Framtida infrastruktur och kvalitet i tågföring

1 KTH Järnvägsgrupp 2010-09-10 Bo-Lennart Nelldal Olov Lindfeldt Forskningsprogram för Framtida infrastruktur och kvalitet i tågföring 2010-2013 - Analys av trafikeringsprinciper och dess samverkan med infrastrukturen Bakgrund och syfte Trafikverket gör omfattande investeringar i infrastruktur både genom uppgradering av befintliga banor och byggande av helt nya järnvägar. Vid utformningen av infrastrukturen försöker man så långt möjligt ta hänsyn till befintlig och framtida trafik. Eftersom det är svårare både för Trafikverket och järnvägsföretagen att förutsäga hur den framtida trafikeringen kommer att se ut brukar ofta den nya infrastrukturen anpassas till befintlig trafik eller befintliga trafikeringsplaner. Det innebär att infrastrukturen fungerar bra för denna trafik men att man riskerar att få problem så snart man ändrar tidtabellerna eller börjar använda nya fordon. Som exempel på sådana lösningar är Svealandsbanan som har ett långt mötesspår som klarar flygande möten med dagens tidtabell. Problem kan dock uppstå om man vill ändra tidtabellen, införa nya fordonskoncept eller trafikeringsprinciper. Problem kan också uppstå med befintlig trafik vid förseningar då man lätt kan hamna utanför denna mötesträcka. Signalsystemet är en av de delar i infrastrukturen som påverkar kapacitet och trafikeringsmöjligheter mest. I framtiden kommer det svenska ATC-systemet att bytas mot det internationella ERTMS-systemet. De båda signalsystemen har olika egenskaper som påverkar kapaciteten och trafikeringsmöjligheterna. Därför finns skäl att undersöka dessa skillnader närmare. Utbyggnaden av infrastrukturen och etableringen av nya tågsystem i kombination med avregleringen har medfört att tågtrafiken fått en betydande ökning de senaste 15 åren. Anspråken på kapacitet har därmed blivit större och ofta räcker inte infrastrukturen till för att tillfredställa alla önskemål. Ofta blir också kvaliteten lidande när antalet tåg närmar sig kapacitetsgränsen. Det blir därmed inte bara ett infrastrukturproblem utan också ett operativt problem. Särskilt i storstadsområdena har stora problem uppstått som tar lång tid att åtgärda och kostar mycket pengar om de enbart skall lösas med en utbyggnad av infrastrukturen. Problemet med kapacitetsfördelning av tidtabellslägen blir också större som följd av att olika huvudmän som svarar för olika tågsystem, såväl person- och godstrafik och nya järnvägsföretag

2 gör anspråk på ökad kapacitet. Kapacitetsfördelning och tidtabellsläggning tenderar att ta allt längre tid trots att markandskraven är att de motsatta. En rättvis och snabb fördelning av tåglägen mellan järnvägsföretag och huvudmän blir allt svårare och kan vara svår att kombinera med det samhällsekonomiska synsätt som skall prägla Trafikverkets verksamhet. Sammantaget innebär detta att marknaden och trafiken kommer att ställa nya och föränderliga krav på infrastrukturen och att det kan vara önskvärt att eftersträva en robust infrastruktur för flexibel tågföring och en trafikplanering som medger både hög kapacitet och kvalitet i tågföringen. Syftet med forskningsprogrammet är att analysera olika trafikeringsprinciper och utformning av infrastrukturen för att åstadkomma största möjliga flexibilitet och trafikplaneringsmetoder som ger minsta möjliga störningskänslighet. Metod För att analysera olika trafikeringsprinciper och infrastrukturutformning kan någon form av simuleringsmodell användas. Genom samarbete med Institutet för trafikplanering, järnvägsbyggnad och -drift vid universitetet i Hannover (IVE) har KTH fått tillgång till simuleringsmodellen Railsys. Stora resurser har lagts ner på att utveckla denna modell som används i flera länder i världen. Den är dessutom användarvänlig vilket är en fördel för KTH eftersom vi använder modellen som ett verktyg och inte har ambitionen att själva utveckla modellen. Den möjliggör också att vi får tillstånd ett internationellt samarbete något som vi och våra intressenter tycker är angeläget. När det gäller trafikeringsprinciper har KTH Järnvägsgrupp god kompetens genom att vi både arbetar med effektiva tågsystem för persontransporter och effektiva tågsystem för godstransporter. Kopplingen till marknaden och kundernas värderingar liksom till fordonens utformning och prestanda finns här i vår pågående forskning vilket är avgörande för vilka krav som kan ställas på infrastrukturen. Som exempel kan nämnas att Järnvägsgruppen KTH i projektet Effektiva tågsystem har analyserat framtida trafikeringsprinciper med nya fordonskoncept. Principen är att i stället för få långa persontåg köra många korta tåg där vissa tåg kör direkt och andra stannar på fler ställen. En systemstudie av Effektiva tågsystem för Godstransporter har också genomförts där nya förutsättningar för trafikering och infrastruktur uppstår i godstrafiken t ex genom införandet av Lättkombi, långa godståg och snabbgodståg. Genomförda forskningsprojekt Delprojekt 1: Gemensamma förutsättningar och simuleringsmodell. I det första projektet, som genomfördes 1999-2000, har modellen installerats och en genomgång har gjorts av dess grundläggande egenskaper. När det gäller trafikeringsprinciper och produkter har olika scenarier definierats med utgångspunkt från projekten effektiva tågsystem för person- och godstransporter. Kopplingen till marknaden och kundernas värderingar liksom till fordonens utformning och prestanda finns här i vår pågående forskning vilket är avgörande för vilka krav som kan ställas på infrastrukturen. En databas över nuvarande som framtida fordonskoncept har byggts upp för att användas i de vidare analyserna.

