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SCUOLA POLITECNICA
Tesi di Dottorato di Ricerca in Ingegneria delle
macchine e dei sistemi per l’energia, l’ambiente e i
trasporti.
Curriculum:
Ingegneria dei sistemi di trasporto e logistici
XXXI Ciclo
MODELLI ED ALGORITMI PER L’OTTIMIZZAZIONE DI
“FREIGHT HANDLING” IN TERMINAL LOGISTICI
PORTUALI
Candidato: Francesco Rebora
Tutor: Prof.ssa Angela Di Febbraro
Relatori: Prof.ssa Angela Di Febbraro
Prof. Davide Giglio
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Indice
1. Introduzione ... 6
1.1 Il trasporto di merci via mare ... 8
1.2 I container ... 9
1.3 Caratteristiche di un terminal container ... 10
1.4 Unità di movimentazione container di banchina ... 14
1.5 Unità di movimentazione container di piazzale ... 15
1.6 La pianificazione e la gestione di un terminal container ... 16
2 Stato dell’arte ... 17
2.1 Ottimizzazione dei processi operativi ... 17
2.1.2 Problema di progettazione di un terminal container ... 18
2.1.3 Problema di pianificazione operativa del terminal container ... 20
2.2 Problemi di ottimizzazione ... 22
2.2.1 Stowage planning ... 22
2.2.2 Berth allocation problem ... 26
2.2.3 Quay crane scheduling and assignment problem ... 30
2.2.4 Yard management problem ... 34
2.2.5 Horizontal transport operation problem ... 38
2.2.6 Yard crane scheduling problem ... 41
2.3 Riepilogo ... 45
3. Formalizzazione delle problematiche di “Freight Handling” considerate ... 53
3.1 Problematiche relative allo Stowage Planning in un terminal di tipo LO-LO ... 53
3.2 La ricerca e movimentazione auto in un terminal di tipo RO-RO... 56
3.2.1 Fase 1: modellazione del problema di carico, scarico e ricerca auto ... 56
3.2.2 Fase 2: problema di ottimizzazione: algoritmo di ricerca dell’auto su base probabilistica... 71
4. Le simulazioni ad eventi discreti ... 76
4.1 Il software ExtendSim® ... 79
4.1.1 I blocchi “Item” ... 79
4.1.2 I blocchi “Value” ... 81
5. Problematiche relative allo Stowage Planning: caso studio in terminal LO-LO .... 82
2
5.2 Costruzione ed applicazione del modello: scambio dati tramite Sea Traffic
Management (STM) ... 83
6. Gestione del piazzale in terminal RO-RO – il caso di AET Terminal ... 89
6.1 Localizzazione di AET ... 89
6.2 Cenni storici ... 91
6.3 Operazioni, aree e layout ad Antwerp Euroterminal ... 92
6.4 Mezzi di trasporto che transitano in AET ... 95
6.4.1 Navi ... 95
6.4.2 Chiatte ... 95
6.4.3 Camion e bisarche ... 96
6.4.3.1 Cargo Measurement System (CMS) ... 97
6.4.4 Treni ... 98
6.5 Unità operative ... 99
6.6 Problematiche specifiche di AET ... 100
6.7 Movimentazione di auto e bisarche ... 101
6.7.1 Descrizione della procedura di ricerca e carico auto ... 102
6.7.2 Percorso gate – parcheggio ... 104
6.7.3 Percorso per raggiungere il settore corretto ... 107
6.7.4 Ricerca delle auto ... 109
6.7.5 Spostamento della bisarca ... 111
6.7.6 Spostamento delle auto di intralcio ... 111
6.7.7 Carico delle auto ... 112
6.8 Possibili soluzioni e tecnologie per l’ottimizzazione ... 112
6.9 Creazione del modello ... 113
6.9.1 I parte di simulazione - Ingresso bisarche ... 113
6.9.2 II parte di simulazione – percorso verso i parcheggi ... 114
6.9.3 III parte di simulazione – ricerca dell’auto ... 115
6.9.4 IV parte di simulazione - procedura per il carico dell’auto ... 116
6.9.5 V parte di simulazione – ricerca nei diversi settori ... 117
6.9.6 VI parte di simulazione - percorso verso l’uscita ... 119
6.10 Modifiche al modello per la simulazione di procedure diverse ... 121
6.10.1 Simulazione dell’introduzione di sensori di localizzazione ... 121
6.10.2 Simulazione del carico di auto con ordine prestabilito ... 121
3
6.12 Situazioni e configurazioni analizzate ... 123
6.13 Dati estrapolati e analisi dei risultati ... 124
6.13.1 Tempo medio di permanenza della bisarca all’interno del terminal (Tp) .... 124
6.13.2 Occupazione media settimanale del piazzale (Ts) ... 126
6.13.3 Tempo perso (Tf) dai camion fermi mentre l’autista cerca nel settore sbagliato 126 6.13.4 Simulazione finale con traffico reale ... 127
7 Algoritmo di ricerca dipendente da probabilità e costi minimi ... 129
7.1 Definizione del caso studio ... 129
7.2 Descrizione dell’algoritmo PBC e confronto ... 135
7.3 Confronto degli algoritmi ... 141
8. Conclusioni ... 146
9. Bibliografia ... 148
Lista delle Figure
FIGURA 1: NAVE PORTACONTAINER DELLA COMPAGNIA EVERGREEN ... 8FIGURA 2: CONTAINER DA 40' E 20' ... 9
FIGURA 3: ANATOMIA DI UN CONTAINER ... 10
FIGURA 4: TERMINAL PORTUALE DI AMBURGO ... 11
FIGURA 5: GATE DEL TERMINAL CONTAINER DI WILMINGTON (USA) ... 11
FIGURA 6: AREA OPERATIVA DI BANCHINA (1) E AREA DI STOCCAGGIO CONTAINER (3); AL CENTRO, LA ZONA DI MOVIMENTAZIONE (2)... 13
FIGURA 7: GRU A PORTALE PER IL CARICO/SCARICO DEI CONTAINER ... 14
FIGURA 8: CARRELLO CAVALIERE ... 15
FIGURA 9: REACH STACKER ... 15
FIGURA 10: CARRELLO FRONTALE ... 15
FIGURA 11: TRATTORE A RALLA ... 15
FIGURA 12.RIASSUNTO DELLA PROGETTAZIONE DEL TERMINAL ... 19
FIGURA 13.PROBLEMI DI PIANIFICAZIONE DI UN TERMINAL CONTAINER. FONTE (C.BIERWIRTH, F.MEISEL EUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONAL RESEARCH 202) ... 21
FIGURA 14.SCHEMA DI STRUTTURA RETROATTIVA AD ANELLO ... 51
FIGURA 15.SCHEMA DELLA FASE DI PRE-ELABORAZIONE ... 51
Figura 16. PASSI DEL PROCESSO ... 54
FIGURA 17: PASSI DEL PROCESSO CON RICHIESTE DI MODIFICHE AL PIANO ... 55
FIGURA 18: SCARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [1/2] ... 57
Figura 19. SCARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [2/2] ... 58
FIGURA 20:CARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO[1/2] ... 59
FIGURA 21:CARICO AUTOVEICOLI IN MODALITÀ RO-RO [2/2]... 60
FIGURA 22:ARRIVO CAMION AL GATE RO-RO [1/3] ... 62
4
FIGURA 24:ARRIVO CAMION AL GATE RO-RO [3/3] ... 64
FIGURA 25:OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [1/4] ... 65
FIGURA 26:OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [2/4] ... 66
FIGURA 27:OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [3/4] ... 67
FIGURA 28:OPERAZIONI CARICO/SCARICO RO-RO [4/4] ... 68
FIGURA 29:USCITA CAMION DAL GATE RO-RO [1/2] ... 69
FIGURA 30:USCITA CAMION DAL GATE RO-RO [2/2] ... 70
FIGURA 31: SCHEMA DEGLI EVENTI IN FASE DI SIMULAZIONE ... 77
FIGURA 32.BLOCCHI "ITEM" UTILIZZATI ... 79
FIGURA 33.BLOCCHI "VALUE" UTILIZZATI ... 81
FIGURA 34.PRINCIPI BASE DEL PROGETTO STM... 82
FIGURA 35. INTERFACCIA DEL MODELLO ... 84
FIGURA 36. MODELLO DELLO STATO ATTUALE ... 84
FIGURA 37. GRAFICO DEL TEMPO PERSO ... 85
FIGURA 38. LOGICA DELLO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE ... 87
FIGURA 39. IMPLEMENTAZIONE DELLO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE... 88
FIGURA 40. ESPLOSIONE DEL BLOCCHETTO SCAMBIO DATI IN FASE DI NAVIGAZIONE ... 88
FIGURA 41. LOCALIZZAZIONE DI ANTWERP EUROTERMINAL ... 90
FIGURA 42.VEDUTA AEREA DI ANTWERP EUROTERMINAL... 91
FIGURA 43.LAYOUT AET ... 92
FIGURA 44.PIANTA AET, PARTE SINISTRA ... 93
FIGURA 45. PIANTA AET, PARTE DESTRA ... 93
