Verlässliche und integrierte Planung von Umläufen und Schichten in Eisenbahnsystemen
Die Planung von Ressourcen in Eisenbahnsystemen ist aufgrund ihrer Vielzahl, Komplexität und der Wechselwirkungen von Infrastruktur, Triebfahrzeugen und Personal eine Herausforderung. Das Ziel der Planung besteht darin, einen effizienten und zuverlässigen Bahnbetrieb sicherzustellen, wobei in diesem Projekt der Schwerpunkt auf der Planung von Triebfahrzeugen und Personal liegt. Beide Planungsaufgaben sind für sich genommen bereits äußerst komplex und stellen formal NP-schwere Probleme dar.
Dieses Projekt zielt darauf ab, sowohl die Umlaufpläne für Triebfahrzeuge als auch die Schichtpläne für Zugpersonal so zu gestalten, dass sie effizient und zuverlässig sind. Um die Güte, der mit mathematischen Optimierungsmodellen und ausgefeilten Lösungsverfahren ermittelten Pläne in einer realistischen Umgebung abzuschätzen, werden sie durch eine agentenbasierte Simulation detailliert evaluiert. Der große Vorteil der agentenbasierten Simulation besteht in der Möglichkeit, alle relevanten Details auszuwerten und hinsichtlich Verlässlichkeit zu evaluieren. Optimierungsmodelle müssen hingegen von den Details des Gesamtsystems Bahn abstrahieren, um zufriedenstellende Lösungen in akzeptablen Laufzeiten zu finden.
Im Rahmen von VIPES widmen wir uns explizit dem effektiven Informationsaustausch zwischen optimierungsbasierter Planung und simulationsbasierter Evaluation. Eine KI-basierte Komponente identifiziert und analysiert zunächst getrennt für Umlauf- und Schichtplanung Strukturen effizienter und zuverlässiger Lösungen und nutzt diese Erkenntnisse, um situationsspezifisch in einem iterativen Prozess die mathematische Optimierung und die Simulation zur Zuverlässigkeitsevaluation jeweils zielgerichtet mit den notwendigen Informationen zu versorgen und so smart zu koppeln. Zudem wird eine Simheuristik entwickelt, die eine integrierte Planung von Triebfahrzeugen und Personal vorsieht und die Planungsgüte in Gänze mittels Simulation auf Verlässlichkeit überprüft. Die Abstimmung zwischen Optimierung, Simulation und Re- Optimierung übernimmt erneut die KI-basierte Steuerungskomponente. Im Ergebnis werden die entwickelten digitalen Technologien dazu beitragen, die Effizienz und Zuverlässigkeit der von den ÖBB betriebenen Verkehre zu erhöhen. Zudem resultieren Umlauf- und Schichtpläne, die in der Praxis besser erklärbar sind und daher von Betreibenden und Personal eher akzeptiert werden.
Das Konsortium wird von der dwh GmbH geleitet und besteht ferner aus der ÖBB Produktion GmbH, der Universität Wien und der Technischen Universität Dresden. Die dwh GmbH ist federführend für die agentenbasierte Simulation, die Analyse von Störungsdaten und das Projektmanagement verantwortlich. Die ÖBB stellen die erforderlichen Fahrplan-, anonymisierten Personalbedarfs- und Störungsdaten zur Verfügung und steht für Diskussionen zu den einschlägigen Planungsproblemen bereit. Die TU Dresden wird insbesondere mathematische Modelle für die Umlauf- und Schichtplanung sowie geeignete Lösungsansätze weiterentwickeln. Die Universität Wien wird Störungen mittels Verlässlichkeitsmodellen abbilden und die Entwicklung einer KI-basierten Steuerung leiten, die eine smarte Schnittstelle zwischen mathematischer Optimierung und agentenbasierter Simulation bildet.
Das Forschungsprojekt wird gefördert im Rahmen des Programmes „IKT der Zukunft/AI for Green“ vom Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK).