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E-Book

Optimierung von automatischen Lagerkransystemen auf Containerterminals

Autor	Ulf Speer
Verlag	Springer Gabler
Erscheinungsjahr	2017
Seitenanzahl	394 Seiten
ISBN	9783658172701
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	49,99 EUR

Ulf Speer entwickelt zwei Optimierungsverfahren fur die Reihenfolgeplanung von verschiedenen automatischen Lagerkransystemen und vergleicht sie quantitativ anhand eines Simulationsmodells. Dabei zeigt sich insbesondere beim integrierten Ansatz ein riesiges Potential, eine gute Robustheit gegen betriebliche Störungen und eine hohe Praxisrelevanz der Ergebnisse. Schwerpunkte der Arbeit bilden die Darstellung der Planungsprobleme an Containerterminals sowie die Untersuchung und Kombination verschiedener Optimierungsverfahren und Detaillierungsgrade. Anhand einer Simulation mit praxisnahen Daten und Annahmen vergleicht der Autor Kransysteme und Optimierungsverfahren.

Dr. Ulf Speer ist IT-Projektleiter bei einem Logistikunternehmen in Hamburg und verfugt uber langjährige Erfahrung bei Planung, Simulation und Optimierung internationaler Container- und Intermodalterminals. Durch die Mitwirkung in zahlreichen Forschungsprojekten sowie die Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg stellt er die Verbindung zwischen Wissenschaft und Praxis her.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort	5
Inhaltsverzeichnis	7
Abbildungsverzeichnis	9
Tabellenverzeichnis	17
1 Einleitung	18
1.1 Automatisierung und Wettbewerb zwischen den Terminals	19
1.2 Optimierung von automatischen Lagerkranen	20
1.3 Ziele und Methodik der vorliegenden Arbeit	21
1.4 Aufbau der Arbeit	23
2 Containerterminals	26
2.1 Umschlagsprozesse auf Containerterminals	26
2.2 Aufbau eines Containerterminals	28
2.2.1 Klassifizierung und allgemeiner Aufbau	28
2.2.2 Wasserseite	29
2.2.3 Lager	30
2.2.4 Landseite	32
2.3 Auf Containerterminals eingesetzte Gerätetypen	33
2.3.1 Klassifizierung der Geräte	33
2.3.2 Kaikrane	35
2.3.2.1 Gleichzeitige Bewegung mehrerer Container (Multitransport)	36
2.3.2.2 Verschiedene Arbeitsrichtungen der Kaikrane	38
2.3.3 Bahnkrane	40
2.3.4 Lagerkrane	41
2.3.4.1 Gummibereifte Portalkrane (RTGs)	42
2.3.4.2 Schienengebundene Portalkrane (RMGs)	44
2.3.4.3 RMG mit seitlichem Ausleger (Cantilever)	45
2.3.4.4 RMG mit Übergabe am Kopfende des Lagerblockes	46
2.3.4.5 Brückenkran, Overhead Bridge Cranes	54
2.3.5 Horizontaltransport	54
2.3.5.1 Zugmaschinen mit Containerchassis	56
2.3.5.2 Fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs)	57
2.3.5.3 Portalhubwagen	58
2.3.5.4 Reachstacker	59
2.3.6 Typische Geräteausstattungen von Containerterminals	60
2.3.7 Literaturübersicht zu Umschlagsgeräten	62
3 Planungsprobleme am Containerterminal	64
3.1 Übersicht der Planungsprobleme	64
3.1.1 Klassifizierung der Planungsprobleme	64
3.1.2 Literaturübersicht zur Optimierung an Containerterminals	67
3.2 Optimierungsziele am Containerterminal	69
3.2.1 Ressourcen eines Containerterminals	70
3.2.2 Übergeordnete Optimierungsziele	71
3.2.3 Abgeleitete Optimierungsziele für das Scheduling der Geräte	76
3.2.3.1 Produktivitätskriterien	77
3.2.3.2 Effizienzkriterien	79
3.2.3.3 Pünktlichkeitskriterien	81
3.3 Operative Planungsprobleme	83
3.3.1 Liegeplatzplanung	83
3.3.2 Stauplanung	84
3.3.3 Crane Split	86
3.4 Scheduling des Horizontaltransports	88
3.4.1 Fragestellung	88
3.4.2 Restriktionen	89