FIGURA 46. GRANDE HALIFAX (PCTC) NEL PORTO DI SAVONA ... 95
FIGURA 47. CHIATTE PRESSO AET SCARICATE CON GRU A CAVALLETTO.[FOTO ARCHIVIO AET] ... 96
FIGURA 48. VAGONE FERROVIARIO SCARICATO DA UNA CHIATTA UTILIZZANDO UNA GRU MOBILE. [FOTO ARCHIVIO AET] ... 96
FIGURA 49. IL SISTEMA CMS APPENA INSTALLATO AL GATE 2.[FOTO ARCHIVIO AET] ... 98
Figura 50. TRENO IN ARRIVO AD AET DAGLI STABILIMENTI FIAT IN POLONIA.[FOTO A.PIANETTI]... 99
FIGURA 51.VEDUTA DI UNA PARTE DEL PIAZZALE AET DA SUD-OVEST.[FOTO ARCHIVIO AET] ... 101
FIGURA 52. SCHEMA PROCEDURA DI RICERCA E CARICO AUTO SU BISARCHE ... 103
FIGURA 53. SUDDIVISIONE E NUMERAZIONE PARCHEGGI ... 104
FIGURA 54. PERCORSI E SENSI DI MARCIA, PARTE OVEST ... 105
FIGURA 55. PERCORSI E SENSI DI MARCIA, PARTE EST ... 105
FIGURA 56. PERCORSO GATE - PARCHEGGIO EUROMED1 ... 106
FIGURA 57. PARTE DEL PARCHEGGIO EUROMED1- VISTA DAL SATELLITE [IMMAGINE DA GOOGLE MAPS] ... 107
FIGURA 58. PERCORSO: PUNTO PIÙ VICINO AL GATE - SETTORE CENTRALE DELLA TERZA FILA - PUNTO PIÙ VICINO AL GATE ... 108
FIGURA 59. PERCORSO DI RICERCA DELL'AUTO, NEL CASO NON SIA NEL SETTORE A ... 110
FIGURA 60. I PARTE SIMULAZIONE ... 113
FIGURA 61. II PARTE SIMULAZIONE ... 114
FIGURA 62.III PARTE SIMULAZIONE (CALCOLO TEMPI DI RICERCA) ... 115
FIGURA 63.III PARTE SIMULAZIONE (RICERCA SETTORE A)... 115
FIGURA 64. IV PARTE SIMULAZIONE (CARICO AUTO) ... 116
5
FIGURA 66. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORE B) ... 117
FIGURA 67. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORI B E C) ... 118
FIGURA 68. V PARTE SIMULAZIONE (SETTORI D E E) ... 118
FIGURA 69. VI PARTE SIMULAZIONE ... 119
FIGURA 70. MODELLO TOTALE ... 120
FIGURA 71. SIMULAZIONE IN PRESENZA DI SENSORI ... 121
FIGURA 72. SIMULAZIONE CARICO CON ORDINE PRESTABILITO ... 122
FIGURA 73.PARCHEGGIO CONSIDERATO PER IL CASO STUDIO ... 129
FIGURA 74.GRAFO DI RIFERIMENTO ... 130
FIGURA 75. MATRICE DEI COSTI DI ARCO ... 132
FIGURA 76 COMBINAZIONI DI POSSIBILI SCENARI DI PARTENZA ... 134
Lista delle Tabelle
Tabella 1. Lista degli autori relativi agli articoli scientifici che sono stati analizzati, in funzione dei vari problemi di ottimizzazione. ... 46Tabella 2 Caso di studio, dati di input ... 85
Tabella 3 Tempo perso per valori di 65 movs/h delle gru ... 86
Tabella 4 Tempo perso per valori di 75 movs/h delle gru ... 86
Tabella 5 Tempo perso per valori di 90 movs/h delle gru ... 86
Tabella 6 Percorso gate - parcheggio EUROMED 1... 106
Tabella 7: Tempi totali mediati percorso: gate di ingresso – settore qualsiasi del parcheggio EUROMED 1 ... 109
Tabella 8: Tempi di spostamento delle auto di intralcio ... 112
Tabella 9: Scenari analizzati ... 123
Tabella 10 Tp: tempo di permanenza medio delle bisarche all’interno del terminal ... 125
Tabella 11 Ts: occupazione settimanale media del piazzale ... 126
Tabella 12 Tf: tempo perso dalle bisarche ferme, mentre l’autista cerca nel settore sbagliato ... 127
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1. Introduzione
La crescita del commercio mondiale ha portato a progressi nelle strutture di movimentazione e ha sviluppato l'attività di trasporto in modo proporzionale al progresso commerciale e industriale. In particolare, la flotta mondiale di container cargo ha triplicato la propria capacità nell'ultimo decennio sia in termini numerici che di volume. Le navi attuali hanno capacità di 13.000-15.000 TEU e le nuove classi di navi raggiungono anche i 22.000 TEU. È evidente che tali iniziative nel settore della navigazione consentono economie di scala del tutto nuove. È anche evidente che le dimensioni delle navi e i relativi costi operativi richiedono una gestione commerciale ottimale, espressa in rotte veloci tra paesi lontani (Ocean Services) e un numero limitato di porti (Malchow, 2014). Le dimensioni delle navi e i loro costi di gestione influenzano i terminal container, che sono alla ricerca di automazione per migliorare le loro prestazioni (Martín-Soberón et al., 2014); tuttavia, i porti marittimi devono aggiornare continuamente i propri sistemi per garantire la gestione e lo stoccaggio specializzati dei container. La gestione dei terminal richiede una grande organizzazione con un sofisticato sistema IT per il monitoraggio dei movimenti dei container: ad esempio, dallo scarico alla consegna, registrando i giorni di archiviazione nel terminale. Le operazioni di movimentazione di container sono eseguite da gru speciali che, favorite dalla standardizzazione di dimensioni e sistemi di sollevamento, possono raggiungere alte velocità operative di sollevamento e movimentazione.
L'aumento della capacità e delle dimensioni delle navi portacontainer ha reso necessario l’adattamento delle gru sia in altezza che in lunghezza del braccio di lavoro (International Forum Forum Report, 2015). Ciò consente alle navi di ultima generazione di operare con 23 file di container sul ponte.
I terminal portuali attualmente utilizzano sistemi informatici (IT) per gestire completamente i dati e i movimenti dei container. La maggior parte delle informazioni viene elaborata secondo lo standard EDIFACT (Electronic Data Interchange for Administration Commerce and Transport), che consente lo scambio di dati con le navi (piano dell'alloggiamento), l'ottimizzazione della posizione del container, la definizione delle sequenze di carico / scarico (piano di stivaggio) ed il monitoraggio del container in tempo 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 propri requisiti di informazione e documentazione. Lo standard EDIFACT fornisce un insieme di regole di sintassi per definire un protocollo di scambio interattivo e fornisce una serie di messaggi standard che consentono lo scambio multi-paese e multi-settore di documenti aziendali elettronici. EDIFACT è ampiamente utilizzato in tutta Europa e ha visto qualche adozione nella regione ASPAC (Asia-Pacifico) (anche se attualmente ci sono più standard basati su XML che vengono utilizzati oggi). Quindi, questi messaggi sono ora in uso in tutto il mondo e consentono lo scambio multi-paese e multi-settore.
Tuttavia il l trasporto marittimo coinvolge molte parti interessate, le cui decisioni e azioni riguardano l'intera catena logistica del trasporto containerizzato. In questo contesto, i porti svolgono un ruolo cruciale, poiché le loro prestazioni operative determinano la qualità del trasporto containerizzato. I processi portuali devono essere coordinati e ottimizzati, non solo durante la pianificazione, ma anche nelle fasi operative di gestione. In effetti,
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oggigiorno lo scambio di documenti nel trasporto marittimo è decisamente troppo frammentato. Di conseguenza, gli approcci marittimi sono spesso non coordinati. Tale mancanza di coordinamento nello scambio di informazioni tra tutti gli attori coinvolti provoca 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 di informazioni organizzato, basato su tecnologia esistente ed efficiente, possa portare ad una migliore gestione dell’operatività.
