Einsatz-Management von Loks und Lokpersonal im Güterverkehr der SBB Cargo (Andreas Razen, Term Project, Summer 2004)

Zusammenfassung

Die SBB Cargo ist die Tochterunternehmung der Schweizerischen Bundesbahnen für den Güterverkehr. Den Hauptteil ihrer Verkehrsleistung erbringt sie im alpenquerenden Verkehr auf der Nord-Süd-Achse durch die Schweiz. Der Grossteil dieses Verkehrs wird in Quartalsfahrplänen festgelegt. Die Zuordnung von Lokomotiven und Lokführern zu den Zügen erfolgt zentral durch das Einsatz-Management in Basel. Das Planungsziel dieser Einheit ist die Minimierung des Ressourcenaufwands (Loks und Personal), um die geforderte Leistung (gefahrene Züge) zu erbringen. Momentan wird die gesamte Planung von Hand erledigt. Computerprogramme werden lediglich zur grafischen Darstellung sowie zur Prüfung der Zulässigkeit der manuell erstellten Pläne eingesetzt.
Die zentrale Frage dieser Semesterarbeit war, ob sich auf algorithmischem Wege bessere Lösungen der Planungsprobleme des Einsatz-Management ermitteln lassen. Ziel der Arbeit war daher, das bisherige Planungsverfahren zu charakterisieren, das Planungsproblem formal zu modellieren und Algorithmen für die resultierenden Optimierungsprobleme zu entwerfen und zu beurteilen.

Reihe von neuen Loks

Um die Entscheidungsprobleme Lok-Zuordnung und Personal-Zuordnung herauszuarbeiten und formal zu modellieren, wurde zunächst das Einsatz-Management in die gesamte Wertschöpfungskette der SBB Cargo eingeordnet und das bestehende Planungsverfahren analysiert. Dazu wurden mit Unterstützung der Mitarbeiter der SBB Cargo die Entscheidungsfragen, Entscheidungsschranken und die Entscheidungs-kriterien (System-Ziele) herausgearbeitet und in verbale System-Modelle, jeweils unabhängig für Lok- und Personalplanung, zusammengefasst. In einem nächsten Schritt wurden diese Modelle in mathematische Optimierungsmodelle überführt. Ein erstes einfaches Modell, das Standardmodell für Probleme dieser Art basierend auf Netzwerk-Flüssen, beschreibt die grundlegenden Ideen zur mathematischen Darstellung der Lokplanung. Darauf aufbauend wurde ein allgemeines Modell für den Lokeinsatz konstruiert, welches auf eine realistische Beschreibung der praktischen Fragestellungen abzielt, insbesondere die Verwendung von verschiedenen Loktypen sowie die Berücksichtigung mehrerer Optimierungsziele. Des weiteren wurde ein Multidepot-Zuweisungsmodell für das Lokpersonal vorgeschlagen, welches einen fertigen Lokeinsatzplan sowie eine Liste aller zulässiger Personaltouren voraussetzt. Während sich das vereinfachte Ein-Typen Lok-Modell effizient als Minimalfluss-Problem lösen lässt, ist das Mehr-Typen Lok-Modell als ganzzahliges lineares Programm formuliert, dessen praktische Lösbarkeit von den tatsächlichen Problemgrössen abhängt. Die Beispielimplementation dieses Modells, basierend auf einem kommerziellen ILP-Solver, konnte für das gegebene Fallbeispiel mit 86 Zügen das Optimum von 15 benötigten Loks erreichen, wobei gleichzeitig die Anzahl der Leerfahrten auf 25 % gesenkt wurde.