Timetable development and design is a complex process that is crucial for safe and efficient railway operations. The combination of steel wheels and steel rails makes it possible to create trains and to transport many vehicles, thus passengers and freight, at the same time, but it also results in longer braking distances. These braking distances often exceed sight distance, which means that sufficient distance between trains must be maintained. This requires a thorough planning of train movements in order to prevent conflicting train paths and trains stopping for red signals. This is done by creating a time schedule for different train paths along the track, the so-called timetable. The timetable forms the backbone of railway operations, because a timetable informs a passenger when a train departs and arrives. However, in order to attract passengers, the timetable should be aligned with customer demand. Unfortunately, railway operation tends to deal with great demand variations over time and within the network. In order to make clear how passenger demand is distributed, the demand is often expressed in an origin-destination matrix. Each cell of the matrix corresponds to the number of expected passengers between an origin and destination. Based upon the demand distribution, a line design is created. A line design determines the route of a train, and consists of a stopping pattern and frequency per train. Although the line plan is important for the timetabling process, an optimal line plan does not automatically result in an optimal or feasible timetable. In the past, timetable design focused on a minimisation of the total travel time in conflict-free timetables only. Nevertheless, several studies confirmed the need for periodic and symmetric timetables that come with equal levels of service throughout the day, which are easily memorisable for the passenger. These timetables must be robust, so that a high punctuality can be achieved. Additionally, an ideal timetable also takes into account factors like in-vehicle time, waiting time and number of transfers, summarised in the perceived travel time (PTT). It is, however, impossible to include all these elements in a manual timetable design. This emphasises the need for a timetabling model that combines passenger demand and line design to calculate a timetable with a minimal PTT. Several different timetable models have been developed in the past, where each model has its own area of focus. Some models focus on the optimisation of line plans, so that the line design connects most important origin-destination pairs and travel time between these pairs is minimised. However, these models do not take into account specific arrival and departure times. It might thus be that the travel time will be high for passengers that have to change trains. Other models focus on the development of conflict-free timetables, in which the infrastructure governs the timetable. Although this might result in a feasible timetable, it may not always be an optimal timetable since passenger demand is often not included. The final category of timetabling models focuses on the improvement of passenger satisfaction. These models minimise waiting time or the total journey time for instance. Nevertheless, the resistance to change trains is usually high, but often not included in the calculation. In contrary to other timetabling models, the Strategic Passenger Oriented Timetabling (SPOT) model, developed by Polinder (2020) and NS, is able to create a timetable with a minimal PTT. However, the model is currently not used within the timetable development process. Therefore, this research has investigated to what extent the SPOT model can be used in this process, and hence support and speed up the design of new timetables. The SPOT model includes the resistance to change trains in the calculation of the PTT. In the model it is assumed that each minute of in-vehicle time counts as 1 passenger-minute, each minute of waiting time corresponds to 2 passenger-minutes, and each transfer is awarded with a penalty of 20 passenger-minutes. A lower PTT is thus achieved through an optimisation of waiting times and transfer penalties. It means that the model can especially be