Leonid Jasvoin Integration der Unsicherheitsaspekte in die Schedule-Optimierung

GABLER EDITION WISSENSCHAFT Schriften zum europäischen Management Herausgegeben von Roland Berger Strategy Consultants – Academic Network

Herausgeberrat: Prof. Dr. Thomas Bieger, Universität St. Gallen; Prof. Dr. Rolf Caspers, European Business School, Oestrich-Winkel; Prof. Dr. Guido Eilenberger, Universität Rostock; Prof. Dr. Dr. Werner Gocht, RWTH Aachen; Prof. Dr. Karl-Werner Hansmann, Universität Hamburg; Prof. Dr. Alfred Kötzle, Europa Universität Viadrina, Frankfurt/Oder; Prof. Dr. Kurt Reding, Universität Kassel; Prof. Dr. Dr. Karl-Ulrich Rudolph, Universität Witten-Herdecke; Prof. Dr. Johannes Rüegg-Stürm, Universität St. Gallen; Prof. Dr. Leo Schuster, Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt; Prof. Dr. Klaus Spremann, Universität St. Gallen; Prof. Dr. Dodo zu Knyphausen-Aufseß, Universität Bamberg; Dr. Burkhard Schwenker, Roland Berger Strategy Consultants

Die Reihe wendet sich an Studenten sowie Praktiker und leistet wissenschaftliche Beiträge zur ökonomischen Forschung im europäischen Kontext.

Leonid Jasvoin

Integration der Unsicherheitsaspekte in die Schedule-Optimierung Empirische Modellierung unter Anwendung der Fuzzy-Theorie am Beispiel des Luftverkehrs

Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Heinrich Rommelfanger

Deutscher Universitäts-Verlag

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Dissertation Universität Frankfurt am Main, 2005

1. Auflage Juni 2006 Alle Rechte vorbehalten © Deutscher Universitäts-Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006 Lektorat: Brigitte Siegel / Sabine Schöller Der Deutsche Universitäts-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.duv.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main Druck und Buchbinder: Rosch-Buch, Scheßlitz Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN-10 3-8350-0324-0 ISBN-13 978-3-8350-0324-8

V

Meiner Familie

VII

Geleitwort Die fortschreitende Globalisierung der Weltmärkte, die Harmonisierung der Produkte und die Sättigung der Verbrauchernachfrage in der ersten Welt setzen Unternehmen einem zunehmenden Konkurrenzdruck aus. Um Produktions- oder Dienstleistungen verkaufen zu können, sind sie daher gehalten, Aufträge möglichst schnell und kostengünstig auszuführen. Dabei sind die Festlegung der zeitlichen Reihenfolge, in der Aufträge bearbeitet werden sollen, und die Zuordnung von mengen- und terminmäßig spezifizierten Aufträgen zu Ressourcen zentrale Entscheidungskomponenten im Produktionsund Servicebereich, welche den operativen Gewinn von Unternehmen stark beeinflussen. Es ist daher wichtig, diese Pläne ("Schedule") möglichst optimal festzulegen, um Engpässe zu vermeiden und eine effektive Auslastung der Ressourcen zu erzielen. Bei realen Scheduling-Problemen tritt zumeist die Schwierigkeit auf, dass einige der Parameter nur ungenau beschrieben werden können, wie z. B. Bearbeitungs- oder Lieferzeiten, Material-, Maschinen oder Personenverfügbarkeit, Marktnachfragen. Werden diese Unsicherheiten bei der Festlegung eines Schedules nicht adäquat berücksichtigt, so läuft man Gefahr, dass der festgelegte Plan nicht mehr effizient oder gar nicht mehr durchführbar ist. Aktuell werden Unsicherheiten in Scheduling-Modellen entweder ignoriert, oder man unterstellt, dass man die Unsicherheiten durch eine bekannte Wahrscheinlichkeitsverteilung beschreiben kann. In der Realität ist aber die Annahme konstanter Rahmenbedingungen häufig nicht zutreffend. In seiner Dissertation liefert Herr Jasvoin einen viel versprechenden Ansatz, Unsicherheitsaspekte in die Flugplanoptimierung und allgemein in das Scheduling zu integrieren. Um eine zutreffendere Beschreibung der Daten zu erzielen, werden neben den Vergangenheitsdaten auch die subjektive Erfahrung von Experten zur Beschreibung der für das Scheduling relevanten Parameter verarbeitet. Der Autor liefert innovative und überzeugende Lösungen zu sehr komplexen Optimierungsproblemen, die angesichts des Konkurrenzkampfes auf internationalen Märkten Lösungen von immenser Bedeutung sind. Die empirischen Tests mit dem professionellen Sortware-Tool, mit dem eine Bewertung und Optimierung reeller Flugpläne internationaler Fluggesellschaften vorgenommen werden kann, belegen eindrucksvoll die Vorteile dieses innovativen Ansatzes. Heinrich Rommelfanger

IX

Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand als Dissertation im Rahmen des von Roland Berger Strategy Consultants geförderten Promotionsprogramms und wurde von der wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt am Main angenommen. Das Zustandekommen der Arbeit war an die Mithilfe zahlreicher Personen gebunden, bei denen ich mich an dieser Stelle bedanken möchte. Mein besonderer Dank und persönliche Wertschätzung gilt meinem Doktorvater und akademischen Lehrer Herrn Prof. Dr. Heinrich Rommelfanger für die Betreuung der Promotion, die vielen hilfreichen Diskussionen und die stets höchst wissenschaftlich kompetenten Anregungen sowie für das jederzeit entgegengebrachte Interesse am Fortgang der Arbeiten. Herrn Prof. Dr. Heinz Isermann danke ich herzlich für die Übernahme des Koreferats. Der Firma Roland Berger, aller voran Dr. Uwe Kumm und Dr. Philipp Goedeking, die mir durch ihre Unterstützung die konzentrierte Bearbeitung meines Forschungsvorhabens ermöglichten, gilt ebenfalls mein Dank. Bedanken möchte mich bei Dr. Sven Bartels, der mich oft durch kompetente fachliche Ratschläge, Diskussionen, Literaturhinweise aber auch durch aufbauende Worte unterstützt und motiviert hat. Meiner Frau Anna will ich ebenso einen besonderen Dank für ihre Geduld und ihr Verständnis aussprechen, da sie direkt unter dem Aufwand für diese Arbeit zu leiden hatte. Ein großes Anliegen ist es mir, mich bei meinen Eltern zu bedanken; sie haben mir meine Ausbildung ermöglicht und waren für mich stets in jeder Hinsicht vorbildliche Eltern.

