Ein personen- und aufgabengenauer Ansatz zur robusten Einsatzplanung von Flugpersonal mittels Optimierung und Simulation

Kuckertz, Patrick (2018). Ein personen- und aufgabengenauer Ansatz zur robusten Einsatzplanung von Flugpersonal mittels Optimierung und Simulation. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein personen- und aufgabengenauer Ansatz zur robusten Einsatzplanung von Flugpersonal vorgestellt. Es wird beschrieben, wie Methoden der mathematischen Optimierung und der diskreten Simulation weiterentwickelt und kombiniert werden, um es Verkehrs- und Einsatzplanern zu ermöglichen, die Qualität ihrer Planungsergebnisse zu erhöhen und diese noch vor deren Umsetzung auf ihre dynamischen Eigenschaften hin untersuchen zu können. So wird die anonyme Einsatzplanung zunächst in Form einer klassischen Crew Pairing Problemformulierung abgebildet, die sämtliche Zusammenhänge und Nebenbedingungen der Planung anonymer Personalumläufe beinhaltet. Hierauf aufbauend wird unter Hinzunahme personen- und aufgabenindividueller Aspekte wie Qualifikationen und Anforderungen ein Ansatz zur Planung individueller Personalumläufe entwickelt: das Job Pairing Problem. Um die Alltagstauglichkeit der Optimierungsergebnisse zu gewährleisten, werden in dessen Rahmen gleichzeitig sowohl bewährte, auf Robustheit abzielende Planungsindikatoren als auch eigens entwickelte Konzepte zur effizienteren Nutzung der Personalressource berücksichtigt. Unter Verwendung von Verfahren der multikriteriellen Optimierung und unter Einbeziehung von Planungspräferenzen werden diese heterogenen und teilw. gegenläufigen Zielsetzungen innerhalb der Problemformulierung berücksichtigt. Weiterhin werden in der Arbeit mit der ShiftJob-Nachbarschaftsrelation und der SingleBranch&Price-Heuristik Ansätze vorgestellt, die in Kombination mit etablierten exakten und heuristischen Optimierungsverfahren zur Bestimmung zulässiger und qualitativ hochwertiger Lösungen herangezogen werden können. Um die Alltagstauglichkeit der durch die Optimierung erstellten Einsatzpläne sicherstellen zu können, wird in dieser Arbeit darüber hinaus ein Simulationsmodell entwickelt, das sämtliche relevanten Flugzeug- und Personalprozesse innerhalb des operativen Flugverkehrs abbildet und auch mögliche Störungen während der Planumsetzung berücksichtigt. Um auch das operative Management und deren auf Störereignisse ausgerichteten Recoverystrategien zu integrieren, werden ausgewählte Handlungsalternativen abgebildet, die insbesondere den Bereich des Crew-Recovery mit seinen verschiedenen Einsatzformen der Flugdienstreserve abdecken. Es wird die programmtechnische Umsetzung des Modells in Form einer plattformunabhängigen und leicht zu erweiternden Simulationsanwendung beschrieben. Abschließend werden durch Validierung und Anwendung dieses Programms dessen korrektes Verhalten und dessen Nützlichkeit sowohl für wissenschaftliche als auch praktische Fragestellungen nachgewiesen. Entstanden ist diese Arbeit im Rahmen des Projekts Computer Aided Traffic Scheduling (CATS), das am Lehrstuhl von Prof. Dr. Ewald Speckenmeyer am Institut für Informatik der Universität zu Köln ins Leben gerufen und das zwischenzeitlich als Kooperation mit der Technischen Hochschule Köln, der Kölner Verkehrs-Betriebe AG (KVB) und der Lufthansa CityLine fortgeführt wurde. Innerhalb dieses Projektes werden schon seit Jahren Planungsprobleme aus dem Verkehrsbereich untersucht, immer mit dem Ziel, diese effizienter und insbesondere im Hinblick auf deren Störungsanfälligkeit robuster lösen zu können.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

In the present work, an employee- and task-specific approach to the robust deployment planning of airline crews is introduced. It is described how methods of mathematical optimization and discrete simulation are developed and combined to enable traffic- and personnel-schedulers to increase the quality of planning results and to examine their dynamic properties prior to their implementation. At first, the task of the anonymous personnel planning is modeled in form of a classic crew pairing problem formulation, which contains all the contexts and constraints of planning anonymous personnel rotations. Based on this and under consideration of employee- and task-specific aspects such as qualifications and requirements, an approach for the planning of individual personnel rotations is developed: the Job Pairing Problem. To ensure that the optimization results are suitable for everyday use, well established robustness planning indicators as well as specially developed concepts for the more efficient use of human resources are taken into account. Using multi-criteria optimization methods and respecting planning preferences, these heterogeneous and partially contradictory objectives are considered within the problem formulation. Furthermore, with the ShiftJob-Neighborhood relation and the SingleBranch&Price heuristic, approaches are presented which, in combination with well-known exact and heuristic optimization methods, can be used to determine valid and high-quality solutions. In order to ensure the suitability for daily use of the deployment plans drawn up by the optimization, this work also develops a simulation model that maps all relevant aircraft and personnel processes within operational air traffic and that also takes possible disruptions during the plan implementation into account. In order to integrate the operative management and its recovery strategies designed to handle disruption events, selected action alternatives are embedded, which cover in particular the field of crew recovery with its various deployment modes of personnel reserves. This is followed by a description of a program implementation of the model in form of a platform independent and easy to extend simulation application. Finally, within the validation and application of the program, its correct behavior and usefulness for both scientific and practical purposes is demonstrated. This work is part of the project Computer Aided Traffic Scheduling (CATS), which has been launched at the chair of Prof. Dr. Ewald Speckenmeyer at the Institute of Computer Science of the University of Cologne, which has meanwhile been continued as cooperation with the Cologne University of Applied Sciences, the Kölner Verkehrs-Betriebe AG (KVB) and the Lufthansa CityLine. Within this project, planning problems of the traffic sector have been studied for years, always with the aim to solve them more efficiently and, in particular regard to their susceptibility to interferences, more robustly.

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