used for determining arrival and departure times at transfer nodes. Despite the fact that the model is unable to include infrastructural limitations, the results are useful for determining which transfer possibilities are important at each node. In order to validate this hypothesis, two case studies have been performed for the transfernodes Weesp and Zwolle. These cases have been selected based upon recent problems during the development of post-COVID-19 timetable scenarios for NS. For each casestudy, several elements of the current timetable and proposed scenarios have been included in the input of the model, in order to analyse the effect on the timetable at the specific node. The output of the model, consisting of the PTT, improvement potentials for origin-destination pairs and dwell-time graphs, provided a clear overview of how each experiment scored. In the end, this study concludes that the SPOT model is especially applicable for studies in which different timetable scenarios must be compared with each other. It can help to illustrate the impact of decisions and trade-offs, so that different ideas on timetable design can be assessed before making specific, conflict-free timetables. The model can thus be used in the stage of exploratory research. / Tidtabellsutveckling är en komplex process som är avgörande för en säker och effektiv järnvägsdrift. Kombinationen av stålhjul och stålräl gör det möjligt att skapa tåg och transportera många vagnar, med passagerare eller gods, samtidigt, men det leder också till längre bromssträckor. Dessa bromssträckor överskrider ofta siktavståndet, vilket innebär att tillräckligt avstånd mellan tågen måste bibehållas. Detta kräver en grundlig planering av tågrörelser för att förhindra motstridiga tågvägar. Detta görs genom att skapa ett tidsschema för olika tåg längs spåret, den så kallade tidtabellen. Tidtabellen utgör ryggraden i järnvägsverksamheten, eftersom en tidtabell informerar en passagerare när ett tåg avgår och anländer. För att attrahera passagerare bör tidtabellen dock anpassas till kundernas efterfrågan. Tyvärr tenderar järnvägsoperationer att hantera stora efterfrågevariationer över tid och inom nätverket. För att klargöra hur passagerarefterfrågan fördelas uttrycks efterfrågan ofta i en matris för ursprungsdestination. Varje cell i matrisen motsvarar antalet förväntade passagerare mellan ett ursprung och en destination. Baserat på efterfrågefördelningen skapas ett linjeupplägg. Ett linjeupplägg bestämmer tågets rutt och består av ett stoppmönster och frekvens per tåg. Även om linjeplanen är viktig för tidtabellprocessen, resulterar ett optimalt linjeupplägg inte automatiskt i en optimal eller genomförbar tidtabell. Tidigare fokuserade tidtabellsutformningen på att minimera den totala restiden endast i konfliktfria tidtabeller. Ändå har flera studier bekräftat behovet av periodiska och symmetriska tidtabeller som har samma servicenivåer hela dagen och som är lätta att minnas för passageraren. Dessa tidtabeller måste vara robusta så att en hög punktlighet kan uppnås. Dessutom tar en ideal tidtabell också hänsyn till faktorer som fordonstid, väntetid och antal byten, sammanfattade i den upplevda restiden (PTT). Det är dock omöjligt att inkludera alla dessa element i en manuell tidtabellsplanering. Detta betonar behovet av en tidtabellsmodell som kombinerar passagerares efterfrågan och linjeupplägg för att beräkna en tidtabell med minimal PTT. Flera olika tidtabellmodeller har utvecklats tidigare, där varje modell har sitt eget fokusområde. Vissa modeller fokuserar på optimering av linjeplaner, så att linjeupplägget ansluter de viktigaste ursprung-destinationsparen och att restiden mellan dessa par minimeras. Dessa modeller tar dock inte hänsyn till specifika ankomst- och avgångstider. Det kan alltså vara så att restiden blir hög för passagerare som måste byta tåg. Andra modeller fokuserar på utvecklingen av konfliktfria tidtabeller, där infrastrukturen styr tidtabellen. Även om detta kan resultera i en genomförbar tidtabell, kanske det inte alltid är en optimal tidtabell eftersom passagerarefterfrågan ofta inte ingår. Den sista kategorin av tidtabellmodeller fokuserar på förbättring av passagerarnöjdheten. Dessa modeller