The Seamless Freight cluster is part of the TRANS4M-R project and the Europe’s Rail initiative. It aims to deliver an essential contribution towards the modernization, digitalization and harmonization of multimodal rail freight. By addressing various technical enablers identified in the MAWP, Seamless Freight bridges the gaps between actors, countries, systems, processes and transport modes. Against this background, this Deliverable is the main output of the specification phase and includes the relevant requirements, both functional and non-functional, the main use-cases and use-case environments as well as a description of relevant systems, data types, processes and challenges. These specifications build on the basic requirements identified in the scope of the Deliverables D25.2 and D25.3. The contents of this deliverable are the result of an extensive and iterative process, involving relevant stakeholder groups (IMs, RUs, TOs, YOs, CTOs and shippers) that are all part of the TRANS4M-R team. The specifications are structured according to the different work packages, in which the solutions, that are necessary to fulfil the objectives of Seamless Freight, will be developed. True seamless planning must result in perfectly consistent planning and allowing for smooth transition and continuity for all actors involved along the entire transport chain as well as all assets required for operating the railway system. Seamless planning therefore encompasses all planning horizons (e.g. long- and short-term as well as real-time), all planning environments (e.g. yards, terminals and all connecting infrastructure) and involves a variety of complex planning systems and processes. All these aspects feed the derivation of requirements for planning systems and their interfaces, with additional consideration of the interconnection to dispatching and keeping the information on line and network capacity updated for all actors, in order to achieve true seamless planning. Dynamic Dispatching has focussed on the constraints of today, that hinder optimized processes due to lack of real-time information. An intensive exchange with end customers and stakeholders has led to several use cases which shall at an international level prove that harmonization and the dynamic adaption of tasks due to real-time information will lead to higher efficiency and maximizing the use of existing infrastructure. Intermodal Prediction Systems, forecasting both the ETA and the ETD for pre-defined milestones by using advanced machine-learning models, enhance the transparency and reliability of rail freight. The systems use various TAF TSI and EDIGES message types as basis input. Its quality is evaluated using pre-defined TAF TSI KPIs. Main applications for the prediction values are the optimisation of terminal and yard processes as well as the assignment and planning of rolling stock utilization (Asset Warehouse). The concept of Standardised European Railway Checkpoints is a further development of the previous work carried out in Shift2Rail and the concept of “Intelligent Video Gates” (IVG). The main objective was thus a further development of the previous work. Moreover, in FP3 Checkpoints are also developed but at main lines for both freight and passenger trains. Hence, one main aim was to give a clear and through background description, including existing similar systems that the IMs in T25.4 currently possess. Process descriptions were carried out for three types of operational stops for freight trains; intermodal terminals, marshalling yards and borders. Opportunities for improving these processes though the use of Checkpoints as well as a vast set of use cases were identified. Functional and non-requirements were developed. Based on the process analysis and the defined requirements, technical specifications were outlined for detection technologies and for data sharing. Albeit technical standardisation has been addressed, further work is needed to be carried jointly between the System Pillar sub-project Harmonized European Railway Diagnostics (Herd), FP5 T25.4/WP29 and FP3 WP7. Thus, the specifications outlined in this report will be the basis for a standardised development and installation of Checkpoints within WP29. Multimodal Integration has focussed on the constraints of today, that hinders simple bookings of freight on rail. Three primary reasons have been identified that will be tackled by use cases. The time-consuming process of finding existing freight train services, the complexity to book services if more than one primary supplying company is involved and the difficulty to establish new services where today’s offering is not yet matching the market demand. All shall demonstrate that harmonized and standardized process and data exchange will lead to higher usage of existing infrastructure due to lowering entry barriers. All this requires a high degree of collaboration between the involved actors both within and often across national borders. Today, there is a call for better synchronisation within and between transport practices. Big hopes are being placed on digitalisation as an enabler and means for integrated and sustainable performance along the multi-modal supply chain. The primary objective for enabling data exchange is to provide a framework that allows a seamless and harmonised exchange of data. This framework aims to facilitate an increased data availability and quality by reducing technical and administrative barriers for the generation and exchange of data in the project. This framework will be built on existing developments rather than introducing new elements.

