Koordination interdependenter Planungssysteme in der Logistik: Einsatz multiagentenbasierter Simulation im Planungsprozess von Container-Terminals im Hafen
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Format: | Abschlussarbeit Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Gabler
2008
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Ausgabe: | 1. Aufl. |
Schriftenreihe: | Gabler Edition Wissenschaft
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adam_text | Inhaltsüberblick____________________________________________________________IX
Inhaltsüberblick
Geleitwort........................................................................................................................V
Vorwort..........................................................................................................................VII
Inhaltsüberblick............................................................................................................IX
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................XI
Abbildungsverzeichnts................................................................................................XV
Tabellenverzeichnis..................................................................................................XIX
Abkürzungsverzeichnis.............................................................................................XXI
1 Einleitung......................................................................................................................1
2 Grundlagen logistischer Systeme und Prozesse................................................9
3 Planung in Container-Terminals..........................................................................61
4 Leistung und Grenzen bestehender CT-Modelle............................................141
5 entw icklu.ng eines multiagentenbasierten modells zur ct-
prozesskoordination..............................................................................................157
6 Koordinationdes Planungsprozesses inContainer-Terminals..................183
7 Schlussbetrachtung...............................................................................................229
Anhang.............................................................................................................................233
Literaturverzeichnis..................................................................................................253
Inhaltsverzeichnis__________________________________________________________XI
Inhaltsverzeichnis
Geleitwort........................................................................................................................V
Vorwort..........................................................................................................................VII
IiNHALTSÜBERBLICK............................................................................................................IX
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................XI
Abbildlngsverzeichnts................................................................................................XV
Tabellenverzeichnis..................................................................................................XIX
Abkürzungsverzeichnis.............................................................................................XXI
1 Einleitung......................................................................................................................1
1.1 Motivation und Problemstellung............................................................................1
1.2 Zielsetzung................................................................................................................4
1.3 Methodik und Aufbau der Arbeit..........................................................................6
2 Grundlagen logistischer Systeme und Prozesse................................................9
2.1 Kennzeichen der Logistik.......................................................................................9
2.1.1 Einordnung in die Betriebswirtschaftslehre...................................................9
2.1.2 Funktionen und Ziele...................................................................................12
2.1.3 Systemtheoretische Grundlagen...................................................................16
2.2 Modellierung und Optimierung...........................................................................17
2.2.1 Modellgestützte Planung..............................................................................18
2.2.2 Klassifizierung relevanter Methoden des Operations Research...................22
2.2.3 Optimierung.................................................................................................25
2.2.3.1 Prioritätsregeln...............................................................................25
2.2.3.2 Greedy-Verfahren..........................................................................27
2.2.3.3 Metaheuristiken..............................................................................28
2.2.3.3.1 Allgemeine Kennzeichen...............................................28
2.2.3.3.2 Genetische Algorithmen................................................29
2.2.3.3.3 Particle Swarm Optimization........................................32
2.2.3.3.4 Simulated Annealing.....................................................34
