Capitolo 10

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Capitolo 10

Corso di
Gestione dei sistemi di trasporto
Cap. 10
Pianificazione e ottimizzazione di
terminal container
S. Sacone, S. Siri - DIST
Introduzione
Î
Negli ultimi anni si è fatta sempre più pressante l’esigenza di applicare
tecniche di ricerca operativa o di simulazione per la pianificazione
delle operazioni di movimentazione nei terminal container (soprattutto
in quelli di grandi dimensioni)
Î
Gli sforzi maggiori sono stati rivolti alla pianificazione operativa,
operativa al
fine di incrementare l’efficienza e la produttività del terminal (inteso
come collo di bottiglia della catena logistica)
Î
Nuove opportunità di ricerca sono legate alla definizione di modelli
per la pianificazione tattica e strategica dei terminal
Î
D’altra parte lo sviluppo tecnologico e la spinta verso l’automazione
dei terminal comportano la necessità di tecniche di controllo e
decisioni in tempo reale
2
Introduzione
Le caratteristiche dei terminal container richiedono ottimizzazioni e
decisioni on-line (in real time), poiché i dati di input, che vengono
comunicati in anticipato, sono sempre soggetti a disturbi esterni e quindi
risultano certi solo su un orizzonte di pianificazione molto piccolo:
Î
l’istante esatto di arrivo dei camion e dei treni non è mai prevedibile a
priori
Î
i dati relativi ai container sono comunicati in anticipo ma devono
sempre essere verificati quando i container arrivano nel terminal (es.
guasti)
Î
nonostante i dati relativi alla posizione dei container sulla nave siano
noti a priori e la fase di scarico sia pianificata in anticipo, i gruisti
possono variare la sequenza dei container da scaricare in base ad
aspetti legati alla stabilità della nave
3
Introduzione
Î
Le principali operazioni di movimentazione in un terminal riguardano
carico/scarico di navi, carico/scarico di camion e treni, stoccaggio nel
piazzale, interconnessione interna
Î
Una risorsa molto importante del terminal è lo spazio in banchina: per
ogni nave occorre assegnare una slot temporale in cui attraccare e
un’allocazione in banchina (berth scheduling – berth allocation)
allocation
Î
Un altro aspetto chiave è l’assegnazione delle gru di banchina alle navi
(quay-crane allocation – crane split)
split
Î
Un altro aspetto decisionale consiste nella definizione della sequenza
di container da caricare e scaricare e nella determinazione della loro
posizione ottima sulla nave (stowage planning e stowage sequencing)
sequencing
Î
Problemi analoghi ma più semplici si hanno per quanto riguarda il
carico/scarico dei treni
4
Introduzione
Î
Riguardo al piazzale, un aspetto decisionale fondamentale consiste nel
determinare dove e come posizionare i container (space-allocation),
allocation al
fine di ottimizzare la produttività delle operazioni di carico e scarico
della nave
Î
Per l’efficiente gestione del piazzale, occorre inoltre ottimizzare le
operazioni di movimentazione, ottimizzando l’assegnazione dei task ai
diversi sistemi di movimentazione (equipment-assignment process)
process
Î
Altre problematiche riguardano tutte le operazioni di connessione tra i
diversi sottosistemi del terminal, quay-side (collegamento tra banchina
e piazzale, …) e land-side (collegamento tra terminale ferroviario e
piazzale, …)
5
Pianificazione strategica
Nella pianificazione strategica di terminal container (pianificazione di un
nuovo terminal o modifiche significative ad un terminal esistente) occorre
decidere:
Î il numero di accosti in banchina: se tale numero aumenta, aumentano
i costi di costruzione ed i costi operativi, ma diminuiscono i tempi di
attesa delle navi
Î il numero di gru di banchina: è uno degli aspetti più importanti di
dimensionamento dei porti, dato l’elevato costo di acquisto di tali gru;
all’aumentare del numero di gru, aumenta la produttività della
banchina ma ad un tasso di crescita decrescente (interferenza tra gru
vicine)
Î la dimensione del piazzale (se lo spazio nel piazzale diminuisce,
diminuiscono i costi di struttura, ma occorre aumentare i tiri,
diminuendo quindi la produttività)
Î il tipo ed il numero di mezzi di movimentazione
6
Pianificazione strategica
