A two-stage model for an urban underground container transportation plan problem
Abstract
As a new transportation mode, underground logistics system can be used as one of the solutions to alleviate traffic congestion and air pollution on urban roads. In this paper, an underground container transport system is designed to realize the roadunderground-ocean container multimodal transport. This paper first analyzes the multistage decision-making content needed to design the underground container transportation system from the functional point of view of transporting a container. Then a two-phase model is built. The first stage is a 0-1 planning model with the lowest single-container cost to determine the planning layout and the second stage is to construct a simulation model under the current scenario to simulate the volume of transport containers within a specified time. Finally, a case study was carried out to determine the effectiveness of the method.
KeywordsUnderground logistics; Container transportation; modal transportation; simulation model
1. Introduction
Container transportation consists of roads, water, and railways. However, the proportions of those means of transportation are unbalanced, especially the ratio of road transportation is too high. For example, the percentage of containers transported by road in Shanghai is 84%, which leads to increasing traffic congestion and air pollution. The statistics of the Shanghai Research Institute of Environment in 2013 shows that 40% of the NOx emissions were caused by trucks, accounting for only 5.2% of the traffic sector.Container transportation aggravated the contradiction between ports and cities. In such a situation, UCLS could be a choice to ease it.
Underground Logistics (UL) also known as the Underground Freight Transport System (UFTS), which is a brand-new concept of a transportation and supply system. Solid goods can be transported in automated guiding vehicles or amphibious trucks through large caliber pipes or tunnels(J. Visser et al., 2008; J. G. Visser, 2018). An Underground logistics system use automatic steering vehicle (AGV) and dual-purpose truck (DMT) as load-bearing tools through the tunnel or large-diameter pipe connecting the main underground cargo transfer station.
The earliest underground logistics system perhaps is the London Mailrail system since 1930(Bliss, 2000). The most widely applied underground logistics system is Garbage Pneumatic Conveying system (GPC system) which was developed by a Swedish cooperation installed in a hospital in the suburban area of Stockholm in 1967. As a new mode that may be widely used, underground logistics research concerns include: the type of goods carried by underground logistics, the possibility of underground logistics research, the construction technology of underground logistics, the power technology of underground logistics, the policy or advantages of underground logistics and the network design of underground logistics.
This study focuses on the design of underground container transport system in the urban underground space in the form of a link network. The underground logistics system in this problem is a single type of cargo transported for containers, so the system needs not consider the subcontracting process to complete the transport and transshipment process. The application area of this system is urban underground space, which should relate to road transport and marine transportation, so the network form chosen is link form.
In this paper, section 3.1 takes the transport of a container as an example,analyzesthespecific processing of containers in road-underground-sea multimodal transport. section3.2, analysis of the decisions in the plan. Section4 creates a two-stage model for an underground container transport system with the lowest cost per case. Section 5 conducted a case study of the model.
2. Literature review
2.1 Issues in the underground logistics transportation
Underground logistics, like other transport modes, requires loading and unloading by crane when connecting with other transport modes. However, its operating space is underground, so in addition to considering the design of the transport area, but also to consider the infrastructure design of the underground operating area. Unlike other modes, once the mode is decided the needed vehicles will be choose, but underground logistics mode can have a variety of transport options. Different vehicle option will correspond to different transshipment operations and infrastructure.
The concept of the ULS mainly focus on the basic aspects such as conceptual design of a system, the carrier for holding cargo (CargoCap) and the vehicles (Safe Freight Shuttle), which all are powered by electromagnetism( Stein (2003) ). Liu (2004) recommended that pneumatic capsule pipelines (PCP) be used to construct an underground transportation system for New Jersey Port, New York.
The feasibility studies and the technical of ULS have drawn more attention in the flowing years. And many times, these two subjects cannot be completely separated. Henry (2008) summarized the feasibility of New Yorkrsquo;s wind tunnel piping technology and provided references for the construction of underground logistics in other cities. (Bobylev, 2009; Canoacute;samp; De Zulueta, 2004; Fouladgar et al., 2012; Xiaobin et al., 2014)
Van Binsbergenamp;Bovy(2000) proposed two construction methods for underground transportation. Qihu Qian (2004) first proposed that urban underground logistic systems could be new alternatives for solving urban traffic congestion. Systematically explored the underground system in China.
