Scheduling rail freight node operations through a slot allocation approach

217 Pages·2016·2.96 MB·English

by  René Schönemann

Scheduling rail freight node operations through
a slot allocation approach
vorgelegtvon
Dipl.-Verkehrswirtschaftler
RenéSchönemann
geb. inHalle(Saale)
vonderFakultätV–Verkehrs-undMaschinensysteme
derTechnischenUniversitätBerlin
zurErlangungdesakademischenGrades
DoktorderIngenieurwissenschaften
–Dr.-Ing. –
genehmigteDissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. KaiNagel
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. JürgenSiegmann
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. ThomasSiefer
TagderwissenschaftlichenAussprache: 31. Mai2016
Berlin2016
D83

Abstract
Thepresentthesisexaminestheperformanceofcomplexfreighthandlingnodeswith
a focus on the transshipment from and to rail. Complex freight nodes can be found
forexampleinmajorseaportsorindustrialrailwaysoflargeindustrialplants. 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
inefficienciesinthecargohandlingcapacity.
This thesis is motivated by the aspiration of increasing the productivity and thus
thethroughputcapacityofgoods,wagonsandtrainsthroughcomplexfreightnodes
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-
specificrequirementsshallbeintegratedwithcustomer’sandlogisticsdemands. Ini-
tially, the rail-specific production processes of freight nodes are elaborated in a pro-
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
thehubs,areinvolvedin. Intheprocessanalysisitispointedoutthatduetothelarge
numberofactorsinvolvedincomplexhubsandduetothelackofasuperiorcoordi-
nator,itisexpectedthatthereisasignificantpotentialforincreasingtheefficiencyof
suchnodesduetonewdispatchingstrategies.
A two-step simulation and optimisation model approach is developed to investi-
gatetheproductivityofthecargotransshipmenttoandfromrail. Inthefirststageof
themodellingapproach,theperformanceoffreightnodesisanalysedinacombined
queueing and simulation environment. The model allows to examine the efficiency
ofindividualsystemcomponentsandtoidentifybottlenecks. Itisshownhowthein-
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-
tiondatafordeterminingstochasticprocessdurationsinthedifferentareasoffreight
hubs. Theyareofessentialsignificanceforthedevelopmentoftheslotmanagement
systeminthefurthercourseofthisthesis.
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. Theseslotplanscontroltheallocationofrailwayinfrastructureinthefor-
mationtracksofthemarshallingyardaswellasoftheloadingtracksinthetransship-
ment terminals. By gradually populating stochastic datafrom real-life observations,
theslotsystemistestedforrobustnessunderrealisticconditions. Astabilityanalysis
examines in several scenarios, how slot plans get influenced by various optimisa-
tionrulesandexternalfactors. Inparticular,unpunctualincomingfreighttrainshave
beenidentifiedashavingasignificantimpactontheslotstability. Withthedevelop-
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
thatkeepsthehubproductionsysteminasteadystate,providingthenecessarytrans-
parencytootherinvolvedstakeholders,particularlytorailwayundertakings. Iteven
allows reducing the dwell times of trains with arrival delays and thus reduces the
likelihoodthatthesedelaysaffectthetrain’ssubsequenttrips.
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-
nificantlystrengthenedthroughsuchaslotmanagementincombinationwithapow-
erfulreschedulingapproach. Thepresentedslot-basedhubproductionapproachop-
timises not only the processes of the hub itself, but also the processes for the benefit
ofotherstakeholdersinthetransportchain,suchasforwarders,shippersorrailway
undertakings.
II
Zusammenfassung
DievorliegendeDissertationuntersuchtdieLeistungsfähigkeitkomplexerGüterum-
schlaganlagenmitHauptaugenmerkaufdenUmschlagvonundzumSchienengüter-
verkehr. KomplexeGüterumschlaganlagenfindensichbeispielsweiseingroßenSee-
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-
ativundspontanausgeführt. DieunzulänglicheOrganisationdesBahnbetriebsführt
auchzuwesentlichenEffizienzverlusteninderGüterumschlagsleistung.
Die vorliegende Dissertation ist motiviert durch das Bestreben, die Produktivität
unddamitdieDurchsatzleistungvonGütern,WaggonsundGüterzügendurchkom-
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
gemachtwerden.