3 Delprojekt 2: Kapacitetsanalys av förbigångar på en dubbelspårsträcka avlutades 2002. Det innefattar en analys av effekten av att införa en förbigångstation och hur det påverkar linjekapaciteten. Olika analyser har gjorts dels av effekten av att införa en förbigångstation generellt, dels med hänsyn till olika fordonsgenerationer och trafiksystem och dels med hänsyn till utformningen av förbigångsstationen. I projektet ingick också en generell diskussion om kapacitetsbegreppet, bl.a. mot bakgrund av Banverkets engagement i UICs kapacitetsanalysgrupp. Delprojekt 3: Kapacitet för person- och godstrafik på enkelspår: Simulering av olika trafikupplägg på Ådals- och Botniabanan mellan Sundsvall och Umeå. Projektet avslutades 2005. Syftet med projektet var att med hjälp av simulering analysera sambanden mellan infrastruktur, fordon och trafik. Metoden har varit att analysera hur nuvarande och framtida person- och godståg genom olika trafikupplägg med varierande turtäthet, hastighet och mötesmönster kan påverka gångtider, kapacitet och förseningar. Simuleringar har därför genomförts i tre steg på ett systematiskt sätt för ett antal fall med enbart persontrafik, enbart godstrafik och kombinerad person- och godstrafik. Syftet var att analysera hur mycket trafik banan tål under olika förutsättningar utan att förseningarna blir för stora som en del i en långsiktig kapacitetsbedömning. Delprojekt 4: Kapacitetsdimensionering av enkelspår - Partiella dubbelspår versus enkelspår med enbart mötesstationer Projektet påbörjades 2005 och avslutades under 2007. Partiella dubbelspår innebär både fördelar och nackdelar jämfört med vanliga mötesstationer. För att realisera fördelarna (kort restid och störningsdämpning) krävs att tidtabellen konstrueras på rätt sätt, medan nackdelarna (högre investeringskostnad och/eller lägre bankapacitet) är oberoende av tidtabellen. Syftet med projektet var att utveckla matematiska kapacitetsmodeller och att jämföra resultaten av matematiska modeller och simulering samt att jämföra kapaciteten för en enhetlig modellbana och en verklig bana. Vidare har funktionen, värdet och potentialen för partiella dubbelspår på enkelspåriga sträckor beskrivits och en jämförelse gjorts mellan en enkelspårig bana med partiella dubbelspår och med enbart vanliga mötesstationer. Med hjälp av resultatet från dessa analyser går det att avgöra hur en nybyggd enkelspårig bana ska utformas eller hur en befintlig enkelspårig bana kan byggas ut för att minska störningskänslighet och gångtid. Delprojekt 5: Analys av kapacitet och störningskänslighet av dubbelspår Dubbelspår har väsentligt högre kapacitet än enkelspår eftersom tågen inte behöver mötas. Problemet är istället blandningen av olika tåg där snabbare tåg hinner ikapp långsammare. Trafikmönstret och förbikörningsmöjligheterna blir begränsande för den teoretiska kapaciteten. Punktligheten har däremot större inverkan på kapaciteten än på enkelspår. Ofta överskattas den praktiska kapaciteten om man inte tar hänsyn till punktligheten vid kapacitetstilldelning och tidtabellplanering. Trafikledningsfunktionen har också betydelse. Detta projekt syftar till att analysera hur infrastruktur, tidtabell och störningar påverkar kapacitet och punktlighet på ett dubbelspår. Detta görs genom en systematisk analys av ett större antal variabler för en typbana genom simulering. Innan en sådan analys kan göras kalibreras simuleringsmodellen mot utfallet av verklig trafik på Västra stambanan under en tidtabellsperiod.

4 Resultatet i delprojektet kan ligga till grund för att bestämma den praktiska kapaciteten som funktion av den teoretiska beroende på störningsnivå samt val av optimalt trafikmönster och utbyggnad av infrastrukturen på längre sikt. Delprojekt 6: Gångtidsberäkningar för Gröna Tåget (2006-2007). I forskningsprojektet Gröna tåget som finansieras av Banverket och Bombardier användes Railsys för att beräkna gångtider för tåg med olika prestanda på ett antal typbanor med olika standard. Det gäller ett antal olika variabler: - Topphastighet - Med och utan överhastighet och korglutning med olika grader - Med olika rälsförhöjningsbrist och spårgeometri - Effekt i KW/ton (acceleration) Simuleringar kommer också att genomföras på Västra stambanan för att analysera kombinationen av olika tåg med olika prestanda. Övriga projekt På uppdrag av UIC och i samarbete med Banverket har också en särskild analys genomförts av UICs kapacitetsmodell 406 genom att beräkna konsumerad kapacitet för ett antal störningsfall på Mälarbanan, delvis med hjälp av Railsys. Projektet Sårbarhet i det svenska järnvägssystemet som drevs av CDU (Centrum för Driftoch underhåll, KTH) har en forskare som också använt Railsys för en del av sina analyser. En översikt över forskningsprogrammet framgår av figuren nedan: Forskningsprogram KTH Simuleringsmodell Implementering av Railsys i Sverige Förbigångar dbsp Trafikstruktur-prestanda Konsumerad kapacitet Botniabanan Trafikstruktur-kapacitet Simulering Enkelspår Mötesstationer-partiella dbsp Analytisk modell Dubbelspår Störningar-Trafikstruktur Simulering Knutpunkter Korsande tågvägar, uppehåll Analytisk modell Enkelspår Planerade eller parerande tågmöten Överbelastad infra Kapacitet m h t punktlighet Simulering och statistisk Tidtabellsläggning med simulering Utvecklingsprojekt Utbildning Tågtrafikplanering-Simulering Kompetens- Uppbyggnad KTH-BV-Branschen Uppdrag Kapacitetsanalys, Simulering

