Optimization and simulation models for efficient port container terminal management

Abstract

Küresel tedarik zincirinin, kritik bir deniz ulaşım noktasında bulunan İzmir Limanının etkin olarak işletilmesi bölge ve Türkiye ekonomisi açısından ayrı bir önem taşımaktadır. Mevcut veriler ve yapılan gözlemler, liman işletim faaliyetlerinin önemli bir aşaması olan kargo terminallerinin daha etkin olarak kullanılmasının, giderek artan iç ve dış talebin karşılanmasında acil bir ihtiyaç olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez, kargo terminal işlemlerinin iyileştirilmesinde özgün yaklaşımlar geliştirmeyi amaçlamaktadır.Öncelikle, çoklu zaman dilimlerinde, gelen gemilerin rıhtım ve kıyı vinçlerine atanması problemi çalışılmıştır. Birden fazla terminal için, rıhtım ve vinç atamalarını eş zamanlı olarak gerçekleştirebilen matematiksel bir model geliştirilmiştir. Çalışmada, sürekli rıhtım yapısı ile birlikte sabit ve gezer vinç özellikleri de modellenmiştir. Gemilerin elleçleme süreleri dinamik olup, servis süresince değiştirilebilen vinç atamalarına bağlı olarak belirlenmektedir. Önerilen model, gemilerin elleçleme sürelerini mimimize etmeyi amaçlamaktadır. Modelin pratikteki etkilerini değerlendirebilmek amacıyla İzmir Limanı için bir uygulama gerçekleştirilmiştir. Mevcut durum ile yapılan karşılaştırmalar gemi bekleme sürelerinde önemli kısalmalar elde edilebileceğini göstermektedir.Ardından, İzmir Limanındaki kargo terminalinin bir ?kesikli benzetim modeli? geliştirilmiş ve bu model ithalat kargo konteynerlerinin elleçlenmesi probleminin analizinde kullanılmıştır. Model, çoklu rıhtım yapısında, depolama alanı tahsis problemini operasyonel düzeyde ele almaktadır. Hiyerarşik bir çözüm yöntemi geliştirilerek her aşamada farklı karar verme kuralları uygulanmıştır. Önerilen depolama yöntemlerinin değerlendirilmesinde tüm konteyner terminalinin performansı dikkate alınmıştır. Gerçek zamanlı ortamın yansıtılabilmesi için farklı trafik yoğunlukları uygulamaya alınmıştır. Benzetim modeli uygulama sonuçları rıhtım vinçlerindeki darboğazı işaret etmektedir. Rıhtım vinci veriminin uygun depolama stratejileri kullanımıyla iyileştirilebileceği görülmektedir. İlk aşamada, taşıma uzaklıklarını ve depolama alanı vinçlerinin iş yüklerini dikkate alan, entegre atama yöntemi, rıhtım vinci darboğazını en iyi şekilde kontrol edebilmektedir. Hiyerarşik yapının ikinci aşamasında ise, tahmini konteyner liman terk ediş zamanlarının dikkate alındığı, ayrılmış stratejinin kullanılması ile gereksiz konteyner yer değiştirmelerinin sayısının azaldığı gözlemlenmiştir. Modelin uygulanması, mevcut liman performans göstergelerinde önemli iyileştirmeler ortaya koymuştur.Projenin İzmir Limanında uygulanması, etkin bir liman yönetimi, daha iyi faaliyet ve mali performans göstergeleri yanında bölgede istihdamın arttırılması, kalifiye işgücünün geliştirilmesi ve giderek Ege Bölgesinde ticaret hacminin artmasını sağlayabilecektir.

Port of Izmir is a crucial node in global maritime supply chain and thus efficient management of the port is a thing of utmost importance for the region and Turkish economy. Current facts reveal that the upgrading of the existing cargo terminal is of great importance and urgency in terms of meeting the ever-increasing demands of the national as well as international economies. This thesis proposes novel approaches that aim to improve the most important successive steps in port management activities.Initially, a multi-period assignment problem that seeks to allocate vessels to berthing spaces and quay cranes is studied. A mathematical model that handles berth and crane allocations simultaneously for multiple terminals is developed. The method is able to model continuous quay allocation with fixed and mobile cranes. Furthermore, the vessel handling times are dynamic and dependent on the unfixed crane assignments that may be altered throughout the service time of the ship. The suggested optimization model minimizes the handling times of the vessels. Practical achievements are assessed by an implementation of the model to the Port of Izmir. Comparisons with the actual records show that noteworthy reductions in current vessel waiting times can be achieved.Subsequently, a discrete-event simulation model for the real life detailed processes performed during the handling of import containers is developed. In particular, the model focuses on the storage assignment problem at the operational level in a container terminal with a multiple-berth structure. A novel approach by means of a hierarchical structure is adapted to partition the assignment problem into two sub-problems and solve each of them using separate decision rules. Suggested storage policies are evaluated in view of the overall performance of the container terminal. Different traffic densities are experimented to reflect the real-time environment. Simulation runs emphasis the bottleneck at the quay cranes. Results confirm that the quay crane efficiency may be improved by using appropriate storage policies. Strategies that adopted the integrated assignment method at the first level, where travel distances and gantry crane workloads are considered, performed best when coping with this crisis. At the second level of the hierarchy, with the use of segragated strategy, in which estimated container departure dates are considered, number of reshuffles is reduced. Implementation of the model to the existing terminal shows that noteworthy improvements in the current port performance indicators can be achieved.The implementation of the project will lead to the efficient port management, better operational and financial performance for the Izmir Port and externalities such as increase in employment, development of qualified labor force and expansion of trade volume in the Aegean Region.