Success Story TIMOCOM Routing – LKW-Leerkilometer europaweit vermeiden

Einsatz von Operations Research für ökonomische und ökologische Nachhaltigkeit von Transportprozessen - TIMOCOM und viadee präsentieren einen Prototyp eines intelligenten Algorithmus, der es ermöglicht, eine Route aus bis zu 800.000 täglich angebotenen internationalen Fracht- und Laderaumangeboten innerhalb von Millisekunden zusammenzustellen. Dabei werden Leerkilometer reduziert, zusätzliche Erträge für Frachtführer:innen generiert und ökologische Nachhaltigkeit gefördert.

Smarte Frachtempfehlung

Das Smart Logistics System von TIMOCOM ermöglicht es, Auftraggeber:innen und Frachtsuchende zusammenzubringen. Auftraggeber:innen spezifizieren und inserieren die zu transportierende Fracht, so dass es Frachtführer:innen möglich ist, die richtige Fracht für den verfügbaren Laderaum zu finden. Als Reaktion auf die sich stetig ändernden Kundenanforderungen entwickelt TIMOCOM fortlaufend innovative Ideen, die die Digitalisierung der Transportlogistik maßgeblich formen und das Smart Logistics System erweitern. Eine aktuelle Innovation ist die sogenannte Smarte Frachtempfehlung, die Frachtführer:innen bei dem Auffüllen ihrer Routen unterstützt.

Frachttransporte sind häufig unidirektional, d. h. die Fracht muss zu ihrem Ziel transportiert werden, die Rückfahrt ist aber erstmal eine Leerfahrt ohne Fracht. Frachtführer:innen nutzen dann die Frachtenbörse, um nach geeigneter Fracht für den Rückweg zu suchen. Meist findet sich keine Fracht direkt von dem jeweiligen Zielort zum Ausgangsort. Somit setzt sich eine optimale Route potentiell aus mehreren Frachten für Teilstrecken sowie gezielten Umwegen zusammen. Für eine:n Frachtführer:in, der:die von Paris nach Berlin fahren muss, sind beispielsweise nicht nur direkte Transporte auf dieser Strecke relevant, sondern auch die Kombination aus Frachttransporten über Stuttgart und Prag. Während die digitale Plattform von TIMOCOM bereits zuvor eine Suche und Filterung der bis zu 800.000 international täglich verfügbaren Fracht- und Laderaumangebote ermöglichte, mussten die Frachtführer:innen dennoch manuell ihre Routen aufbauend planen und bewerten. Der Prototyp zur Smarten Frachtempfehlung adressiert diese Problemstellung, indem sie es den Nutzer:innen ermöglicht, eine Route mit möglichst wenigen Leerkilometern aus dem großen täglich verfügbaren Frachtangebot interaktiv zusammenzustellen. Es werden verschiedene Kombinationen von Frachttransporten mit geringen Leerkilometern angeboten und in einer interaktiven Karte aufbereitet.

Ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit

Bereits vor dem Projekt haben TIMOCOM und viadee zusammengearbeitet. Hierbei wurden unsere Kompetenzen im Bereich Data Science und KI hinzugezogen, um mögliche Anwendungsszenarien für KI mit Mehrwert für TIMOCOM und ihre Kund:innen zu identifizieren. Im Rahmen der Analyse wurde die Routenplanung unter Betrachtung der verfügbaren Frachten als attraktiver Anwendungsfall identifiziert. Einerseits ist das ökonomische Potenzial groß: Durch eine höhere Transportauslastung werden zusätzliche Gewinne generiert und Kosten für beispielsweise Kraftstoff, Reparatur und Personal reduziert. Andererseits gewinnt ökologische Nachhaltigkeit in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Logistikbranche. Durch eine Reduzierung der Leerfahrten werden insgesamt betrachtet weniger Kilometer gefahren und somit Emissionen reduziert.

