Mathematical models for maritime terminal operations
Kıyı terminali operasyonları için matematiksel modeller
- Tez No: 533945
- Danışmanlar: PROF. DR. CEYDA OĞUZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği ve İşletme Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 197
Özet
Kıyı terminalleri küresel taşımacılık ağının en önemli bileşenlerinden biridir. Öyle ki, Birleşmiş Milletler raporlarına göre dünyada gerçekleşen tüm taşımacılığın hacim olarak %80, maddi değer olarak ise %70'inden fazlası bu terminaller tarafından elleçlen-mektedir. Sürekli olarak artan işyükü, kıyı terminallerini rekabetten doğan baskıya maruz bırakmaktadır. Bu sebeple, kıyı terminallerin servis oranı ve maliyetler açısından performanslarını arttırmaları son derece önemlidir. Bu terminaller taşınan materyaller bakımından konteyner ve dökme yük terminalleri olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Bütün yüklerin standartlaşmış konteynerler ile taşındığı konteyner terminallerinden farklı olarak, dökme yük terminallerinde demir cevheri, kömür, tahıllar ve benzin türevleri gibi paketli olmayan büyük hacimlerdeki yükler elleçlenir. Kıyı terminallerinde görülen operasyonel problemler makine çizelgeleme, araç rotalama ve paketleme gibi yoğun olarak çalışılmış yöneylem araştırması problemlerinin türevleridir. Ancak terminallerin ayırt edici bazı özellikleri sebebiyle karşılaşılan problemler daha karmaşık bir yapıdadır. Bu tezde birbiriyle ilişkili üç farklı operasyonel problem üzerinde çalıştık. Bunlar rıhtım vinci atama problemi (RVAP), boşaltıcı çizelgeleme problemi (BÇP) ve bütünleşik kuru dökme yük terminali problemidir (BKDYTP). Bu problemlerin her birinde, dar boğaz ekipmanların aynı ray üzerinde çalışmaları sebebiyle ortaya çıkan ve kıyı terminallerinin en zorlaştırıcı özelliklerinden olan birbirini geçememe kısıtı karşımıza çıkmaktadır. İlk bölümde, mevcut literatürü de inceleyerek konteyner ve kuru yük terminallerine genel bir bakış ortaya koyuyoruz. Bu kısım ayrıca RVAP, BÇP ve BKDYTP için motivasyonlarımızı ve katkılarımızı da özetlemektedir. İkinci bölümde rıhtım vinci atama problemini ele almaktayız. Terminale gelen her gemilere rıhtım vinçlerini atadığımız bu problemde, bir geminin elleçleme süresi atanan rıhtım vinçlerinin sayısına bağlı olarak değişmektedir. Konteyner terminallerinde dar boğaz ekipman olan rıhtım vinçlerinin verimli kullanılması çok önemlidir. Bu doğrultuda, problemin en basit halini ele alan literatürden farklı olarak, çeşitli özellikleri de göz önüne aldık. Yaklaşımımız, gemilerin elleçleme sürelerini isabetli olarak hesaplamayı ve sonuç olarak da sistemin verimliliğini arttırmamıza imkan sağlıyor. Her konteyner terminalinde karşımıza çıkan bu operasyonel problemi bitişik atama kısıtlı şekillendirilebilir iş çizelgeleme problemi olarak tasvir ederek iş-makine atamaları bilgisini göz önüne alan zaman indisli bir formülasyon geliştirdik. Bu genişletilmiş formülasyon problemin farklı özelliklerini modellemeyi mümkün kılmasına rağmen bazı hesaplama zorluklarına sahiptir. Bu doğrultuda, oluşturduğumuz formülasyonu ayrıştırılabilir bir yapıya kavuşturmak için yardımcı karar değişkenleri kullanarak genişlettik. Sonrasında ise geliştirdiğimiz mantık tabanlı Benders ayrıştırmasını kullanarak eniyiledik. Bu çözüm yöntemi zaman indisli karar değişkenleri kullanan bir formülasyon üzerinden oluşturulduğu için büyük problem örneklerini çözmek aşırı bellek gereksinimleri sebebiyle mümkün olmamaktadır. Bu sebeple, 3. bölümde büyük problemler için alt ve üst sınırlar elde edebileceğimiz yöntemler geliştirdik. Çizelgeleme problemleri için zaman indisli formülasyonların sıkı doğrusal programlama gevşetmelerine sahip oldukları bilinmektedir. Bu sebeple, bir önceki bölümde sunduğumuz formülasyondan yola çıkarak, yan problemin polinom zamanda çözülebildiği etkili bir sütun oluşturma algoritması aracılığıyla alt sınır elde ettik. Üst sınır için ise, kısa sürede eniyiye yaklaşık değerler üreten bir kısıt programlama formülasyonu sunduk. Tezin 4. bölümünde kuru