SIMULERING AV TOGTRAFIKK VED PRODUKSJONSENDRING

Abstract

Denne rapporten er en del av arbeidet med masteroppgaven “Simulering av togtrafikk vedproduksjonsendring” ved Institutt for produksjons- og kvalitetsteknikk, NTNU våren 2011.Arbeidet er gjennomført i samarbeid med NTNU, NSB og SINTEF.

I august 2011 åpnes det nye dobbeltsporet mellom Lysaker og Sandvika og fra begynnelsen av 2012 vil NSB ta i bruk sine nye tog av typen FLIRT. Begge disse faktorene gjør det nødvendig for NSB å endre togproduksjonen for å kunne ta ut reisetid- og kapasitetsgevinster. Faktorene danner, sammen med ønsket om å implementere simulering som en integrert del av planleggingsprosessen, bakgrunnen for denne oppgaven. Denne masteroppgaven tar for seg implementeringen av simulering i planleggingsprosessen på et taktisk nivå. I tillegg tas simulering i bruk for å evaluere konsekvensene av planlagte endringer i togproduksjonen. Videre presenteres alternative forslag for å oppnå vellykket togproduksjon.

Jernbaneverket hevder at det nye dobbeltsporet mellom Lysaker og Sandvika vil føre til at trafikkavviklingen blir mer robust og stabil, og at punktligheten bedres. Simuleringsresultatetstøtter ikke opp om Jernbaneverkets påstand. Punktligheten, definert av NSB som alle tog som ankommer endestasjon med forsinkelse mindre enn 240 sekunder, vil synke med 0,8prosentpoeng, målt ved modellens grensestasjoner. I tillegg vil trafikkavviklingen bli mindre robust som følge av ny ruteplan. En viktig årsak til forverringen av togframføringen er atkjøretiden for enkelte tog er for kort mellom Lysaker og Sandvika i neste års ruteplanforslag. En justering av kjøretiden vil føre til en reduksjon av totalt antall forsinkelsestimer og gimindre forsinkelser ved mellomliggende stasjoner. Ruteplanens robusthet vil dessuten øke.

Det er gjennomført et litteraturstudie i bruken av simulering i jernbane, med fokus på robusthetsvurderinger. Jernbanedrift er et tett integrert og komplekst system som egner seg godt til simulering. Et fellestrekk for simuleringsarbeid for jernbanen er at det brukes til robusthetsvurderinger av fremtidig togproduksjon, spesielt ved ny ruteplan. Simulering av jernbanedrift gir planleggere en unik mulighet til å forutse kvaliteten og punktligheten på fremtidig drift. I tillegg gir simulering informasjon om flaskehalser i infrastrukturen, årsaker til forsinkelse, og stabiliteten til ruteplanen. Likevel må man være på passelig ved bruk av simulering. En av de største ulempene er at man må gjøre forenklinger og antakelser, noe som kan føre til for optimistiske simuleringsresultater.

Litteraturstudiet av dekker at det ikke finnes noe universell definisjon på en robust ruteplan,men det er likevel noen egenskaper som går igjen; ruteplanen skal kunne håndtere mindreforsinkelser for deretter å raskt kunne vende tilbake til normal drift. Videre fokusererlitteraturstudiet på hvordan man oppnår en robust ruteplan og hvordan man måler robusthet. Med utgangspunkt i litteraturstudiet presenteres i tillegg en modell for gjennomføring av simuleringsprosjekter på jernbane, “The seven-step-model”.

Videre presenterer oppgaven planleggingsprosessen i NSB. Planleggingsprosessen i NSB er tett knyttet til Jernbaneverkets planleggingsprosess. Arbeidet baserer seg på samtaler med sentrale personer i NSB og Jernbaneverket. Planleggingsprosessen i NSB er delt i tre faser; strategisk-, taktisk-, og operativ planlegging. Oppgavens hovedfokus ligger på taktisk planlegging, men alle nivåene presenteres i oppgaven. Videre blir prosessen med planleggingen av ny årlig ruteplan for både Jernbaneverket og NSB presentert.

