Plum, Christian Edinger Munk

Containerlinjefart er grundpillen i verdens forsyningskæder, hvor 36 % af værdien af den globale samhandel anslås afskibet i containere. Containerne, der transporterer gods på tusindvis af containerskibe i komplekse netværk, udgør derfor en vigtig del af verdensøkonomien. Selvom søtransport er en miljøvenlig transportform, er det også en industri, der udsender millioner af tons CO2 årligt. Derfor kan der være meget store miljømæssige fordele af selv relativt små reduktioner i containertransportindustriens CO2 omsætning. Containerrederier opererer samtidig på et stærkt konkurrencepræget marked, hvor skibene skal anvendes på den bedst mulige måde for at skabe en sund forretning. Den praktiske betydning af at optimere på containerskibenes drift er således ganske betragtelig.Denne afhandling undersøger optimeringsmetoder til linjerederiernes containerdrift med henblik på at forvalte de midler, der investeres i containersøfart bedst muligt. For samtidigt d at kontrollere brugen af de fossile brændstoffer, der anvendes af linjeskibsfarten. I afhandlingen undersøges domænet for linjefart, og der udvikles modeller, som understøtter beslutningsprocesser. Der er tale om ganske komplekse problemer, som vedrører millioner af containeres rejser på hundredvis af skibe, som anløber hundredvis af havne over hele verden. Fra en branchebetragtning er kompleksiteten i styringen af dette netværk vokset voldsomt i de seneste årtier, da der har været årlige tocifrede vækstrater i fragtmængden. Udviklingen siden 1970’erne, er gået fra et par ruter med 10 - 20 skibe på hver selvstændig rute, til et massivt sammenhængende netværk, der spænder hele kloden og stiller krav til en kompliceret rekonceptualisering af rutetænkningen, og dermed til planlægningen af containerskibenes anvendelse med henblik på at reducere omkostningerne og bunkerforbruget samt at øge linjerederiernes indtægter og serviceniveau. Fra et matematisk synspunkt er de studerede problemer blandt de hårdeste, tilhørende klassen af NP-hårde problemer. Heraf er netværksdesignproblemerne, blandt de absolut vanskeligste NP-hårde problemer, og selv små problemer kan vanskeligt løses til optimalitet. Med henblik på at undersøge problemerne er der i afhandlingen anvendt operationsanalytiske teknikker, som er blevet anvendt til effektivt at løse planlægnings- og logistiske problemer i andre transportindustrier, med store forbedringer i driften som resultat. Afhandlingen følger to primære forskningsretninger. Den første fokuserer på design af linjefartsnetv ærk. Den anden på andre beslutnings problemer i linjefart, som kan studeres med operationsanalyse.Forskning inden for design af linjefartsnetværk har været relativ sparsom indtil for nylig, og den forskning der er blevet udført, har været spredt med manglede fokus og enighed om, hvilke aspekter der har været vigtige at inddrage. For at afhjælpe dette, indeholder denne afhandling en grundig beskrivelse af domænet for linjefart, og beskriver branchen i operationsanalytiske termer. Samtidig er der udviklet et sæt benchmarkinstanser, LINER-LIB 2012. Det er håbet, at denne domænebeskrivelse sammen med benchmarkinstanserne, vil give et fælles grundlag for fremtidig forskning i design af linjefartsnetværk, der gør det muligt at sammenligne metoder og reducere adgangsbarrierer for nye forskere på dette vigtige område. I forhold til de forskningsretninger, der fokuserer på linjefartsnetværk undersøges tre forskellige tilgange til design af linjefartsnetværk. Den første model giver mulighed for etablering af linjer (En gruppe skibe med samme og forudbestemt rute), der mødes i havne, og derved dannet et linjefarts netværk. Denne model bliver dekomponeret på en nyskabende måde, hvor en delvis rutning af containerne og konstruktion af linjer foregår i samme delproblem. Dette arbejde introducerer også en interessant aggregering af container korridorer (containere fra og til samme havn), som i høj grad kan reducere problemets størrelse. Den anden model for design af linjerederiers netværk, modellerer hvordan efterspørgslen kan rutes på linjer, i modsætning til at rutes direkte mellem havne. Dette giver mulighed for dannelse af mere komplicerede netværk end set i tidligere modeller.Tidligere netværksdesign modeller har ikke tilladt en linje at kalde de samme havne flere gange. Dette tillades af denne nye model. Modellen er implementeret og testet på den LINER-LIB 2012 instanserne. Den tredje model fokuserer på udformningen af en enkelt linje. Metoden optimerer profit, og samtidig tages overvejelser om operationelle og kommercielle aspekter af linjefart,som skibenes kapacitet og containernes transittid i betragtning, hvilket er en meget vigtig faktor for at designe container linjer. Der undersøges to operationelle beslutningsproblemer indenfor linjefart. Det første problem vedrører beslutninger om kontraktlige forhold ved indkøb af bunkerolie. Det andet problem handler om hvordan forstyrrelser i et skibs sejlplan håndteres bedst muligt. Disse er vigtige, da den hårde konkurrence mellem rederierne giver meget små profitmargener. Derfor er det en forudsætning for overlevelse, at rederier kontrollerer detaljerne