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第十一章
基于事件序列图对岸边集装箱起重机装/卸载进行建模分析
摘要：为了在岸边集装箱起重机的人机环境系统中分析信息处理的特点，就建立了一个模型并进行分析。首先，定义一个装/卸载的元级操作，它指定了一个装/卸集装箱周期中的开始和结束。然后，根据元级操作控制每一步的操作生成一个事件序列图（ESD）模型，用来描述信息处理，操作员则被视为信息处理器。然后以ESD模型的独立事件为横坐标，以输入信息和输出响应操作为纵坐标画出甘特图。之后输入信息和输出响应的特点就分别进行了分析。
关键词：岸边集装箱起重机（QC），事件序列图（ESD），装/卸载，甘特图，信息处理。
11.1绪论
岸边集装箱起重机（QC）作为重型码头设备，适用于几十吨的集装箱。因此，岸边集装箱起重机操作员的操作表现对港口的安全和利益十分重要。操作员装卸集装箱的操作是一个典型的一人一机手动作业。基于物理系统规则的操作将在一个严格的时间序列中生成。操作的周围环境正在不断改变。因此，对岸边集装箱起重机操作员来说有必要进行重复测试并处理
环境和设备的状态信息。
随着集装箱尺寸的增加和港口装卸载压力的增大，集装箱的装卸正在成为一个问题。Garrido使用排队理论从港口整体运行效率的角度研究了起重机装卸集装箱的问题。Cheng et al.进行了故障树分析和建立岸边集装箱起重机模型的操作。 Zhong et al.建立了系统动力学模型并以此设备为对象来研究集装箱装卸操作中的防摇控制，优化提升轨道。事件序列图（ESD）是一种以图形化建模工具对相关的时间序列做描述的措施。ESD在国外被广泛的应用于不同的领域。在核工业，ESD在事件树结构中被用作文档管理工具和定向性的援助。Stutzke et al.提出使用ESD来提高操作员在事故现场的理解力。ESD用于这样的领域被称作功能事件序列图。ESD在研究化工工业和阶段任务中被用作定量研究工具。
装卸作业的过程作为论文的主要研究对象。ESD被用来建立之前定义的元级操作周期的功能性ESD模型，来描述操作过程和场景的细节。甘特图画在人机环境中输入ESD模型中每个独立事件的信息输出响应操作。这个分析建立在信息特征、信息处理过程和输出响应操作的特征之上。
11.2基于ESD的集装箱装卸模型
11.2.1 定义集装箱装卸操作的元级操作
岸边集装箱起重机每班工作12小时，在这里操作是高度重复化以免在合理的卡车调度和科学分配堆场的前提下出现事故和设备故障。以卸载为例，把一个集装箱从集装箱运输船上提起卸到地上然后把它放在卡车上。图11.1显示了一个吊具未负载从点A移动到点B，在从B点向下移动到C点吊起集装箱。这个吊具之后将沿着之前的路线回到B点，然后移动到A点再向下移动到D点将集装箱放到卡车上。然后吊具再回到A点，并沿着同样的路线进行下一次操作。路线就是A→B→C→B→A→D→A。
岸边集装箱起重机操作步骤：移动小车→操作升降机→确认所选用的吊具长度和集装箱一致→使吊具对准集装箱→确认旋锁锁死→吊起集装箱→移动小车→移动集装箱至指定位置→对准卡车→确认集装箱落地→确认旋锁打开。在便于研究的基础上，用PLC记录起重机操作数据。接下来在集装箱落地和旋锁打开作为下一次操作的起点。集装箱稳定的落地和锁定信号灯熄灭的时刻作为本次操作的终点。起重作业的轨迹类似于沿着“and;”。在论文中对这样的操作周期进行了建模。
11.2.2.ESD基本的框架
ESD是一种图形化的建模工具，可以用来描述相关的时间系列。ESD被定义为一个六元组阵列{E, C, G, P, CB, DR},代表事件（events）、条件（conditions）、门（gates）、工艺参数设置（ process parameter set）、边界条件（ conditions of boundary）和关联规则（association rules）。
E代表事件，指的是所有可观察到的物理现象。
C代表条件。系统的事件场景将在不同的路径中发展不管条件是否满足。
G代表门，包括与门和或门，用于模型的单输入多输出或多输入单输出。
P代表工艺参数，包括事件和物理过程这两个影响系统的变量。
CB代表边界条件。
DR代表关联规则。
11.2.3 基于ESD的操作决策模型
接收到装载/卸载的命令被认为是初始事件。
在装载/卸载的元级操作中，要求操作者做出判断或操作响应的阶段被认为是独立的事件来推断事件序列。ESD模型是建立在装载/卸载的元级操作过程上，以初始事件为起点。
