Punctuality and reliability are important for travellers. Railway lines with heterogeneous and dense traffic have proved to be prone to generate delays. Faster services and increased traffic have to be counterbalanced with measures for increased reliability. Efficient timetable planning can improve the use of such lines. Usually, that aim is treated from either a capacity or a socio-economic point of view. Because both are important, this thesis aims to combine the fields. A new method to evaluate timetable alternatives is developed. Commonly used methods are combined in a novel way to reveal values for different variables as input for evaluation of alternatives. That enables the comparison of timetable strategies using relevant input data. The idea is to estimate the benefits of a timetable for a traveller by expressing them as a timetable performance index (TTPI). For this purpose, quality indicators and methods to reveal them are identified. In the next step, traditional valuations for relationships between the indicators are used to test different model configurations for evaluation of alternatives, for example alternative departures on the same line or different timetables. 

To treat this multidisciplinary task, several case studies were performed on the Swedish Southern and Western Main lines. As part of a study focussing on methods to measure and evaluate capacity based on travellers’ valuations, the importance of delays was analysed in a questionnaire study and relationships between several variables describing the timetable were found. The other case studies aimed to identify relevant variables and use them to evaluate alternatives. Static and dynamic variables are distinguished. The static ones describe the timetable before operation, the dynamic ones the result of operation or estimated outcome revealed by means of, for example, simulation. Empirical delay data is used in one study, simulation with the microscopic tool RailSys in the others. In one of the studies, analysis is combined with the macroscopic timetabling tool TVEM (Lindfeldt, 2010). The case studies showed the characteristics of the analysed lines described by the chosen variables and which methods and variables are relevant to use for a comparison of timetable slots or evaluation of effects of changes in the timetable. An evaluation method was developed where simulation and timetable analysis reveal the variables. The idea is to construct an analytical function using traditional weights for relationships between the variables to convert the values of the variables into a performance index (PI). Based on a PI for each train slot (TSPI), the TTPI for the whole timetable is estimated. It describes the quality of a timetable in terms of timetable time, i.e. the resulting value is a time that is comparable to the scheduled travel time of one train departure, but includes additional information. With this method, complex timetables can be evaluated regarding their robustness to perturbations, which is valuable for socio-economic analysis of effects of measures applied on the railway system.

As shown in a one of the case studies, quality in terms of punctuality and reliability is important for travellers, at the same time as the design of the timetable has significant impact on these aspects. Timetable analysis and simulation are relevant methods to reveal variables that describe these characteristics and evaluation with the presented method is recommended. The configuration of the TTPI is essential for the outcome whereas it is important to choose variables and parameters adequately. If this is taken into account, the approach can be an efficient way to adjust timetables and choose the best alternative, for instance if a train path or timetable change is to be chosen among several.

Punktlighet och tillförlitlighet är viktiga för resenärer. Järnvägar med heterogen och tät trafik har visat sig vara benägna att generera förseningar. Snabbare tåg och utökat trafikutbud måste uppvägas mot punktlighetsåtgärder. Effektiv tidtabellsplanering kan förbättra utnyttjandet av sådana linjer. Detta ändamål behandlas oftast utifrån antingen kapacitets eller samhällsekonomisk synvinkel. Eftersom bägge är viktiga syftar den här avhandlingen på att kombinera dessa områden. En metod för utvärdering av tidtabellsalternativ utvecklas. Befintliga metoder kombineras på ett nytt sätt för att ta fram värden för olika variabler som indata för en utvärdering av alternativen. Detta möjliggör en jämförelse av tidtabellsstrategier med relevant indata. Idén bygger på att bedöma en tidtabells nytta för resenären genom att uttrycka denna som ett prestationsindex (TTPI). För detta syfte identifieras kvalitetsindikatorer och metoder för att ta fram dessa. Traditionella valideringar för relationerna mellan indikatorerna används sedan för att testa olika konfigurationer av modellen för att utvärdera alternativ, till exempel alternativa avgångar på samma linje eller olika tidtabeller.