minimerar till exempel väntetiden eller den totala restiden. Ändå är motståndet mot tågbyte ofta högt, men ingår inte i beräkningen. I motsats till andra tidsplaneringsmodeller kan SPOT-modellen, utvecklad av Polinder (2020) och NS (den största persontågsoperatören i Nederländerna), skapa en tidtabell med minimal PTT. I denna beräkning ingår motståndet mot byte av tåg. I modellen antas att varje minut i fordonstiden räknas som 1 passagerarminut, varje minut väntetid motsvarar 2 passagerarminuter och varje byte tilldelas ett straff på 20 passagerarminuter. En lägre PTT uppnås således genom en optimering av väntetider och överföringsstraff. Det betyder att modellen särskilt kan användas för att bestämma ankomst- och avgångstider vid överföringsnoder. Trots det faktum att modellen inte kan inkludera infrastrukturella begränsningar är resultaten användbara för att bestämma vilka bytesmöjligheter som är viktiga vid varje nod. För att validera denna hypotes har två fallstudier utförts för bytesnoderna Weesp och Zwolle. Dessa fall har valts ut baserat på de senaste problemen under utvecklingen av tidtabellsscenarier efter COVID-19 för NS. För varje fallstudie har flera delar av den aktuella tidtabellen och föreslagna scenarier inkluderats som indata till modellen för att analysera effekten på tidtabellen vid den specifika noden. Utdata fran modellen, bestående av PTT, förbättringspotentialer för par ursrungs- och detinationspar och grafer för uppehållstid gav en tydlig översikt över resultatet från varje experiment. Slutligen drar denna studie slutsatsen att SPOT-modellen är särskilt användbar för studier där olika tidtabeller måste jämföras med varandra. Den kan hjälpa till att visa effekterna av beslut och kompromisser, så att olika idéer om tidtabellsupplägg kan utvärderas innan man gör specifika, konfliktfria tidtabeller. Modellen kan alltså användas i ett tidigt skede. / Het ontwikkelen en ontwerpen van dienstregelingen is een complex proces dat cruciaal is voor een veilig en efficiënt vervoer per spoor. De combinatie van stalen wielen op stalen spoorstaven zorgt ervoor dat het mogelijk is om meerdere voertuigen te combineren en treinen samen te stellen, en zodoende veel reizigers of goederen op hetzelfde moment te verplaatsen. Echter, de combinatie van staal op staal zorgt ook voor lange remwegen. Doordat deze remwegen de zichtafstand vaak overschrijden, moet er gewaarborgd worden dat treinen altijd op voldoende afstand van elkaar rijden. Hiervoor is een strakke en uitvoerige planning benodigd, waardoor conflicten worden voorkomen en treinen niet voor een rood sein tot stilstand komen. Deze planning definieert voor elke trein het tijdspad over een bepaald traject, de zogenaamde dienstregeling. De dienstregeling vormt de ruggengraat van de treindienst, onder andere omdat deze de reizigers informeert wanneer een trein vertrekt en aankomt. Echter, om reizigers te werven is het belangrijk dat de dienstregeling overeenkomt met datgene wat de reiziger wil. Het nadeel is dat vervoer per spoor vaak te maken heeft met een variërende vraag. Om inzicht te geven hoe deze reizigersvraag zich verhoudt tot het netwerk, wordt de reizigersvraag vaak uitgedrukt in een herkomst-bestemmingsmatrix. Elke cel in de matrix correspondeert met het aantal verwachte reizigers tussen een specifieke vertrek- en aankomstlocatie. Op basis van de verdeling van de reizigersvraag wordt vervolgens een lijnvoeringsontwerp gemaakt. De lijnvoering bepaalt de route, frequentie en het stoppatroon van een trein. Hoewel een lijnvoering belangrijk is in het ontwerpproces, garandeert een optimale lijnvoering niet automatisch een optimale dienstregeling. In het verleden werd er bij het maken van het dienstregelingsontwerp vooral gefocust op het minimaliseren van de pure reistijd binnen een conflictvrije dienstregeling. Meerdere studies hebben echter aangetoond dat de reiziger vooral behoefte heeft aan een repeterende en symmetrische dienstregeling, waarbij de reiziger de dienstregeling eenvoudig kan onthouden en de reiskwaliteit constant is. Deze dienstregeling moet robuust zijn, zodat een hoge punctualiteitsgraad behaald kan worden. Bovendien richt het ontwerp zich niet enkel op het minimaliseren van de pure reistijd, maar