新型自动化集装箱码头设计模拟研究
摘要——在这篇文章中，我们设计、分析和评估一种新型自动化集装箱码头（ACT），即基于轨道交通的ACT。为了分析它的性能，我们基于参数化设计思路构建了一个详细的模拟系统。两种不同的基于微型轨道交通的ACT模拟模型被规划出来，在其中要么应用跨运车(SCs)，要么应用采用升降装置的自动引导小车(lift-AGV)，并进行仿真实验。结果指出，如果装备了轨道交通系统，传统的ACTs性能将得到提高，而且，配备SCs的基于轨道交通的ACT性能要高于配备lift-AGV。
I引言
A 研究背景
相比于传统的自动化集装箱码头，自动化集装箱码头（ACT）效率更高且更加稳定。另外，劳动力成本和人身伤害事故也会减少，而且它也更加环保。Liu等[3]提出了四种不同的ACT概念，开发了一个模拟模型来评估性能。在他们的结果中，发现基于自动导向车辆（AGV）的ACT是发现是最有效的。其实基于AGV的ACT的伟大的应用价值在过去已被证实。在大多数现存的ACTs中，跨运车（SCs）和AGVs已经被装备了。随着SCs和AGVs的升级，自动跨运车（ASC）和lift-AGV已经被证实是有效的，并在未来几年内将被雇用。码头区运输系统的发展改善了ACT的运营效率。露天操作系统是传统ACT的瓶颈。在大多数ACTs中，一方面垂直堆场布置会增加土地利用率，另一方面也减少了搬运设备的数量。然而，在垂直堆场区域，所有的处理操作，包括运输操作都是由两台起重机（YCs）完成的。与此同时，处于同一区域的两台YCs不能相互穿越。这意味着大多数容器需要在码头由YCs传递。第二章会进行更多的说明。
考虑到这一点，我们提出了一种带有轨道梭车线路的新型ACT，它有两个运输平台，并且堆场的每一边都有一辆穿梭小车。在这个新设计中，集装箱不需要再堆场中传递，所有的起重机将在船舶装卸作业中合作运作，它将大大提高堆场的作业性能。
对于一个ACT来说，考虑到一个新设计的风险，我们需要大量的投资。由于设施的大小和设备的复杂性，在一个特定的布局和配置中，码头将会怎样运转是很难预测的[1]。因此，对于新设计，ACT的模拟变得越来越重要。在模拟和模拟（M＆S）学科中，两个重要的质量特征非常难以实现，即可重用性和可组合性（R＆C）[2]。因此，ACT的设计和评估需要一个能够快速创建不同仿真模型的仿真系统。
在本文中，一个基于参数化设计思想的仿真系统被详细构建了出来，这将足够方便地创建不同的模拟模式。在模拟系统中我们也应用了具有详细设备调度和容器分配规划的多智能系统。与现有文献中描述的模拟模型相比，一些控制逻辑可以通过参数仿真系统和规划代理人进行自定义，MAS中使用的服务代理可以使仿真系统更灵活地用于不同的计划方法。
B 文献综述
有很多论文描述了集装箱码头的设计和运行，其中包括ACT。以前的出版物建议，模拟技术对于集装箱码头的研究很重要。
集装箱码头模拟技术的发展是学术论文的重要课题。Bruzzone等人 [5]使用模拟实验来分析新概念在集装箱码头中的影响。Veeke和Ottjes [6]提出了一个集装箱码头的模拟模型，使用TOMAS作为一个模拟工具编程库，这是专门为集装箱码头和其他物流环境开发的。Duinkerken等 [7]通过将复杂模型分解为通信小型子模型的分布式结构，提出了一种分布式仿真模型。Boer和Saanen [8]引入了一种测试和开发终端操作系统（TOS）以及在虚拟终端上训练运营商的方法。模拟硬件和TOS的组合被称为“仿真”。Lee 等人[4]提出了自动布局生成程序，根据用户提供的输入参数自动生成仿真模型。Sun等人[9]引入了一个名为Micro Port的一体化仿真平台，旨在帮助开发一个综合灵活的建模系统来评估不同设计的港口集装箱运营的运营能力和效率。在Sun等人的工作中[10]，开发了一个综合模拟框架，以便于集成多个泊位和码头的大型集装箱码头配置的设计和评估。Bruzzone和Longo [11]在三维虚拟环境中重新设计了先进的高级建筑模拟器联合体（使用模拟的海洋港口训练培训），他们提出了TRAINPORTS架构，描述了联盟开发过程，并讨论了模拟器操作模式，以及确认和批准问题。
根据实验模拟模型，它可以分为：微观模型和模棱镜模型。在这种情况下，微观（可操作）模型侧重于机器人的行为和基础设施的控制，试图复制系统的动态。另一方面，宏观（战略）模型由于基于聚合信息[1]而具有较低的净值。