Verranno presentati diversi casi studio riguardanti processi operativi e problematiche di terminal 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 ai problemi di ottimizzazione che interessano un terminal container. In particolare, viene riscontrato un importante incremento di interesse da parte della ricerca scientifica a partire dagli ultimi anni; tale sviluppo è aumentato in parallelo con il fenomeno del “gigantismo navale”. Questo aumento di capacità ha generato delle problematiche di gestione e soprattutto di movimentazione da parte dei terminal portuali, i quali si sono trovati di fronte alla necessità di dover ricercare delle soluzioni che permettano di incrementare la propria efficienza, garantendo un elevato livello di servizi.
Successivamente verranno presentati i casi studio, sviluppati tramite modelli ad eventi discreti:
Il primo descrive una fase intermedia di perditempo che può verificarsi durante la pianificazione del carico/scarico di una nave in terminal LO-LO. Dopo una descrizione dello stato attuale verrà presentata l’idea, anch’essa implementata, per ovviare al problema facendo un rapido riferimento al progetto europeo Sea Traffic Management (STM), che presenta un tipo di piattaforma innovativa in grado di gestire lo scambio dati in tempo reale.
Il secondo pone un focus su un terminal di tipo RO-RO con riferimento al Terminal AET di Anversa. In questo caso verrà presentata la problematica di ricerca dell’auto da parte dei camionisti che entrano nel terminal per prelevarle e distribuirle. Verrà presentato un modello dello scenario attuale e una possibile soluzione legata ad una localizzazione certa dei veicoli con conseguente miglioramento dell’efficienza sia del terminal stesso che del singolo autista che di fatto perde meno tempo nella ricerca.
Infine, viene presentato un algoritmo che affronta ancora più in dettaglio il problema 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 di spostamento a partire da una certa origine. L’algoritmo permette, data una posizione 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 desiderata nel minor tempo possibile. I risultati saranno poi confrontanti con algoritmi basati su criteri di ricerca diversi.
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1.1 Il trasporto di merci via mare
Fin dall’antichità il mare è stato una preziosa fonte di cibo e una via per il trasporto di persone 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 un enorme progresso nella capacità, velocità e sicurezza dei mezzi. L’anno 1967 segna l’inizio dell’utilizzo dei container; il business cominciò con un servizio transpacifico, ma presto si diffuse in tutto il mondo accelerando di fatto la crescita economica. Nel 2007, in occasione del quarantesimo anniversario dell’evento, 23 tra le società leader nel mondo dei trasporti via 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 e illustri i vantaggi della containerizzazione nella crescita economica mondiale.
Le merci sono trasportate in tutto il mondo principalmente da compagnie di navigazione specializzate che operano attraverso una sede centrale e una rete di agenzie locali. Le merci trasportate possono essere divise in cinque principali categorie che determinano il tipo di nave 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 non hanno solo le proprie imbarcazioni ma anche i container. I vari tipi di merci possono anche essere contenuti in differenti mezzi di trasporto terrestre (camion, vagoni ferroviari) che sono poi trasportati su traghetti o navi.
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1.2 I container
Il bisogno di incrementare il volume e la velocità per il trasporto delle merci e di ridurre i costi e i rischi di gestione ha portato all’utilizzo di container standard e di dimensioni ridotte che possono essere caricati sui tre principali mezzi di trasporto: camion, carro ferroviario e nave. Questo sistema iniziò ad operare intorno al 1930 e fu ampiamente utilizzato durante la Seconda Guerra Mondiale per le richieste militari.
Il container è definito come un’unità di trasporto di merci, dotato di dispositivi (raccordi angolari) che consentono il sollevamento e il fissaggio sul mezzo di trasporto di riferimento. Le dimensioni standard dei container sono 20 piedi e 40 piedi e hanno le seguenti caratteristiche:
20’– larghezza: 2.438 m – altezza: 2.591 m – lunghezza: 6.058 – volume interno: 33 m3
40’– larghezza: 2.438 m – altezza: 2.591 m – lunghezza: 12.192 m – volume interno: 66 m3
I container sono fatti di acciaio per bisogno di solidità, inoltre non devono essere troppo pesanti rispetto al carico trasportato. Gli standard ISO (International Standardization Organization) classificano altri tre container di lunghezze maggiori usati principalmente negli Stati Uniti e in determinate aree geografiche:
45’ (lunghezza: 13.7 m) introdotti nel 1980 48’ (lunghezza: 14.6 m)
53’ (lunghezza: 16.2 m) introdotti nel 2007
Esigenze speciali di commercio hanno spinto verso la realizzazione di altri tipi di container (contenitori cisterna per il trasporto di liquidi, container refrigerati per merce che necessita di viaggiare a temperatura controllata, ecc.).
Il container da 20 piedi è usato come unità di misura di base per la misurazione degli slot delle navi portacontainer e porta l’acronimo di TEU (Twenty-foot Equivalent Unit). La standardizzazione si estende anche all’identificazione dei container con un codice alfanumerico di quattro lettere (prefisso) e sette numeri (numero di serie) l’ultimo dei quali è utilizzato per il controllo dei dati. Le marcature di codice seguono regole speciali che
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dipendono dalla compagnia a cui appartengono i container e identificano il proprietario, la nazionalità, il tipo e le dimensioni dei contenitori.
1.3 Caratteristiche di un terminal container
Un terminal container è una impianto fisso in cui vengono gestiti e movimentati i container marittimi al fine di cambiarne modalità di trasporto. Generalmente un terminal container viene associato alla movimentazione di container fra navi portacontainer e fra navi e veicoli terrestri, quali treni o camion; in questi casi è definito terminal container marittimo. Analogamente la movimentazione può avvenire fra veicoli terrestri, tipicamente tra treno e camion, in tale circostanza è definito terminal container interno, solitamente un interporto.
I terminal, essendo il fulcro del trasporto dei container, giocano un ruolo speciale nelle vie di comunicazione nazionali ed internazionali e vengono, per questo, localizzati solitamente in prossimità delle più importanti città.
I terminal container marittimi costituiscono una porzione di porto ed i più grandi sono ovviamente situati all'interno dei porti maggiori per estensione e commercio.
I terminal container interni tendono ad essere situati nelle vicinanze di grandi città, con ottimi collegamenti ferroviari verso i terminal container marittimi.
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Le strutture e le caratteristiche principali di un terminal container possono essere così individuate, partendo dalla normale suddivisione della sua superficie in 4 zone:
la prima zona è rappresentata da un ingresso al terminal (gate), dove vengono svolti sia i controlli e la registrazione dei contenitori, sia le pratiche amministrative e doganali in entrata e uscita. All’interno di questa prima area sono generalmente previsti gli uffici amministrativi per la Guardia di Finanza, per la Dogana, una torre di controllo, ecc.;
la seconda zona viene configurata come un’area di movimentazione per i vagoni o
per i camion che devono ricevere o consegnare i contenitori. È caratterizzata da aree di parcheggio per i rimorchi e i trattori. Le linee e i cancelli ferroviari permettono la circolazione di navette su rotaia in entrata e uscita, le strade consentono di raggiungere i magazzini merce dove i contenitori sono posizionati per il riempimento o svuotamento del carico. Nelle vicinanze è facile trovare garage e officine di manutenzione. Le carreggiate, che dividono le varie aree di lavoro, si presentano abbastanza ampie in modo da facilitare le manovre agli automezzi e portano ai varchi di entrata e uscita;
FIGURA 4: TERMINAL PORTUALE DI AMBURGO
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la terza zona è generalmente un’area di stoccaggio dei container suddivisa in file e in tiri secondo uno schema distributivo necessario che individua la posizione dei contenitori. In modo superficiale si possono distinguere due modi di stoccaggio: nel primo i contenitori vengono posizionati su telai in modo che ad ognuno sia consentito l’accesso diretto; nel secondo i contenitori vengono impilati e accatastati a terra e di conseguenza non sono tutti accessibili in modo diretto. Al giorno d'oggi, a causa dello spazio limitato, prevale la seconda modalità di stoccaggio, mentre quella su telai la si può trovare nel Nord America.
La maggior parte dei terminal organizza lo yard in blocchi differenti in base alle caratteristiche dei container (dimensioni, reefer, vuoti) e al particolare ciclo a cui appartengono, ossia d'import o di export. Uno yard di grandi dimensioni è in grado di contenere fino a 20000 TEU. L'efficienza delle operazioni di accatastamento è determinata dalle decisioni strategiche relative alla scelta delle attrezzature di movimentazione utilizzate, dalla disposizione dei blocchi di piazzale, dalle valutazioni operative inerenti allo stoccaggio, dalla schedulazione e dall'instradamento delle attrezzature di impilamento. Queste decisioni vengono prese in funzione dello spazio a disposizione, del volume di container previsto, del tempo di sosta stabilito per i container, delle normative da parte degli organi di controllo.
la quarta zona è l’area operativa di banchina. Qui viene eseguita la movimentazione dei contenitori con mezzi speciali: le cosiddette gru portacontainer di banchina. Queste gru, favorite dalla standardizzazione delle dimensioni e dei sistemi di aggancio, possono sviluppare alte velocità operative di movimentazione. I terminal utilizzano più tipi di gru: le gru da piazzale su rotaie e quelle su ruote.
Prima che il processo operativo di carico/scarico dei contenitori inizi, la nave deve ormeggiare in banchina. Quasi sempre essa viene assegnata ad un ormeggio prima del suo arrivo. Le navi che appartengono ad uno stesso servizio di linea, di solito, vengono fatte attraccare nel medesimo punto della banchina. Dopo la definizione dell'ormeggio, prima ancora dell'arrivo della nave, si devono conoscere i movimenti totali (numero di container da sbarcare/imbarcare/riposizionare) e la loro distribuzione sulla nave in modo da definire il numero ottimale di gru di banchina necessarie per consentire le operazioni di carico/scarico.
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Un terminal container viene progettato in funzione della comune unità di trasporto merci, il container standard di 20 piedi di lunghezza. Le norme dell’International Standardization Organization definiscono i requisiti minimi di robustezza e le caratteristiche dimensionali dei container al fine di garantire la modularità del sistema e la possibilità di trasporto sui diversi mezzi. La loro robustezza strutturale consente l’impilamento dei container fino a quattro unità (e oltre) nei piazzali di stoccaggio.
Gli elementi nella struttura del container che consentono la presa da parte delle diverse apparecchiature di sollevamento sono i blocchi d’angolo, nei quali entrano appositi ganci per assicurare l’accoppiamento tra l’organo di sollevamento e il container nonché il bloccaggio del container sui veicoli.
Tutte le attrezzature dei terminal sono progettate e assemblate per movimentare i container su e giù dalle navi e posizionarli nei piazzali di stoccaggio in attesa di essere spediti o di essere raccolti. Lo spazio è il prodotto più utile in un terminal: sono necessarie vaste aree di stazionamento dove le navi possono affiancarsi. I contenitori sono impermeabili e quindi non hanno bisogno di essere depositati in aree coperte come capannoni o magazzini in banchina. Per i controlli doganali esistono invece zone specifiche coperte. I contenitori vengono impilati e divisi in due zone differenti: nella prima vengono depositati i container in esportazione, che saranno poi caricati sulla nave portacontainer; nella seconda sono depositati i container in importazione. Questi ultimi saranno poi stivati su una nave satellite che li trasferirà in un altro porto, oppure verranno caricati su camion o su navette ferroviarie per raggiungere le varie destinazioni.
La movimentazione dei contenitori viene eseguita con mezzi speciali che, favoriti dalla standardizzazione delle dimensioni e dei sistemi di aggancio, possono sviluppare alte velocità di sollevamento e spostamento. Si possono utilizzare due tecniche fondamentali di carico:
il caricamento orizzontale, secondo cui le unità di carico vengono trasbordate senza determinare un sollevamento da terra delle stesse, ma utilizzando pianali inclinati e/o trattori a spinta;
FIGURA 6: AREA OPERATIVA DI BANCHINA (1) E AREA DI STOCCAGGIO CONTAINER (3); AL CENTRO, LA ZONA DI MOVIMENTAZIONE (2)
1 2
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il caricamento verticale, secondo cui l’unità di carico (semirimorchio, cassa mobile e container) viene trasferita dal veicolo stradale a quello ferroviario o viceversa con gru o speciali carrelli sollevatori.
1.4 Unità di movimentazione container di banchina
Un moderno terminal container è dotato di gru portainer, definite quay cranes, in grado di raggiungere la cima delle navi per caricare o scaricare i contenitori. La caratteristica principale di queste gru è quella di garantire la movimentazione delle unità di carico, sia verticalmente sia orizzontalmente, a macchina ferma e di sollevare oltre 60 tonnellate. Oltre alle gru portainer solitamente sono presenti anche le gru a portale transtainer che consentono un’elevata densità di stoccaggio dei container nonché una notevole facilità
nei trasferimenti da rotaia a strada e viceversa:
Il transtainer su binari (RMG) è in grado di percorrere su e giù la banchina e si allinea esattamente alle fiancate delle navi, per raggiungere e trattare il carico. È però un attrezzo rigido, non standardizzato, che non può essere trasferito in altre parti del terminal. Consente fino a cinque altezze di stoccaggio.
Il transtainer su gomma (RTG) è invece trasferibile nel momento e nel luogo in cui si ha necessità. Lo slancio del braccio orizzontale permette ad un’unità di carico di passare dalla banchina alla nave, agganciata da un organo con quattro blocchi. Questi blocchi vanno a fissarsi sui quattro angoli del container, permettendo al contenitore di essere sollevato in modo sicuro e veloce senza che lavoratori portuali nella stiva debbano fisicamente sganciarlo (è sufficiente la presenza di un gruista che dalla propria cabina possa controllare le varie fasi lavorative che egli stesso sta coordinando).
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1.5 Unità di movimentazione container di piazzale
All’interno del terminal sono presenti anche attrezzature per la movimentazione a terra, che portano i container da e per le zone di stoccaggio/deposito e da e per le gru che caricano/scaricano le navi.
Il carrello cavaliere (o straddle carrier), che si sposta su ruote gommate autosterzanti e consente lo stoccaggio dei container fino a 2-3 metri di altezza. Compie tutte le operazioni necessarie per il sollevamento, traslazione e posizionamento dei container sia sui veicoli, che si
dispongono tra le gambe del mezzo, sia sul piazzale. Il carrello cavaliere è in grado di trasportare un container da 20’ o uno da 40’ o, in alcuni casi, due da 20’ simultaneamente.
L’impilatore, anche chiamato “gru semovente frontale” (o reach stacker) ha la caratteristica di poter movimentare le unità di carico sia verticalmente sia orizzontalmente a macchina ferma. I nuovi modelli permettono l’”impilamento” fino alla quinta-sesta altezza.
Il Carrello Frontale (o Fork Lift) innalza il container o la cassa mobile mediante movimentazione lungo guide fisse verticali. Il carrello frontale è l’unità di maggiore facilità d’uso e di maggiore mobilità anche se presenta alcuni limiti: il posizionamento del baricentro si modifica completamente tra le fasi di carico e scarico e non può effettuare movimentazione orizzontale a macchina ferma.
Il trattore a ralla serve principalmente a spostare i container da un posto all’altro del piazzale o della banchina. In alcuni terminal può anche salire e scendere dalle navi per prendere direttamente il container. Normalmente si tratta di navi RO-RO ovvero utilizzate sbarcando o imbarcando materiale rotabile. Alcuni trattori possono viaggiare
FIGURA 8: CARRELLO CAVALIERE
FIGURA 9: REACH STACKER
FIGURA 10: CARRELLO FRONTALE
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solo dentro al porto mentre altri, dotati di targa e di dimensioni standard, possono anche essere usati sulle strade o sulle autostrade.
1.6 La pianificazione e la gestione di un terminal container
La gestione di un terminal richiede un’organizzazione qualificata e un sistema informatico per la registrazione di tutti i movimenti dei contenitori quali ad esempio, nella fase di importazione, lo sbarco e la consegna, evidenziando i giorni di sosta.
La pianificazione è la fase più importante per la caratterizzazione delle operazioni di smistamento container. Solitamente l’obiettivo dei progettisti di un terminal è quello di raggiungere la massima velocità nella movimentazione dei contenitori con il numero minimo di operazioni. La chiave sta nella conoscenza del posizionamento di ogni contenitore si trova e nella pianificazione della sequenza ottima necessaria per evitare doppie movimentazioni nei porti di scarico. Computer e software sofisticati sono diventati strumenti indispensabili per i terminal che possono anche arrivare a movimentare circa 1500-2000 container al giorno. I terminal container, per esigenze operative e di riduzioni dei costi, hanno progressivamente limitato l’intervento umano nelle operazioni portuali anche nella guida dei mezzi meccanici. Ciò è stato reso possibile dallo sviluppo informatico nell’automazione dei mezzi di sollevamento e movimentazione che, grazie a sensori di riferimento e vie guidate, possono svolgere queste operazioni in modo autonomo, in minor tempo, con maggiore precisione e sicurezza.
Per l’area operativa di banchina, le principali valutazioni da attuare riguardano il tipo e il numero di gru richieste e la lunghezza della banchina stessa.
Per quanto riguarda la movimentazione all’interno del terminal il livello di progettazione comprende le decisioni sul tipo e numero dei mezzi e sulla dimensione dell'area di lavoro destinata al trasporto orizzontale.
Nell’area di stoccaggio devono essere effettuate le seguenti scelte: la tipologia di unità di movimentazione da adottare come risorse di piazzale, il numero di risorse e il layout dell’area di stoccaggio. Fondamentalmente ci sono quattro tipi di unità di movimentazione per lo spostamento delle unità di carico:
straddle carrier; gru di piazzale; carrelli elevatori; reach stacker.
La decisione della tipologia e del numero di risorse da adottare influenza la disposizione del layout di piazzale da adottare.
È inoltre fondamentale sancire le tipologie di connessioni con l'entroterra e le relative attrezzature necessarie. Lato gomma deve essere definita la capacità del gate di accesso ed uscita, mentre lato ferrovia è necessario stabilire il numero e la lunghezza dei binari sulla base delle esigenze tecniche e di domanda.
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2 Stato dell’arte
2.1 Ottimizzazione dei processi operativi
Nel paragrafo precedente è stata eseguita una rapida illustrazione su tutto ciò che riguarda un terminal container, dalle componenti ai processi produttivi, dalle funzionalità agli obiettivi, passando per la terminologia tecnica. Questa rapida overview è stata resa necessaria ai fini della comprensione dei problemi che verranno illustrati successivamente. Di seguito viene eseguita un’analisi sullo stato dell’arte riguardante i principali contributi della ricerca scientifica sull’ottimizzazione dei processi produttivi del nodo intermodale. È stata eseguita una ricerca bibliografica riguardante i processi e le soluzioni di ottimizzazione dell’area operativa di un terminal container per ogni suo sottosistema. Dal momento che all’interno di un terminal si possono individuare una moltitudine di problemi di ottimizzazione inerenti ai processi produttivi, sono stati studiati i principali problemi di ottimizzazione inerenti alla parte “sea side”, ossia dallo stoccaggio dei contenitori a piazzale fino alla pianificazione delle sequenze di carico nave. Di fatto è stata lasciata fuori dalla discussione la gestione delle connessioni tra piazzale e hinterland. Negli anni novanta veniva prestata poca attenzione al settore della logistica dei container da parte della comunità scientifica. Tuttavia a partire dagli anni 2000 ha iniziato ad acquisire una particolare attenzione e curiosità da parte del mondo scientifico e non, grazie all’enorme sviluppo del trasporto intermodale in termini di volume e di economia, e soprattutto alla grande importanza che ricopre all’interno della supply-chain. Infatti diverse centinaia di articoli di ricerca ed altre fonti scientifiche sono oggi disponibili e rivolte ai problemi relativi alla logistica del container, sia sul piano strategico di pianificazione, sia sul piano operativo. In questa sezione, vengono introdotti i più importanti problemi di pianificazione del terminal e viene data una panoramica sui modelli e metodi applicati al fine di chiarire l'applicazione delle metodologie di ricerca in questo settore. In primo luogo, è fornita una classificazione dei problemi decisionali e di programmazione che sorgono nel contesto del terminal. In secondo luogo, sono trattati i problemi e metodi scelti in materia di pianificazione del design del terminal. Successivamente, i più importanti problemi di pianificazione operativa sono discussi in dettaglio.
Si possono sviluppare numerosi problemi di pianificazione e di decisione all'interno del contesto di un nodo intermodale come il terminal, i quali possono differire in funzione del livello gerarchico interessato e del sottosistema d'interesse a cui appartengono. Pertanto, i problemi decisionali sono spesso classificati in:
livello strategico; livello tattico; livello operativo; livello real-time.
Le decisioni relative al livello strategico riguardano la progettazione dei un terminal dal punto di vista della scelta del tipo di layout e di attrezzature. Il livello tattico riguarda le decisioni sulle strutture del terminal che possono essere implementate con molte settimane o mesi (numero di attrezzature e di dipendenti). A livello operativo, vengono definite le funzioni necessarie ogni ora e ogni giorno in termini di organizzazione della forza
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lavoro e delle attrezzature da utilizzare per eseguire specifiche mansioni in funzione del carico di lavoro e delle disponibilità operative. Infine, le decisioni sul livello real-time, riguardano la risoluzione di problemi pressoché immediati a livello di tempo, che devono essere decise nel giro di pochi secondi o minuti.
Altri autori distinguono essenzialmente solo tre livelli decisionali: il livello del terminale-design, il livello di pianificazione operativa e il livello di controllo in tempo reale. Il livello di progettazione comprende tutto il precedente livello strategico così come una parte delle precedenti decisioni tattiche (ad esempio, il numero di impianti), mentre il livello operativo è costituito da gran parte delle decisioni del livello tattico. Infine il livello real-time combina il livello operativo con le decisioni del livello real-time precedente. Tra le innumerevoli classificazioni che si possono trovare nella letteratura possiamo riassumere fondamentalmente nel fatto che, ogni problema decisionale che può essere associato a uno dei quattro sottosistemi del terminal (vedi paragrafo 2.1.2) appartiene o ad un problema di design del terminal o ad un problema di pianificazione operativa.
2.1.2 Problema di progettazione di un terminal container
Generalmente in questo livello vengono comprese tutte le decisioni inerenti alla scelta del tipo di layout e delle attrezzature di un terminal container. Queste decisioni sono di solito eseguite da coloro che hanno il compito di pianificare il terminal durante la fase di progettazione iniziale di un nuovo impianto, o un ampliamento di un terminal esistente o la conversione di un terminal. Solitamente le decisioni sono prese nel rispetto della fattibilità tecnica, della redditività economica e delle prestazioni operative. Le decisioni sulla tipologia e sul numero di attrezzature, nonché il layout del terminal di solito comportano investimenti di diversi milioni di euro, perciò tali scelte non possono essere modificate facilmente entro brevi orizzonti temporali di solo alcuni mesi. In generale, la costruzione di nuovo terminal richiede alcuni anni e si ammortizza dopo 10-15 anni di funzionamento. Una volta completate le opere di ingegneria civile, devono essere prese le decisioni sui tipi di attrezzature e di mezzi tenendo in considerazione che verranno utilizzate per un periodo di tempo pari a qualche decennio. Inoltre a causa dei lunghi tempi di consegna, anche il numero di alcuni mezzi non può essere modificato nel giro di pochi mesi. Complessivamente, gli effetti delle decisioni che vengono prese a questo livello di progettazione sono caratterizzati da una validità e una permanenza piuttosto lunga nonché da enormi costi a livello di investimenti.
Per il sottosistema nave yard, le tre decisioni che devono essere effettuate principalmente sono: il tipo di gru di banchina, il numero di gru richiesto e la lunghezza della banchina. La decisione sul tipo di gru è il frutto di alcune scelte tecniche come la dimensione del braccio, lo spazio a disposizione, il tipo di carrello e le tecnologie da applicare allo spreader (single, twin, double, ecc). Al fine di risparmiare sui costi, i gestori del terminal inizialmente cercano di contenere la lunghezza della banchina ed il numero di gru in modo tale che il throughput annuo previsto o altri indicatori di performance vengano soddisfatti da alcuni input esterni. Per il sottosistema trasporto orizzontale, il livello di progettazione comprende le decisioni sul tipo, sul numero dei mezzi e sulla dimensione dell'area di lavoro che devono essere utilizzati per il trasporto orizzontale. Le tipologie di veicoli che possono essere impiegate sono: AGV, trailer, multi-trailer, straddle carrier. Nel cercare di risparmiare sui costi, i
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gestori dei terminal di solito cercano di minimizzare il numero di veicoli di trasporto rispetto alla capacità di movimentazione dei contenitori annua desiderata.
Le seguenti decisioni devono essere effettuate nel livello di progettazione del sottosistema di stoccaggio: il tipo di apparecchiatura che si vuole adoperare nel piazzale, il numero di queste macchine e il layout dell’area di stoccaggio. Fondamentalmente ci sono quattro tipi di apparecchiature di stoccaggio che possono essere distinte e sono straddle carrier gru di piazzale, carrelli elevatori e reachstacker. Le decisioni che riguardano sia il numero di mezzi di stoccaggio, sia la scelta del layout del piazzale dipendono fortemente dal tipo di attrezzatura selezionata. La scelta sul layout del piazzale di stoccaggio non riguarda solo le sue esigenze di spazio, inoltre deve essere determinato la disposizione dei blocchi di piazzale, la lunghezza, la larghezza e l'altezza di impilamento.
