ihrer prinzipiellen Wirkungen auf einen Betriebsplan deutlich unterscheiden. Für eine Reihe dieser Einflüsse gelang in diesem Zusammenhang erstmals eine tiefgehende Analyse und theoretische Darstellung. Hervorzuheben ist hierbei insbesondere die gefundene Möglichkeit zur allgemeingültigen modellmäßigen Beschreibung von Einbruchsverfrühungen durch Weibull-Verteilungen, die auch eine hohe Relevanz für andere eisenbahnbetriebswissenschaftliche Anwendungen besitzt.

The routing and scheduling problem is a complex task and a critical challenge in the railway sector, given the involvement of various railway infrastructural and operational characteristics. Moreover, this problem has a direct impact on the costs of railway services due to the routes trains are taking, and the environmental impact caused by the length of their journeys. Although numerous studies have addressed the routing and scheduling of passenger trains, fewer have focused on the routing and scheduling of freight trains. Therefore, the primary objective of this study is to enhance the utilization of rail freight routes by reducing the travel time of freight trains. To determine the optimal train routing and transit durations, as well as to identify the pivotal operational and infrastructural variables that impact the travel time of freight trains, a mixed-integer linear optimization model has been developed. Furthermore, enhancing the efficiency of rail freight entails leveraging automation and digitalization in rail freight transportation to improve rail performance, multimodal services, and end-user satisfaction due to an improvement in the utilization of the network. The AnyLogic simulation software tool has been employed to evaluate the influence of digital automatic coupling (DAC) on marshalling yard train processing time and yard capacity. DAC is seen as an enabling technology for automation in yards and the use of longer and faster trains on the line. The marshalling yard of Hallsberg will be used as a case study. The initial findings indicate that an increase in train length from 700 meters to 800 meters has a negligible impact on train schedules. In comparison to the prevailing scenario, the implementation of technologies that facilitate reduced inter-train spacing and halving of block separation enhances the capacity of the railway network. It is similarly important to accelerate train speeds by 10% in order to enhance the utilization of rail freight routes, which results in a more homogeneous traffic flow on the line due to a speed closer to that of passenger trains, thereby increasing the capacity of the network. The results of Hallsberg's marshalling yard demonstrate that the introduction of DAC Type 4 has led to an enhanced capacity for handling trains at the arrival, classification, and departure yards. Further capacity gains are possible with the adoption of DAC Type 5, which allows for the production of longer trains in all three parts of the marshalling yard. This is since a greater number of wagons are arriving, thereby enabling the formation of trains to be completed more expeditiously. However, the introduction of longer trains has led to a challenge in terms of the number of trains arriving at the marshalling yard. This is due to the fact that longer trains require a longer uncoupling and classification process. The primary rationale for enhancing capacity from the base to DAC Type 4 and DAC Type 5, in conjunction with the implementation of longer trains across all sections of the marshalling yard, is the reduction in uncoupling times. The integration of findings from the mixed-integer linear optimization model and the AnyLogic model for Hallsberg's marshalling yard serves to emphasize the significance of longer trains and the introduction of DAC Type 4 and DAC Type 5. The total travel time for trains traveling from Stockholm to Gothenburg, with a classification stop at Hallsberg, can be reduced by up to 33% for a single train. / Optimering av rutt- och schemaläggning är en komplex uppgift och en kritisk utmaning inom transport och järnvägssektorn, med tanke på involveringen av olika intressenter och komponenter. Dessutom har detta problem en direkt inverkan på kostnaderna för järnvägstjänster och deras miljöpåverkan. Medan många studier har behandlat rutt- och schemaläggning för persontåg, har färre fokuserat på problemet för godståg. Det primära syftet med denna studie är att förbättra utnyttjandet av rutt- och schemaläggningen av godståg genom minskad restid. En linjär optimeringsmodell med blandade heltal har utvecklats för att bestämma den optimala tågruttläggningen och transporttiden, samt för att identifiera de centrala drifts- och infrastrukturvariabler som påverkar godstågens restid. Att förbättra effektiviteten av järnvägsfrakt innebär dessutom att man utnyttjar automatisering och digitalisering inom järnvägsgodstransporter för att förbättra järnvägsprestanda, multimodala tjänster och service för slutanvändarna. Simuleringsverktyget AnyLogic har använts för att utvärdera inverkan av digital automatisk koppel (DAC) på servicetid på rangerbangård och bangårdskapacitet, särskilt i samband med modellering av Hallsbergs rangerbangård. De första resultaten tyder på att en ökning av tåglängden från 700 meter till 800 meter har en försumbar inverkan på tågtidtabellerna. Jämfört med det rådande scenariot ökar implementeringen av signalteknik som underlättar minskat avstånd mellan tågen och halvering av blockseparationen och därmed kapaciteten i järnvägsnätet. Likaså är det viktigt att öka tåghastigheterna med 10 % för att förbättra utnyttjandet av godsrutter på järnväg. Resultaten för Hallsbergs rangerbangård visar att införandet av DAC Typ 4 leder till en utökad kapacitet för att hantera tåg vid ankomst-, klassificerings- och avgångsbangårdarna. Ytterligare kapacitetsvinster är möjliga med antagandet av DAC Typ 5, som möjliggör automatiserad produktion av längre tåg i alla tre delar av rangerbangården. Detta beror på ett större antal inkommande vagnar, vilket gör att tågbildningen kan slutföras snabbare. Införandet av längre tåg har dock lett till en utmaning när det gäller antalet tåg som kommer till rangerbangården. Detta beror på att längre tåg kräver en längre frånkopplings- och klassificeringsprocess. Det primära skälet till att öka kapaciteten från utgångsbasen till DAC Typ 4 och DAC Typ 5, i samband med implementeringen av längre tåg över alla sektioner av rangerbangården, är minskningen av frånkopplingstider. Integrationen av resultaten från den linjära optimeringsmodellen med blandade heltal och AnyLogicmodellen för Hallsbergs rangerbangård understryker betydelsen av längre tåg och införandet av DAC Typ 4 och DAC Typ 5. Den totala restiden för tåg som reser från Stockholm till Göteborg, med rangerstopp i Hallsberg, kan sänkas med upp till 33 % för ett enskilt tåg. Omvänt, för tåg som reser från Göteborg till Stockholm, är minskningar av total restid med upp till 13 % för det första tåget och 11 % för det andra tåget.