wordt er gekeken naar het totaalplaatje van in-treintijd, wachttijd en aantal keer overstappen. Dit is de zogenaamde gegeneraliseerde reistijd (GRT). In een handmatig ontworpen dienstregeling is het onmogelijk om al deze factoren in acht te nemen. Er is dan ook behoefte aan een dienstregelingsmodel dat reizigersvraag en lijnvoering combineert, zodat een ontwerp gemaakt kan worden waarbij de GRT wordt geminimaliseerd. Door de jaren heen zijn er diverse modellen ontwikkeld, waarbij de meeste modellen zich richten op een specifiek onderdeel van het dienstregelingsprobleem. Sommige modellen hebben als doel om de lijnvoering te optimaliseren, zodat het ontwerp altijd de belangrijkste herkomsten en bestemmingen met elkaar verbindt. Een nadeel is dat op dit niveau er nog geen specifiek vertrek- en aankomsttijden bepaald kunnen worden, waardoor uiteindelijk de reistijd enorm kan toenemen voor reizigers die moeten overstappen. Andere modellen focussen juist op het genereren van conflictvrije dienstregelingen, waarbij de aanwezige infrastructuur leidend is voor de dienstregeling. Hoewel dit de uitvoerbaarheid van de dienstregeling garandeert, is dit veelal niet de meest wenselijke dienstregeling omdat de reizigersvraag hierin niet wordt meegenomen. Tenslotte zijn er modellen die de klantbeleving proberen te verbeteren door bijvoorbeeld de totale wacht- of reistijd te minimaliseren. Desalniettemin is hierin de weerstand om over te stappen vaak niet inbegrepen, terwijl dit wel van grote invloed kan zijn. In tegenstelling tot andere modellen is het door Polinder (2020) en NS ontwikkelde SPOTmodel in staat om een dienstregeling te berekenen met een minimale GRT en dus tot een beter ontwerpvoorstel te komen. Echter, het SPOT model wordt momenteel nog niet gebruikt in het daadwerkelijke dienstregelingsontwerpproces. Dit onderzoek richt zich daarom op de vraag in hoeverre het SPOT model kan worden gebruikt bij het ontwerpen van nieuwe dienstregelingen, en zodoende het proces te ondersteunen en te versnellen. In de berekening van de GRT is de weerstand om over te stappen inbegrepen. In het model wordt aangenomen dat elke minuut aan in-treintijd telt voor 1 reizigersminuut, elke minuut aan wachttijd telt voor 2 reizigersminuten, en er voor elke overstap een boete van 20 reizigersminuten wordt opgelegd. Een lagere GRT wordt dus behaald bij het optimaliseren van de wachttijd en het aantal overstapboetes. Dit betekent dat het model gebruikt kan worden voor het bepalen van de ideale aankomst- en vertrektijden op overstapstations. Hoewel het SPOT-model geen rekening houdt met infrastructurele beperkingen, kunnen de resultaten worden gebruikt om per station te bepalen welke overstaprelaties van belang zijn. Om deze hypothese te bevestigen zijn in dit onderzoek twee experimenten uitgevoerd voor de overstapstations Weesp en Zwolle. Deze locaties zijn gekozen op basis van recente studies binnen NS op het gebied van een post-corona dienstregeling. Voor elk experiment zijn bepaalde elementen van de huidige dienstregeling alsmede van de voorgestelde post-corona dienstregeling in het model geladen. Op deze manier kunnen de effecten op de dienstregeling voor de specifieke locatie in kaart worden gebracht en geanalyseerd. De uitkomsten van het model bestaan uit de GRT, verbeterpotentie per herkomst-bestemmingspaar en halteertijdgrafieken, welke vervolgens een duidelijk beeld geven van hoe ieder experiment scoort. Uiteindelijk is op basis van deze experimenten geconcludeerd dat het SPOT-model geschikt is voor langetermijnstudies waarbinnen verschillende dienstregelingsvoorstellen met elkaar moeten worden vergeleken. Het model kan daarbij inzicht bieden in de impact en afwegingen die in het ontwerp gemaakt moeten worden. Op deze manier kunnen verschillende gedachtegangen al beoordeeld worden voordat er een gedetailleerde, conflictvrije dienstregeling ontworpen wordt. Daarmee is het model dus toepasbaar in de fase van het verkennend dienstregelingsonderzoek.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-301285 |
| Date | January 2021 |
| Creators | de Graaf, Yari |
| Publisher | KTH, Transportplanering |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-MBT |
Page generated in 0.003 seconds