90B06 Transportation, logistics
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Umsteigen ohne Warten
(2017)
Wir stellen einen mathematischen Optimierungsansatz zur Berechnung von periodischen Taktfahrplänen vor, bei dem die Umsteigezeiten unter
Berücksichtigung des Passagierverhaltens minimiert werden. Wir untersuchen damit den Einfluss wichtiger Systemparameter und Verhaltensmuster auf die Beförderungsqualität.
The task of periodic timetabling is to schedule the trips in a public transport system by determining arrival and departure times at every station such that travel and transfer times are minimized. To date, the optimization literature generally assumes that passengers do not respond to changes in the timetable, i.e., the passenger routes are fixed. This is unrealistic and ignores potentially valuable degrees of freedom. We investigate in this paper periodic timetabling models with integrated passenger routing. We show that different routing models have a huge influence on the quality of the entire system: Whatever metric is applied, the performance ratios of timetables w.r.t. to different routing models can be arbitrarily large. Computations on a real-world instance for the city of Wuppertal substantiate the theoretical findings. These results indicate the existence of untapped optimization potentials that can be used to improve the efficiency of public transport systems.
Wir illustrieren anhand des Liniennetzes der Stadt Potsdam das Potenzial mathematischer Methoden der Angebotsplanung. Wir zeigen,
dass das "bestmögliche" Verkehrsangebot stark von planerischen Vorgaben beeinflusst wird, mit denen man die Erreichung unterschiedlicher und teilweise gegenläufiger Ziele steuern kann. Die Komplexität des Systems führt zum Auftreten von Rückkoppelungseffekten, die man nicht mit Hilfe von Daumenregeln beherrschen kann. Vielmehr ist der Einsatz moderner Planungsverfahren in einer interdisziplinären Zusammenarbeit von politischen Entscheidungsträgern, Verkehrsingenieuren und Mathematikern notwendig, um die aktuellen Herausforderungen in der Verkehrsplanung zu meistern. Der Artikel dokumentiert einen Beitrag zum 7. ÖPNV Innovationskongress des Ministeriums für Verkehr und Infrastruktur des Landes Baden-Württemberg, der vom 9.-11. März 2015 in Freiburg stattfand.
The task of timetabling is to schedule the trips in a public transport system by determining periodic arrival and departure times at every station. The goal is to provide a service that is both attractive for passengers and can be operated economically. To date, timetable optimization is generally done with respect to fixed passenger routes, i.e., it is assumed that passengers do not respond to changes in the timetable. This is unrealistic and ignores potentially valuable degrees of freedom. We investigate in this paper periodic timetabling models with integrated passenger routing. We propose several models that differ in the allowed passenger paths and the objectives. We compare these models theoretically and report on computations on real-world instances for the city of Wuppertal.
Mathematik im Verkehr
(2014)
Nach einem kurzen Abriss über die Bedeutung des Verkehrssektors als eine wichtige Schlüsseltechnologie im gesamten Verlauf der Menschheitsgeschichte skizzieren wir die Rolle der Mathematik für Verkehr und Transport. Wir spekulieren dann über zukünftige Entwicklungen, insbesondere im Bereich des öffentlichen Personenverkehrs, und begründen, dass die in diesem Bereich anstehenden Herausforderungen nur mit dem Einsatz mathematischer Methoden angemessen bewältigt werden können. Die demographischen Prozesse, die in verschiedenen Teilen der Welt unterschiedlich verlaufen, wie z.B. Überalterung in Europa oder dynamische Trends zu Megastädten in Entwicklungsländern, sich ändernde Lebens- und Produktionsverhältnisse, stark wachsender Bedarf nach Mobilität und enormes Anwachsen der Komplexität der Verkehrsplanung und -durchführung, machen einen verstärkten Zugriff auf mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung notwendig. Diese Entwicklung stellt sowohl große Herausforderungen an die Mathematik, wo vielfach noch keine geeigneten Methoden vorhanden sind, als auch an die Praktiker im Bereich von Verkehr und Transport, die sich mit neuen Planungs- und Steuerungstechnologien befassen und diese effizient einsetzen müssen. Hier wird intensive Kooperation zwischen vielen beteiligten Akteuren gefragt sein.
We propose a novel extended formulation for the line planning problem in public transport. It is based on a new concept of frequency configurations that account for all possible options to provide a required transportation capacity on an infrastructure edge. We show that this model yields a strong LP relaxation. It implies, in particular, general classes of facet defining inequalities for the standard model.
Vehicle rotation planning is a fundamental problem in
rail transport. It decides how the railcars, locomotives, and
carriages are operated in order to implement the trips of the
timetable. One important planning requirement is operational
regularity, i.e., using the rolling stock in the same way on every
day of operation. We propose to take regularity into account by
modeling the vehicle rotation planning problem as a minimum cost
hyperassignment problem (HAP). Hyperassignments are generalizations
of assignments from directed graphs to directed hypergraphs.
Finding a minimum cost hyperassignment is
NP-hard.
Most instances arising from regular vehicle rotation planning, however, can
be solved well in practice. We show that, in particular, clique
inequalities strengthen the canonical LP relaxation substantially.
Im Zuge der Übernahme von 6 Linien der Havelbus Verkehrsgesellschaft
mbH durch die ViP Verkehr in Potsdam GmbH ergab sich 2009 die Notwendigkeit der
Entwicklung eines neuen Linien- und Taktplans für das Jahr 2010.
Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB)
entwickelt in einem Projekt des DFG-Forschungszentrums Matheon ein Verfahren zur mathematischen Linienoptimierung. Dieses Tool wurde bei der Optimierung des ViP Linienplans 2010 in
einer projektbegleitenden Studie eingesetzt, um Alternativen bei
verschiedenen Planungs- und Zielvorgaben auszuloten.
In dem Artikel wird eine Auswertung der Ergebnisse mit dem Verkehrsanalysesystem Visum der PTV AG beschrieben. Die Auswertungen bestätigen, dass mit Hilfe von mathematischer Optimierung eine weitere Verkürzung der Reisezeit um 1%, eine
als um 6% verkürzt empfundene Reisezeit, 10% weniger Fahrzeit im
Fahrzeug und eine gleichzeitige Kostenreduktion um 5% möglich sind.
This paper proposes the first model for toll enforcement optimization
on German motorways. The enforcement is done by mobile control teams and our
goal is to produce a schedule achieving network-wide control, proportional to
spatial and time-dependent traffic distributions. Our model consists of two
parts. The first plans
control tours using a vehicle routing approach with profits and some side
constraints. The second plans feasible rosters for the control teams. Both
problems can be modeled as Multi-Commodity Flow Problems. Adding additional
coupling constraints produces a large-scale integrated integer programming
formulation. We show that this model can be solved to optimality for real
world instances associated with a control area in East Germany.
The track allocation problem, also known as train routing problem or train timetabling problem, is to find a conflict-free set of train routes of maximum value in a railway network. Although it can be modeled as a standard path packing problem, instances of sizes relevant for real-world railway applications could not be solved up to now. We propose a rapid branching column generation approach that integrates the solution of the LP relaxation of a path coupling formulation of the problem with a special rounding heuristic. The approach is based on and exploits special properties of the bundle method for the approximate solution of convex piecewise linear functions. Computational results for difficult instances of the benchmark library TTPLIB are reported.