With the increasing traffic volumes in many railway networks and reports on capacity deficiencies that result in insufficient punctuality and reliability, the need for efficient disturbance management solutions becomes evident. This thesis focuses on solutions that aim to minimise the consequences of disturbances for the various stakeholders and specifically on methods for re-scheduling the traffic. Railway traffic re-scheduling is a complex task with many influencing factors to consider and multiple stakeholders with sometimes conflicting interests. This problem is typically handled manually by traffic dispatchers that have a very limited access to support systems to facilitate their decision-making. This limitation hampers the possibilities to achieve sustainable and system-optimal decision-making and to provide the stakeholders with reliable traffic prognoses. We first study how railway traffic system users experience and are affected by the way the disturbances are communicated and handled by the traffic dispatchers. The results indicate that the disturbance-related information provided by the dispatchers is currently insufficient. The stakeholders need to acquire improved prognoses of their traffic and immediate part of the network to internally be able to minimise the negative effects of the disturbances. Furthermore, an analysis of the disturbance management problem structure and how the problem can be modelled is provided. The analysis shows that there exist fundamental restrictions in the traffic system that bounds the traffic flow but also a large number of context-dependent considerations such as sustaining certain connections or prioritising specific trains. The prevalence and feasibility of such considerations are difficult to identify and model. Moreover, the objectives of the disturbance management are vague and partly unclear, and therefore it is also difficult to measure and evaluate the outcome of the corresponding decision-making. Finally, a number of optimisation-based solution approaches with the purpose to facilitate for the dispatchers and their decision-making has been developed. The performance and applicability of the approaches have been evaluated for various disturbance settings using data for parts of the Swedish railway network that currently experience capacity deficiencies. The evaluation has identified certain disturbances characteristics that have a significant influence on the disturbance propagation, and which in some cases complicate the re-scheduling procedure. Furthermore, the significance of applying certain re-scheduling objectives and their correlation with performance measures has been analysed. The analysis shows e.g. that a minimisation of accumulated delays has a tendency to delay more trains than a minimisation of total final delay or total delay costs. An experimental study of the long-term effects when applying a limited planning perspective has also been conducted. The results indicate that solutions which are good on longer-term can be achieved despite the use of a limited planning horizon. In parallel to the optimisation-based approaches, an agent-based conceptual model with emphasis on the interplay between the different components in the railway traffic system has been proposed.

I takt med att järnvägsmarknaden avregleras, användningen av järnvägstransporter ökar och kapacitetsbrister uppstår som medför brister i punktlighet och tillförlitlighet, blir behovet av att kunna hantera störningar och förseningar allt mer aktuellt. Denna doktorsavhandling fokuserar på lösningsmetoder som syftar till att minimera konsekvenserna av de störningar som uppstår i järnvägstrafiken genom effektiv omplanering av tidtabellen. Störningshanteringen och omplaneringen hanteras idag ofta manuellt av tågtrafikledare som har en mycket begränsad tillgång till beslutsstöd. Denna begränsning medför svårigheter för trafikledarna att fatta optimala, hållbara beslut och analysera samt kommunicera konsekvenserna till operatörerna och andra berörda. Inledningsvis gjordes en studie om hur användarna av det svenska järnvägsnätet upplever och påverkas av störningar i trafiken och hur störningarna och dess effekter kommuniceras och hanteras av trafikledningen. Studien visade att användarna anser att informationen om aktuella störningar och dessas effekter som förmedlas av trafikledningen är otillräcklig. Användarna, och då främst operatörerna, behöver tillförlitliga prognoser om hur deras tåg påverkas för att de internt ska kunna hantera avvikelser i syfte att minimera konsekvenserna. I gengäld behöver dock operatörerna informera trafikledningen om sina interna preferenser och planer för att trafikledarna ska kunna fatta goda beslut i linje med operatörernas behov. Förutom användarstudien har även en kartläggning av vilka faktorer som styr trafikflödet gjorts. Kartläggningen visade att det finns en mängd fundamentala restriktioner, såsom att vissa säkerhetsavstånd mellan tågen ska bibehållas, men även ett antal mer mindre restriktiva hänsynstaganden såsom prioritering av vissa tåg vars inverkan är situationsberoende och vars signifikans varierar. I vilken utsträckning dessa hänsynstaganden påverkar trafikflödet och besluten som tas är dock svårt att definiera och mäta. Även strategiska såväl som operativa syften och mål med omplaneringen är svårdefinierade, vilket försvårar en utvärdering av effekten av och kvaliteten på operativa beslut och en jämförelse av olika strategier och riktlinjer. Som ett steg i att råda bot på bristen på beslutstöd för tågtrafikledarna har vi även utvecklat och utvärderat ett antal lösningsmetoder för omplanering av tågtrafiken under störningar. Metoderna baseras på optimeringstekniker och syftar till att ge tågtrafikledarna förslag på lämpliga åtgärder vid omplaneringen. Metodernas tillämpbarhet och prestanda har utvärderats experimentellt för olika typer av störningar baserat på verkliga data för vissa delar av det svenska järnvägsnätet där kapacitetsbrist råder. Resultaten visade att det finns beroenden mellan typ av störningar, deras egenskaper och hur de sprider sig och påverkar möjligheterna att tillräckligt snabbt kunna skapa en tillräckligt bra omplanering. Vi utvärderade även hur val av målfunktion för och syfte med omplaneringen påverkar vilka lösningar som genereras samt hur målstyrningen påverkar de nyckeltal som mäter en lösnings kvalitet. Utvärderingen visade bland annat att en minimering av ackumulerad störning kan leda till att fler tåg blir fördröjda än om omplaneringen istället fokuserar på att minimera den totala förseningen av tåg vid sin slutdestination eller en minimering av den totala kostnaden som kan relateras till störningen och dess spridning. Genom experimentella studier analyserade vi slutligen även effekten av en omplanering som tillämpar endast ett begränsat tidsperspektiv, dvs. vilka effekter som fås på längre sikt om man gör en mer kortsiktig omplanering med endast t ex en timmes framförhållning. Analysen visade att man kan uppnå lösningar som är lämpliga även på längre sikt trots att planeringen görs med avseende på en begränsad tidsperiod. Som komplement till de optimeringsbaserade modellerna och metoderna för omplanering har vi även modellerat omplaneringsprocessen och -problematiken med hjälp av agentteknologi. Fokus var på interaktionen mellan de olika aktörerna i processen och hur deras enskilda mål och beteenden påverkar trafikflödet. Nyckelord: Järnvägstrafik, Transportsystem, Transportation, Operativ planering, Störningshantering, Beslutstödsystem.