dökme yük terminalinde karşılaşılan boşaltıcı çizelgeme problemini ele aldık. Boşaltıcılar yığın olarak depolanan kuru dökme yükleri elleçler. Bir stok alanında boşaltıcılar birden fazla paralel ray üzerinde bulunabilir. Ayrıca bir ray üzerinde iki boşaltıcı makine bulunabilir ve bu durumda boşaltıcılarının birbirlerini geçmeleri engellenmelidir. Bu NP-zor problem için sezgisel yöntemler geliştirmeyi tercih ettik ve alt sınır için yay-zaman indisli bir formülasyon, en iyiye yaklaşık sonuçlar bulmak için ise kısıt programlama formülasyonu geliştirdik. Kıyı terminallerinde karşılaşılan operasyonel problemler arasında pek çok ilişki bulunmaktadır. Bu ilişkili problemleri hiyerarşik olarak çözdüğümüzde ise sıklıkla düşük verimli planlar elde ederiz. Bu sebeple, 5. bölümde, en önemli kuru dökme yük terminal operasyonları olan rıhtım atama, depo atama ve boşaltıcı çizelgeleme problemlerini bütünleşik olarak ele aldık. Bu problemler arasındaki kritik ilişkileri tespit ettikten sonra bütünleşik problemi görece daha kolay iki probleme ayırdık ve mantık tabanlı Benders ayrıştırması ile eniyiledik. Bu yöntemde ana problemi karışık-tam sayılı doğrusal programlama, yan problemi ise kısıt programlama ile çözerek bu programlama tekniklerinin birbirlerine olan avantajlarını ortaya çıkardık. Nümerik sonuçlar geliştirdiğimiz ayrıştırma yönteminin bu zorlu bütünleşik problemi iki haftalık bir planlama periyodu için kısa bir sürede çözebildiğini gösterdi. Çalışmamızı literatüre olan katkılarımızı özetlediğimiz ve gelecek araştırma imkanlarına değindiğimiz 6. bölüm ile noktaladık.
Özet (Çeviri)
Maritime terminals are the key components of global freight transportation as they handle over 80\% of global trade by volume and more than 70% of value according to United Nations. A steadily increasing workload causes maritime terminals around the world to face with a high competitive pressure. Therefore, it is essential for them to improve their performance levels in terms of service rate and costs. Maritime terminals can be classified into two based on the transported materials: container and bulk. Differently from container terminals in which standardized containers are processed, bulk terminals deal with unpackaged natural resources and agricultural products, such as iron ore, coal, grains, oil, and gas in large quantities. Operational problems observed in both classes of maritime terminals are the variants of well studied operations research problems such as machine scheduling, vehicle routing, and bin packing. However, they are more complex in nature because of the distinctive characteristics of terminals. In this dissertation, we study three different but related planning and scheduling problems of maritime terminals with a practical relevance: quay crane assignment problem (QCAP), reclaimer scheduling problem (RSP) and integrated dry bulk terminal (IDBT) problem. In each of these problems, we deal with one of the most challenging characteristics which is caused by the fact that bottleneck equipment in both classes of terminals, namely, quay cranes (QC) and reclaimers, are mounted on the same rail track, thus their movements are restricted by their respective positions over time. In the first chapter, we introduce container and bulk terminals by presenting a concise overview of their operations as well as the related literature. Within these sections, we also describe our motivations and contributions for QCAP, RSP, and IDBT problem, respectively. In Chapter 2, we study QCAP. In this problem, QCs are assigned to arriving vessels and handling time of a vessel depends on the number of assigned QCs. As QCs are the bottleneck equipment in container terminals, they need to be utilized efficiently. We study a QCAP by considering its various features, differently from the literature which deals with the simplest form of the problem. With our approach, we can estimate the vessel handling times accurately and hence improve the productivity as a result. We represent this problem as a moldable task scheduling problem with contiguous assignments, and we formulate an extended time-indexed model that additionally keeps specific task to machine information. Even though extended formulation is flexible in terms of modeling different features of the problem, it has multiple computational issues. Therefore, we develop an exact solution method by first hybridizing the formulation with a set of auxiliary variables to obtain a decomposable structure, and then implementing logic-based Benders decomposition (LBBD) with strong cuts. One limitation of this proposed method is excessive memory requirements for large instances, since it is based on a time-indexed formulation. Hence, we propose methods to derive lower and upper bounds for larger problem instances in Chapter 3. Since linear programming relaxations of time indexed formulations are known to be very tight, we developed a column generation procedure in which pricing problem can be solved in polynomial time. For an upper bound, we introduce a constraint programming model that finds near optimal solutions in a short time. In Chapter 4, we introduce the reclaimer scheduling problem. Reclaimers handle the dry bulk cargo, which is stacked as a stockpile. Reclaimers are mounted on the multiple rail tracks. If there are two reclaimers on the same rail track, then they cannot cross each other. Furthermore, a reclaimer can only handle stockpiles located adjacent to its rail track. For this strongly NP-hard problem, we opt for a heuristic approach by developing an arc-time-indexed lower bound model and constraint programming model to find near optimal solutions. There are many relations between operational problems in maritime terminals. If we solve these problems hierarchically, we often end up with plans with poor overall quality. Accordingly, in Chapter 5, we study the integrated problem dry bulk terminal operations, by considering berth allocation, yard assignment, and reclaimer scheduling operations simultaneously. After observing a key relation between problems, we decompose the problem into two easier problems and solve with a novel LBBD. In this decomposition, we model master and subproblems with mixed-integer programming and constraint programming, respectively, by exploiting the respective advantages of programming paradigms. Results show that the proposed method is able to solve considerably large instances to optimality in an acceptable time, compared to the monolithic approach. We conclude the dissertation with Chapter 6 in which we present a concise overview of our contributions and discuss future research directions.
Benzer Tezler
- Design, modeling and control of a satcom on-the-move antenna terminal
Mobil RF uydu haberleşme anten terminalinin tasarımı modellenmesi ve kontrolü
İLİM KARAÇAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAİF TUNA BALKAN
- Optimization and simulation models for efficient port container terminal management
Efektif konteyner terminali yönetiminde en iyileme ve benzetim modelleri
EVRİM URSAVAŞ GÜLDOĞAN
Doktora
İngilizce
2010
Ulaşımİzmir Ekonomi Üniversitesiİşletme Yönetimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN ADA
- Ro-Ro gemi operasyonlarında optimizasyon modeli
Optimization model in Ro-Ro vessel operations
BERK MERCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDenizcilik Çalışmaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BAYRAM BARIŞ KIZILSAÇ
PROF. DR. DİLAY ÇELEBİ GONIDIS
- Association rule mining for identifying factors in dynamic positioning incidents and accidents
Dinamik konumlandırma kazalarına ait faktörlerin birliktelik kural madenciliği ile tanımlanması
TUĞFAN ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2024
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. PELİN BOLAT
- Kentiçi ulaşımında otobüs öncelikli sistemler ve İstanbul'da Taksim-Zincirlikuyu otobüs yoluna model uygulaması
Bus priority systems in urban transportation and application of a model study to Taksim-Zincirlikuyu bus lane in İstanbul
BERRİN KIBRISLI