Andererseits ist das betrachtete Routenplanungsproblem komplex und eine effektive Lösung bedarf den Einsatz von Data Science und KI-Methoden. Insbesondere kommt hier die Toolbox des sogenannten Operations Research (OR) zum Einsatz. OR umfasst quantitative Modelle und Methoden zur Lösung von Planungsproblemen. Die Routenplanung im Kontext einer Frachtenbörse birgt dabei zwei besondere Herausforderungen:

1. Angebote einer Frachtenbörse sind sehr flüchtig. Innerhalb weniger Sekunden können einzelne Frachtangebote bereits nicht mehr verfügbar sein.
2. Ein hohes Frachtangebot, das europaweit verteilt ist, bietet einerseits ein hohes Potenzial die Route zu optimieren, andererseits entsteht hierdurch ein komplexes Netzwerk als Suchraum.

Nicht zuletzt aufgrund der Flüchtigkeit wird an den Algorithmus die Anforderung gestellt, dass Suchergebnisse innerhalb einer Sekunde bereitgestellt werden können. Ansonsten sind Ergebnisse bereits wieder obsolet. Dem entgegen steht der gewünschte hohe Detailgrad und die Präzision der Lösung.

mit or / effizienten heuristiken zu interaktiven und intelligenten routen

Ein Minimum Viable Product der Smarten Frachtempfehlung wurde im Team Applied Technology Research prototypisch entwickelt. Dieser Prototyp bewertet das Frachtangebot anhand der Leerkilometer, die durch die Anfahrt zum Transportstartpunkt und die Fahrt vom Ende des Transports zum Ziel des:der Frachtführers:Frachtführerin entstehen. Das Ziel des aktuellen Projektes war es, iterativ und auf diesen Prototypen aufbauend einen Algorithmus zu entwickeln, der mehrere Frachtangebote in die geplante Route integriert und so die Leerkilometer reduziert. Um die verfügbaren Algorithmen zu evaluieren und den aktuellen Forschungsstand einzubeziehen, hat eine viadee Masterandin eine wissenschaftliche Abschlussarbeit, betreut durch die WWU Münster (Prof. Hellingrath), zum Thema Routenplanung im Kontext einer Frachtenbörse angefertigt. Im Anschluss konnte sie, nun als viadee Beraterin, das in der wissenschaftlichen Arbeit gewonnene Wissen in die Praxis übertragen. In enger Zusammenarbeit mit dem Applied Technology Research Team von TIMOCOM wurde zunächst ein auf die Kundenbedürfnisse zugeschnittener Algorithmus konzeptioniert. Es folgte die Prototyp Umsetzung, Evaluation und Optimierung.

OR umfasst zwei wichtige und zugleich herausfordernde Schritte: die Erstellung eines quantitativen Modells, welches Planungsziele und Bedingungen abbildet und auf analytisch aufbereiteten Daten aufbaut sowie die Anwendung geeigneter Verfahren zur Lösung dieses Modells. Die Grundlage für die Anwendung dieser Methodik ist eine qualitativ hochwertige Datenmenge, die das Problem komplett und präzise abbildet. Im Use Case von TIMOCOM ist dies durch die große Menge und Qualität an Daten gegeben, die durch mehr als 135.000 Systemnutzer:innen und hohem Durchsatz des Systems generiert wird. Die hohe Anzahl an europaweit verteilten Frachtangeboten von TIMOCOM resultiert in einem komplexen Netzwerk aus Belade- und Entladeplätzen sowie den Positionen von Frachtführer:innen. Diese müssen in miteinander verbundene Regionen bzw. Knoten eines sogenannten Suchgraphen aggregiert werden. Eine geeignete Modellierung muss dabei beachten, dass die Anzahl von möglichen Lösungen schnell explodiert, wenn mehr als ein zusätzlicher, optionaler Haltepunkt gleichzeitig betrachtet wird.

Lösungsansätze für das Problem der Routenplanung beinhalten die mathematische Optimierung, heuristische Verfahren und Graphentheorie. Einfache Algorithmen sind hier wegen ihrer Nachvollziehbarkeit zu bevorzugen. Letztlich war keiner der klassischen Algorithmen ohne Anpassungen für diese große Datenmenge mit den Echtzeit-Anforderungen verwendbar. Aus diesem Grund haben wir einen für die Endkund:innen individuell angepassten Algorithmus entwickelt. Dieser basiert auf traditionellen Algorithmen ist aber auf die individuellen Eigenschaften einer Frachtenbörse und die Qualitätsanforderungen von TIMOCOM angepasst. Der Algorithmus wurde von einer viadee Beraterin und einem Mitarbeiter des Applied Technology Research Teams gemeinsam entwickelt. Durch einen engen Wissensaustausch konnten sich spezielles OR-Methodenwissen und fachliches Wissen zu Frachtenbörsen wunderbar ergänzen. Für die Testphase des Prototypens wurde der Algorithmus in eine Spring Boot Webanwendung integriert.