5 Uppdragsverksamhet Järnvägsgruppen KTH har också uppdragsverksamhet i kapacitetsanalyser och simulering. En stor studie har genomförts av det framtida behovet av kapacitet vid Stockholm C år 2015-2030 åt Banverkets Östra Region. Detta projekt har fått en uppföljning i en analys av Stockholms Central 2050 Prognoser över efterfrågan och kapacitetsbehov. Ett omfattande arbete har genomförts med simulering av olika infrastruktur- och trafikeringsalternativ för Ostlänken, en ny bana mellan Stockholm-Södertälje-Nyköping- Norrköping-Linköping. Ett uppdrag med att simulera trafiken på Nynäsbanan med olika utbyggnadsalternativ av infrastrukturen har också genomförts. Järnvägsgruppen KTH har på uppdrag av Banverkets östra analyserat det framtida kapacitetstutnyttjandet på Västra stambanan Stockholm-Järna. Vidare har Järnvägsruppen simulerat olika utbyggnadsalternativ på Svealandsbanan i samarbete med Railize. Railsys Banverkets nya simuleringsverktyg KTH underleverantör Banverket har upphandlat nytt simuleringssystem för sin framtida verksamhet och valt Railsys. Det innebär att Järnvägsgruppen har tillgång till det verktyg som kommer att användas mest i Sverige och att resultaten av forskningen kommer att bli mer jämförbara. Järnvägsgruppen är underleverantör av Railsys i Sverige och erbjuder utbildning och support för simulering med Railsys i Sverige. Användargrupp för Railsys En användargrupp har bildas för att utbyta erfarenheter och sprida kunskap om simulering. I denna kommer även metodfrågor att diskuteras. Avsikten är att KTH Järnvägsgrupp skall fortsätta att bygga upp kompetens om hur simuleringsverktyget bäst utnyttjas i Sverige t.ex. när det gäller: - Infrastruktur - Fordonsmodeller - Förseningsmodellering - Utvärdering av resultat Seminarier KTH Järnvägsgrupp ordnar seminarier i kapacitetsfrågor. Ett exempel är det svensk-norska seminariet som genomfördes i under två dagar i Stockholm och Oslo hösten 2008. Ett liknande seminarium planeras under 2010 eller 2011. Utbildning och examensarbeten Vid avdelningen för Trafik och logistik bedrivs utbildning i tågtrafikplanering med en grundkurs (AH 2026) och en fortsättningskurs (AH 2028) på vardera 7,5 hp. I dessa ingår simulering och kapacitet som olika moment. Dessutom finns en fortsättningskurs speciellt inriktad mot tågtrafiksimulering. En forskarkurs i kapacitetsanalys har också hållits.

6 Ett antal examensarbeten har också genomförts: 1. Tidtabellsplanering, rättidighet och operativ trafikledning på Svealandsbanan (2001). Behandlar problemet med att få en planerad tidtabell att stämma med verkligheten samt hur rättidigheten kan förbättras i framtiden. Olov Lindfeldt. 2. Bangårdskapaciteten på Göteborgs Central (2001). Analys av dagens och framtid trafik med nuvarande och framtida infrastruktur. Behandlar problemet med kapaciteten på stora stationer i dag och i framtiden. Railsys är nämligen särskilt väl lämpat för analyser av stora komplexa stationer och kompletterar i detta avseende det svenska programmet SIMON. Dan Berglund. 3. Kapacitetsanalys av alternativt trafikupplägg och utbyggnad av Mälarbanan (2003). Behandlar dels hur kapaciteten kan ökas med nya trafikupplägg dels med olika utbyggnader av infrastrukturen med partiellt eller fullständigt fyrspår. Torleif Jansson. 4. Simulering av framtida tågtrafikupplägg mellan Stockholm och Uppsala (2004). Behandlar olika nya trafikupplägg mellan Stockholm och Uppsala bl.a. Upplandspendeln och Uppsala Express för år 2006 och 2015. Johannes Wolfmaier. 5. Kapacitetsanalys av tågtrafik i Stockholmsregionen. Fallstudie med beräkningsmetod. (2004). Analyserar kapaciteten för järnvägslinjer och knutar med hjälp av maxplusalgebra. 6. Förbigångar i höga hastigheter på Götalandsbanan mellan Göteborg och Borås (2005). Behandlar olika trafikupplägg med fjärrtåg och regionaltåg på en framtida Götalandsbana för höghastighetståg med sth 320 km/h med olika infrastruktur och trafikupplägg. Markus Gunnervall. 7. Hantering av störd tågtrafik hos SJ AB. (2005). Analyserar hur SJ AB hanterar sin störda tågtrafik. Resenärer intervjuvas om hur de uppfattar förseningar och åtgärder för att kompenseras för dessa. Trafikkontorets arbetssätt och funktion analyseras. Otto Johannesson. 8. Analys av åtgärder för ökad punktlighet vid avgång söderut från Stockholms Central. (2005) Uppehåll och avgångsprocedur för tåg söderut från Stockholm C analyseras i detalj. Atef Nashed. 9. Effekter av signalsystemet ERTMS (2007). En jämförelse av kapaciteten med nuvarande signalsystem ATC och det nya europeiska signalsystemet ERTMS, både med analytiska modeller och simulering. Behandlar olika typer av infrastruktur och trafik. Andrea Mattalia. 10. Better punctuality between Södertälje and Katrineholm a simulation approach (2007). Behandlar olika trafikupplägg med lokaltåg och regionaltåg med uppehåll i Gnesta i kombination med snabbtåg och godståg. Michel Anayi and Nilesh Anand. 11. Omloppsplanering för tågtrafik exemplet från Ostlänken/Götalandsbanan (2007). Innehåller en genomgång av metoder för omloppsplanering och en tillämpning av DISPO, ett analysverktyg kopplat till Railsys. Fordonsbehovet beroende på infrastrukturen på alla linjer som berör tre olika utbyggnadsalternativ analyseras: Dagens infrastruktur, med Ostlänken och med Götalandsbanan. Jennifer Warg.

