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一种基于自动化集装箱码头的框架桥性能分析分解方法
Hongtao Hu a, Youfang Huang a, Lu Zhen b,uArr;, Byung Kwon Lee c, Loo Hay Lee c, Ek Peng Chew c
a上海海事大学物流工程学院，上海201306
b上海大学管理学院，中国上海200444
c新加坡国立大学工业与系统工程系，新加坡117576，新加坡
关键词：
自动化集装箱
终端性能分析
港口操作
摘要
本文研究了一种新型自动化集装箱码头（ACT）系统，该系统利用多层框架桥和轨道式手推车在码头和院子之间运输集装箱。 与广泛使用的AGV-ACT系统不同，本文研究的ACT系统使用三种类型的处理机器，它们协同运输集装箱。本研究将新ACT系统中的集装箱流量分解为三个排队子网络。 然后开发一种迭代方法来分析ACT系统的操作效率。 我们通过与广泛使用的基于AGV的系统进行比较来分析其运输效率。 这项研究是为了帮助港口经营者更好地理解这种新设计的相对优点，并决定它是否适用于他们的码头。
1.介绍
自20世纪60年代以来，全球集装箱运输得到空前增长。 今天，全世界大约90％的非散货都是通过集装箱船运输的（Ebeling，2009年）。集装箱航运的这种增长促进了港口的发展与投资。 而且，随着巨型船只运用的增加，如可运载14,000个标准箱的艾玛马士基船，港口经营者需要高效的运营以确保他们可以处理高吞吐量的集装箱。基于这些趋势，港口经营者正在寻找一些替代方案可以有效地在低成本的条件下处理大量集装箱。
ACT有很多不同的设计。 它们许多涉及自动导引小车（AGV），自动堆垛起重机（ASC）和自动跨式搬运车（SC）（Murty，Liu，Wan，＆Linn，2005; Steenken，Voszlig;，＆Stahlbock，2004; Vis＆de Koster，2003; Vis，2006; Yuan等人，2011）。 一些设计已经实现，显示出的性能提升已经超过传统码头。 欧洲集装箱码头（ECT）英国鹿特丹采用AGV-ASC组合就是一个很好的例子。 一个基于自动跨运车的设计已经实施在布里斯班港的Autostrad码头。 但是，一个使用AGV和ASC的ACT可能会导致较大的初始投资和维护成本，从而降低对港口运营商的吸引力。由于AGV小车速度相对教慢，AGV-ASC组合的运行并不总是更加高效的。 另一方面，基于自动跨式载体ACT的空间利用率较低，因此在较大的繁忙的集装箱运用较少。
现有的ACT设计的缺点促使了开发新的，更便宜和更高效的ACT的趋势。 最近上海振华港机公（ZPMC）引入了一个新的ACT设计，这个设计利用安装于铁轨上的框架小车(FTs）和地面轨道小车（GTs）在码头和堆场之间运输集装箱。 在这个设计中，集装箱通过使用码头起重机（QCs）首先从船上卸到其中一个被安装于框架桥FTs，然后通过使用位于有相互联系的挡板和一个模块之间的转移平台（TP），集装箱从FTs转移到GTs。 GTs传送位于存储区附近的集装箱到场（YCs）下。 YCs最后抓取集装箱并把它们放到正确的堆场位置。 在这个研究中这个新的ACT设计概念被称为基于框架桥的ACT（FBACT）。
有许多研究通过使用分析方法用于评估系统性能。 Dallery和Towsley（1991）说明了对于单闭环线，吞吐量增加随着小车数量从0增加到最佳数量，而吞吐量下降则随着小车数量从最佳数量到缓冲区的总数量。多环闭合线的性能评估比单回路闭合线更困难。可获得的关于封闭系统的作品很少。莱万特西（Levantesi，2001）发表了一个主要目录列表，该目录列表可在ScienceDirect Expert Systems with Applications上可找到。
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通过分解方法处理多回路闭路系统。
