Operations research models for railway rolling stock planning

Hoge servicekwaliteit en e??ciency van moderne spoorwegbedrijven zijn onvoorstelbaar zonder zorgvuldige planning. De planningsproblemen betre??en de dienstregeling, het materieel en het personeel. Zij kunnen daarnaast ook op basis van hun planningshorizon geclassi??ceerd worden. Bij strategische planning is de lengte van de horizon enkele jaren, bij tactische planning een aantal maanden, en bij operationele planning een aantal weken. Daarnaast is er de korte termijn planning, dit betreft ook bijsturing en de planningshorizon is enkele dagen. Dit proefschrift richt zich op tactische, operationele en korte termijn materieelplanningsproblemen van reizigersvervoerders op het spoor. Het doel van dit onderzoek is relevante planningsproblemen te identi??ceren en deze met wiskundige modellen te beschrijven, die vervolgens te analyseren om uiteindelijk oplosmethoden te ontwikkelen. Daarnaast is het doel te evalueren in hoeverre de methoden in de praktijk gebruikt kunnen worden. In dit onderzoek werden de methoden getest op real-life instanties van NS Reizigers (NSR). De modellen zijn dus speciaal ontwikkeld voor de planningsproblemen van NSR. Desondanks zijn wij van mening dat de in dit proefschrift beschreven methoden ook bij andere vervoerbedrijven toegepast kunnen worden. Hoofdstuk 1 beschrijft het onderwerp van dit proefschrift en formuleert de onderzoeksvragen. In Hoofdstuk 2 wordt het planningsproces van NSR in detail bekeken en wat de positie en relevantie is van de in dit proefschrift behandelde materieelplanningsproblemen in het kader van dat planningsproces. Tegelijkertijd wordt een overzicht gegeven van de bestaande literatuur over spoorwegoptimalisatie. In Hoofdstuk 3 worden materieelomlopen in de tactische planning onderzocht. De materieelinzet voor een generieke week wordt bepaald, de herhaling van dit basisplan geeft de materieelomloop voor de volgende maanden. Aan iedere trein wordt een aantal treinstellen in een bepaalde volgorde toegewezen. Dit plan geeft ook aan wanneer de samenstelling van een trein gewijzigd moet worden door het aan- of afkoppelen van treinstellen. Het doel is het vinden van een goed evenwicht tussen operationele kosten, servicekwaliteit en robuustheid. Er worden twee wiskundige modellen voor dit probleem beschreven en vergeleken. Het \Job Model" kan in redelijke oplostijd alleen voor kleine en eenvoudige instanties gebruikt worden. Het \Composition Model" is een veel e??ci??entere formulering; hiermee kan zelfs voor de grootste en meest complexe instanties van NSR binnen een paar uur een oplossing van goede kwaliteit gevonden worden. Voor de meeste kleinere instanties vergt het oplossen zelfs maar enkele minuten. Sinds 2004 wordt dit model bij NSR gebruikt om een deel van de materieelomloop voor generieke weken te bepalen. Daardoor zijn jaarlijks enkele miljoenen euro's bespaard. Hoofdstuk 4 is gewijd aan de onderhoudsroutering, een onderdeel van de korte termijn planning. Treinstellen hebben regulier preventief onderhoud nodig. Een treinstel is urgent als het binnen drie werkdagen onderhoud behoeft. Het doel van de onderhoudsroutering is de materieelinzet voor de komende drie dagen zodanig te wijzigen dat de urgente treinstellen tijdig de werkplaatsen kunnen bereiken. De wijzigingen vereisen aanpassingen van de rangeerprocessen binnen de stations. Daarom moeten de voorgestelde wijzigingen door het rangeerpersoneel beoordeeld en goedgekeurd worden. In dit proefschrift worden twee modellen voor de onderhoudsroutering beschreven. Het \Interchange Model" probeert zo veel mogelijk details van de werkelijkheid in acht te nemen, dit verhoogt de kans