LOGISTIK Intermodaler Verkehr Internationales Verkehrswesen (63) 5 | 2011 20 Prozesssimulation im intermodalen Verkehr Die Baltic Marine Consult GmbH hat gemeinsam mit Incontrol Enterprise Dynamics ein Simulationsmodell eines Umschlagterminals entwickelt, das sämtliche Durchlaufprozesse beim Übergang zwischen den Straßen- und Schienenfahrzeugen abbildet. Im operativen Geschäft kann so bereits im Vorfeld steuernd auf die Belegung der Lagerflächen sowie die Bring- und Abholprozesse der Kunden eingewirkt werden. D er intermodale Verkehr hat sich in den zurückliegenden 20- Jahren zum Wachstumsmotor des Stückgutverkehrs auf der Schiene entwickelt. Ihm wird eine Schlüsselposition bei der Bewältigung der zu erwartenden Transportaufgaben in Europa zugesprochen. Dabei ergeben sich durch das Zusammenspiel von Straßen- und Schienenverkehr die unterschiedlichsten Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit des intermodalen Transportsystems. Die Organisation der Transportketten mit einem Schienenhauptlauf verlangt von den Spediteuren, den beteiligten Eisenbahnverkehrsunternehmen, den KV-Operateuren, den Straßentransporteuren und den Terminalbetreibern ein hohes Maß an logistischem Know-how. Dabei sind besonders die Umschlagterminals, in denen der Eisenbahn- und Straßentransport aufeinandertrefen, durchsatzbestimmend. Das Umschlagterminal als Bindeglied zwischen Straßen- und Schienenverkehr Die Umschlagterminals des intermodalen Verkehrs dienen sowohl als Umschlagplatz als auch als operationeller Lagerplatz zwischen dem Straßen- und Eisenbahntransport. Diese Lagerfunktion wird immer dort benötigt, wo zwei Verkehrsströme mit unterschiedlicher Intensität und Frequenz aufeinander trefen. Grafik: BMC Internationales Verkehrswesen (63) 5 | 2011 21 Abb. 1: Für den intermodalen Verkehr geeignete Arten von Ladeeinheiten mit unterschiedlichen Umschlag- und Lagereigenschaften In den Terminals des intermodalen Verkehrs werden ausschließlich standardisierte Ladeeinheiten umgeschlagen. An der Ladung selbst wird keine Leistung erbracht. Standardisierte Ladeeinheiten sind Container, Swaps (Wechselbrücken, Wechselbehälter) und Trailer in unterschiedlichen Ausführungen, die bis zu 40 t schwer sein können. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Ladeeinheiten in: •• ihren Abmessungen, in der Länge 20 bis 45 ft., Breite 2,44 bis 2,50 m und Höhe 2,60 bis 4,00 m), •• ihren Anschlagpunkten (Corner Castings an den oberen Ecken der Container, Anschlagund/ oder Staplertaschen an der Bodenplatte der Swaps sowie Anschlagtaschen in der Bodengruppe kranbarer Trailer), •• ihrer Rollfähigkeit, die beim Trailer gegeben ist, und die für Container und Swaps durch rollbare Untersätze ermöglicht wird und •• ihrer Stapelfähigkeit, die beim Trailer a priori ausgeschlossen, beim Container immer möglich und beim Swap konstruktionsabhängig ist. Der Umschlag der Ladeeinheiten kann sowohl direkt als auch indirekt zwischen Waggon und Lkw erfolgen. Für den direkten Umschlag müssen die beiden Transportträger zur gleichen Zeit im Umschlagbereich des Umschlaggerätes bereitstehen. Der indirekte Umschlag erfolgt über Lagerbereiche, die in geeigneter Dimension und Form Bestandteil des Umschlagterminals sind. Der Vorteil des direkten Umschlags ist, dass das Umschlaggerät die Ladeeinheit nur einmal anfassen muss, wohingegen der indirekte Umschlag mindestens einen Einlagerungs-und einen Auslagerungsprozess sowie ggf. mehrere zusätzliche Umlagerprozesse bedingt. Eine Ausnahme bilden hierbei die Trailer, die bei geeigneter Anordnung der Lagerplätze ohne weiteres Zutun der Umschlaggeräte von den Straßentransporteinheiten abgestellt bzw. aufgenommen werden können. Neben der Maximierung der direkten Umschläge ist die Entkopplung der Umschlagprozesse von den An- und Abfuhrprozessen ein zweites grundlegendes Ziel der Layoutgestaltung der Umschlagterminals. Da die Zahl der möglichen direkten Umschläge von einer Vielzahl externer Faktoren abhängig ist (Kundenstruktur, Fahrzeugpark