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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVASCUOLA POLITECNICATesi di Dottorato di Ricerca in Ingegneria dellemacchine e dei sistemi per l’energia, l’ambiente e itrasporti.Curriculum:Ingegneria dei sistemi di trasporto e logisticiXXXI CicloMODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI“FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICIPORTUALICandidato: Francesco ReboraTutor: Prof.ssa Angela Di FebbraroRelatori: Prof.ssa Angela Di FebbraroProf. Davide Giglio46
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALIIndice1.Introduzione . 61.1Il trasporto di merci via mare . 81.2I container . 91.3Caratteristiche di un terminal container . 101.4Unità di movimentazione container di banchina . 141.5Unità di movimentazione container di piazzale . 151.6La pianificazione e la gestione di un terminal container . 162Stato dell’arte . 172.1Ottimizzazione dei processi operativi. 172.1.2 Problema di progettazione di un terminal container . 182.1.3 Problema di pianificazione operativa del terminal container . 202.2Problemi di ottimizzazione . 222.2.1 Stowage planning. 222.2.2 Berth allocation problem . 262.2.3 Quay crane scheduling and assignment problem . 302.2.4 Yard management problem . 342.2.5 Horizontal transport operation problem . 382.2.6 Yard crane scheduling problem . 412.3Riepilogo . 453.Formalizzazione delle problematiche di “Freight Handling” considerate . 533.1Problematiche relative allo Stowage Planning in un terminal di tipo LO-LO . 533.2La ricerca e movimentazione auto in un terminal di tipo RO-RO. 563.2.1 Fase 1: modellazione del problema di carico, scarico e ricerca auto . 563.2.2 Fase 2: problema di ottimizzazione: algoritmo di ricerca dell’auto su baseprobabilistica. 714.Le simulazioni ad eventi discreti . 764.1Il software ExtendSim . 794.1.1 I blocchi “Item” . 794.1.2 I blocchi “Value”. 815.Problematiche relative allo Stowage Planning: caso studio in terminal LO-LO . 825.1Inquadramento europeo – il progetto Sea Traffic Management (STM) . 821
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALI5.2Costruzione ed applicazione del modello: scambio dati tramite Sea TrafficManagement (STM) . 836.Gestione del piazzale in terminal RO-RO – il caso di AET Terminal . 896.1Localizzazione di AET . 896.2Cenni storici . 916.3Operazioni, aree e layout ad Antwerp Euroterminal . 926.4Mezzi di trasporto che transitano in AET . 956.4.1Navi . 956.4.2Chiatte . 956.4.3Camion e bisarche. 966.4.3.16.4.4Cargo Measurement System (CMS) . 97Treni . 986.5Unità operative . 996.6Problematiche specifiche di AET . 1006.7Movimentazione di auto e bisarche . 1016.7.1Descrizione della procedura di ricerca e carico auto. 1026.7.2Percorso gate – parcheggio . 1046.7.3Percorso per raggiungere il settore corretto . 1076.7.4Ricerca delle auto . 1096.7.5Spostamento della bisarca . 1116.7.6Spostamento delle auto di intralcio . 1116.7.7Carico delle auto . 1126.8Possibili soluzioni e tecnologie per l’ottimizzazione . 1126.9Creazione del modello . 1136.106.9.1I parte di simulazione - Ingresso bisarche . 1136.9.2II parte di simulazione – percorso verso i parcheggi . 1146.9.3III parte di simulazione – ricerca dell’auto. 1156.9.4IV parte di simulazione - procedura per il carico dell’auto . 1166.9.5V parte di simulazione – ricerca nei diversi settori . 1176.9.6VI parte di simulazione - percorso verso l’uscita . 119Modifiche al modello per la simulazione di procedure diverse . 1216.10.1 Simulazione dell’introduzione di sensori di localizzazione . 1216.10.2 Simulazione del carico di auto con ordine prestabilito . 1216.11Output e risultati della simulazione . 1222
