Innovative Optimierungsalgorithmen für den österreichischen Bahnverkehr

Ziele/Ideen

Die Rail Cargo Austria (RCA) ist eines der führenden Bahnlogistikunternehmen Europas mit etwas mehr als 113 Millionen Tonnen beförderter Güter im Jahr 2018 und 8.502 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Alleine für den Gütertransport wurden 2018 653 Triebfahrzeuge und 25.698 Wagen eingesetzt.

Folgende Herausforderungen wurden von der Rail Cargo Austria im Bereich des österreichischen Güterverkehrs identifiziert:
Die verfügbaren Ressourcen werden immer knapper.
Der Kostendruck und der Druck hin zur Flexibilisierung steigen.
Seitens der Kunden wird die Einhaltung des Leistungsversprechens immer stärker gefordert und ist auch aufgrund der betriebswirtschaftlichen Notwendigkeiten bei den Kunden immer dringender.
Der Konkurrenz (LKWs sowie andere Eisenbahnverkehrsunternehmen) ist es aufgrund der kleinen und flexiblen Aufstellung möglich, schneller und günstiger zu agieren.

Konkrete Herausforderungen in der Planung der Güterzüge sind:
Komplexe Regelungen und viele Medienbrüche definieren die Planungsprozesse.
Die Disposition der Triebfahrzeuge ist ein äußerst komplexes Optimierungsproblem (aufgrund der großen Anzahl von möglichen Lösungen → Stichwort kombinatorische Explosion), bei dem der Mensch schon bei moderaten Datenmengen nicht mehr in der Lage ist, händisch optimale oder sehr gute Lösungen zu bestimmen.
Durch die lange Planungsdauer können Planerinnen und Planer manuell nur sehr eingeschränkt auf kurzfristige Ereignisse reagieren, daraus resultiert eine mangelnde Agilität.

Es steht für alle Stakeholder im Schienengüterverkehr außer Frage, dass eine automatisierte, möglichst schnelle Erstellung einer optimierten Lokumlaufplanung aufgrund der angeführten Herausforderungen sehr erstrebenswert ist. Eine solche Lokumlaufplanung führt zu einer deutlichen Kostenreduktion, einer Verminderung von Leerfahrten, einer Erhöhung der Ressourcennutzung sowie zu einer Verringerung des CO2-Ausstoßes.

Kurzbeschreibung

Die Rail Cargo Austria (RCA) ist unter den europäischen Spitzenreitern im Güterverkehr. Das Unternehmen transportierte 2018 mehr als 113 Mio. Tonnen Güter. Täglich werden 1400 Fahrten absolviert, denen ein komplexer und zeitaufwändiger Lokumlaufplan zugrunde liegt. Um Stehzeiten und Leerfahrten der Triebfahrzeuge und deren Belastung für die Umwelt zu reduzieren, wurde das Kärntner Start-up Hex GmbH beauftragt, forschungsintensive Optimierungsalgorithmen für die Umlaufplanung zu entwickeln. Die zukunftsweisenden Planungstools, die im Echtbetrieb der RCA zum Einsatz kommen, sollen in kontinuierlicher Zusammenarbeit weiterentwickelt und um neue Komponenten ergänzt werden. Bereits die erste Projektphase zeigte, dass die automatisierten Pläne mit einer Berechnungsdauer von ≈ 1 Minute, die manuelle Planung (≈ 10 Tage) ablösen können. Für die durchzuführenden Fahrten benötigt der Algorithmus 5 bis 10 % weniger Triebfahrzeuge, was zu einer höheren Effizienz und weniger CO2-Emissionen führt.

Resultate

In einer initialen Proof-of-Concept-Phase zum aktuellen Umsetzungsprojekt zwischen der Hex GmbH und der Rail Cargo Austria AG (RCA) konnte gezeigt werden, dass die Hex-Optimierungsalgorithmen für die selben Transportaufträge (Startpunkt, Endpunkt, Zeitpunkt) 5 bis 10 % weniger Triebfahrzeuge verplanen. Zudem konnte die Planungsdauer von ≈ 10 Tagen bei manueller Planung auf eine Berechnungsdauer von ≈ 1 Minute (automatisiert und optimiert) reduziert werden. Die Ergebnisse der Proof-of-Concept-Phase belegen den Nutzen der forschungsintensiven Optimierungsmodelle und die Dimension der Kostenreduktion, denn bei Logistikkosten in Millionenhöhe bedeutet jedes Prozent an Effizienzsteigerung eine immense Kostenersparnis und auch entsprechend kurze Amortisationszeiten der eingesetzten Projektmittel.

In der aktuellen Projektphase werden die Algorithmen erweitert und verfeinert, sodass u.a. die Wartungsintervalle der Triebfahrzeuge (notwendig in der Kurzfristplanung) und die Dienstpläne der Triebfahrzeugsführerinnen und -führer miteinbezogen werden. Zusätzlich berücksichtigen wir ergänzend zu den Umlaufplänen des Güterverkehrs (RCA) auch die Umlaufpläne des Personenverkehrs (ÖBB) und erweitern das betrachtete Schienennetzwerk und die darauf durchzuführenden Züge (Österreich -> Europa).

Aufbauend auf den Resultaten des PoC-Projekts konnte parallel zu unserem Umsetzungsprojekt ein zweijähriges FFG-Forschungsprojekt im Programm "Mobilität der Zukunft" mit dem Titel “Intelligente agentenbasierte Lokumlaufsimulation und -optimierung im Güterverkehr Österreichs” (Kurztitel: “AundO”) eingeworben werden (FFG-Projekt-Nummer: 867178; Laufzeit November 2018 - September 2020; Projektvolumen: € 538.335; Projektpartner: RCA, dwh GmbH, AAU, TU Wien). Dies unterstreicht nochmals den hohen Innovationsgrad der von uns für die RCA entwickelten Software. Im Rahmen von “AundO” werden forschungsintensive Fragestellungen hinsichtlich der Erweiterung und Kombination verschiedener KI-Methoden, wie beispielsweise Optimierung, agentenbasierte Simulation und maschinelles Lernen, untersucht. Das Forschungsprojekt zielt darauf ab, weitere Einsparungs- und Verbesserungspotentiale im Umfeld der Lokumlaufplanung zu identifizieren und somit die Know-How-Basis für eine, an das aktuelle Umsetzungsprojekt (Ende: März 2020) anschließende und darauf aufbauende Zusammenarbeit zu legen. Die Kombination aus Umsetzungs- und Forschungsprojekt bildet ein ideales Setup, um innovative, forschungsintensive Methoden gut fundiert und trotzdem zügig in die Umsetzung und Verwendung in der täglichen Praxis zu bringen.

Unser gesamtes Projekt hat durch eine effizientere Lokumlaufplanung positive Auswirkungen auf die urbane und ländliche Verkehrsbelastung und die Umwelt, da einerseits die Ressource “Triebfahrzeug” deutlich effektiver eingesetzt wird und andererseits die Wettbewerbsfähigkeit des umweltfreundlichen Verkehrsmittels “Bahn” gegenüber anderen Verkehrsträgern gestärkt wird.

Aufgrund der Entwicklungen in den Bereichen Automatisierung und Digitalisierung sehen wir langfristig großes Potential für unsere integrierte, dynamische Optimierungssoftware, insbesondere da die Datenverfügbarkeit und -qualität, gerade im Bahnsektor, über die letzten Jahre immer besser wurde. Auch die Integration unserer Optimierungssoftware in die Softwareumgebung der RCA funktionierte bisher problemlos, insbesondere auch auf Grund eines agilen, auf Vertrauen basierenden Projektmanagements mit intensiver Beteiligung der relevanten Stakeholder des Kunden. Insgesamt hat sich unsere Kooperation mit RCA und ÖBB über die letzten beiden Jahre zu einem zukunftsorientierten, langfristig angelegten Innovationsprojekt mit hoher strategischer Relevanz für die beteiligten Unternehmen entwickelt.

Partner

Rail Cargo Austria AG: Auftraggeber / Projektpartner