und Disposition der Straßenzuläufe, Zugfahrpläne, Zugstandzeiten), sollte ein Terminal immer so gestaltet werden, dass die direkten Umschläge einfach und effizient möglich sind und darüber hinaus die indirekten Umschläge ohne zusätzlichen Umfuhraufwand für den Terminalbetreiber jederzeit durchgeführt werden können. Diese Anforderungen erfüllen weitgespannte schienengebundene Portalkrane mit ein- oder beidseitigen Auskragungen, mit denen sowohl die Ladegleise auf der Bahnseite als auch die Lager- und Umschlagbereiche auf der Straßenseite überspannt werden. Das in Abbildung 2 dargestellte Umschlagterminal folgt diesen Anordnungsgrundsätzen. Mit der zentralen Anordnung der Ladegleise, den parallel angeordneten Lager- und Übergabeplätzen für Swaps und Container sowie speziellen Lager- und Übergabeplätzen für Trailer und rollbar gemachte Container und Swaps, die straßenseitig erschlossen und sämtlich vom Kran überspannt werden, können sämtliche Arten der Ladeeinheiten umgeschlagen und gelagert Abb. 2: Querschnitt Draufsicht eines für heterogene Ladungsträgerstrukturen geeigneten Umschlagmoduls LOGISTIK Intermodaler Verkehr Internationales Verkehrswesen (63) 5 | 2011 22 werden. Mit seinen sechs Ladegleisen, fünf Lagerspuren, den separaten Trailerstellplätzen und den Übergabe- und Fahrspuren ist dieses Terminal in Abhängigkeit der Zugbedienungen und der Durchlaufzeiten für einen Durchsatz bis zu 400 000 TEU (230 000 bis 320 000 LE) ausgelegt. Diese Grundstruktur kann durch Variation der Anzahl der Einzelkomponenten der Funktionsbereiche und ihrer Anordnung zueinander dem entsprechenden Umschlagvolumen und den Mikrostandortbedingungen des Terminalstandorts angepasst werden, wobei die durchsatzbestimmenden Parameter im Wesentlichen unberührt bleiben. Sie bietet damit die Grundlage für ein in seinem Aubau standardisiertes Betriebsmodell. Es stellt gleichzeitig die Basis für die Entwicklung von Simulationsmodellen dar, die einerseits als Werkzeug für die Terminalplanung und -steuerung dienen und andererseits für die Unterstützung im realen Betrieb Verwendung finden. Die Prozesssimulation als Methodenwerkzeug Aubau des Simulationsmodells für das Grundmodell eines KV-Terminals In dem Modell eines Umschlagbereichs werden abgebildet: •• der variierende Ladungsträgermix mit seinen unterschiedlichsten Anforderungen an das Umschlagequipment und die Lager- und Übergabebereiche, •• die Aukommensschwankungen der Umschlagbedarfe in Abhängigkeit von der Markt- und Kundenstruktur, der Zugfahrpläne sowie der Disposition der Straßentransporteure sowie •• die inneren Umschlag-, Bring-, Abhol-, Lagerbedienungs- und Lagerprozesse. Das Ziel der Modellbildung besteht darin, den realen Betrieb so weit zu abstrahieren, dass die wesentlichen Prozesskomponenten erfasst und ihre Wirkung auf den Durchlauf der einzelnen Ladeeinheit und auf das Gesamtsystem analysiert werden können. Die relevanten Einflussgrößen werden im Rahmen vorausgehender Analysen mit den Umschlag- und Lagereigenschaften der Ladeeinheiten, den Bewegungsparametern der Umschlag- und Transportgeräte, den marktbedingten Eintrittswahrscheinlichkeiten von Umschlagaufgaben sowie zu den Verweildauern der Ladeeinheiten im Umschlagbereich als Anforderungsvektoren zusammengestellt. Aus diesen Anforderungsvektoren werden den Ladeeinheiten alle für den Terminaldurchlauf relevanten Eigenschaften mitgegeben. Gleichzeitig werden den Einzelkomponenten des Umschlagterminals diejenigen Eigenschaften zugewiesen, welche die Angebotsvektoren für die Behandlung der Ladeeinheiten bestimmen. Die Simulationsplattform Enterprise Dynamics bietet die Möglichkeit, stationäre und bewegliche Modellelemente zu kreieren, so dass physische und durchlaubestimmende Eigenschaften mitgeführt, abgestimmt und während des Durchlaufs aufgrund gegenseitiger Beeinflussungen ggf. angepasst werden können. Das Simulationsmodell für das beschriebene Umschlagterminal besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: •• dem