3.4.3 Zielkriterien	90
3.4.4 Literaturübersicht	91
3.5 Scheduling der Lagerkrane	93
3.5.1 Fragestellung	93
3.5.2 Restriktionen	94
3.5.3 Zielkriterien	96
3.5.3.1 Hohe Produktivität	96
3.5.3.2 Geringe Zeit zur Bearbeitung aller Aufträge (Makespan)	97
3.5.3.3 Geringe Auftragsdauern (Zykluszeiten)	98
3.5.3.4 Geringe Verspätung	98
3.5.3.5 Geringe Verfrühung	99
3.5.3.6 Geringe Anzahl von unnötigen Umstaplern	99
3.5.3.7 Priorisierung einzelner Terminalbereiche	100
3.5.3.8 Priorisierung einzelner Aufträge	101
3.5.4 Literaturübersicht	102
3.5.4.1 Scheduling und Deployment von RTGs	102
3.5.4.2 RMG-Systeme mit seitlicher Übergabe	104
3.5.4.3 Scheduling von Single RMGs	105
3.5.4.4 Scheduling von DRMGs	105
3.5.4.5 Scheduling von Twin RMGs	106
3.5.4.6 Scheduling von TRMGs	107
3.5.4.7 Vergleich der RMG-Systeme	108
3.6 Routenfindung beim Horizontaltransport	110
3.6.1 Fragestellung	110
3.6.2 Restriktionen	111
3.6.3 Zielkriterien	111
3.6.4 Literaturübersicht	112
3.7 Routenfindung bei Lagerkranen	113
3.7.1 Fragestellung	113
3.7.2 Restriktionen	113
3.7.3 Zielkriterien	115
3.7.4 Routenfindung für die verschiedenen Kransysteme	115
3.7.4.1 Routenfindung beim Twin RMG	117
3.7.4.2 Routenfindung beim DRMG	120
3.7.4.3 Routenfindung beim TRMG	121
3.7.5 Literaturübersicht	122
3.8 Lagersteuerung	123
3.8.1 Fragestellung	123
3.8.2 Restriktionen	123
3.8.3 Zielkriterien	124
3.8.3.1 Vermeidung von Umstaplern	124
3.8.3.2 Ausnutzung der Lagerkapazität	126
3.8.3.3 Kurze Transportwege	126
3.8.3.4 Verteilung der Container über die Lagerblöcke	127
3.8.3.5 Gerätebezogene Auslastung des Lagerblockes	127
3.8.4 Literaturübersicht	127
3.9 Integrierte Optimierungsansätze	128
3.9.1 Wechselwirkungen zwischen Planungsproblemen	128
3.9.2 Idee einer integrierten Optimierung	130
3.9.3 Literaturübersicht	131
3.9.3.1 Integrierte Optimierung des Schedulings verschiedener Geräte	131
3.9.3.2 Integrierte Optimierung von Scheduling und Lagersteuerung	134
3.10 Bewertung der Lösungsansätze zum RMG-Scheduling	135
4 Problemdefinition und Algorithmenauswahl	138
4.1 Das RMG-System als potentieller Engpass	138
4.2 Abgrenzung zu nicht betrachteten Planungsproblemen	142
4.3 Zielsetzung und Lösungsansätze	143
4.4 Umgang mit mehreren Zielfunktionen	144
4.5 Detaillierte Optimierung eines RMG-Blockes	145
4.5.1 Annahmen	147
4.5.2 Problemdefinition	149
4.6 Integrierte Transportoptimierung	151
4.6.1 Idee des Optimierungsansatzes	151
4.6.2 Problemdefinition	154
4.6.3 Zeithorizont der Optimierung	156
4.7 Klassifizierung von Algorithmen	157
4.7.1 Übersicht möglicher Algorithmen	157
4.7.2 Online-Algorithmen	160
4.8 Auswahl von Algorithmen	163
5 Simulationsumgebung	166
5.1 Einordnung der verwendeten Simulationsmethoden	166
5.2 Beschreibung des Simulationsmodells	168
5.2.1 Allgemeine Beschreibung	168
5.2.2 Komponentenorientierter Aufbau und Verantwortlichkeiten	170
5.3 Materialfluss	173
5.3.1 Kaikrane und Bahnkrane	173
5.3.2 RMG-Systeme	175
5.3.3 Horizontaltransport	177
5.3.4 Lager	178
5.4 Steuerung	179
5.4.1 Prozessmanager	179
5.4.2 Allgemeiner Aufbau Auftragsmanager und Scheduling	183
5.4.3 Auftragsmanager Kaikrane und Bahnkrane	185
5.4.4 Auftragsmanager Horizontaltransport	185
5.4.5 Auftragsmanager RMG	187
5.4.6 Lagersteuerung	189
5.5 Eingangsdaten und Durchführung der Simulation	190
5.5.1 Szenariengenerator	191
5.5.2 Ableitung der Lagerauslastung	195
5.5.3 Verwendung von Lagerspiegeln	196