XII__________________________________________________________Inhaltsverzeichnis
2.2.3.3.5 Weitere Metaheuristiken................................................37
2.2.3.4 Branch and Bound-Verfahren........................................................38
2.2.3.5 Hybride Verfahren.........................................................................40
2.2.3.6 Kommerzielle Optimierungstools..................................................41
2.2.4 Simulation....................................................................................................41
2.2.4.1 Grundlagen der Simulation............................................................42
2.2.4.2 Position der Simulation in der Logistik.........................................42
2.2.4.3 Anforderungen an eine Simulationssprache...................................43
2.3 Koordination betrieblicher Entscheidungen.......................................................44
2.3.1 Defekte Strukturen in Planungssystemen.....................................................44
2.3.2 Koordinationsbedarf.....................................................................................47
2.3.3 Klassische Koordinationsinstrumente..........................................................49
2.3.3.1 Simultanplanung............................................................................49
2.3.3.2 Sukzessivplanung...........................................................................49
2.3.3.3 Retrograde/ progressive Planung und Gegenstromverfahren........50
2.3.3.4 Rollende Planung...........................................................................51
2.3.3.5 Alternative Betrachtungsperspektive.............................................52
2.4 Einsatz von Multiagentensystemen......................................................................55
2.4.1 Grundlagen...................................................................................................55
2.4.2 Koordination und Zusammenarbeit..............................................................57
3 Planung in Container-Terminals...........................................................................61
3.1 Grundlagen.............................................................................................................61
3.1.1 Einordnung in die Logistik...........................................................................61
3.1.2 Entwicklung..................................................................................................67
3.1.3 CT-Struktur und -Prozesse...........................................................................71
3.1.4 Umschlag-und Flurfordergeräte..................................................................73
3.2 Analyse von Modellen in Container-Terminal-Problemstellungen..................79
3.2.1 Überblick......................................................................................................80
3.2.2 Liegeplatzplanung (Berth Allocation Problem)...........................................81
3.2.2.1 Ansätze in der Literatur..................................................................81
3.2.2.2 Berth Allocation Problem nach Guan und Cheung.....................88
3.2.2.3 Annahmen und Kritik.....................................................................92
3.2.3 Containerbrückeneinsatzplanung (Crane Scheduling Problem)...................93
3.2.3.1 Ansätze in der Literatur..................................................................94
3.2.3.2 Crane Scheduling Problem nach Zhu und Lim...........................100
3.2.3.3 Annahmen und Kritik...................................................................105
3.2.4 Yardorganisation (Storage Space Allocation und Location Assignment).. 107
3.2.4.1 Ansätze in der Literatur................................................................107
3.2.4.2 Storage Location Problem nach Zhang et al............................117
Inhaltsverzeichnis __________________________________________________xill
3.2.4.3 Annahmen und Kritik..................................................................127
3.2.5 Transportplanung (Vehicle Dispatching Problem)....................................127
3.2.5.1 Ansätze in der Literatur................................................................127
3.2.5.2 Vehicle Dispatching Problem nach Böse et al..........................129
3.2.5.3 Annahmen und Kritik..................................................................133
3.2.6 Weitere Planungssysteme und -ansätze.....................................................134
3.3 Interdependenzen................................................................................................136
4 Leistung und Grenzen bestehender CT-Modelle............................................141
4.1 Zusammenfassung wesentlicher Trends............................................................141
4.2 Leistung und Grenzen isolierter Modelle..........................................................143
4.3 Implikationen.......................................................................................................150
5 Entwicklung eines multiagentenbasierten Modells zur CT-
Prozesskoordination..............................................................................................157
5.1 Das Container-Terminal Management Problem (CTMP)..............................157
5.1.1 Modellbeschreibung und -architektur........................................................157
