Hub&Spoke-Netzwerke in der Logistik : modellbasierte Lösungsansätze für ihr Design

230 Pages·2006·9.845 MB·German

by  Bernd Wagner

Bemd Wagner
Hub&Spoke-Netzwerke in der Logistik
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Produktion und Logistik
Herausgegeben von
Professor Dr. Wolfgang Domschke,
Technische Universitat Darmstadt
Professor Dr. Andreas Drexl,
Universitat Kiel,
Professor Dr. Bernhard Fleischmann,
Universitat Augsburg,
Professor Dr. Hans-Otto Gunther,
Technische Universitat Berlin,
Professor Dr. Christoph Haehling von Lanzenauer,
Freie Universitat Berlin,
Professor Dr. Karl Inderfurth,
Universitat Magdeburg,
Professor Dr. Klaus Neumann,
Universitat Karlsruhe,
Professor Dr. Christoph SchneeweiB,
Universitat Mannheim (em.).
Professor Dr. Hartmut Stadtler,
Technische Universitat Darmstadt,
Professor Dr. HorstTempelmeier,
Universitat zu Koln,
Professor Dr. Gerhard Wascher,
Universitat Magdeburg
Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Gunther, Technische Universitat Berlin,
FG BWL-Produl(tionsmanagement Wilmersdorfer Stn 148, 10585 Berlin
Diese Reihe dient der Veroffentlichung neuer Forschungsergebnisse
auf den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen warden
vor allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und
Habilitationsschriften. Die Publikationen vermittein innovative Beitra-
ge zur Losung praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und
Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informa-
tionstechnologie.
Bernd Wagner
Hub&Spoke-Netzwerke
in der Logistik
Modellbasierte Losungsansatze fur ihr Design
Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Wolfgang Domschke
Deutscher Universitats-Verlag
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation In der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber
<http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Dissertation Technische Universitat Darmstadt, 2005
D17
I.Auflage Januar2006
Alle Rechte vorbehalten
© Deutscher Universitats-Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006
Lektorat: Brigitte Siegel / Nicole Schweitzer
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waren und daher von jedermann benutzt werden durften.
Umschlaggestaltung: Reglne Zimmer, DIpl.-Designerin, Frankfurt/Main
Druck und Buchbinder: Rosch-Buch, SchelSlitz
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed In Germany
ISBN 3-8350-0206-6
Geleitwort
Logistikuntemehmen waren lange Zeit umfangreichen staatlichen Regulierungen
unterworfen, welche unter anderem einen ruinosen Wettbewerb der konkurrieren-
den Gesellschaften verhindem sollten. Die Beschrankungen standen vielfach einer
freien Wahl der Netz- und Preisstruktur entgegen. Mittlerweile wurden beispiels-
weise im Flugverkehr und im StraBengiiterverkehr sowohl in den USA als auch in
der EU die entsprechenden Markte liberalisiert. Weitere Deregulierungen - wie die
fur Postdienstleistungen innerhalb von Deutschland - werden folgen. Durch hohen
Wettbewerbsdruck und steigende Transportvolumina ist eine exzellente Planung
der Netzstruktur von entscheidender Bedeutung fur den wirtschaftlichen Erfolg und
das Bestehen der Untemehmen.
Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit Hub Location Problemen, dem Design
von Hub&Spoke-Netzwerken. Diese Art von Netzwerken zeichnet sich dadurch
aus, dass Transporte nicht direkt vom Start- zum Zielort durchgefuhrt werden, son-
dem iiber mehrere Abschnitte erfolgen. Auf den einzelnen Teilabschnitten werden
Outer bzw. Personen mit unterschiedlichem Start- oder Zielort gemeinsam trans-
portiert, was Kosten- und teilweise Transportzeitvorteile ermoglicht. Bei den be-
trachteten Problemstellungen werden unterschiedliche Zielsetzungen und Rahmen-
bedingungen beziiglich der zu erstellenden Netzwerke beriicksichtigt.
Herr Wagner stellt ein neues Klassifikationsschema vor, anhand dessen sich die re-
levanten Aspekte einer Problemstellung strukturiert beschreiben lassen. Angelehnt
an entsprechende Ansatze fur Maschinenbelegungs- und Tourenplanungsprobleme
leitet er daraus Kurzbezeichnungen fur Hub Location Probleme ab, welche kurz
und pragnant die Problemcharakteristika wiedergeben.
