Echtzeitfähige Steuerung von Speditionsnetzwerken: Nutzung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien zur effizienten Durchführung von Transporten PDF
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Stefan Bock Echtzeitfiihige Steuerung von Speditionsnetzwerken GABLER EDITION WISSENSCHAFT Schriften zur quantitativen Betriebswirtschaftslehre Herausgegeben von Professor Dr. Kurt Bohr, Universitat Regensburg, Professor Dr. Wolfgang Buhler, Universitat Mannheim, Professor Dr. Werner Dinkelbach, Universitat Saarbrucken, Professor Dr. Gunter Franke, Universitat Konstanz, Professor Dr. Peter Hammann, Universitat Bochum, Professor Dr. Klaus-Peter Kistner, Universitat Bielefeld (schriftfuhrend), Professor Dr. Helmut Laux, Universitat Frankfurt (Maint Professor Dr. Otto Rosenberg, Universitat Paderborn, Professor Dr. Bernd Rudolph, Universitat Munchen In der Schriftenreihe werden hervorragende Forschungsergebnisse aus der gesamten Betriebswirtschaftslehre veroffentlicht. Die einzel nen Beitrage sollen quantitativ ausgerichtet sein. Hierbei wird von einer weiten Interpretation des Begriffes ausgegangen. Es werden sowohl Arbeiten mit mathematischem Hintergrund und mathemati schen Anwendungen als auch empirisch orientierte Beitrage aufge nommen. Ebenso werden Arbeiten veroffentlicht, bei den en die be triebswirtschaftliche In~erpretation formaler Ergebnisse im Vorder grund stehen. Stefan Bock Echtzeitfahige Steuerung von Speditionsnetzwerken Nutzung moderner Informations- und Kommunikationstechnologien zur effizienten Durchfuhrung von Transporten Deutscher Universit~its-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. Habilitationsschrift Universitat Paderborn, 2004 1. Auflage November 2004 Aile Rechte vorbehalten © Deutscher Universitats-Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2004 Lektorat: Brigitte Siegel/Sabine Scholler Der Deutsche Universitats-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.duv.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verla.9s unzulassig und strafbar. Das gilt insbe sondere fUr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dUrften. Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier ISBN-13:978-3-8244-8214-6 e-ISBN-13:978-3-322-81851-5 001: 10.1007/978-3-322-81851-5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2000 bis 2003 wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl fUr Betriebswirtschaftslehre, insbeson dere Produktionswirtschaft, der Universitat Paderborn sowie als Vertreter einer Hoch schuldozentur fUr Wirtschaftsinformatik mit dem Schwerpunkt Verteilte Optimierung in Produktions- und Logistiknetzwerken an der International Graduate School Dynamic In telligent Systems der Universitat Paderborn. Sie wurde in leicht veranderter Form unter dem Titel "Echtzeitfahige Steuerung von Transportnetzwerken" als Habilitationsschrift an der Fakultat fUr Wirtschaftswissenschaften angenommen. Da an ihrem Zustandekommen verschiedene Personen ganz unterschiedlich beteiligt waren, miichte ich an dieser Stelle die Gelegenheit nutzen, mich fUr die erhaltene Unterstiitzung zu bedanken. So ist zuerst Herr Prof. Dr. Otto Rosenberg zu nennen, der die vorliegende Arbeit und meinen wissenschaftlichen Werdegang akademisch betreut hat. Seine kontinuierliche Un terstiitzung und die nicht zuletzt durch sein Wirken erzeugte freundliche und besonders konstruktive Arbeitsatmosphare an seinem Lehrstuhl haben wesentlich zum Entstehen der vorliegenden Schrift beigetragen. Insbesondere hat er mir in vielen Diskussionen wichti ge Anregungen zu meinen wissenschaftlichen Arbeiten gegeben. Fiir diese umfangreiche sowohl menschliche als auch wissenschaftliche Unterstiitzung und konstruktive Fiirderung bin ich ihm sehr dankbar. Auch bei Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Wilhelm Dangelmaier miichte ich mich fUr die Un terstiitzung meines wissenschaftlichen Werdegangs und die angenehme Zusammenarbeit im Sonderforschungsbereich 376 bedanken. Zudem hat Herr Prof. Dr.-Ing. habil. Wilhelm Dangelmaier die vorliegende Arbeit begutaehtet. Herrn Prof. Dr. Wolfgang Domsehke von der Teehnisehen Universitat Darmstadt danke ieh fUr die Ubernahme der Tatigkeit als ex terner Gutachter. Dariiber hinaus danke ieh Frau Prof. Dr. Leena Suhl, Herrn Prof. Dr. Winfried ReiB, Herrn Prof. Dr. Mario Rese, Frau Dr. Helqa Sehiwek und Herrn Ulf Kiihle fUr ihre Mitwirkung in der Habilitationskommission. Aueh miichte ieh mieh fUr die stete Diskussions- und Hilfsbereitschaft sowie die sehr gute Arbeitsatmosphare bei allen aktuellen und ehemaligen Kollegen des Lehrstuhls Betriebs- VI Vorwort wirtschaftslehre, insbesondere Produktionswirtschaft, bedanken. Besonders mochte ich in diesem Zusammenhang Frau Dipl.-Wirt. Inform. Martina Weddewer, Frau Karina Machu letz, Herrn Dipl.-Inform. Thomas van Brackel und Herrn Dr. Frank Balsliemke erwahnen, mit denen ich in den letzten Jahren zusammenarbeiten durfte. Fur die Ubernahme der miihevollen Aufgabe das vorliegende Manuskript Korrektur zu lesen, mochte ich zudem Frau Astrid Boker und Herrn Dipl.-Kfm. Thorsten Berkemeier danken. Meinen Eltern Marianne und Helmut Bock schulde ich fur die vielfaItige Forderung meines Werdegangs Dank. Insbesondere am Ende des Erstellungsprozesses der vorliegenden Schrift haben sie mich besonders unterstutzt. Stefan Bock Inhaltsverzeichnis Vorwort v Abbildungsverzeichnis XIII Tabellenverzeichnis XV Symbolverzeichnis XVII 1 Einleitung 1 2 Planung und Steuerung von Speditionsnetzwerken 5 2.1 Abgrenzung und Definition der Begriffe Transportplanung und Transport- steuerung ........................ . 5 2.2 Einordnung und Ausgestaltung von Transportaufgaben 7 2.2.1 Darstellung logistischer Begriffe und Aufgaben . 7 2.2.2 Abgrenzung des Transportbegriffs .. . 13 2.2.3 Eigenschaften von Transportaufgaben ..... . 14 2.2.3.1 Nutzbare Transportmittel ...... . 15 2.2.3.2 Aufbau von moglichen Transportketten . 18 2.2.3.3 Arten von kombiniertem Verkehr 19 2.3 Speditionen und Transportdienstleister . . . . . . . 20 2.3.1 Der Begriff der Spedition .......... . 20 2.3.2 Das Erscheinungsbild der Speditionsbranche 23 2.3.2.1 Allgemeine Strukturierung der Speditionsbranche 23 2.3.2.2 Marktsegmente und Marktverteilung ...... . 25 2.3.2.3 Einige empirische Daten zum Erscheinungsbild der Spedi- tionsbranche ...................... 27 2.4 Die derzeitigen Rahmenbedingungen im Gutertransportgewerbe . . . . .. 