Scheduling Rail Freight Node Operations Through a Slot Allocation Approach
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
Scheduling rail freight node operations through a slot allocation approach vorgelegt von Dipl.-Verkehrswirtschaftler René Schönemann geb. in Halle (Saale) von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften – Dr.-Ing. – genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Kai Nagel Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Siegmann Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Thomas Siefer Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 31. Mai 2016 Berlin 2016 D 83 Abstract The present thesis examines the performance of complex freight handling nodes with a focus on the transshipment from and to rail. Complex freight nodes can be found for example in major seaports or industrial railways of large industrial plants. When investigating the railway-specific processes of freight hubs, it has been particularly noticed that they practice an improvised rather than a scheduled operations policy, also known as timetable-free scheduling. That means that the necessary cargo han- dling process steps are performed rather spontaneous and without much planning efforts. The inadequate organisation of railway operations also leads to significant inefficiencies in the cargo handling capacity. This thesis is motivated by the aspiration of increasing the productivity and thus the throughput capacity of goods, wagons and trains through complex freight nodes as an overall system. The existing shortcomings shall be resolved by means of a robust hub scheduling approach which synchronises the work processes in freight yards with the preceding and succeeding links in the transport chain. By replacing the timetable-free operations in the railway yard with a process-oriented coordina- tion mechanism based on a time windows (slot management) strategy, the railway- specific requirements shall be integrated with customer’s and logistics demands. Ini- tially, the rail-specific production processes of freight nodes are elaborated in apro- cess analysis. It examines the properties of various terminal types, the cargo han- dling techniques, and the process sequences that freight trains, which pass through the hubs, are involved in. In the process analysis it is pointed out that due to the large number of actors involved in complex hubs and due to the lack of a superior coordi- nator, it is expected that there is a significant potential for increasing the efficiency of such nodes due to new dispatching strategies. A two-step simulation and optimisation model approach is developed to investi- gate the productivity of the cargo transshipment to and from rail. In the first stage of the modelling approach, the performance of freight nodes is analysed in a combined queueing and simulation environment. The model allows to examine the efficiency of individual system components and to identify bottlenecks. It is shown how the in- I terrelationships between the various processes can have a negative influence on the terminal performance when process coordination is insufficient. In particular, it is illustrated, how the turnover rate of the hub decreases when overloaded. A central aspect of the simulation is the computation of distribution functions from observa- tion data for determining stochastic process durations in the different areas of freight hubs. They are of essential significance for the development of the slot management system in the further course of this thesis. In the second step, the optimisation phase, slot plan sequences for the processing of trains through the freight node are developed by means of a linear programming approach. These slot plans control the allocation of railway infrastructure in the for- mation tracks of the marshalling yard as well as of the loading tracks in the transship- ment terminals. By gradually populating stochastic data from real-life observations, the slot system is tested for robustness under realistic conditions. A stability analysis examines in several scenarios, how slot plans get influenced by various optimisa- tion rules and external factors. In particular, unpunctual incoming freight trains have been identified as having a significant impact on the slot stability. With the develop- ment of appropriate rescheduling mechanisms it is further shown that the stability of the slot plans can be ensured even with heavy arrival time deviations. With the rescheduling approach, the slot management has been extended to a powerful tool that keeps the hub production system in a steady state, providing the necessary trans- parency to other involved stakeholders, particularly to railway undertakings. It even allows reducing the dwell times of trains with arrival delays and thus reduces the likelihood