5.1.2 Definition eines Zielsystems im CT-Modell..............................................165
5.1.2.1 Klassifizierung von Zielen...........................................................165
5.1.2.2 Übergreifende Ziele des Modells.................................................168
5.1.2.3 Konkurrierende Zielsetzungen.....................................................171
5.1.3 Modellkritik................................................................................................173
5.2 Technische Realisierung.....................................................................................175
5.2.1 Java.............................................................................................................175
5.2.2 JADE und Ontologien................................................................................176
5.2.3 Protege........................................................................................................179
5.2.4 Extensible Markup Language (XML)........................................................180
5.2.5 Unterstützende Tools.................................................................................181
6 Koordination des Planungsprozesses in Container-Terminals..................183
6.1 Experimenteller Aufbau und Durchführung....................................................183
6.1.1 Methoden-und Parameteranalyse in isolierter Umgebung........................184
6.1.1.1 Analyse von Methoden zur Lösung des BAP..............................184
6.1.1.2 Analyse von BAP-Parametern.....................................................190
6.1.1.3 Analyse von Methoden zur Lösung des CSP...............................196
6.1.1.4 Analyse von CSP-Parametem......................................................201
6.1.1.5 Analyse von Methoden zur Lösung des SLP...............................205
6.1.1.6 Analyse von SLP-Parametern......................................................207
6.1.2 Analyse von Koordinationsinstrumenten in MAS-Umgebung..................210
6.1.2.1 Untersuchung von Teilmengen des CTMP..................................211
XIV__________________________________________________________Inhaltsverzeichnis
6.1.2.1.1 Koordination von BAP und CSP.................................211
6.1.2.1.2 Koordination von BAP und SLP.................................217
6.1.2.2 Untersuchung des CTMP.............................................................220
6.1.2.2.1 Sequenzielle Koordination als Benchmark..................220
6.1.2.2.2 Multiagentenbasierte Koordination.............................222
6.2 Übertragbarkeit und Interpretation der Ergebnisse........................................225
6.3 Erweiterbarkeit und Modellkritik.....................................................................227
7 Schlussbetrachtung...............................................................................................229
Anhang.............................................................................................................................233
AI: Konstruktive Verfahren und lokale Suche........................................................233
A2: CSP-Eröffnungsheuristiken................................................................................234
A3: CSP-Nachbarschaft (SA).....................................................................................236
A4: Visualisierung von Ergebnissen isolierter Modelle...........................................238
A5: Port Model in Protege..........................................................................................240
A6: Kommunikation in JADE....................................................................................242
A7: Verwendeter Datensatz........................................................................................243
A8: Yard-Layout.........................................................................................................244
A9: XML-Daten...........................................................................................................245
A10: XML-Parameter.................................................................................................246
All: Adjazenzmatrix (aus dem Liegeplatzplan resultierend)................................251
Literaturverzeichnis..................................................................................................253
Abbildungsverzeichnis______________________________________________________XV
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1: Logistische Grundfimktionen TUIL...........................................................14
Abbildung 2-2: Netzstrukturen............................................................................................15
Abbildung 2-3: Greedy-Heuristik........................................................................................27
Abbildung 2-4: Spezifikationslevel von Heuristiken...........................................................28
Abbildung 2-5: Pseudocode evolutionärer Algorithmen.....................................................31
Abbildung 2-6: Ablauf der PSO für kombinatorische Problemstellungen..........................33
Abbildung 2-7: Akzeptanzwahrscheinlichkeiten beim SA..................................................36
Abbildung 2-8: Pseudocode des Simulated Annealing........................................................37
Abbildung 2-9: Lösungsbaum zu den Branch and Bound-Verfahren.................................39
