Improving Timetable Robustness and Punctuality of Railway Traffic : A Combined Simulation-Optimization Approach for Nonperiodic Timetabling on Double-Track Lines

• To evaluate the robustness of a timetable against minor delays, it can be simulated. A natural question following a simulation is how the results can be used to improve the timetable, which has received limited attention in the literature. This thesis therefore aims to investigate how the combination of simulation and optimization can be used to improve robustness and punctuality of railway timetables, measures that are of great importance. In the thesis, I propose two-step methods based on first simulating a timetable and then optimizing it. I propose models to predict how delays and punctuality change when adjusting the timetable based on the simulation results. In turn, these models are used in the objective function to determine optimal adjustments for a given timetable. This approach is based on exact optimization distinguishing it from previous methods to create robust timetables using combined simulation and optimization.The proposed methods were evaluated in simulation experiments on the Swedish Southern and Western Main Line, which are two highly utilized lines connecting the Swedish capital Stockholm with Gothenburg and Malmö (second and third largest cities in Sweden). The results indicate that the proposed methods improve punctuality and robustness in simulation at the cost of slightly longer travel times. Compared with two optimization-based methods from the literature and two optimization-based methods based on simple strategies that in principle can be implemented manually, the proposed methods result in either comparable or better robustness and punctuality. Furthermore, the results suggest (1) the methods are effective even if only minor adjustments are allowed; (2) they can be used on problem instances with a large number of trains; and (3) they are robust against under or overestimating the delays in the simulation step.

• För att utvärdera hur robust en tidtabell är mot mindre förseningar kan man simulera den. En naturlig frågeställning därefter är hur resultaten kan användas för att förbättra den, vilket bara till viss del har adresserat i litteraturen. Denna avhandling syftar därför till att undersöka hur kombinationen simulering och optimering kan användas för att skapa robusta och punktliga tidtabeller, mått som är av stor betydelse inom järnvägen. I avhandlingen föreslår jag tvåstegsmetoder baserade på att först simulera en tidtabell för att därefter optimera den. Jag föreslår modeller för att, baserat på simuleringsresultatet, prediktera hur förseningar och punktlighet ändras när man justerar en tidtabell. Dessa modeller används i sin tur i målfunktionen för att bestämma de optimala justeringarna av tidtabellen. Denna ansats är baserad på exakt optimering, vilket skiljer den från tidigare metoder för att skapa robusta tidtabeller med hjälp av simulering och optimering.De föreslagna metoderna har utvärderats i simuleringsexperiment på Södra och Västra stambanan, vilket är två banor med hög kapacitetsanvändning som kopplar samman Stockholm med Göteborg och Malmö. Resultaten tyder på att de föreslagna metoderna förbättrar punktlighet och robusthet i simulering till priset av något längre restider. Jämfört med två optimeringsbaserade metoder och två metoder baserade på enkla strategier som kan implementeras manuellt resulterar de föreslagna metoderna antingen i jämförbar eller bättre robusthet och punktlighet. Resultaten tyder också på att (1) de föreslagna metoderna är effektiva även om endast mindre justeringar tillåts, (2) de kan användas på probleminstanser med många tåg, och (3) de är robusta mot att under- eller överskatta förseningarna i simuleringssteget.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Transportteknik och logistik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Transport Systems and Logistics (hsv//eng)

Nyckelord

Timetabling

Train scheduling

Delay prediction

Punctuality

Railroad

Robustness

Transportsystem

Transport Systems

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)