Intelligente Logistik 2.0

Briefe, Bücher, Medikamente – Express- und Kurierleistungen gehören heute zum städtischen Alltag. Sie zu steuern, stellt die Logistik vor neue Herausforderungen. Ein Transferprojekt zeigt, dass dabei Selbststeuerung und lokale Optimierung für mehr Flexibilität sorgen.

Kurier- und Expressdienste bringen dem Kunden die Waren ins Haus, die immer öfter über das Internet bestellt werden
Kurier- und Expressdienste bringen dem Kunden die Waren ins Haus, die immer öfter über das Internet bestellt werden
© DPD

Was tun, wenn man ein Geschenk für eine spontane Geburtstagsfeier braucht? Oder eine Ladenkette kurzfristig Waren von einer Filiale in die andere transportieren muss, weil sie dort ausverkauft sind? Ganz einfach: Online gehen und über einen Kurierdienst innerhalb der nächsten 90 Minuten liefern lassen. Diesen Gedanken hatte auch Michael Löhr, Gründer und Geschäftsführer der tiramizoo GmbH. Das Unternehmen setzt mit Zustellungen binnen eines Tages (Same-Day-Delivery) vom Einzel- und Großhandel zum Kunden neue Maßstäbe. Privatpersonen können über das Internet Produkte kaufen, die innerhalb weniger Stunden zugestellt werden. Beim Handel zwischen Unternehmen erzeugt die intelligente Logistik ebenfalls bestmögliche Lieferungen innerhalb der Lieferkette. Um den Transport der Waren kostengünstig anbieten zu können, müssen die Transportprozesse jedoch ressourcensparend und effizient sein.

Herausforderungen für die Planung und Steuerung der urbanen Logistik sind dabei das stark variierende Sendungsaufkommen, die hohe Vielfalt der verschiedenen Express- und Kurierleistungen und die Eigenschaften der eingesetzten Fahrzeuge. Die Notwendigkeit, eingehende Aufträge unmittelbar zu bearbeiten, erhöht die Prozessdynamik und erschwert die Planung. Ein intelligentes Dispositionssystem, das diese logistischen Herausforderungen berücksichtigt, wurde im Transferprojekt „Selbststeuernde Kurier- und Expressdienste“ entwickelt. Es baut auf die Forschungsergebnisse der Arbeitsgemeinschaft „Künstliche Intelligenz“ der Universität Bremen im Sonderforschungsbereich 637 „Selbststeuerung logistischer Prozesse“ auf, in dem Konzepte und Systeme für eine selbststeuernde Logistik erarbeitet wurden.

Agenten optimieren den Transport

Während die Forschung zuvor Planungs- und Optimierungsmethoden mit statischen Vorgaben anwendete, ist es den Forscherinnen und Forschern des Transferprojekts gelungen, die Steuerung der Kurier- und Expressdienste zu automatisieren und hoch effiziente und dabei flexible Transportprozesse zu ermöglichen: So erhalten Kurierfahrer anhand ihrer aktuellen Position neue Aufträge über ihre Smartphones. Fällt ein Fahrer kurzfristig aus oder staut sich der Verkehr, disponiert das System automatisch um. Die Servicequalität steigt durch kürzere Sendungslaufzeiten und erhöhte Zuverlässigkeit. Die neue Plattform ermöglicht zudem die Anbindung mehrerer Kurierunternehmen, sodass durch den Tausch von Aufträgen die vorhandenen Ressourcen und die städtischen Infrastrukturen nahezu vollständig genutzt werden können.

Um die Selbststeuerung von Kurier- und Expressdiensten zu verbessern, sind flexible Prozesse erforderlich
Um die Selbststeuerung von Kurier- und Expressdiensten zu verbessern, sind flexible Prozesse erforderlich
© Universität Bremen

Um die komplexen logistischen Probleme zu lösen, haben die Forscherteams das Gesamtproblem in viele Teilprobleme zerlegt, die eine geringere Berechnungskomplexität aufweisen und in Realzeit gelöst werden können. Dadurch wird die Steuerung der Teilprozesse von einem zentralen Ansatz auf miteinander kommunizierende, dezentrale Entscheidungsträger, die sogenannten Agenten, verlagert. Diese Agenten handeln als digitale Stellvertreter logistischer Objekte und verfolgen durch autonome Entscheidungen die Ziele der durch sie repräsentierten Objekte. Ein Beispiel: Ein Paket soll zugestellt werden, automatisch wird für den Auftrag ein Agent erzeugt. Dieser „Auftragsagent“ tritt umgehend in Verhandlungen mit verfügbaren geeigneten „Fahrzeugagenten“. Der Ablauf dieser Verhandlungen ähnelt einer Auktion, in der die „Fahrzeugagenten“ ihre Kosten für den neuen Auftrag berechnen und dem „Auftragsagenten“ die Ausführung anbieten. Der „Auftragsagent“ ermittelt sodann das günstigste Transportmittel.

Da die Qualität der Transportlösung bei diesem Vorgehen in hohem Maße von der Reihenfolge abhängt, in der die Aufträge versteigert werden, können „Fahrzeugagenten“ anschließend auch untereinander mit Aufträgen handeln. Auf diese Weise wird das Optimierungspotenzial weiter gesteigert, und es kann besser auf unvorhersehbare Ereignisse reagiert werden. Dazu trägt auch bei, dass die Agenten sofort reagieren können. Kommt es beispielsweise während einer Fahrt zu einer Störung, muss ausschließlich der betroffene „Fahrzeugagent“ seine Route neu planen, während alle anderen gleichzeitig laufenden Touren unverändert durchgeführt werden können. So führt die Zerlegung des Gesamtproblems in lokale Teilprobleme zu einer effektiven Vorgehensweise mit einem flexiblen Systemverhalten, das die Robustheit und Prozessintegrität der logistischen Prozesse sichert.