As for the design of ULS, the challenge is: the transfer needs to overcome the height difference between the tunnel and surface (Van Binsbergenamp;Bovy, 2000). Oth
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城市地下集装箱运输计划问题的两阶段模型
摘要：
地下物流系统作为一种新型的交通运输方式，可以作为缓解城市道路交通拥堵和空气污染的解决方案之一。本文设计了一个地下集装箱运输系统，实现了公路地下海洋集装箱多式联运。本文首先从集装箱运输的功能角度分析了设计地下集装箱运输系统所需的多级决策内容。然后建立了一个两相流模型。第一阶段是用单箱成本最低的0-1规划模型确定规划布局，第二阶段是在当前情景下构建仿真模型，在指定时间内模拟运输集装箱的体积。最后，进行了案例研究，以确定该方法的有效性。
关键词 地下物流；集装箱运输；模式运输；仿真模型
1、介绍
集装箱运输包括公路、水和铁路。但是，这些交通工具所占的比例是不平衡的，特别是公路交通的比例太高。例如，上海市公路运输集装箱的比例为84%，导致交通拥堵和空气污染加剧。上海环境研究院2013年的统计数据显示，40%的氮氧化物排放是由卡车造成的，仅占交通部门的5.2%。集装箱运输加剧了港口与城市的矛盾。在这种情况下，UCLS可能是一种缓解压力的选择。
地下物流（UL）又称地下货物运输系统（UFTS），是一种全新的运输和供应系统概念。固体货物可以通过大口径管道或隧道用自动引导车或两栖卡车运输（J.Visser等人，2008年；J.G.Visser，2018年）。地下物流系统采用自动导向车（AGV）和两用卡车（DMT）作为承载工具，通过隧道或大直径管道连接地下主要货物转运站。
最早的地下物流系统可能是1930年以来的伦敦邮政系统（Bliss，2000）。最广泛应用的地下物流系统是垃圾气力输送系统（GPC系统），由瑞典合作开发，1967年安装在斯德哥尔摩郊区的一家医院。地下物流作为一种可能被广泛应用的新型物流模式，其研究内容包括：地下物流所承载的货物类型、地下物流研究的可能性、地下物流的建设技术、地下物流的动力技术、地下物流的政策或优势以及地下物流网络设计。
本研究以连结网路的形式，探讨城市地下空间地下集装箱运输系统的设计。该问题中的地下物流系统是一种单一类型的集装箱货物运输，因此系统不需要考虑转包过程来完成运输和转运过程。该系统的应用范围是城市地下空间，涉及道路交通和海上交通，因此选择的网络形式是链路形式。
本文第3.1节以集装箱运输为例，分析了公路-地下-海上多式联运中集装箱的具体处理。第3.2节，计划中决策的分析。第4节为每箱最低成本的地下集装箱运输系统创建了两阶段模型。第5节对模型进行了案例研究。
2、文献综述
2.1地下物流运输存在的问题
地下物流与其他运输方式一样，在与其他运输方式衔接时，需要用起重机装卸。但其运营空间是地下的，所以除了考虑交通区的设计外，还要考虑地下运营区的基础设施设计。与其他运输方式不同，一旦确定了运输方式，将选择所需的车辆，但地下物流方式可以有多种运输选择。不同的车辆选项将对应不同的转运操作和基础设施。
ULS的概念主要集中在系统的概念设计、载货承运人（CargoCap）和车辆（安全货运班车）等基本方面，这些都是由电磁驱动的（Stein（2003））。Liu（2004）建议使用气动胶囊管道（PCP）为纽约新泽西港建造地下运输系统。
近年来，超大规模集成电路的可行性研究和技术研究越来越受到人们的重视。很多时候，这两个主题不能完全分离。亨利（2008）总结了纽约风洞管道技术的可行性，为其他城市的地下物流建设提供了参考。（Bobylev，2009；Canoacute;samp;De Zulueta，2004；Fouladgar等人，2012；Xiaobin等人，2014）
Van Binsbergenamp;Bovy（2000）提出了两种地下交通施工方法。钱启虎（2004）首先提出城市地下物流系统可以作为解决城市交通拥堵的新选择。系统地探索了中国的地下系统。