eigens entwickelten Train creator, der den Bedarf erzeugt und •• dem Terminalmodell, das die Funktionalität und die Kapazität des Umschlagterminals abbildet. Abbildung 3 ist eine Momentaufnahme eines Simulationslaufes mit dem Terminalmodell, dem Train creator (oben links) und dem Steuermodul (oben Mitte). Das Terminalmodell entspricht in den Abmessungen und der Anordnung der Funktionsbereiche dem oben erläuterten Terminallayout. Zusätzlich wurden den einzelnen Terminalkomponenten ihre spezifischen Eigenschaften zugewiesen sowie die gegenseitigen Beeinflussungen zwischen und unter den Übergabe- und Lagerbereichen sowie den Verkehrswegen und den Arbeitsspielen der Krane bestimmt. Dem Train creator ist als wesentliche Einflussgröße ein realer Fahrplan mit den zu erwartenden Störgrößen (Verspätungen) hinterlegt. Die leeren Züge werden im Train creator fahrplangerecht bereitgestellt und hier zufällig mit Ladeeinheiten so belegt, dass sich im Verlauf einer Simulationsperiode die den Marktbedingungen entsprechende Ladungsträgerstrukturen und Zugauslastungen einstellen. Im Train creator werden sowohl die einals auch die ausgehenden Züge erzeugt. Letztlich ersetzt der Train creator den Markt, der die eigentlichen Umschlag- und Lagerbedarfe kreiert. In Abbildung-4 ist eine typische Verteilung der Ladeeinheiten auf die einzelnen Züge der vorgegeben Marktanforderung gegenübergestellt. Durchführung von Simulationsläufen Der Durchlauf eines bestimmten Betrachtungszeitraums wird als Simulationslauf bezeichnet. Ein Simulationslauf kann jede beliebige Länge haben, er kann im Simulationsmodell mit einer beliebigen Geschwindigkeit durchgespielt und beliebig oft wiederholt werden. Dabei ist das Simulationsmodell so aufgebaut, dass es ständig geeicht und aufgrund seiner flexiblen Struktur den unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden kann. Wie im realen Betrieb ein Betriebsmodell wird dem Simulationsmodell eine Simulationsstrategie hinterlegt. Mit ihr wird festgelegt, welche Komponenten wann welche Aufgaben zu erfüllen haben. Hierfür werden Simulationsroutinen geschrieben, die letztlich bestimmen, welcher der sich gegenseitig beeinflussenden und zeitgleich Abb. 3: Momentaufnahme des Simulationsmodells während eines Simulationslaufs Internationales Verkehrswesen (63) 5 | 2011 23 auftretenden Prozesse vorrangig behandelt werden soll. Den Ladeeinheiten werden dazu zeitabhängige Prioritäten verliehen, die entsprechend der gewählten Simulationsroutine abgearbeitet werden. In der Realität werden die Ladepläne der Züge in „Joblisten“ für die Umschlaggerätefahrer umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt in unterschiedlichster Form. Vom handgeschriebenen Zettel bis zum elektronisch an den Gerätefahrer übermittelten Dokument sind alle Varianten in der Praxis zu finden. Im Simulationsmodell übernimmt diese Funktion der Kran als Steuerzentrale. Er erfasst alle Umschlagaufträge, gewichtet die Prioritäten und erstellt danach seine „Jobliste“. Diese „Jobliste“ weist den Ladeeinheiten unterer Prioritäten in Abhängigkeit von den Positionen der Ladeeinheiten höherer Prioritäten, der Position des Krans und den Zeitinterwallen zwischen den Umschlägen von Ladeeinheiten mit höheren Prioritäten den eigentlichen Umschlagzeitpunkt zu. Mit der Festlegung des Umschlagzeitpunkts erzeugt der Kran eine Anforderung an den Straßenverkehr bzw. das Lager und fragt geeignete Übergabebzw. Lagerplätze ab. Dabei durchläuft der Kran ständig die in Abbildung 5 dargestellte Routine. Auswertung der Simulationsergebnisse Das Simulationsmodell ist so aufgebaut, dass an jeder Stelle zu jedem Zeitpunkt die erforderlichen Daten abgerufen werden können. Die Daten können im Simulationsmodell selbst aufgezeichnet und ausgewertet oder in eine MS-Oice kompatible Form überführt werden. Mit der freien Anordnungsmöglichkeit von Messpunkten an den Ein- und Ausgängen aller Terminalkomponenten ist die Datenerfassung nahezu uneingeschränkt möglich. So können mit