Deretter drøftes hvordan NSB bør implementere simulering i de ulike fasene i planleggingsprosessen før det gis en anbefaling på hvordan NSBs planleggingsprosess på det taktiske nivået kan tilpasses bruk av simulering. Metoden forutsetter høy grad av kommunikasjon mellom NSB og Jernbaneverket. Metoden innebærer integrering med eksisterende IT-verktøy som brukes i ruteplanprosessen. Forslaget vil føre til en mer robustruteplanprosess gjennom at NSB oppnår større fortrolighet til sin rutebestilling til Jernbaneverket. Utfordringene med anbefalingen blir så diskutert. Anbefalingen besvarer oppgavens første hovedproblemstilling; hvordan NSB kan benytte simuleringsverktøy i planleggingsprosessen til å robusthetsvurdere nye ruteplaner.

Fokuset i oppgaven flyttes deretter over på gjennomføring av et simuleringsprosjekt i Vestkorridoren. Simuleringsarbeidet benytter metodikken anbefalt for gjennomføring av simuleringsprosjekter på jernbanen for NSB. Gjennom simuleringsarbeidet er det undersøkt hvor stor effekt infrastruktur- og materiellforbedringene har på togframføringen og starter med en analyse av dagens- og neste års ruteplan. Analysen bekrefter at punktlighetsproblematikken for Asker/Lillestrøm-pendelen og Spikkestad/Moss-pendelenikke vil bedres som følge av infrastrukturforbedringene. Det er anbefalt tiltak som vil forbedre punktligheten til pendlene; dispensasjon mot utførelse av bremsetester for Asker/Lillestrømpendelen ved Asker stasjon, og øking av kjøretid mellom Asker og Heggedal, samt opprettholdelse av timesfrekvens for utvalgte stasjoner i rushtrafikk på Spikkestadlinja.

En analyse ble utført ved å sammenligne forsinkelse ved inngangs- og mellomliggende stasjoner i simuleringsverktøyet med historisk forsinkelse på de samme stasjonene hentet fra NSBs avviksregister, ANNA. Arbeidet viste at simuleringsverktøyet klarer å gjenskape forsinkelser hentet fra ANNA ved inngangsstasjoner, med det er ikke mulig å si noe sikkert rundt OpenTracks evne til å gjenskape forsinkelser ved mellomliggende stasjoner da analysen inneholder for mange usikkerhetsmomenter. Det ble deretter gjennomført er en mer simuleringsteknisk undersøkelse som tar for seg riktig bruk av forsinkelse ved snuoperasjoner. Analysen viser at det som gir et best bilde på virkeligheten er å til dele nyforsinkelse ved snuoperasjoner. Simuleringsarbeidet er gjennomført for å undersøkevaliditeten på to forskjellige måter; den første vurderer validiteten på statistisk input imodellen, mens den andre vurderer hva som gir et riktig bilde på virkeligheten med tanke på bruk av forsinkelse ved snuoperasjoner.

Til slutt blir effekten av nytt togmateriell evaluert. Analysen viser at nytt materiell gir en klar punktlighets- og robusthetsøkning. Simuleringsarbeidet besvarer oppgavens andre hovedproblemstilling; hvordan trafikkavviklingen i Vestkorridoren vil se ut som følge av åpning av nytt dobbeltspor mellom Lysaker og Sandvika.

Rapporten konkluderer med at neste års ruteplanforslag vil føre til en forverring av punktlighet og robusthet, men gjennom å innføre endringer i kjøretiden mellom Lysaker og Sandvika vil togproduksjonen forbedres vesentlig. De anbefalte tiltakene for Asker/Lillestrøm-pendelen og Spikkestad/Moss-pendelen bør vurderes nøye og implementeres så raskt som mulig for og ytterligere bedre togproduksjonen. I et lengre perspektiv bør ruteplanen tilpasses infrastruktur og materiell på en bedre måte enn det gjøres i dag.

This report is part of the work associated with the master thesis “Simulation of Rail Traffic incases of Production Changes”. The thesis is written in collaboration with the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), the Norwegian State Railways (NSB) andSINTEF. This report gives a summary of the observations and findings done during the work on the master thesis.

In August 2011 the new set of double tracks between Lysaker and Sandvika will open, and from the beginning of 2012 NSB will begin the introduction of their new trains, FLIRT. These factors lead to a need for a change in the operations in order to gain travel time and capacity benefits. In addition to an already existing desire to implement the use of simulation as an integrated part of the planning process, these factors form the background of this thesis. This thesis has focused on the implementation of simulation on the tactical planning process. Focus is then moved on to the use of simulation in order to investigate the effects in operations due to the improvement of infrastructure and implementation of the new set of trains. Various propositions are put forward in order to improve the operations.