至于超大规模隧道的设计，挑战在于：这种转换需要克服隧道与地面之间的高度差（Van Binsbergenamp;Bovy，2000）。其他设计问题与需要尽可能笔直的管道有关（管道部门的ASCE货运管道工作委员会，1998年），特别是建造新隧道可能具有挑战性。最后一个设计问题是确定容量，因为一旦建成，在额外的隧道需要钻孔之前，容量有一个有限的限制（Egbunikeamp;Potter，2011）。
地下物流设计中涉及的概念（图2）：地下物体（地下室、仓库）；地下部分（隧道）；地下连接；地下网络。在过去的十年里，更多的文章结合网络和ULS的优化。Vernimen等人。（2007）开发了一条连接安特卫普港左右部分的地下隧道。在所有关于网络设计的研究中，最受关注的是定位问题。ZHOUamp;ZHOU（2017）使用遗传算法优化配送路线的布局，考虑时间和投入的成本。Wentaoamp;Yanhong（2016）采用双层规划模型研究了地下物流系统建设中物流节点的选址问题，同时考虑了物流规划决策部门和客户的利益。学者们大多采用传统的仿真算法来解决地下物流网络的优化问题，但大多是从特定的城市特性出发来讨论ULS系统的特性。他们没有针对超大规模集成电路的实际情况进行案例研究和设计解决方案。在现阶段，迫切需要使用ULS进行案例研究。
2.2多式联运的战略层面问题
本文研究的地下物流集装箱运输多式联运系统设计是一种多式联运方案。Caris等人。（2008）按时间范围将多式联运计划问题分为三个层次：战略、战术和行动计划。在战略层面上，决策是在很长的一段时间内（10-20年）做出的。终端的位置、网络配置以及终端的设计和布局通常是由大量资金长期固定而难以改变的决定（Macharisamp;Bonteking，2004）。决策者分为：多式联运运营商、网络运营商、终端运营商和航运运营商。码头运营商负责从公路到铁路或驳船，或从铁路到铁路或驳船到驳船的转运作业（Caris等人，2008年）。在本文中，我们支持码头运营商制定联运战略层面的计划。
Meyer（1998）面临的设计问题是，在一个中心轮辐系统中，一次最多可交换6列火车的铁路终端。此外，航站楼应能处理有限数量的铁路-公路交换。bonteking（2000）研究终端评估问题。Macharis等人（2011）关注驳船码头位置和对网络性能的影响。Li等人（2015年）将码头和运输连接视为一个多式联运货运网络。
Meyer（1998）利用Petrinet的动态计算机模拟（SIMPRO）来确定起重机和内部运输系统所需的能力，以及列车最有效的到达模式。Bonteking（2006）开发了一个仿真模型，用于对多式联运铁路网络中的各种枢纽交换设施进行系统比较。Li等人（2015年）提出了一种后退地平线多式联运集装箱流量控制（RIFC）方法，以解决多式联运货物运输规划问题网络中的动态运输需求和运输条件。
3、问题描述
3.1地下运输系统集装箱作业进展
该系统描述的是一个地下物流系统在道路-地下-海上运输过程中的运输过程。重点是地下物流以及与道路和海洋的连接。图2示出了通过UCLS运输出口集装箱的过程。集装箱由隧道入口处的门式起重机吊运并装载在车辆上。在隧道内沿铁轨行驶30公里后，车辆在接近缓冲区的地方减速，并在出口门式起重机正下方的位置完全停车。然后，用门式起重机将集装箱吊至地面并装载到卡车上。出口集装箱运抵储存区后，最终转运至泊位。图4中所示的区域是系统中最重要的位置，在这些位置上可以决定使用哪些设备或基础设施。决策序列构成了UCLS的程序设计。
图2通过UCL运输出口集装箱的过程。
将一组集装箱从一个终端子系统运输到另一个终端子系统附近的泊位的总时间为：
ts=t1 t2 t3 t4 t5 t6
式中，ts为地下隧道入口至集装箱船装卸的总时长；
t1为地下隧道入口门式起重机装卸的时长；
t2为车辆从靠近缓冲区的入口进入地下隧道的时长；
t3为车辆在缓冲区内减速停车的持续时间；
t4为地下隧道出口门式起重机卸货的持续时间；
t5为卡车从出口到堆场的行驶时间；
t6为集装箱从堆场到船舶的转运时间。
3.2地下交通系统各阶段的决根据图2，我们将运输分为几个阶段，每个阶段的决策，构成了我们的系统设计。
3.2.1隧道入口处的装卸区
集装箱由龙门起重机吊运这是该场地的唯一选择。
3.2.2隧道沿线车辆行驶区域
可以选择三种类型的车辆来运输集装箱。自动引导车（Automated guided vehicles，AGV）广泛应用于自动化终端，可以提高系统的自动化水平。采用摩尔溶液法研制了一种新型直流供电有轨车辆，可应用于地下隧道。
