Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1532
Main Title: Einsatzplanung von Fahrerlosen Transportsystemen in Seehafen-Containerterminals
Translated Title: Dispatching automated guided vehicle systems in seaport container terminals
Author(s): Lehmann, Matthias
Advisor(s): Günther, Hans-Otto
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Zuge der allgemeinen Globalisierung kam es im letzten Jahrzehnt zu einem starken Anwachsen des Welthandels und insbesondere des Transportaufkommens von in Containern beförderten Gütern. Eine drastische Erhöhung der Kapazitäten von Containerschiffen und Seehafen-Containerterminals waren die Folge. Inzwischen sind viele Terminals an ihren Kapazitätsgrenzen angekommen, so dass deren Umschlagszahlen auf andere Weise erhöht werden müssen. In den letzten Jahren hat daher ein Trend zu einer zunehmenden Automatisierung der Terminals eingesetzt. Besonders deutlich ist diese Entwicklung bei jenen Geräten zu beobachten, die für den Horizontaltransport der Container zwischen der Kaimauer und den Lagerblöcken verwendet werden. Während die seeseitigen Containerbrücken und die Lagerkräne zumindest noch teilweise manuell gesteuert werden, sind für den Horizontaltransport vollständig automatisierte Fahrzeuge – so genannte Fahrerlose Transportsysteme – immer attraktiver geworden. Der Einsatz dieser Fahrerlosen Transportfahrzeuge (englisch: automated guided vehicles – AGVs) in Containerterminals erfordert ausgereifte Planungs- und Steuerungsverfahren, die den besonderen Anforderungen der Hafenumgebung Rechnung tragen. Diesem Bedarf konnte die bisherige Forschung nicht in ausreichendem Maße gerecht werden. Aufgrund der Besonderheiten von automatisierten Containerterminals – zum Beispiel dem Fehlen von Ein- und Ausgangspuffern – lassen sich die vorhandenen Einsatzplanungsverfahren für AGVs in Flexiblen Fertigungsumgebungen nicht einfach auf Containerhäfen übertragen. Die wenigen Untersuchungen, die sich mit der AGV-Einsatzplanung in Containerterminals befassen, gehen von sehr vereinfachten Voraussetzungen aus. So fehlt die Betrachtung von so genannten multi-load-carriern, also Fahrzeugen, die mehr als einen Standardcontainer gleichzeitig transportieren können, fast vollständig. Auch vorausschauende Planungsverfahren sowie das Verhalten der Planungsverfahren in sehr dynamischen Systemen mit stochastischen Bearbeitungszeiten waren bisher kaum Gegenstand der Untersuchungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen. Nach einer kurzen Einleitung werden in Kapitel 2 die wichtigsten Charakteristika von Containerterminals erläutert. Darüber hinaus werden andere Planungsprobleme in Containerterminals, die das Problem der Einsatzplanung teilweise tangieren, näher vorgestellt. Am Ende des Kapitels hat der Leser einen Überblick, wie ein Containerterminal aufgebaut ist, welche Prozesse dort ablaufen und in welchem Zusammenhang diese zur hier untersuchten Einsatzplanung von Fahrerlosen Transportsystemen stehen. Im Kapitel 3 wird die Problemstellung der Einsatzplanung für AGVs genauer beschrieben und in Bezug zu ähnlichen Problemen gesetzt. Darauf aufbauend wird erläutert, wie ein Modul zur Einsatzplanung in das Gesamtsystem integriert werden kann. Den Kern eines solchen Moduls bilden die Verfahren zur Einsatzplanung, die in Kapitel 4 entwickelt werden. Es entsteht eine Toolbox von Verfahren, die je nach Situation einzeln oder kombiniert eingesetzt werden können. Werden komplexere, vorausschauende Planungsverfahren verwendet, kann es im System zu einem so genannten Deadlock kommen. In einer solchen Situation bildet sich eine Gruppe aufeinander wartender Kräne und AGVs, die zur Abarbeitung ihrer Aufträge ein jeweils anderes Gerät aus dieser Gruppe benötigen, das ebenfalls blockiert ist. Die in Kapitel 4 entwickelten Verfahren zur Einsatzplanung werden daher ergänzt durch einen Ansatz zum Deadlock-Handling, der auftretende Blockaden erkennt und beseitigt. Eine genaue Schilderung dieses Verfahrens erfolgt in Kapitel 5. Da die entwickelten Verfahren nicht sofort im realen Betrieb getestet werden können, wurde ein komplexes Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe unterschiedliche Terminals unter unterschiedlichsten Bedingungen untersucht werden können. Kapitel 6 beinhaltet neben der genauen Beschreibung dieses Simulationsmodells umfangreiche Simulationsstudien zur Leistungsfähigkeit der vorgestellten Verfahren. Die abschließende Zusammenfassung und ein Ausblick komplettieren diese Arbeit.
