Fleet-size-and-mix and operations management of autonomous e-vehicles in rural areas

• Applicant: Professor Dr. Frank Meisel
• Subject Area: Accounting and Finance ; Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 418360126

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Nach gegenwärtigem Wissensstand eröffnen autonome Fahrzeuge große Potenziale für neuartige Formen von Mobilität im ländlichen Raum. Insbesondere das Entfallen von Personalkosten und operativen Einsatzbeschränkungen von mit Fahrer:innen besetzten Personenverkehrsmitteln eröffnen Möglichkeiten für flexible, serviceorientierte und kostengünstige Mobilitätsdienstleistungen im ländlichen Raum. Ein wesentlicher Unterschied ländlicher Regionen zu urbanen Räumen besteht darin, dass in ländlichen Regionen auf Grund ihrer vergleichsweise geringen Bevölkerungsdichte und dem relativ schwachen Angebot an Mobilitätsdienstleistungen mit komplexen Mobilitätsanfragen zu rechnen ist. Diese umfassen beispielsweise verbundene Nutzeranfragen, die eine gleichzeitige Ankunft an Treffpunkten wünschen, oder auch der gekoppelten Hin- und Rückfahrt mit einer zwischenzeitlichen Aufenthaltszeit am Reiseziel. Auf Basis einer systematischen Klassifikation von unterschiedlichen Mobilitätsbedarfen wurden effiziente Planungsverfahren entwickelt, die derartige komplexe Mobilitätsformen erfüllen können. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Attraktivität eines Mobilitätssystems ist außerdem die Berücksichtigung von Unsicherheiten und Verspätungen von großer Bedeutung, da die oben genannten Aufenthaltszeiten an einem Reiseziel (bspw. für einen Arztbesuch) häufig unsicher sind und im Voraus nur begrenzt abgeschätzt werden können. Diesbezüglich wurde gezeigt, dass mit der Integration einer chance-constraint in die entwickelten Planungsverfahren Zuverlässigkeit für ein definiertes Serviceniveau erreicht werden kann und hierdurch Mobilitätssysteme an Attraktivität gewinnen können. Für die taktische Planungsebene zur Flottendimensionierung wurden aggregierte, kapazitätsorientierte fleet-size-and-mix Modelle entwickelt, welche es erlauben, den Fuhrparkbedarf abzuschätzen, ohne dabei wie sonst üblich in der Literatur den operativen Fahrzeugbetrieb konkret abbilden zu müssen. Die entwickelten Modelle empfehlen sich insbesondere für im Aufbau befindliche Mobilitätssysteme mit zunächst unbekannter konkreter Nachfragesituation. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Frage, wie viel Information über die (spätere) operative Einsatzplanung erforderlich ist, um eine fundierte taktische Entscheidung zur Flottengröße treffen zu können, einen in der Literatur bislang unterrepräsentierten Forschungsbereich darstellt. Zur Lösung der Modelle und Planungsverfahren wurden fortgeschrittene Methoden des Operations Research eingesetzt und weiterentwickelt, darunter eine Metaheuristik, die eine adaptive variable Nachbarschaftssuche nutzt. In umfangreichen Rechenstudien anhand realitätsnaher Testinstanzen ländlicher Räume in Schleswig-Holstein wurden die Verfahren zur Flottendimensionierung und Einsatzplanung vielfältig evaluiert.

Publications

• Complex mobility requests in rural dial-a-ride problems with autonomous, electric vehicles. German Operations Research Society (GOR), Dresden
  Johnsen, L. C.
  
• Flottenmanagement autonomer E-Fahrzeuge im ländlichen Raum. Mini-Konferenz Elektromobilität, Muthesius Transferpark Kiel.
  Johnsen, L. C.
  
• Ferry Service Network Design for Kiel fjord, International Conference of Computational Logistics (ICCL)
  Johnsen, L.C.
  
• Ferry Service Network Design for Kiel fjord. Lecture Notes in Computer Science, 36-51. Springer International Publishing.
  Aslaksen, Ingvild Eide; Svanberg, Elisabeth; Fagerholt, Kjetil; Johnsen, Lennart Christian & Meisel, Frank
  
• A combined dial-a-ride and fixed schedule ferry service for coastal cities. Transportation Research Part A: Policy and Practice, 153, 306-325.
  Aslaksen, Ingvild Eide; Svanberg, Elisabeth; Fagerholt, Kjetil; Johnsen, Lennart C. & Meisel, Frank
  
• Optimization of Modern Ferry Systems at the Example of the City of Kiel, invited lecture, Technical University Hamburg, presented online
  Meisel, F.
  
• Potenziale und Herausforderungen autonomer E-Mobilitätsdienstleistungen in ländlichen Räumen. Making Connected Mobility Work, 723-735. Springer Fachmedien Wiesbaden.
  Johnsen, Lennart Christian & Meisel, Frank
  
• The dial-a-ride problem with stochastic interrelated trips. German Operations Research Society (GOR), Bern, Schweiz
  Johnsen, L. C.
  
• Interrelated trips in the rural dial-a-ride problem with autonomous vehicles. European Journal of Operational Research, 303(1), 201-219.
  Johnsen, Lennart C. & Meisel, Frank
  
• The dial-a-ride problem with stochastic interrelated trips. Vehicle Routing and Logistics Optimization (VeRoLog), Hamburg
  Johnsen, L. C.
  
• Stochastic stay times for interrelated trips in the rural dial-a-ride problem. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 195, 103968.
  Johnsen, Lennart C.; Meisel, Frank & Ehmke, Jan F.