Application of simulation tools in freight traffic and transport planning

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: SVI2004/088
• Titre du projet anglais: Application of simulation tools in freight traffic and transport planning

Mots-clé (Allemand)

Güterverkehr, Transport, Simulation

Mots-clé (Anglais)

Freight Transport, Transport, Simulation

Description succincte (Allemand)

Das Projekt analysiert die Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von Simulationswerkzeugen in der Güterverkehrs- und Transportplanung.

Es werden schwerpunktmässig Simulationsansätze, Simulationswerkzeuge und Anwendungen betrachtet, welche für Fragestellungen im Güterverkehr und in der Transportplanung eingesetzt werden können. Reine Anwendungen im Personenverkehr oder in der Logistik werden nicht betrachtet, jedoch die Schnittstellen dazu. Diese sind für die Gesamtoptimierung zentral. Z.B. muss für die Abbildung von Stauphänomenen der gesamte Verkehr betrachtet werden. Für die Optimierung der Transportlogistik eines Unternehmens muss die gesamte Logistik (welche den Transport mitbeeinflusst) betrachtet werden.

Der Stand und die Entwicklung klassischer Verkehrsmodelle werden soweit behandelt als dies für den Vergleich mit den Simulationswerkzeugen notwendig ist. Es werden mit Ausnahme von Pipelines sämtliche Verkehrsträger (Strasse, Schiene, Wasser, Luft) betrachtet, wobei wir den Schwerpunkt bei Strasse und Schiene sehen.

Die Bearbeitung erfolgt in den folgenden 6 Arbeitspaketen:

· Simulationstheorie und Stand der Simulationstechnik

· Fragestellungen Güterverkehr/Transportplanung

· Typisierung und Strukturierung von Simulationswerkzeugen

· Evaluation durchgeführter Anwendungen von Simulationswerkzeugen

· Anwendung von Simulationswerkzeugen in neuen Fallbeispielen

· Synthese, Gesamtbeurteilung und Empfehlungen.

 

Description succincte (Anglais)

The project is analysing the possibilities and boundaries of freight transport simulation applications. The focus of work is on simulation approaches, tools and applications in freight transport planning and transport logistics. Passenger transport will only be so far considered as passenger transport influences freihgt patterns. This is important for a full improvement. For example it’s necessary to have a view to the whole traffic to indicate congestion phenomenon. The same obtain in the logistic. To optimise transport logistic processes of an enterprise the whole logistic chain has to be analysed.

The state of the art and the development in classic traffic models will only be so far considered as this is essential for the comparison of the simulation tools.

Except for pipelines all transport carrier (road, rail, vessel, air) are considered, but the main focus will be road and rail.

The work is divided in the following 6 workpackages:

· Simulation theory and state of the art

· Questions in freight transport planning

· Typology and Structure of simulation tools

· Evaluation of Simulation applications

· Application of Simulation tools in new case studies

Synthesis, main findings and recommendations

Description du projet (Allemand)

Heute werden Simulationswerkzeuge in der Güterverkehrs- und Transportplanung vor allem in der Schweiz erst sehr zurück­haltend eingesetzt. Insbesondere im Vergleich zum Ausland werden Simulationswerkzeuge noch wenig verwendet. Heute fehlt ein systematischer Überblick über die verfügbaren Simulations­werk­zeuge und deren Potenzial zur Lösung von Optimierungsaufgaben in der Güterverkehrs- und Trans­port­planung. Insbesondere bestehen auch Unklarheiten über Anwen­dungsmöglichkeiten und –grenzen sowie Nutzen und Kosten. Die Möglichkeiten und Grenzen von agentenbasierten Simulatoren für den Einsatz in der Verkehrs- und Logistiksimulation sind zur Zeit nicht bekannt. Es fehlen Forschungsarbeiten im Bereich Schnitt­stellen und Zusammenspiel zwischen Verkehrssimulations­- und Logistik­simulationstools.

Wir bauen die Forschungsbearbeitung auf folgenden drei Pfeilern auf:

· Aufarbeitung der Simulationstheorie und des Standes der Simulationstechnik und systematische Strukturierung und Typisierung von Simulationswerkzeugen: Für das Verständnis, die Einsatzmöglichkeiten und den Vergleich mit klassischen Verkehrsmo­dellen sowie zwischen Verkehrs- und Logistiksimulationen ist ein Überblick und eine systematische Strukturierung eine wichtige Voraussetzung.

· Analytische Beurteilung von Simulationswerkzeugen und Vergleich mit klassischen Verkehrsmodellen: Es sollen nicht einzelne Softwarepakete analysiert, beurteilt und verglichen werden sondern Simulationsansätze (Typen bzw. Typengruppen).

· Breite und systematische Analyse von bisherigen und ausgewählten neuen Anwendungen von Verkehrs- und Logistiksimulationen (Transportlogistik): Aus den bisherigen Anwendungen sollen „Best Practice“ und Erkenntnisse abgeleitet werden. Neue Anwendungen sollen vor allem auch Synergien und Unterschiede zwischen Logistik- und Verkehrssimulationen aufzeigen. Aus den konkreten Anwendungen können dann Handlungsempfehlungen abgleitet werden.

Erwarteter Nutzen:

· Sensibilisierung der Zielgruppen (Planungs- und Ingenieurbüros, Verwaltung, Logistik- und Transportwirtschaft) für die Anwendung von Simulationswerkzeugen bei Planungsfragen, bei welchen dynamische Prozesse eine wichtige Rolle spielen.

· Evaluationsrichtlinien und Raster als Hilfestellung für die Bedürfnisabklärung bei der Anschaffung eines Simulationswerkzeuges

· Bei komplexen Fragestellungen können mittels Simulationen Auswirkungen besser prognostiziert werden (insbesondere Stauphänomene etc.) sowie Schwachstellen aufgedeckt werden (kritische Systemelemente etc.). Die Qualität der Planungen kann in solchen Fällen erhöht und damit auch die Entscheide verbessert werden.

· Verbreitung der Anwendung von Simulationsinstrumenten für die Optimierung von Verkehrs­abläufen, Transportprozessen und Ausgestaltung von Infrastrukturanlagen für die Planung, Visualisierung von Ergebnissen und die Ausbildung.

Mit einer Verbreitung der Anwendung von Simulationswerkzeugen ist eine effizientere Nutzung von bestehenden Verkehrsanlagen (inkl. Verbesserung und Zuverlässigkeit) und eine optimale Ausgestaltung neuer Verkehrsanlagen (Knoten, Strecken, Netze, Einzelobjekte) zu erwarten.

Weitere Informationen zum Projekt befinden sich im Anhang 1.

Méthodes (Allemand)

Im Rahmen des Projektes werden neben der Simulation von Transportvorgängen folgende Methoden angewendet;

· Literaturanalyse

· Interviews

· Morphologischer Kasten

· Evaluation von Simulationsanwendungen baiserend auf einem Kriterienkatalog

· Fallstudien.

Equipements spéciaux (Allemand)

Simulations Tools AIMSUN, ProModell, Dynamec, AnyLogic (verfügbar bei Forschungsstelle

Etat des recherches effectuées par le requérant (Allemand)