För denna multidisciplinära uppgift har flera fallstudier på svenska Södra och Västra stambanan genomförts. Som del av en studie med fokus på metoder för att mäta och utvärdera kapacitet baserad på resenärers värderingar har förseningens värde analyserats med hjälp av en enkätundersökning och relationer mellan några variabler som beskriver tidtabellen hittats. De övriga fallstudierna syftade på att ta fram relevanta variabler och att använda dem för att utvärdera alternativ. Variablerna delades upp i statiska och dynamiska. De statiska beskriver tidtabellen innan den körs, de dynamiska det verkliga utfallet eller det estimerade resultatet framtaget med hjälp av exempelvis simulering. Empiriska försenings­data används i en studie, simulering med det mikroskopiska programmet RailSys i de andra. I en av studierna kombineras analysen med det makroskopiska tidtabellsverktyget TVEM (Lindfeldt, 2010). Fall­studierna visade de analyserade linjernas egenskaper beskrivna av de valda variablerna och vilka metoder och variabler som är relevanta för en jämförelse av olika tåglägen eller en utvärdering hur en ändring i tidtabellen påverkar. En utvärderingsmetod där simulering och tidtabellsanalys används för att ta fram variablerna utvecklades. Idén är att skapa en analytisk funktion med hjälp av traditionella vikter som beskriver sambanden mellan variablerna för att räkna om variablernas värden till en prestations­index (PI). Baserad på en PI för varje tågläge (TSPI) estimeras värdet för hela tidtabellen (TTPI). Detta index beskriver tidtabellens kvalitet som tidtabellstid, dvs. värdet är en tid som är jämförbar med den tidtabellslagda restiden för en avgång, men med ytterligare information inkluderat. Med hjälp av denna metod kan komplexa tidtabeller utvärderas med avseende på robusthet mot störningar vilket är värdefullt för samhällsekonomiska bedömningar av åtgärder i järnvägssystemet.

Som en av fallstudierna visade är kvalitet i form av punktlighet och tillförlitlighet viktig för resenärer samtidigt som tidtabellens utformning har en signifikant påverkan på samma aspekter. Tidtabellsanalys och simulering är relevanta metoder för att ta fram variabler som beskriver dessa egenskaper och utvärdering med de visade metoderna rekommenderades. Modellens konfiguration är betydelsefull för resultatet vilket gör det viktigt att välja variabler och parametrar som är lämpliga. Om detta respekteras kan metoden vara effektiv för att anpassa tidtabeller och välja det bästa alternativet, till exempel när det gäller att välja mellan olika tåglägen eller justeringar i tidtabellen.

Pünktlichkeit und Zuverlässigkeit sind wichtig für Reisende. Stark belastete Eisenbahnlinien mit heterogenem Verkehr sind störungsanfällig. Zugleich besteht oft ein Bedarf an schnelleren und häufigeren Verbindungen, was jedoch mit potentiellen negativen Effekten auf die Kapazität aufgewogen werden muss. Effiziente Fahrplan­konstruktion kann die Nutzung solcher Linien verbessern. Dieses Ziel wird meist entweder aus der Sicht der Kapazitätsanalyse oder wirtschaftlichen Aspekten be­trachtet. Da beide Betrachtungsweisen wichtig sind, strebt diese Arbeit die Kombination beider Felder an. Eine Methode für die Auswertung verschiedener Fahrpläne wird entwickelt. Bewährte Methoden werden in neuer Weise kombiniert um Werte für verschiedene Variablen als Input für die Auswertung von Alternativen zu erhalten. Das ermöglicht es potentielle Änderungen im Fahrplan mithilfe relevanter Werte zu vergleichen. Die Idee basiert auf einem Leistungsindex (TTPI), der den Nutzen eines Fahrplans für die Reisenden ausdrücken soll. Zu diesem Zweck werden Qualitätsindikatoren gewählt und Methoden zur Berechnung und Bearbeitung der Indikatoren entwickelt. Traditionelle Werte für die Abhängigkeiten zwischen den Indikatoren dienen dann dem Test verschiedener Modelkonfigurationen sowie der Aus­wertung von Alternativen, z. B unterschiedlicher Trassen oder Fahrpläne.