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALI6.12Situazioni e configurazioni analizzate . 1236.13Dati estrapolati e analisi dei risultati . 1246.13.1 Tempo medio di permanenza della bisarca all’interno del terminal (Tp) . 1246.13.2 Occupazione media settimanale del piazzale (Ts) . 1266.13.3 Tempo perso (Tf) dai camion fermi mentre l’autista cerca nel settore sbagliato1266.13.4 Simulazione finale con traffico reale . 1277Algoritmo di ricerca dipendente da probabilità e costi minimi . 1297.1Definizione del caso studio . 1297.2Descrizione dell’algoritmo PBC e confronto . 1357.3Confronto degli algoritmi . 1418.Conclusioni. 1469.Bibliografia . 148Lista delle FigureFIGURA 1: NAVE PORTACONTAINER DELLA COMPAGNIA EVERGREEN . 8FIGURA 2: CONTAINER DA 40' E 20' . 9FIGURA 3: ANATOMIA DI UN CONTAINER . 10FIGURA 4: TERMINAL PORTUALE DI AMBURGO . 11FIGURA 5: GATE DEL TERMINAL CONTAINER DI WILMINGTON (USA) . 11FIGURA 6: AREA OPERATIVA DI BANCHINA (1) E AREA DI STOCCAGGIO CONTAINER (3); AL CENTRO, LA ZONA DIMOVIMENTAZIONE (2). 13FIGURA 7: GRU A PORTALE PER IL CARICO/SCARICO DEI CONTAINER . 14FIGURA 8: CARRELLO CAVALIERE . 15FIGURA 9: REACH STACKER . 15FIGURA 10: CARRELLO FRONTALE . 15FIGURA 11: TRATTORE A RALLA . 15FIGURA 12. RIASSUNTO DELLA PROGETTAZIONE DEL TERMINAL . 19FIGURA 13.PROBLEMI DI PIANIFICAZIONE DI UN TERMINAL CONTAINER. FONTE (C.BIERWIRTH, F.MEISELEUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONAL RESEARCH 202 ). 21FIGURA 14. SCHEMA DI STRUTTURA RETROATTIVA AD ANELLO . 51FIGURA 15. SCHEMA DELLA FASE DI PRE-ELABORAZIONE . 51Figura 16. PASSI DEL PROCESSO. 54FIGURA 17: PASSI DEL PROCESSO CON RICHIESTE DI MODIFICHE AL PIANO . 55FIGURA 18: SCARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [1/2] . 57Figura 19. SCARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [2/2] . 58FIGURA 20: CARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [1/2] . 59FIGURA 21: CARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [2/2]. 60FIGURA 22: ARRIVO CAMION AL GATE RO-RO [1/3] . 62FIGURA 23: ARRIVO CAMION AL GATE RO-RO [2/3] . 633
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALIFIGURA 24: ARRIVO CAMION AL GATE RO-RO [3/3] . 64FIGURA 25: OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [1/4] . 65FIGURA 26: OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [2/4] . 66FIGURA 27: OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [3/4] . 67FIGURA 28: OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [4/4] . 68FIGURA 29: USCITA CAMION DAL GATE RO-RO [1/2] . 69FIGURA 30: USCITA CAMION DAL GATE RO-RO [2/2] . 70FIGURA 31: SCHEMA DEGLI EVENTI IN FASE DI SIMULAZIONE . 77FIGURA 32 . BLOCCHI "ITEM" UTILIZZATI . 79FIGURA 33. BLOCCHI "VALUE" UTILIZZATI . 81FIGURA 34. PRINCIPI BASE DEL PROGETTO STM. 82FIGURA 35. INTERFACCIA DEL MODELLO . 84FIGURA 36. MODELLO DELLO STATO ATTUALE . 84FIGURA 37. GRAFICO DEL TEMPO PERSO . 85FIGURA 38. LOGICA DELLO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE . 87FIGURA 39. IMPLEMENTAZIONE DELLO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE. 88FIGURA 40. ESPLOSIONE DEL BLOCCHETTO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE . 88FIGURA 41. LOCALIZZAZIONE DI ANTWERP EUROTERMINAL . 90FIGURA 42. VEDUTA AEREA DI ANTWERP EUROTERMINAL. 91FIGURA 43. LAYOUT AET . 92FIGURA 44. PIANTA AET, PARTE SINISTRA . 93FIGURA 45. PIANTA AET, PARTE DESTRA . 93FIGURA 46. GRANDE HALIFAX (PCTC) NEL PORTO DI SAVONA . 95FIGURA 47. CHIATTE PRESSO AET SCARICATE CON GRU A CAVALLETTO. [FOTO ARCHIVIO AET] . 96FIGURA 48. VAGONE FERROVIARIO SCARICATO DA UNA CHIATTA UTILIZZANDO UNA GRU MOBILE. [FOTOARCHIVIO AET]. 96FIGURA 49. IL SISTEMA CMS APPENA INSTALLATO AL GATE 2. [FOTO ARCHIVIO AET] . 98Figura 50. TRENO IN ARRIVO AD AET DAGLI STABILIMENTI FIAT IN POLONIA. [FOTO A. PIANETTI]. 99FIGURA 51. VEDUTA DI UNA PARTE DEL PIAZZALE AET DA SUD-OVEST. [FOTO ARCHIVIO AET] . 101FIGURA 52. SCHEMA PROCEDURA DI RICERCA E CARICO AUTO SU BISARCHE . 103FIGURA 53. SUDDIVISIONE E NUMERAZIONE PARCHEGGI . 104FIGURA 54. PERCORSI E SENSI DI MARCIA, PARTE OVEST . 