In der Logistiksimulation ist das Anwendungsgebiet breit gefächert. Die Verkehrssimulation im Güterverkehr kann als Teil der Logistiksimulation betrachtet werden und besitzt dementsprechend einen höheren Spezialisierungsgrad. Die Situation der Forschung zur Entwicklung und zum Einsatz von dynamischen Simulationswerk­zeugen in der Verkehrsplanung und in der Logistik präsentiert sich heute wie folgt:
Verkehrssimulation: Während der letzten 40 Jahren hat sich die Simulation im Verkehrs­wesen von einem reinen Forschungswerkzeug zu einer breiter angewendeten Technologie weiter­ent­wickelt. Die treibenden Kräfte waren die Fortschritte in der Verkehrstheorie, die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Computer, die Entwicklungen in der Informationstechnologie sowie der steigende Bedarf nach aussagekräftigen Auswirkungsanalysen von verkehrlichen Massnahmen (Pursula, 1999). Ein wichtiger Hintergrund war auch der Wunsch und die Notwendigkeit einer Abbildung von dynamischen Verkehrs­abläufen und der simultanen Interaktionen zwischen den Verkehrs­teil­nehmern. Klassifizierungen von Simulationswerkzeugen unterscheiden zwischen mikro­sko­pischen, mesoskopischen und makroskopischen sowie zwischen kontinuierlichen und diskreten Ansätzen. Problemorientiert wird zwischen Knoten-, Strecken- und Netzsimulationen unter­schie­den. Neuere Entwicklungen in der Simulation schliessen agenten-basierte Ansätze, zellulare Automaten und fuzzy-logik mit ein (Pursula 1999, HEUREKA 2005).
Zur Verbesserung der klassischen Verkehrsmodelle (Mehrschrittmodelle wie VISEM/VISUM, EMME/2, Polydrom, CUBE, etc.) wurden in den letzen Jahren dynamische Umlegungsverfahren entwickelt, welche bei hoch ausgelasteten Verkehrsnetzen realistischere Ergebnisse liefern (M. Friedrich, P. Vortisch, 2005). Solche Modelle (z.B. Dynameq) nehmen in Bezug auf statische und dynamische Modelle eine Zwischenstellung ein.
Heute haben in Europa die Simulationstools VISSIM und AIMSUN eine gewisse Verbreitung er­fahren. In den USA ist vor allem TRANSIMS weit verbreitet. Die Anwendungen in der Schweiz konzentrieren sich heute auf Massnahmen­planungen für Knoten und Teilnetze (z.B. Kreisel, LSA-Steuerungen, ÖV-Priorisierung, Dosierungs­systeme, etc.) bei welchen der Betriebsablauf eine zen­trale Rolle spielt. Güterverkehrsspezifische Anwendungen erfolgten unter anderem für die Dosier­ung des Schwerverkehrs am Gotthard, für ein Reservations­system am Gotthard und für Abbildung der Verkehrsabläufe an der Landesgrenze und bei Schwerverkehrszentren. Simulations­werkzeuge werden zunehmend auch für Auswirkungsanalysen von Telematikanwendungen eingesetzt.

Logistiksimulation: Die Simulation als Werkzeug zur Beherrschung logistischer Fragestellungen wird seit Beginn der 90er Jahren vermehrt auch in der Schweiz eingesetzt. Zum Einsatz kommen, nebst Simulationssprachen (GPSS, Simsript,..), vor allem interaktive, graphische und anwendungsspezifische Modellierungs- und Simulationssysteme (Plant Simulation, ProModel, Arena, …). Diese Systeme bauen auf einem ereignisorientierten Ansatz auf und gelten als diskrete Simu­latoren. Diskrete Simulatoren werden eingesetzt in zeitkritischen Problemen der Fabrikplanung, der Transportlogistik, der Verkehrs- und Personenflussplanung. Als Verfeinerung der Diskreten- Ereignis-Simulation hat sich in jüngster Zeit die agentenbasierte Simulation entwickelt. Damit lassen sich komplexe Systeme, die aus mehreren miteinander und mit ihrer Umwelt interagierenden Entitäten bestehen, modellieren. Bisher wurden in der Schweiz vor allem Projekte auf Basis ereignisorientierter Simulatoren zur Transport- und Tourenplanung durchgeführt. Dabei wird das Planungsoptimum mittels genetischer Algorithmen über tausende von Simulationsläufen gesucht. Die Logistiksimulation wurde auch für spezifische Fragestellungen im Bereich Rampensteuerungen und Materialflussverteilungen für grosse Verteilzentren eingesetzt.
Der Einsatz der Logistiksimulation in der Schweiz ist im Vergleich zum Ausland, insb. Deutsch­land, bescheiden, was sich auch an der Zahl der Simulationsdienstleister widerspiegelt. In den USA hat sich die Logistiksimulation zu einem festen Bestandteil in der Projektabwicklung eta­bliert