对于集装箱码头，Lee和Kim（2010）提出了分析期望和方差的表达式，该表达式是在集装箱码头上周期时间中 各种形式的操作Ycs所得出。Kim，Park和Jin（2008）推导出了公式从而分析一辆集卡运送一个集装箱往返于两个随机位置的预期行驶距离：一个位置是装载/卸载集装箱到/从QC（或门的位置），另一个位置是在一个堆场的堆放位置。
FB-ACT为港口运营商带来了很多挑战和机遇。但是，现有的研究工作一直致力于传统的集装箱码头或基于AGV的码头。对于传统集装箱码头，郑，周和李（2011）提出了一个混合整数规划模型来整合泊位模板以及为减少服务而设计的堆场模板。由于船舶偏离预期时间而产生周转时间间隔以及相关的到码头中转站集装箱流量的路线长度的运营成本。 Zhen(2013), Zhen, Lee, and Chew (2011) and Zhen and Chang (2012)还研究了泊位模板和堆场模板在不确定性下的规划问题。 Yan，Huang，Chang和He（2011）使用了一个基于知识的机制来生成堆场起重机调度规则。 Chang，Jiang，Yan和He（2011）开发了一个动态滚动视界堆场起重机调度的决策策略。对于基于码头的AGV，星野，太田，筱崎和桥本（2007）提出了一个综合设计方法来共同考虑QC，AGV和YC的规格。朴，赵，权和康（2006）也提出了自动化设备的仿真模型操作来找到操作规则的最佳组合，比如集装箱的数量以及AGV的数量。Liu，Jula和Ioannou（2002）利用模拟方法比较四种类型的ACT，例如AGV系统，线性电机运输系统，电网系统，自动化存储和检索系统。 这些分析模型是为了开发设计AGV系统并研究其性能（Bozer＆Srinivasan，1991; Johnson＆Brandeau，1993）。 Angeloudis和Bell（2010）根据设置各种不确定的情况研究了ACT中的AGV的工作分配。 他们在不确定的条件下开发了一种新的AGV调度方式，这种调度方式适合于实时控制的AGVs。
最近，Zhen，Lee，Chew，Chang和Xu（2012）也研究了这个FB-ACT系统，并将其与AGV-ACT系统进行比较。 然而，他们认为有足够数量的QC和YC。所以FTs，GTs和AGVs不需要在QCs和YCs上等待。 此外，他们的研究没有考虑加载/卸载TP的速度。 在这项研究中，我们考虑了限制QCs和YCs的数量以及Tp的处理速率。 此外，这项研究通过组合不同类型的处理机械有助于估计所能实现的吞吐量。
本文的其余部分安排如下：第2部分介绍FB-ACT系统和集装箱在这新系统的运行。 第3部分介绍近似分解方程式。 第4部分给出了一些实验结果数据。结论在章节中给出。
2.问题描述
2.1 FB-ACT：基于框架桥的自动化集装箱码头系统
顾名思义，FB-ACT是一个新的基于多层框架桥的和轨道的ACT系统，小车运输码头和堆场之间的集装箱。 图1表明了一个（不按比例）FB-ACT。 FB-ACT采用两种类型的运输机和一个运输单位：GTs沿着铁轨一直运行; FTs沿着框架桥的轨道运行然后听着码头边;TPs在这两种类型的小车之间转运集装箱，这是一种轨道式桥式起重机并能够在框架桥的最高层的轨道上缓慢移动。堆场采用垂直布局，每个存储区域伴随着地面轨道式GTs运行。
例如在卸货过程中，集装箱是通过QCs和FTs从船上卸载下来的，FTs沿着铁轨运输集装箱。 当FTs到达TPs时，集装箱将被抓取然后旋转90度并通过TPs释放到GTs上。然后GTs沿着铁轨运送集装箱到指定的存储地点。 装载操作是以类似的相反方式进行。 框架桥可能扩展到超过2种情况; 地面轨道GTs也可以搭配多层结构。 这样，FB-ACT的处理能力预计将显着增加。
图1 基于运行的框架桥布局
在传统的集装箱码头，会有两个转运点将集装箱从船只运送到堆场。 一个QCs和集卡之间; 另一个是在集卡和YCs之间。 但是，在FB_ACT将会有4个转运点，位于QC和FT，FT和TP，TP和GT，GT和YC之间。 每当转运发生时，需要在确定的时间将集装箱从一个机械转运到另一个机械上。 这时间包括空闲/等待和处理时间。该FB-ACT中转运次数的增加可能会降低这个系统的性能。
