Prototyp eines Werkzeuges zur Planungsunterstützung von Individualreisen und Außendienstmitarbeitern

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1 375 Prototyp eines Werkzeuges zur Planungsunterstützung von Individualreisen und Außendienstmitarbeitern Günter KIECHLE, Martin SCHMIDT, Thomas SCHMIT und Horst STADLER Zusammenfassung In diesem Beitrag wird ein Lösungsverfahren sowie dessen Umsetzung als prototypisches Softwarewerkzeug, zur Unterstützung bei der Tourenplanung vorgestellt. Die beiden zugrunde liegenden Anwendungsfälle werden dabei näher beleuchtet und die gemeinsame Problemstruktur identifiziert. Im Anschluss wird auf die Architektur der prototypischen Umsetzung eingegangen. 1 Einleitung und Problemstellung Im Folgenden wird anhand zweier, auf den ersten Blick völlig unterschiedlicher, realer Problemstellungen eine gemeinsame Problemdefinition erstellt. Darauf basierend wird ein Lösungsverfahren beschrieben, das als Planungsunterstützung in beiden Szenarien Anwendung findet. 1.1 Planung von Individualreisen Der Trend bei Urlaubsreisen geht von pauschalen Angeboten vermehrt zu individuellen Reiserouten. Um dieser Tendenz nachzukommen, stellt sich für Reiseanbieter die Herausforderung auf Kundenwünsche abgestimmte Routen zu erstellen und diese nach Kosten/Margen-Vorgaben zu optimieren. Konkrete Reiseroutenvorschläge müssen dabei ohne wesentliche zeitliche Verzögerung zur Verfügung stehen und die Anforderungen des Kunden sowie die Möglichkeiten des Reiseveranstalters berücksichtigen. Aufgrund der hohen Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten ist es nicht möglich, eine optimale Reisetour in Echtzeit manuell oder auch computerunterstützt zu erstellen. Um eine Planungsunterstützung zu schaffen, die diesen Anforderungen dennoch gerecht wird, wird daher ein anderer Weg beschritten: Für jede Reisedestination wird eine Vielzahl von ein- bis mehrtägigen Trips vorab berechnet. Jeder einzelne dieser Trips ist dabei auf die Anforderungen vorher definierter Kundengruppen abgestimmt. Die unterschiedlichen Kundengruppen können eine Vielzahl von Parametern, wie die Interessen (Aktivitäten, Entspannung, ), die Altersgruppe, die Dauer des Trips, usw. berücksichtigen. Diese vorab berechneten Trips können dann von Reisebüromitarbeitern oder von Endkunden selbst mithilfe einer Konfigurator-Software zu einem individuellen, wunschgerechten Angebot zusammengestellt werden und das in Sekundenschnelle. Die Berechnungsdauer der Trips selbst ist dabei wenig kritisch, da die Ergebnisse im Vorhinein berechnet werden und nicht in Echtzeit verfügbar sein müssen. Strobl, J., Blaschke, T. & Griesebner, G. (Hrsg.) (2011): Angewandte Geoinformatik Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (

2 376 G. Kiechle, M. Schmidt, T. Schmit und H. Stadler Für jeden der zu berechnenden Trips sind neben dem Planungshorizont (Anzahl der Tage) auch die zu verplanenden Zeiten für jeden Tag individuell gegeben. Weiters sind für jeden Tag der Ausgangs- und Zielort (z. B. Nächtigungsmöglichkeiten) definiert. Für jeden Leistungsträger (Sehenswürdigkeiten, Veranstaltungen, Restaurants, ) sind die geplante Aufenthaltsdauer und die gewünschten Besuchszeiten bzw. Öffnungszeiten vorhanden. Bei der Planung wird berücksichtigt, welche Leistungsträger eingeplant werden müssen (z. B. wichtige Sehenswürdigkeiten) und welche optional sind. Optionalen Leistungsträgern kann dabei eine Provision hinterlegt werden. In der Reiseroute sollen dann jene optionalen Leistungsträger in die Planung aufgenommen werden, bei denen der Umweg in Relation zur Höhe der Provision am geringsten ist. Dabei wird sichergestellt, dass die Zeiten, die verplant werden können, auch eingehalten werden. 