Apresentação resumida programação otimizada de frotas de embarcações

Programa de Atualização Profissional

Programação otimizada de frotas de embarcações

resumo da metodologia

por Gláucio Bastos, M.B.A., Ch.E.


resumo

objetivo: a partir das características reais de diversos tipos de frotas de navios e embarcações de serviço, de cargas e de portos, é gerado um grande número de soluções iniciais da programação dos navios para servir as cargas em seus portos, que vão sendo refinadas em diversas etapas de otimização até ser alcançada a solução viável de maior retorno financeiro; esta solução é então trabalhada para se chegar à decisão quanto ao melhor ‘timing’ para o início dos carregamentos, considerando restrições nos portos, quanto à capacidade de berços e estoque no caso de granéis


necessidade

durante as últimas décadas houve um acirramento da concorrência entre as companhias de navegação, espremendo as margens de lucro a um mínimo

este quadro é causado e amplificado pela consolidação do setor manufatureiro, dando um maior poder de mercado para os proprietários da carga ou carregadores

para redução deste desequilíbrio, houve muitas fusões entre empresas de navegação, em busca da economia do ganho de escala


necessidade

essa tendência de fusões e agrupamentos leva a maiores frotas, distribuídas por áreas geograficamente muito extensas, que exigem um gerenciamento mais eficiente

esse quadro de alta complexidade e dinamismo, torna incertezas e atrasos fenômenos inevitáveis no funcionamento do transporte marítimo, causados por fatores como: condições climáticas adversas, avarias mecânicas, greves e infraestrutura insuficiente, tanto nos portos como a bordo


necessidade

neste contexto e considerando os longos prazos de entrega envolvidos, é imperativo para as companhias de navegação garantir a eficiência através da geração de programações de qualidade baseadas em métodos avançados de apoio à decisão, em termos de confiabilidade e pontualidade, que se mostram como o caminho mais curto e eficaz para se alcançar a redução de custos e a geração de margens de lucro mais elevadas


características das frotas

no transporte marítimo pode-se distinguir 03 diferentes modos de operações:

industrial – o proprietário da carga também controla uma frota de navios para transportá-la; a carga é uma certa quantidade de produto a ser enviado de um porto para outro dentro de janelas de tempo; todas as cargas são obrigatórias e precisam ser atendidas pela frota disponível; não há cargas spot opcionais; o objetivo é minimizar custos


características das frotas no transporte marítimo pode-se distinguir 03 diferentes

modos de operações:

tramp - são operações semelhantes a um serviço de táxi, onde os navios transportam as cargas disponíveis; é normal um operador ter algumas cargas contratuais e outras opcionais que podem ser atendidas se forem consideradas rentáveis; o objetivo é maximizar o lucro; e

liner – são operações semelhantes a linhas regulares de transporte, onde as embarcações navegam por itinerários pré-agendados e publicados, que buscam maximizar seu lucro


descrição do problema o problema de programação de navio como é aqui

analisado, aplica-se a qualquer tipo de frota e pode ser um problema de maximização de custo ou lucro, podendo envolver contratos de afretamento (COA), firmados para o transporte de determinadas quantidades ou tipos de carga entre portos específicos ou entre operações específicas, dentro de um certo prazo, por um pagamento acordado por tonelada ou por serviço

há casos em que a frota não tem capacidade suficiente para atender todos os COAs durante o horizonte de planejamento, assim algumas cargas podem ser atendidas por spot charters, que são afretados para uma única viagem


descrição do problema

janelas de tempo são impostas para o carregamento e, às vezes, também para o descarregamento

dependendo da operação, os navios podem servir cargas únicas ou múltiplas cargas simultaneamente, com um novo porto de carregamento sendo visitado e algumas cargas permanecendo a bordo

são consideradas operações com os navios existentes, sem mudanças no tamanho da frota pois, a curto prazo, tais alterações não são interessantes


descrição do problema custos fixos são desconsiderados, já que não influenciam o

planejamento de rotas e cronogramas ideais

custos de viagem variáveis considerados são provenientes principalmente do consumo de óleo combustível e diesel

é considerada uma frota heterogênea com características específicas dos navios, incluindo diferentes estruturas de custos e capacidades de carga

são cobradas tarifas de utilização do porto e canal, que dependem do tamanho do navio


dados considerados o horizonte de planejamento é de 3.600 horas ou 150 dias valor do frete (US$ / milha náutica / m3) dados gerais:

tempos-buffer de viagem e de porto (hr) – folga de tempo em caso de possíveis atrasos

preço do IFO – interm.(viagem) e MDO (porto) (US$ / ton) janela de tempo de operação padrão no porto (hr)

dados da carga: identificação, volume (m3), peso (ton) porto de carregamento, porto de descarregamento horário de disponibilidade da carga no porto de

carregamento (hr), horário de chegada da carga no porto de descarregamento (hr)


dados considerados dados do navio:

identificação, capacidade volumétrica (m3), tonelagem de porte bruto (ton)

velocidade média (nós / hr) consumo de IFO (ton / dia), consumo de MDO ocioso no

porto (ton / dia) dados do porto:

identificação, distância entre portos da viagem (milhas náuticas)

produtividade (m3 / hr), tarifa portuária (US$), operação da carga (US$ / m3)

ETAs disponíveis para chegada de navios (hr)


solução* pela heurística MSLS *

etapas da solução: 1ª: grande nº (no_init) de soluções iniciais é gerado por

uma heurística parcialmente aleatória de inserção de cargas nos cronogramas dos navios

2ª: seleciona-se um certo nº (no_quick) das melhores (pelo critério do lucro ou custo) soluções iniciais para serem aprimoradas por uma heurística de busca local rápida

3ª: seleciona-se um certo nº (no_extended) das melhores soluções pela busca local rápida para serem aprimoradas por uma heurística de busca local estendida


resultados a partir de dados de:

13 navios 50 cargas 9 portos entre sudeste dos EUA e oeste da Europa

obteve-se as seguintes evoluções no lucro da frota: para no_init = 100, no_quick = 6, no_extended = 1

sol.inicial: pior = $ 628.638 / melhor = $ 1.127.639 sol.rápida: pior = $ 1.109.300 / melhor = $ 1.168.316 sol.estendida: $ 1.295.348

para no_init = 1000, no_quick = 14, no_extended = 4 sol.inicial: pior = $ 576.334 / melhor = $ 1.334.752 sol.rápida: pior = $ 1.183.747 / melhor = $ 1.334.752 sol.estnd.: pior = $ 1.237.389 / melhor = $ 1.334.752


resultados

conclusões: para um menor nº de soluções iniciais, é evidente a

contribuição efetiva de cada nível de otimização para o alcance da melhor solução final

para um grande nº de soluções iniciais, a otimização incluída em seu algoritmo de geração é suficiente para o alcance da melhor solução, antes mesmo dos dois níveis seguintes por isso, como foi atingida a solução mais próxima da

ótima, dificilmente ela pode ser otimizada e é melhor do que aquela alcançada com um nº menor de soluções iniciais, caracterizando a robustez do resultado


resultadossolução ótima - dados das cargas: volumes


resultadossolução ótima - dados das cargas: tempos

1.ETA porto carreg.2.tempo viagem3.tempo porto carr.4.tempo porto desc.5.tempo viagem red.


resultadossolução ótima – resultado da programação: cargas com navios e portos

1.navio2.porto carregam.3.porto descarregam.


resultados

solução ótima – resultado da programação: rotas dos navios carregados

Port 2

Port 3

Port 1

Port 9

Port 5

Port 6

Port 7

Port 4

Port 8

Ship 9

Ship 10

Ship 12

Ship 1

Ship 3

Cargo 3

Cargo 5

Cargo 14

Cargo 10

Cargo 15

Ship 11

Cargo 16

Ship 2

Cargo 22

Ship 7

Cargo 24

Ship 5

Cargo 25

Ship 13

Cargo 27

Cargo 29

Cargo 31

Ship 6

Cargo 32

Ship 8

Cargo 42

Ship 4

Cargo 46


extensão do problema

caso a frota seja destinada ao transporte de um granel, como GNL p.ex., entre o porto de liquefação (carregamento) e o porto de regaseificação (descarregamento), é considerado haver limitação da disponibilidade de berço e de armazenagem (entre níveis máximo e mínimo) no porto de liquefação

se a produção exceder as obrigações contratuais para entrega de GNL, cargas spot são vendidas no mercado, inclusive através de navios de outra empresa de navegação, consideradas como meio de controlar o nível de estoque, sem lucro associado


extensão do problema os clientes especificam certas datas ou períodos – janelas

de tempo – quando podem ou não aceitar entregas da janela de tempo para entrega é determinada a janela de

tempo para carregamento a entrega deve ocorrer dentro das janelas de tempo:

interna – períodos da preferência do cliente, e externa – compreende além da interna, períodos

adicionais de alguns dias antes e depois da interna a entrega deve acontecer necessariamente dentro da janela

externa, que também compreende a janela interna se a entrega ocorrer nos períodos entre a janela interna e

externa, haverá penalidades contratuais, como exemplificado na figura seguinte


extensão do problema

ex. de função custo de penalidade proporcional ao quadrado do nº de dias antes ou depois da janela interna em que a entrega é feita – a janela interna é de 7 dias e a janela externa compreende também mais 7 dias antes e depois da janela interna


resultados da extensão do problema

considerando-se os mesmos dados e a solução apresentada para a 1ª parte do problema, na extensão, pela aplicação do método MILP, chegou-se à solução exata da minimização do custo de penalidade, atendendo-se ao mesmo tempo às restrições de berço e de estoque de GNL no porto de liquefação

na figura seguinte são apresentadas as partições de tempo ótimas definidas para o embarque de cada carga de GNL dentro de uma janela de tempo com o total de 21 partições de tempo corridas: 07 partições da janela interna com mais 07 antes e 07 depois, completando a janela externa


resultados da extensão do problemasolução ótima: cargas e suas partições de tempo para início do carregamento

partições de tempo:de 01 a 21 dentro dajanela de tempo ex-terna

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Apresentação resumida programação otimizada de frotas de embarcações