Resumen de Optimización basada en simulación para la gestión de las operaciones de las terminales de contenedores portuarias
Introducción Las terminales portuarias son un nodo básico en las redes de transporte intermodal de mercancías, por lo cual todas las operaciones de estas deben ser optimizadas con el fin de lograr la máxima productividad global en este nodo de la red. Diferentes autores han realizado una división de la operativa de la terminal marítima de contenedores en subsistemas, lo cual permite un mejor aprovechamiento de los recursos debido a la diversidad en la maquinaria que se emplea para su funcionamiento.
A partir del siglo XX han sucedido diferentes acontecimientos que aceleraron de manera drástica la evolución y desarrollo de los puertos. Entre los más importantes esta la aparición del contenedor en el transporte marítimo, lo cual redujo considerablemente los tiempos y costes de manipulación de la carga, ocasionando una disminución en las tarifas de los fletes y por ende, un incremento en el flujo de los negocios. De igual forma aspectos como el crecimiento del comercio mundial, con una tasa media que duplica la de la producción, los acuerdos comerciales, los avances tecnológicos, entre otros, ocasionan que cada vez sea más importante aumentar el rendimiento de las terminales portuarias.
Se ha desarrollado un trabajo de investigación en el marco de las terminales de contenedores portuarias que tiene por objeto el estudio de las distintas operativas acometidas. En la primera parte del trabajo se realiza un análisis de profundidad en la operación de las terminales portuarias de mercancías. Se tiene en cuenta los antecedentes más relevantes, principales actores, maquinaria de manipulación e instalaciones en general.
De igual forma se analizan los diferentes problemas que se presentan en las terminales de contenedores portuarias, para luego hacer una clasificación de los principales sub-sistemas.
Se realiza un estado del arte de los principales trabajos encontrados en la literatura de acuerdo a tres grupos de planificación que se persiguen en la generalidad de las terminales.
2 Estos son la operativa de buque, operativa de almacenaje y apilado y operativa de transferencia.
Propuesta metodológica Teniendo en cuenta los enfoques utilizados por las investigaciones consultadas se elige la metodología a utilizar en esta investigación la cual se define como optimización basada en simulación. Se justifica su utilización y se explican los aspectos más relevantes de ésta.
Posteriormente se proponen tres modelos de optimización basada en simulación, para gestionar algunas de las operaciones que se identificaron como más importantes en las terminales de contenedores portuarias. En la figura 1 se muestran las operaciones que fueron abordadas en esta investigación en color naranja.
Figura 1. Operaciones gestionadas Los cambios económicos y tecnológicos han influenciado y permitido diferentes transformaciones en las TCP tanto a nivel estructural como operacional. En aras de mejorar el rendimiento de estas instalaciones, en la actualidad encontramos TCPs automatizadas las cuales no precisan de una cantidad de operarios proporcional a la cantidad de maquinaria Operativa de buque Operativa de almacenaje y apilado Operativa de transferencia Asignación de muelle Optimización del transporte en los muelles Optimización y programación de grúas Optimización del transporte terrestre Relocalización de contenedores Planificación de estiba en buque Programación de grúas en muelle Localización de contenedores en la explanada 3 de manipulación que poseen. Esto ha generado que la manera de gestionar éstas cambie radicalmente.
Varias de las operaciones en una TCP pueden mejorar su eficiencia con maquinaria moderna o mejor programación de los recursos pero es tan complicado el panorama que economías tan fuertes como las de China han trasladado sus puertos a mar abierto donde no tienen la limitación de espacio para almacenaje, muelles y profundidad, las tres principales características de un puerto es, por esto, que el puerto de Shanghái está construido a 30 kilómetros de la costa de china.
Principales consideraciones derivadas de la aplicación de la metodología Como se acaba de señalar, uno de los principales objetivos de esta investigación es encontrar una metodología que permita una mejor gestión de las terminales de contenedores portuarias. Debido a la importancia del sector en España ya que por ellas pasan cerca del 60% de las exportaciones y el 85% de las importaciones, lo que representa el 53% del comercio exterior español con la Unión Europea y el 96% con terceros países. Además, la actividad del sistema portuario estatal aporta cerca del 20% del PIB del sector del transporte, lo que representa el 1,1% del PIB español. Todo esto unido a que la investigación ha mostrado que es una problemática de difícil tratamiento.