og konsekvent styrer de operationelle udfordringer effektivt.Optimal beslutningstagning om kontraktlige forhold ved indkøb af bunkerolie er afgørende idet bunkerbrændstof er en stor udgift for et rederi. Udgiften udgør op mod 30 % af netværkets driftsomkostninger svarende til milliarder af dollars årligt for store containerrederier. For at styre dette, vil rederierne ofte bruge kontrakter om levering af bunkerolie til at sikre forsyningen og opnå rabat på volumen. Da disse kontrakter kan deles mellem skibene, skal fordelingen styres optimalt mellem de forskellige skibe. I afhandlingen formuleres en model for problemet, som dekomponeres, implementeres og testes på virkelige instanser med 500+ skibe og 500+ kontrakter. Metoden giver mulighed for at et global rederi effektivt kan planlægge bunkerindkøb for deres skibe, ved at bruge et stort antal bunkerkontrakter for at opnå lavere omkostninger. Optimal håndtering af forstyrrelser i skibenes sejlplaner er afgørende af ere grunde. For det første fordi en vigtig konkurrenceparameter er imødekommelse af kundernes transitkrav. For det andet fordi det er vigtigt at skibene når deres kajtider og forbindelser til andre skibe, idet der opereres med ganske stramme tidsplaner. Der opstår ofte forstyrrelser i tidsplaner på grund af dårligt vejr, mekaniske fejl og havne forsinkelser. Disse forstyrrelser har en stor betydning for den service kunderne oplever, og samtidig er omkostningerne ved at genoprette sejlplanen høje. Der udvikles en heltalsprogrammeringsmodel, som kan foreslå en optimal genopretningsplan for en given forstyrrelse af sejlplanen. Modellen er kørt på almindeligt forekommende forstyrrelser, og testet på flere faktiske instanser. Optimale løsninger findes på mindre end 5 sekunder. Instanserne viser, at der kan spares op til 58 % i genoprettelses omkostninger, for at indhente sejlplanen, i forhold til den manuelt valgte genopretnings plan.Samlet set sigter denne afhandling mod, på en række forskellige måder, at åbne forskningsfeltet indenfor design af linjefartsnetværk. Der gives en grundig introduktion til domænet, præsenteres en række benchmarkinstanser og fremlægges flere modeller for design af linjefartsnetværk, som belyser vigtige aspekter af problemfeltet, som ikke tidligere er studeret. Fremtidig forskning på området kan derfor benytte dette arbejde som byggesten til nye metoder. To operationelle problemer i linjefart er blevet undersøgt med gode resultater, hvilket viser bredden af interessante forskningsområder der findes i linjefart.Fra et branchesynspunkt, er der blevet præsenteret interessante modeller, som bistår med design af en enkelt linje eller små netværk. Begge de operationelle modeller viser lovende resultater, der åbner for implementering i egentlige beslutningsstøttesystemer i praksis. Disse kan hjælpe med at overvinde nogle af de meget komplekse udfordringer i linjefart, og viser, at operationsanalytiske teknikker kan anvendes til håndtering af reelle problemer, der opstår hos et linjefarts rederi.Liner shipping is at the core of the world’s supply chains, with an estimated 36 % of the value of global merchandize trade being shipped in containers. The containers, carried on thousands of container vessels in intricate networks operated by global liner shipping carriers, constitute a very important part of the world economy. Although maritime transport an environmental friendly transport mode, it is also an industry which emits millions of tonnes of CO2 yearly. Highlighting the need to control the environmental impact. Container carriers operate in a highly competitive market, where the assets must be deployed in the best way possible to create a healthy business. To better manage the assets invested in container shipping and to control the use of fossils fuels used by the liner shipping industry, optimization methods for liner shipping is studied in this thesis. The domain is investigated and models supporting decision making is developed, with the aim of reducing costs, bunker consumption and increasing the revenue and service levels of a liner shipping company.These problems are complex, dealing with millions of containers traveling on hundreds of vessels calling hundreds of ports, all over the world. From an industry view, the complexity of managing this network has grown tremendously in the last decades, with yearly two-digit growth rates. Developing from a few trades with 10 - 20 vessels deployed, which could be considered independently, to a massively interconnected network spanning the globe.From a mathematical point of view these problems are among the very hardest, in the class of NP-hard problems. And when considering network design problems, these are among the most difficult of NP-hard problems, which rarely can be solved to optimality for medium or large instances.The problems are studied with operations research techniques, which successfully have been used, for planning and logistical problems in other transportation industries, resulting in great improvements.The thesis follows two main research directions, the first focuses on liner shipping network design, the second on other decision problems faced in liner shipping, that