der Hilfe eines geeichten Simulationsmodells z. B.: •• beim Betrieb mehrerer Krane auf einer Kranspur die Leistungsfähigkeit jedes einzelnen Krans und die Behinderungen der Krane untereinander durch das Überschneiden der Arbeitsräume oder •• die Zeiten für das Aufnehmen bzw. Absetzen von Ladeeinheiten oder auch für den gesamten Umschlagprozess in Abhängigkeit der Umschlageigenschaften der Ladeeinheiten, des Füllgrads der Lager und der äußeren Bedingungen (Wetter, Sicht, Qualifizierung der Gerätefahrer usw.) ausgewertet werden. Wie der Modellaubau selbst, können auch Abb. 4: Allgemeine Marktanforderungen (links) gegenüber den resultierenden Anforderungen der einzelnen Züge (rechts) Abb. 5: Routine für das Erstellen der „Jobliste“ LOGISTIK Intermodaler Verkehr Internationales Verkehrswesen (63) 5 | 2011 24 Abb. 6: Schema zum Einsatz eines Terminalsimulationsmodells als Hilfsmittel bei der Entwicklung geeigneter Terminalsteuerungssysteme Birger Latki, Dipl.-Ing. Verkehrsingenieur Transportlogistik Bereich Seeverkehr, Mitarbeiter und Partner der Baltic Marine Consult GmbH, Rostock-Warnemünde latki@bmc-info.de Christian Greinert, Dipl.-Ing. Verkehrsingenieur Transportlogistik Bereich Seeverkehr, Mitarbeiter und Partner der Baltic Marine Consult GmbH, Rostock-Warnemünde greinert@bmc-info.de die Position und die Messfolge an den Messpunkten sowie die zu erfassenden Daten nach jedem Simulationslauf neu bestimmt werden. Durch diese Flexibilität bieten sich Simulationsmodelle nicht nur als Werkzeug zur Planung neuer Terminals während der Dimensionierungs- und Anordnungsphase der einzelnen Terminalkomponenten, sondern darüber hinaus auch bei der Tagesplanung im realen Betrieb an. Aufgrund der relativ langen Fahrzeiten in den Schienenhauptläufen liegen z. B. die Informationen über die Anzahl, Struktur und Verteilung der Ladeeinheiten auf den Zügen, zu erwartende Verspätungen der Züge so rechtzeitig vor, dass die Abläufe im Terminal für den Folgetag im Voraus mit den Modellen simuliert und optimiert werden können. Einsatz der Simulation im operativen Betrieb Dadurch, dass sich mit einem für das Terminal geeichten Simulationsmodell die Umschlag- und Lageranforderungen in einem oder mehreren Simulationsläufen vorab einfach und schnell durchspielen lassen, bietet sich die Möglichkeit, bereits im Vorfeld steuernd auf die Belegung der Lagerflächen sowie die Bring- und Abholprozesse der Kunden einzuwirken. Die vorliegenden Informationen zu den zulaufenden Zügen sowie der aktuelle Füllstand der Lagerflächen werden mit den Erfahrungswerten der Bring- und Abholeprozesse kombiniert und ergeben so ein belastbares Bild, mit dem der Geräte- und Personaleinsatz sicherer disponiert werden können. Dabei steigt mit jeder Nutzung des Simulationsmodells der Detailierungsgrad der empirischen Eingangswerte, wie zum Beispiel die Abhängigkeit verschiedener Durchlaufprozesse von Witterungsbedingungen, wie Temperatur, Niederschlag, Sicht sowie von Wochentag, Tageszeit usw., wodurch das Modell im Laufe der Zeit immer genauer wird. Letztlich kann ein im operativen Geschäft genutztes Simulationsmodell dazu herangezogen werden, um ein für das Terminal geeignetes Steuerungssystem zu entwickeln. Mit wachsendem Detaillierungsgrad entspricht das Simulationsmodell zunehmend der Realität. Somit lässt sich mit einem den spezifischen Anforderungen des Umschlagterminals angepassten und auf die realen Umschlag- und Lagerprozesse geeichten Simulationsmodell die Prozesssteuerung soweit unterstützen, dass am Ende ein virtuelles Terminalsteuerungssystem entsteht, das die Grundlage für die Entwicklung bzw. Optimierung der Terminalsteuerungs- und Verwaltungssysteme bietet. In Abbildung- 6 ist die Nutzung eines derartigen Simulationsmodells bei der Entwicklung eines Terminalsteuerungssystems schematisch dargestellt. ɷ »Letztlich kann ein im operativen Geschäft genutztes Simulationsmodell dazu herangezogen werden, um ein für das Terminal geeignetes Steuerungssystem zu entwickeln. «