Leonid Jasvoin

XI

Inhaltsverzeichnis Geleitwort.................................................................................................................... Vorwort....................................................................................................................... Inhaltsverzeichnis....................................................................................................... Abbildungsverzeichnis................................................................................................ Tabellenverzeichnis.................................................................................................... Symbolverzeichnis...................................................................................................... Abkürzungsverzeichnis............................................................................................... 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Einleitung.............................................................................................. Problemstellung..................................................................................... Flugplanoptimierung als ein Scheduling-Problem.................................. Zielsetzung............................................................................................. Gang der Untersuchung.........................................................................

2

2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.3.3 2.3.3.3.1 2.3.3.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

Grundzüge der Luftverkehrswirtschaft und des Netzwerkmanagements................................................................................................ Einführung.............................................................................................. Grundlagen der Luftverkehrswirtschaft.................................................. Definition und Abgrenzung des Luftverkehrs......................................... Eigenschaften der Produktion von Verkehrsleistungen......................... Charakteristika des Angebots................................................................ Charakteristika der Nachfrage............................................................... Entwicklung des Luftverkehrs................................................................ Entwicklung der wichtigsten politischen Rahmenbedingungen im Luftverkehr................................................................................................... Regulierung des Luftverkehrs in den USA und Europa......................... Deregulierungs- und Liberalisierungsprozess im Luftverkehr................ Auswirkungen der Deregulierung und Liberalisierung auf die Luftverkehrsmärkte........................................................................................... Streckennetze und Flugangebot............................................................ Flugpreise.............................................................................................. Wettbewerb und Marktstruktur............................................................... Wettbewerb zwischen etablierten und neuen Fluggesellschaften......... Strategische Flugallianzen und Kooperationen..................................... Grundzüge des Airline-Netzwerkmanagements.................................... Aufgaben und Funktionen des Airline-Netzwerkmanagements............. Grundgedanke der Netzwerkoptimierung.............................................. Airline-Netzwerke................................................................................... Prozess der Flugplanung.......................................................................

3 3.1

Quantitative Modelle zur Flugplanoptimierung................................. Einführung..............................................................................................

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3

VII IX XI XV XXI XXIII XXXI

1 1 2 3 4 6 6 6 6 7 8 9 11 12 12 13 15 16 17 17 17 19 23 24 28 30 35 48 48

XII

3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.2.1 3.2.3.2.2 3.2.3.2.3 3.2.3.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.3.1 3.3.2.3.2 3.3.2.3.3 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.3

Inhaltsverzeichnis

Quantitative Flugplanoptimierung.......................................................... Überblick über die wichtigsten Kategorien der quantitativen Optimierungsmodelle in der Luftfahrtindustrie.................................................... Reihenfolge der Initialisierung der quantitativen Modelle zur Festlegung der optimalen Zeitenlagen der Flüge............................................ Modelle zur Flugplanoptimierung........................................................... Darstellung der Flugnetzwerke im Rahmen der Graphentheorie........... Scheduling-Modelle............................................................................... Flugplanoptimierung mit Slot-Assignment-Modellen.............................. Flugplanoptimierung mit Zeittafel-Modellen........................................... Modelle zur simultanen Optimierung der Zeitenlagen und der Flugzeugzuordnung...................................................................................... Flugzeugrotationsmodelle mit Zeitenlagenverschiebungen................... Lösungsverfahren der Flugplanoptimierungsmodelle............................ Überblick über die potenziellen Lösungsverfahren................................ Exakte Lösungsverfahren...................................................................... Vollständige Enumeration...................................................................... Schnittebenenverfahren......................................................................... Entscheidungsbaumverfahren............................................................... Dynamische Optimierung....................................................................... Begrenzte Enumeration......................................................................... Branch-and-Bound-Verfahren................................................................ Heuristische Lösungsverfahren............................................................. Eigenschaften und Arten heuristischer Verfahren................................. Tabu-Suche........................................................................................... Simulated Annealing.............................................................................. Genetische Algorithmen......................................................................... Irregulärer Flugbetrieb........................................................................ Einführung.............................................................................................. Entstehung, Entwicklung und Auswirkung von Flugverspätungen........ Irreguläre Ereignisse als Ursache von Flugverspätungen..................... Entwicklung der Flugverspätungen........................................................ Alternative Reaktionsmöglichkeiten der Fluggesellschaften auf Flugverspätungen......................................................................................... Taktische Reaktionsmaßnahmen auf die Flugverspätungen................ Strategische Reaktionsmaßnahmen auf die Flugverspätungen............ Auswirkungen der Flugverspätungen aus Sicht der unterschiedlichen Beteiligten.............................................................................................. Auswirkungen der Flugverspätungen auf die Fluggesellschaften.......... Auswirkungen der Flugverspätungen auf die Passagiere...................... Berücksichtigung der Unsicherheitsaspekte in der modernen Flugplanung.......................................................................................................

48 48 49 50 50 51 52 56 58 59 64 64 66 66 66 66 67 67 68 69 69 72 76 77 79 79 79 79 85 87 87 90 92 92 104 107

Inhaltsverzeichnis

4.3.1 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.3.1 5.3.3.2 5.4 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.2.1

Modelle zur Flugplanwiederherstellung (Schedule Recovery Models).. Messung und Optimierung der Robustheit und Zuverlässigkeit der Airline-Planung....................................................................................... Nicht stochastische Modelle zur Optimierung von Flugplänen.............. Stochastische Modelle zur Optimierung von Flugplänen....................... Simulationsbasierte Modelle zur Optimierung von Flugplänen.............. Darstellung der U nsicherheitsaspekte mit Hilfe der Theorie der Fuzzy-Mengen...................................................................................... Einführung.............................................................................................. Grundlagen der Theorie der Fuzzy-Mengen.......................................... Grundgedanke und Definition von Fuzzy Mengen................................. Basisdefinitionen der Theorie der Fuzzy-Mengen................................. Modellierung der Unsicherheit mit Hilfe der Theorie der FuzzyMengen.................................................................................................. Gestalt und Interpretation der Zugehörigkeitsfunktionen....................... Rangordnung und Vergleich der als Fuzzy-Mengen dargestellten Abflugs- und Ankunftszeiten der Flüge...................................................... Herleitung der Zugehörigkeitsfunktionen für Fuzzy-Ankunfts- und Abflugszeiten.............................................................................................. Ableitung der Zugehörigkeitsfunktionen aus Häufigkeiten sowie aus Wahrscheinlichkeits- bzw. Dichteverteilungen....................................... Ableitung der Zugehörigkeitsfunktionen aus subjektiven Aussagen...... Vor- und Nachteile der Abbildung von Unsicherheiten mit Hilfe der Theorie der Fuzzy-Mengen in der Flugplanoptimierung........................ Einsatz der Modelle diskreter Entscheidungen zur Passagiernachfrageschätzung auf Luftverkehrsmärkten................................. Einführung.............................................................................................. Überblick über die wichtigsten relevanten Modelle diskreter Entscheidungen................................................................................................... Anforderungen an ein in einem Flugplanoptimierungsmodell zur Passagiernachfrageschätzung eingesetztes Modell.................................... Verhaltensannahmen der Individuen in Modellen diskreter Entscheidungen................................................................................................... Struktur der Modelle diskreter Entscheidungen..................................... Multinominale Logit-Modelle.................................................................. Multinominale Probit-Modelle................................................................. Parameterschätzung und Teststatistik für Modelle diskreter Entscheidungen................................................................................................... Parameterschätzung mit der Maximum-Likelihood und der SimulatedMaximum-Likelihood-Methode............................................................... Teststatistik............................................................................................ Signifikanztests......................................................................................

XIII

107 110 110 111 113 116 116 116 116 118 119 119 124 127 128 132 134 138 138 138 139 140 142 144 149 153 153 154 154

XIV

Inhaltsverzeichnis

6.3.2.2

Anpassungstests....................................................................................

7

7.3.3 7.3.4

Entwicklung eines Fuzzy- und Marktmodell-basierten Flugplanoptimierungsmodells........................................................................... Einführung.............................................................................................. Modellformulierung und -implementierung............................................ Allgemeine Modellformulierung.............................................................. Modellimplementierung.......................................................................... Struktur und Implementierung der Sub-Probleme................................. Sub-Problem 1: Generieren der Flugverbindungen............................... Sub-Problem 2: Flugplanbewertung...................................................... Schätzung der Passagiernachfrage und der zu erwartenden Passagierumsätze........................................................................................... Evaluierung der Verspätungskosten...................................................... Master-Problem..................................................................................... Empirische Bewertungs- und Optimierungsläufe................................... Bewertung und Optimierung der Flugpläne von American Airlines in Chicago O'Hare...................................................................................... Bewertung und Optimierung der Flugpläne von American Airlines in Dallas/Fort Worth................................................................................... Bewertung und Optimierung der Flugpläne von Lufthansa in Frankfurt Zusammenfassung der empirischen Ergebnisse...................................

207 212 216

8 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3

Möglichkeiten des Modelleinsatzes in anderen Industrien.............. Einführung.............................................................................................. Modelleinsatz im Transportwesen......................................................... Auswirkungen auf das Master-Problem und Restriktionen.................... Auswirkungen auf das Sub-Problem 1................................................... Auswirkungen auf das Sub-Problem 2................................................... Modelleinsatz im Supply Chain Management und in der Logistik.......... Auswirkungen auf das Master-Problem und Restriktionen.................... Auswirkungen auf das Sub-Problem 1................................................... Auswirkungen auf das Sub-Problem 2...................................................

219 219 220 221 223 224 226 227 229 229

9

Fazit und Ausblick...............................................................................

231

Anhang....................................................................................................................... Literaturverzeichnis.....................................................................................................

235 242

7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.2.1 7.2.2.1.1 7.2.2.1.2 7.2.2.1.2.1 7.2.2.1.2.2 7.2.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2

155 158 158 161 161 164 165 165 171 172 179 191 199 201

XV

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1 Abbildung 2.1

Übereinstimmung der Flugplanoptimierung mit typischen Scheduling-Aufgaben...................................................................... Erscheinungsformen des Luftverkehrs............................................

3 7

Abbildung 2.2

Verteilung der Passagiere zwischen den Wochentagen.................

10

Abbildung 2.3

Verteilung der von US-amerikanischen Fluggesellschaften in 2004 monatlich transportierten Passagiere.....................................

11

Entwicklung der weltweit beförderten Flugpassagiere sowie der angebotenen und verkauften Passagierkilometer...........................

12

Abbildung 2.5

Liberalisierung des Luftverkehrs in Europa.....................................

14

Abbildung 2.6

Bestehende Regulierungen und Wettbewerbsverzerrungen in der Luftfahrtindustrie und ihre Auswirkungen auf die Märkte................