IneinerProzessanalysewerdenzunächstdieBahn-ProduktionsprozessevonUm-
schlagknoten des kombinierten Verkehrs dargestellt. Dabei wird auf die Eigen-
schaften verschiedener Terminal-Typen, die Umschlagtechniken sowie die Prozess-
folgen,dieGüterzügeinnerhalbderHubsdurchlaufen,eingegangen. InderProzess-
analysewirdherausgestellt,dassaufgrundderVielzahlinvolvierterAkteureinkom-
plexenHubsundaufgrunddesFehlenseinesübergeordnetenKoordinatorseinerhe-
bliches Potential zur Erhöhung der Effizienz durch geeignete Dispositionsstrategien
zufindenist.
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
UmschlagknotenineinerkombiniertenWarteschlangen-undSimulationsumgebung
analysiert. Das Modell ermöglicht es, die Effizienz einzelner Anlagenteile zu un-
tersuchen sowie Engpässe identifizieren zu können. Es zeigt sich, wie die Wechsel-
beziehungenzwischendenverschiedenenProzessenbeiunzureichenderProzessko-
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-
schiedenenAnlagenteilen. DiesewerdenfürdieEntwicklungdesSlot-Management-
SystemsimweiterenVerlaufderArbeitvonwesentlicherBedeutungsein.
Im zweiten Schritt, der Optimierungsphase, werden Slot-Pläne für die Führung
vonGüterzügendurchmehrereAnlagenteilemitHilfeeinesVerfahrensderlinearen
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-MechanismenwirddasSlot-ManagementumeinleistungsfähigesTool
erweitert, das das Hub-Produktionssystem in einem stabilen Zustand hält. Es er-
möglicht die Reduzierung der Verweilzeiten verspäteter Züge und verringert damit
dieWahrscheinlichkeit,dasssichVerspätungenaufFolgefahrtenauswirken.
Mit dem derzeitigen Produktionssystem wurden Umschlagknoten als schwächste
Glieder in der Transportkette identifiziert. Durch ein Slot-Management in Kombi-
nation mit einem leistungsfähigen Rescheduling-Ansatz kann ihre Position deutlich
gestärkt werden. Der vorgestellte Ansatz optimiert dabei nicht nur die Prozesse
des Umschlagknotens selbst, sondern auch die Prozesse zugunsten der anderen
Beteiligten in der Transportkette, wie z.B. Speditionen, Verlader oder Eisenbahnun-
ternehmen.
IV
Contents
Abstract I
Zusammenfassung III
List of (cid:28)gures VIII
List of tables XI
List of acronyms XV
List of symbols XVII
1 A slot management coordination mechanism for complex freight hubs 1
1.1 Backgroundandmotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Recentadvancesinrailwayandfreightterminalresearch . . . . . . . . 4
1.2.1 Freightterminalplanning,simulation,andoptimisation . . . . 5
1.2.2 Railwaycapacity,timetabling,andscheduling . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Slotallocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Researchobjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Researchmethodologyandthesisstructure . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Scientificandsocietalrelevance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Railway-based freight transport networks 17
2.1 Hub-and-spoketransportnetworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Railfreightproductionsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Blocktrainservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Singlewagonloadtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Intermodalfreighttransport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Intermodalnetworkhubtechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Inlandroad-railterminal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Seaportcontainerterminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
V
2.4 Exchangeoperationsinintermodalhubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1 Thefunctionalstructureofintermodalhubs . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Stakeholderinvolvementinhuboperations . . . . . . . . . . . . 31
2.5 Railwayprocessesinintermodalterminals . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.1 Processsequenceofincomingtrains . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.2 Processsequenceofoutgoingtrains . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6 Thequalityofprocesscoordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.1 Transportationplanningprocesslevels . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.2 Capacityplanningofrailfreightnodes . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.3 Growthinmaritimetrafficanditseffectsonhubdevelopment . 43
2.7 Chaptersummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3 Slot management as a planning mechanism 47
3.1 Ageneraldefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Slotmanagementinasupplychaincontext . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Successfulimplementationsofslotmanagement . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Parceldeliveryservicesandfreightdistribution . . . . . . . . . 52
3.3.3 Computernetworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Slotmanagementdesigninrailwayoperations . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.1 Thegeneralrailwaytrackallocation . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.2 Presentstateofslotallocationinrailfreightyards . . . . . . . . 57
3.5 Chaptersummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Productivity and capacity of rail freight nodes 61