Valuation of train traffic in TTR's Advance planning Europe's infrastructure authorities organized in RNE, Rail Net Europe, and Europe's railway undertakers organized in FTE, Forum Train Europe, have for several years been running an international development programme called "Redesign of the International Timetabling Process" (originally "TimeTable Review", abbreviated TTR) aiming at trans-forming the capacity allocation process on railways. The results from TTR have in turn largely influenced the European Commission's proposal for a new regulation in the area. An important component, at least for Swedish conditions, is an increased degree of pre-planning which results in a supply/offer of pre-planned train paths. Capacity will also be reserved during the preparation of the annual timetable for later allocation which can be up to 3 years ahead. This places great demands on the infrastructure manager’s ability to be able to reserve capacity, value capacity (even under uncertainty) and safeguard the capacity characteristics that have been reserved, as well as having tools to support that. This report summarizes the work carried out within the project “Service and Transport capacity supply on rail”, TOT. The goal of TOT has been to investigate the possibilities of using the already defined Priority categories, used in the conflict phase of today’s process, for valuation and prioritization of train transports in the Advance planning phase of the TTR process, i.e., before railway undertakers formally apply for capacity. To summarize TOT’s results, the Swedish prioritization criteria can be used for valuation train traffic in TTR's Advance planning phase. Someone, preferably the infrastructure manager based on own experience, needs to decide which priority category different pre-planned transports should be classified as. The assessment should be made based on the society's utility that a particular transport is being performed. The Priority categories are not suited to e.g., decide in a competitive situation between equal actors which one that should be allocated a pre-planned train path. For this, a complementary method is needed to determine who should be allocated the capacity. Ideally, the Swedish Priority category also needs further development to, among other things, valuate traffic regularity as well as marginal effects when there are several similar paths planned during a limited time frame. There is a large need for a valuation function for the infrastructure manager during the preplanning phase, to be able to prioritize among different foreseen needs. The valuation model needs to value the socio-economic utility of the intended use of the infrastructure in the coming timetable where capacity shortages can be foreseen due to conflicting demands. For this purpose, the Swedish prioritization categories can work as a basis.

As railway markets are increasingly deregulated, coordinating and prioritising between capacity requests becomes more complex and more important. This paper describes the advantages and challenges of different allocation methods in vertically separated open-access railway markets, with several railway operators and heterogeneous traffic, and where a public infrastructure manager must resolve operators’ conflicting path requests. Three broad groups of allocation methods are described: administrative methods, allocation by social cost-benefit analysis and willingness-to-pay based allocation. We describe pros and cons of these allocation principles for three different market segments: commercial traffic with long planning horizons, (subsidized) traffic controlled by public transport agencies, and traffic with short planning horizons. We then outline an allocation process that meets the requirements of a deregulated market better than conventional methods. It is a mixed method, which uses an auction-like mechanism to allocate pre-defined paths to commercial operators on specified, capacity-constrained lines. The net social benefits of capacity reserved for traffic controlled by public transport agencies is assessed through social cost-benefit analysis of timetables. The benefits decrease when timetables are adjusted to make room for additional commercial train paths; the size of this loss determines the reservation price of the auction-like mechanism. Dynamic pricing is used for short-term allocation on congested line segments. © 2021

Följande rapport introducerar ett nytt kapacitetsmått för trafik på järnväg. Syftet med det föreslagna måttet är att det skall vara användbart vid förplanering av järnvägstrafik, innan järnvägsföretag och andra sökanden lämnar in sina ansökningar om trafik och kapacitetstilldelningen slutförs. Kapacitetsmåttet utgår från det gängse sättet att presentera en tågplan, den så kallade tidtabellsgrafen, eller i branschen refererad till som bara ”grafen”. För varje spårsträcka som tågläget belägger så utgör kapacitetskonsumtionen ytan som upptas i grafen. Denna yta är summan av varje individuell signalsträckas längd multiplicerat med tiden som tågläget belägger hela spårsträckan. Detta utgör kapacitetskonsumtionen för tågläget. Måttet blir intressant i de tidigare processtegen innan ansökan om kapacitet. Då ansökan ännu inte är genomförd så finns inga sökta avgångs- och ankomsttider, däremot en prognos vad som kommer sökas (t.ex. genom den i TTR angivna händelsen Capacity Needs Announcement). Genom att lägga på ett tidsfönster kan varje prognosticerat tågläge abstraheras att avgå/ankomma inom detta tidsfönster. Kapacitetskonsumtionen är dock konstant, och denna fördelas över tidsfönstret. Genom att för varje tidsögonblick ackumulera den fördelade kapacitetsåtgången fås en kapacitetsanvändningsplan. Denna är en abstraktion av det tänkta framtida schemat (tågplanen) och kräver således inte en konfliktfri tågplan som utgångspunkt. En kapacitetsanvändningsplan kan således realiseras av många olika scheman som realiserar den. Tanken är att kapacitetsanvändningsplanen, om prognosen för framtida trafik är rätt, på ett korrekt sätt lyckats abstraherat den framtida tågplanens konkreta schema. Hänsyn måste tas till de tidsmässiga kostnader som uppstår för att tåglägen har olika hastighet och på enkelspår går i olika riktning. Detta hanteras i analogi med andra industrisektorer med ställtid, vilket också är kapacitetskonsumtion och således ingår i kapacitetsanvändningsplanen. Utöver detta måste hänsyn i kapacitetsanvändnings-planen tas till tid som behövs för att reglera möten och förbigångar på omgivande driftplatser och ger upphov till ytor som inte längre kan nås i ett konkretiserat schema. Då denna kapacitetskonsumtion adderas till den övriga beskrivna kapacitets-konsumtionen har en kapacitetsbudget skapats vars syfte är att klargöra förutsättningarna för vilken trafik som kan bedrivas och som skall kunna realiseras i ett schema (tågplan) efter att ansökan om kapacitet skett. Det i denna rapport beskrivna måttet för kapacitetskonsumtion utgör en brygga mellan de tidigare processtegen i kapacitetstilldelningsprocessen och de senare.