Vom Forschungsprojekt zur Integration beim Kunden

Im Sommer 2021 wird der entwickelte Algorithmus in den Smarte Frachtempfehlung Prototypen von TIMOCOM integriert und von den Endkund:innen getestet. Insgesamt konnte eine Lösung entwickelt werden, die auf die Ansprüche der Kund:innen von TIMOCOM und die resultierenden Anforderungen zugeschnitten ist.

• Routenplanung innerhalb von Millisekunden
• Betrachtung eines Europa-weiten Suchgraphen, dessen Detailgrad angepasst werden kann
• Integration von bis zu 93,9 Mio. Fracht- und Laderaumangebote jährlich
• Eingrenzung des Suchraums nach Anforderungen des:der Frachtführers:Frachtführerin, wie max. Strecke und Eigenschaften des LKW

Der konkrete Algorithmus ist modular in dem Software-Produkt integriert, sodass ein Anpassen und Austausch des Algorithmus schnell realisierbar sind. Auch der Algorithmus selbst ist modular aufgebaut, um ihn fortlaufend optimieren und so auf das in der Testphase des Prototyps gesammelte Feedback reagieren zu können. Erweiterungsmöglichkeiten beinhalten beispielsweise den parallelen Transport mehrerer Ladungen zur besseren Ausnutzung des Laderaumvolumens oder eine Abschätzung der Reisedauer zur Berücksichtigung maximaler Transportschichten. Neben diesen Optimierungen des Suchalgorithmus kann die Problemmodellierung von Erkenntnissen, die durch KI generiert wurden, profitieren. Die vorliegende große, qualitativ hochwertige Datenmenge und TIMOCOMs Stellung als Marktführer ermöglichen die Prognose des zukünftigen Verhaltens von Frachtführer:innen und der zukünftig verfügbaren Frachtangebote. Solch eine Tages(-zeit) genaue Prognose kann genutzt werden, um die Routenplanung weiter zu optimieren. Durch Einbeziehen von erwarteten Frachtangeboten wird es Frachtführer:innen ermöglicht, flexibler zu planen und später eintreffende Transportaufträge automatisiert in die Routenplanung zu integrieren. Des Weiteren könnten anhand eines Recommender Systems ähnliche Frachtangebote identifiziert und vorgeschlagen werden. Neben der Routenplanung bietet eine Frachtenbörse eine hohe Anzahl von Anwendungsszenarien für künstliche Intelligenz. Beispielsweise können bereits bei der Erstellung eines Frachtauftrages eine Autovervollständigung der Anforderungen an den:die Frachtführer:in und Preisvorschläge generiert werden.

Fazit

Durch die Entwicklung der Smarten Frachtempfehlung verfolgt TIMOCOM das Ziel, ihren Nutzer:innen sowohl ökologische als auch ökonomische Nachhaltigkeit zu ermöglichen. Der Use Case zeigt, dass Methoden des Operations Research eine datengetriebene Unterstützung von Entscheidungsfindungen ermöglichen. Dabei waren Methodenwissen, spezifisches und umfassendes Fachwissen sowie ein partnerschaftlicher Umgang ausschlaggebende Erfolgsfaktoren.

TIMOCOM ist marktführender IT- und Datenspezialist für alle am Transportprozess beteiligten Parteien und positioniert sich als aktiver Partner, um Prozesse der Kund:innen zu verschlanken, zu vernetzen und zu digitalisieren. Bereits 1997 erkannte Firmengründer Jens Thiermann, dass das Auffinden von Fracht und die Auslastung von LKW große Herausforderungen darstellen. Die Lösung war die Einführung einer digitalen Fracht- und Laderaumbörse, über die Rückladungen gesucht und Leerfahrten verringert werden können. Mittlerweile unter TIMOCOM GmbH firmierend, ist daraus ein Smart Logistics System gewachsen, das von mehr als 45.000 Kunden in ganz Europa täglich eingesetzt wird.