Norwegian National Rail Administration (Jernbaneverket) claims that the new set of double tracks between Lysaker and Sandvika will improve the robustness and stability, and increase the punctuality of the railway operations. The results of the simulations carried out in the course of this work do not support these claims. The punctuality, defined by NSB as trains that arrive at their terminal station with a delay less than 240 seconds, decreases by 0.8 %. Additionally, the robustness of the operations will decrease due to the new timetable. One of the main reasons for this deterioration is too short running time between Lysaker and Sandvika in the timetable proposed for next year. An adjustment in the running time will lead to a reduction in the total amount of delay time and reduce the delays at intermediate stations.The adjustment also leads to an increase of timetable robustness.

A literature study has been carried out, concerning the use of simulation for railway operations, with special focus on robustness evaluation. Railway operations are a highly integrated and complex system that is suited for simulation. A common feature for railway simulation is the focus on robustness evaluations, particularly of the timetable. Simulation gives the planners a unique opportunity to estimate the quality and punctuality of future operations. Simulation also gives information about bottle necks, delay propagation and the time table stability. However the use of simulation is not exclusively beneficial. One of the biggest disadvantages is the need to make simplified assumptions which can lead to unreliable results. The literature study concludes that there is no general definition of robustness. However the definitions have some equality: The time table should be able to absorb small disturbances without dispatching measures. The delays should also disappear quickly. Further on, the literature study focuses on how to gain a robust time table, and how to measure robustness. Finally a methodology for carrying out simulation projects for railways is presented, “The seven-step-model”.

The thesis then shifts its focus to the planning process in NSB. The planning process is highly connected to the Jernbaneverket. Therefore, at the beginning of the work on this thesis, around of initial interviews was carried out in order to create a picture of the planning process in both NSB and Jernbaneverket. The planning process in NSB is divided into three phases:Strategic-, tactical-, and operational planning. The thesis focuses primarily on tactical planning, but all phases are presented, as they are tightly connected. Further on, the planning process for a new yearly time table for both NSB and Jernbaneverket is portrayed.

A set of guidelines to how NSB should implement the use of simulation in the different phases of planning is presented. Thereafter a recommendation of how NSB should include simulation in their tactical planning process is given. The high level of interrelation between NSB and Jernbaneverket’s planning processes makes it difficult to make extensive changes to NSB’s planning process without including Jernbaneverket. The thesis therefore focuses on how to obtain a seamless integration of simulation in the pre-constructed planning process.The methodology, presented in the literature study, is tailor-made to fit NSB’s planning process and proposed as a good method for conduction the simulation experiments.Challenges with the recommendation are thereafter discussed.

It is also conducted a simulation experiment on Vest korridoren. The experiment uses the methodology recommended for conduction simulation experiments on railroads. Through the experiment both the effect of the new double track and implementation of new trains are evaluated. The analysis confirms that the low punctuality of Asker/Lillestrøm and Spikkestad/Moss lines will not improve due to the infrastructure improvements. A set of improvement measures that will improve the lines punctuality are given: NSB should apply for exemption from performing brake test for the Asker/Lillestrøm line at Asker station, and maintaining the hourly stopping pattern at selected stations on Spikkestad linja during peak hours.

An analysis is then carried out by comparing delays at entry stations and intermediate stations between simulation output and historical data. The analysis shows that the simulation tool manages to reproduce delays at entre stations correctly. However, due to high level of uncertainty concerning the intermediate stations the analysis was not able to reach a conclusion. Further on an analysis that focused on revealing the correct use of simulating delays for turnarounds was conducted. The analysis concludes that assigning delays both atentry stations in the model and for turnarounds gives the best fit. The first simulation is conducted to investigate the validity of the statistical input whereas the second focuses on how to conduct a simulation in order for the simulation project to be as realistic as possible.

Finally, the effects of the introduction of NSB’s new trains are evaluated. The analysis shows that the new set of trains leads to an increase in both punctuality and robustness. It is also expected that FLIRT will handle difficult winter conditions better than today’s trains

The report concludes that the proposed timetable will cause deterioration of the railway operations, but through prolonging the running time between Lysaker and Sandvika the operations will improve dramatically. The recommended measures for improving the Asker/Lillestrøm and Spikkestad/Moss lines should be carefully evaluated as they hold considerable potential for further improving the operations. In a longer perspective the focus should be on achieving a better representation of trains and infrastructure in the timetable than it is today.