Typischerweise unterstellen die eingesetzten Losungsverfahren zumeist ein verein-
fachtes Modell des realen Systems. Fiir eine Reihe derartiger Problemstellungen
wird untersucht, ob sich trotz zum Teil starker Vereinfachungen praxisrelevante
Netzstrukturen gewinnen lassen.
Femer werden flir viele Problemvarianten modellbasierte Losungsansatze entwi-
ckelt, welche den aus der Literatur bekannten iiberlegen sind. Sie bestehen aus ge-
schickt formulierten mathematischen Optimierungsmodellen und speziell ange-
passten Preprocessing-Techniken. Zur Losungsgenerierung kommt entsprechende
Standardsoftware zum Einsatz. Diese Vorgehensweise hat zwei Hauptvorteile:
Zum Einen lasst sich ein solcher Losungsansatz vergleichweise leicht implementie-
ren, was bei algorithmischen Vorgehensweisen meist nicht der Fall ist. Zum Zwei-
VI Geleitwort
ten kann man so von den Verbesserungen in neueren Versionen der Standardsoft-
ware profitieren. Gerade in den letzten Jahren sind hier dramatische Fortschritte zu
verzeichnen. Modellbasierte Losungsverfahren spielen sowohl in der Lehre als
auch in der Forschung durch die nun zur Verfugung stehende leistungsfahige Stan-
dardsoftware eine immer groBere Rolle. Fur ausgewahlte Problemstellungen sind
auch Losungsalgorithmen beschrieben, fur die keine Standardsoftware erforderlich
ist.
Wolfgang Domschke
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als Wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Fachgebiet fur Operations Research des Institutes fur Betriebswirtschafts-
lehre der TU Darmstadt. Sie wurde im September 2005 vom Fachbereich fur Rechts-
und Wirtschaftswissenschaflen als Dissertation angenommen.
An erster Stelle mochte ich mich bei meinem Doktorvater, Herm Prof. Dr. Wolfgang
Domschke, bedanken. Er hat mich bei der Anfertigung der Arbeit auf idealtypische Art
und Weise unterstiitzt und mir als Mitarbeiter groBziigige Freiheiten eingeraumt. Ohne
die auBerst vertrauensvolle Zusammenarbeit ware es nicht zu einer Arbeit in der vorlie-
genden Form gekommen. Bedanken mochte ich mich auch bei Herm Prof I>r. Peter
Buxmann fur die Ubemahme des Korreferates.
Zum Gelingen der vorliegenden Arbeit haben in hohem Mafie meine Koliegen am Lehr-
stuhl beigetragen. Ohne Frau Dr. Gabriela Mayer hatte ich wahrscheinlich keine Promo
tion und insbesondere keine iiber die Gestaltung von Hub&Spoke-Netzwerken ins Auge
gefasst. Herr Dr. Robert Klein hat mir viele Hinweise gegeben und damit an einigen
Stellen eine betriebsblinde Betrachtungsweise verhindert. Frau Dipl.-Wirtsch.-Inform.
Anita Petrick danke ich insbesondere fur zahlreiche fruchtbare Diskussionen und dafiir,
dass Sie mir in der „hei6en Phase" am Lehrstuhl den Rucken freigehalten hat. Frau Petra
Hechler hat mich mit ihrer positiven Art insbesondere in den Zeiten sehr gut unterstiitzt,
in denen ich nicht so gut wie gewunscht voran kam.
Weiterhin mochte ich mich bei den Herren Dipl.-Wirtsch.-Ing. Martin Albrecht, DipL-
Math. Michael Schmitt und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Seipl fur die Durchsicht des
Manusskriptes und ihre kritischen Anmerkungen bedanken.
Zahlreiche Studierende bzw. Absolventen haben mich mit ihren Seminar-, Studien- und
Diplomarbeiten sowie mit begleitenden Diskussionen unterstiitzt. Stellvertretend fiir
viele seien an dieser Stelle die Herren Dipl.-Wirtsch.-Inform. Michael Betz und Dipl.-
Wirtsch.-Inform. Holger Schinzel erwahnt.
Besonders herzlicher Dank gebiihrt meinen Eltem. Ihre uneingeschrankte Forderung
meines Werdegangs hat die Anfertigung der vorliegenden Arbeit erst ermoglicht.
Bemd Wagner
Inhaltsverzeichnis
Abkfirzungs- und Symbolverzelchnis XIII
1 Einleitung 1
2 Problembaichreibung • • • • • • • • 7
2.1 Grundlagen 7
2.2 Klassifikationsschema 9
2.2.1 Netztopologie ...... ...... ............. 11
2.2.2 Hubcharakteristika. 14
2.2.3 Verbindungscharakteristika 15
2.2.4 Quelle-Ziel-Charakteristika. ............. 18
2.2.5 Zielsetzimg . 19
2.2.6 Kurzschreibweise fur Probleme 21
2.3 Literaturiibersicht ......... 22
3 TVansportkostenfokiissierte Probleme ........ 31
3.1 Transportkosten ... 32
3.1.1 Theoretische Erklamngsmodelle. . 33
3.1.1.1 Produktionsfaktoren 33
3.1.1.2 Fixkostendegression 38
3.1.1.3 Auslastungsmafiige Anpassimgen.. 40
3.1.1.4 Selektive Anpassimgen 42
3.1.1.5 Ausfuhrungszeitliche Anpassungen .... ...... 43
3.1.1.6 Erwartete Kosten 45
3.1.1.7 ZusammenfassungundAnwendungsgebiete ... 46
3.1.2 Empirische Erklamngsmodelle ..... 48
3.1.3 Benicksichtigung in der Literatur 56
X Inhaltsverzeichnis
3.2 Single Allocation - Probleme 60
3.2.1 Mengenunabhangige Durchschnittstransportkosten 60
3.2.1.1 Modelle mit Routenvariablen 61
3.2.1.2 Mehrguterflussmodelle 66
3.2.1.3 Rechentests 72
3.2.2 Vorgegebene Partition der Knoten 78
3.2.2.1 Modell von Sung und Jin (2001) 79
3.2.2.2 Modell von Wagner (2003) 80
3.2.2.3 Verallgemeinerte Problemstellungen 87
3.2.2.4 Losungsansatze 96
3.2.2.5 Rechentests 99
3.2.3 Mengenabhangige Durchschnittstransportkosten 104
3.2.3.1 Verallgemeinertes Cluster-Modell 105
3.2.3.2 Clusterbasierte Heuristiken ..... 108
3.3 Multiple Allocation - Probleme 114
3.3.1 Probleme mit mengenunabhangigen Transportkosten...... 114
3.3.1.1 Modelle mit Routenvariablen 114
3.3.1.2 Mehrguterflussmodelle. 117
3.3.1.3 Rechentests 120
3.3.2 Probleme mit mengenabhangigen
Durchschnittstransportkosten 124
3.3.2.1 Stiickweise lineare Kostenfunktionen 124
3.3.2.2 Modell von O'Kelly und Bryan (1998) 130
3.3.2.3 Modellerweiterungen 131
3.3.2.4 Mengenabhangige Stiickkosten auf alien
Transportabschnitten 133
3.3.2.5 Sukzessive lineare Programmierung 134
3.3.2.6 Rechentests 135
3.4 Zusammenfassung 142
Inhaltsverzeichnis XI
Zeitfokussierte Probleme 145
4.1 Transportzeiten 145
4.1.1 Anwendungshintergrund 145
4.1.2 Einflussfaktoren 147
4.1.3 Taktung 148
4.1.4 Zeitplanung bei koharenter stationarer Taktung 151
4.1.5 Zeitplanung bei inkoharenter stationarer Taktung. 157
4.2 Single Allocation - Probleme 159
4.2.1 Mengenunabhangige Zeitfunktion 159
4.2.1.1 Minimierung der maximalen Transportzeit. 159
4.2.1.2 Gegebene Zeitschranke 164
4.2.2 Vorgegebene Partition der Knoten 173
4.2.3 Mengenabhangige Zeitfunktion 178
4.2.3.1 Minimierung der maximalen Transportzeit 178
4.2.3.2 Gegebene Zeitschranke 178
4.3 Multiple Allocation - Probleme 190
4.3.1 Minimierung der maximalen Transportzeit 190
4.3.2 Gegebene Zeitschranke 194
4.3.2.1 Modell von Campbell (1994b) 194
4.3.2.2 Modell von Wagner (2004a) 195
4.3.2.3 Modell von Marianov et al. (1999) 198
4.3.2.4 Modell von Wagner (2004b) 199
4.4 Zusammenfassung 200
Zusammenfassung 203
Literaturverzeichnis 209