有两种设备运行模式：单次运行和组运行。单程旅行方式非常灵活，可以降低作业进度的压力。集装箱的运输顺序可根据船舶的装载计划简单确定，而两车之间的必要安全距离将降低隧道内车辆的密度。成组运输是指两辆相互连接的车辆同时运输并运送4个标准箱。
3.2.3隧道缓冲区
这个站点是系统的瓶颈。只有车辆完全停止，所以门式集装箱可以瞄准集装箱锁，将集装箱提升至地面。因此，缓冲区存在拥塞的风险，这是系统的瓶颈。
有两种选择，即直接退出或通过缓冲区退出。在前一种方案中，安全距离应足够长，以确保出口处不会发生碰撞。后者是在出口处设置一个缓冲区，从2车道或6车道延伸至轨道。容器可以在缓冲区内等待加载/卸载，以避免拥挤。
3.2.4隧道出口装卸区
为避免与码头基础设施（如桩）发生碰撞，地下隧道应至少修建20米深.有两种方法可以出口到地面：沿着倾斜的隧道或通过竖井。
3.2.5地上卡车等候区
本阶段的最后一个问题是出口处的设备运行模式。在出口处设置装卸点，用轨道龙门起重机将集装箱吊至水平地面。一种选择是使用轨道龙门起重机的当前操作模式，即单行程双吊具。为了加快出口处的操作速度，另一种选择是往返双撒布器模式。轨道门式起重机将集装箱从地下隧道内的车辆上吊起，装载在地面上的卡车上，从地面上的其他卡车上吊起另一个集装箱，装载在地下隧道内的车辆上。这样，轨道龙门起重机在一个动作内完成两个装卸循环，而地下隧道内的车辆则进行往返重载行驶。显然，这种方式提高了系统的运输效率。
3.2.6集装箱储存区
在装载到地面卡车上后，有三种可能的集装箱运输方案：集装箱堆场、码头堆场后面的特殊堆场或UCL专用中心站。
4、 案例研究
为验证该方法的有效性，以上海嘉定市为例，在上海郊区设立集装箱中心站，主要收集和配送江苏省集装箱，以缓解市区交通拥堵和空气污染。
隧道两端的距离是35公里。根据第5.1节中提出的方法，以及梁健等人的方法，计算了4个标准箱的运输时间。（2013）、王庆斌（2014）、梁健等。（2009），李峰等。（2016）、张然（2016）、石剑锋等。（2016年），见表1。
4.1时间相关参数
4.1.1入口装卸时间
时间窗口从地面集装箱运输设备到达地下入口处轨道龙门起重机下方的位置开始隧道，隧道可根据轨道龙门起重机的参数估计装卸作业的等待时间(https://club.1688.com/article/58832562。htm）。方差为1（Jian等人。（2009年）。
4.1.2穿越地下隧道的行车缓冲时间
在确定性情况下，为了表示行驶时间的不确定性，考虑了三点分布，一个可能实现在E（t）x（0lt;xlt;1），一个可能实现在E（t）（2-x），一个可能实现在预期行驶时间E（t），这可以用摩尔解提供的地下车辆参数估计。在随机情况下，缓冲时间可以用蒙特卡罗方法生成。
4.1.3地下隧道出口装卸时间
时间窗口从地下车辆到达地下隧道出口轨道龙门起重机正下方的位置开始。根据隧道埋深和轨道龙门起重机的参数可以估算出装卸时间的期望值。
本阶段的往返双吊具轨道龙门起重机是一种概念起重机。没有可供参考的参数。根据双轨龙门吊的参数可以估计装卸时间的期望值(https://club.1688.com/article/58832562.htm网站). 与双吊具码头起重机一样，集装箱卡车停在码头起重机下面的确切位置后，需要花费大量时间重新定位，以便将集装箱与吊具连接起来。这种调整降低了双吊具码头起重机的效率。双吊具码头起重机的理论装卸时间应为单吊具码头起重机的一半，但双吊具码头和往返双吊具轨道龙门起重机的实际装卸时间均为单吊具码头起重机的5/7（Ran（2016））。方差为1（Tao（Tao））。
t111、t112、t113表示从V1元件到V2元件的时间段：t111表示从v11到v12的时间段，表示AGV上4个标准箱的装卸时间；t112表示从v11到v22的时间段，表示单台ULV上4个标准箱的装卸时间段；t113是从v11到v23的时间，表示在组ULV上装载/卸载4TEUs的持续时间。t211、t212、t221、t222、t231和t232代表从V2元素到V3元素的时间段：t211和t212代表AGV穿越地下隧道的时间；t221和t222代表单个ULV穿越地下隧道的时间；t231和t232表示超轻型车辆通过地下隧道的持续时间。t311、t312、t321、t322为V3要素到V4要素的时间段：t311为通过缓冲区而不拓宽车道的竖井出口的行驶时长；t312为通过缓冲区而不拓宽车道的
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