105FIGURA 55. PERCORSI E SENSI DI MARCIA, PARTE EST. 105FIGURA 56. PERCORSO GATE - PARCHEGGIO EUROMED 1 . 106FIGURA 57. PARTE DEL PARCHEGGIO EUROMED 1 - VISTA DAL SATELLITE [IMMAGINE DA GOOGLE MAPS]. 107FIGURA 58. PERCORSO: PUNTO PIÙ VICINO AL GATE - SETTORE CENTRALE DELLA TERZA FILA - PUNTO PIÙ VICINOAL GATE . 108FIGURA 59. PERCORSO DI RICERCA DELL'AUTO, NEL CASO NON SIA NEL SETTORE A . 110FIGURA 60. I PARTE SIMULAZIONE . 113FIGURA 61. II PARTE SIMULAZIONE . 114FIGURA 62. III PARTE SIMULAZIONE (CALCOLO TEMPI DI RICERCA). 115FIGURA 63. III PARTE SIMULAZIONE (RICERCA SETTORE A). 115FIGURA 64. IV PARTE SIMULAZIONE (CARICO AUTO) . 116FIGURA 65. IV PARTE SIMULAZIONE (CONTATORE . 1164
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALIFIGURA 66. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORE B) . 117FIGURA 67. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORI B E C) . 118FIGURA 68. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORI D E E) . 118FIGURA 69. VI PARTE SIMULAZIONE . 119FIGURA 70. MODELLO TOTALE. 120FIGURA 71. SIMULAZIONE IN PRESENZA DI SENSORI . 121FIGURA 72. SIMULAZIONE CARICO CON ORDINE PRESTABILITO . 122FIGURA 73. PARCHEGGIO CONSIDERATO PER IL CASO STUDIO . 129FIGURA 74. GRAFO DI RIFERIMENTO . 130FIGURA 75. MATRICE DEI COSTI DI ARCO . 132FIGURA 76 COMBINAZIONI DI POSSIBILI SCENARI DI PARTENZA . 134Lista delle TabelleTabella 1. Lista degli autori relativi agli articoli scientifici che sono stati analizzati, infunzione dei vari problemi di ottimizzazione. . 46Tabella 2 Caso di studio, dati di input . 85Tabella 3 Tempo perso per valori di 65 movs/h delle gru . 86Tabella 4 Tempo perso per valori di 75 movs/h delle gru . 86Tabella 5 Tempo perso per valori di 90 movs/h delle gru . 86Tabella 6 Percorso gate - parcheggio EUROMED 1. 106Tabella 7: Tempi totali mediati percorso: gate di ingresso – settore qualsiasi del parcheggioEUROMED 1 . 109Tabella 8: Tempi di spostamento delle auto di intralcio . 112Tabella 9: Scenari analizzati . 123Tabella 10 Tp: tempo di permanenza medio delle bisarche all’interno del terminal . 125Tabella 11 Ts: occupazione settimanale media del piazzale . 126Tabella 12 Tf: tempo perso dalle bisarche ferme, mentre l’autista cerca nel settore sbagliato. 127Tabella 13 Confronto dei risultati . 1415
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALI1. IntroduzioneLa crescita del commercio mondiale ha portato a progressi nelle strutture dimovimentazione e ha sviluppato l'attività di trasporto in modo proporzionale al progressocommerciale e industriale. In particolare, la flotta mondiale di container cargo ha triplicatola propria capacità nell'ultimo decennio sia in termini numerici che di volume. Le naviattuali hanno capacità di 13.000-15.000 TEU e le nuove classi di navi raggiungono anche i22.000 TEU. È evidente che tali iniziative nel settore della navigazione consentonoeconomie di scala del tutto nuove. È anche evidente che le dimensioni delle navi e i relativicosti operativi richiedono una gestione commerciale ottimale, espressa in rotte veloci trapaesi lontani (Ocean Services) e un numero limitato di porti (Malchow, 2014). Le dimensionidelle navi e i loro costi di gestione influenzano i terminal container, che sono alla ricerca diautomazione per migliorare le loro prestazioni (Martín-Soberón et al., 2014); tuttavia, iporti marittimi devono aggiornare continuamente i propri sistemi per garantire la gestionee lo stoccaggio specializzati dei container. La gestione dei terminal richiede una grandeorganizzazione con un sofisticato sistema IT per il monitoraggio dei movimenti deicontainer: ad esempio, dallo scarico alla consegna, registrando i giorni di archiviazione nelterminale. Le operazioni di movimentazione di container sono eseguite da gru speciali che,favorite dalla standardizzazione di dimensioni e