that these delays affect the train’s subsequent trips. With the current production system, transshipment nodes were identified as the weakest link in the transport chain. The thesis shows that their position can be sig- nificantly strengthened through such a slot management in combination withapow- erful rescheduling approach. The presented slot-based hub production approach op- timises not only the processes of the hub itself, but also the processes for the benefit of other stakeholders in the transport chain, such as forwarders, shippers or railway undertakings. II Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation untersucht die Leistungsfähigkeit komplexer Güterum- schlaganlagen mit Hauptaugenmerk auf den Umschlag von und zum Schienengüter- verkehr. Komplexe Güterumschlaganlagen finden sich beispielsweise in großen See- häfen oder bei Werkbahnen großer Industrieanlagen. Bei der Untersuchung der eisenbahnspezifischen Prozesse von Güterverkehrsknoten wird deutlich, dass diese zu einem großen Teil einer improvisierten statt einer geplanten Betriebsstrategie unterliegen, auch bekannt als ablaufplanfreie Disposition. Das heißt, die für den Güterumschlag erforderlichen Prozessschritte werden ohne lange Vorplanung oper- ativ und spontan ausgeführt. Die unzulängliche Organisation des Bahnbetriebs führt auch zu wesentlichen Effizienzverlusten in der Güterumschlagsleistung. Die vorliegende Dissertation ist motiviert durch das Bestreben, die Produktivität und damit die Durchsatzleistung von Gütern, Waggons und Güterzügen durch kom- plexe Knoten als Gesamtsystem zu erhöhen. Die bestehenden Unzulänglichkeiten sollen mit Hilfe eines robusten Hub-Scheduling-Ansatzes, welcher die Arbeit- sprozesse in Güterbahnhöfen mit den vorausliegenden und den nachfolgenden Gliedern der Transportkette synchronisiert, gelöst werden. Durch das Ersetzen der planfreien Abläufe in den Eisenbahnknoten mit einem prozessorientierten Ko- ordinierungsmechanismus, basierend auf Zeitfenster-Strategien (Slot-Management), sollen die eisenbahn-spezifischen Anforderungen mit denen der Logistik vereinbar gemacht werden. In einer Prozessanalyse werden zunächst die Bahn-Produktionsprozesse von Um- schlagknoten des kombinierten Verkehrs dargestellt. Dabei wird auf die Eigen- schaften verschiedener Terminal-Typen, die Umschlagtechniken sowie die Prozess- folgen, die Güterzüge innerhalb der Hubs durchlaufen, eingegangen. In der Prozess- analyse wird herausgestellt, dass aufgrund der Vielzahl involvierter Akteure in kom- plexen Hubs und aufgrund des Fehlens eines übergeordneten Koordinators ein erhe- bliches Potential zur Erhöhung der Effizienz durch geeignete Dispositionsstrategien zu finden ist. III In einem zweistufigen Simulations- und Optimierungsmodell wird anschließend die Produktivität beim Güterumschlag von und zum Schienengüterverkehr unter- sucht. In der ersten Stufe des Modellansatzes wird die Leistungsfähigkeit von Umschlagknoten in einer kombinierten Warteschlangen- und Simulationsumgebung analysiert. Das Modell ermöglicht es, die Effizienz einzelner Anlagenteile zu un- tersuchen sowie Engpässe identifizieren zu können. Es zeigt sich, wie die Wechsel- beziehungen zwischen den verschiedenen Prozessen bei unzureichender Prozessko- ordination die Terminal-Performance negativ beeinflussen. Insbesondere kann dargestellt werden, wie die Umschlagleistung bei Überlastung abnimmt. Ein zen- traler Aspekt der Simulation ist die Entwicklung von Verteilungsfunktionen aus Beobachtungsdaten für die Bestimmung stochastischer Prozessdauern in den ver- schiedenen Anlagenteilen. Diese werden für die Entwicklung des Slot-Management- Systems im weiteren Verlauf der Arbeit von wesentlicher Bedeutung sein. Im zweiten Schritt, der Optimierungsphase, werden Slot-Pläne für die Führung von Güterzügen durch mehrere Anlagenteile mit Hilfe eines Verfahrens der linearen Optimierung entwickelt. Diese Slot-Pläne steuern die Belegung der Schieneninfras- truktur in den Vorstellgleisen wie auch in den Ladegleisen der Umschlagterminals. Durch das schrittweise Einpflegen stochastischer Daten aus Beobachtungen wird das Slot-System auf Robustheit unter realistischen Bedingungen getestet. Im Rah- men der Stabilitätsuntersuchung wird in verschiedenen Szenarien geprüft, welchen Einfluss diverse Optimierungsregeln sowie externe Faktoren auf die Slot-Pläne haben. Es zeigt sich, dass insbesondere unpünktlich ankommende Güterzüge einen wesentlichen Einfluss auf die Slot-Stabilität haben. Mit der Entwicklung geeigneter Rescheduling-Mechanismen wird das Slot-Management um ein leistungsfähiges Tool erweitert, das das Hub-Produktionssystem in einem stabilen Zustand hält. Es er- möglicht die Reduzierung der Verweilzeiten verspäteter Züge und verringert damit die Wahrscheinlichkeit, dass sich Verspätungen auf Folgefahrten auswirken.