11.3 岸边集装箱起重机操作员对装载/卸载操作信息的处理和分析
11.3.1 甘特图在装卸操作中基于ESD的信息处理
在装卸载过程中，岸边集装箱起重机操作员被当作一个处理器，可以收集视觉和听觉器官的信号，对外部环境进行识别与判断，在操作记忆的基础上输出正确的信息，做出正确的操作控制。对信息的检测，判断和处理，以及每个阶段和相应的行为选择进行分析，以ESD模型独立事件为横坐标。由岸边集装箱起重机操作员根据装卸作业的信息处理画出甘特图。使用事件列表和时间尺度来表示环境信息、活动顺序和操作时间输出。
11.3.2 机器和环境提供的输入信息的特征分析
在装卸操作的人机环境系统中，影响操作者决策和反应选择的外部因素通过视觉和听觉器官传递给操作者，在此基础上操作者将做出决定。
听觉信号，如早期预警信号，指示异常情况。操作者被动地接收这种信号。因此，在设备正常的情况下，误报警或错过报警是不可能的。响应操作就是一接收到这样的信号就只用尽快停下岸边集装箱起重机。对这些信息的响应要求是尽可能快的做出响应。
操作员积极的检查视觉信息。设备信号的信息是非常清楚的，对操作员作出正确的判断有很大帮助。然而，岸边集装箱起重机操作员工作平均高度大约高于地面20至30米。对视觉领域的信息作出正确的判断被认为是一种技能，需要长期训练发展。
11.3.3 响应操作的特点分析
信息解码的感知将被转换成由工作记忆对环境的理解。它将触发一个行动的选择，以实现目标响应。
操作员需要完成装卸载操作中的垂直升降控制和横向控制，这个操作被认为是一个多输入输出系统。
如图11.3中的横坐标表示，提升，检查着陆位置的周边环境，放下集装箱是许多阶段，在这里更多的信息被处理。实践证明，更多的事故发生在这些阶段。因此，安全操作规则是在起点和终点缓慢移动，在中间部分快速移动。如图11.3中的纵坐标表示，操作升降杆和小车运行杆持续的时间最久并且都是范围响应。响应时间和控制精度取决于操作者的能力，经验，生理和心理状态。最优控制存在于这样的操作中。
内河集装箱码头岸边集装箱起重机的调度
摘要：由于集装箱运输带来的效益，集装箱运输的货物在过去的二十年中显著增加。因此需要分析集装箱运输链的各个方面。集装箱码头数学模型的制定对理解和改进集装箱码头的运作具有重要的作用。本文概括的介绍了一个现有的关于集装箱码头操作的优化问题，为了定义一个内河集装箱码头岸边集装箱起重机的操作模型。虽然内河集装箱码头在内陆运输网络中是个重要节点，但它们尚未在文献中得到解决。集装箱起重机的工作效率作为码头的领导元素对集装箱码头的性能起着决定性作用。本文介绍了在内河码头的驳船上岸边集装箱起重机的行程安排。
关键词：内河集装箱码头，调度，岸边集装箱起重机，运输。
- 引言
在过去的二十年中，集装箱货物的数量有显著的增加，可以预计在未来几年有进一步的增长。因此需要不断努力来提高集装箱运输和控制过程中的所有操作。在集装箱供应链中，有竞争力的码头、操作员以及其他的也存在实质性的竞争。集装箱码头是大型物流网络的要素，因此，供应链管理系统中的关键因素，以及对集装箱码头的操作研究和描述，是一个复杂的问题 [15]。因此，有越来越多的科学论文，处理有关集装箱换装运输问题。有许多决策问题，涉及到物流规划和控制问题，每个可以被分配到以下三个层面之一：码头设计，操作规划，实时控制 [7]。在[18]中提出了集装箱码头作业的早期审查之一。综合性概述也在[16] [17]中提出。这些文件不仅给概述了现有的文献，而且试图创建一般分类存在的问题。
多式联运是一个单位或车辆装载移动货物，使用各种运输方式（公路、铁路和水路），转换过程中无需处理货物本身 [11。多式联运在最近几年已经变得更具吸引力，主要是因为道路交通特征的问题，如交通拥堵、环境问题。集装箱码头是连接不同运输方式的接口。由一种运输方式（铁路、水路或卡车）交付的集装箱通常是临时存放，后来转移到另一个或相同的运输方式。
不同类型的集装箱码头，差异主要存在于大小、布局和重装设备。这三个元素是相互依存的。从物流的角度来看，码头包括库存和运输工具。堆场，轮船、火车、货车是库存，而水平运输的吊车和运输车辆是运输工具[ 17 ]。实现集装箱码头的概念，取决于几个因素。集装箱码头的主要类型是海港和内河集装箱码头。它们之间的主要区别是重装机械化的工作策略和类型 [14]。
- 海港集装箱码头