Per la pianificazione strategica gli approcci più utilizzati sono:
Î
approcci basati su modelli di ottimizzazione (teoria delle code, approcci
probabilistici, programmazione non lineare), applicati al fine di
determinare ad esempio il numero ottimo di accosti in banchina, il
numero ottimo di gru di banchina, il numero minimo di mezzi per
effettuare determinate operazioni di movimentazione, …
Î
modelli di simulazione ad eventi discreti,
discreti utilizzati per confrontare
diversi scenari (layout, mezzi di movimentazione), valutando
l’efficienza, i costi ed altri parametri di performance del sistema
7
Pianificazione operativa: berth scheduling
Berth scheduling – berth allocation:
allocation
Î
l’obiettivo è allocare una slot temporale ed uno spazio in banchina per
ogni nave in arrivo
Î
gli arrivi delle navi più grandi sono previsti anche con un anno di
anticipo (attraverso sistemi EDI)
Î
l’allocazione degli spazi in banchina si fa in genere circa 2 o 3
settimane prima dell’arrivo della nave
Il problema di berth scheduling è strettamente correlato al problema di
quay-crane allocation, ossia di assegnazione delle gru alle navi (la slot
temporale da assegnare alla nave dipende da quante gru sono assegnate
alla nave stessa)
La maggior parte dei modelli proposti in letteratura affrontano i due
problemi separatamente (a causa della complessità computazionale)
8
Pianificazione operativa: berth scheduling
Î
Un possibile approccio per il problema di berth allocation consiste
nella formulazione di un problema di Multi-depot VRPTW (in cui le
navi sono viste come clienti e gli accosti in banchina come depositi)
Î
Si tratta di un problema MIP
Î
La funzione obiettivo consiste nella minimizzazione di una somma
pesata dei tempi di servizio delle varie navi
Î
Modelli più complessi considerano la banchina come una risorsa
continua, con l’obiettivo di massimizzare il thoughput oppure
minimizzare i ritardi delle navi (in questo caso il problema è associato
ad uno spazio bidimensionale, i cui assi corrispondono allo spazio e al
tempo)
Î
Per l’applicazione a casi reali di tutti questi problemi, vengono sempre
definite opportune tecniche euristiche di risoluzione
9
Pianificazione operativa: quay
-crane scheduling
quay-crane
Crane split – quay-crane scheduling:
scheduling
Î
l’obiettivo è allocare le gru di banchina alle navi ed alle sezioni delle
navi e decidere con quale ordine lavorare le diverse sezioni
Î
di solito si usano 3-5 gru per carico/scarico di una nave deep-sea
Î
di solito si usano 1-2 gru per carico/scarico di una nave feeder
Gli obiettivi possono essere la minimizzazione dei ritardi di tutte le navi,
la massimizzazione delle prestazioni di una nave o l’utilizzo economico e
bilanciato delle gru
I dati del problema sono i dati tecnici di navi e gru, l’accessibilità delle
gru alla banchina (non tutte le gru possono accedere a tutte le parti della
banchina)
10
Pianificazione operativa: stowage planning
Lo stivaggio della nave avviene in due fasi:
Î
stowage planning effettuato dalla compagnia di navigazione
Î
stowage sequencing effettuato dal gestore del terminal
La fase di stowage planning consiste nella definizione della posizione dei
container all’interno della nave per tutti i porti che la nave deve toccare:
Î
non si considerano i container specifici ma gruppi di container,
identificati da lunghezza, peso, tipo, porto di destinazione
Î
si indica la baia (insieme di slot adiacenti) che un gruppo di container
deve occupare su una nave
Î
l’obiettivo è minimizzare le movimentazioni nei porti successivi e
massimizzare l’utilizzo della nave
Î
i principali vincoli da rispettare sono legati alla stabilità della nave
11
Pianificazione operativa: stowage sequencing
La fase di stowage sequencing viene realizzata avendo come dato di input
lo stowage plan fatto dalla compagnia di navigazione (trasferito agli
operatori del terminal attraverso sistemi EDI):
Î
sulla base di quel piano, il terminal planner assegna ad ogni singolo
container una slot sulla nave e pianifica il sequenziamento delle
operazioni di carico e scarico
Î
tale pianificazione risulta diversa a seconda che vi sia un
trasferimento diretto da yard a banchina (per es. con straddle carrier)