Driven by the globalization world trade volumes and especially the amount of containerized trade have been constantly increasing during the last decade. As a consequence, the transportation capacities of container ships as well as the handling capacities of container ports have been extended considerably. In the meantime, many terminals have reached their capacity limits, so a further increase of the container turn-over must be accomplished by other means. Therefore, during the last years a trend towards a higher automation of the terminals could be observed. This development becomes particularly obvious for the equipment used to transport containers between the quay and the storage area. Whereas quay cranes and storage cranes are still operated – at least partially – by manpower, for the horizontal transport completely automated carts – so called automated guided vehicle systems – become more and more attractive. However, using automated guided vehicles (AGVs) in container terminals requires rather sophisticated methods for planning and control which take into account the specific character of a container port environment. Up to now research activities could not entirely satisfy this demand. Due to the special characteristics of container terminals, e.g. the absence of buffers between cranes and AGVs, the rich experiences with dispatching AGVs in flexible manufacturing systems cannot easily be transferred to container ports. The few investigations that actually address AGV dispatching in container terminals are based on rather simplistic assumptions. In most of them, so called multi-load-carrier, i.e. vehicles capable to transport more than one standard container at a time, are completely ignored. Similarly, look-ahead dispatching approaches are rarely considered, just as little as the performance of dispatching methods in very dynamic systems with stochastic handling times. This dissertation is designed to close this gap. After a short introduction, the main characteristics of container terminals are explained in chapter 2. Furthermore, the most important planning problems in container terminals that directly or indirectly affect the dispatching of AGVs are introduced. After reading this chapter, the reader has a main idea how a container terminal looks like, which activities take place there and in which relation they are to the dispatching of AGVs. In chapter 3 the AGV dispatching problem is described in detail and related to similar problems. Based on this description a module for AGV dispatching is developed and it is shown how this module can be integrated into the entire control system. The core of this module is constituted by the dispatching methods developed in chapter 4. A toolbox of dispatching methods is provided, each of which can be applied separately or in combination with others depending on the situation at hand. However, using complex look-ahead dispatching approaches may lead to a deadlock in the system. A deadlock situation is characterized by a set of mutually dependent cranes or AGVs each of which has to wait for another unit in this set to perform its actual task. The dispatching module is therefore complemented by a module for deadlock handling that identifies and resolves emerging deadlocks. Since new approaches usually are not tested at the real system a detailed simulation model has been developed by the help of which different terminal layouts under varying conditions can be tested. Chapter 6 comprises not only a detailed description of the simulation model but also comprehensive simulation studies concerning the performance of the individual dispatching methods in different environments. This dissertation closes with a conclusion and an outlook to remaining research questions.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14398
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1829
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1532
Exam Date: 31-Oct-2006
Issue Date: 12-Feb-2007
Date Available: 12-Feb-2007
DDC Class: 380 Handel, Kommunikation, Verkehr
Subject(s): Containerterminal
Deadlock-Handling
Einsatzplanung
Fahrerloses Transportsystem
Simulation
Automated guided vehicle system
Container terminal
Deadlock handling
Dispatching
Simulation
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