Diskrete Optimierungsmodelle und Algorithmen zur strategischen Planung von Transportnetzen im Einzelwagenverkehr

Hintergrund

Der Schienengüterverkehr ist (langfristig) mit enormen Veränderungen und Herausforderungen aber auch Chancen konfrontiert: ein wachsender internationaler Güterverkehrsmarkt, die fortschreitende Bahnliberalisierung, der große Konkurrenzdruck, insbesondere durch den Straßengüterverkehr, und die bereits ausgelastete Infrastruktur. Eine mögliche Entlastung durch den Ausbau der vorhandenen Infrastruktur ist jedoch mit hohen Investitionskosten verbunden. Aus diesem Grund sind insbesondere strategische Entscheidungen von größter Bedeutung. Die Produktionsform „Einzelwagenverkehr“ ist das Produkt der Bahnen um einzelne Wagen(-gruppen) auf der Schiene zu transportieren. Der Transport der einzelnen Wagen erfolgt im Einzelwagenverkehr über ein hierarchisch aufgebautes Netz mit verschiedenen Typen von Zugbildungsanlagen unterschiedlicher Größe und Funktion. Dabei werden die einzelnen Wagen(-gruppen) mit verschiedenen Versendern und Empfängern auf Teilabschnitten ihrer Strecke konsolidiert. Infolgedessen wird eine Behandlung von kleineren Aufkommen in der Fläche zu ermöglicht. Somit ist der Einzelwagenverkehr das ideale Produkt der Bahnen, um die Entwicklung zu kleineren Sendungsgrößen und einer breiteren Verteilung von Kunden in der Fläche zu meistern. Jedoch ist der Einzelwagenverkehr aufgrund der Komplexität und der hohen Investitions- und Infrastrukturkosten auch die mit Abstand teuerste Produktionsform. 

Vorgehensweise

Zur Realisierung des Forschungsvorhabens wurde im ersten Schritt eine Analyse der Produktionsstruktur im Einzelwagenverkehr durchgeführt. Basierend auf dieser Analyse wurde eine geeignete Systembeschreibung ausgearbeitet, die sowohl die praktischen als auch die mathematischen Anforderungen berücksichtigt. Aufbauend auf der Systembeschreibung wurde ein neuartiges, hierarchisches Hub-Location-Modell zur strategischen Netzplanung und -optimierung entwickelt, welches grundlegend von bisherigen Hub-Location-Modellen abweicht. Insbesondere die Integration von mehreren Hub-Typen sowie die Abbildung von praxisnahen, stückweise-konstanten Hub- und Transportkosten erhöhte die Modellkomplexität  und Schwierigkeit bei der Problemlösung. Im nächsten Schritt wurden aufbauend auf die Modellierung mehrere Ansätze zur Komplexitätsreduktion entwickelt. Dazu zählen u.a. die Entwicklung von geeigneten Preprocessing-Techniken, die Analyse und Identifikation von redundanten Nebenbedingungen und Variablen sowie straffenden Nebenbedingungen, welche insbesondere die LP-Relaxierung stärken. Des Weiteren wurden heuristische Lösungsverfahren basierend auf Dekompositionsansätzen entwickelt, welche die spezielle Problemstruktur des ursprünglichen Problems ausnutzen.

Angestrebte Ergebnisse

Das Forschungsvorhaben zielte auf die Entwicklung neuer mathematischer Modelle und Lösungsverfahren aus dem Gebiet der diskreten Optimierung für eine strategische Standort- und Netzplanung im Einzelwagenverkehr ab. Dabei wurden sowohl die betriebliche Praxis als auch sämtliche relevanten Kosten abgebildet und berücksichtigt. Neben dem primären wissenschaftlichen Nutzen wurde auch ein hohes Maß an Anwendbarkeit gewährleistet. Die entwickelten Lösungsansätze ermöglichen eine Lösung von praxisnahen Problemgrößen.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Clausen

Förderung und Partner