Logistikansicht „Flussrate“ und „Dichte“ sind der Schlüssel zur Lösung von Staus – Lösung von Logistikproblemen durch Jamology
Staus können überall auftreten, auf Straßen zu Touristenorten, auf Pendlerrouten während der Hauptverkehrszeiten oder in der Nähe von Baustellen. Professor Katsuhiro Nishinari von der Universität Tokio nennt das Studium dieses Phänomens „Jamologie“ und erforscht es aus wissenschaftlicher Perspektive. Die Staudefinition und der wissenschaftliche Umgang mit Staus können Hinweise zur Lösung von Verkehrsproblemen, aber auch in Bereichen wie Logistik und Produktion geben. Wir haben den Professor nach Staus und den Mechanismen zu ihrer Linderung gefragt.
Professor am Forschungszentrum für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Tokio
Katsuhiro Nishinari
Warum hat dich das „Jammen“ interessiert?
Die Leute sagen routinemäßig Dinge wie „Ich bin heute in einen Stau geraten“, aber was ist die Grundlage dafür, welche Situationen als Stau bezeichnet werden? Verwenden wir alle das Wort „Marmelade“ nur instinktiv ohne Kriterien oder Grenzen?
Als ich Student war, habe ich Strömungsdynamik studiert und bin auf einen Aufsatz gestoßen, in dem es hieß: „Die Strömung von Fahrzeugen ist der Strömung von Wasser ähnlich“, und das hat mir wirklich die Augen geöffnet. Mir wurde klar, dass der Verkehr in der Gesellschaft als Fluss wahrgenommen werden könnte, genauso wie Wasser und Luft in der Fluiddynamik als Fluss wahrgenommen werden, und wenn es wissenschaftlich gehandhabt werden könnte, dann könnten Störungen gelöst werden. Das war der Ausgangspunkt meiner Forschung vor 30 Jahren.
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Abb. 1 Definition von Jamming
Welche Dinge sind notwendig, um Jamming zu definieren?
Wichtig sind die beiden Begriffe „Durchfluss“ und „Dichte“. Im Falle des Verkehrs ist die Durchflussrate, wie viele Fahrzeuge einen bestimmten Ort passieren. Andererseits gibt die Dichte an, wie viele Fahrzeuge sich in einem Einheitsintervall befinden. Ob sich die Fahrzeuge bewegen, spielt keine Rolle. Um die Beziehung zwischen diesen beiden unterschiedlichen Konzepten zu verdeutlichen, kann ein Diagramm mit der Durchflussrate (Verkehrsrate) auf der vertikalen Achse und der Dichte auf der horizontalen Achse aufgetragen werden (Abb. 1). Die Kurve steigt zunächst nach rechts an, da die Durchflussgeschwindigkeit mit zunehmender Dichte zunimmt. Die Durchflussrate erreicht jedoch an einem bestimmten Punkt den Höhepunkt, und von da an fällt die Kurve nach rechts ab. Dieser Peak ist der Beginn des Jams. Wir verstehen, dass vor dem Peak der Zustand ohne Stau ist und nach dem Peak der Zustand mit Stau.
Bis vor einigen Jahren konnten Staus nicht in numerischer Form ausgedrückt werden und wurden von vielen Menschen instinktiv wahrgenommen, aber jetzt können sie als Daten ausgedrückt werden. Bei Fahrzeugen liegt die Dichte bei 25 Fahrzeugen pro Kilometer. Umgerechnet auf Geschwindigkeit sind das rund 70 km/h, umgerechnet auf Fahrzeugabstand rund 40 m. Wenn es auf einer Schnellstraße schwierig wird, den Abstand von 40 m zwischen den Fahrzeugen einzuhalten, dann stehen Sie im Stau.
Die Definition eines Staus, also der Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit und Dichte, lässt sich nicht nur auf Verkehr, sondern auf jede Art von Strömung anwenden. Da die Durchflussrate immer ansteigt und dann abfällt, können sinnvolle Maßnahmen ergriffen werden, wenn der aktuelle Zustand mit einem Zustandsdiagramm verglichen wird.
Bei Menschen ist beispielsweise die Bevölkerungsdichte von 1,8 Personen pro 1 m 2 der Zahlenwert für den Grenzpunkt eines Staus. Da es ab 1,8 Personen zu einem Stau kommt, können Sie versuchen, den Zufriedenheitsgrad einer Dienstleistung oder eines Ortes zu verbessern, indem Sie Maßnahmen ergreifen, um eine Überschreitung dieser Zahl zu verhindern.
Es gilt die Regel „Eile macht Verschwendung“
Sie führen Experimente zum Thema Stau durch. Was haben Sie von ihnen gelernt?