sistemi di sollevamento, possonoraggiungere alte velocità operative di sollevamento e movimentazione.L'aumento della capacità e delle dimensioni delle navi portacontainer ha reso necessariol’adattamento delle gru sia in altezza che in lunghezza del braccio di lavoro (InternationalForum Forum Report, 2015). Ciò consente alle navi di ultima generazione di operare con 23file di container sul ponte.I terminal portuali attualmente utilizzano sistemi informatici (IT) per gestirecompletamente i dati e i movimenti dei container. La maggior parte delle informazioniviene elaborata secondo lo standard EDIFACT (Electronic Data Interchange forAdministration Commerce and Transport), che consente lo scambio di dati con le navi(piano dell'alloggiamento), l'ottimizzazione della posizione del container, la definizionedelle sequenze di carico / scarico (piano di stivaggio) ed il monitoraggio del container intempo reale. Il sistema informatico EDI è inoltre disponibile per gli organismi esterni(dogane, autorità portuali ecc.), gli operatori logistici, le agenzie e i clienti per i proprirequisiti di informazione e documentazione. Lo standard EDIFACT fornisce un insieme diregole di sintassi per definire un protocollo di scambio interattivo e fornisce una serie dimessaggi standard che consentono lo scambio multi-paese e multi-settore di documentiaziendali elettronici. EDIFACT è ampiamente utilizzato in tutta Europa e ha visto qualcheadozione nella regione ASPAC (Asia-Pacifico) (anche se attualmente ci sono più standardbasati su XML che vengono utilizzati oggi). Quindi, questi messaggi sono ora in uso in tuttoil mondo e consentono lo scambio multi-paese e multi-settore.Tuttavia il l trasporto marittimo coinvolge molte parti interessate, le cui decisioni e azioniriguardano l'intera catena logistica del trasporto containerizzato. In questo contesto, i portisvolgono un ruolo cruciale, poiché le loro prestazioni operative determinano la qualità deltrasporto containerizzato. I processi portuali devono essere coordinati e ottimizzati, nonsolo durante la pianificazione, ma anche nelle fasi operative di gestione. In effetti,6
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALIoggigiorno lo scambio di documenti nel trasporto marittimo è decisamente troppoframmentato. Di conseguenza, gli approcci marittimi sono spesso non coordinati. Talemancanza di coordinamento nello scambio di informazioni tra tutti gli attori coinvoltiprovoca quantomeno una significativa perdita di tempo e una riduzione di efficienza.L’obiettivo di questa tesi consiste nello studiare come l’automazione ed uno scambio diinformazioni organizzato, basato su tecnologia esistente ed efficiente, possa portare ad unamigliore gestione dell’operatività.Verranno presentati diversi casi studio riguardanti processi operativi e problematiche diterminal portuali differenti, sia LO-LO (lift on, lift off) che RO-RO (roll on, roll off).La prima parte presenta una analisi scientifica sullo stato dell’arte attuale inerente aiproblemi di ottimizzazione che interessano un terminal container. In particolare, vieneriscontrato un importante incremento di interesse da parte della ricerca scientifica a partiredagli ultimi anni; tale sviluppo è aumentato in parallelo con il fenomeno del “gigantismonavale”. Questo aumento di capacità ha generato delle problematiche di gestione esoprattutto di movimentazione da parte dei terminal portuali, i quali si sono trovati difronte alla necessità di dover ricercare delle soluzioni che permettano di incrementare lapropria efficienza, garantendo un elevato livello di servizi.Successivamente verranno presentati i casi studio, sviluppati tramite modelli ad eventidiscreti: Il primo descrive una fase intermedia di perditempo che può verificarsi durante lapianificazione del carico/scarico di una nave in terminal LO-LO. Dopo unadescrizione