Zugführung im Schienengüterverkehr

Der Güterzug-Routen-Problem (FTRP, engl. freight train routing problem) wird wie folgt formuliert: Gegeben ist ein Transportnetz mit festen Routen für Personenzüge und eine Reihe von Güterzug-Anfragen, die jeweils durch ein Quelle-Ziel-Paar definiert sind. Das Optimierunsziel ist es, einen fahrbaren Weg für jeden Güterzug zu finden, so dass die Summe aller erwarteten Verzögerungen und aller Laufzeiten minimal ist. Untersuchungen in der Literatur konzentrieren sich bislang auf mikroskopische Zugrouten, zum Beispiel für Kreuzungen oder für größere Bahnhöfen. Erst neuere Ansätze gehen hin zu größeren Korridoren oder auch Netzen. Wir untersuchen die Routing-Problematik aus einer strategischen Perspektive, und sind daher an der Berechnung von Zugrouten in einem makroskopischen Verkehrsnetz der Deutschen Bahn AG interessiert. "Makroskopisch" bezieht sich hierbei auf eine Aggregation von komplexen realen Strukturen in wesentlich weniger Netzelemente in unserem Modell. Darüber hinaus sind die Abfahrts- und Ankunftszeiten von Güterzügen durch Zeitscheiben angenähert. Das Problem hat einen strategischen Charakter, da wir nur ein relativ grobes Zugrouting durch das Netz anstreben, ohne eine genaue zeitliche Planung.

Wir formulieren das FTRP als ein gemischt-ganzzahliges nichtlinearen Programm (MINLP), welches eine Mehrgüter-Fluss-Formulierung auf einem zeitexpandierten Graphen mit zusätzlichen Routen-Einschränkungen ist. Das Modell beinhaltet auch Nichtlinearitäten aufgrund einer algebraischen Approximation der Fahrzeiten der Züge auf den Netzkanten und der Wartezeiten in den Knoten des Netzes. Das MINLP wird auf ein gemischt-ganzzahligen lineares Modells (MILP) durch stückweise lineare Approximationen der nichtlinearen Funktionen reduziert. Wir verwenden verschiedene MILP-Löser und vergleichen ihre Ergebnisse mit heuristisch ermittelten Lösungen.

Partner

  • Zuse Institut Berlin
  • Deutsche Bahn AG, Frankfurt
  • Hanno Schülldorf, FAU Erlangen & Deutsche Bahn AG, Frankfurt

Weitere akademische Partner

  • Technische Universität Braunschweig
  • Technische Universität Chemnitz
  • Universität Dortmund
  • FAU Erlangen

Industriepartner

  • Deutsche Bahn AG, Frankfurt.

Finanzierung

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Programm "Mathematik für Innovationen in Industrie und Dienstleistungen", Projekt Kosmos.

Veröffentlichungen

  1. Ralf Borndörfer, Armin Fügenschuh, Torsten Klug, Thilo Schang, Thomas Schlechte, Hanno Schülldorf, The Freight Train Routing Problem , ZIB Technical Report ZR-13-36, 2013.
  2. Ralf Borndörfer, Armin Fügenschuh, Torsten Klug, Thomas Schlechte, Freight Train Routing , International Conference on Models and Technologies for ITS, 2011.

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