Über 100.000 Echtzeit-Entscheidungen

Eine Herausforderung stellt dabei die effiziente Berechnung für optimale Routen (auch als „Rundreiseproblem“ bekannt) dar, die als Grundlage für die Entscheidungsfindung der Agenten dienen. Innerhalb kürzester Zeit müssen die individuellen Zielfunktionen der Kuriere, Eigenschaften und Beschränkungen der Transportmittel berücksichtigt werden. Die Anzahl der durch Softwareagenten getroffenen Entscheidungen kann je nach Szenario leicht 100.000 Entscheidungen pro Dispositionstag überschreiten, wobei die Onlineberechnung in Realzeit gewährleistet sein muss. Um beispielsweise zu jeder Zeit die aktuellen Verkehrsbedingungen und Behinderungen berücksichtigen zu können, müssen Alternativrouten und Anfragen für kürzeste Wege immer wieder neu berechnet werden. Da eine Distanzmatrix für die Berechnung einer idealen Route mit lediglich 20 Aufträgen (40 Abhol- und Zustellstopps) bereits 40 x 40 = 1600 Einträge enthält, ist es leicht nachzuvollziehen, dass bei über 100.000 Routenberechnungen pro Tag solche Anfragen für aktuelle kürzeste Wege schnell zu einem kritischen Zeitfaktor werden können.

Ob per Fahrrad oder PKW: Für die Logistik von Kurierdiensten zählen Schnelligkeit und Flexibilität
Ob per Fahrrad oder PKW: Für die Logistik von Kurierdiensten zählen Schnelligkeit und Flexibilität
© Tiramizoo

Um die aufwendigen und zeitkritischen Berechnungen durchzuführen, wurden an der Universität Bremen hoch leistungsfähige Algorithmen entwickelt, die auf die Anforderungen der Kurier- und Expressdienste zugeschnitten sind. Für die Simulation dieser Prozesse kommt die hoch skalierbare und agentenbasierte Ausführungs- und Simulationsplattform „Aimpulse Spectrum“ zum Einsatz. Mit Spectrum können Logistikprozesse detailgetreu simuliert und darauf aufbauend Logistikstrategien entworfen werden. Entwickelt wurde die Plattform von der am Transferprojekt beteiligten Firma Aimpulse Intelligent Systems GmbH, die auf Analyse- und Steuerungstechnologien für die Logistik spezialisiert ist. Im Rahmen des Transferprojekts wurde Aimpulse Spectrum erweitert, um es mit der durch die Arbeitsgemeinschaft „Künstliche Intelligenz“ im Bremer Sonderforschungsbereich entwickelten Simulationsumgebung PlaSMA zu kombinieren. PlaSMA wurde speziell für die Analyse und Optimierung agentenbasierter selbststeuernder Prozesse entwickelt und ist frei verfügbar. Neben der Modellierung und der Simulation selbststeuernder Prozesse stellt PlaSMA ein detailliertes Infrastrukturmodell realer Straßennetze bereit, die aus OpenStreetMap-Daten abgeleitet werden. Darüber hinaus können reale Prozessdaten wie auch szenariospezifische Kennzahlen für die Simulation integriert werden.

Die neuen Dienste überzeugen

Die tiramizoo GmbH hat die neu geschaffenen Kurier- und Expressdienste evaluiert, indem das Unternehmen unterschiedliche Szenarien mit seinen realen Daten simulierte und die Ergebnisse mit denen anderer Touren- und Planungssoftware verglich. Dabei wurden Aspekte wie beispielsweise die für die Strecke benötigte Zeit der Frachtführer inklusive der Zeit für die Be- und Entladung bei den Kunden und die zurückgelegte Gesamtstrecke berücksichtigt.

Die Ergebnisse dokumentieren, dass die neuen, agentenbasierten Algorithmen effektiver sind als die etablierten Planungs- und Optimierungsmethoden, die mit einer zentralen Steuerung und statischen Vorgaben arbeiteten: Ihr reaktives Verhalten in dynamischen Umgebungen ist passgenauer, und dieQualität der gefundenen Lösungen wie auch ihre Laufzeit mindestens gleich gut oder schneller. Darüber hinaus konnten in der Simulation durch die Bündelung von Aufträgen an einem Auftragsort die Arbeitszeiten der Frachtführer reduziert und durch die größere Zuverlässigkeit der Transportprozesse auch die Kundenzufriedenheit gesteigert werden. Diese Bilanz hat tiramizoo dazu bewogen, noch vor Abschluss des Transferprojekts den entwickelten Prototyp in eigener Regie weiterzuentwickeln, um die Software in die operativen Prozesse der Firma einbinden zu können.

Zusatzinformationen

Steckbrief

Projekttitel
Selbststeuernde Kurier- und Expressdienste – Selbststeuernde Koordination konkurrierender Teilnehmer im Bereich der Kurier- und Expressdienste

Fachliche Zuordnung
Ingenieurwissenschaften (Künstliche Intelligenz, Bild- und Sprachverarbeitung)

Wissenschaftlicher Partner
Prof. Dr. Otthein Herzog, Universität Bremen
Anwendungspartner
Aimpulse Intelligent Systems GmbH, Bremen
Tiramizoo GmbH, München

Dieser Artikel ist in der forschung 02/2014 erschienen.

© 2010-2016 DFG Aktualisierungsdatum: 01.09.2014Sitemap  |  Impressum  |  Datenschutzhinweise  |  Kontakt  |  Service

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