Objectifs du projet (Allemand)

Das Projekt hat zum Ziel, den state-of-the art in der Simulationstechnik sowie die heute verfügbaren Simulationswerkzeuge bzw. Gruppen von Simulationswerkzeugen und ihre Typisierung aufzuzeigen. Es soll untersucht werden, welche Fragestellungen im Güterverkehr und in der Transportplanung relevant sind und wo, wie und wofür wurden/werden Simulationswerkzeuge im Verkehrs- und Transportwesen bisher eingesetzt und mit welchen Erfahrungen. Daraus soll der Nutzen von Simulationswerkzeugen und die Kosten analysiert werden. Es soll der Frage nachgegangen werden, welchen Beitrag Simulationswerkzeuge zu Problemlösungen in der Güterverkehrs- und Transportplanung leisten können und wo deren Anwendungsmöglichkeiten und –grenzen liegen. Schlussendlich interessieren die Folgerungen und Empfehlungen, welche sich für den Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Güterverkehrs- und Transportplanung ableiten lassen.

Objectifs du projet (Anglais)

The object of the research is to indicate the state of the art in simulation, the current available simulation tools or groups of simulation tools and how they be typed. It’s to be analysed which topics in freight transport planning are relevant and where, how and for which reason have simulation tools be used. With what experiences? Out of it the benefits and costs of simulation tools should be indicated. Other questions are, which contributions can simulation tools offer to solve problems in freight transport planning and what are the applications possibilities and boundaries. Finally findings/recommendations should be derived for the use of simulation tools in freight transport planning

Plan de recherche (Allemand)

Die Bearbeitung erfolgt über 24 Monate in 6 Arbeitspaketen und geschieht nach fZeitplan.

 

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Der Leitfaden mit Einsatz- und Anwendungsempfehlungen für Simulationswerkzeuge kann direkt in der Praxis genutzt werden.

Die aufbereiteten Fallbeispiele liefern dem Praktiker Hinweise, bei welchen Fragestellungen Simulationswerkzeuge welchen Nutzen haben und wie Simulationsprojekte anzugehen sind.

Publications / Résultats (Allemand)

.

No du rapport (Allemand)

1274

Littérature (Allemand)

Beckmann, Klaus J. (2000). Verkehrsmodelle – Forschung und Anwendung in der Praxis oder: Das Dilemma von methodischen Möglichkeiten und planungspraktischen Rahmenbedingungen. Tagungsband AMUS 2000. Heft 69.

Burkhardt, M.; Essmann, V. (2001). Simulation von Produktion und Logistik unterstützt Strukturoptimierung. MM - Maschinenmarkt, H. 13, S. 28 - 34.

Friedrich, Markus (2004). Prospects of Transportation Modelling, Proceedings of 2nd International Symposium Networks for Mobility, Stuttgart.

Friedrich, M. und Vortisch P. (2005). Verfahren zur dynamischen Umlegung – ein methodischer Überblick. In: Strassenverkehrstechnik 03/2005. FGSV. Köln.

Helbling D. (2001). Traffic related self-driven many-particle systems. Review of Modern physics. (Oct. 2001).

HEUREKA (2005). Optimierung in Verkehr und Transport. Publikation der Papers der Konferenz vom März 2005. Karlsruhe.

Mertins K. und Rabe M. (2004). Experiences from the Future-simulation in Production and Logistics. ASIM-Fachtagung Simulation in Produktion und Logistik. Fraunhofer IRB-Verlag. Berlin.