1.2 Planung von Außendienstmitarbeitern Die Aufgabe von Außendienstmitarbeitern ist es, die ihnen anvertrauten Kunden unter bestimmten zeitlichen Vorgaben zu besuchen. Eine wiederkehrende Fragestellung ist dabei die tägliche Disposition der Außendienstmitarbeiter, um die Kundentermine zu absolvieren. Üblicherweise werden die Besuchsrouten einige Tage bis wenige Wochen im Voraus geplant. Ziel bei der Planung ist es, alle zu besuchenden Kunden auch zu berücksichtigen, die Terminvereinbarung einhalten zu können und dabei möglichst effizient im Sinne der Reisezeit sowie der gefahrenen Kilometer zu sein. Eine solche Planung kann zentral, für alle Außendienstmitarbeiter, oder dezentral, also von den Servicekräften selbst, durchgeführt werden. In der hier behandelten Problemstellung ist jeder Kunde einem Mitarbeiter zugeordnet, um die Zuständigkeit klar abzugrenzen. Dies stellt bei der Planung sicher, dass keine Kundentermine übersehen oder Kunden doppelt besucht werden. Darüber hinaus gibt es neben den festen Kunden, die fix einzuplanen sind, auch potenzielle Kunden, die nur dann eingeplant werden, wenn es zeitlich möglich ist und der Umweg mit den Geschäftserwartungen in einer günstigen Relation steht. Aus Sicht der Planung können Kunden in drei Kategorien eingeteilt werden. Bei Kunden der ersten Kategorie sind die Besuchstermine bereits vereinbart und in der Planung daher als fix anzunehmen. Zur zweiten Kategorie zählen Kunden, die innerhalb eines bekannten Zeitraums besucht werden müssen, es aber keinen konkreten Termin gibt. Typische Zeiträume in einer Planung sind: zu einer beliebigen Uhrzeit an einem bestimmten Tag, am Vormittag/Nachmittag eines bestimmten Tages oder innerhalb der nächsten Woche. Auch die Kunden dieser Kategorie sind in jedem Fall in der Planung zu berücksichtigen. Bei der dritten Kundenkategorie handelt es sich um die schon erwähnten potenziellen Kunden. Diese werden nur dann eingeplant, wenn es zeitlich möglich ist und der Umweg zur bestehenden Reiseroute als rentabel angesehen wird. Dieser Faktor wird anhand der zu erwartenden Umsätze und der Vertragsabschlusswahrscheinlichkeiten ermittelt. Auch hier spielen, ebenso wie in der vorhergehenden Kategorie, Zeitfenster eine Rolle, in denen die Kunden besucht werden können. Darüber hinaus sind in der Planung weitere Rahmenbedingungen zu beachten. Dazu zählen neben dem Zeithorizont, für den die Planung erstellt wird, die für jeden Tag ggf. individuelle Start- sowie Endadresse des Außendienstmitarbeiters sowie die täglichen individuellen Arbeitszeiten. Weiters fließt die Besuchsdauer bei den Kunden vor Ort in den Planungsprozess mit ein.

3 Werkzeug zur Planungsunterstützung von Individualreisen und Außendienstmitarbeitern Gemeinsame Problemstellung Den beiden praktischen Anwendungsfällen liegt eine gemeinsame Problemstruktur zugrunde, die hier näher beschrieben wird. In beiden Szenarien sind Routenvorschläge gesucht, die für einen frei bestimmbaren Planungshorizont von mehreren Tagen oder Wochen und im Hinblick auf die Gesamtfahrdauer bzw. -distanz optimal sind. Dabei muss berücksichtigt werden, dass der Start- und Endpunkt der Tour an jedem Tag fixiert ist, aber unterschiedlich sein kann. Zusätzlich gilt für jeden Tag eine individuelle maximale Tourdauer, was sich bei der Planung von Reisen als verplanbare Zeit und bei den Außendienstmitarbeitern als Arbeitszeit wiederfindet. Bei den anzufahrenden Destinationen werden zwei Arten unterschieden: Orte (Reiseziele bzw. Kunden), die in der Route eingeplant werden müssen, und solche, die eingeplant werden können. Bei den fix einzuplanenden Orten wird mithilfe von einem oder mehreren Zeitfenstern angegeben, an welchen Tagen und innerhalb welcher Zeiten diese Destination besucht werden kann. Auch bereits festgelegte Termine können damit abgebildet werden, indem das Zeitfenster entsprechend eng gewählt wird. Die zweite Art von