dat de voorgestelde wijzigingen daadwerkelijk uitgevoerd kunnen worden. Het leidt tot een groot integer multi-commodity ow model. Nadeel van deze aanpak is dat de benodigde invoergegevens moeilijk te verzamelen zijn. Dit motiveert het \Transition Model", dat een veel simpelere beschrijving van het probleem geeft. Voor beide modellen worden theoretische complexiteitsresultaten afgeleid. Verder wordt een heuristisch algoritme voor het Interchange Model beschreven. Rekenexperimenten op instanties van NSR laten zien dat beide modellen binnen redelijk korte tijd opgelost kunnen worden door commerci??ele MIP solvers en dat de heuristische aanpak voor het Interchange Model snel goede oplossingen oplevert. Een aantal testinstanties is met planners van NSR besproken en zij vonden de oplossingen van beide modellen daarvoor bevredigend. Desondanks is nader onderzoek nodig om de modellen en hun oplossingen op real-life instanties te evalueren. In Hoofdstuk 5 wordt de operationele materieelplanning behandeld. Hier wordt de materieelomloop voor de generieke weken aangepast aan de speci??eke kalenderweken. Vaak zijn grootschalige aanpassingen van dienstregeling en materieelomloop nodig, met name als een deel van de spoorweginfrastruktuur afgesloten is vanwege onder houdswerkzaamheden. Dit probleem lijkt sterk op dat van de tactische planning in Hoofdstuk 3, maar de doelstelling is verschillend. Vanwege de planningshorizon van maximaal enkele weken spelen de optimalisatiecriteria uit Hoofdstuk 3 een minder essenti??ele rol. Het is nu veel belangrijker snel een oplossing te vinden, ook als alles helemaal opnieuw gepland moet worden. Hier wordt een twee-fase methode voor operationele materieelplanning beschreven waarvan de tweede fase in detail onderzocht wordt. De complexiteit van het probleem wordt geanalyseerd en een heuristisch algoritme wordt ontworpen. Ook worden er rekenexperimenten uitgevoerd. Verder onderzoek moet inzicht geven in hoeverre de oplosmethode daadwerkelijk op praktische instanties toegepast kan worden. In Hoofdstuk 6 worden de resultaten van het proefschrift samengevat. De belangrijkste conclusie is dat besliskundige methoden inderdaad signi??cant kunnen bijdragen aan een versnelling van het materieelplanningsproces, aan een verlaging van de kosten van houdswerkzaamheden. Dit probleem lijkt sterk op dat van de tactische planning in Hoofdstuk 3, maar de doelstelling is verschillend. Vanwege de planningshorizon van maximaal enkele weken spelen de optimalisatiecriteria uit Hoofdstuk 3 een minder essenti??ele rol. Het is nu veel belangrijker snel een oplossing te vinden, ook als alles helemaal opnieuw gepland moet worden. Hier wordt een twee-fase methode voor operationele materieelplanning beschreven waarvan de tweede fase in detail onderzocht wordt. De complexiteit van het probleem wordt geanalyseerd en een heuristisch algoritme wordt ontworpen. Ook worden er rekenexperimenten uitgevoerd. Verder onderzoek moet inzicht geven in hoeverre de oplosmethode daadwerkelijk op praktische instanties toegepast kan worden. In Hoofdstuk 6 worden de resultaten van het proefschrift samengevat. De belangrijkste conclusie is dat besliskundige methoden inderdaad signi??cant kunnen bijdragen aan een versnelling van het materieelplanningsproces, aan een verlaging van de kosten van de materieelinzet, en aan een verhoging van de servicekwaliteit voor de reizigers. Het \Composition Model" uit Hoofdstuk 3 vormt inmiddels de kern van een onmisbaar planningstool in de tactische planning bij NSR. Ondanks veelbelovende rekenresultaten moet de praktische waarde van de modellen en methoden voor de andere fasen van de materieelplanning echter nog bewezen worden.