close

43 Mal um die Erde: Logistikoptimierung mit dem Digital Annealer

43 Mal um die Erde: Logistikoptimierung mit dem Digital Annealer
Geschätzte Lesezeit: 5 Minuten

Egal ob Ham­burg, Ant­wer­pen oder gar Rot­ter­dam – die gro­ßen Häfen Euro­pas (und der Welt) sind wirt­schaft­li­che Zen­tren mit einem Waren­um­schlag von vie­len Mil­lio­nen Ton­nen jähr­lich. In jedem die­ser Häfen ist eine grö­ße­re Zahl an LKW unter­wegs, die Con­tai­ner von einem Punkt zum ande­ren brin­gen. Für einen siche­ren Trans­port muss die­ser Ver­kehr von einer grö­ße­ren Anzahl Ampeln gere­gelt wer­den. Damit es nicht zu unnö­ti­gen Ver­zö­ge­run­gen kommt, soll­ten die Schal­tun­gen der Ampeln so gut wie mög­lich auf­ein­an­der abge­stimmt sein. Aber wie kann das gelin­gen?

Bei die­ser Her­aus­for­de­rung han­delt es sich um ein soge­nann­tes kom­bi­na­to­ri­sches Opti­mie­rungs­pro­blem. Es geht dar­um, aus einer bestimm­ten Anzahl unter­schied­li­cher Kom­bi­na­tio­nen die best­mög­li­che Lösung zu ermit­teln. Ein bekann­tes Bei­spiel für die­se Art von Pro­blem ist der „Tra­vel­ling Sales­man”: ein Hand­lungs­rei­sen­der muss eine Rei­he von Städ­ten besu­chen. Sein Ziel ist es, die kür­zes­te Rou­te zwi­schen die­sen Städ­ten zu fin­den, ohne dass er eine Stadt zwei­mal besucht – und dass er am Ende wie­der am Aus­gangs­punkt ankommt.

Probleme mit exponentiell steigender Komplexität

Probleme mit exponentiell steigender Komplexität…Doch nicht nur der bekann­te Hand­lungs­rei­sen­de steht vor sol­chen Her­aus­for­de­run­gen. Auch für Logis­tik-Unter­neh­men ist der Umgang mit kom­bi­na­to­ri­schen Opti­mie­rungs­pro­ble­men All­tag. Aber was ist das Pro­blem an die­sen Pro­ble­men?

Die Lösung der Opti­mie­rungs­pro­ble­me wird expo­nen­ti­ell kom­ple­xer, je mehr mög­li­che Kom­bi­na­tio­nen es gibt. Mit gewöhn­li­chen Com­pu­tern dau­ern die not­wen­di­gen Berech­nun­gen dann schnell sehr lan­ge, ver­ur­sa­chen hohe Ener­gie­kos­ten – und sind nicht immer zuver­läs­sig. An eine Berech­nung in Echt­zeit, wie sie für eine Logis­tik­opti­mie­rung gege­be­nen­falls not­wen­dig ist, ist nicht zu den­ken. Da her­kömm­li­che Com­pu­ter somit an ihre Gren­zen sto­ßen, steigt die Nach­fra­ge nach Rech­nern, die rie­si­ge kom­ple­xe Daten­men­gen mit hoher Geschwin­dig­keit ver­ar­bei­ten kön­nen.

Theo­re­tisch sind Quan­ten­com­pu­ter dazu in der Lage. Doch lei­der wird es noch gute zehn bis zwan­zig Jah­re dau­ern, bis die­se wirk­lich ein­setz­bar ist. Noch sind die Her­aus­for­de­run­gen bezüg­lich der Ska­lier­bar­keit und der Auf­recht­erhal­tung des Quan­ten­zu­stan­des zu hoch für einen prak­ti­schen Ein­satz. Doch die Daten­men­ge in unse­rer Welt nimmt ste­tig zu. Was tun?