En el capítulo 5 se utiliza la optimización basada en simulación para la gestión de muelles en el Puerto de Sevilla.
Se propone un modelo que tiene como objetivo minimizar el tiempo de servicio de cada buque el cual está conformado por: el tiempo que los buques esperan hasta que el muelle asignado queda libre, las operaciones de remolque tanto para ida como para regreso al muelle del centenario y las operaciones de descarga y carga de contenedores.
En el año 2011 entró en funcionamiento la nueva esclusa del Puerto, la cual se construyó con el objetivo de eliminar su principal debilidad y cuello de botella. Ya que, al ser de mayor dimensión permitirá, la llegada de buques de mayor calado y mayor capacidad de contenedores. Esto ocasionará que el cuello de botella sea transferido a otras zonas de la terminal ya que, actualmente todas las instalaciones e infraestructuras del puerto están acorde a las dimensiones del canal de acceso y de la esclusa.
4 Como se comentó en el primer capítulo de la tesis uno de los recursos que pueden llegar a convertirse en cuello de botella son los muelles, ya que, antes de entrar en funcionamiento la esclusa, del total de tiempo que un buque permanecía en el puerto, un 18% correspondía al tiempo que éste esperaba a que quedara libre el mulle asignado. Por lo tanto, un incremento del tráfico podría ocasionar un aumento en ese tiempo de espera, debido a que el puerto actualmente posee poca maquinaria para la manipulación de contenedores.
Precisamente por lo anterior, y utilizando la optimización basada en simulación, esta primera etapa de la investigación se enfoca en el estudio de la planificación eficiente de la asignación de los muelles, considerando un incremento en el flujo de buques portacontenedores y contenedores, causado por la nueva esclusa. Se tuvieron en cuenta datos reales del tráfico de buques portacontenedores correspondientes al mes de febrero de 2008 y para representar el tráfico adicional se consideraron datos de las líneas marítimas que transportan cemento, cereales y chatarra en el Puerto de Sevilla.
Como software de simulación se selecciona Arena, debido a la versatilidad que ofrece frente a otros simuladores. Éste es utilizado para realizar el modelo de simulación. Se propone un procedimiento metaheurístico basado en un algoritmo genético para resolver el modelo el cual es desarrollado en lenguaje Visual Basic, que permite integrarse en un módulo de Arena llamado VBA.
Como se explicó, el algoritmo genético se ejecuta en el momento que una entidad buque entra en el módulo VBA. Según la estructura del modelo de simulación, esto ocurre cuando un buque llega al puerto. De esta forma el modelo será resuelto tantas veces como buques lleguen al puerto. Al final de la solución del modelo de optimización, la asignación de muelles obtenida es enviada al modelo de simulación a través del mismo modulo VBA.
Con los modelos propuestos y las simulaciones realizadas se obtuvieron resultados que se compararon con el actual sistema de gestión de muelles del Puerto de Sevilla. El sistema propuesto logra reducciones del 14% en el tiempo promedio de manipulación en muelles.
Esto se debe a que una mejor asignación de muelles disminuye las distancias que recorren los vehículos entre la zona de almacenaje y el muelle.
El tiempo de espera se reduce en 30% en promedio y el tiempo de servicio en un 13,62%.
Las anteriores mejoras logran que el tiempo máximo que un buque pueda estar en el Puerto 5 de Sevilla baje de 45 a 30 horas. Cabe recordar que estos resultados son obtenidos con un tráfico que se ha incrementado para simular la futura situación del puerto con la entrada en funcionamiento de la nueva esclusa.
En esta primera etapa de la investigación se pueden concluir varios aspectos. En cuanto al escenario utilizado se concluye que las instalaciones del Puerto de Sevilla son capaces de soportar el nuevo flujo de buques y contenedores que se puedan generar con la esclusa, pero para que esto sea logrado se debe mejorar el actual sistema de asignación de muelles.
La nueva esclusa no permitirá la captación de rutas marítimas que utilizan grandes buques, pero se convierte en una oportunidad para el puerto si se enfoca en la captación de rutas de TMCD, ya que según Martínez y Castells (2005) el calado medio de los buques que realizan TMCD con el resto de Europa es de 6,8 metros.
Los resultados obtenidos mostraron que la metodología de optimización basada en simulación es una potente herramienta para la gestión de la operativa de asignación de muelles, ya que considera variables que los modelos de optimización por sí sólos no pueden abarcar. Además, tiene en cuenta casi la totalidad de las operativas que de alguna u otra forma, afectan el rendimiento de las que se están gestionando.