2.2 集装箱在FB-ACT系统中流动
由于FB-ACT是一个考虑了几种类型的处理机器的集装箱运输系统，处理机器的组合效率决定了操作系统的 效率。 为了分析系统，以下几个组合要素介绍FB-ACT 。
设N是块的数量，R是框架桥的行数，MTP是每一行框架桥中TP的数量，MGT是每个块中GT的数量，MFT是每个框架桥上FT的数量，专用于一台TP。 以图1FBACT为例中，N = 10，R = 5，MTP = 2，MGT = 1，MFT = 1。这里假定TP的数量与块的数量相同，在FB-ACT中，即N = R MTP。 这意味着当总是有集装箱的时候在一个相当长的时间内一个TP是由一个块所决定的。
FT和GT有两种类型的操作周期，分别用于加载和卸载活动。这两种类型的周期是由TPs联系起来的。一个GT的周期时间包含四个时间单元，例如装载活动的周期时间包括：（1）在YC等待GT的时间（wGT）和一个YC卸载一个集装箱到GT的处理时间(hYC); （2）GT抓取一个集装箱放置到Tp的运行时间(tGT); （3）等待GT在TP的时间 （ w0GT ）和TP的处理时间（hTP）; （4）GT从TP到下一个取货地点的运行时间（tGT）。同样的，FT的加载活动周期时间也包含四个时间单元：（1）FT在TP的等待时间（w0FT）和FT在TP的处理时间(hTP); （2）运行时间（tFT），FT从TP到QC的下落位置; （3）FT的在QC的等待时间（wFT）和处理QC的时间 (hQC); （4）FT的运行时间（tFT），即FT返回到TP的时间
2.3 假设
在研究FB-ACT系统的性能之前，这项研究的假设如下：
- 在FB-ACT系统中集装箱总是可得到的，这意味着系统被假定为完全运行装载和卸载活动。 除此之外，这些活动的取货和传货地点遵循沿着码头水平方向均匀分布并沿垂直方向分别沿着块的一侧分布。所有的装载/卸载活动都假定为平均分布在所有块中。 这个假设通常在集装箱码头的一些分析研究中作出。
（Kim等人，2008）。
- 假定TP的数量与块的数量相同，这意味着当系统处于满载工作状态下在一个相对较长的时期内一个TP是专用于一个块的。
- 由于TPs预计将成为转移在码头边和堆场边集装箱的瓶颈，这项研究之间分析TPs的性能。 我们就从TP服务FTs和GTs的性能分析FB-ACT的处理效率。 因此，QC的处理操作（或YCs）可表示为平均处理和等待QCs的时间由（或YCs）由 hQC (或hYC)决定。 这是在常规的港口的一些典型研究方法。（星野等人，2007; Kim＆Le2010）。
- 我们不考虑YC和外面的运输集装箱到内陆的卡车之间的相互影响。
- 码头进行较长时间的装载和卸载操作。不频繁的改变操作模式。
3.近似分解启发式估计FB-ACT系统的性能
近似的启发式的主要思想是分解起源网络分为三种子网络。 每个子网络将评估一个集装箱装卸设备（QC，YC或TP），每个设备作为单个服务器。 在子网络中，我们没有模拟小车详细的运输活动当它们离开装卸设备然后再次返回时。 相反，我们使用一个延迟节点来聚合这些活动。 延迟时间将是小车前往参观相同集装箱装卸设备然后离开它的预计时间。 我们近似的将这个延迟时间看成指数分布。 以下符号用于这个分解的网络：
M：QC的数量 N：块数 R：FB-ACT中的行数 MFT：一行中的FT数量 MTP：一行中TP的数量 MGT：属于一个块的GT的数量 MYC：属于一个块的YC的数量
3.1从QC的角度分解网络
从QC的角度来看，当FT来到QC的后端时，QC从FT中装载一个集装箱或卸一个集装箱到FT。 然后FT离开装卸点，QC处理或等待另一个FT。
图2显示了单个QC系统的排队网络模型。在这个系统中，我们将QC模型化为单个服务器Qi和将FTs作为顾客。 设DQi为
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