Containership Load Planning with Crane Operations

Since the start of the containerization revolution in 1950's, not only the TEU capacity of the vessels has been increasing constantly, but also the number of fully cellular container ships has expanded substantially. Because of the tense competition among ports in recent years, improving the operational efficiency of ports has become an important issue in containership operations. Arrangement of containers both within the container terminal and on the containership play an important role in determining the berthing time. The berthing time of a containership is mainly composed of the unloading and loading time of containers. Containers in a containership are stored in stacks, making a container directly accessible only if it is on the top of one stack. The task of determining a good container arrangement to minimize the number of re-handlings while maintaining the ship's stability over several ports is called stowage planning, which is an everyday problem solved by ship planners. The horizontal distribution of the containers over the bays affects crane utilization and overall ship berthing time. In order to increase the terminal productivity and reduce the turnaround time, the stowage planning must conform to the berth design. Given the configuration of berths and cranes at each visiting port, the stowage planning must take into account the utilization of quay cranes as well as the reduction of unnecessary shifts to minimize the total time at all ports over the voyage. This dissertation introduces an optimization model to solve the stowage planning problem with crane utilization considerations. The optimization model covers a wide range of operational and structural constraints for containership load planning. In order to solve real-size problems, a meta-heuristic approach based on genetic algorithms is designed and implemented which embeds a crane split approximation routine. The genetic encoding is ultra-compact and represents grouping, sorting and assignment strategies that might be applied to form the stowage pattern. The evaluation procedure accounts for technical specification of the cranes as well as the crane split. Numerical results show that timely solution for ultra large size containerships can be obtained under different scenarios

Multi-agent system with iterative auction mechanism for master bay plan problem in marine logistics

The support of containerization to trade development demands an efficient solution method for the container loading problem in order to reduce shipment and handling time. Hence, the stowage planning of containers is critical to provide speedy delivery of resources from the area of supply to the area of demand. Moreover, information on container terminal activities, structure of ship, and characteristics of containers is distributed among stowage planners. This information imposes constraints, and so the master bay plan problem (MBPP) becomes NP-hard. Therefore, a multi-agent systems (MAS) methodology is designed to effectively communicate the information and solve the MBPP sustainably. In the designed MAS methodology, an information exchange system (IES) is created for stowage planners to bid for ship slots in each experimental iterative combinatorial auction (ICA) market. The winner in the ICA experiments is provided with the ship slots, and the entire bay plan is prepared. Further, the ship-turnaround time is validated using the data obtained from the benchmark problem

A decomposition method for finding optimal container stowage plans

In transportation of goods in large container ships, shipping industries need to minimize the time spent at ports to load/unload containers. An optimal stowage of containers on board minimizes unnecessary unloading/reloading movements, while satisfying many operational constraints. We address the basic container stowage planning problem (CSPP). Different heuristics and formulations have been proposed for the CSPP, but finding an optimal stowage plan remains an open problem even for small-sized instances. We introduce a novel formulation that decomposes CSPPs into two sets of decision variables: the first defining how single container stacks evolve over time and the second modeling port-dependent constraints. Its linear relaxation is solved through stabilized column generation and with different heuristic and exact pricing algorithms. The lower bound achieved is then used to find an optimal stowage plan by solving a mixed-integer programming model. The proposed solution method outperforms the methods from the literature and can solve to optimality instances with up to 10 ports and 5,000 containers in a few minutes of computing time

Solving the generalized multi-port container stowage planning problem by a matheuristic algorithm

We focus on a simplified container stowage planning problem where containers of different size and weight must be loaded and unloaded at multiple ports while maintaining the stability of the ship. We initially investigate how the difficulty in solving the problem changes with and without the consideration of container sizes and weight constraints. For this purpose, we provide integer programming formulations for the general problem as well as some special cases with identical container size and/or identical weights and evaluate their performance in randomly generated small- and medium-scale instances. We develop a matheuristic procedure, namely, an insert-and-fix heuristic, exploiting the special structure of the proposed formulations. The Insert-and-Fix method, in combination with a constructive algorithm that gives the solver an initial solution in each iteration, provides solutions with a low number of rehandles for instances with up to 5000 TEUs.Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities, FPU Grant A-2015-12849 and under the project “OPTEP-Port Terminal Operations Optimization” (No. RTI2018-094940-B-I00) financed with FEDER, Spain funds. The second author acknowledges the partial support by Data-driven logistics, Spain (FWO-S007318N) and Internal Funds KU Leuven, Spain

Including containers with dangerous goods in the Slot Planning Problem

Container stowage problems are rich optimization problems with both high economic and environmental impact. These problems are typically decomposed into a master bay planning phase, which distributes containers to bay sections of the vessel, and a slot planning phase, which assigns a specific slot within the bay section to each container. In this paper, we extend existing models for slot planning by considering containers with dangerous goods. An important contribution of this paper is that we provide a model closer to the real-world problems faced by planners, and thus solutions based on this model should be easier to implement in practice. We show that our model can be solved to optimality in reasonable time using standard software like Gurobi or CPLEX. Keywords: operations research, container stowage, optimization, logisticspublishedVersio

Формування вантажного плану контейнеровоза згідно з логічними правилами завантаження-вивантаження

