Dirk Mattfeld Richard Vahrenkamp. Logistiknetzwerke. Modelle für Standortwahl und Tourenplanung. 2., aktualisierte und überarbeitete Auflage

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1 Logistiknetzwerke

2 Dirk Mattfeld Richard Vahrenkamp Logistiknetzwerke Modelle für Standortwahl und Tourenplanung 2., aktualisierte und überarbeitete Auflage

3 Prof. Dr. Dirk Mattfeld TU Braunschweig Braunschweig, Deutschland Prof. Dr. i.r. Richard Vahrenkamp Universität Kassel Kassel, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Gabler Springer Fachmedien Wiesbaden 2007, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, 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. Lektorat: Susanne Kramer, Renate Schilling Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Gabler ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 I Vorwort zur 2. Auflage Die außerordentlich gute Akzeptanz der 1. Auflage dieses Buches hat die nun vorliegende Auflage motiviert. Dabei sind die Autoren ihrer Zielsetzung eines grundlegenden und umfassenden Verständnisses von quantitativen Modellen und Methoden im Logistikmanagement treu geblieben. Es wurden nur behutsame Änderungen vorgenommen, die Literatur erfuhr eine Überarbeitung und zahlreiche Fehler der 1. Auflage konnten ausgemerzt werden. Die Autoren schlagen das Buch Studierenden der Betriebswirtschaftslehre, der Wirtschaftsinformatik und des Wirtschaftsingenieurwesens als begleitende Lektüre für Lehrveranstaltungen mit Fokussierung auf die Standortplanung (Teil 1+2) bzw. die Tourenplanung (Teil 1+3) in der späten Bachelor-Phase vor. In der Master-Phase ist die Betrachtung beider Bereiche (Teil 2+3) dank entsprechender Vorkenntnisse in einem Semester möglich. Dieses Buch setzt elementare Kenntnisse des Logistikmanagements (z. B. Günther und Tempelmeier 2005, Vahrenkamp 2005) sowie des Operations Research (z. B. Domschke und Drexl 2011, Suhl und Mellouli 2006) voraus. Diese Kenntnisse sollen in gesonderten Lehrveranstaltungen der frühen Bachelor-Phase erworben werden. Für eine Vertiefung seien die Werke von Domschke 1996, 1997 und 2007 sowie von Grünert und lmich, Bd empfohlen. Die Autoren danken Frau Dip!. Math. Viola Ricker und und Herrn Dip!. Wirt.-lnf. Patrick Vogel (beide TU Braunschweig) für eine Vielzahl von Korrekturen und Verbesserungen gegenüber der 1. Auflage des Buches. Besonderer Dank gebührt Herrn Malte Becker (ebenfalls TU Braunschweig) für die Unterstützung bei der Erstellung des Buches. Frau Susanne Kramer vom Springer Gabler Verlag hat das Buchprojekt kompetent betreut. Braunschweig und Berlin im Juli 2013 D. C. Mattfeld und R. Vahrenkamp V

5 I Vorwort zur 1. Auflage Ziel des vorliegenden Buches ist das grundlegende und umfassende Verständnis von quantitativen Modellen und Methoden im Logistikmanagement. Adressaten des Buches sind die Studierenden der Betriebswirtschaftslehre, der Wirtschaftsinforrnatik und des Wirtschaftsingenieurwesens in universitären Bachelor- und Masterstudiengängen. Dieses Buch setzt elementare Kenntnisse des Logistikmanagements (z. B. Günther und Tempe1meier 2003, Vahrenkamp 2005) sowie des Operations Research (z. B. Domschke und Drexl 2007, Suhl und Mellouli 2006) voraus. Diese Kenntnisse sollen in gesonderten Lehrveranstaltungen der frühen Bachelor-Phase erworben werden. Die Autoren schlagen das Buch als begleitende Lektiire für Lehrveranstaltungen mit Fokussierung auf die Standortplanung (Teil 1+2) bzw. die Tourenplanung (Tei11+3) in der späten Bachelor-Phase vor. In der Master-Phase ist die Betrachtung beider Bereiche (Teil 2+3) dank entsprechender Vorkenntnisse in einem Semester möglich. Für eine weiterführende Vertiefung seien die jeweils dreibändigen Werke von Domschke 1996, 1997 und 2007 sowie von Grünert und lmich, Bd (Bd.3 soll erscheinen) empfohlen. Die Auswahl der Inhalte ist von der praktischen Relevanz der vorgestellten Modelle und Methoden sowie von dem didaktischen Aufbau des Buches bestimmt. Die Inhalte werden konsequent anhand von Abbildungen und Tabellen illustriert und durch eine Vielzahl von Beispielen vertieft. Die vorgestellten Algorithmen werden in Form von Programmen und Java-Applets auf der Webpage des Buches ( bereitgestellt. Hier finden sich auch Aufgaben und Lösungen zum Stoff des Buches sowie auf Anfrage auch Lehrmaterial für Dozenten. Die Autoren danken besonders Herrn Malte Becker und Herrn Dip!. Wirt.-Inf. Thomas Huth für die Unterstützung bei der Erstellung des Buches (beide TU Braunschweig). Frau Susanne Kramer vom Gabler Verlag hat das Buchprojekt kompetent betreut. Die Autoren danken der Deutschen Post AG, die durch ihr Sponsoring einen attraktiven Preis des Buches ermöglicht. Kassel und Braunschweig im Juli 2007 R. Vahrenkamp und D. C. Mattfeld VI

