Optimierung von automatischen Lagerkransystemen auf Containerterminals (eBook)

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.

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