The effect of infrastructure changes on railway operations.

This paper makes use of standard simulation programs in combination with the tools of applied statistics to simulate railway operations. The purpose of the use of this tool is to evaluate and compare different possible kinds of railway infrastructure, like different types of signaling procedures, different network configuration or operational procedures. A railway system is a logistic network and because of the demand for improved railway operation, much work has been undertaken lately in this scientific field. However the author postulates the hypothesis based on a literature review that in a lot of these works there is a lack of full application of statistics. With this paper the author makes use of standard simulation programs for detailed simulation of railway operation especially with respect to the signaling and operation procedures. Additionally the influence of delays, which occur during real life railway operation is taken into account for a first time. This allows statistical evaluation of the results based on statistical significance. Also sensitivity analysis could be performed. It is demonstrated, that the results of such simulation runs show superior results when compared to other techniques not taking into account the variability. Additionally, procedures were developed to find the capacity of a railway network with the help of additional software tools. In this work the software package ARENA is used to simulate the operation of trains in railway networks. For this approach two major obstacles have to be solved: the simulation of train travelling times and the simulation of block rules used in railway operation. By introduction of visualization the confidence in the results of simulation, even for stakeholders not familiar with this technique, is increased. In this paper it is shown that with ARENA it is possible to calculate the capacity of different railway networks (scenarios). The results, which are calculated using quasi steady state simulation without variation, are similar to those obtained with other calculation methods. Additionally in one scenario the rule of thumb for the quotient between theoretical capacity and practical capacity in a railway network is confirmed by simulation including random variation. It is also demonstrated that OptQuest, an additional software package available for ARENA, is a suitable tool to find near optimal timetables in a scenario including delays. The results of this work may be not only of interest for railway operators, but also for operators of other automated transport systems. Such systems may be unmanned transport vehicles in a factory, transporting goods between different manufacturing stations. But also for automation of road traffic the results may be of interest

Capacity and reliability on railway networks: a simulative approach

2008/2009An efficient train operation is a primary success factor for all infrastructure managers, since it allows operating a higher number of trains without significant infrastructure investments. As known, a trade-off exists between capacity and punctuality, forcing planners to find an equilibrium allowing the highest number of slots to be operated with satisfying punctuality indicators. This is particularly challenging in nodes, where the combination of different stochastic parameters on various lines and for different trains dramatically increases modelling tasks. In the last years, railway simulators have become a very powerful instrument to support the different steps of the planning process: from the layout design to capacity investigations and offer model validations. More recently, the possibility of an automatic import of infrastructure layouts and timetables widened the application spectrum of micro-simulators to large nodes and to more detailed stochastic stability evaluations. Stochastic micro-simulators can reproduce most processes involved in rail traffic and comprehend not only its deterministic aspects, but also human factors. This is particularly relevant in order to simulate traffic under realistic conditions, considering variability at border, various driving styles and stop times. All these parameters have to be calibrated using real-world collected data for single trains or train families, considering their different behaviour in the network and at its border. Since a perfect representation of all stochastic and deterministic parameters involved in rail traffic is not possible, a calibrated model must be validated to evaluate its precision before using it in practice. Calibration has been tested on the Palermo - Punta Raisi single-track line, on the Trieste - Venice double-track line and in the node of Turin. The model is first used to forecast reliability of the operations after infrastructure and timetable changes. Results have been compared ex-post with real traffic data, showing remarkable reliability. An approach is then presented, in which stochastic micro-simulation is used to represent the relationship between robustness, capacity and a number of other important factors, such as traffic variability or running time supplements. The approach can be used to estimate the buffer times, and the running time supplements to obtain a given reliability level. First, micro simulation with its advantages and weaknesses is presented; then, after a presentation of the most common reliability measures, the a new indicator is explained. Third, calibration, validation and application of the case studies is described; in the last part, an approach to evaluate the trade-off between different parameters is presented.La domanda di trasporto collettivo, in particolare ferroviario, è fortemente cresciuta nelle grandi aree urbane anche per effetto di specifici strumenti pianificatori volti a favorire l’utilizzo di alternative sostenibili sotto il profilo ambientale, nel rispetto della configurazione del territorio. La conseguente saturazione dei nodi e delle linee e la contemporanea necessità di aumentare la regolarità del servizio offerto impongono ai gestori un deciso aumento nella precisione della pianificazione dell'esercizio. Come è noto, esiste un trade-off tra capacità e regolarità dei servizi ferroviari, che obbliga i pianificatori a trovare un equilibrio, massimizzando il numero di treni e garantendo nel contempo un soddisfacente livello di regolarità. Il mantenimento di tale equilibrio risulta particolarmente complesso nei nodi, dove la combinazione di fenomeni stocastici in numerose linee e per diversi servizi aumenta notevolmente le difficoltà di modellizzazione della circolazione reale. Negli ultimi anni, gli strumenti di microsimulazione della circolazione ferroviaria sono divenuti uno strumento potente a supporto delle diverse fasi di pianificazione, dalla progettazione funzionale dell’infrastruttura alle stime di capacità e alla validazione degli orari. Più recentemente, la possibilità di ottenere l'importazione automatica del modello infrastrutturale e degli orari ha ampliato lo spettro di applicazione della microsimulazione ai nodi complessi ed alle valutazioni ex-ante della stabilità degli orari. La microsimulazione consente di riprodurre la gran parte dei processi coinvolti nella circolazione ferroviaria, comprendendo non solo i suoi aspetti deterministici, ma anche il fattore umano. Ciò risulta particolarmente importante al fine di simulare la circolazione in condizioni reali, considerando i ritardi in ingresso nell’area di simulazione, i diversi stili di guida e la variabilità dei tempi di fermata nelle stazioni. Tali parametri necessitano tuttavia di un’adeguata calibrazione mediante dati reali per singoli servizi o famiglie di treni, considerando le diversità di comportamento all’interno della rete simulata ed al cordone. Dato che non è possibile una rappresentazione perfetta di tutti i parametri stocastici e deterministici che definiscono la circolazione ferroviaria, un modello calibrato deve essere validato per valutarne la precisione, prima di venire utilizzato in pratica. La calibrazione è stata testata sulla linea a semplice binario Palermo-Punta Raisi, sulla Venezia - Trieste, a doppio binario e nel nodo di Torino. In primis, il modello è stato utilizzato per la stima ex-ante della regolarità in seguito a modifiche infrastrutturali e di orario. Dopo l’attivazione dei provvedimenti simulati, i dati della circolazione reale sono stati confrontati con quelli simulati, dimostrando la notevole attendibilità della stima. E’ stata quindi sviluppata una metodologia, in cui la microsimulazione viene utilizzata per rappresentare la relazione tra capacità, regolarità dei servizi ed una serie di altri fattori, quali ad esempio gli allungamenti sul tempo di percorrenza e i fenomeni stocastici. L’approccio può essere utilizzato per la stima delle riserve e degli allungamenti da inserire nell’orario per ottenere una data regolarità. La tesi muove dalla presentazione della microsimulazione, delle sue potenzialità e dei suoi limiti; quindi, dopo la descrizione delle principali misure di regolarità, viene introdotto un nuovo indicatore. Seguono la presentazione delle metodologie di calibrazione e validazione di un modello di microsimulazione e la loro applicazione ai casi di studio. Viene infine presentata la metodologia per la stima coordinata di regolarità e capacità, le cui potenzialità sono illustrate nei casi di studio.XXII Ciclo198