Agent-based modeling of a container terminal
Gestion multi-agents d'un terminal à conteneurs
Résumé
Nowadays, seaports seek to achieve a better massification share of their hinterland transport by promoting rail and river connections in order to more rapidly evacuate increasing container traffic shipped by sea and to avoid landside congestion. Furthermore, the attractiveness of a seaport to shipping enterprises depends not only on its reliability and nautical qualities but also on its massified hinterland connection capacity. Contrary to what has been observed in Europe, the massification share of Le Havre seaport has stagnated in recent years. To overcome this situation, Le Havre Port Authority is putting into service a multimodal hub terminal. This terminal is linked only with massified modes to a rich and dense geographical regions (Ile de France, Lyon), and with rail shuttles to the maritime terminals of Le Havre seaport. The aim of this new terminal is to restrict the intensive use of roads and to provide a river connection to its maritime terminals (MTs) that do not include a river connection from the beginning. In this study, we focus on the modeling and the simulation of container terminal operations (planning, scheduling, handling …) and particularly crane scheduling in operating areas. Designing multi-agents based simulation models for the operation management of a complex and dynamic system is often a laborious and tedious task, which requires the definition of a modeling approach in order to simplify the design process. In this way, we defined a top-down approach with several steps of specification, conception, implementation and verification-validation. This approach is an iterative process that allows the model to become more complex and more detailed. In this thesis, we pay more attention to crane scheduling problem in operating areas. For the rail-rail transshipment yard of the multimodal terminal, we designed two anti-collision strategies that aim to minimize unproductive times and moves to improve crane productivity and to speed up freight train processing. These strategies are tested using multi-method simulation software (Anylogic) and the simulation results reveal that our solutions are very satisfactory and outperform other existing solutions. With regard the fluvial yard, the stochastic version of crane scheduling problem is studied. The problem is solved with a mixed Optimization-Simulation approach, where the loading and unloading times of containers and travel times of cranes between bays are considered uncertain. The used approach is composed of an Ant Colony Optimization (ACO) metaheuristic coupled to an agent-based simulation model. Each solution (a tasks sequence) found by the optimization algorithm is simulated and evaluated to determine the new tasks’ periods which will then be injected as input to the ACO algorithm before the next iteration. The coupling is executed until the difference between the last iterations is too low.
De nos jours, les plateformes portuaires cherchent à massifier leurs capacités de projection de conteneurs vers et à partir de leurs réseaux hinterland en misant sur les modes ferroviaires et fluviaux. Cela pour évacuer plus rapidement un volume quasi croissant de conteneurs livré par voie maritime et d’éviter les situations indésirables, tels que les situations d'asphyxie. De plus, les plateformes portuaires ont pris conscience que leur attractivité aux yeux des prestataires logistiques dépend non seulement de leur fiabilité et de leurs qualités nautiques mais également de leur capacité à offrir une desserte massifiée de leur hinterland. Contrairement à ce qui a pu être observé en Europe, la part du transport massifié a quasiment stagné au Havre dans les dernières années. A cet effet, le port du Havre a mis en place un terminal multimodal de conteneurs lié par rail et par voie navigable à un hinterland riche et dense en population (Bassin parisien, Marchés européens), et par des navettes ferroviaires aux autres terminaux maritimes du port Havre. L’intérêt économique et stratégique de ce nouveau terminal est de renforcer la position du Grand Port Maritime du Havre au niveau national, européen et mondial, et d’un point de vue écologique, diminuer l’utilisation excessive du routier en misant sur les modes moins polluants. Dans cette thèse, les efforts se focalisent sur la modélisation et la simulation du déroulement des opérations de manutention et d’allocation de ressources dans un terminal à conteneurs et particulièrement l’ordonnancement des portiques de manutention. Étant donné qu’un terminal à conteneurs est un système complexe, nous avons d’abord défini une démarche de modélisation qui facilite le processus de construction du modèle de simulation. Cette démarche est un processus itératif permettant de raffiner le modèle au fur et à mesure des étapes de développement réalisées. Les différentes étapes de développement sont liées par une série de diagrammes qui permet d’exprimer de façon claire les éléments et les relations formant le modèle de simulation. Ensuite, nous avons intégré dans notre modèle deux stratégies de non-croisement de portiques au niveau de la cour ferroviaire du terminal multimodal. Le but de ces stratégies est la minimisation des temps et des mouvements improductifs pour améliorer la performance et la productivité des portiques de manutention. La première stratégie est basée sur des règles de mouvement et sur la collaboration et coopération entre agents portiques. Tandis que la deuxième stratégie est basée sur une heuristique. Ces deux solutions ont été testées en utilisant l’outil de simulation AnyLogic et les résultats obtenus montrent la qualité de nos solutions. Concernant le problème d’ordonnancement des portiques de la cour fluviale, nous l’avons étudié en utilisant un couplage Optimisation-Simulation. Dans ce problème les temps de chargement et de déchargement de conteneurs et les temps de déplacement des portiques entre les baies sont considérés comme incertains. Le couplage est composé d’une méta-heuristique colonie de fourmis et d’un modèle de simulation à base d’agents. Chaque solution (une séquence de tâches) trouvée par l’algorithme d'optimisation est simulée et évaluée pour déterminer les nouvelles durées des tâches qui seront ensuite injectées comme données d’entrée de l’algorithme avant l’itération suivante.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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