Reserve capacity in Railway capacity allocation. Each year railway undertakings (RUs) apply for capacity to run trains on the railway infrastructure. The infrastructure manager (IM) should make a complete timetable for all applications together with capacity restrictions when maintenance etc must be performed. In this process, referred to as the capacity allocation process, the IM should also schedule some reserve capacity for later use during the execution of the plan. The reserve capacity then competes with the applied capacity of the RUs, since it is only motivated to introduce reserve capacity where there is a capacity scarcity. If there is plenty of rest capacity (capacity that no one applied for in the yearly process), then there is no need for reserve capacity. Since reserve capacity competes with all other capacity applied for in the yearly capacity allocation process, the amount, location and lines where reserve capacity is introduced must be founded in fair and sound principles in order for the RUs in the yearly process to accept the costs taken to make room for the reserve capacity. This report addresses such models and methods for the Swedish capacity allocation process. The report in part summarizes in condensed form the two earlier reports that have been published, as well as reports some new material regarding process descriptions, data analyses of previous years’ timetables and interviews with three different RUs. The report also gives some recommendations to the Swedish IM Trafikverket about tools for representing reserve capacity, design of the process and how to allocate paths based on reserve capacity once capacity has been reserved. One key recommendation is that a new timetabling object should be introduced, called Capacity reservation, CR. A CR is a named (has identity) timetabling object that can be used in a train path in the future. If an RU wants to use such a CR in a train path, the RU must apply for it and exceed a valuation criterion to be able to get it. This valuation criterion is a connection to the costs that other yearly applied traffic has to take in order to make room for the reserve capacity. CRs are managed (not “allocated”) by the IM and are not allocated to an RU or entrepreneur until they have applied for it. CRs are available for allocation after the timetable is finalized and the short-term process (ad hoc) is started, including the process step Late path requests. The report also relates the models and methods to the upcoming new capacity allocation process called Timetabling and capacity redesign, TTR. TTR introduces Advance planning, i.e. planning in advance of the RU allocations. For this to work, it is crucial to be able to reserve capacity in various forms, both segmentation and reserve over time (safeguarding).