15

Abbildung 2.7

Die Größten Newcomer und Pleiten in der amerikanischen Luftfahrtindustrie.............................................................................. 18

Abbildung 2.8

Entwicklung der Durchschnittserträge und Stückkosten der amerikanischen Fluggesellschaften nach der Deregulierung.......... 19

Abbildung 2.9

Synergiepotenziale einer Airline-Allianz..........................................

Abbildung 2.10

Die größten weltweiten Flugallianzen.............................................. 21

Abbildung 2.11

Mögliche Formen der netzwerkseitigen Kooperation im Luftverkehr....................................................................................... 22

Abbildung 2.4

20

Abbildung 2.12

Kostenstruktur einer Fluggesellschaft.............................................

24

Abbildung 2.13

Netzwerkmanagement als Schnittstelle zwischen der Produktions- und Passagiersicht.....................................................

25

Abbildung 2.14

Prozess der Netzwerkplanung- und Optimierung............................ 27

Abbildung 2.15

Zeitliche Struktur des Netzwerkplanungsprozess............................ 28

Abbildung 2.16

Sichtweise der modernen Netzwerkplanung – O&Ds statt Strecken..........................................................................................

29

Beispiel für die Bildung der Direkt- und Transferpassagierströme mit einem Flug.................................................................................

30

Abbildung 2.18

Dezentrale Netzwerkstruktur vs. Hub-and-Spoke-Netzwerk...........

31

Abbildung 2.19

Einige Hub-Arten.............................................................................

32

Abbildung 2.20

Mögliche Anzahl der Verbindungen in Flugnetzwerken..................

33

Abbildung 2.21

"Wachstum generiert Wachstum": Volumen der Transferpassagierströme an den größten europäischen Flughäfen 34

Abbildung 2.22

Phasen des Prozesses zur Entwicklung und Optimierung der Flugpläne......................................................................................... 35

Abbildung 2.23

Wellenbilder von Lufthansa in Frankfurt und Air France in Paris....

Abbildung 2.17

37

XVI

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.24

Schritte zur Erarbeitung der Wellenoptionen................................... 37

Abbildung 2.25

Zeitliche Bündelung von Zeitclustern............................................... 38

Abbildung 2.26

Festlegung der Wellenstruktur......................................................... 39

Abbildung 2.27 Abbildung 2.28

Festlegung der Destinationen in den Wellen................................... 41 Rotationsbildung.............................................................................. 42

Abbildung 2.29

Bedingungen für das Zustandekommen eines Hits......................... 44

Abbildung 3.1

Initialisierungsreihenfolge der quantitativen Optimierungsmodelle.

50

Abbildung 3.2

Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme...................

65

Abbildung 3.3

Interner Ablauf der Kurzzeitgedächtnisfunktion der Tabu-Suche....

74

Abbildung 4.1

Verursacher von Flugverspätungen................................................

81

Abbildung 4.2

Ursachen für die von der Verkehrssteuerung ausgelösten Flugverspätungen............................................................................ 82 Entstehung von Abflugsverspätungen, Propagation von Verspätungen.................................................................................. 83

Abbildung 4.3 Abbildung 4.4

Prozentsatz der 15-min Abflugsverspätungen in Europa und den USA.................................................................................................

85

Abbildung 4.5

Durchschnittliche Länge einer Flugverspätung pro Flug in Europa und den USA...................................................................................

86

Abbildung 4.6

Gesamtzahl der Abflugsverspätungsminunten sowie Gesamtzahl der Flüge in Europa und den USA................................................... 87 Taktische Option Nr. 1 – Verspätung der Anschlussflüge............... 88

Abbildung 4.7 Abbildung 4.8

Taktische Option Nr. 2 – Rotationstausch zur Reduzierung der Flugverspätung................................................................................ 89

Abbildung 4.9

Hub-Struktur von American Airlines in Dallas/Fort Worth vor und nach De-Peaking.............................................................................

91

Abbildung 4.10

Möglicher Verlauf der Verspätungskostenfunktion..........................

93

Abbildung 4.11

Arten der bei den Fluggesellschaften anfallenden Verspätungskosten.......................................................................... 95

Abbildung 4.12

Anteile der einzelnen Arten von Verspätungskosten an den gesamten bei den Fluggesellschaften anfallenden Verspätungskosten.......................................................................... 99

Abbildung 4.13

Operatives Ergebnis der weltweiten Airline-Industrie, 1990-2002... 103

Abbildung 5.1

ρ-Präferenz für den Vergleich der Ankunfts- und Abflugszeiten...... 120

Abbildung 5.2

Mögliche Typen von Zugehörigkeitsfunktionen...............................

124

Abbildung 5.3

Modellierung der subjektiven Aussagen der Entscheider bezüglich der Zeitenlagen der Ereignisse......................................

126

Abbildungsverzeichnis

XVII

Abbildung 5.4

Verlauf der Dichte- und der Möglichkeitsfunktion bei Transformation mit Verfahren von Dubois / Prade und Civanlar / Trussell............................................................................................

Abbildung 6.1

Die empirisch erwarteten Auswahlwahrscheinlichkeiten vs. LogitAuswahlwahrscheinlichkeiten.......................................................... 146

Abbildung 7.1

Überblick über Modellaufbau, In- und Outputs................................

Abbildung 7.2

Ablaufschema zur Bestimmung des Konkurrenzangebots.............. 167

Abbildung 7.3

Bestimmung des Verbindungsangebots der zu untersuchenden Airline............................................................................................... 169

Abbildung 7.4

Änderung der Zeitenlagen der Mehr-Leg-Flüge..............................

Abbildung 7.5

Vorgehensweise zur Berechnung der zu erwartenden Passagierumsätze für eine Flugplanlösung..................................... 173

Abbildung 7.6

Verteilung der Ankunftszeitpräferenzen der Geschäftsreisenden...

175

Abbildung 7.7

Verteilung der Ankunftszeitpräferenzen der Privatreisenden..........