Nel sottosistema yard-hinterland deve essere decisa la tipologia di connessioni con l'entroterra e le relative attrezzature necessarie. Per i terminal di transhipment puri non è necessario alcun collegamento con l'entroterra, mentre i terminal di import/export deve essere effettuata una connessione con l'entroterra. Per i vari collegamenti interni, deve essere deciso il tipo ed il numero di apparecchiature che deve essere utilizzato per il carico/scarico dei corrispondenti mezzi di trasporto. Inoltre, per i camion deve essere definita la capacità del gate, mentre per la ferrovia si deve definire il numero e la lunghezza dei binari sulla base delle esigenze tecniche e di mercato. Da notare che nel processo decisionale ci sono diverse esternalità che non devono essere trascurate come le decisioni prese da soggetti terzi (esempio Autorità Portuale, Regione, Comune…)
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2.1.3 Problema di pianificazione operativa del terminal container
In questa sottosezione, viene data una panoramica su alcuni dei più popolari problemi di pianificazione operativa di un terminal. Le decisioni sulle sequenze in cui le operazioni di trasporto devono essere eseguite dai veicoli per il trasporto orizzontale possono, per esempio, portare ad un miglioramento della produttività lorda di queste macchine. Questa ottimizzazione consentirebbe una riduzione del numero di veicoli necessari, e con essa, una riduzione dell'indice di costo per container. Pertanto, le prestazioni di un terminal e le diverse decisioni che vengono prese a livello di progettazione del terminal stesso sono fortemente influenzate da queste scelte di pianificazione operativa. I fattori chiave per un terminal container sono l'efficienza di accatastamento ed il trasporto di un grande volume di container da e verso la banchina. Alta produttività e flussi di container a basso costo dalla banchina a landside e viceversa sono di vitale importanza per un operatore di terminal al fine di competere con la concorrenza degli altri terminal. Inoltre, le compagnie di navigazione chiedono la massima affidabilità per quanto riguarda il rispetto delle date di consegna ed i tempi di lavorazione stabiliti negli accordi commerciali. Wang et al., (2006) hanno valutato che i fornitori di servizi di movimentazione container nei porti hanno una posizione contrattuale debole rispetto a quella delle compagnie di navigazione. Per questo motivo i terminal container sono costretti a fornire servizi efficienti e convenienti, cercando di investire molto in modo da soddisfare le rigorose esigenze di un servizio più veloce e superiore per quanto riguarda la qualità. Nell'ottimizzazione classica, che può essere definita come ottimizzazione offline, si presuppone che tutti i dati di input di un certo caso siano noti prima dell'attuazione dei metodi di risoluzione. Ma dal momento che in molte applicazioni le decisioni devono essere prese sulla base di informazioni incomplete o incerte, questa ipotesi risulta non essere realistica. Infatti, potrebbe succedere di dover risolvere una parte del problema generale mentre stanno ancora giungendo nuovi dati riguardanti il problema stesso. Tali situazioni di pianificazione sono definite “on-line” (Zehendner et al., 2016). Un algoritmo viene eseguito online, se le decisioni vengono prese ogni volta che una certa quantità di nuove informazioni richiede un'azione. Inoltre, le applicazioni del mondo reale spesso richiedono decisioni che devono essere fatte in tempi molto ristretti, il che significa che i problemi devono essere risolti in tempo reale. Ovviamente, la qualità della soluzione di un algoritmo online non è ottimale come quella di un algoritmo offline, in cui sono note a priori tutte le informazioni necessarie alla risoluzione. Per questo motivo si dice che un algoritmo online ottiene una soluzione subottimale rispetto a quella che può essere ottenuta da un problema offline. Quindi l'applicazione di un algoritmo offline che utilizza lo stesso set di dati nell'istante in cui gli stessi sono tutti disponibili, porterà ad una decisione ottimale che non può essere peggiore della soluzione online. Poiché questo non è possibile per situazioni online, devono essere applicati algoritmi online speciali. Indipendentemente dalla specifica formulazione del problema di ottimizzazione, i seguenti concetti si distinguono per il disegno generale di algoritmi online. Il concetto di ottimizzazione online è di grande rilevanza per il settore dei terminal container, poiché la maggior parte dei problemi di pianificazione operativa devono essere considerati in condizioni online. In larga misura, le operazioni quotidiane del terminal dipendono da processi esterni come l'arrivo delle navi, dei mezzi pensanti e dei treni. Nessuno di questi è prevedibile con certezza. Mentre le previsioni sui tempi di arrivo delle navi non possono essere completamente note a causa delle possibili condizioni meteo21
o dei ritardi di partenza dal porto precedente, i tempi di arrivo dei trucks possono essere considerati completamente imprevedibili. Oltre a questi processi esterni, anche le operazioni interne possono dar luogo ad un certo grado di incertezza. Infatti i tempi di guida e le prestazioni delle gru di banchina o degli straddle carrier o di altre attrezzature manuali sono affetti da incertezze perché dipendono dall'abilità del singolo lavoratore che le guida, mentre le operazioni dei mezzi automatizzati possono essere disturbati da eventuali fermi macchina. Inoltre, alcuni eventi dinamici come le code di lavoro delle gru di banchina o delle gru di piazzale, nonché situazioni di congestionamento dei veicoli per il trasporto orizzontale non possono essere del tutto previsto. Infatti i terminal container sono delle strutture complesse caratterizzate da diversi tipologie e quantità di apparecchiature che possono trovarsi in diverse decine di condizioni possibili. Complessivamente, le decisioni prese in anticipo rispetto al funzionamento effettivo potrebbero rivelarsi non ottimali per la situazione che successivamente si potrebbe creare, perché le situazioni di pianificazione della maggior parte dei problemi operativi sono in continuo cambiamento a causa dell’incertezza dei dati. Pertanto, la maggior parte dei problemi di funzionamento del terminale di pianificazione sono suscettibili di metodi di ottimizzazione on-line.
Nell’immagine successiva sono rappresentate in modo schematico le area di interesse dell’elaborato, che sono state definite nel punto precedente per quanto riguarda il livello strategico, e successivamente per quanto concerne il livello operativo.
FIGURA 13.PROBLEMI DI PIANIFICAZIONE DI UN TERMINAL CONTAINER. FONTE (C.BIERWIRTH,F.MEISEL EUROPEAN JOURNAL OF OPERATIONAL RESEARCH
202)
I problemi operativi di ottimizzazione di un terminal possono essere schematizzati nel seguente modo:
Stowage planning: operazione che prevede l’assegnazione ad ogni slot di una nave (baia, riga, tiro) un container di una data classe di peso, considerando anche i porti di destinazione di scarico, al fine di minimizzare il tempo totale di carico.
Quay crane scheduling problem (QCSP): definizione del carico di lavoro (baie da caricare e/o scaricare) per ciascuna gru di banchina al fine di minimizzare il tempo di servizio della nave (makespan).
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Berth allocation problem (BAP): assegnazione alle navi in arrivo una posizione nello spazio (banchina) e nel tempo (sequenza di servizio) al fine di rendere minimo il tempo totale di permanenza in porto (attesa + servizio).
Yard management: l’obbiettivo è l’assegnazione delle aree di piazzale alle linee di navigazione (Servizi) in modo tale da minimizzare le operazioni di rehandling nello yard (ovvero assegnare aree contigue a Servizi con elevata interazione).
Horizzontal transport operations: definizione per ciascun veicolo di movimentazione della sequenza di container da movimentare, in modo tale da massimizzare la produttività delle gru, o minimizzare il tempo totale di viaggio a vuoto.
Yard crane scheduling: definizione del carico di lavoro per ciascuna gru di banchina.
Per ciascuno dei punti elencati precedentemente viene eseguito un approfondimento in cui si definiscono le caratteristiche generali dell’area di interesse e la relativa analisi scientifica.
2.2 Problemi di ottimizzazione
2.2.1 Stowage planning
In passato, i piani di stivaggio venivano realizzati dal comandante della nave in questione (Sciomachen et al., 2007), ma oggi la creazione di questi piani è un processo che viene realizzato in due fasi. In primo luogo, un piano di stivaggio di massima viene realizzato dagli ship planner della linea di navigazione che considerano le posizioni di stivaggio a bordo della nave per tutti i contenitori che verranno caricati/scaricati durante il viaggio di una nave. Tuttavia i contenitori che sono pianificati in questa fase del processo non sono contenitori specifici che possono essere identificati da un ID. Inoltre, i contenitori vengono assegnati alle posizioni in base alle loro caratteristiche in termini di tipologia (secco, reefer), di dimensioni (20', 40'), di peso e di porto di destinazione (POD). Per questo motivo, in questa fase del processo, i contenitori aventi esattamente gli stessi attributi (cioè, appartenenti alla stessa categoria) sono ancora scambiabili nel piano di stivaggio. Solitamente, i piani di stivaggio che vengono creati dalle linee di navigazione hanno come obiettivo la minimizzazione del numero di scartaggi da parte delle gru lungo tutti i porti
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della rotazione della nave e il massimizzare dell'utilizzo delle navi, rispettando i vincoli sulla stabilità della nave.
In secondo luogo, sulla base del piano di stivaggio di massima eseguito dalla linea di navigazione, i ship planner del terminal container creano un piano di stivaggio più preciso utilizzando contenitori specifici che possono essere identificate da ID univoci. Tutte le caratteristiche di un container che deve essere caricato sulla nave devono “matchare” esattamente con la categoria della posizione di stivaggio assegnato dal planner della linea. Solitamente, l'obiettivo degli ship planner è quello di minimizzare il numero di mosse di riordino richieste nel piazzale di stoccaggio, che potrebbero essere causate dal piano di stivaggio nel momento in cui devesse essere caricato sulla nave un container che a piazzale è stoccato sotto un container che è stato sequenziato successivamente. Anche se i piani di stivaggio sono generalmente creati offline dai planner, ossia prima che venga avviato il processo di caricamento effettivo di una nave, la situazione di pianificazione delle operazioni di carico nave è più adatto per un'ottimizzazione online per diverse ragioni. Tuttavia, se fosse eseguita una pianificazione di stivaggio online, nessun contenitore specifico verrebbe assegnato ad una posizione sulla nave prima dell'inizio del processo di caricamento. Invece, viene selezionato un container presente in piazzale che soddisfa gli attributi richiesti e che risulta essere il più appropriato in termini di numero di movimentazioni richiesti e tempo di arrivo previsto sotto la gru di banchina prima che tale contenitore venga caricato sulla nave. Inoltre un’altra problematica della pianificazione online è dovuta dal fatto che i piani di carico prima di poter essere eseguiti devono essere approvati da parte del comandante, il quale esegue dei controlli relativi alla stabilità della nave e ha il potere di chiedere eventuali modifiche del piano. Di conseguenza, un piano di stivaggio preciso viene creato prima dell’inizio delle operazioni di carico della nave, nel momento in cui sono noti con certezza tutti i container che dovranno essere imbarcati su una determinata nave. Un piano di stivaggio fattibile deve soddisfare i vincoli di alto livello che garantiscano alla nave stabilità e una navigazione sicura, e i vincoli di basso livello riguardanti il modo in cui ciascun contenitore viene caricato in una certa posizione sulla nave. Utilizzando questa classificazione di vincoli, lo stato dell'arte relativa alla pianificazione dello stivaggio segue tipicamente una scomposizione gerarchica del problema in due fasi, il quale risulta essere migliore rispetto alla risoluzione in un’unica fase. Nella prima fase, denominata Master Planning, i container vengono distribuiti nelle sottosezioni della nave ossia le baie della nave. La distribuzione dei contenitori deve soddisfare i requisiti di navigabilità. Il pescaggio della nave deve essere entro certi limiti; per esempio. per garantire che l'elica rimanga sotto l'acqua o che la nave non si areni al fondale durante l'ormeggio. Deve essere controllato il baricentro ed il centro di gravità in modo che la nave sia stabile ed abbia un assetto regolare (dislivello tra poppa e prua). Infatti una irregolare distribuzione del carico insieme alla forma dello scafo della nave possono causare delle tensioni di stress sulla struttura della nave stessa. Esempi di questi sono momenti flettenti e di taglio, che devono rimanere entro certi limiti di tolleranza. Uno dei principali obiettivi del Master Planning è quello di ridurre al minimo i “restivaggi” in coperta, vale a dire il numero di contenitori presenti sul ponte che devono essere rimossi per ottenere l'accesso ai contenitori posizionati in stiva. Nella seconda fase, ossia la progettazione dello slot, si affina la distribuzione dei container e si identifica la posizione esatta di ciascuno contenitore in ogni slot della nave. Questa fase si occupa di vincoli di
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basso livello che disciplinano la posizione fisica dei contenitori, assicurando che il peso, l’altezza e la capacità siano soddisfatti, e che i reefers (contenitori refrigerati) vengano assegnati a posizioni dove è disponibile una presa di corrente. Il Master Planning richiede una lista di carico e i dati relativi alla nave e al porto, per lista di carico si intendono tutti i contenitori che dovranno essere caricati nel terminal, mentre i dati della nave e del porto comprendono informazioni sulle caratteristiche di progetto della nave e la profondità del mare. Poiché i dati di output sono un piano di stivaggio basato sulla classe (dove solo i tipi di container sono presi in considerazione), è possibile risolvere la seconda fase ossia il problema pianificazione degli slot, in modo indipendente per ogni baia della nave. Anche se questo potrebbe sembrare una semplificazione del problema, la ragione per questa via è radicata nell'ottimizzazione del terminal. Dato un piano di stivaggio basato sulle classi, i terminal possono ottimizzare la sequenza di carico dei contenitori e quindi ridurre ulteriormente i tempi della nave in porto. Poiché il Master Planning non prende in considerazione i vincoli di impilamento, vi è la possibilità che i conseguenti problemi di Slot Planning non siano realizzabili. Pacino et al., (2011) hanno gestito questo problema con una procedura di post-ottimizzazione per cui i contenitori vengono rimossi dalle soluzioni fino a raggiungere una pianificazione fattibile. Alcuni autori dimostrano anche che il numero di contenitori restivati è talmente basso che non sono necessari più iterazioni di decomposizione.
Nell'elaborato di Delgado et al., (2012), si propone un modello di programmazione vincolata che è in grado di trovare soluzioni ottimali in tempi di calcolo molto brevi, ed i risultati hanno dimostrato di superare quelle di una formulazione matematica. Il modello include dei propagatori costruiti su misura e dei valutatori di soluzione parziali per migliorare la ricerca del branch & bound. I propagatori sono algoritmi utilizzati ripetutamente durante la ricerca che aiutano a rimuovere i valori irrealizzabili dal dominio di ogni variabile, mentre i valutatori di soluzioni parziali sono limiti inferiori calcolati sull'assegnazione di variabili parziali che possono aiutare a rimuovere delle soluzioni dalla ricerca. Il modello, inoltre, utilizza la canalizzazione dei vincoli che sono delle relazioni binarie utilizzate per unire due modelli differenti: in questo caso specifico, si ha un modello in cui le variabili decidono quale container deve essere assegnato ad uno slot e un altro modello in cui le variabili decidono quale slot assegnare ad un contenitore. Se un propagatore rimuove un valore irrealizzabile dal dominio di una variabile in un modello, il vincolo canalizzazione rimuove il valore corrispondente nell'altro modello. L'approccio proposto in Delgado et al, tuttavia, non è robusto e non riesce a trovare soluzioni in un certo numero di casi.
Parreno et al., (2016) hanno cercato di trovare una soluzione per quanto riguarda il problema di pianificazione degli slot (Slot Planning), ossia la seconda fase. Partendo dal problema elaborato da Delgado et al., (2012) e Pacino et al., (2012) lo hanno sviluppato includendo i vincoli relativi alle merci pericolose (IMO) e cercando di massimizzare il carico caricato. Pertanto, dato un insieme di contenitori da caricare in una baia, una soluzione praticabile deve soddisfare i seguenti vincoli:
I container devono essere impilati (contenitori poggiano su uno sopra l'altro); I container da 20’ non possono essere impilati sopra i container da 40’ (in realtà
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I container da 20’ reefer devono essere posizionati in slot dedicati ai reefer; La lunghezza di una cella deve essere soddisfatta, ossia alcune celle contengono
solo container da 20’ e altri 40’;
La somma delle altezze e la somma dei pesi dei contenitori stivati in una pila devono essere entro certi limiti;
Tutti i contenitori presenti a bordo non possono essere spostati;
Le norme IMO devono essere soddisfatte, ossia le distanze che devono essere rispettate per carichi incompatibili. Sono state definite 4 categorie IMO.
Secondo le regole di stivaggio, la pianificazione di slot ottimale deve minimizzare la somma ponderata dei seguenti obiettivi:
1. Ridurre il numero di contenitori lasciati fuori della soluzione. Viene pagato un costo unitario per ogni contenitore lasciato fuori dalla soluzione.