Бень, А. П. Формування вантажного плану контейнеровоза згідно з логічними правилами завантаження-вивантаження = Assessment of the navigation situation in the decision support system for navigator / А. П. Бень, А. І. Федоров // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : НУК, 2019. – № 1 (475). – С. 129–134.Анотація. Мета. У статті розглянуті питання створення автоматизованих систем управління вантажними операціями контейнеровозів. Методика. Головною ідеєю наукового дослідження є вивчення особливостей процесу завантаженнявивантаження контейнеровоза під час виконання ним мультипортових рейсів (послідовних заходів до кількох портів під час виконання одного рейсу). При цьому виникає проблема «шифтінгу», тобто необхідності переміщення одних контейнерів на борту судна з метою розміщення інших. Пропонована методика розміщення контейнерів на основі логічних правил завантаження-вивантаження дає змогу скоротити час знаходження судна в порту за рахунок зменшення кількості операцій «шифтінгу», що позитивно впливає на економічні показники виконання рейсу контейнеровозом. Результати. Визначено ключові напрями досліджень у цій галузі. Показано, що створення автоматизованої системи управління вантажними операціями контейнеровозів дасть змогу одночасно вирішувати комплекс задач з управління вантажними операціями, що, своєю чергою, дасть змогу скоротити час, необхідний для їх виконання, та підвищити економічну ефективність рейсу судна. Особливо ефективним є застосування пропонованого підходу під час мультипортових перевезень, які здійснюються контейнеровозами з невеликою кількістю контейнерів (фідерні перевезення). Наукова новизна. Розроблено математичну модель завантаження контейнеровоза на основі логічних правил, що дає змогу одночасно враховувати мультипортовість виконання рейсу судна й технологічні обмеження формування вантажного плану, зумовлені особливостями їх розміщення на судні. Запропоновано модель формування оптимального вантажного плану судна, що враховує послідовність заходу в порти під час виконання рейсу. Практична значимість. У прикладному плані ця робота спрямована на створення програмного продукту, використання якого дасть змогу вирішити важливе науково-прикладне завдання в галузі застосування інформаційних технологій у судноводінні – підвищення ефективності та безпечності контейнерних перевезень за рахунок упровадження автоматизованих систем управління вантажними операціями контейнеровозів.Abstract. Purpose. The article deals with the creation of automated systems for managing cargo operations of container ships. Method. The main idea of the scientific research is to study the features of the process of loading-unloading of a container ship during its multi-port going’s (sequential enter to several ports during the same trip). This raises the problem of "shifting", i.e. the need to move some containers on board a vessel to accommodate others. The proposed method of placing containers on the basis of logical rules of loading and unloading allows to reduce the time of stay of the vessel in port by reducing the number of "shifting" operations, which has a positive effect on the economic performance of a container ship. Results. Key areas of research in this field are identified. It has been shown that the creation of an automated containerized cargo operations management system (ACCOMS) will simultaneously solve a complex of cargo operations management tasks, which will reduce the time required to perform them and increase the economic efficiency of a vessel’s trip. Particularly effective is the application of the proposed approach when it is applied to multi-port transportations carried out by container ships with a small number of containers (feeder transportation). Scientific novelty. The mathematical model of loading of a container ship on the basis of logical rules is developed that allows to take into account simultaneously the multiportity of execution of trip of the vessel and technological limitations of formation of cargo plan due to the peculiarities of their placement on the ship. The model of formation of the optimal cargo plan of the ship, taking into account the sequence of approach to the ports during the trip, is proposed. Practical importance. In the practical side, this work is aimed at creating a software product, the use of which will allow to solve an important scientific and applied task in the field of application of information technologies in navigation –to increase the efficiency and safety of container transportation due to the introduction of ACCOMS

МЕТОД ФОРМУВАННЯ СУБОПТИМАЛЬНОГО ВАНТАЖНОГО ПЛАНУ КОНТЕЙНЕРОВОЗУ

Головною ідеєю наукового дослідження є вивчення особливостей процесу завантаження- вивантаження контейнеровоза під час виконання ним мультипортових рейсів (послідовних заходів до кількох портів під час виконання одного рейсу). При цьому виникає проблема «шифтінга», тобто необхідності переміщення одних контейнерів на борту судна з метою розміщення інших. Пропонований метод розміщення контейнерів дозволяє ско­ротити час знаходження судна в порту за рахунок зменшення кількості операцій «шифтінга», що позитивно впливає на економічні показники виконання рейсу контейнеровозом. Метою дослідження є розробка математичної моделі зава­нтаження судна-контейнеровозу, що забезпечує зменшення впливу «шифтінга» контейнерів та зменшує витрати часу на формування вантажного плану судна. Методи дослідження. Основою досліджень є теорія оптимального управлін­ня, математичне моделювання, евристичні методи. Основні результати дослідження. Визначено ключові напрямки досліджень в галузі автоматизації формування вантажних планів контейнеровозів. Показано, що створення автома­тизованої системи управління вантажними операціями контейнеровозів (АСУВОК) дозволить одночасно вирішувати комплекс задач з управління вантажними операціями, що забезпечує скорочення часу, необхідного для їх виконання, та підвищує економічну ефективність рейсу судна. Особливо ефективним застосування пропонованого підходу є в мультипортових перевезеннях, які здійснюються контейнеровозами з невеликою кількістю контейнерів (фідерні перевезення). Наукова новизна. Розроблено математичну модель завантаження контейнеровоза на основі комбінації методів гілок і меж та пошуку із заборонами, що дозволяє одночасно враховувати мультипортовість виконання рейсу судна та технологічні обмеження формування вантажного плану обумовлені особливостями їх розміщення на судні. Практична значимість. Результати досліджень дозволяють розробити удосконалені алгоритми виконання вантажних операцій контейнеровозів. В прикладному плані дана робота спрямована на створення програмного продукту, засто­сування якого дозволить вирішити важливе науково-прикладне завдання в галузі застосування інформаційних техно­логій в судноводінні - підвищення ефективності та безпечності контейнерних перевезень за рахунок впровадження АСУВОК