176

Abbildung 7.8

Eingabemaske für die Marktmodell-Parameter...............................

179

Abbildung 7.9

Vorgehensweise zur Berechnung der Verspätungskosten.............. 181

Abbildung 7.10

Erwartete Abhängigkeit des Umsatzabschlags von der Verspätungshöhe............................................................................ 183 Parametrisierung der Verspätungskostenberechung im SoftwareTool.................................................................................................. 183 Beispiel zur Berechnung der potenziellen Verspätungskosten....... 185

Abbildung 7.11 Abbildung 7.12 Abbildung 7.13 Abbildung 7.14 Abbildung 7.15 Abbildung 7.16 Abbildung 7.17 Abbildung 7.18

Herleitung der Verspätungsmöglichkeit aus FuzzyZugehörigkeitsfunktionen der Zeitenlagen...................................... Möglichkeitsverteilungen für die Flüge von American Airlines von Chicago (ORD) nach Atlanta (ATL) 2001....................................

131

164

170

186 189

Spezifikation der Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen der Zeitenlagen im Software-Tool............................................................................. 190 Funktionsweise des Master-Problems............................................. 192 Eingabemaske des Software-Tools zur Parametrisierung der Optimierungsroutine........................................................................ Methode der "parallelen Flüge".......................................................

193 197

Abbildung 7.19

Eingabe der verfügbaren Slots im Software-Tool............................ 198

Abbildung 7.20

Grafische Oberfläche des Software-Tools zum Anzeigen des Optimierungsverlaufs....................................................................... 199

Abbildung 7.21

Entwicklung des Netto-Profits von American Airlines in Chicago (ORD) 1999-2004............................................................................

Abbildung 7.22

Auswertung der Schätzdaten für die Verspätungskosten und das Verhältnis der Verspätungskosten zu Transferpassagierumsätzen im Flugplan von American Airlines in Chicago (ORD)..................... 202

201

XVIII

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 7.23

Anzahl der Flugbewegungen in Chicago O'Hare............................. 203

Abbildung 7.24

Flugplanstruktur von American Airlines in Chicago O'Hare (ORD) im Sommer 2001 und 2002.............................................................

204

Abbildung 7.25

Anzahl der Transferverbindungen von American Airlines in den Sommerflugplänen 2001 und 2002, die über Chicago O'Hare verlaufen, und ihre Transferzeit....................................................... 205

Abbildung 7.26

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Sommerflugplänen von American Airlines in Chicago O'Hare (ORD)..................................................................................

Abbildung 7.27

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Winterflugplänen von American Airlines in Chicago O'Hare (ORD)..............................................................................................

206

Abbildung 7.28

Transferverbindungen mit negativem Deckungsbeitrag..................

207

Abbildung 7.29

Entwicklung des Netto-Profits von American Airlines in Dallas/Fort Worth (DFW) 1999-2004................................................................. 208

Abbildung 7.30

Auswertung der Schätzdaten für die Verspätungskosten und das Verhältnis der Verspätungskosten zu Transferpassagierumsätzen im Flugplan von American Airlines in Dallas/Fort Worth (DFW)...... 208

Abbildung 7.31

Anzahl der Flugbewegungen in Dallas/Fort Worth..........................

209

Abbildung 7.32

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Sommerflugplänen von American Airlines in Dallas/Fort Worth (DFW)...................................................................................

210

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Winterflugplänen von American Airlines in Dallas/Fort Worth (DFW)...................................................................................

210

Abbildung 7.33

206

Abbildung 7.34

Anzahl der Transferverbindungen von American Airlines in den Sommerflugplänen 2002 und 2003, die über Dallas/Fort Worth (DFW) verlaufen, und ihre der Transferzeit.....................................

211

Abbildung 7.35

Transferverbindungen mit dem negativen Deckungsbeitrag...........

211

Abbildung 7.36 Abbildung 7.37

Entwicklung des Netto-Profits von Lufthansa in Frankfurt 19992004................................................................................................. 212 Auswertung der Schätzdaten für die Verspätungskosten und das Verhältnis der Verspätungskosten zu Transferpassagierumsätzen im Flugplan von Lufthansa in Frankfurt (FRA)................................. 213

Abbildung 7.38

Anzahl der Flugbewegungen in Frankfurt........................................ 214

Abbildung 7.39

Vergleich der Flugzeiten der Lufthansa Flüge in den Flugplänen 2003 und 2004 auf den Strecken, die in beiden Flugplänen geflogen werden..............................................................................

Abbildung 7.40

Transferverbindungen mit negativem Deckungsbeitrag..................

Abbildung 7.41

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Sommerflugplänen von Lufthansa in Frankfurt..................... 215

214 215

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 7.42

XIX

Entwicklung der Transferpassagierumsätze und der Konnektivität in den Winterflugplänen von Lufthansa in Frankfurt........................

216

Abbildung 7.43

Flugplanstruktur von American Airlines in Chicago im Winter 2000 vor und nach der Optimierung.........................................................

217

Abbildung 8.1

Modelleinsatz im Transportwesen und im Supply Chain Management.................................................................................... 220

Abbildung 8.2

Modellanpassungen für den Einsatz im Transportwesen................ 222

Abbildung 8.3

Ziele und Aufgaben von Supply Chain Management......................

Abbildung 8.4

Modellanpassungen für den Einsatz im Supply Chain Management.................................................................................... 228

Abbildung A.1

Entwicklung des Anteils der Codeshare-Flüge in den Weltflugplänen................................................................................. 236

Abbildung A.2

Entwicklung der operativen Ergebnisse und Gewinne der weltweiten Airline-Industrie.............................................................. 236

226

XXI

Tabellenverzeichnis Tabelle 4.1 Tabelle 4.2 Tabelle 4.3 Tabelle 4.4 Tabelle 7.1

Verspätungskosten für die gesamte US-amerikanische AirlineIndustrie........................................................................................... Verspätungskosten für die gesamte europäische Airline-Industrie Verspätungskosten für die Passagiere auf dem USamerikanischen Markt..................................................................... Verspätungskosten für die Passagiere auf dem europäischen Markt................................................................................................ Schätzkoeffizienten und Teststatistiken der Marktmodellkalibrierung..................................................................