4.1 Generalprocedureonmodelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Thehybridsimulationmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 Queueingsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2 Event-basedsimulationsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.3 Modellingapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.4 Expectedsimulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Initialexperimentdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.1 Thetrainarrivalprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.2 Theprocessesofincomingtrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.3 Theshuntingprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.4 Theprocessoftransshipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.5 Theprocessofoutgoingtrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
VI
4.4 Evaluationofterminalperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.1 Setofexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.2 Simulationscenario1: usingdeterministictimes . . . . . . . . . 82
4.4.3 Simulationscenario2: stepwiseincreaseofstochasticdwelltimes 85
4.4.4 Simulationscenario3: stochasticarrivaltimes . . . . . . . . . . 89
4.4.5 Conclusionsontheproductivityassessment . . . . . . . . . . . 90
4.5 Chaptersummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5 Railway yard slot scheduling 95
5.1 Timeslotdevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.1 Determinationoftheminimumrequiredprocesstimes . . . . . 97
5.1.2 Determinationoftheplannedprocesstimes . . . . . . . . . . . 102
5.1.3 Slotdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.4 Robustnessoftimeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 Optimisingrailfreightyardslotplans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.1 Principlesofscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Railfreightyardgraphmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.3 Hierarchicalplanningandreductionofschedulingspace . . . . 112
5.3 Timeslotschedulinginthenon-delayedcase . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.1 Prerequisites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3.2 Theschedulingmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.3 Inputdataandexpectedresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.4 Computationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4 Timeslotschedulingwithbasicarrivaltimedeviations . . . . . . . . . 121
5.4.1 Thearrivaldelayofasingletrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Thearrivaldelayofseveraltrains . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4.3 Theearlyarrivalofasingletrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.4.4 Theearlyarrivalofseveraltrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5 Timeslotschedulingwitharrivaluncertainty . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.6 Reschedulingtimeslots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.6.1 Firstcomefirstserved(FCFSreschedulingrule) . . . . . . . . . 132
5.6.2 Minimisationofthemaximumdelays(MMDreschedulingrule) 133
5.6.3 Minimumslotswap(MSSreschedulingrule) . . . . . . . . . . . 135
5.6.4 Comparisonandevaluationofreschedulingmeasures . . . . . 136
5.7 Chaptersummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
VII
6 Requirements and incentives to implement slot management 141
6.1 Predictionoftrainarrivaltimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.1 Recentadvancesindelayestimation . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.2 Independentmethodsfortheestimationofarrivaltimes . . . . 143
6.1.3 Summaryonthepredictionoftrainarrivaltimes . . . . . . . . . 151
6.2 Economicissuesandpricingschemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.2.1 Theyardmanager’sperspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.2 Therailwayundertaking’sperspective . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.3 Slotmanagementasanenablertoreduceuncertainties . . . . . 157
6.2.4 Furtherpricingelementsinfluencingthehubefficiency . . . . . 158
6.2.5 Summaryoneconomicmattersandpricingschemes . . . . . . 160
7 Conclusions and closing remarks 163
7.1 Resumeofthemainachievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2 Concludingcriticstotheusedmodelandmethodologies . . . . . . . . 167
7.3 Futureresearchpotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.3.1 Newroleofthehubmanagerinthetransportchain . . . . . . . 169
7.3.2 Simplificationofprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.3 Effectsofenergy-efficienttraindrivingonyardperformance . . 170
A Appendix 171
A.1 Initialslotplan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2 Plannedtimetable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.3 Slotplanwithonetechnicianteam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.4 Slotplanwithtwotechnicianteams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.5 Slotplanwithdelayoftwotrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.6 Slotplanwithrandomdelays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.7 RescheduledslotplanusingtheFCFSrule. . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.8 RescheduledslotplanMinimisingtheMaximumDelays . . . . . . . . 179
A.9 RescheduledslotplanusingtheMinimumSlotSwapRule . . . . . . . 180
Bibliography XXI
VIII