对海港集装箱码头（图1）来说，岸边集装箱起重机只需要把集装箱从船上运输到码头上反之亦然。一个全面的关于集装箱码头起重机行程安排的概述呈现在[ 1 ]中。作为一个经验法则，最大限度地减少船舶在泊位的时间是一个整体的目标相对于码头操作[ 17 ]。
由于码头起重机是最昂贵的设备，其性能直接影响到船舶的周转时间，码头起重机一直是物流系统中的一种领导元素。港口中的所有其他运输和存储系统均服从于码头起重机的运行。
为了加快船舶周转时间，在海港集装箱码头，通常是由几个码头起重机在同一时间同时运行。把多少起重机分配给一艘船的决定被称作起重机的分配。由于起重机不能互相通过，因为它们被放置在同一个轨道上，这就提出了集装箱码头起重机行程安排的问题。
码头起重机行程安排问题的目标是一艘船的装载和卸载作业安排一套起重机，最大限度地减少整个船舶的装卸时间。第一篇论文[ 2 ]在集装箱岸桥行程安排领域中，提出了一个静态和动态的起重机调度的基本假设，以最大限度地减少延误成本。从那时起，许多论文在使用各种精确和近似的方法对码头起重机调度问题进行了详细的分析。最近的论文分析了更为复杂的问题，如无干涉约束。Lim等人[ 10 ]分析单向的时间表并证明当把一个海湾的工作量定义为一个任务时，最佳解决方案是单向表。Kim and Park [8]通过分析大量一个海湾内同类型的集装箱（通常是那些具有相同的目的地）解决了岸边集装箱起重机调度的问题。 Meisel and Bierwirth [12] 提出了评价岸桥调度模型的统一方法。岸边集装箱起重机调度的各种汇总模型来自于不同规格的任务（表2）。任务与一个海湾内集装箱组的处理有关，一个海湾内所有的集装箱，或者与海湾连接区域内的所有集装箱[12]。
增加岸边集装箱起重机重装能力的一种可能性是实施双循环。与单次循环相比即先完成卸载任务接着完成装载任务，双循环将同一个海湾的装载卸载任务结合起来。这是一个具有成本效益的操作技术，因为它不需要任何新的设备或基础设施的投资，如码头扩展。一个小篇幅的相关的文章，分析了岸边集装箱起重机双循环的可能性。 Goodchild 和Daganzo [4] 提出了一种以减少完成任务必要的操作数量的岸边集装箱起重机双循环法。利用约翰逊的规则解决了这个问题。工作量取决于再装的集装箱数目，因此其主要目的是在再装期间使双循环数目最大化。
基本构想可以说是两台机器流水作业问题 [4]。一个使用混合整数规划的岸边集装箱起重机双循环的改进措施在[19]中提出。 他们首先分析每个舱口堆排序，然后使用依照约翰儿子规则的启发式方法对舱口排序。重复装卸是转移到同一个海湾另一个堆场的方法在[13]中提出，而在[4]中重复装载是转移到岸边之后回到相同的堆场。把重复装卸转移到另一个堆场是在所有的重复装卸是平等的并且在湾内无差别安置的假设下完成的。
在堆场里集装箱通常是由轨道安装的门式起重机（RMGS）或轮胎式起重机（RTG）操作。门式起重机用于现代自动化集装箱码头轮胎式起重机用于传统集装箱码头。轮胎式起重机更灵活，但门式起重机更加稳定，可以在更高的速度运行。轮胎式起重机用于集装箱与码头平行的场合，门式起重机用于集装箱垂直于码头的场合。堆场的布局取决于在堆场里操纵集装箱的机械的类型。使用门式起重机，堆场效率越高。这是因为门式起重机运输时不沿着块，所以有一个免费的车道每天通过卡车。这种类型的码头接入点位于每一个海湾旁边。在自动化集装箱码头有2个接入点，每个块个一侧各有一个。内部运输车辆（通常是自动引导车辆AGV）在集装箱堆场和岸边起重机之间运输，而外部卡车将集装箱码头运到接入口。
堆场里的集装箱通常分为三组。出口集装箱暂时存放在堆场里，然后由海船（船）送出。由于装货计划和船舶的到达时间是已知的，在堆场里的集装箱可以安排在这样一种方式，以尽量减少所需的在船到来之前堆场里的重装数。进口集装箱是由船舶带来的，并由卡车发出的。这种情况下更为复杂，因为卡车的到达时间通常是事先不知道的。转运的集装箱被带到船上，通常是指接驳服务。对码头性能而言一个很重要的参数是从堆场里里获取一定数量的集装箱所需要的重装数。重复装卸的数量和堆场的高度和宽度相关。一个更大的堆叠高度需要更多的重复装卸但要提高堆场的利用率。kim[ 6 ]提出了一种方法论来评估拿起一个集装箱和拿起所有集装箱所需的预计的重复装卸数。
- 内河集装箱码头
内陆集装箱码头作为枢纽为集装箱用户之间提供集装箱分配服务。虽然所有三种类型的运输模式不一定存在于每一个内陆集
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