29 2.4.1 Aktuelle externe EFtwicklungstendenzen im Transportgewerbe . .. 30 2.4.1.1 Deregulierung des deutschen und europaischen Verkehrs- marktes ........... . 30 2.4.1.2 Okologische Umorientierung . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 VIII Inhal tsverzeichnis 2.4.1.3 Veranderungen der Nachfrage . . . . . . . . . . . . . . .. 37 2.4.1.4 Nutzung moderner Informationstechnologien. . . . . . .. 41 2.4.2 Strukturelle und strategische Veranderungen bei Transportdienstleis- tern ................................. 42 2.5 Problemstellungen im Rahmen einer effizienten Transportdurchftihrung 47 2.5.1 Strategische Planungsebene 48 2.5.2 Taktische Planungsebene . 55 2.5.3 Operative Planungsebene . 59 2.5.4 Steuerungsebene ..... 63 3 Steuerungskonzepte in der Produktion und Logistik 67 3.1 Ausgestaltungsformen von moglichen Grundkonzeptionen 68 3.1.1 Festlegung der Anpassungsfrequenz ... 69 3.1.2 Festlegung der Anpassungssynchronitat . 71 3.1.3 Festlegung der Anpassungstechnik . 73 3.1.4 Festlegung des Anpassungsumfangs .. . 77 3.1.5 Festlegung der Anpassungsdauer .... . 79 3.2 Die Grundkonzeption des gewahlten Steuerungsansatzes . 81 4 Bekannte Modelle zur Steuerung von Transportnetzwerken 85 4.1 Klassifizierung von Tourenplanungsproblemen 86 4.2 Modelle zur statischen Tourenplanung .... 95 4.2.1 Standardprobleme der Tourenplanung . 96 4.2.2 Erweiterte Modellformulierungen ... 103 4.2.2.1 Verallgemeinerte Pickup&Delivery-Probleme . 103 4.2.2.1.1 Mathematische Problemdefinition . . 103 4.2.2.1.2 Spezielle Dial-a-Ride-und Single-Load-Probleme 107 4.2.2.1.3 Beurteilung der allgemeinen Pickup&Delivery-Pro- bleme . . . . . . . . . . . . . . 109 4.2.2.2 Reload-Pickup&Delivery-Modelle........ 111 4.2.2.2.1 Der Reload-Ansatz von Oertel. . . . . 111 4.2.2.2.2 Beurteilung des Reload-PDP-Modells . 112 4.2.2.3 Modelle der operativen Fernverkehrsdisposition 113 4.2.2.3.1 Der Ansatz von Erdmann ..... 114 4.2.2.3.2 Der Ansatz von Brown und Ronen .. 116 4.2.2.3.3 Der statische Ansatz von Stumpf . . . 118 4.2.2.3.4 Beurteilung der statischen Ansatze zur operativen Fernverkehrsdisposition .......... 130 4.3 Modelle zur dynamischen Tourenplanung . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.3.1 Dynamische Ansatze zu Standard-Tourenplanungsproblemen 132 Inhaltsverzeichnis IX 4.3.1.1 Der Ansatz von Gendreau, Guertin, Potvin und Taillard 132 4.3.1.2 Das Konzept von Ichoua, Gendreau und Potvin . . . .. 135 4.3.2 Erweiterte dynamische Pickup&Delivery-Probleme. . . . . . . .. 139 4.3.2.1 Der Ansatz zur Steuerung von Multi-Vehicle-Truckload-Sys- temen von Yang, Jaillet und Mahmassani ......... 139 4.3.2.2 Der Ansatz zur Steuerung von Single-Load-Pickup-and-De livery-Netzwerken von Fleischmann, Gnutzmann und Sand- voB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143 4.3.2.3 Der dynamische PDP-Ansatz "DRIVE" von Savelsbergh und Sol . . . . . . . . . . . . 149 4.3.3 Dynamische Fernverkehrsdisposition. . 153 4.3.3.1 Der Ansatz von Pankratz und Gehring 154 4.3.3.2 Der dynamische Ansatz von Stumpf 155 4.3.3.3 Der Ansatz von Schmidt . . . 157 4.3.4 Beurteilung der dynamischen Ansatze . . . . . 163 5 Ein neues Modell zur Steuerung von Speditionsnetzwerken 165 5.1 Die Konstanten des Modells ......... . 166 5.1.1 Spezielle Konstanten zu Fahrzeugdaten .. 166 5.1.2 Spezielle Konstanten zu Auftragsdaten .. 171 5.1.3 Spezielle Konstanten zu Logistiknetzdaten 176 5.1.4 Spezielle Konstanten zu Fremdvergaben . 177 5.1.5 Spezielle Konstanten zur HubbefOrderung 178 5.1.6 Spezielle Konstanten zu StOrungen 179 5.2 Hilfsberechnungen .............. . 183 5.3 Die Losungsvariablen des Modells . . . . . . 184 5.3.1 Die Touren der einzelnen Fahrzeuge . 184 5.3.2 Die Touren der einzelnen Logistikauftrage 187 5.4 Veranderbarkeit der aktuellen Losung 190 5.5 Abgeleitete Parameter ......... . 190 5.6 Die Zielfunktion des Modells ...... . 200 5.6.1 Bestimmung der Transportkosten 201 5.6.2 Bestimmung der Fremdnutzungskosten 202 5.6.3 Bestimmung der Hubkosten ..... . 202 5.6.4 Bestimmung der Verspatungskosten .. 202 5.6.5 Bestimmung der Be- und Entladekosten 204 5.7 Die Nebenbedingungen des"M;odells ...... . 204 5.7.1 Uberpriifung der Definitj.onsbereiche der Variablen . 205 5.7.1.1 Variablen der Fahrzeugtouren 205 5.7.1.2 Variablen der Auftragstouren ...... . 205 x Inhaltsverzeichnis 5.7.2 Giiltigkeit der Fahrzeugtouren ..... . 206 5.7.2.1 Eindeutige Streckenzuordnung . 206 5.7.2.2 Ende der Fahrzeugtouren ... 206 5.7.2.3 Sonderwerte der Fahrzeugtourvariablen . 207 5.7.2.4 Uberpriifung der Ruhezeiten ...... . 208 5.7.2.5 Uberpriifung der Tourdauern ..... . 211 5.7.2.6 Uberpriifung der zeitlichen Abhangigkeiten in den Fahr- zeugtouren ..... . 212 5.7.2.7 Ausfalle der Fahrzeuge ..... . 218 5.7.2.8 AusfiHle der Strecken ...... . 218 5.7.2.9 Zusammenhangende Tourverlaufe 219 5.7.2.10 Tourenkonsistenz: Fahrzeuge-Auftrage 219 5.7.2.11 Korrektheit der geplanten Be- und Entladeaktivitaten 222 5.7.2.12 Einhaltung des maximalen Zuladevolumens und Zuladege- wichtes ........................... 224 5.7.3 Giiltigkeit der Auftragstouren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225 5.7.3.1 Eindeutige Beforderungsart bei jeder Auftragsbewegung 225 5.7.3.2 Zulassigkeit der Hub- und Fremdtransporte 225 5.7.3.3 Ende der Auftragstouren . . . . . . . . 226 5.7.3.4 Sonderwerte der Auftragstourvariablen 226 5.7.3.5 Zusammenhangende Tourverlaufe ... 227 5.7.3.6 Eindeutige Auftrag-Fahrzeug Zuordnung 228 5.7.3.7 Korrektheit der Auftragsumladeaktivitaten 228 5.7.3.8 Einhaltung der Zeitfenster . . . . . . . . . . 229 5.7.3.9 Kombinier-und Transportierbarkeit von Auftragen auf den Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . 230 5.7.3.10 Eindeutigkeit der Ladeaktivitaten . . . . . . . . . . . . .. 231 5.7.3.11 Zeitliche Lage der Ladeaktivitaten ... . . . . . . . . .. 231 5.7.3.12 Uberpriifung der zeitlichen Abhangigkeiten in den Auftrags- touren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6 Verfahren zur echtzeitfahigen Anpassung von Transportpl1i.nen 235 6.1 Globale iibergangsorientierte Suchverfahren . 235 6.2 Darstellung der eingesetzten Verfahren ... 239 6.2.1 Datentypen und Speicherverwaltung 240 6.2.2 Unterscheiduu'gzwischen Grob- und Feinlosung 242 6.2.3 Bestimmung einer Eroffnungslosung ...... . 244 6.2.3.1 Generierung alternativer Transportketten im Eroffnungs verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 246
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