Improving container terminal efficiencynew models and algorithms for Premarshalling and Stowage Problems

Resumen

El desarrollo del contenedor ha revolucionado el comercio marítimo de mercancías, permitiendo la manipulación de carga de diversos tipos y dimensiones con un costo reducido y disminuyendo el costo de importación de muchos productos, En la actualidad, aproximadamente el 90\% de la carga no a granel en todo el mundo se transporta en buques portacontenedores, cuyas capacidades han llegado a sobrepasar los 20000 TEUs (\emph{Twenty-foot Equivalent Unit}, unidad de medida correspondiente a un contenedor normalizado de 20 pies). Las terminales de contenedores tienen que hacer frente al creciente volumen de carga transportada, al aumento del tamaño de las naves y a las alianzas de las navieras. En este contexto, deben competir por menos servicios de barcos cada vez más grandes. Para ello, deben aumentar su eficiencia, optimizando los recursos existentes. En esta tesis se estudian dos problemas de optimización combinatoria, el problema de premarshalling y el problema de la estiba, que surgen en el patio y en el muelle de las terminales de contenedores, antes y durante las operaciones de carga y descarga de los buques, y cuya resolución deriva en una disminución del tiempo de atraque y, por lo tanto, en un aumento de la eficiencia de las terminales. El problema de premarshalling prepara el patio de contenedores antes de la llegada del buque, usando las grúas de patio cuando la carga de trabajo es mínima, con el fin de evitar un mayor número de recolocaciones a la llegada del buque y así acelerar los tiempos de servicio. El objetivo clásico de este problema ha sido reducir al mínimo el número de movimientos necesarios para eliminar los contenedores que bloquean la retirada de otros dentro de una bahía. De este modo, el número de movimientos se ha tomado como un indicador del tiempo de grúa. No obstante, en esta tesis se prueba que considerando como objetivo el tiempo real que la grúa emplea en realizar los movimientos, se puede reducir hasta un 24\% el tiempo total empleado. Para la resolución de ambos problemas, el premarshalling con función objetivo clásica y el premarshalling con la nueva función objetivo, se han desarrollado diversos modelos matemáticos y algoritmos Branch and Bound con nuevas cotas superiores e inferiores, reglas de dominancia y algoritmos heurísticos integrados en el proceso de ramificación. Por lo que respecta al problema de la estiba, se ha estudiado el problema multi-puerto que busca obtener un plan de estiba del barco de modo que se reduzca al mínimo el número total de movimientos improductivos en las operaciones de carga y descarga a lo largo de la ruta en la que presta servicio. Comenzamos estudiando el problema simplificado, en el que no se consideran restricciones de tamaño ni de peso de los contenedores, y progresivamente se van introducido restricciones más realistas, desarrollando modelos matemáticos, heurísticas, metaheurísticas y mateheurísticas. Estos procedimientos son capaces de resolver instancias de gran tamaño correspondientes a los barcos de mayor capacidad que se encuentran actualmente en el sector.