在早期研究中，许多宏观模拟模型为设计或操作策略被开发了出来。Ottjes 等人 [12]研究了在鹿特丹港口航行集装箱码头的模拟调查中使用的模拟模型的结构，操作，要求输入的数据和输出的模拟模型，目标是缩短船只的周转时间，提高集装箱转运的效率。Yun和Choi [13]提出了一种SIMPLE 和面向对象仿真软件的集装箱码头系统分析仿真模型。 这篇文章的分析包括集装箱处理，集装箱运输和设备控制。Demirci [14]使用模拟来分析集装箱码头的瓶颈点，并提出了投资策略来提高性能。Ottjes 等人[15]为多终端系统的设计和评估制定了通用仿真模型结构。 他们将其建模方法应用于Rotterdamportarea的现有和未来终端。其结果揭示了深海码头长度，存储容量和运输设备的要求。Lee 等人[16]分析了两个不同的运输车辆（即原动机和SC）的类型以及ACT中的两种不同类型的布局。 结果表明，采用底盘通道有助于提升原动机和起重机的总起重率，当港口采用SC时，改进情况更为突出。
近年来，越来越多的微观模拟模型已经被提了出来。Liu 等人[3]设计，分析和评估了四种不同的ACT概念，他们在模拟中建立了微观模型和详细的AGV控制方法。Ha 等人[17]提出了一种基于Plant Simulation的三维实时可视化容器终端仿真模型，该模拟是一种用于仿真建模和执行的商业工具。Angeloudis和Bell [18]研究了各种不确定条件下集装箱码头AGV的工作任务，值得一提的是，模拟器“Limen”被用于研究。仿真实验结果表明，所提出的技术优于启发式和替代算法。Legato等人[19]描述了建模和模拟内务处理流程的经验，以及将有关的模拟工具集成到意大利Gioia Tauro港的Medcenter集装箱码头SpA上的现有的管理系统，分析终端操作并识别潜在的瓶颈资源。Kulak等人 [20]发展了模拟模型。该模型旨在为将来发展的配置和操作控制系统打下坚实的基础，该系统用于土耳其最大的集装箱码头。
II. 基于轨道交通的ACT
传统的ACT由泊位和码头起重机（QC），水平运输车辆，码头，码头运输，堆垛机（例如YC），门和车道组成。在典型的ACT中有五种操作类型，包括卸货操作，装载操作，交付操作，接收操作和管理操作。传统ACT的典型布局如图1所示。
五项工作的功能如下：
卸货操作是利用QCs把集装箱从集装箱船中卸下，然后，水平运输车辆将集装箱从码头转移到堆场。最后，YC在码头末端取下集装箱，然后将货箱转移堆放在堆场里。这些是（1）和（2）的过程，如图1所示。
装载操作使用YC从堆场拾取集装箱，然后，YC将集装箱转运到堆场的前端。水平运输车辆将集装箱从堆场转移到码头，最后，QC将集装箱装入集装箱船舶中。这是程序（1）和（2）的相反过程，如图1所示。
交付操作使用YC从堆场中取出集装箱。然后，YC将在堆场末端将集装箱转移到外部车辆。最后，外部车辆将集装箱运出集装箱码头。这些是图3所示的程序（3）和（4）。
接收操作使用YC从外部车辆接收集装箱，并且YC将在堆场中传送和堆放集装箱。这是程序（3）和（4）的相反过程，如图3所示。
管理操作安排堆场中集装箱的存储。首先，它将结束相同堆场中YCs的集装箱传递，在此操作期间，一些存储位置将被保留用于其他分配计划。最后，它将最小化加载和传送操作中的重新处理。这些是程序（5）和（6），如图1所示。
目前，ACT中码头的运输和堆垛工作主要由YC进行，因为堆场使用两个YC，结果是它们不能相互交叉。进口或出口集装箱必须在堆场中转发。
堆场中的集装箱转运如图2所示。对于大多数传统的ACTs，集装箱在装货和卸货操作期间由YCs在货场和运输区之间转运。这是程序（1），如图2所示。为确保高性能，集装箱运输过程中堆场集装箱的装卸位置将分配在运输区附近。YCs A 和B之间的转运如图2所示，它将在休闲时间内完成。在运送或接收操作中，集装箱将由YCs在搬运区和堆场之间运输。大多数时候，交付和接收地点将被分配到接近处理区，这是程序（3）的一部分，如图2 所示。集装箱在堆场的转运增强了船只处理操作性能，但会导致YCs的过度劳累和更多的再处理操作。另一方面，由于堆场里的水平运输将由YC执行，所以在高速运送的情况下，YC将主要移动很长的距离，同时携带重的集装箱，因此，这将大大增加能源消耗。