Für diese multidisziplinäre Aufgabe wurden mehrere Fallstudien für die südliche und westliche Hauptstrecke in Schweden durchgeführt. In einer Fragenbogenstudie mit den Schwerpunkten Mess- und Auswertungsmethoden wurde der Wert von Verspätungen für Reisende untersucht und Verhältnisse zwischen mehreren Indikatoren ermittelt. Die weiteren Fallstudien strebten das Finden relevanter Variablen und deren Anwendung zur Auswertung von Alternativen an. Statische und dyna­mische Variablen wurden unterschieden. Die statischen beschreiben den geplanten Fahrplan vor dem Betrieb, die dynamischen den wirklichen Ausfall oder das beispielsweise durch Simulation berechnete erwartete Resultat. In einer der Fall­studien wurde empirisches Datenmaterial für die Verspätungsdaten genutzt, in den weiteren das mikroskopische Simulationsprogramm RailSys. In einer der Studien wurde die Analyse mit dem makroskopischen Fahrplanungsprogramm TVEM (Lindfeldt, 2010) kombiniert. Die Eigenschaften der untersuchten Linien wurden mithilfe der gewählten Indikatoren analysiert. Weiterhin wurde die Relevanz verschiedener Methoden und Variablen für den Vergleich von Fahrten oder der Beurteilung von Änderungen in Fahrplänen beschrieben. Die gewählte Bewertungs­methode kombiniert Simulation und Fahrplananalyse um die benötigten Werte zu bestimmen. Mithilfe einer analytischen Funktion sollen die Variablen durch An­wen­den von traditionellen Werten für die Zusammenhänge in einen Leistungsindex (PI) umgewandelt werden. Basierend auf einem PI für jede geplante Fahrplantrasse (TSPI) kann der Wert für den gesamten Fahrplan (TTPI) bestimmt werden. Dieser Index übersetzt die Qualität des Fahrplans in Fahrtzeit, das heißt resultiert in einer Zeit, die mit der fahrplanmäßigen Fahrtzeit für eine Fahrt vergleichbar ist, aber zusätzliche Information enthält. Diese Methode ermöglicht es, komplexe Fahrpläne bezüglich Robustheit gegen Störungen auszuwerten, was wertvoll für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen im Bahnnetz ist.

Wie eine der Fallstudien gezeigt hat, ist die Qualität in Form von Pünktlichkeit und Zuverlässigkeit wichtig für die Reisenden. Gleichzeitig beeinflusst die Ausformung des Fahrplans diese Eigenschaften deutlich. Fahrplananalyse und Simulation sind geeignete Methoden um die Werte der Variablen, die diese Eigenschaften beschreiben, zu bestimmen. Auswertung auf diese Weise wird empfohlen. Die Konfiguration des Models beeinflusst das Ergebnis, weshalb es wichtig ist geeignete Variablen und Parameter zu benutzen. Wird das berücksichtigt, kann die entwickelte Methode effizient für das Verbessern von Fahrplänen angewandt werden und die Wahl der besten Alternative unterstützen, z.B. bei geplanten Änderungen im Fahrplan oder der Wahl zwischen unterschiedlichen Trassen.

The timetable is essential for railway traffic. Its design affects rail operations – and by extension all operators, passengers, and freight clients. International practice for capacity allocation varies and there is no common algorithm for designing and evaluating timetable changes. Especially challenging is coordinating heterogeneous services competing for track capacity. 

Aim of this thesis is to improve efficiency and transparency in capacity allocation by new methods to assess timetable adjustments. 

Although integration of capacity analysis and socio-economic evaluation is beneficial, combination of the two methods is rare. Because of that, two types of model are proposed in this thesis: The first combines capacity variables and social costs to represent the goodness of a timetable slot or a timetable using performance indices describing the travelling time experience of passengers riding the trains. Historical delay data from existing timetables provides information about the performance under operation. For strategies, a combined timetable and simulation approach is proposed to reveal variables for input to performance evaluation models. We show that microscopic simulation is advantageous for estimating operational data. Because departures ahead of schedule are common for freight trains suffers a simulation that does not include that feature of inaccuracies. Because of that, we suggest an approach for including early freight train departures to improve the accuracy of simulation results. Simulation with a macroscopic tool can speed up evaluation and improve user-friendliness of the method. For relatively small changes such as changed departure times and supplements which is focus in this work however, the microscopic tool shows greater advantage. 

The second model type considers conflicts between commercial long-distance trains and publicly controlled short-distance traffic competing for track capacity. We propose a method to calculate the loss of societal benefits incurred by changing the commuter train timetable to accommodate a commercial train path request. The calculation of these benefits considers changes in commuter train passengers’ travel times, waiting times, transfers and crowding for all trips in the system in combination with changes in operating costs for operator(s) of the short-distance services. 

All methods are applied in case studies and can (with adaptions) be used for other lines to improve the timetable allocation process, and to support transparent conflict solution. However, choosing an adequate model configuration is essential as it can affect results significantly.

Research was conducted for the two Swedish mainlines for passenger traffic (one articles includes an extension for a freight-focussed line), plus the Stockholm commuter network. The majority of the thesis concentrates on passenger traffic, and in particular, the conflict between long- and short-distance services. 

In addition to methodological contributions, we provide several practical results. We present strategies for improving reliability and evaluate them. Simple small changes in the timetable (such as changed departure times or time supplements) can have significant impact on the goodness of one or several timetable slots.

Tidtabellen är av stort värde för järnvägstrafiken. Utformningen påverkarj ärnvägsdriften – och därmed operatörer, passagerare och fraktkunder. Det finns varken en gemensam internationell praxis för kapacitetstilldelning eller någon allmängiltig algoritm för att utforma och utvärdera ändringar i tidtabellen. Särskilt utmanande är samordningen av heterogen trafik som konkurrerar om spårkapacitet.

Syftet med avhandlingen är att förbättra effektiviteten och transparensen ik apacitetstilldelningen med hjälp av nya metoder för att uppskatta och utvärdera ändringar i tidtabellen.

Fastän en integrering av kapacitetsanalys och samhällsekonomisk utvärdering ärfördelaktig, kopplas dessa två metoder nästan aldrig ihop. Därför föreslås två typer av modeller i den här avhandlingen: Den första kombinerar kapacitetsvariabler och sociala kostnader för att presentera ett tågläges eller en tidtabells godhet i form av prestandaindex som beskriver upplevda restider för resenärerna. För befintliga tidtabeller ger historiska förseningsdata information om hur tidtabellen presterar i drift. För strategier rekommenderas kombinerad tidtabellsanalys och simulering för att ta fram variabler som indata till utvärderingsmodellen. Simulering på mikroskopisk nivå visade sig vara fördelaktig för att estimera operativa data. För att förbättra simuleringarnas precision föreslås en metod för att inkludera godståg somavgår före tidtabell. Simulering med ett makroskopiskt verktyg kan snabba på analysen och förbättra metodens användarvänlighet. Om små modifieringar som exempelvis ändrande avgångstider eller tidstillägg för enstaka tåg är i fokus så som idet här arbetet visas det mikroskopiska verktyget dock vara fördelaktigt.

Den andra modellen behandlar konflikten mellan kommersiella fjärrtåg och subventionerad lokaltrafik i konkurrens om spårkapacitet. Vi föreslår en metod för att beräkna hur samhällsnyttan påverkas när pendeltågstidtabellen måste ändras för att skapa plats åt ett kommersiellt tågläge. Beräkningen av dessa nyttor tar hänsyn till förändringar i pendeltågsresenärernas res-, vänte- och bytestider samt trängsel för samtliga resor i systemet tillsammans med förändringar i driftkostnaderna förpendeltågsoperatören.

Alla metoder har applicerats i fallstudier och kan (med anpassningar) användasför andra linjer för att förbättra processen för fördelning av tidtabeller och stödja konfliktlösning på ett transparent sätt. Att konfigurera modellen på ett lämpligt sättär dock viktig eftersom den kan påverka resultaten avsevärt.

Forskning har genomförts för två svenska stambanor för persontrafik (i en avstudierna inklusive en förlängning på en viktig bana för godstrafik), samt pendeltågsnätet i Stockholm. Fokus i den här avhandlingen är framföralltpersontrafik och särskilt konflikten mellan lång- och kortdistanstrafik.

Förutom de metodologiska bidragen presenterar vi flera praktiska resultat, till exempel visar och utvärderar vi strategier för att förbättra järnvägens robusthet. Redan små ändringar i tidtabellen, som till exempel ändrade avgångstider eller tidstillägg kan ge stora effekter på ett eller fleras tåglägens godhet.