100 102 105 106 178

XXIII

Symbolverzeichnis Im Kapitel 3 verwendete Symbole a Ein Knoten des gerichteten Graphen ai Angebotsknoten ati Untere Grenze des Zeitfensters für den Flug i Kantenmenge des gerichteten Graphen A bti Obere Grenze des Zeitfensters für den Flug i Kosten für die Ausführung des Fluges i nach dem Flug j cij mit dem gleichen Flugzeug c(x) Zielfunktion des Optimierungsproblems C Bewertungsfunktion des gerichteten Graphen Cij Indikatorvariable – Deklarierung einer Transferverbindung als ein Hit ctihj Die Mindestumsteigezeit kennzeichnende Variable d Outbound-Slot dij Anzahl der Tage zwischen dem Ausführen der Flüge i und j D Senkknoten i Flug I Menge der Flüge mit gleichen Flugnummern, die an unterschiedlichen Tagen ausgeführt werden IBs Menge der verfügbaren Inbound-Slots IBihs Indikatorvariable – Zuordnung der Inbound-Flüge zu einem Inbound-Slot G(V,A) Gerichteter Graph Gerichteter Graph mit Bewertungsfunktion G(V,A,C) hh Umsteigeknoten HWh Breite des Zeitfensters (in Minuten), das die maximal zulässige Wartezeit der Passagier im Hub h angibt m(x) Nicht tabu gesetzte Nachbarschaftslösungen der Lösung x M Hinreichend große Zahl MCTh Minimum Connecting Time im Hub h nj Nachfrageknoten N(x) Menge der Nachbarschaftslösungen der Lösung x O Quellknoten OBhjd Indikatorvariable – Zuordnung der Outbound-Flüge zu einem Outbound-Slot OBd Menge der verfügbaren Outbound-Slots

XXIV

s SLIBhs SLOBhd T

Ti TATi vihj v V VLij xij x x´ xakt xneu X

ZF

Symbolverzeichnis

Inbound-Slot Zeitenlage des Inbound-Slots s im Hub h Zeitenlage des Outbound-Slots d im Hub h Tabu-Liste Abflugszeit des Fluges i Turn-Around-Time des Fluges i Indikatorvariable – Zuordnung der Strecken zu Reiseströmen Eine Kante des gerichteten Graphen Knotenmenge des gerichteten Graphen Prioritätskennziffer für das O&D (i,j) Entscheidungsvariable – Ausführung des Fluges i nach dem Flug j mit dem gleichen Flugzeug Eine Lösung aus dem Lösungsraum des Optimierungsproblems Ausgangslösung Aktuelle Lösung Neu generierte Lösung Lösungsraum des Optimierungsproblems Zielfunktion

Im Kapitel 5 verwendete Symbole A Element einer Menge à Fuzzy-Menge α Niveau α Spannweite einer L-R-Fuzzy-Zahl B Element einer Menge ~ B Fuzzy-Menge β Spannweite einer L-R-Fuzzy-Zahl c Gewähltes Konfidenzniveau f Abbildungsvorschrift f -1(y) Urbildmenge der nichtleeren klassischen Menge G Variable i Zählvariable Inf Infimum j Zählvariable L(...) Linke Referenzfunktion einer L-R-Fuzzy-Zahl L(µ,λ) Zielfunktion eines Optimierungsprogramms m Gipfelpunkt einer L-R-Fuzzy-Zahl

Symbolverzeichnis

µÃ(x) µcompÃ(x) µÃ∩B~(x) µÃ∪B~(x) µR n

℘(X) pi P(A)

p(x) R R(...)

ℜ

ρ S

Sup supp(Ã) π1,π2,..., πn ∏(A) ∏G(B)

w1,w2,..., wn Ω

λ

x X y Y

XXV

Zugehörigkeitsfunktion Komplement einer Fuzzy-Menge Durchschnitt zweier Fuzzy-Mengen Vereinigung zweier Fuzzy-Mengen Zugehörigkeitsfunktion der Fuzzy-Relation Zählvariable Potenzmenge von X Wahrscheinlichkeit Wahrscheinlichkeitsmaß Werte einer Dichtefunktion Relation Rechte Referenzfunktion einer L-R-Fuzzy-Zahl Menge der reellen Zahlen Kleine reelle Zahl Menge Supremium Stützende Menge Möglichkeitsgrade Möglichkeitsmaß Möglichkeitsverteilung Umweltzustände Zustandsraum Multiplikator Element der Grundgesamtheit Grundgesamtheit Element der nichtleeren klassischen Menge Nichtleere klassische Menge

Im Kapitel 6 verwendete Symbole Vektor der Parameterwerte Modellparameter Schätzwert für den Modellparameter k cov(...) Kovarianz d O&D-Markt D Gesamtzahl der relevanten O&D-Märkte εin Stochastische Nutzenkomponente f(...) Dichtefunktion F(...) Verteilungsfunktion