Meyer, R. und Hilty L. M. (1999). Individuenbasierte Verkehrs- und Logistikmodellierung in Java. In: Hohmann, G. (Hrsg): Simulationstechnik -13. Symposium in Weimar. Erlangen.

Pursula, Matti (1999). Simulation of Traffic Systems – an overview. Journal of Geographic Information and Decision Analysis, vol. 3, pp. 1-8). Helsinki.

Sigmaplan (in Bearbeitung). Gesetzmässigkeiten des Anlieferverkehrs. SVI Forschungsauftrag 1999/328.

Wiechert, W. (2004, Hrsg). Grundlagen und Methoden in Modellbildung und Simulation: Modellbildung, Simulation und Optimierung komplexer Prozesse. Workshop in Siegen.

Busacker Torsten (2005). Steigerung der Flughafen-Kapazität durch Modellierung und Optimierung von Flug­hafen-Boden-Rollverkehr [Elektronische Daten], ein Beitrag zu einem künftigen Rollführungssystem (A-SMGCS)

Brilon Werner (2005). Fortentwicklung und Bereitstellung eines bundeseinheitlichen Simulationsmodells für Bundesautobahnen, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Abteilung Strassenbau, Strassenverkehr (Forschung Strassenbau und Strassenverkehrstechnik ; Heft 918)

Voellmy Andreas (2001). Status of a TRANSIMS [TRansportation ANalysis and SIMulation System] implement­tation for Switzerland (Elektronische Daten),Swiss Federal Institute of Technology, Institute of Transportation, Traffic, Highway- and Railway-Engineering (Arbeitsberichte Verkehrs- und Raum­planung ; 109), Zurich

Zhan F.B. (1997). Three fastest shortest path algorithms on real road networks: Data structures and procedures, Journal of Geographic Information and Decision Analysis, No. 1, pp. 69-82 (1997)

Spahn Michael, Knitschky Gunnar (2005). Mikroskopische Simulation des Güter- u. Wirtschaftsverkehrs in einer integrierten, dynamischen Simulation der Stadtentwicklung. HEUREKA 2005, Karlsruhe

Spahn Michael, Lischke Andreas, Knitschky Gunnar, Gühnemann Astrid (2005). Mikroskopische Modelle der Güterverkehrsnachfrage. In: Clausen, U. [Hrsg.]: Wirtschaftsverkehr 2005: Trends - Modelle - Konzepte, Logistik, Verkehr und Umwelt, U. Clausen, S. 63 - 76, ISBN 3-89957-29-4

Schreckenberg M., Sharma S. D. (2002). Pedestrian and Evacuation Dynamics, Springer Berlin

Fukui M., Sugiyama Y., Schreckenberg M., Wolf D. E. (2003). Traffic and Granular Flow ´01, Springer Berlin

Emmerich H., Nestler B., Schreckenberg M. (2003). Interface and Transport Dynamics, Springer Berlin

Schreckenberg M., Selten R. (2004). Human Behaviour and Traffic Networks, Springer Berlin

Esser J. (1997). Simulation von Stadtverkehr auf der Basis zellularer Automaten, Dissertation, Universität Duisburg

Neubert L. (2000). Statistische Analyse von Verkehrsdaten und die Modellierung von Verkehrsfluss mittels zellularer Automaten,Dissertation, Universität Duisburg

Wahle J. (2001). Information in Intelligent Transportation Systems, Dissertation, Universität Duisburg

Knospe W. (2002). Synchronized traffic - Microscopic modeling and emperical observations, Dissertation, Universität Duisburg

Klüpfel H. (2002). A Cellular Automata Model for Crowd Movement and Egress Simulation, Dissertation, Universität Duisburg

Barlovic R. (2003). Traffic Jams - Cluster Formation in Low-Dimensional Cellular Automata Models for Highway and City Traffic, Dissertation, Universität Duisburg-Essen