Destinationen zeichnet sich dadurch aus, dass sie in den Tourenplan nicht zwingend aufgenommen werden muss. Der Anreiz dies dennoch zu tun besteht darin, durch den Besuch einen zusätzlichen Umsatz zu lukrieren. Im Szenario der Reisplanung handelt es sich dabei um Prämien, die durch den Besuch erzielt werden und im Vorfeld bekannt sind. Im Falle der Außendienstmitarbeiter fließen der zu erwartenden Umsatz und die Vertragsabschlusswahrscheinlichkeit ein. In beiden Fällen wird der Umsatz den Kosten für den Umweg gegenübergestellt und die Destination nur dann eingeplant, wenn diese Werte in einem guten Verhältnis stehen. Darüber hinaus wird für jede Destination eine individuelle Verweildauer berücksichtigt. 2 Lösungsverfahren Das kombinatorische Optimierungsproblem, um welches es sich hier handelt, gehört zur Klasse der mehrperiodischen Travelling Salesman Probleme und wird als Multi-Period Orienteering Problem (ANDREATTA et al. 2007) bezeichnet. Zur Lösung dieses Multi-Period Orienteering Problems wird eine maßgeschneiderte Konstruktionsheuristik verwendet, auf deren Grundlage dann das Verfahren der Variablen Nachbarschaftssuche (Variable Neighborhood Search, VNS) (MLADENOVIC et al. 1997) zum Einsatz kommt. Die Konstruktionsheuristik verwendet als einfaches sowie schnelles Verfahren einen angepassten Best Insertion Algorithmus, wobei zuerst fix einzuplanende Destinationen berücksichtigt werden und dann die Routen mit optionalen Destinationen ergänzt werden. Bei VNS handelt es sich um eine Metaheuristik, die als einfaches, robustes und besonders effizientes Verfahren gilt. Die Grundidee der Variablen Nachbarschaftssuche ist es, ausgehend von einer Startlösung systematisch zuerst kleinere und danach immer größere zufällige Änderungen an dieser Lösung vorzunehmen, und diese mittels Reparaturoperatoren wieder herzustellen und lokal zu optimieren. In jeder Iteration wird die damit gefundene Lösung evaluiert und mit den bisherigen Lösungen verglichen. Wenn die neue Lösung besser als die bisher gefundenen ist, gilt sie als neue amtierende Lösung.

4 378 G. Kiechle, M. Schmidt, T. Schmit und H. Stadler Der Vorteil dieses Verfahrens liegt nicht zuletzt darin, dass mit der Laufzeit die Qualität der Lösung steigt und die Ausgabe eines Routenvorschlages zu jedem Zeitpunkt möglich ist. Dies erlaubt es, einen Kompromiss zwischen der Berechnungsdauer und der Lösungsqualität sogar während der Laufzeit dynamisch zu bestimmen. Die detaillierte Beschreibung des Algorithmus kann in TRICOIRE et al. (2010) nachgelesen werden. 3 Systemarchitektur Zur Durchführung der Optimierung ist neben den in Kapitel 1 genannten problemspezifischen Eingangsparametern auch die Fahrdauer bzw. Weglänge zwischen allen Destinationen inkl. der Start- und Zielorte notwendig. Um diese zu ermitteln, müssen zuerst alle Orte geokodiert werden. Darauf basierend kann die Distanzmatrix erzeugt werden, die die geforderten Längen- und Zeitinformationen beinhaltet. Die drei Komponenten Geokodierung, Routing-Engine zur Distanzmatrixberechnung, Optimierungsmodul wurden dabei als eigenständige Module umgesetzt, um nicht nur für die beiden beschriebenen Anwendungsszenarien eine technisch flexible Systemarchitektur bereit zu stellen. In Abbildung 1 sind die Architektur sowie der Ablauf für beide Szenarien dargestellt und werden im Folgenden kurz erläutert: Reiseplanung: 1. Angestoßen wird die Optimierung nur dann, wenn Touren für neue oder aktualisierte Reisziele, Kundengruppen, etc. berechnet werden sollen. 2. Da es sich um eine Vielzahl von kleineren Trips handelt, die berechnet werden müssen, wird daraus ein Batch-Prozess erzeugt, der als Ganzes abgearbeitet wird. Dies erlaubt es, unnötige Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten zu verhindern. 