También se concluye que se debe validar la potencia de la metodología ante problemas con un nivel de complejidad mayor.
Por todo ello, en el capítulo 6 se propone un modelo de optimización basada en simulación para la gestión de la operativa de asignación de muelles, programación de grúas y localización de contenedores en la ZA de la terminal de contenedores del Puerto de Algeciras.
En concreto, se realiza una aplicación al caso de la terminal de contenedores Juan Carlos I del Puerto de Algeciras (PA), el cual es uno de los puertos más importantes de España, Europa y el mundo debido al tráfico de contenedores nacionales y de transbordo. Adicionalmente, es un importante nodo en las redes marítimas de transporte considerándose puerto hub por lo que, arriban buques portacontenedores de hasta 17000 TEUs. Lo anterior eleva a niveles muy altos la complejidad de los problemas a resolver.
Para la realización de los experimentos se han tenido en cuenta datos reales de tráfico de buques portacontenedores correspondientes al mes de octubre de 2010. Se han modelado, 6 además, dos escenarios de crecimiento del tráfico. El primero con un incremento del número de contenedores, y el segundo del número de buques.
En esta segunda etapa de la investigación se cambia el escenario de simulación pero el software y la lógica da funcionamiento es la misma, ya que también se usa un módulo VBA para la interface del algoritmo genético con el modelo de simulación.
Con los modelos propuestos y las simulaciones realizadas se obtuvieron diversos resultados, pero se analizó principalmente los tiempos de permanencia de los buques y la utilización de los recursos de la terminal.
Según los datos el promedio del tiempo total que permanecen los buques en la terminal es de 16,21 horas, con un máximo de 24,58 horas. El promedio de tiempos para las tres replicaciones realizadas al escenario 1, es de 6,69 horas para la media, y 16,16 horas para el máximo. Estos resultados suponen una reducción de más de un 40% en algunos casos. Estas reducciones de tiempo pueden ser menores cuando se integren al modelo el resto de operaciones.
Para esta etapa, además de los modelos propuestos, se propone una estrategia para la programación de los recursos, la cual se ha denominado doble ciclo, y que tiene como propósito reducir el tiempo de operaciones de buque. La aplicación de esta estrategia de descarga y carga de contenedores es muy compleja, ya que se tiene que cumplir unas condiciones para su realización. Con los experimentos realizados se comprobó que se podría realizar doble ciclo en más el 40% de los buques.
En la segundo etapa de la investigación se puede concluir que, después de dos aplicaciones, la utilización del algoritmo genético para optimizar la asignación de muelle, grúas y bloque a los buques ha mostrado que es una herramienta eficaz, aunque vista la complejidad de la asignación de las grúas pórtico en los puntos precedentes, sería recomendable realizar dos algoritmos en lugar de uno. El primero de ellos, optimizaría la asignación de muelle y de los bloques donde deben descargarse los contenedores, mientras que el segundo realizaría una optimización de la asignación de grúas pórtico.
También se concluye que la metodología de optimización por simulación, además de permitir realizar modelos para la asignación y programación de recursos, permite comprobar la 7 viabilidad de estrategias de gestión de forma simultánea. Por lo tanto,, se concluye que es necesario comprobar esta funcionalidad de la metodología con las operaciones que faltan por abordar.
Teniendo en cuenta lo anterior, en el capítulo siete, se abordan las tres operativas de transferencia, logrando con esto abarcar seis de las ocho operativas identificadas inicialmente en esta investigación. No se abordaron el plan de estiba y la relocalización de contenedores ya que la optimización por sí sola resulta ser una herramienta eficiente para este tipo de problemas, escapando por tanto, al enfoque metodológico de la tesis.
En este capítulo se propone un modelo matemático y se desarrolla un enfoque de solución basado en un algoritmo genético para la solución del modelo. El objetivo es minimizar los costes derivados de la asignación de vehículos para el transporte de los contenedores, la programación de grúas (en la explanada) y transporte terrestre en una TCP marítima.
Se mantiene como escenario de simulación la terminal de contenedores la terminal de contenedores Juan Carlos I del Puerto de Algeciras, ya que algunos de los resultados obtenidos en el caso de estudio del capítulo 6 sirvieron como datos de entrada para esta etapa de la investigación. Además, como ya se comentó, el Puerto de Algeciras tiene un elevado tráfico por lo cual eleva a niveles muy altos la complejidad de los problemas a resolver.