为了解决这个问题，带有两个运输平台的轨道梭车线路和堆场两侧各一个穿梭小车应用于这种新型的基于轨道运输的ACT设计，为了方便码头侧的运输车辆和铁路穿梭车道的转运平台之间的握手，两台运输车辆，即一台SC和一台ligt-AGV，已经被采用，因为他们可以自己从平台或转运区提升或卸下集装箱。在堆场末端，由于成本低，维护方便，架空桥式起重机（OHBC）用于服务外部车辆，使得YC可以集中在堆垛操作，而不会在中间。基于轨道运输的ACT的码头的新设计如图3所示。
在基于轨道交通工具的ACT中，lift-AGV或SC可以从码头前方的转运平台或转运区域放置或检索集装箱。轨道穿梭车道中的穿梭小车将转运运输平台两端（陆地侧，过境平台位于OHBC下）和堆场任意位置之间的集装箱。这些程序（1）和（2），如图3所示。集装箱是分组分配的，同一组的集装县被分配在相邻的贝位。轨道穿梭车道上的穿梭车将YCs从堆场区域的水平运输中解放出来，而基于轨道交通工具的YCs则将集中在该区块的堆垛操作中。另外，每个堆场中的两条铁路穿梭车道设计用于确保YC A和YC B（如图3所示）在船舶搬运作业期间共同工作，这将大大影响堆场的运行性能。因为集装箱可以处在堆场里的任何位置，集装箱的转运变得不必要了。换句话说，它将减少YCs的工作量和堆场内的再处理操作次数。同时，传统ACT中的水平运输设备YC被更轻，更灵活的轨道穿梭载体所取代，有助于降低能量消耗。对于陆地方面，OHBC将加载/卸载集装箱往返于外部车辆。轨道穿梭载体的有效牵引如图4所示。
III. 仿真模型
本文采用Plant Simulation（通用仿真工具）开发集装箱码头仿真系统。此外，我们已经建立了两种不同的基于轨道交通工具的ACT模拟模型，其中分别采用SC和lift-AGV。
参数化设计思想用于初始化仿真模型。这样可以方便地进行不同的测试实验。如图5所示，将几何参数和传感器位置通过控制传感器输入到初始布局。在该布局中，所有可移动实体（例如，YC）将由每个定制的控制传感器控制。至于定制的设备，设备设置（例如，行驶速度）和控制逻辑（例如如何找到下一个任务）被设计为设备的属性。还可以定制其他设置，例如船只类型，到达船舶和外部卡车的规格。
仿真模型的布局如图6所示。
1）QC控制逻辑：当QC分配给一个到来的船，工作位置将取决于在泊位的位置和船的长度。QC移动到指定地点，然后几个SC和lift-AGV处理集装箱的工作地点被创造出来。另外，QC的卸货和装货任务列表将被建立。当所有的任务都完成了，QC就会被释放出来去服务另一条船，而且所有的工作地点将会被删除。
2）SC and Lift-AGV控制逻辑：对于lift-AGVs，需要在码头方面与QC进行合作。然而，SCC可以独立于QC来对容器进行装载和卸载。在堆场的前部，当lift-AGVs被通过，AGV伴侣将在相同的时间使用（参见图7），并且AGV和SCS都可以自行加载和卸载集装箱。
图8显示了SC的控制逻辑。对于lift-AGV和SC来说有两种不同的类型的任务，即装载任务和卸载任务。装载任务是从堆场工作点接收出口集装箱，其位于图3的转运平台或转运区。然后，SC将集装箱运送到目标QC下的工作轨道上的工作点，如图6所示。卸载任务是将进口集装箱从目标QC下的工作点运到堆场工作点。
Lift-AGV的控制逻辑类似于SC的逻辑。不同之处在于当lift-AGV负载或在QC下卸载需要握手。这意味着当lift-AGV到达目标QC时，它将等待直到工作点空闲，并且QC准备好装载或卸载集装箱。
3）穿梭小车控制逻辑：当任务分配给穿梭小车时，它将根据其任务列表中任务的重要性开始工作。穿梭小车有五种类型的任务：装载任务，卸货任务，传递任务，接收任务和管理任务。装载和卸载任务在转运区和YCs之间转运集装箱。传递和接受任务是在处理区和YCs之间运输集装箱。管理任务是在YC A和YC B之间运输集装箱。
4）YC控制逻辑：当任务分配给YC时，它也将根据任务清单中任务的重要性开始工作。YCs和穿梭小车一起完成堆场中大多数工作。然而，当集装箱的位置和转运平台离的很近时（小于30米），YC将自己完成堆场和转运区之间的集装箱运输工作。
开发微观模拟模型的决策系统是复杂的，MAS能够通过将复杂问题分解成较小的可管理问题来简化复杂问题，以减少复杂程度。在Sun等人的工作中[9]，在端口仿真系统的应用层采用了MAS。然而，在[9]中，规划方法与MAS是独立的。在他们的MAS中的代理对象是实体，在一些集装箱码头作业研究中[22]，[23]，规划方法被设计为MAS中的代理对象。然而，研究的目的是为了提高一些部分的运行
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