Svensk järnvägslagstiftning ställer krav på infrastrukturförvaltaren att denne skall reservera kapacitet under den årliga kapacitetstilldelningsprocessen för tilldelning under tågplanens genomförande. Sådan så kallad reservkapacitet, till skillnad mot restkapacitet som är kapacitet som blir över vid årlig tilldelning, skall möjliggöra en följsamhet för tillkommande behov men även hantering av uppkommande förändringar så att effektiv användning av infrastrukturen säkerställs. Forsknings- och innovationsprojektet RIT, Reservkapacitet i Tilldelningsprocessen, studerar hur reservkapacitet kan åstadkommas med beaktande av krav på transparens, och rättvisa för aktörerna samt nytta för samhället. Vägledande för resultaten i RIT är att järnvägens aktörer skall kunna ställa sig bakom de principer som projektet RIT tar fram. Denna underlagsrapport två fokuserar på om och hur ett underlag för avsättning av reservkapacitet skall kunna tas fram. Två metoder har identifierats, dels att undersöka tidigare tågplaner och mängden sökta tåglägen under tågplanernas genomförande, dels möjligheterna att genom intervjuer och årligt återkommande marknadsundersökningar från aktörerna kunna identifiera behovet av reservkapacitet. Denna rapport omfattar huvudsakligen den första av de två möjliga sätten att identifiera reservkapacitet. En process som på ett grovt plan beskriver en möjlig framtida hantering av reservkapacitet ges också i rapporten. Denna process är sammanvävd med den nuvarande kapacitetstilldelningsprocessen. Ett huvudresultat i rapporten är att det är svårt att förutse nästa tågplans behov av reservkapacitet baserat på data som finns tillgänglig idag. Tidigare ansökningar visar endast det som den sökande tror sig kunna få (eller har fått reda på att denna troligen kan få sig tilldelat) vilket inte avspeglar det faktiska behovet som den sökande egentligen skulle vilja söka. Saknas gör dessutom alla de ansökningar som den sökande inte finner någon mening att söka (då t.ex. kapaciteten på nyckelsträckor är fullbelagd). Vidare söks kapacitet som skulle kunna sökas på reservkapacitet (om den funnits) idag spekulativt i den årliga tilldelningen, dvs den sökande söker det denne tror att denne behöver. Sammantaget gör detta, tillsammans med alla tåglägen som söks under tågplanens genomförande i revisionsplaneringen på grund av banarbeten, att dagens data om tillkommande trafik under tågplanen inte utgör en bra grund för att undersöka behovet av nästkommande tågplans behov.

Efter en problematisk kapacitetstilldelningsprocess inför T20 genomfördes ett antal insatser för att förbättra långtidsprocessen för T21. En av dessa insatser var att uppdatera och centralisera den så kallade Pricklistan. Då tiden mellan projektstart och planeringsstart var kort, gjordes några riktade utvecklingar av den gamla pricklistan som bedömdes vara genomförbara och värdefulla. Den Nya pricklistan verkar ha gett gott resultat, då Processtöd kunde följa upp planeringsarbetet bättre än året tidigare och därmed få en bättre överblick av processen som helhet. Dessutom framskred planeringsarbetet i snabbare takt (mätt i antalet färdiga tåglägen), och antalet synpunkter och tvister minskade. Huruvida dessa senare effekter beror på Nya pricklistan eller annat förbättringsarbete är dock svårt att avgöra. Vi har med Nya pricklistan genomfört de ”mest lättplockade frukterna” med gott resultat. Detta bör ses som ett första steg mot att utveckla bättre stödverktyg för ärendehantering i långtidsprocessen. Även Nya pricklistan saknar många värdefulla funktioner så som automatisk uppdatering av varianter, prognoser för överlämningar och arbetstoppar samt möjligheten att följa upp KPI:er baserade på hur mycket skogstid ett tåg har fått. Dessutom kommer övergången till TPS innebära att processerna och arbetssätten för varianthantering behöver ses över, och nya rutiner kan behöva implementeras. Det är också viktigt att veta att TPS i dagsläget inte tillhandahåller något ärendehanteringssystem för den årliga kapacitetstilldelningsprocessen, och att funktionalitet liknande den i Nya pricklistan således är en typ av stödsystem som behöver utvecklas separat. En annan sorts problem som projektet stött på rör processen snarare än pricklistan. För att konstruera en tågplan behöver många planerare samarbeta för att lösa ett svårt problem under tidspress, vilket ställer höga krav på arbetsprocessens utformning. En rekommendation är att undersöka hur processen för att ta fram förslaget till tågplan kan utvecklas för att bättre stötta planerarna och ge en ökad samsynen på planeringsarbetet. En förebild kan vara de processramverk som används inom mjukvaruutveckling, såsom t.ex. SCRUM.

