Integrating the optimization of quay and yard operations in container terminals

Abstract

Konteyner terminallerindeki operasyonlar birbirine çok bağımlı olsa da, geleneksel olarak bütünleşik problem, her biri tek bir operasyona odaklanan daha küçük alt problemler serisine ayrılmak suretiyle optimize edilmektedir. Son yıllarda birbirine bağlı operasyonları birlikte optimize etme ihtiyacı ve getiri potansiyeli literatürde ortaya koymuştur. Bu tezde, konteynerlere kıyı vinci atama ve çizelgeleme, saha vinci atama ve çizelgeleme ile depolama yeri atama problemlerinin optimizasyonunu içeren bütünleşik konteyner terminali operasyonları optimizasyonu problemi ele alınmaktadır. Önerilen problem limanlardaki gemi devir zamanlarını en aza indirmeyi ve terminal işlemlerinde önemli ekonomik faktörlerden biri olan verimliliği (belirli bir zamanda elleçlenen konteyner sayısını) maksimuma çıkarmayı hedeflemektedir. Geliştirilen matematiksel modelde ithal ve ihraç konteynerler birlikte dikkate alınmaktadır ve kıyı vinçlerinin gerçekçi özel kısıtları düşünülmüştür. Önerilen bütünleşik modeli çözmek için karmaşık tam sayılı programlama (MIP) ve kısıt programlama (CP) modellerinin yanısıra bir sezgisel algoritma da önerilmektedir. Sonuçlar MIP modelinin sadece küçük örnekleri çözdüğünü gösterirken, CP modeli Türkiye'deki gerçek konteyner terminali işlemlerinden türetilen örnekler için makul zamanlarda en uygun çözümleri bulmaktadır. CP modeli kullanılarak ikinci aşamada limanda kullanılan kamyon sayısını en aza indirmek için bir hedef programlama yaklaşımı da geliştirilmiştir. Çözüm süresini kısaltmak ve CP modelinin eniyi sonuçları bulamadığı bazı durumları iyileştirmek içinse adaptif geniş komşuluk arama (ALNS) sezgiseli kullanılmıştır. Sezgisel algoritma problem için iyi performans göstermektedir.

Although operations in container terminals are highly interdependent, they are traditionally optimized by decomposing the overall problem into a sequence of smaller subproblems, each of which focuses on a single operation. Recent studies, however, have demonstrated the need and potential of optimizing these interdependent operations jointly. This thesis proposes the integrated port container terminal problem that considers the joint optimization of quay crane assignment and scheduling, yard crane assignment and scheduling, and yard location assignments. The proposed problem minimizes vessel turnover times and maximizes the terminal throughput, which are key economic drivers in terminal operations. It also considers inbound and outbound containers simultaneously and models safety distance and interference constraints between quay cranes. To solve the integrated problem, the thesis proposes MIP and CP models as well as a heuristic algorithm. Computational results show that the MIP model only solves small instances, while the CP model finds optimal solutions in reasonable times for realistic instances derived from actual container terminal operations in Turkey. The CP model is also be generalized into a goal-programming approach to minimize the number of yard trucks in a second stage. Also, an adaptive large neighborhood search heuristic is employed to obtain solutions in short CPU times and to improve some cases in which the CP model cannot find optimal results. Overall, the heuristic algorithm is performing well for the problem and is very competitive with the exact models.