Ich habe dies in meiner Erklärung zur Definition angesprochen, aber Experimente haben gezeigt, dass Menschen, anstatt auf einer Schnellstraße dicht gedrängt zu fahren, insgesamt schneller fahren können, wenn sie einen angemessenen Abstand zwischen ihren Fahrzeugen einhalten (40 m). Wenn der Abstand zwischen Fahrzeugen abnimmt, nimmt die Dichte zu, und dies führt zu einem Verlust des Gleichgewichts mit der Durchflussrate. Von da an entwickelt es sich zu einem Stau.
Darüber hinaus haben wir in einem Experiment, bei dem das Fahren auf der langsamen Spur am nächsten zum Seitenstreifen während eines Staus mit dem aktiven Versuch verglichen wurde, auf der Überholspur schneller zu fahren, festgestellt, dass Fahrzeuge, die auf der langsamen Spur weiterfahren, ihr Ziel früher erreichen können. Da es viele Ein- und Ausfahrten gibt, stellt man sich eine lange Zeit vor, aber sobald die gesamte Schnellstraße verstopft ist, steigt die Zahl der Fahrzeuge, die auf die Überholspur wechseln, um schneller zu fahren. Folglich nimmt die Fahrzeugdichte auf der Überholspur zu, was das Auftreten eines Staus wahrscheinlicher macht, während der Verkehr auf der langsamen Spur unerwartet reibungslos fließt.
Ähnliches passiert an Mautstellen auf Schnellstraßen. Für eine zwei- oder dreispurige Schnellstraße sind viele Mautstellen vorgesehen (Bild 2). Viele Fahrzeuge fahren jedoch ins Zentrum, da die Entfernung zum Gate kürzer ist, was dort zu Warteschlangen führt. Wenn das passiert, sind die Tore auf den anderen Seiten vom Zentrum relativ frei.
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Abb. 2 „Eile macht Verschwendung“ an Mautstellen
Selbst wenn wir also die Option wählen, die normalerweise die schnellste ist, kann es die falsche Wahl sein.
Die zu befolgende Regel lautet „Eile macht Verschwendung“, aber Menschen treffen selten Entscheidungen auf der Grundlage dieser Regel. Auch wenn bei Verspätungen im Berufsverkehr oder einem Unfall angesagt ist, den nächsten Zug zu nehmen, versuchen dennoch viele Menschen, in den Zug vor ihnen einzusteigen. Wenn Sie als Einzelperson darüber nachdenken, werden Sie versuchen, sich in den Zug zu zwingen, weil Sie so früher an Ihrem Ziel ankommen. Da das Einsteigen in den Zug jedoch zu einer weiteren Verspätung des Zuges führt und den allgemeinen Stauzustand verschlimmert, ist es besser, auf den nächsten Zug zu warten. Auf der Ebene des Einzelnen ist der nächste Zug oft weniger überfüllt, sodass Sie möglicherweise bequemer reisen können. Ich wünschte, die Leute wären entspannt genug, um den Spielraum zu haben, nicht direkt vor ihnen in den überfüllten Zug einzusteigen.
Gibt es Forschung zu verschiedenen anderen Arten von Marmeladen?
Die Forschungsergebnisse zu Ameisenmarmeladen haben Aufmerksamkeit erregt. Ameisen bewegen sich in einer Reihe, aber es wurde festgestellt, dass es nicht zu Staus kommt. Eine Ameise scheidet Pheromone aus und legt sie hier und da auf dem Boden ab, während sie geht, und dann folgt ihr die nächste Ameise, indem sie sich auf diese Pheromone verlässt. Die Pheromonkonzentration ist fixiert, während die Geschwindigkeit fixiert ist, wenn die Ameisen dichter zusammengedrängt werden, erhöht sich die Menge der abgelagerten Pheromone, was zu einer höheren Konzentration als normal führt. Es wird angenommen, dass die Ameisen, die dies entdeckt haben, ihre Geschwindigkeit so anpassen, dass ein angemessener Abstand zwischen ihnen eingehalten wird. Ich denke, dies ist eine Fähigkeit, Staus zu vermeiden, die Ameisen durch den Evolutionsprozess erworben haben.
Das ist großartig. Wir Menschen werden immer noch von Staus gequält.
Zu den Nachteilen von Staus gehört neben dem Zeitverlust auch die erhöhte Unfallgefahr. Der Quetschunfall, der sich 2001 auf einer Fußgängerüberführung bei einer Feuerwerksveranstaltung in Akashi City ereignete, wurde durch eine ungewöhnliche Zunahme der Fußgängerdichte verursacht. Außerdem sind viele Menschen bei Zwischenfällen gestorben, die sich bei Pilgerfahrten nach Mekka ereignet haben, wo sich Zehntausende von Menschen versammeln. Auch in Itaewon in Südkorea führte ein Gedränge im Jahr 2022 zum Tod von 158 Menschen. Es wurde dadurch verursacht, dass die Menschen, die in beide Richtungen strömten, die Kapazität der Gasse überstiegen. Dieser Vorfall hätte möglicherweise verhindert werden können, wenn der Fluss angemessen kontrolliert worden wäre.