can be studied with operations research methods.Research in liner shipping network design has been relatively scarce until recently, and the research that has been done, have been distributed, lacked focus and agreement on which aspects where important and relevant to include. To alleviate this a thorough description of the domain of liner shipping is given, explaining the industry in the words of an operations researcher. At the same time a set of benchmark instances LINER-LIB 2012 is introduced. It is the hope that this description together with the benchmark instances will provide a common ground for research in liner shipping network design, enabling comparisons of methods and easing entry barriers for new researchers in this important field.This thesis presents three different approaches for liner shipping network design. The first presents a model that allows for the creation of services (loops of vessels, following the same route) connecting to form a liner shipping network. This model is decomposed in a novel manner, where the partial ow of demand and construction of services is done in the same subproblem. This work also introduces an interesting aggregation of demands, which can greatly reduce the problem sizes. A second approach to liner shipping network design models how demand can ow on services, as opposed to owing directly between ports. This allows for the creation of more complicated networks than previously seen. By solving an important issue faced by previous liner shipping network design methods, allowing a service to call the same ports, multiple times. This model is implemented and run on the LINER-LIB 2012 instances providing results for these. Lastly a model focusing on the design of a single service is considered. The method optimizes the profit, while considering operational and commercial aspects of liner shipping as capacity of vessels and transit time of demand, which is a very important factor for designing actual container services.The second part of the thesis considers two decision problems faced in liner shipping. These are important as the fierce competition in liner shipping, gives very small margins of profit. Due tothis a successful carrier, will need to control the details, and consistently manage the operational challenges well. Two examples of this is studied: how to purchase bunker fuel considering contractsand how to manage disruptions in the sailing schedule of a vessel. Bunker fuel is a huge expense for a liner shipping company, and at current market rates it constitutes up to 30 % of a networks operational cost, equalling in billions of dollars for large container carriers. To manage this, carriers will often use contracts for delivery of bunker to ensure supply and achieve a small discount on volume. As these contracts are shared between vessels, it constitutes a shared resource, which must be distributed optimally. A model is formulated, which is decomposed, implemented and run on real world problem instances of 500+ vessels and 500+ contracts. The method allows a global liner carrier to efficiently plan bunker purchases for their vessels, using a large number of bunker contracts to lower costs. Container vessels operate on tight schedules to meet the customers transit time requirements, reach their port berth slots and catch connections to other vessels. Often disruptions occur to the schedules due to adverse weather, mechanical failures and port delays. These disruptions have a great impact on the service provided to customers and the cost for recovering from them are high. A mixed integer programming model is developed, which can suggest an optimal mitigation for a given disruption. The model considers common disruption scenarios and is run on four real cases, finding optimal solutions in less than 5 seconds. The cases show up to 58 % savings in recovery costs compared to manually realized recovery costs.This thesis aims at opening up research in the important area of liner shipping network design in a number of ways. It gives a thorough introduction to the domain, presents a number of benchmark instances and proposes several models for liner shipping network design, which highlights important and not previously studied aspects of the problem. This allows further research in the area to use some of this work as building blocks for new methods. Two operational problems faced in liner shipping are considered with good results, showing the breadth of research areas existing in liner shipping.From an industry point of view, models assisting with design of a single service or small networks have been presented and both the operational models shows promise for implementation in an actual decision support system. These can help overcome some of the complex problems faced in liner shipping, showing that operations research techniques can be applied to real liner shipping problems.<br/

Online Research Database In Technology

Optimization of Container Line Networks with Flexible Demands

http://orbit.dtu.dk/ws/files/89834012/thesis_CEMP.pdf

Optimization of Container Line Networks with Flexible Demands

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology