Railway crew capacity planning problem with connectivity considerations in pairings

Abstract

Demiryolu planlamasinda ekip, stratejik, taktik ve operasyonel seviyede ele alınması gereken en önemli kaynaklardan birisidir. Birçok demiryoulu işletmesinde personel giderleri yakıt ve enerji giderlerini dahi geride bırakmış ve toplam giderlerin üçte birinden fazlasını oluşturmuştur. Bu bağlamda etkin ve verimli ekip yönetimi önemli bir planlama problemine dönüşmektedir. Bu çalışmada, bölge ekip kapasitesini (ihtiyaç duyulan ekip üyesi sayısını) belirlemeyi amaçlayan taktik seviyede demiryolu ekip kapasite planlama problemi ele alınmaktadır. Genişletilmis¸ problem tanımı, operasyonel bir gereklilik olan ekip görev çizelgelerinin bir çizelge döneminden diğer çizelge dönemine geçişte birbirlerine bağlanabilir olması, dolayısıyla birbirini takip edecek çizelge dönemlerinde ekiplerin olurlu ve kurallara uygun birer görev çizelgesiyle çalışıyor olmasını da kapsar. Problem için bir küme-kaplama tipi model geliştirilmiş ve çözüm yöntemi olarak bir eşzamanlı kolon-ve-satır türetme algoritması önerilmiştir. Buna ek olarak, çok katmanlı bir ağ gösterimi geliştirilmiş ve çözüm için bir ağ akışı modeli önerilmiştir. Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları'ndan alınan veri üzerinde yapılan bilgisayısal çalışma sonuçları sunulmaktadır.

Crew is one of the most crucial resources in railway planning that needs to be considered at strategic, tactical and operational planning levels. During the last decade, crew-related costs outweigh energy expenditures and constitute more than one third of general expenditures in most railways. Therefore, sufficient but effective crew management is a critical planning problem which may lead to important savings. In this study, we deal with the tactical crew capacity planning problem which determines the minimum required number of crew members. In our setting, the feasibility of crew schedules and the connectivity of rosters are integrated to find a repeatable set of schedules that satisfy the operational rules and regulations. We develop a set-covering type formulation and propose a simultaneous column-and-row generation algorithm. We also propose a network representation of the problem and develop a corresponding network flow formulation. In order to compare efficiency and effectiveness of the two solution methods, we perform a comprehensive computational study with data sets acquired from Turkish State Railways and present the results.