Quantum-Inspired Optimiziation als Lösung

Eine mög­li­che Lösung ist der Fuji­tsu Digi­tal Annea­ler. Die Com­pu­ter­ar­chi­tek­tur, die erst­mals im Jahr 2018 erschien, nutzt das Kon­zept der Quan­ten­phä­no­me­ne und löst kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rungs­pro­ble­me über eine digi­ta­le Schal­tung. Der Digi­tal Annea­ler basiert auf dem Ising-Maschi­nen­mo­dell, neben dem Quan­ten­gat­ter­mo­dell eines von zwei mög­li­chen Model­len der Quan­ten­com­pu­ter­tech­no­lo­gie. Mit­hil­fe einer digi­ta­len Schal­tung erreicht er einen dau­er­haft zuver­läs­si­gen Betrieb und lässt sich dank Halb­lei­ter-Tech­no­lo­gie zudem leicht minia­tu­ri­sie­ren.

Durch den Digi­tal Annea­ler kön­nen kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rungs­pro­ble­me gelöst wer­den, die sich bis­her nur Super­com­pu­tern lösen konn­ten – und selbst damit nicht immer hin­rei­chend. Hier­zu gehö­ren Berei­che wie die Nach­fra­ge­pro­gno­se, die Kom­bi­na­ti­on che­mi­scher Ver­bin­dun­gen und wei­te­re kom­ple­xe Gebie­te wie die fort­ge­schrit­te­ne Medi­zin, das auto­no­me Fah­ren oder die Ent­wick­lung moder­ner Werk­stof­fe.

Logistikoptimierung bei der japanischen Post

43 Mal um die Erde: Logistikoptimierung mit dem Digital AnnealerAuch im Logis­tik-Bereich lau­fen bereits Pro­jek­te, die den erfolg­rei­chen Ein­satz des Digi­tal Annea­ler in der Pra­xis demons­trie­ren. Ein Bei­spiel hier­für ist die japa­ni­sche Post.

Das Unter­neh­men trans­por­tiert die von Ihren Kun­den abge­ge­be­nen Brie­fe und Pake­te vom jewei­li­gen Post­amt zunächst zum zustän­di­gen regio­na­len Brief­zen­trum. Dort erfol­gen die Sor­tie­rung und der Trans­port zum Brief­zen­trum der Ziel­re­gi­on, von wo aus sie zu ihren Bestim­mungs­or­ten gelan­gen. Dabei wer­den die Brie­fe und Pake­te nach den zustän­di­gen Post­äm­tern und Zustel­lern sor­tiert.

Schon der Weg zwi­schen den Absen­de- und Ankunfts-Brief­zen­tren wird durch die Men­ge an ver­sen­de­ten Post­sa­chen und mög­li­chen Wegen zu einer Her­aus­for­de­rung. Selbst bei nur vier Brief­zen­tren wür­de jedes Ein­zel­ne drei wei­te­re belie­fern müs­sen – ins­ge­samt bräuch­te die japa­ni­sche Post hier bereits 12 Last­kraft­wa­gen, um alle Ver­bin­dun­gen gleich­zei­tig bedie­nen zu kön­nen.

Doch es exis­tie­ren weit mehr als nur vier Stand­or­te: Die Logis­tik umfasst 62 ver­schie­de­ne Brief­zen­tren in allen Tei­len des Lan­des. Die mög­li­chen Ver­bin­dun­gen stei­gen dadurch auf 3.782 an. Zwar gibt es die Mög­lich­keit, weni­ger stark fre­quen­tier­te, aber nah bei­ein­an­der lie­gen­de Stand­or­te nach­ein­an­der zu besu­chen. Doch auch dann ver­blei­ben noch immer gute 3.000 Stre­cken, die jeweils mit einem LKW bedient wer­den müs­sen. Zusam­men mit den Aus­lie­fe­rungs­fahr­ten in den ein­zel­nen Bezir­ken beläuft sich die Gesamt­zahl der ein­ge­setz­ten Fahr­zeu­ge auf mehr als 10.000 am Tag. Die­se legen ins­ge­samt 1,72 Mil­lio­nen Kilo­me­ter täg­lich zurück – eine Stre­cke 43 Mal um die Erde.

