Robust Efficiency of Airline Resource Schedules

Abstract

During operations, airlines frequently have to deal with disruptions, causing a gap between expected planned costs and real operational costs for the resource deployment. This issue is addressed by the concept of robust efficiency: While maintaining its planned cost efficiency as well as possible, the robustness of a schedule against the impact of unforeseeable delays is improved. There are two eligible schedule properties that affect the robustness, namely stability and flexibility. While stability refers to a schedules’ ability to maintain feasibility in spite of emerging delays, flexibility addresses a schedules’ capability to be easily adapted to changing environments. In this context, the objective of this work is to examine influential factors and effect mechanisms in the scope of robust efficiency. In particular, we refer to the airline crew scheduling along with the closely related aircraft scheduling. Inevitably, the trade-off between robustness and planned cost efficiency depends on the accuracy of information on delay occurrence probabilities. Therefore, we investigate the potential of data- driven delay prediction in a first step. Meeting the requirements of long-term robust resource scheduling, interpretable decision rules for delay occurrence patterns are derived. Subsequently, their prediction accuracy is assessed in a subsequent statistical modeling step, following the concept of the analysis of covariance (ANCOVA). The actual influence of delay prediction on the trade-off between cost-efficiency and robustness of crew schedules is quantified in a scheduling and simulation study on real-world flight instances. In a second step, we examine potential mutual impacts of stability and flexibility of crew schedules. For this purpose, we extend an existing prototypical scheduling and simulation framework by the following components: At first, we propose a rule- based recovery approach for crews and aircraft that aims at the evaluation of schedule flexibility. At second, we develop a stochastic optimization approach for increasing the flexibility of crew schedules. Obtained results show that the benefit of stability is generally dominant to flexibility in regular daily operations. In particular, schedules with an improved degree of stability necessitate substantially less recovery interventions. In contrast, the main advantage of an improved flexibility is that delay propagation chains on consecutively operated flights of the same crew can be prevented by improved recovery capabilities. In summary, the results of this thesis show the benefit of understanding delay occurrence mechanisms and demonstrate the methodical potential of delay prediction for robust resource scheduling. Moreover, the identification of effect mechanisms between stability and flexibility offer valuable insights into the trade-off between planned cost efficiency and robustness.

Während der operativen Phase sind die Ressourcen-Einsatzpläne von Fluggesellschaften oft unvermeidlichen Störungen im Betriebsablauf ausgesetzt. Durch die kostenintensive Notwendigkeit zur Planwiederherstellung führt dies mitunter zu deutlichen Unterschieden zwischen erwarteten Plankosten und den real anfallenden operativen Kosten für den Ressourceneinsatz. Diese Thematik wird von dem Konzept der Robusten Effizienz aufgegriffen. Es zielt darauf ab, die Robustheit von Plänen gegen unvorhersehbare Verspätungen zu erhöhen, während die Plankosteneffizienz zu größtmöglichen Teilen erhalten wird. Bezüglich des Einflusses auf die Robustheit sind die Planeigenschaften der Stabilität und Flexibilität wesentlich. Die Stabilität zielt darauf ab, die Ausführbarkeit des ursprünglichen Plans auch beim Auftreten von Verspätungen aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu bezeichnet die Flexibilität die Möglichkeit, einen Plan mit einfachen und überschaubaren Maßnahmen an gegebene Umstände anzupassen. In diesem Zusammenhang behandelt diese Arbeit das Ziel, Einflussfaktoren und Wirkmechanismen der Robusten Effizienz zu identifizieren. Unsere Untersuchungen behandeln dabei schwerpunktmäßig die Dienstplanung für Cockpit-Besatzungen und die damit eng verbundene Flugzeug-Einsatzplanung. Die Austauschbeziehung zwischen Plankosteneffizienz und Robustheit hängt in hohem Maße von der Informationsgenauigkeit bezüglich des Auftretens von Verspätungen ab. Diesbezüglich untersuchen wir in einem ersten Schritt das Potenzial zur datengetriebenen Verspätungsvorhersage. Unter Berücksichtigung der langen Vorlaufzeit der Ressourceneinsatzplanung werden interpretierbare Entscheidungsregeln für das Eintreten von Verspätungen abgeleitet. Anschließend werden diese durch statistische Modellierung auf ihre Vorhersagegüte untersucht. Die Untersuchung basiert auf dem Konzept der Kovarianzanalyse (ANCOVA). Der konkrete Einfluss von Verspätungsvorhersagemodellen auf die Austauschbeziehung zwischen Plankosteneffizienz und Robustheit von Dienstplänen wird in einer Planungs- und Simulationsstudie basierend auf realen Flugplänen evaluiert. In einem zweiten Schritt untersuchen wir mögliche wechselseitige Auswirkungen der Stabilität und Flexibilität von Dienstplänen. Zu diesem Zweck erfolgt die Erweiterung einer vorhandenen prototypischen Planungs- und Simulationsumgebung durch folgende Komponenten: Zunächst entwickeln wir ein regelbasiertes Wiederherstellungsverfahren für Dienst- und Flugzeugeinsatzpläne, welches die Evaluierung derer Flexibilität ermöglicht. Des Weiteren wird ein stochastisches Optimierungsverfahren vorgestellt, welches auf die Erhöhung der Dienstplan-Flexibilität abzielt. Ergebnisse der auf diesen Komponenten basierenden kalkulatorischen Studie zeigen eine Dominanz der Stabilität gegenüber der Flexibilität. Stabile Dienstpläne erfordern substanziell weniger operative Eingriffe zur Planwiederherstellung. Im Gegensatz dazu liegt der Vorteil eines verbesserten Flexibilitätsgrades darin, dass durch verbesserte Wiederherstellungsmaßnahmen verkettete Mehrfach-Propagationen von Verspätungen auf Flugfolgen von Crews zunehmend verhindert werden können. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Ergebnisse dieser Arbeit das Verständnis von Auftritts-Mechanismen von Verspätungen fördern und das methodische Potenzial der Verspätungsvorhersage für die robuste Planung aufzeigen. Darüber hinaus bewirkt die Herausarbeitung von Wirkungsmechanismen zwischen den Planeigenschaften Stabilität und Flexibilität einen wertvollen Einblick in die Austauschbeziehung zwischen Plankosteneffizienz und Robustheit.