β βk βˆ

XXVI

hin H0 H1 i I j Jd

Jn k

LF LogLFf LogLF0

MAE

µ n

Nd

od(i) pin pid pj pˆ di PAXid R²

RMSE sk t tα/2 ti tk uin

Symbolverzeichnis

Unabhängig und identisch verteilte Zufallsvariable Nullhypothese Gegenhypothese Alternative Einheitsmatrix Alternative Menge der verfügbaren Alternativen am O&D-Markt d Menge der für den Passagieren n verfügbaren Alternativen Index des Zeitintervalls Likelihood-Funktion Wert der Likelihood-Funktion des geschätzten Modells Wert der Likelihood-Funktion des Modells, dessen Parameter auf Null gesetzt sind Mean Absolute Error – Durchschnittlicher absoluter Fehler Skalierungsparameter der Gumbel-Verteilung Individuum Menge der Passagiere, die am O&D-Markt d eine Auswahlentscheidung treffen Funktion, die eine Alternativverbindung dem entsprechenden O&D zuordnet Auswahlwahrscheinlichkeit der Alternative i seitens des Individuums n Auswahlwahrscheinlichkeit der Alternativverbindung i auf dem O&D-Markt d Wahrscheinlichkeit Geschätzter Marktanteil der Flugverbindung i auf dem O&D-Markt d Anzahl der Passagiere auf der Alternativverbindung i auf dem O&D-Markt d Bestimmtheitsmaß Root Mean Squared Error– Wurzel aus dem quadrierten Fehler Anteil der im Zeitintervall k abfliegenden Passagiere an allen beförderten Passagieren t-Wert (t-Test Statistik) Kritischer Wert des t -Tests Abflugszeit der Alternativverbindung i Abflugszeit im Zeitintervall k Nutzen der Alternative i für das Individuum n

Symbolverzeichnis

uik vij W xi xin xn*β* yin

δii δij

¦n

σ ρ ζn ϑin ϑn

σ(β) ρ12 ρ 22

XXVII

Nutzen der Alternative i im Zeitintervall k Deterministischer Nutzenteil Matrix der normierten alternativspezifischen Gewichte Vektor der beobachtbaren Attribute der Alternative i Vektor der beobachtbaren Attribute der Alternative i für das Individuum n Maximum der alternativspezifischen Nutzenwerte Indikationsvariable Varianz des Störterms der Alternative i Kovarianz zwischen zwei Alternativen i und j Varianz-Kovarianz-Matrix der alternativspezifischen Störterme Varianzparameter Autokorrelationskoeffizient Vektor der unabhängig und identisch verteilten Zufallsvariable für das Individuum n Komponente des stochastischen Nutzenteils der Alternative i für das Individuum n Vektor der Komponente des stochastischen Nutzenteils für das Individuum n Standardabweichung eines Parameters Pseudo-Bestimmtheitsmaß Adjustiertes Pseudo-Bestimmtheitsmaß

Im Kapitel 7 verwendete Symbole a1 Indikationsvariable; gibt an, ob es einen oder mehr nächstmöglichen Flüge zum Bestimmungsort des Zubringerfluges existieren a2 Indikationsvariable; gibt an, ob zwei oder mehr nächstmögliche Flüge zum Bestimmungsort des Zubringerfluges existieren à Fuzzy-Abflugszeit des Anschlussfluges AA Ankunftsflughafen (Arrival Airport) AT Ankunftszeit (Arrival Time) ATi Ankunftszeit des Fluges i ~ Fuzzy-Ankunftszeit des Zubringerfluges plus MCT B

XXVIII

bFL

β d dist(...) DA DC(...) DCijp DT DTi f(...) F FL FFL

Symbolverzeichnis

Anzahl der Flugzeuge in der Teilflotte FL im Ausgangsflugplan Parametervektor des Marktmodells Wochentag Distanzfunktion Abflugsflughafen (Departure Airport) Verspätungskostenfunktion Potenzielle Verspätungskosten der Transferverbindung (i-j)

IB _ SlotshD,t

Abflugszeit (Departure Time) Abflugszeit des Fluges i Funktionale Abhängigkeit Flugzeugflotte der untersuchten Fluggesellschaft Flugzeugtyp Teilflotte, die aus den Flugzeugen des Flugzeugtyps FL besteht Flughafen Menge der von der untersuchten Fluggesellschaft angeflogenen Flughäfen Flugverbindung Transferverbindung, die aus den Flügen i und j besteht Anzahl der von Flügen der untersuchten Fluggesellschaft

j J Jd J dXX

aktuell belegten Inbound-Slots am Tag d am Flughafen h für das Ankunftszeitfenster t Flugverbindung Menge der Flüge der untersuchten Fluggesellschaft Menge der Flüge am Tag d Gesamtheit der Verbindungen der zu untersuchenden

k K 1j

Airline auf dem jeweiligen O&D-Markt am Tag d Abflugszeitpunkt Airline-Typ-spezifischer Kostenaufschlagsfaktor für den

2 j

ersten späteren Flug des Anschlussfluges j Airline-Typ-spezifischer Kostenaufschlagsfaktor für den

h H i (i,j)

K

LA

LB MAE

zweiten späteren Flug des Anschlussfluges j Referenzfunktion der linken Seite der Fuzzy-Zahl à Referenzfunktion der linken Seite der Fuzzy-Zahl B Mean Absolute Error – Durchschnittlicher absoluter Fehler

Symbolverzeichnis

max

XXIX

Maximiere

Max_Detour Maximal zulässiger Detour-Factor D Max_IB_Slots h,t Maximale Anzahl der am Tag d am Flughafen h für das Ankunftszeitfenster t für die untersuchte Fluggesellschaft zur Verfügung stehenden Inbound-Slots

Max_OB_Slots hD,t Maximale Anzahl der am Tag d am Flughafen h für das Ankunftszeitfenster t für die untersuchte Fluggesellschaft

µ A

zur Verfügung stehenden Outbound-Slots Maximal zulässige Wartezeit auf den Anschlussflug Minimum Connecting Time Zugehörigkeitsfunktion der Fuzzy-Abflugszeit des

µ B

Anschlussfluges Zugehörigkeitsfunktion der Fuzzy-Ankunftszeit des

Max_Waiting MCT

Nj OB _ SlotshD,t

OC OD OT p pi PAXi PAXij PR (...)

π r

RA RB Rij

RMSE

Zubringerfluges plus MCT Anzahl der nächstmöglichen Flüge zum Bestimmungsort von j Anzahl der von Flügen der untersuchten Fluggesellschaft aktuell belegten Outbound-Slots am Tag d am Flughafen h für das Abflugszeitfenster t Übernachtungskosten für einen Passagier Umsatzabschlag bei einer Übernachtung Andere (nicht untersuchte) Fluggesellschaften Verspätungsmöglichkeit Auswahlwahrscheinlichkeit der Flugverbindung i Anzahl der Passagiere auf der Flugverbindung i Anzahl der Passagiere auf der Transferverbindung (i-j) Funktion der Passagierumsätze Permutation des Ausgangsflugplans Faktor zur Berücksichtigung von früheren Abflügen des Anschlussfluges Referenzfunktion der rechten Seite der Fuzzy-Zahl à Referenzfunktion der rechten Seite der Fuzzy-Zahl B Durchschnittlicher Passagierertrag auf der Transferverbindung (i-j) Root Mean Squared Error – Wurzel aus dem quadrierten Fehler

XXX

sk

Symbolverzeichnis

D S FL

Anteil der im Zeitintervall k abfliegenden Passagiere an allen beförderten Passagieren Flugplan (Menge der Flüge) der untersuchten Fluggesellschaft am Tag d Teilflugplan der untersuchten Fluggesellschaft am Tag d,

ShD

der nur aus Flügen, die mit dem Flugzeugtyp FL ausgeführt werden, besteht Teilflugplan, der nur die Flüge der untersuchten

SD

Fluggesellschaft enthält, die am Flughafen h am Tag d starten oder landen Abflugs- oder Ankunftszeitfenster Untere Grenze des Zeitenlagenfensters für den Flug i

t t Ai t Bi T TATFL ukOT

Geplante Abflugszeit des Anschlussfluges Turn-Around-Time der Flugzeuge des Typs FL Aggregierter Nutzen der Verbindungen der Konkurrenz auf

uikXX

dem jeweiligen O&D-Markt zum Abflugszeitpunkt k Nutzen der Verbindung i der zu untersuchenden Airline

V

1 j

V j2

ω(...) WSD xi XX Z 1j Z

2 j

ρ 22 ζ(i,j)

Obere Grenze des Zeitenlagenfensters für den Flug i

zum Abflugszeitpunkt k Prozentuale Verteilung der Passagiere auf den ersten späteren Flug des Anschlussfluges j Prozentuale Verteilung der Passagiere auf den zweiten späteren Flug des Anschlussfluges j Bewertungsfunktion Flugverbindungsangebot der Konkurrenz der untersuchten Fluggesellschaft am Tag d Attributvektor der Flugverbindung i Untersuchte Fluggesellschaft Wartezeitabhängiger Umsatzabschlag für den ersten späteren Flug des Anschlussfluges j Wartezeitabhängiger Umsatzabschlag für den zweiten späteren Flug des Anschlussfluges j Adjustiertes Pseudo-Bestimmtheitsmaß Hit-Transferverbindung, die aus Flügen i und j besteht

XXXI

Abkürzungsverzeichnis AA ABC-MNL AEA AG AOCC ASK ATA ATC BTS bzw. ca. CAB CFMU CODA CRS d.h. et al. etc. EU EUR FAA GAR-MNP IATA ICAO IT ITA LH MCT Min. Mio. Mrd. Nr. OAG Pan Am PAX PSA RPK

American Airlines Attribute Based Covariance Multinominal Probit Association of European Airlines Aktiengesellschaft Airline Operations Control Center Available Seat Kilometers US Airline Transport Association Air Traffic Control Bureau of Transportation Statistics beziehungsweise circa, ungefähr Civil Aeronautic Board Central Flow Management Unit Central Office for Delay Analysis Computer Reservation System das heißt und andere et cetera, und so weiter Europäische Union Euro Federal Aviation Administration Generalized Autoregressive Multinominal Probit International Air Travel Association International Civil Aviation Organisation Informationstechnologie Institut du transport aérien Deutsche Lufthansa Minimum Connecting Time Minuten Millionen Milliarden Nummer Official Airline Guide Pan American Airlines Passagier Pacific Southwest Airlines Revenue Passenger Kilometers

XXXII

Abkürzungsverzeichnis

S. S99 S00 S01 S02 S03 S04 W99/00 W00/01 W01/02 W02/03 W03/04 TWA US USA USD usw. z.B.

Seite Sommerflugplan 1999 Sommerflugplan 2000 Sommerflugplan 2001 Sommerflugplan 2002 Sommerflugplan 2003 Sommerflugplan 2004 Winterflugplan 1999/2000 Winterflugplan 2000/2001 Winterflugplan 2001/2002 Winterflugplan 2002/2003 Winterflugplan 2003/2004 Trans World Airlines United States (of America) United States of America US Dollar und so weiter zum Beispiel

Airport-Codes AMS BRU CDG DFW FRA LGW LHR MUC MXP ORD VIE ZRH

Amsterdam Schiphol Airport Brüssel National Airport Paris Charles de Gaulle Airport Dallas / Fort Worth Airport Frankfurt International Airport London Gatwick Airport London Heathrow Airport München Franz Josef Strauss Airport Milan Malpensa Airport Chicago O'Hare Airport Airport Wien Airport Zürich

City-Codes AMS BER BKK

Amsterdam Berlin Bangkok

Abkürzungsverzeichnis

BRU DXB FRA HKG IST JNB LAX LIS LON MOW MUC NYC PAR PRG ROM SAO SIN STO TYO VIE ZRH

XXXIII

Brüssel Dubai Frankfurt am Main Hongkong Istanbul Johannesburg Los Angeles Lissabon London Moskau München New York Paris Prag Rom Sâo Paulo Singapur Stockholm Tokio Wien Zürich