2. Minimizzare i restivaggi, e viene pagato un costo unitario per ogni contenitore restivato.
3. Evitare pile con i contenitori con destinazioni in porti diversi. Viene pagato un costo unitario per ogni porto di scarico incluso in una pila.
4. Ottimizzare gli spazi riempendo completamente le pile se possibile. Viene pagato un costo unitario per ogni pila utilizzato.
5. Evitare di caricare i contenitori non refrigerati in slot reefer. Viene pagato un costo unitario per ogni slot reefer occupato da un non reefer.
Hanno studiato il problema di pianificazione degli slot e sono state introdotte due caratteristiche che non venivano prese negli studi precedenti. Ossia la minimizzazione dei contenitori restivati e la possibilità che alcuni container rimangano fuori dalla baia e le regole di sicurezza per le merci pericolose. È stata sviluppata una nuova programmazione matematica intera che ottiene risultati migliori rispetto ad altri modelli interi esistenti, anche se i risultati computazionali mostrano che non è adatto per risolvere casi reali in cui sono richiesti tempi computazionali brevi. Perciò è stato sviluppato un algoritmo greedy randomized adaptive search procedure (GRASP), combinando le procedure costruttive, strategie di randomizzazione, e manovre di miglioramento. Hanno effettuato uno studio computazionale, utilizzando esempi sperimentali disponibili in letteratura e una nuova serie di casi con caratteristiche diverse. L'algoritmo GRASP può essere utilizzata come una scatola nera, senza un ulteriore settaggio di parametri, ed i risultati mostrano che si comporta bene su tutti i tipi di casi implementati, migliorando risultati precedentemente riportati. La movimentazione dei container di scarico e l'inclusione di regole di segregazione per carichi pericolosi contribuisce all'applicabilità di una pianificazione di stivaggio ottimizzata nel settore dei trasporti marittimi. In ricerca futura è necessario risolvere un problema di pianificazione degli slot più generale in cui la soluzione della fase di Master Planning non è data come una serie di contenitori specifici assegnati ad una certa baia, ma come un numero di contenitori di ciascun porto, lunghezza e classe di peso assegnata ad ogni baia. Ciò comporta una fase di assegnazione dei contenitori di baie, oltre al problema di caricamento per ogni vano. Il problema è più complesso, ma anche più realistico, e potrebbe essere affrontato utilizzando uno schema metaeuristico simile a quello utilizzato in questo studio.
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2.2.2 Berth allocation problem
Nei grandi terminal container internazionali diverse decine di navi arrivano ogni settimana e ognuna di esse necessita l’ormeggio presso la banchina del terminal. La capacità di ormeggio è limitata dalla lunghezza della banchina stessa. Il problema dell'assegnazione degli ormeggi è quella di assegnare a tutte le navi determinate porzioni della banchina prendendo in considerazione le corrispondenti lunghezze delle navi ed i tempi di servizio in modo tale che non vi sia alcuna sovrapposizione in qualsiasi punto fisico e istante temporale. Il problema dell'assegnazione degli ormeggi può essere trattato come un caso discreto o continuo. Nel caso discreto, sono disponibili solo un numero finito di posti (ad esempio, 1 posti: 0-250 m; 2 posti:250-550m,), mentre, nel caso continuo, una nave può attraccare in qualsiasi punto lungo banchina (per esempio tra 200 e 450). Gli arrivi delle mega navi sono di solito conosciuti con un tempo di anticipo di diversi mesi, il che consente una pianificazione lungimirante delle prenotazioni d'ancoraggio. Mentre gli arrivi delle navi di dimensioni più piccole sono note solo poco tempo prima dell’arrivo effettivo in banchina. In generale, le decisioni relative all'assegnazione dell'ormeggio sono realizzati principalmente con gli obiettivi di ridurre al minimo il tempo di ancoraggio delle navi in banchina se possibile e di massimizzare la produttività dei mezzi operativi del terminal. Spesso si tenta di agevolare quest'ultimo obiettivo assegnando dei punti di attracco relativamente vicino alle zone del piazzale dove sono accatastati, all'interno dei blocchi, la maggior parte dei contenitori previsti per il caricamento sulla nave in questione. In questo modo i tempi di guida dei mezzi impiegati per il trasporto orizzontale sono ridotti, inoltre la produttività delle attrezzature viene migliorata e il tempo di ormeggio della nave può essere ridotta. Ma le decisioni relative all'assegnazione dei posti devono tenere in considerazione i requisiti tecnici delle navi e le limitazioni tecniche dei posti di ormeggio. Ad esempio in funzione della resistenza meccanica delle bitte potrà variare la stazza massima della nave che può essere ormeggiata in un determinato punto. Inoltre, non tutte le navi possono essere servite in qualsiasi punto di attracco a causa della lunghezza della trave della gru di banchina o delle relative capacità. Inoltre, per prendere le decisioni di assegnazione degli ormeggi si deve considerare il numero delle gru disponibili per tutte le zone della banchina. Infatti il tempo di ormeggio della nave e con essa l'istante di tempo in cui l'ormeggio diventa disponibile per la nave successiva è direttamente interessato dal numero delle gru di banchina e dalla loro distribuzione.
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Nel BAP ci viene dato il layout della banchina di un terminal con i relativi punti di ormeggio e l'insieme di una serie di imbarcazioni che devono essere lavorate nell'orizzonte di programmazione. Per ogni nave possono essere noti dati aggiuntivi, come la lunghezza della nave compreso le distanze di lasco, il pescaggio, l'orario di arrivo previsto e il tempo di lavorazione. Tutte le navi devono essere ormeggiate entro i confini della banchina e non sono autorizzate ad occupare lo stesso spazio di banchina nello stesso istante temporale. Quindi il problema è quello di assegnare una posizione e un tempo di attracco per ciascuna nave, tale da ottimizzarne una determinata funzione obiettivo. Si è dimostrato come la pianificazione degli ormeggi sia un problema NP-hard.
Ci possono essere ulteriori attributi che possono essere coinvolti nell'assegnazione degli ormeggi, i quali consentono la formulazione di una moltitudine di BAP. Infatti si possono distinguere:
Attribuiti spaziali: riguardano il layout dell’ormeggio che può essere, come già accennato precedentemente, discreto, continuo e ibrido. Nel caso discreto la banchina viene partizionata in ormeggi e solo una nave può essere servita ad ogni singolo ormeggio in un istante di tempo. Nel caso continuo le navi possono essere ormeggiate in punti arbitrari purché siano entro i limiti fisici della banchina. Infine il caso ibrido prevede che la banchina sia suddivisa in punti di ormeggio in cui le navi possono condividere un ormeggio oppure una nave può occupare più di un attracco.
Attributi di tempo: descrivono il processo di arrivo delle navi, che può essere statico dinamico, ciclico o stocastico. Nel caso statico si assume che tutte le navi che arrivano al porto devono attendere del tempo prima di poter essere lavorate. In contrasto, il caso dinamico in cui le navi arrivano individualmente ma i tempi di arrivo sono deterministici e questo impone dei vincoli nella fase di assegnazione degli ormeggi. Nel caso ciclico le navi approdano al terminal ciclicamente con una certa frequenza in accordo con la schedulazione della loro compagnia. Nel caso stocastico i tempi di arrivo delle navi sono parametri stocastici che possono essere definiti con delle distribuzioni stocastiche continue oppure con scenari aventi una discreta probabilità di accadimento.
Attributi sui tempi di movimentazione: descrivono il modo in cui i tempi di movimentazione della nave sono definiti come dati di input del problema. Possono essere fissi nel caso in cui questi tempi siano noti e non mutano nel tempo. Possono dipendere dalla posizione in cui ormeggiano e dai problemi di assegnazione delle gru. Infine i tempi di lavorazione, in alcune letterature recenti, sono assegnati in modo stocastico, e possono essere definiti mediante una distribuzione stocastica continua o discreta.
Mentre per quanto riguarda le misurazioni delle performance la maggior parte dei modelli considera il tempo di ormeggio in banchina di ciascuna nave, il quale può essere ottenuto mediante differenti funzioni obbiettivo come: minimizzazione del tempo di attesa prima dell’ormeggio, minimizzazione del tempo di lavorazione della nave, minimizzazione del tempo di completamento del servizio, minimizzazione dei ritardi di partenza delle navi. Altri modelli mirano a ridurre il costo di variabili operative di un terminale, ottimizzando l'utilizzo delle risorse, come gru, veicoli, piazzale, ormeggio e di manodopera. Una caratteristica che spesso viene considerata è quella di risparmiare sulla capacità di trasporto orizzontale, trovando posizioni di attracco per le navi vicino ai blocchi di piazzale di interesse.