Se han considerado cuatro escenarios para validar los modelos propuestos, los cuales contemplan variaciones en tráfico de buques, cantidad de contenedores, tipos de ciclos, variación en el número de camiones entre otras variables. Todo ello ha permitido apreciar el comportamiento de los modelos ante las situaciones que se presentan.
Según los datos obtenidos, se ha identificado que un buque con tres secciones de trabajo puede ser servido eficientemente con una cuadrilla de un máximo de ocho vehículos sin generar cuellos de botella o bloqueos en las grúas ni incurrir en sobrecostes.
Al estresar el modelo incrementando el tráfico de contenedores en menos tiempo de operación, se comprobó que el Puerto de Algeciras cuenta con recursos suficientes para soportar futuros incrementos en el tráfico de contenedores y buques.
8 Se propuso una estrategia para la gestión del transporte terrestre con el objetivo de minimizar los recorridos vacíos, la cual se denominó ciclo mixto. Esta nueva estrategia se propuso para disponer de una tercera opción al no ser tan estricta como el doble ciclo.
Cuando se pudo utilizar el ciclo mixto, éste disminuyó el tiempo de operación promedio en 0,76 horas, alcanzado un máximo de 2,63 horas.
En la tercera etapa de la investigación se puede concluir que al evaluar todas las estrategias de asignación se comprobó que el doble ciclo es el más eficiente al minimizar los tiempos de operación de buque y disminuir la utilización de los recursos, pero precisa de condiciones muy estrictas como que los buques deban tener programada la estiba para ello. Por lo tanto,, el ciclo mixto aparece como una muy buena opción para conseguir los mismos beneficios sin elevar la complejidad de la operativa.
Consideraciones globales Como consideraciones globales hay que destacar como la optimización basada en simulación resulta ser una excelente metodología para la gestión de las operativas portuarias debido a que: ¿ Las terminales de contenedores portuarias son uno de los sistemas logísticos más complejos por su gran cantidad de variables y recursos que confluyen en un mismo espacio e instante de tiempo. Por ende,, dificultan el modelado matemático así como la resolución de los modelos planteados en un tiempo aceptable.
¿ La simulación permite considerar aspectos que los modelos matemáticos no pueden considerar por sí sólos. Por lo tanto,, los experimentos proporcionan resultados más cercanos a la realidad, además de permitir evaluar las decisiones en horizontes rodantes.
¿ Permite la evaluación de estrategias de gestión en el puerto para la mejora de los procesos. Lo anterior permite evaluar los impactos de la aplicación de estas estrategias antes de llevarlas a la realidad.
¿ Valida los modelos de optimización propuestos exhaustivamente al considerar diferentes situaciones.
9 Futuras líneas de investigación Finalmente en este último apartado se incluye una descripción de las posibles líneas por los cuales pueden realizarse futuros desarrollos.
Si bien la utilización e implementación en sí mismo de metaheurísticas no era el objeto fundamental de esta investigación, sino más bien la utilización de modelos de simulación con algoritmos de optimización en un entorno complejo como son las terminales portuarias, una opción de interés seria la utilización de otras metaheurísticas en sustitución de los algoritmos genéticos para la resolución de los modelos de optimización propuestos. Hay que considerar que estos algoritmos deberían ser capaces de computar en tiempos muy pequeños, dado que la operación en terminales de contendores portuarias es muy exigente.
Los modelos desarrollados siguieron una estructura jerárquica basada en la lógica de generación de carga, comenzando por la llegada de los buques y terminando por el transporte terrestre. Sería enormemente interesante desarrollar un modelo de simulación global con múltiples modelos de optimización integrados, de forma que se pudiera analizar un mismo recurso en varias operaciones de forma simultánea, reflejando como funciona en la realidad.
Fuera del ámbito del modelado y en relación con la gestión práctica de las TCP, sería interesante desarrollar una interface entre los ERP que usan las TCP y el correspondiente modelo de optimización basado en simulación. De esta forma, se podría prescindir de todas las suposiciones realizadas en esta investigación y emplear todas las variables reales involucradas en la gestión de la terminal de forma conjunta, al ser las variables de salida de unos subsistemas la propia entrada de otros.