Staus scheinen nur ein Problem zu sein, aber gibt es Bereiche, in denen sie von Vorteil sind?
Es gibt einige Felder. Da die Wirtschaft zum Beispiel als Geldfluss definiert werden kann, könnte man sagen, dass der Fluss für die Armen nicht staut. Ich habe mit Jamology angefangen, weil ich Marmelade hasse, aber ich würde Jam in Bezug auf Geld begrüßen (Gelächter).
Streben nach einer Gesamtoptimierung durch den Austausch geeigneter Informationen
Auch in Bereichen wie Logistik und Produktion kommt es zu Staus.
An Logistikstützpunkten werden verschiedene Arbeiten durchgeführt, darunter das Ankommen, Auspacken, Organisieren, Lagern, Kommissionieren, Verarbeiten, Prüfen, Verpacken und Versenden von Waren. In jedem Prozess steckt angesammeltes Know-how und Weisheit, und wir sind stets bestrebt, ihn effizienter zu gestalten. Allerdings ist dem Aufwand jedes Prozesses eine Grenze gesetzt, denn selbst wenn einer der Prozesse seine Arbeitsgeschwindigkeit verbessert, führt dies nicht immer zu mehr Effizienz. Wenn der nächste Prozess immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit ausgeführt wird, kommt es an der Grenze zwischen dem vorherigen Prozess und dem nächsten Prozess zu einem Stau, und es muss ein Puffer implementiert werden.
Um die Überlastung zu verringern, ist es wichtig, dies nicht aus der Perspektive einer Teiloptimierung, sondern einer Gesamtoptimierung zu betrachten. Ein solches Verfahren besteht darin, zunächst jede Arbeitszeit einzeln zu messen. Auf diese Weise können Sie Bereiche finden, die besonders schnell arbeiten, und dann die Verarbeitungsgeschwindigkeiten reduzieren, um sie an die langsameren Vorgänge anzupassen, sodass die Gesamtgeschwindigkeit übereinstimmt. Es ist sicherlich wichtig, Anstrengungen zu unternehmen, um die Arbeitsgeschwindigkeit zu verbessern, aber wenn die anschließend durchgeführte Arbeit langsam ist, wird die endgültige Anzahl der Lieferungen nicht steigen und die Effizienz des Gesamtvorgangs wird sich nicht verbessern. Wenn Prozesse, die Arbeit schnell ausführen, ihre Geschwindigkeit verringern, wird der Zwischenbestand verringert. Wichtig ist nicht, die Geschwindigkeit zu erhöhen, sondern den Gesamtbetrieb zu optimieren.
Können Sie uns von anderen Fällen erzählen, in denen Probleme gelöst wurden, indem man sich auf Durchflussrate und Dichte konzentrierte?
Ein solcher Fall sind Flughäfen. Wenn internationale Flüge an einem Flughafen ankommen, steigt die Anzahl der Menschen auf dem Flughafen plötzlich an und es kommt zu einem Stau, wenn die Abfertigungskapazität der Einwanderungsschleusen überschritten wird. Die Fluggesellschaften verfügen jedoch bereits über relevante Daten, darunter die Anzahl der Passagiere, die Anzahl der Ausländer und die Menge des Gepäcks. Wenn der Flughafen solche Informationen im Voraus erhalten könnte, könnte er sein System anpassen, um Passagiere entsprechend zu empfangen. Die Fluggesellschaften verwalteten solche Daten bis vor kurzem individuell, aber es wurde ein Schritt unternommen, um die Informationen mit dem Flughafen Narita zu teilen, und die Schichten des Personals, das mit der Einwanderungskontrolle befasst ist, wurden auf der Grundlage dieser Daten organisiert. Staus an den Toren können durch Aufstockung des Personals an Tagen, an denen viele Menschen in das Land einreisen, entlastet werden. In Begriffen der Stautechnik kann eine Erhöhung der Durchflussrate (d. h. der Anzahl der Personen, die die Tore passieren) durch Erhöhung der Anzahl der Mitarbeiter es den Personen ermöglichen, die Tore zu passieren, ohne dass ein Stau auftritt, selbst wenn die Dichte (d. h. der überlastete Zustand) hoch ist das gleiche. Umgekehrt kann an Tagen, an denen weniger Menschen einreisen, die Zahl der Mitarbeiter reduziert werden, was zu einer Reform der Arbeitszeiten der Arbeitnehmer führt.
Die umfassende Verwaltung derartiger Informationen ermöglicht eine weitere Linderung verschiedener Staus. Wir alle finden Arbeit schwer, wenn sie inmitten von Ungewissheit ist, aber die Belastung kann durch Vorhersagen der Zukunft verringert werden. Dasselbe gilt nicht nur für Flughäfen, sondern auch für andere Branchen.
Können Sie uns in Bezug auf die Logistik sagen, welche Arten von Informationen ausgetauscht werden können, um Staus zu beseitigen?
Auch in der Logistik ist der Austausch von Informationen über Lieferketten äußerst effektiv. In der Logistik für Einzelhandelsgeschäfte habe ich gehört, dass die Verteilung von auf Prospekten beworbenen Schnäppchen eine Herausforderung darstellt. Schnäppchen sind eine wichtige Strategie für Einzelhändler, und Informationen darüber, wann und was zu Schnäppchenpreisen verkauft wird, sind ein Geschäftsgeheimnis. Für die Logistikbranche, die mit ernsthaften Problemen des Arbeitskräftemangels konfrontiert ist, möchten Unternehmen jedoch schnell auch nur wenige Informationen erhalten, um Vorbereitungen wie die Sicherung von Fahrern treffen zu können. Wenn beispielsweise ein Logistikunternehmen Geheimhaltungsvereinbarungen mit Einzelhändlern abschließen und Informationen über Schnäppchen 6 Monate im Voraus erhalten könnte, könnte es die notwendigen Vorbereitungen treffen.
Glauben Sie, dass der Informationsaustausch in Zukunft Fortschritte machen wird?
Früher musste man sich keine Sorgen um Lagerbestände machen, weil alles, was produziert wurde, verkauft wurde, aber wir befinden uns jetzt im Zeitalter der High-Mix-Low-Volume-Produktion. Wir müssen jetzt über eine Rationalisierung und Gesamtoptimierung nachdenken, die über den Rahmen eines Unternehmens hinausgeht.
Es gibt den Begriff „Bullwhip-Effekt“. Wenn Sie eine Peitsche schwingen, wird die Wellenbewegung, obwohl sie in der Nähe Ihrer Hand gering ist, größer, wenn sie sich der Spitze der Peitsche nähert. Wenn Einzelhändler versuchen, etwas mehr Lagerbestand zu halten, müssen in gleicher Weise mehr Lagerbestände an Zwischenvertriebspunkten vorgehalten werden, und Hersteller müssen auch Produktion und Lagerbestand erhöhen. Der Austausch von Informationen von Einzelhändlern mit den Herstellern kann die Menge an unnötigem Lagerbestand reduzieren.
Verraten Sie uns abschließend noch einige Tricks, mit denen sich Staus vermeiden lassen.
Wir wissen, dass Staus wahrscheinlich an Grenzen auftreten. Wenn wir uns das Beispiel einer Fabrik ansehen, ist ein Aufzug, der Dinge vom zweiten in den dritten Stock befördert, eine Grenze, und wenn daher das Gleichgewicht der Durchflussrate dort verloren gehen würde, würde es sofort zu einem Stau kommen. Wenn wir über die Logistik innerhalb einer Fabrik nachdenken, sollten wir uns der Punkte bewusst sein, an denen wahrscheinlich Staus auftreten, um an den Grenzen etwas Platz zu schaffen. Ich glaube, es wird Zeiten geben, in denen Sie entscheiden sollten, dass jetzt zum Beispiel etwas nicht in den dritten Stock getragen werden soll, sondern der bereitgestellte Raum als Puffer fungiert. Das Problem aus der Perspektive der Gesamtoptimierung auf diese Weise zu betrachten, ist der Trick, um Staus zu vermeiden. Da die Definition eines Staus, also der Zusammenhang zwischen Durchfluss und Dichte, auf jede Art von Strömung angewendet werden kann, kann ein Gleichgewicht zwischen Durchfluss und Dichte angestrebt werden, bei dem kein Stau auftritt.
Katsuhiro Nishinari
Geboren 1967. Ph.D. Abschluss (Ingenieurwesen) nach Abschluss eines Doktoratsstudiums an der School of Engineering, The University of Tokyo. Wurde Professor am Forschungszentrum für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Tokio. Spezialgebiet ist die mathematische Physik. Erhielt den Kodansha Scientific Publication Award und den Nikkei BP BizTech Book Award für „Jamology“ (Shincho Sensho) im Jahr 2007. Ausgewählt für „Significant Contribution to Science and Technology 2013“ vom Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie im Jahr 2013. Gewann 2021 den Ig-Nobelpreis für die Erforschung von Staus, die durch das Betrachten von Smartphones beim Gehen verursacht werden.
- * Dieser Artikel basiert auf dem Inhalt von „Logistics View: „Flow Rate“ and „Density“ Are the Key to Solving Jams – Unraveling Logistics Issues through Jamology“ in DAIFUKU NEWS Nr. 226 (veröffentlicht im Januar 2020).