o un trasferimento indiretto (per es. con gru di piazzale e ralle)
Î
i modelli e i problemi sviluppati per lo stowage sequencing
differiscono a seconda del livello di dettaglio della pianificazione
12
Pickup-scheduling problem:
Î
determina gli spostamenti ottimi di ogni gru di piazzale e il numero di
container da prelevare in ogni area del piazzale (per ogni gruppo di
container)
Î
il risultato finale è la sequenza delle baie che una gru deve seguire e il
numero di container che deve prelevare da ogni baia
Î
la funzione obiettivo consiste nella minimizzazione dei tempi totali
(setup time e travel time) delle gru
Î
la formulazione di questi problemi è molto complessa e la risoluzione
avviene tipicamente attraverso procedure euristiche
13
Approcci più dettagliati:
Î
si vuole determinare il piano di carico (loading plan) della nave a
livello di container individuali
Î
un primo fattore di complessità è legato al fatto che i container non
sono individuati a livello di gruppo ma determinati in modo univoco
Î
una seconda complicazione è associato al fatto che si vogliono
pianificare tutte le operazioni che vanno dallo yard alla nave
(sincronizzazione di risorse quali gru di piazzale, ralle e gru di
banchina, ognuna delle quali ha vincoli tecnici e operativi specifici)
Î
questo problema è molto più complesso del pickup-scheduling
problem, quindi a maggior ragione viene risolto con regole euristiche
14
Lo stowage sequencing è frutto di un’ottimizzazione off-line. In realtà, per
le caratteristiche tipiche dei processi che avvengono in un terminal,
sarebbe preferibile un’ottimizzazione on-line:
Î non sempre i container arrivano nel tempo e nella sequenza previsti,
per cui si creano delle code nei mezzi di movimentazione
Î container di misure non standard e reefer necessitano di apposita
strumentazione
Î in sistemi manuali, le prestazioni del sistema dipendono fortemente
dalle capacità e dalle decisioni dell’autista
Î vanno considerati anche disturbi tecnici e operativi che fanno variare
le sequenze di carico
Tutte queste ragioni implicano che lo stowage sequencing effettuato in
anticipo può essere sub-ottimo; d’altra parte lo stowage plan on-line
risulta molto complesso da applicare
15
Pianificazione operativa: space
-allocation nel piazzale
space-allocation
Lo sfruttamento efficiente del piazzale è molto importante perché lo
spazio nei terminal sta diventando una risorsa scarsa:
Î in terminal grandi si movimentano circa 15.000 container al giorno
Î il tempo medio di sosta dei container nel piazzale è di 3-5 giorni
Il Terminal Operating System (TOS)
TOS ha il compito di registrare la
posizione di ciascun container presente sul piazzale e pianificare le
operazioni di handling, attraverso opportune tecniche di ottimizzazione.
L’efficacia di questo strumento è spesso limitata perché:
Î le informazioni sono rilevate manualmente dagli operatori
Î gli aggiornamenti dello stato del piazzale sono comunicati tramite un
collegamento radio da un operatore presente sul piazzale
Î le operazioni di re-handling (circa il 30% del totale) non vengono
segnalate dall’operatore del mezzo di movimentazione
16
space-allocation
L’ottimizzazione dello sfruttamento dello spazio nello yard tiene conto dei
seguenti aspetti:
Î
i container devono essere stoccati vicino alla zona in cui saranno
caricati, in modo da minimizzare le distanze di trasporto
Î
i container devono essere distribuiti nel piazzale in modo tale da
evitare tempi di attesa inutili o congestione dei mezzi di
movimentazione
Tutti questi aspetti vanno integrati in appositi algoritmi in cui ogni fattore
è pesato da opportuni parametri
L’obiettivo della ottimizzazione del piazzale è
l’utilizzazione del piazzale e minimizzare il re-handing
massimizzare
17
space-allocation
Esiste una dicotomia nelle politiche di stoccaggio tra:
Î
container in import: sono scaricati velocemente per non ritardare la
nave e restano per un periodo abbastanza lungo nel piazzale (la
durata di tale periodo non è stimabile a priori perché dipende dalle
tempistiche degli arrivi dei mezzi terrestri e dalle tempistiche delle
operazioni doganali e amministrative) – l’obiettivo principale è
minimizzare le operazioni di rehanding
Î
container in export: arrivano con tempistiche random mentre il carico
sulla nave deve avvenire rapidamente e in modo efficiente –
l’obiettivo è minimizzare il tempo della nave in porto
18
space-allocation
Per aumentare le performance del sistema, in particolare per quanto
riguarda la nave, spesso si effettua a terra il pre-stivaggio dei container,
che vengono posizionati in banchina prima della fase di carico sulla nave,
in base all’ordine con cui saranno caricati:
Î
questa operazione richiede movimentazioni aggiuntive e aumento dei
costi, per cui nei terminal si cerca di eliminarla e di ottimizzare
invece lo stoccaggio nel piazzale
Î
tale operazione viene eseguita quando la nave deve essere caricata il
prima possibile
Problemi di ottimizzazione delle operazioni di stoccaggio sono
essenzialmente di due categorie:
Î
Yard planning
Î
Scattered stacking
19
space-allocation
Yard planning:
planning
Î
all’interno del piazzale, un certo numero di slot sono assegnate ad una
determinata nave
Î
per i container in export, una strategia tipica consiste nell’assegnare una
fila a container dello stesso tipo e destinati allo stesso porto, in cui i
container più pesanti sono stoccati sopra a quelli più leggeri, in modo
che siano caricati per primi sulla nave, per motivi di stabilità
Î
per i container in import, viene riservata una parte dell’area di
stoccaggio, senza ulteriori differenziazioni, poiché i dati relativi ai
container ed i mezzi di trasporto di consegna non sono noti al momento
dello scarico (se fossero note le modalità di trasporto successive, l’area
di import potrebbe essere divisa in base ad esse)
Î
la pianificazione yard planning risulta spesso poco efficiente, poiché gli
arrivi dei container sono un processo stocastico; ne consegue un numero
anche molto elevato di operazioni di re-handling
20
space-allocation
Scattered stacking:
stacking
Î
all’interno del piazzale, le slot non sono più assegnate ad una nave, ma
vengono associate, una volta per tutte, ad una zona della banchina
Î
quando arriva un container in export, il sistema individua la zona della
banchina in cui esso sarà caricato e quindi automaticamente calcola una
posizione ottimale nella parte di piazzale associata
Î
la posizione di stoccaggio viene selezionata in tempo reale e i container
della stessa categoria (tipo, porto di destinazione, peso, …) sono
posizionati uno sopra all’altro
Î
in questo modo non è più necessario riservare determinate aree del
piazzale a container (che devono ancora arrivare)
Î
il sistema scattered stacking permette un’utilizzazione del piazzale più
elevata ed una diminuzione notevole delle operazioni di re-handling
21
space-allocation
Il problema di ottimizzazione delle movimentazioni nel piazzale è noto
come space-allocation problem:
problem
Î
esistono approcci in cui la posizione ottima dei container nel terminal
è determinata per gruppi di container
Î
in altri approcci la posizione ottima è determinata per container
individuali
Î
in alcuni casi si ottimizzano solo le operazioni di movimentazione dei
container in import oppure in export
Î
in altri approcci le movimentazioni di entrambi i flussi sono
ottimizzate contemporaneamente
Î
nelle formulazioni dei problemi occorre inserire l’aspetto temporale –
sono problemi molto complessi che richiedono euristiche
22
Pianificazione operativa: trasporto quayside
Î
Per il carico/scarico della nave, occorre spostare i container dalla
banchina al piazzale e viceversa
Î
L’ottimizzazione di tali operazioni consiste nel ridurre i tempi per il
trasporto e sincronizzare i trasporti con le operazioni di carico/scarico
delle gru, al fine di incrementare la produttività delle gru
Î
La forte differenza tra la produttività tecnica e la prestazione reale di
una gru dipende da pause durante i turni, disturbi tecnico-operativi di
vario tipo e congestione dei mezzi di movimentazione
Î
La minimizzazione della congestione tra i mezzi è fondamentale per
l’ottimizzazione di tutto il sistema e per la produttività della nave
2 possibili strategie per allocare i mezzi alle gru di banchina:
Î
Single-cycle
Î
Dual-cycle
23
Trasporto “quayside” in single-cycle
NAVE
Scarico
Carico
BANCHINA
PIAZZALE
Veicolo carico
Veicolo vuoto
Gru di banchina
24
Trasporto “quayside” in single-cycle:
cycle
Î
ogni veicolo serve una sola gru e trasporta alternativamente container in
import dalla banchina al piazzale e container in export dal piazzale alla
banchina
Î
non ci sono potenzialità per ottimizzare il ciclo di import:
l’unico aspetto decisionale riguarda la posizione del container nel
piazzale

Î
non è possibile ridurre i trasporti a vuoto
ci sono più margini di libertà per l’ottimizzazione del ciclo di export:
la sequenza di trasporto non è esattamente uguale alla sequenza di
carico dei container sulla nave
si devono tenere in conto le distanze, le eventuali operazioni di rehandling ed il trasporto di container speciali
25
Trasporto “quayside” in dual-cycle
NAVE
Scarico
Carico
BANCHINA
PIAZZALE
Veicolo carico
Veicolo vuoto
Gru di banchina
26
Trasporto “quayside” in dual-cycle:
cycle
Î
ogni veicolo serve più gru, che sono nel ciclo di carico e scarico
rispettivamente, combinando così il trasporto di container in import ed
in export
Î
si tratta di un sistema molto più complesso, in cui si riducono le
movimentazioni a vuoto ed i tempi di trasporto
Î
si tratta di un sistema più efficiente ma difficile da organizzare
Î
generalmente si utilizzano AGV, insieme a sistemi di movimentazione
non automatici, come straddle carrier o ralle
27
Pianificazione operativa: trasporto landside
Trasporto “landside” per i treni:
treni
Î
normalmente si usano transtainer per caricare/scaricare i treni e straddle
carrier e ralle per la movimentazione tra piazzale e scalo ferroviario (in
questo caso le attività di questi mezzi devono essere sincronizzate)
Î
talvolta si usano solo straddle carrier per entrambe le fasi
Î
il piano di carico descrive su quale vagone va caricato ogni container (la
posizione dipende da destinazione, peso e tipo del container, dal carico
massimo del vagone e posizione del vagone sul treno)
Î
il piano di carico è sviluppato dal gestore ferroviario (cercando di
minimizzare le operazioni di smistamento) e inviato tramite EDI al
gestore del terminal
Î
il gestore del terminal cerca di minimizzare il re-handling, i tempi di
attesa delle gru ed i trasporti a vuoto
Î
sono possibili entrambe le modalità single-cycle e dual-cycle
28
Pianificazione operativa: trasporto landside
Trasporto “landside” per i camion:
camion
Î
i camion in ingresso al terminal arrivano al gate, dove i dati dei
container vengono controllati e memorizzati nel sistema di gestione
Î
quindi i camion vanno verso i transiction points dove sono
caricati/scaricati da sistemi di movimentazione interni
Î
viene fatta una schedulazione dei transiction points dove il camion deve
passare e in quale sequenza
Î
nei terminal più grandi transitano anche migliaia di camion al giorno
Î
i tempi di arrivo dei camion non possono essere in alcun modo previsti
Î
quindi l’ottimizzazione deve essere flessibile e veloce, in particolare si
rende necessaria un’ottimizzazione on-line
Î
gli obiettivi principali dell’ottimizzazione sono la minimizzazione delle
distanze e dei percorsi a vuoto, attraverso la combinazione del trasporto
di container in import e in export
29
Pianificazione operativa
Î
Come visto, esistono molti approcci di ottimizzazione delle diverse
fasi operative di un terminal container
Î
Tali fasi sono ottimizzate separatamente, anche perché la definizione
di un problema di ottimizzazione dettagliato, a livello operativo, su
tutte le operazioni di movimentazione di un terminal sarebbe troppo
complesso da formalizzare (e praticamente impossibile da risolvere)
Î
È comunque auspicabile la definizione di modelli più ampi ma
comunque dettagliati che tengano conto di tutta l’operatività del
terminal
Î
Lo strumento più utile, a livello di pianificazione operativa, per fare
questo è la simulazione che viene utilizzata come integrazione nel
sistema operativo del terminal, con l’obiettivo di testare in tempo reale
l’impatto dei disturbi sull’operatività reale del terminal (applicata
raramente e solo in parte con questo scopo)
30

Capitolo 10

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