Viele mögliche Transportwege – und zu wenige Fahrer

Doch selbst mit einer aus­rei­chend hohen Zahl an Fahr­zeu­gen stellt der in Japan bestehen­de Man­gel an Kraft­fah­rern die japa­ni­sche Post vor ein Pro­blem. Gab es im Jahr 1995 noch gute 980.000 Fah­rer, redu­zier­te sich die­se Zahl bis 2015 auf nur 767.000. Im glei­chen Zeit­raum ver­fiel­fach­te sich jedoch die Zahl der zu trans­por­tie­ren­den Pake­te von 1,48 auf 5,3 Mil­li­ar­den. Es gilt also, die zu bewäl­ti­gen­de Men­ge an Post­sen­dun­gen mög­lichst effi­zi­ent und mit so wenig Fahr­zeu­gen und Fah­rern wie mög­lich zu rea­li­sie­ren.

Um die­ses Pro­blem zu lösen, gibt es seit 2017 das Post Logi­tech Inno­va­ti­on Pro­gramm, in des­sen Rah­men die Post mit Unter­neh­men zusam­men­ar­bei­tet, die inno­va­ti­ve Ideen und Tech­no­lo­gien besit­zen. Dazu kam 2018 – wäh­rend eines aku­ten gro­ßen Man­gels an Fah­rern – der Wunsch, die Trans­port­fahr­plä­ne zwi­schen den ein­zel­nen Brief­zen­tren und Post­äm­tern zu opti­mie­ren. Da hier­zu gro­ße Daten­men­gen berech­net wer­den muss­ten, waren her­kömm­li­che Rech­ner nicht mehr in der Lage, die­ses Pro­blem zu bewäl­ti­gen. An die­ser Stel­le kam dann der Fuji­tsu Digi­tal Annea­ler ins Spiel.

Optimierte Transportplanung dank Digital Annealer

FUJITSU Digital AnnealerGemein­sam mit den Fuji­tsu Labo­ra­to­ries erar­bei­te­te die japa­ni­sche Post Ansät­ze, um das Trans­port­netz­werk zu opti­mie­ren. Um den Auf­wand für die Berech­nun­gen so nied­rig wie mög­lich zu hal­ten, beschränk­te sich der Pilot­ver­such zunächst auf 30 Post­äm­ter in der Prä­fek­tur Sait­ama. Auch die Anzahl der Trans­port­we­ge sowie der zu berech­nen­de Zeit­raum wur­den limi­tiert. Auf die­ser Basis ermit­tel­te der Digi­tal Annea­ler die opti­ma­len Rou­ten in Bezug auf Aus­las­tung, Trans­port­zei­ten, Ent­fer­nun­gen und Ein­schrän­kun­gen wie die Ankunfts­zeit.

Im Anschluss star­te­ten dann Simu­la­tio­nen für die opti­mier­ten Rou­ten. Es stell­te sich her­aus, dass die Zahl der Fahr­zeu­ge um 8 % und die Kos­ten um 7 % gesenkt wer­den konn­ten. Die Trans­port­ka­pa­zi­tä­ten lie­ßen sich gleich­zei­tig um 12 % stei­gern. Zudem wur­de der zeit­li­che Auf­wand für die Fah­rer um 30% redu­ziert, so dass ihre Arbeits­kraft für ande­re Auf­ga­ben frei wur­de.

So geht es weiter

Als nächs­ter Schritt ist nun die Auf­he­bung der zeit­li­chen Limi­tie­rung für die Berech­nun­gen geplant. Die Simu­la­tio­nen kön­nen dann für das Trans­port­auf­kom­men eines gan­zen Tages in der aus­ge­wähl­ten Regi­on durch­ge­führt wer­den. Schließ­lich soll eine Aus­wei­tung auf den lan­des­wei­ten Trans­port erfol­gen. Die­ser ist der­zeit noch sehr zeit­auf­wen­dig und kos­tet die Steu­er­zah­ler jedes Jahr eine hohe Sum­me. Der Digi­tal Annea­ler kann dabei hel­fen, die­se Last zu ver­rin­gern.

Sie sind neu­gie­rig gewor­den und möch­ten wis­sen, was Quan­tum-Inspi­red Opti­miz­a­ti­on Ser­vices auch für Ihr Unter­neh­men leis­ten kön­nen? Besu­chen Sie unse­re Web­sei­te für wei­te­re Infor­ma­tio­nen – oder spre­chen Sie uns ein­fach an.

Schlagwörter: , , , ,

Story Page