3. Falls die einzelnen Destinationen noch nicht geokodiert sind, wird dies durchgeführt. Da dieselben Destinationen normalerweise in vielen Trips vorkommen, wird jeder Ort nur einmal geokodiert und dies dann permanent gespeichert. 4. Erzeugen der Distanzmatrix: Um qualitativ hochwertige und realistische Lösungen zu erhalten, spielt vor allem die Güte des digitalen Straßennetzes eine große Rolle. Auch die Wahl des Verkehrsmittels (PKW, Bus, etc.) muss berücksichtigt werden. 5. Berechnung des kostenoptimalen Tourenplans unter Berücksichtigung aller Parameter (Start- und Endzeiten sowie -orte für jeden Tag, optionale und obligatorische Leistungsträger, Öffnungszeiten der Leistungsträger, Provisionen). 6. Persistentes Speichern der berechneten Trips in einer Datenbank. 7. Nun kann der Kunde oder Reiseveranstalter mithilfe des Konfigurators ein individuelles, wunschgerechtes Angebot in Sekundenbruchteilen zusammenstellen lassen. Außendienstmitarbeiter: 1. Im ersten Schritt legt der Benutzer alle zur Optimierung notwendigen Parameter in der Planungssoftware fest. Dazu zählen der Planungshorizont, die täglichen Arbeitszeiten, evtl. Import von Terminen aus Kalenderanwendungen, Bestimmen der einzuplanenden Kunden und wann diese besucht werden sollen. 2. Wenn der Benutzer die Optimierung startet, müssen zuerst alle Kundenstandorte sowie die Start- und Enddepots geokodiert werden.

5 Werkzeug zur Planungsunterstützung von Individualreisen und Außendienstmitarbeitern Berechnen der Distanzmatrix. 4. Berechnung des kostenoptimalen Tourenplans unter Berücksichtigung aller Parameter (Beginn- und Endarbeitszeiten sowie -orte für jeden Tag, optionale und obligatorische Kunden, Besuchszeitfenster der Kunden, zu erwartende Umsätze der potenziellen Kunden). 5. Das Optimierungsergebnis wird dem Benutzer in verschiedenen Ansichten (als Karte und Kalender) angezeigt. Wenn die Ergebnisse zufriedenstellend sind, können die Touren gespeichert werden. Andernfalls können, basierend auf dem Optimierungsergebnis, Änderungen durchgeführt und ggf. ein neuer Optimierungsdurchgang gestartet werden. Abb. 1: Architektur und Optimierungsablauf 4 Ergebnisse und Ausblick Das vorgestellte Lösungsverfahren, sowie die zur Optimierung notwendigen Vorstufen zur Datenaufbereitung (Geokodierung und Distanzmatrixberechnung), wurden als eigenständige Softwaremodule umgesetzt und an ein prototypisches Planungswerkzeug zur Berechnung von individuellen Reiseroutenvorschlägen angebunden. Darüber hinaus ist das Optimierungsmodul fester Bestandteil einer Planungssoftware für Außendienstmitarbeiter (siehe Abb. 2) und hat hier seine Praxistauglichkeit im realen Umfeld gezeigt. In einem nächsten Schritt sollen weitere Anwendungsfälle identifiziert werden, deren Problemstellungen in der Struktur den hier beschriebenen ähnlich sind und mithilfe des entwickelten Lösungsverfahrens auch hier die Planung unterstützt werden kann.

6 380 G. Kiechle, M. Schmidt, T. Schmit und H. Stadler Abb. 2: Screenshot der Planungssoftware smarttour Förderhinweis Die hier vorgestellten Arbeiten basieren zum Teil auf Ergebnissen des Forschungsprojektes WIGeoTPA gefördert durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft in der Programmlinie Basisprogramme und eines Innovationsschecks gefördert durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie sowie dem Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend. Literatur ANDREATTA, G. & LULLI, G. (2008): A multi-period TSP with stochastic regular and urgent demand. European Journal of Operational Research, 185, S MLADENOVIC, N. & HANSEN, P. (1997): Variable Neighborhood Search. Computers and Operations Research, 24, S TRICOIRE, F., ROMAUCH, M., DÖRNER, K. & HARTL, R. (2010): Heuristics for the Multi- Period Orienteering Problem with Multiple Time Windows. Computers and Operations Research, 37 (2), S