Kapacitet på järnvägens infrastruktur tilldelas en gång per år till olika aktörer på järnvägen som har behov av järnvägskapacitet. Detta inkluderar järnvägsbolag såsom kommersiella person- och godstågsoperatörer, regionala kollektivtrafikmyndigheter, större bolag med transportbehov samt underhållsentreprenörer. Dessa har alla olika behov och värdesätter olika egenskaper för sina transporter, vissa har behov av långsiktigt stabil kapacitetstilldelning, andra har behov av större dynamik. Svensk järnvägslag ställer krav (kommande ur EU:s direktiv på området) att det finns reservkapacitet reserverat i den årliga tågplanen, som beskriver hur infrastrukturen skall användas. Reservkapacitet är kapacitet som medvetet och på goda grunder undanhållits i den årliga kapacitetstilldelningsprocessen då det finns behov av attraktiv kapacitet under innevarande tågplan. Reservkapacitet är således inte att likställa med restkapacitet vilket är den kapacitet som blir över efter att tågplanen är fastställd. Det är dock i dagsläget oklart hur reservkapacitet skall representeras i tågplaneprocessen, storleksmässigt avgöras och tidsmässigt placeras och planeras. Projektet RIT, Reservkapacitet i tilldelningsprocessen, söker svar på dessa frågor. Projektet RIT är också involverat i det av RNE (Rail Net Europe) initierade projektet TTR, Redesign of the international timetabling project (tidigare Timetable review) då det förslag till ändrad tilldelning av kapacitet som tagits fram i TTR innehåller avsevärt större krav på reservering av kapacitet i termer av en Capacity Portfolio, Capacity bands med reservering av kapacitet för upp till 3 års rullande planering (Rolling Planning) samt begreppet Safeguarding dvs att kapaciteten är reserverad och utlovad till aktör men inte nödvändigtvis detaljerat schemalagd. Samtliga dessa begrepp kräver förmåga att värdera nyttan av att reservera samt praktiskt hur reserveringen av kapacitet kan göras och slutligen realiseras som tågläge och operativt genomföras som en tågtransport eller underhållsarbete. Föreliggande statusrapport i projektet RIT beskriver inte ett färdigt resultat utan fokuseras på i huvudsak behovsanalys, formalisering av problemet, angreppssätt och tänkt modell.

Railway capacity allocation in a deregulated market requires planners to solve a mathematically complex optimization problem while simultaneously arbitrating the wants and needs of different stakeholders. This paper analyses timetable quality from the perspective of timetable planners working for the Swedish infrastructure manager Trafikverket. Seven quality aspects are discussed: feasibility, disturbance resistance, competition management, capacity safeguarding, application fulfilment, attractiveness and compatibility with surrounding planning areas. Each aspect is introduced, including references to legal documents, development projects, and research literature. Further, an interview study with eight practitioners gives insight into the current state of practice in Sweden. The practitioners consider feasibility to be both most important and easiest to handle. Capacity safeguarding is considered least important, despite its prevalence in legal documents and envisioned process developments, and is also considered hardest to handle. In general, formal rules and guidelines seem important for emphasising the importance of a quality aspect in the planning process. To better support the planners in their arbitrating role, timetable planning tools based on mathematical optimization models could be implemented. For example, support tools could be used to analyse different solutions, and could unburden the planner from working with feasibility aspects by providing automatic conflict identification and resolution.

Utgångspunkten för tilldelningsprocessen är att den mest samhällsnyttiga trafiken, tolkat som den mest samhällsekonomiska, är den som skall genomföras varje dygn. De sökande av tåglägen för nästkommande år lämnar in sina ansökningar i april året före, vilket sedan sammanställs och planeras av infrastrukturhållaren.  Såsom i all planering så är inte alla fakta kända i förväg då de sökande lämnar in sina ansökningar. Av det skälet har svensk järnvägslag ett moment om ”reservkapacitet”, kapacitet som avsätts för att möjliggöra även tilldelning av effektiva tåglägen under pågående genomförande av tågplanen. Målet för projektet Reservkapacitet i tågplanen, RIT, är att finna modeller, metoder och verktyg för hantering av reservkapacitet genom tilldelningsprocessen. Syftet är också att i allmänhet studera hur reservering av kapacitet kan göras då diskussioner förs internationellt om en utvecklad tilldelningsprocess där möjligheten till både långsiktigt stabil trafik och effektiva tåglägen med kort framförhållning skall kunna planeras och genomföras. Skillnad görs mellan tilldelad kapacitet, reserverad kapacitet och restkapacitet, där den senare enbart är sådan kapacitet som inte efterfrågades och således är ”över”. Rapporten presenterar resultaten från förstudien där olika aspekter av reserverad kapacitet belyses, en diskussion rörande hur stort behovet av reservkapacitet är samt innehåller en genomgång av vad som finns gjort inom området både nationellt och internationellt. En principiell ansats för hantering av reserverad kapacitet presenteras, där en bärande princip är att tåglägen måste ha jämförbara värden genom hela tilldelningsprocessen för att mängden och typen av reserverad kapacitet skall bli korrekt formulerad.