Abbildung 2-10: Systemrelationen im statischen und dynamischen Fall............................48
Abbildung 2-11: Retrograde (a), progressive (b) und Gegenstrom-Planung (c).................50
Abbildung 2-12: Prinzip rollender Planung.........................................................................52
Abbildung 2-13: Formen der Koordination nach Adam et al...........................................52
Abbildung 2-14: Schritte des CDPS....................................................................................58
Abbildung 3-1: Klassifizierung von Terminals in Seehäfen...............................................63
Abbildung 3-2: CT-Prozess.................................................................................................72
Abbildung 3-3: Aufbau des Zwischenlagers unterschiedlicher Betriebssysteme................78
Abbildung 3-4: Entscheidungsbereiche...............................................................................80
Abbildung 3-5: Idealtypische Liegeplatzplanung mit time-space-Diagramm.....................82
Abbildung 3-6: Planung von Liegeplätzen für Containerschiffe.........................................82
Abbildung 3-7: Chromosom-Repräsentation einer BAP-Lösung für den GA von
NlSHIMURA ET AL......................................................................................84
Abbildung 3-8: Drei Terminals in Singapur........................................................................85
Abbildung 3-9: Zuordnung von Containerschiffen auf einem Zylinder (rechts) statt auf
einer Fläche (links)....................................................................................87
Abbildung 3-10: Die Lösungsprozedur von Guan und CHEUNG als Pseudocode..............91
Abbildung 3-11: Composite Heuristik von Guan und Cheung........................................92
XVI______________________________________________________Abbildungsverzeichnis
Abbildung 3-12: Vorgänger- Beziehung zwischen Jobs im CSP........................................96
Abbildung 3-13: (Q)CSP-Modellentwicklung (Kim und Park).........................................98
Abbildung 3-14: Entwicklung von CSP-Modellen (Lim et al.)........................................99
Abbildung 3-15: Bestimmung der Containerposition in dem Yard-Block, LAP..............107
Abbildung 3-16: Einfluss des Equipments auf die Lagerfähigkeit in TEU/Hektar...........109
Abbildung 3-17: Anzahl der zu im-, bzw. exportierenden Container eines bestimmten
Schiffes im Yard......................................................................................112
Abbildung 3-18: Unterschiedliche Yard-Zuordnung.........................................................113
Abbildung 3-19: Bezeichnung der Containertypen nach Zhang et al............................118
Abbildung 3-20: Auswahl einer Metrik zur Bestimmung der Distanz im CT-Modell......125
Abbildung 3-21: Darstellung des SLP...............................................................................126
Abbildung 3-22: Restriktionen für das VDP unter verschiedenen Zuordnungsstrategien. 132
Abbildung 3-23: Optimale QC-Auslastung.......................................................................133
Abbildung 5-1: Komponenten des CTMP-Modells...........................................................158
Abbildung 5-2: Black Box-Betrachtung............................................................................160
Abbildung 5-3: CTMP-Struktur.........................................................................................160
Abbildung 5-4: Konkretisierung der Planung....................................................................161
Abbildung 5-5: Architektur der Agenten im Modell.........................................................162
Abbildung 5-6: In die Terminal-Umgebung eingesetzte Agenten.....................................163
Abbildung 5-7: CT-Entity Relationship Modell (ohne Attribute).....................................164
Abbildung 5-8: Überblick behandelter Entscheidungsbereiche im Modell.......................165
Abbildung 5-9: Zieldefinition............................................................................................169
Abbildung 5-10: Zielkonflikt zwischen Transportdistanz und Wartezeit..........................171
Abbildung 6-1: BAP-Ergebnisse für GA und PSO (Boxplots).........................................188
Abbildung 6-2: Vergleich eingesetzter BAP-Methoden....................................................189
Abbildung 6-3: Variation der Kailänge.............................................................................191
Abbildung 6-4: Optimale Kailänge (S*) in Abhängigkeit von Z und k.............................194
Abbildung 6-5: Zielkonflikt BAP-Parameter (Kailänge)...................................................195
Abbildung 6-6: CSP-Ergebnisse für SA und GA (Boxplots)............................................199
Abbildungsverzeichnis____________________________________________________XVII
Abbildung 6-7: CSP Heuristiken.......................................................................................200
Abbildung 6-8: Optimierung der Eröffnungsheuristik mit SA und GA............................201
Abbildung 6-9: Variation der Anzahl eingesetzter Containerbrücken..............................202
Abbildung 6-10: Optimale Containerbrückenanzahl (m*) in Abhängigkeit von Z und k 204