5.5.4 Variable Geschwindigkeit der Simulation	197
5.5.5 Simulationsumgebung für einen Lagerblock	199
5.6 Kennzahlen	200
5.6.1 Definition von Kennzahlen	200
5.6.2 Diskussion der wichtigsten Kennzahlen	202
5.7 Stabilität der betrachteten Kennzahlen in der Simulation	204
5.7.1 Festlegung der Länge eines Simulationslaufes	205
5.7.2 Festlegung der Anzahl Wiederholungen	206
5.8 Validierung und Engpassanalyse des Modells	208
5.8.1 Szenario mit einem Lagerblock	209
5.8.2 Szenario für das Gesamtterminal	215
5.9 Bewertung der Simulationsumgebung	220
6 RMG -Optimierung eines Lagerblockes	222
6.1 Einordnung des Teilproblems und Lösungsansatz	223
6.1.1 Komplexität des Teilproblems	223
6.1.2 Auswahl eines Lösungsansatzes	225
6.2 Vorauswahl der Aufträge für das Scheduling	226
6.3 Trigger zur Lösung des Teilproblems	228
6.4 Branch and Bound-Verfahren	230
6.4.1 Allgemeines Vorgehen beim Branch and Bound	230
6.4.2 Grundidee des Verfahrens für das RMG-Scheduling	231
6.4.3 Zerlegung des Lösungsraums (Branching)	233
6.4.4 Berechnung der Auftragsdauern	235
6.4.5 Schrankenberechnung einer Teillösung (Bounding)	242
6.4.5.1 Ermittlung einer Startlösung als obere Schranke	243
6.4.5.2 Berechnung einer unteren Schranke für eine Teillösung	244
6.4.6 Zusammenfassung des Algorithmus	246
6.4.7 Implementierung des Algorithmus	247
6.5 Kalibrierung und Potential des Verfahrens	248
6.5.1 Gewichtung der Zielkriterien	249
6.5.1.1 Variation der Gewichte für das DRMG	249
6.5.1.2 Variation der Gewichte für alle Kransysteme	253
6.5.2 Untersuchung der Anzahl einbezogener Aufträge	257
6.5.3 Stabilität der Lösungen	261
6.6 Vereinfachte Varianten des Branch and Bound-Ansatzes	263
6.6.1 Detaillierungsgrad der Fahrzeitberechnungen	264
6.6.2 Beam Search	274
6.6.3 Suchstrategie und Begrenzung der Rechenzeit	278
6.7 Bewertung der Ergebnisse	286
7 Verfahren zur integrierten Transportoptimierung	290
7.1 Modellierung des Problems	291
7.1.1 Definition von Mengen	292
7.1.2 Entscheidungsvariablen	294
7.1.3 Definition von Konstanten	295
7.1.4 Abbildung der Zielkriterien	297
7.1.4.1 Produktivität der Kaikrane	297
7.1.4.5 Produktivität der Lagerkrane	301
7.1.4.6 Leerfahrtdauer der Lagerkrane	301
7.1.4.7 Leerfahrtdauer der Horizontaltransporter	302
7.1.4.8 Komposition der verschiedenen Zielkriterien	302
7.1.5 Restriktionen	303
7.1.6 Abschätzung der Problemgröße	307
7.2 Vereinfachungen des Modells	309
7.2.1 Modell ohne Umstapler	309
7.2.2 Modell mit fester Arbeitssequenz der Kaikrane	310
7.2.3 Modell ohne Abbildung der Horizontaltransporter	310
7.3 Mögliche Erweiterungen des Modells	311
7.4 Grenzen des Modells	314
7.5 Technische Einbindung in das Simulationsmodell	315
7.6 Einstellungen und Parametrisierung	318
7.7 Simulationsergebnisse	321
7.7.1 Einfluss von Umstaplern	322
7.7.2 Einfluss einer festen Arbeitssequenz der Kaikrane	324
7.7.3 Einfluss der Einbeziehung des Horizontaltransports	329
7.8 Dekomposition des Problems	333
7.9 Zusammenfassung und Bewertung	334
8 Kombination und Vergleich beider Ansätze	336
8.1 Kombination beider Ansätze	336
8.2 Vergleich der Optimierungsansätze für das DRMG	338
8.3 Vergleich für alle RMG-Systeme	347
8.4 Einfluss von Störungen	352
8.5 Zusammenfassung und Bewertung	357
9 Zusammenfassung und Ausblick	359
9.1 Zusammenfassung	359
9.2 Grenzen der Arbeit und Ausblick	362
Literaturverzeichnis	365
Glossar	376
Notationsübersicht	379
Anhang	381

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