6 I Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 2. Auflage... V Vorwort zur 1. Auflage... VI Teil I: Grundlagen 1 Modellierung von Logistiknetzwerken Anwendungeo der Netzwerkmodellierung Typen von Netzwerkmodellen Eigenschaften von Verkehrsnetzen Kosten- und Nutzenrelationen von Netzwerken Grundlagen der NetzwerkmodeIlierung Ungerich_ Netzwerke Gerich_ Netzwerke Bipartite Netzwerke Bewertungen in Netzwerken Euklidische Daten und Ip-Metriken Geografische Daten Verkehrsnetz-Daten Eigenschaften bewerteter Netzwerke Erfüllung der Dreiecksungleichung Symmetrische Daten Abstrakte Daten Weiterführende Literatur Bäume und Baumalgorithmen Eigenschaften von Bäumen Der WurzeIknoten Bäume mit besonderen Eigensch.ften D.s Auffinden von bipartiten Netzwerken Spannende Bäume Bewertete Bäume Kürzeste.ufspannende Bäume Eigenschaften des kürzesten.ufspannenden B.ums Weitere Fr.gestellungen Aufspannende Bäume mit Knotengr.dbeschränkungen Steiner-Bäume Weiterführende Liter.tur vn

7 3 Algorithmen und Datenstrukturen für Netzwerke Komplexität von Algorithmen Laufzeitana1ysen Polynomiale Verfahren Heuristische Verfahren Repräsentation von Netzwerken Statische Datenstrukhlren Dynamische Datenstrukturen Vergleichende Bewertung der Repräsentationen Suchalgorithmen für Netzwerke Breitensuche Tiefensuche Weiterführende Literatur Kürzeste Wege in Netzwerken Grundlegende Fragestellungen Baumalgorithmen Der Dijkstra-Algorithmus Das Label-Correcting-Verfahren Das zweiseitige Dijkstra-Verfahren Weiterführende Literatur Teil 0: Standorte 5 Modelle und Standorlwahl Das Centerproblern Das 1-Center-Problem Das p-center-problem Covering-Probleme Das Covering Loeation Problem Das Maximal Covering Location Problem Das Median-Problem Das Problem der Konsumgüter-Distribution Die Ansiedlung von Retail-Ketten Weiterführende Literatur Transport- und Zuordnungsmodelle Das Transportmodell Das einstufige Transportmodell Mehrstufige Transportmodelle Das Zuordnungsproblem Heuristiken zur Lösung des Zuordnungsproblems Der klassische ungarische Algorithmus vm

8 6.3 Das kapazitierre Warehouse Location Problem Weiterführende literatur Hub-Konfigurationen in Paket- und Airline-Netzen Vorrei1haftigkeit von Hub-Konfigurationen Möglichkeiten der Netz-Konfigoration Statische Modelle ohne Zeitstrukturen Überblick Heuristiken für das p-hub-median-problem Integer Programming Ansätze für Hub-Probleme Hub-Konfiguration mit Routen- und Zeitstrukturen Weiterführende literatur Ten I1I: Tourenplanung 8 Kantenorientierte Rundreisen Eu1er-Netzwerke und Euler-Touren Bestimmung einer distanz-minimalen Briefträgertour Weiterführende literatur Knotenorientierte Rundreisen Grundbegriffe des Travelling Salesman Problems Hamiltonsche Zyklen Offene und geschlossene Touren Die Existenz von Hamiltonschen Zyklen und Wegen Untere Schranken für das TSP Das Zuordnungsproblem Der aufspannende Baum Held-Karp-Schranke Heuristiken für das TSP Tourenkonstruktions-Heuristiken Tourenverbesserung mit lokalen Suchverfahren Branch-and-Bound-Verfahren für das TSP Branching und Bounding Relaxation über das Zuordnungsproblem Relaxation über das Eins-Baum-Problem Weiterführende literatur Tourenplanung in der Auslieferung Das Standardproblem der Tourenplanung Konstruktionsheuristiken Tabu-Suche für das VRP IX

9 10.2 Tourenplanung mit Kundenzeitfenstern Die Erweiterung von Heuristiken um Zeitfensterrestriktionen Dynamische Optimierung für das TSP mit harten Zeitfenstem Eine Heuristik zur Tourenplanung mit harten Zeitfenstem Übersicht über weitere Ansätze Weiterführende Uteratur Uteratur StichwortvelZeichnis x