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Bachelorarbeit Wirtschaftsingenieurwesen: Modell zur Optimierung der Stand Allocation in Bezug auf CO2-Reduktion mit evolutionären Algorithmen am Flughafen Zürich

Flugzeuge optimal auf dem Flughafen verteilen

Zwischen Landung und Start stehen Flugzeuge nicht zufällig an ihrem Gate. Der Ablauf soll effizient und kostensparend sein. Die angehenden Wirtschaftsingenieure Dominique Heller und Yannick Studer haben sich mit der optimalen Zuordnung der Standplätze am Flughafen Zürich beschäftigt.

74 Fluggesellschaften führen jährlich rund 265'000 Flüge von und nach Zürich durch. Die Platzierung der Maschinen am Boden ist Sache des Flughafens Zürich. Eine effiziente Verteilung ist für die Kapazität und den CO2-Ausstoss mitentscheidend. In ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen haben die Absolventen Dominique Heller und Yannick Studer einen genetischen Algorithmus entwickelt, mit welchem die Zuordnung der Flugzeuge zu den Standplätzen optimiert werden kann. «Genetische Algorithmen sind Verfahren, die zur Lösung von komplexen Optimierungsaufgaben eingesetzt werden», erklärt Dominique Heller. «Dabei orientiert man sich an den Methoden und Erkenntnissen der biologischen Genetik und erzeugt sozusagen eine Evolution.»

Bekanntes Problem weiterentwickelt

Mit der Entwicklung eines genetischen Algorithmus wagten sich die Absolventen auf ein für sie bisher unbekanntes Terrain vor, wie Dominique Heller erläutert: «Diese Art von Algorithmen war für uns neu, da wir im Studium noch nicht damit gearbeitet hatten.» Als Datengrundlage für ihre Berechnungen dienten den Absolventen die aktuellen Flugpläne des Flughafens Zürich. Mithilfe der Programmiersprache R haben Dominique Heller und Yannick Studer diese Flugpläne so bearbeitet, dass sie als Input für ein Modell in der Berechnungssoftware MATLAB benutzt werden können. «Das MATLABModell ist das Herzstück unserer Arbeit», so Yannick Studer. «Konkret haben wir mit dem Optimization Tool von MATLAB den genetischen Algorithmus erstellt.» Dazu haben die Absolventen das in der Forschung bereits bekannte Multi-Objective-Airport-Gate-Assignment-Problem weiterentwickelt.

«Der entwickelte Algorithmus lässt sich sogar auch für andere Flughäfen adaptieren.»

Yannick Studer

Idealerweise profitieren alle

Das Optimierungspotenzial betrifft die Wege, die ein Flugzeug von der Piste zum Standplatz sowie umgekehrt vom Standplatz zur Piste zurücklegt. Durch die Verkürzung dieser Wege kann unter anderem der CO2-Ausstoss gesenkt werden. Aber auch die Wege der Fluggäste spielen eine wichtige Rolle, wie Dominique Heller erklärt: «Idealerweise bekommt ein Flugzeug immer den der Piste am nächsten gelegenen Standplatz zugeteilt – dabei gilt es aber die Zeiten und Wege für die umsteigenden Passagiere zu berücksichtigen.» Von einer optimierten Anordnung profitieren auch die Fluggesellschaften, die ihre Kosten dank Kerosineinsparungen auf dem Land-weg reduzieren können. Der Flughafen Zürich wiederum gewinnt an Attraktivität, da er den Fluggesellschaften Kosteneinsparungen ermöglicht und darüber hinaus seine Kapazität steigern kann.

Grundlage geschaffen

Nach ihrer erfolgreichen Optimierung in MATLAB haben die Absolventen einen neuen Flugplan mit neu zugeordneten Standplätzen generiert. Damit konnten sie aufzeigen, dass es möglich ist, die Zuordnung anhand von genetischen Algorithmen vorzunehmen. «Der entwickelte Algorithmus lässt sich sogar auch für andere Flughäfen adaptieren», so Yannick Studer. Er schränkt aber ein: «Da wir viele Annahmen treffen mussten und der evolutionäre Algorithmus keine Garantien für eine machbare Lösung gibt, ist er ohne eine manuelle Überprüfung und eine eventuelle Anpassung noch nicht praxistauglich.» Weitere Anpassungen auf Grundlage dieses Algorithmus könnten somit Gegenstand künftiger Arbeiten im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen werden.

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