Abbildung 6-11: SLP-Ergebnisse mit GA und FRE nach Murty....................................207
Abbildung 6-12: Versuchsaufbau SLP-Parameter.............................................................208
Abbildung 6-13: Variation der SLP-Parameter.................................................................209
Abbildung 6-14: Entscheidungsbaum des CTMP.............................................................210
Abbildung 6-15: Iterativer Verlauf für BAP und CSP......................................................212
Abbildung 6-16: MAS-basiertes Vorgehen für BAP und CSP..........................................214
Abbildung 6-17: Lösungsvielfalt in der Population des GA.............................................215
Abbildung 6-18: Vergleich sequenzieller, iterativer und MAS-basierter Koordination ... 217
Abbildung 6-19: Ablauf iterativer/ MAS-basierter Koordination für BAP und SLP........219
Abbildung 6-20: Sequenzielles CTMP-Ergebnis (Boxplot)..............................................221
Abbildung 6-21: MAS-basierte Koordination im CTMP..................................................222
Abbildung 6-22: Entwicklung der Zielgrößen des CTMP im Planungsprozess................224
Abbildung A-l: Greedy-Konstruktion einer TSP-Lösung (suboptimal)...........................233
Abbildung A-2: CSP-Eröffnungsheuristik(Pseudocode)..................................................235
Abbildung A-3: Erweiterte CSP-Eröffhungsheuristik (Pseudocode)................................236
Abbildung A-4: Erzeugen einer benachbarten Lösung für das CSP (NB1)......................237
Abbildung A-5: Erzeugen einer benachbarten Lösung für das CSP (NB2)......................237
Abbildung A-6: Greedy CSP-Zuordnung..........................................................................238
Abbildung A-7: Containerbrückenbewegung am Kai mit EH2.........................................239
Abbildung A-8: Yard-Auslastung im Planungszeitraum...................................................240
Abbildung A-9: Klassenhierarchie in Protege...................................................................241
Abbildung A-10: Vessel-Entity in Protege.......................................................................241
Abbildung A-l 1: Kommunikation bei sequenzieller Koordination..................................242
Abbildung A-12: Kommunikation bei MAS-basierter Koordination................................243
Abbildung A-13: Beispiel Liegeplatzzuordnung und resultierende Adjazenzmatrix........251
Tabellenverzeichnis_______________________________________________________XIX
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1-1: Containerumschlag im weltweiten Vergleich...................................................3
Tabelle 2-1: Logistikprozesse und durch sie bewirkte Gütertransformation.......................12
Tabelle 2-2: Statische Dimensionen der Systemkomplexität und Kompliziertheit.............47
Tabelle 2-3: Konzeptionen der Planungsmethodik..............................................................55
Tabelle 4-1: Untersuchung bestehender Modelle..............................................................146
Tabelle 4-2: Defektanalyse in CT-Modellen.....................................................................149
Tabelle 4-3: Experimente des MAS und Planungsebene...................................................153
Tabelle 6-1: Anzahl operierender QC für Schiffstyp (Annahme).....................................185
Tabelle 6-2: BAP-Parametereinstellungen für GA............................................................187
Tabelle 6-3: BAP-Parametereinstellungen für PSO..........................................................187
Tabelle 6-4: BAP-Ergebnisse für GA und PSO.................................................................189
Tabelle 6-5: BAP-Ergebnisse unter Variation der Kailänge.............................................191
Tabelle 6-6: Nutzen und Kosten der verlängerten Kailänge..............................................192
Tabelle 6-7: Optimale Kailänge (5*) in Abhängigkeit von Z und k..................................194
Tabelle 6-8: CSP-Parametereinstellungen für SA.............................................................198
Tabelle 6-9: CSP-Parametereinstellungen für GA.............................................................198
Tabelle 6-10: CSP-Ergebnisse für SA und GA.................................................................199
Tabelle 6-11: Fitnesswert und Standardabweichung für CSP-Parametervariation...........203
Tabelle 6-12: Kumulierte Reduktion der Aufenthaltszeit für CSP-Parametervariation.... 203
Tabelle 6-13: Optimale Containerbrückenanzahl (m*) in Abhängigkeit von Z und k......204
Tabelle 6-14: SLP-Einstellungen für GA..........................................................................206
Tabelle 6-15: Ergebnisse der iterativen Untersuchung für BAP und CSP........................213
Tabelle 6-16: Vergleich von Koordinationsmethoden zwischen BAP und CSP...............216
Tabelle 6-17: Vergleich von Koordinationsmethoden zwischen BAP und SLP...............219
Tabelle 6-18: Vergleich sequenzieller und MAS-basierter Koordination.........................223
Tabelle A-l: Verwendeter Datensatz.................................................................................244
Tabelle A-2: Yard-Layout.................................................................................................245
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