dello stato attuale verrà presentata l’idea, anch’essa implementata, perovviare al problema facendo un rapido riferimento al progetto europeo Sea TrafficManagement (STM), che presenta un tipo di piattaforma innovativa in grado digestire lo scambio dati in tempo reale.Il secondo pone un focus su un terminal di tipo RO-RO con riferimento al TerminalAET di Anversa. In questo caso verrà presentata la problematica di ricerca dell’autoda parte dei camionisti che entrano nel terminal per prelevarle e distribuirle. Verràpresentato un modello dello scenario attuale e una possibile soluzione legata aduna localizzazione certa dei veicoli con conseguente miglioramento dell’efficienzasia del terminal stesso che del singolo autista che di fatto perde meno tempo nellaricerca.Infine, viene presentato un algoritmo che affronta ancora più in dettaglio ilproblema precedente. L’idea è quella di sviluppare un modo per consigliare,all’autista che cerca l’auto, quale sia il percorso da seguire pesando il costo dispostamento a partire da una certa origine. L’algoritmo permette, data unaposizione iniziale dell’auto e verificato che questa non coincide con quella cercata,di scegliere come spostarsi all’interno di un reticolo per trovare l’auto desideratanel minor tempo possibile. I risultati saranno poi confrontanti con algoritmi basatisu criteri di ricerca diversi.Infine l’ultima parte dell’elaborato espone le considerazioni finali.7
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALI1.1 Il trasporto di merci via mareFin dall’antichità il mare è stato una preziosa fonte di cibo e una via per il trasporto dipersone e merci mediante vari tipi di imbarcazioni. Le differenti civiltà hanno sviluppato,migliorato e specializzato le navi utilizzate e secoli di storia del mare hanno portato unenorme progresso nella capacità, velocità e sicurezza dei mezzi. L’anno 1967 segna l’iniziodell’utilizzo dei container; il business cominciò con un servizio transpacifico, ma presto sidiffuse in tutto il mondo accelerando di fatto la crescita economica. Nel 2007, in occasionedel quarantesimo anniversario dell’evento, 23 tra le società leader nel mondo dei trasportivia mare hanno istituito il Servizio di Informazione sulla Spedizione dei Container (CSIS),un’organizzazione che mira a fornire un’unica fonte di dati e informazioni che valorizzi eillustri i vantaggi della containerizzazione nella crescita economica mondiale.FIGURA 1: NAVE PORTACONTAINER DELLA COMPAGNIA EVERGREENLe merci sono trasportate in tutto il mondo principalmente da compagnie di navigazionespecializzate che operano attraverso una sede centrale e una rete di agenzie locali. Le mercitrasportate possono essere divise in cinque principali categorie che determinano il tipo dinave e le strutture portuali specializzate da utilizzare: liquidi, gas, carico solido alla rinfusa,merci generali e containerizzate. In questo ultimo caso le compagnie di navigazione nonhanno solo le proprie imbarcazioni ma anche i container. I vari tipi di merci possono ancheessere contenuti in differenti mezzi di trasporto terrestre (camion, vagoni ferroviari) chesono poi trasportati su traghetti o navi.8
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI “FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI PORTUALI1.2 I containerIl bisogno di incrementare il volume e la velocità per il trasporto delle merci e di ridurre icosti e i rischi di gestione ha portato all’utilizzo di container standard e di dimensioni ridotteche possono essere caricati sui tre principali mezzi di trasporto: camion, carro ferroviario enave. Questo sistema iniziò ad operare intorno al 1930 e fu ampiamente utilizzato durantela Seconda Guerra Mondiale per le richieste militari.Il container è definito come un’unità di trasporto di merci, dotato di d
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