7 12. Evaluation of route alternatives for a new railway line to Norrtälje/Kapellskär from a passenger traffic perspective. (2008) Laura Moreno Del Campo. 13. Evaluation of route alternatives for a new railway line to Kapellskär from a freight perspective. (2008) Jesús Moreno Bautista-Abad. 14. Evaluation of Punctuality for Different Train Traffic Intensities on High Speed Lines with Simulation. (2010) Trafik på Ostlänken analyseras med hjälp av simulering. Olika tidtabeller och nivåer på störningar används. I en kvalitativ diskussion jämförs Ostlänken med den franska höghastighetslänken Bordeaux Toulouse.

8 Fortsättningsprojekt Nedan beskrivs pågående men ej avslutade projekt. Delprojekt 7 Överbelastad infrastruktur var går gränsen? Bakgrund Kapaciteten i storstadsområdena är ofta hårt utnyttjad, särskilt i högtrafik. Systemet blir då mycket känsligt och minsta störning kan få stora konsekvenser för många tåg som sprider sig över stora delar av Sverige. Det tar lång tid och kostar mycket pengar att bygga ut kapaciteten. Det blir ofta en konflikt mellan att släppa in nya tåg för att tillgodose en ökad efterfrågan och på att upprätthålla kvaliteten för de befintliga tågen. Möjlighet finns för Banverket att förklara infrastrukturen för överbelastad. Men var gränsen för överbelastad infrastruktur går, och vilken tidsperiod som den bör innefatta, vilket geografiskt område, vilka marginaler som krävs etc. är inte definierat. Problemet är att det inte finns någon absolut gräns utan att det alltid är en avvägning mellan kvantitet i antal tåg och kvalitet i förseningsrisker. De påverkas dessutom av förekomsten av fordonsfel, operativa problem såsom personalbrist och vädret. Syftet med projektet är att analysera olika tidtabellstrukturer där antalet tåg, fördelningen av avgångstider och förseningsfördelningar varieras. På detta sätt är det möjligt att kartlägga var gränsen går för en robust tidtabell med olika förutsättningar. Syfte Syftet med projektet är att analysera olika hur olika tidtabellstrukturer inverkar på punktlighet och kapacitet. Variabler är antalet tåg, förseningsfördelningar uppehålstider, tågprestanda mm. På detta sätt är det möjligt att kartlägga var gränsen går för en robust tidtabell med olika förutsättningar. Metod Först görs en djuparare analys av de databaser som skapats i konsultprojektet "Kapacitetsanalys av järnvägsnätet i Sverige". Databaserna innehåller data om infrastruktur, trafikering och förseningar. Målet är att utifrån dessa data kunna etablera samband som förklarar förseningssituationen. Analysen görs för linjer med enkelspår och dubbelspår med olika typer av trafik. Nästa steg består i att utveckla en metod som möjliggör simulering av ett stort antal tidtabeller, typiskt. Då flera tidtabeller effektivt kan simuleras samtidigt kan ett flertal parametrars inverkan på tågföringens kvalité analyseras. Exempel på parametrar som kan studeras är: Antal tåg/h Tidtabellens heterogenitet med avseende på tågens hastighet Störningsnivåer Marginaler i tidtabellen Val av stationsvägar

9 Uppehållstider Stationsavstånd Metoden utvecklas och appliceras först på en modellbana för att verifiera att den fungerar. Därefter analyseras en verklig bana vilket möjliggör att resultaten kan valideras mot verkliga data. Förväntat resultat och dess användbarhet Målet är att klargöra hur olika parametrar påverkar punktlighet och kapacitet på linjen och i stora knytpunkter. Resultaten skall t.ex. kunna användas för att beräkna hur många tåglägen man kan tillåta utan att punktligheten sjunker under en viss gräns, givet en viss typ av införseningar. Avsikten är att också kunna skapa enkla och användbara riktlinjer för trafikplanering.

10 Delprojekt 8 Tidtabellsläggning med hjälp av simulering ett samarbetsprojekt mellan KTH, Trafikverket och SJ Bakgrund Det är i dag svårt att att konstruera tidtabeller som man vet att de håller eftersom det inte finns några möjligheter att utvärdera dem i förväg. Man arbetar mer med detaljer än strukturer i tidtabellerna och det är därför svårt att överblicka komplexa tidtabeller med olika produkter. Det kan också vara svårt att fördela tidtabellslägen mellan järnvägsföretag. Det tar för lång tid att göra tidtabeller. I en alltmer avreglerad situation måste tidtabellsplaneringen snabbas upp samtidigt som rättvisekraven blir större. Syfte Detta projekt syftar till att förbättra tidtabellsplaneringen genom att använda tidtabellsläggning med hjälp av simulering. Syftet är att på sikt kunna snabba upp planeringsprocessen och öka kvaliteten i tidtabellerna genom att i förväg kunna simulera effekterna av olika tidtabellslägen. Arbetet med tidtabellsanalyserna handlar primärt om att identifiera tidtabellsupplägg som ger bättre punktlighet för X2000-trafiken. Syftet är bl.a. att hitta samband mellan tidstillägg och tidsavstånd mellan tågen och förseningar. Genom att systematiskt testa olika fall kan generella samband tas fram, som sedan kan användas i tidtabellsplaneringen. Metod I första hand används simulering med simuleringsverktyget Railsys för tidtabellskonstruktion och simulering. Även analytiska modeller används för att studera olika tidtabellstrukturer. Matematiska och statistiska modeller används för att bearbeta förseningsstatistik och utvärdering av resultat. Avgränsning Projektet bedrivs till att börja med på Västra stambanan mellan Stockholm och Göteborg. Därefter studeras södra stambanan mellan Stockholm och Malmö och slutligen Ostkustbanan mellan Stockholm och Malmö. Västra och södra stambanan är dubbelspåriga med en gemensam sträcka Stockholm-Katrineholm. Ostkustbanan omfattar trafik på både dubbelspår och enkelspår. Tåg på pendeltågspåren mellan Stockholms södra och Järna behandlas inte fullständigt. Vissa förenklingar kan behöva göras av stora stationer när linjekapaciteten ska studeras. Genomförande En forskare, planerare på SJ och planerare på Trafikverket arbetar parallellt med tidtabellskonstruktion och simulering. Tanken är att planerare vid Trafikverket och Järnvägsföretaget arbetar med planeringen och att KTH kan diskutera olika upplägg med planerarna inför simulering, och att planerarna vid behov får tillgång till de konstruerade tidtabellerna i Railsys. Syftet är att förbättra kvaliteten i tidtabellerna och på lång sikt snabba upp processen. Infrastrukturmodeller som används i simuleringarna skall vara av hög kvalitet. Speciell hänsyn tas till trafikering av större stationer och signalsystemets funktion. Särskilt analyseras hur t.ex.

11 tidstillägg och prioriteringar påverkar simulerad trafik med störningar. Befintliga störningsdata över körd trafik och härifrån sammanställda störningsfördelningar används i simuleringarna. Kalibrering av simuleringsmodellerna skall ske för respektive bana. När tidtabellen genomförs är det viktigt att följa upp trafiken och förseningarna för att kontrollera om resultatet blev detsamma som hade simulerats. Här kan det också vara intressant att följa upp konflikthanteringen på tågtrafikledningen. Viktigt är också att hålla reda på omvärldsfaktorer som kan påverka punktligheten såsom fordonsfel, operatörsfel, infrastrukturfel etc för att bedöma tidtabellens betydelse jämfört med andra faktorer. Resultatet för varje bana publiceras i en rapport på svenska. Projektet är ett doktorandprojekt där forskaren på KTH skriver papers som ingår i doktorandexamen. Projekt- och tidplan: 1. Västra stambanan Stockholm-Göteborg under 2009. - Inläggning och kalibrering av tidtabell T09 - Samband mellan tidstillägg, tidsavstånd mellan tågen och förseningar - Analys av nya fordonstyper och tidtabellsstrukturer 2. Södra stambanan Stockholm-Malmö under 2010 - Inläggning och kalibreringar mot tidtabell T10 - Samband mellan linjelängd och förseningar - Effekter av ökad belastning med snabbtåg, InteCity-tåg, Regionaltåg och godståg 3. Ostkustbanan Stockholm-Sundsvall-Umeå 2011 - Inläggning och kalibrering av tidtabell T11 - Planerade eller parerande möten på enkelspår. Jämförelse mellan tidtabellsplanering och operativ trafikledning Resultatets användbarhet Resultatet förväntas bli ökad kunskap om hur simulering kan utnyttjas i tidtabellsplaneringen både på en linje och i större områden med komplexa tågrörelser och vad som krävs för att ett sådant system skall kunna fungera. Projektet väntas också tillföra ökad kunskap om förseningsfördelningar, gångtidsberäkningar och tidtabellskonstruktion.

12 Idéprojekt Nedan beskrivs ett antal projekt som kan betraktas som idéprojekt, en del som en fortsättning på tidigare forskning och några nya. Delprojekt 9 Kapacitetsdimensionering och trafikering av stora knutpunkter och stora stationer Detta delprojekt behandlar kapacitetsdimensionering av stora knutpunkter och stationer. Med knutpunkt avses en punkt på linjen där flera spår eller banor går samman utan uppehåll för resande- eller godsutbyte. Syftet är att tågen skall passera knutpunkten utan att stanna. En stor station fungerar ofta också som knutpunkt d v s en punkt där flera linjer eller tågsystem går samman. Huvudsyftet med en station är utbyte av resande eller gods och därför måste tågen stanna, vilket i sig kräver kapacitet. Hur många tåg som ska vara där samtidigt och dess uppehållstider ställer krav på kapaciteten. Syftet är att: Beskriva och analysera tågflödena på stora knutpunkter och stationer. Viktiga parametrar är kapacitet, störningskänslighet och gångtid. Öka kunskapen om betydelsen av samtidiga rörelser och oberoende tågflöden på stora stationer. Ta fram analytiska metoder och simuleringsmetoder för att beräkna kapaciteten på stora stationer. Resultatet av detta projekt ska kunna utnyttjas då befintliga knutpunkter och stationer byggs om eller då nya skapas, samt för att kunna bestämma den maximala kapaciteten beroende på störningsnivå. Projektet delas upp i två delprojekt: Kapacitetsdimensionering och trafikering i knutpunkter och Kapacitetsdimensionering och trafikering av stora stationer. Förslag till projektbeskrivningar framgår av nedan. Kapacitetsdimensionering och trafikering i knutpunkter Detta projekt behandlar kapacitetsdimensionering av knutpunkter. Just knutpunkter, där fler järnvägslinjer löper samman, är ofta begränsande för järnvägssystemets kapacitet. I det här projektet analyseras två vanliga typer av knutpunkter: Obalanserade Balanserade I obalanserade knutpunkter är den sammanlagda linjekapaciteten olika stor på olika sidor. Viktiga exempel är stationer där ett enkelspår ansluter till ett dubbelspår eller stationer där ett dubbelspår delas i två. Denna typ av knutpunkter är ofta flaskhalsar i järnvägssystemet.

13 I balanserade knutpunkter är linjekapaciteten densamma på båda sidorna. Sådana knutpunkter kan, i teorin, utformas så att de inte blir begränsande på samma sätt som de obalanserade. En viktig avgränsning är att de studerade knutpunkterna endast trafikeras av genomfartståg. Uppehåll, och därmed förekommande primära störningar, studeras därför inte. Syftet med projektet är att visa hur de båda typerna fungerar trafikmässigt. Viktiga variabler är: Knutpunktens utformning, t ex förekomst av magasinspår, planskildhet etc. Tidtabellsstrukturen, t ex graden av homogenitet, kapacitetsutnyttjande etc. Störningar, d v s ankommande tågs förseningar. Projektet genomförs i två steg: 1. Orientering 2. Analys I orienteringsfasen undersöks den faktiska tågdriften i några befintliga knutpunkter. Förseningsdata från TFÖR, och eventuellt även detaljerade ställverksloggar, kombineras med en kartläggning av trafikledares erfarenheter för att ge en djupare förståelse inför analysfasen. För analysen utnyttjas matematisk/statistisk modellering och/eller simulering för att undersöka hur variablerna utformning, tidtabell och störningar påverkar knutpunktens egenskaper. En viktig beroendevariabel är troligen de sekundära förseningar som skapas i knutpunkten. Kapacitetsdimensionering och trafikering av stora stationer Detta projekt behandlar kapacitetsdimensionering av stora stationer. Med stora stationer avses stationer med minst tre inkommande linjer, heterogen trafik, flera plattformsspår och förekomst av primärförseningar i samband med uppehåll. De stora stationerna återfinns i stora städer. I takt med att trafiken ökar utvecklas ofta de stora stationerna till flaskhalsar i järnvägssystemet, eftersom de är svåra och dyra att bygga ut. Stora stationer, med genomgående trafik, kan delas upp i tre delar: In-/utfartsregion i ena änden Plattformsspår In-/utfartsspår i andra änden Plattformsspåren är ofta stationens kärna. Ankomstförseningar i kombination med varierande uppehållstider, och andra typer av primärförseningar i samband med uppehåll, gör plattformsspåren särskilt viktiga. Beroende på omgivande linjer, tidtabell, plattformsspårens utnyttjande och störningar blir även in-/utfartsregionerna viktiga för stationens funktion. Projektet har två huvudsyften: Kartlägga egenskaperna hos olika utformningar av plattformsspåren, t ex delade spår, antal spår i bredd, genomfartsspår utan plattform etc. Kartlägga värdet och behovet av samtidiga rörelser i in-/utfartsregionerna.

14 Viktiga variabler som påverkar dessa egenskaper är: Trafikintensiteten Trafikens homogenitet Ankomstförseningar Uppehållsförseningar Förekomst av vändande tåg Genom att variera dessa kan egenskaperna hos olika infrastrukturlösningar analyseras. Arbetet kan inledas med en inventeringsdel där problemen studeras i verkligheten. I denna del kartläggs egenskaperna hos en stor station, förslagsvis Stockholm C, med hjälp av ställverksloggar och kontakter med trafikledare. En sådan inventering ger en djupare förståelse för problemet och underlättar analysarbetet. Analysen genomförs med matematisk/statistisk modellering och/eller simulering. I detta arbete krävs ytterligare avgränsningar. Bland annat bör man ta ställning till om fokus ska ligga på genomgångsstationer, säckstationer eller kombinerade stationer. Dessutom bör avgränsande antaganden göras om anslutande linjer, trafikering mm. En viktig beroendevariabel att utvärdera är de sekundära förseningar som skapas på stationen.

Delprojekt 10 Infrastruktur och trafik på enkelspår planerade eller parerande möten? Detta är en fortsättning av delprojekt 3 och 4 där kunskapen från de genomförda projekten utnyttjas för att även analysera olika mötesstrategier och infrastrukturutbyggnader på enkelspår. Vanligtvis planeras trafiken på enkelspår med utgångspunkt från att tågen är i tid och att de skall mötas på en i förhand vald station. I praktiken är tågen ofta försenade (godstågen kan också vara för tidiga) och mötena måste då omplaneras. En alternativ strategi vore att inte ha förplanerade möten utan i stället ha en flexibel infrastruktur som medger att mötena pareras vartefter de uppstår. En viktig fråga är om detta skulle medge ett högre kapacitetsutnyttjande och om kvaliteten skulle kunna upprätthållas på en tillräckligt hög nivå. Det vanliga på enkelspåriga linjer med blandad person- och godstrafik är att mötesstationerna dimensioneras för godstågen d.v.s. att de är 650-750 m långa. Ett alternativ är att ha ganska många korta mötesplatser (ca 200 m) där persontågen kan gå in och släppa förbi godstågen och där persontågen också kan möta varandra. Persontågen består i allt större utsträckning av motorvagnståg normalt med 3 vagnar och kanske högst 6 vagnar. På några strategiska platser måste också godståg kunna möta varandra och persontåg förbigå godståg och varandra. Då krävs stationer som är minst 750 m långa. Ytterligare ett steg är att köra dubbelt så långa godståg, 1500 m, vilket innebär att det bara blir hälften så många tåg och man minskar därmed möteskonflikterna radikalt. En möjlighet är här att liksom i det förra alternativet ha många små mötesplaster där persontågen kan gå in och ett litet antal långa mötesspår på minst 1500 m som med samtidig infart också kan användas för smidiga möten mellan persontåg. I analogi med den utformning av förbigångspår som diskuteras i projekt 1 så kan ett persontåg huvudsakligen bromsa in på mötesspåret om det förses med en växel för höga hastigheter (160 km/h). Dessa mötesplatser bör helst ligga på stationer som också har resandeutbyte och/eller terminaler för godsutbyte. Genom att utnyttja tidigare definierade och simulerade trafikeringsscenarier kan robustheten i en given infrastrukturlösning testas genom simulering. En beräkning av kapacitetsutnyttjandet kan också göras med en matematisk modell. Kvaliteten i tågföringen måste sedan också ställas mot kostnaden för att bygga och underhålla infrastrukturen. Det kan också vara intressant att väga in möjligheten att successivt bygga ut infrastrukturen vilket kan innebära att man väljer en viss miniminivå från början och sedan har en planberedskap så att man successivt kan bygga ut t.ex. mötesplatser vid behov. Detta projekt kommer delvis att genomföras inom ramen för delprojekt 8 Tidtabellsplanering med hjälp av simulering som behandlar Ostkustbanan mellan Stockholm och Umeå. 15

16 Delprojekt 11 Modell för avvägning mellan kostnad och nytta för kapacitetsinvesteringar KTH Järnvägsgrupp vid avdelningen för Trafik och logistik har utvecklat flera modeller för att analysera effekten av olika infrastrukturinvesteringar. Några exempel är: Analytisk modell för beräkning av mötestider på enkelspår: SAMFOST. Kombinatorisk modell för beräkning av kapacitet för blandad trafik på dubbelspår: TVEM. Simulering och simuleringsexperiment. Dessutom har kombinatoriska modeller använts för att belysa behovet av plattformspår och risken för förseningar vid korsande tågvägar på stationer och i knutpunkter. Med denna typ av modeller kan tidtabellens betydelse för kapacitetsbehovet analyseras. Modellerna för kapacitet och trafikering kan kompletteras med kostnader för att bygga infrastruktur å ena sidan och nyttan för resenärer, transportkunder och järnvägsföretag av att genomföra olika åtgärder å den andra. På så sätt är det möjligt att beräkna den samhällsekonomiska nyttan och kunna välja mellan olika åtgärder. Det kan t.ex. gälla att antingen bygga fler mötesstationer eller att bygga ut ett partiellt dubbelspår. För investeringskostnaden gäller det att ta fram de relevanta kostnadskomponenter genom systematisk bearbetning av data över olika banprojekt. Det har visat sig svårt att på ett enkelt sätt få fram dessa uppgifter. Till exempel skulle det vara möjligt att få dessa genom att bygga nerifrån och upp med utgångspunkt från komponentkostnaderna. När det gäller nyttosidan så har den en stark koppling till forskningen av värderingar som bedrivits inom KTH när det t.ex. gäller värdet av restid, turtäthet och förseningar. Härtill kommer den koppling som finns till de företagsekonomiska kostnaderna genom de kostnadsmodeller som t.ex. utvecklats inom Gröna tåget och Godstransportmodellerna. Även en koppling till prognosmodellerna som utvecklats med Samvips-metoden är möjlig. Det synes således vara en god grund för ett tvärvetenskapligt projekt där den kunskap som byggts upp kan vidareutvecklas på ett effektivt sätt. Forskningen förväntas ge viktiga samband för järnvägens samhällsekonomiska effekter och samband mellan investeringar och effekter. Dessa kan sedan användas för att dels identifiera lämpliga investeringar i järnvägen, dels effektivisera planeringen av sådana investeringar.

17 Delprojekt 12 Metoder för att modellera störningar i samband med simulering Simulering är en kraftfull metod för att analysera flera olika typer av system. Inom tågtrafik kan bland annat förändrade förutsättningar vad gäller tidtabeller, fordonsprestanda, infrastrukturutbyggnader m.m. studeras. För detta krävs dock noggranna förberedelser i form av definierad infrastruktur (t.ex. spår, stationer, signalering) samt realistiska störningar för att modellera uppkomsten av förseningar. Användningen av befintlig tågpassagedata kan sannolikt förbättra förståelsen och bidra till metoder för att i framtiden både snabbare och enklare skapa indata till simuleringar av tågtrafik. En nyckel för att kunna simulera och samtidigt efterlikna verkliga förhållanden är att konstruera de fördefinierade störningar som i sin tur triggar fler störningar. Enkelt beskrivet behöver tågen dels störas vid inträdet i det simulerade området, dels när tågen befinner sig i området. De fördefinierade störningar som inträffar inom området ska idealt beskriva försenande händelser, som inte beror av andra tåg, så kallade primära förseningar. De sekundära följdstörningarna skapas i simuleringarna. Någon generell metod för att sammanställa primära störningar till en simulering finns inte. Ett möjligt sätt är att analysera registrerad förseningsdata från verklig trafik och utifrån dessa bestämma lämplig störningsindata. I det här projektet utvecklas metoder för att använda registrerad förseningsdata för att ta fram de primära störningar som behövs för en simulering. En nackdel med dagens orsakskodade förseningsdata är att dessa endast finns ned till en viss undre förseningsnivå, för närvarande fem minuter. Därmed är det svårt att skilja ut de primära förseningarna som behövs som indata i simuleringarna. Tidigare studier har visat att de små störningarna, som inte leder till en orsaksregistrering, är viktiga i simuleringsstudier. Det kan t.ex. handla om måttligt försämrade förutsättningar att hålla tidtabellen, såsom variationer i fordonsprestanda och förarbeteende, halt spår, och infrastrukturfel. Svårigheten ligger i att göra realistiska uppskattningar för dessa mindre, men vanligt förekommande, förseningar. I projektet studeras också olika sätt att modellera fordonsomlopp i simuleringsstudier. En liknande situation som också studeras närmare är anslutningar mellan tåg. I ett stort nätverk kan det vara praktiskt svårt att hantera alla anslutningar, däremot kan det vara intressant om ett mindre nätverk simuleras. Projektet kommer också att behandla andra viktiga simuleringsaspekter. En sådan är möjligheten att modellera tåg som framförs före sin tidtabell. Detta är särskilt vanligt för godståg, där andelen tidiga tåg ibland är densamma som andelen försenade tåg.

18 Delprojekt 13 Samband mellan förseningar och samhällsekonomiska kostnader Vid kapacitetsutredningar är simulering ett användbart verktyg. Vid sådana simuleringsstudier finns det flera mått som brukar användas på hur väl trafik och infrastruktur fungerar, som till exempel punktlighet, medelförsening och återställningsförmåga. I många fall skall dessa resultat i ett senare skede räknas om till pengar i form av samhällsnytta som vägs mot kostnader för eventuella åtgärder. Problemet är att dessa kalkyler lätt blir trubbiga om de är baserade på hårt aggregerade mått som punktlighet och medelförsening. Om målet med utredningen ändras till att presentera en kostnad istället för t.ex. en punktlighet, kan kostnadskalkylen göras noggrannare. Genom att använda utdata från simuleringen som inte är aggregerad finns möjligheter att ta hänsyn till flera parametrar när kostnaden beräknas: Vikta förseningar hos olika tågtyper med avseende på t.ex. antal passagerare, typ av passagerare och typ av gods. Använda olika vikter för förseningar under olika tidpunkter på dygnet, t.ex. morgonrusning, eftermiddagsrusning, lågtrafik. Använda icke-linjär viktning av förseningar med avseende på tid. Kostnad för brutna anslutningar. Olika kostnader för medelförsening och spridning. För att detta skall vara möjligt krävs forskning som utreder de olika kostnadssambanden och en noggrann analys av frekvensen och följderna av de förekommande förseningstyperna. Med dessa samband kartlagda kan flera frågor besvaras, däribland: Vilka strategier skall man ha för att minimera kostnaden p.g.a. förseningar? Hålla eller bryta anslutningar? Är det de få stora förseningarna eller de många små som kostar mest? Vilken typ av primära förseningar kostar mest, inklusive kostnader till följd av uppkomna sekundära förseningar? Med dessa frågor besvarade kan en bedömning göras om vilken typ av förseningar som ger mest att åtgärda. Detta i sin tur kan användas för att prioritera den typ av investeringar som ger störst samhällsekonomisk nytta.

Delprojekt 14 Tilldelning av tåglägen på samhällsekonomisk grund Järnvägen är nu helt avreglerad i Sverige. Detta innebär att vem som helst kan ansöka om kapacitet och tåglägen. Trafikverkets uppgift är att sammanställa och jämka inkomna ansökningar till en körbar tidtabell. Denna avvägning mellan olika intressen måste göras efter lämpliga kriterier. Ett sätt att göra detta är att använda samhällsekonomiska urvalskriterier. Sådana bedömningar kräver beräkningar och skattningar av såväl nyttor som kostnader. Dessutom krävs kraftfulla modeller och metoder för kapacitetsanalys för att konstruera en fungerande tidtabell. Tidigare forskning på KTH har inriktat sig på såväl nyttor och kostnader som kapacitets- och trafikanalys. Tanken med det här projektet är att föra samman dessa resultat och utveckla en metod för tilldelning av tåglägen. Kunskaper om värdering av restid, förseningstid och turtäthet kommer här att kombineras med kostnadsmodeller och modeller för tågtrafik och kapacitet. Projektet kommer inledningsvis att fokusera på ett viktigt stråk i Sverige, kanske Västra stambanan. På denna bana kommer tänkta ansökningar om tåglägen att behandlas systematiskt där tågens inbördes lägen skiftas och anpassas successivt för att öka och maximera tidtabellens samhällsekonomiska nytta. En analytisk optimeringsmodell som justerar kapacitetsanvändningen kommer att kombineras med simuleringar som ger ett mått på tidtabellsförslagens störningskänslighet och de förseningar som uppstår. På detta sätt kan vi uppskatta såväl nyttor i form av restider, turtätheter och företagsekonomiska vinster, som kostnader för tåg som inte får plats eller måste köras i mindre fördelaktiga lägen samt de störningar som uppstår då trafiken körs efter en viss tidtabell. En spinn-off effekt av projektet är att det genererar ökad kunskap om trafikeringsmöjligheterna som finns hos järnvägen. Ytterligare utveckling av metoden skulle också kunna ge viktig kunskap om hur järnvägen bör anpassas för att ytterligare öka dess samhällsekonomiska nytta och bidrag. 19

Delprojekt 15 En analys av hur ERTMS utnyttjas för att förbättra kapaciteten Det finns en lång erfarenhet om hur dagens ATC system inverkar på kapaciteten och hur det kan optimeras för att få ut maximal kapacitet under olika omständigheter. Med införandet av det nya signalsystemet ERTMS ändras dock förutsättningarna. Erfarenheten om hur ERTMS kan optimeras med avseende på kapacitet är begränsad. Eftersom ERTMS är ett internationellt samarbete är möjligheterna till att anpassa systemet efter svenska förhållanden begränsade. Dock finns nationella parametrar som varje land kan bestämma över. Flera utredningar visar att det inte är någon större skillnad i kapacitet mellan dagens ATC och ERTMS level 2. Det är därför viktigt att utreda vad som kan göras för att öka kapaciteten i ERTMS. Detta kan göras genom att först kartlägga vilka parametrar i systemet som kan justeras, utreda deras effekt på kapaciteten och sedan föreslå åtgärder. Invigningen av Botniabanan gör det möjligt att i detalj studera hur ERTMS level 2 uppför sig i verklig drift för att finna flaskhalsar mm. Systemets funktion kan jämföras med ATC för olika situationer för att kartlägga under vilka förutsättningar de båda systemen presterar olika. Informationen kan användas för att avgöra var uppgradering till ERTMS ger störst nytta. I detta projekt kartläggs signalsystemet i sig. Dessutom undersöks hur indirekta faktorer samverkar med signalsystemet och påverkar kapaciteten. Exempel på sådana faktorer är egenskaper hos fordon och infrastruktur: Vilka skillnader finns det mellan de krav som ATC och ERTMS ställer på fordonen och banan, och hur påverkar detta kapaciteten? Har kortare bromsansättningstider större inverkan på kapaciteten än höga bromstal i ERTMS? Ökar vikten av korta växelomläggningstider med ERTMS level 3? Detta är viktigt att veta så att infrastruktur och fordon kan fås att fungera så optimalt som möjligt med det nya signalsystemet utifrån ett kapacitetsperspektiv. 20