Nueva determinación de la capacidad de muelles en terminales de contenedores mediante técnicas de simulación

Abstract

[EN] In port planning it is essential to find a balance between the expected traffic in a given time horizon and the infrastructure capacity. Given the specialization suffered by ports, it makes sense to analyze these balances for each type of merchandise. This thesis focuses on the study of the capacity of container terminals and in particular of its quays, which is changing over time, being subject to specific conditions of use and acceptance of the quality of service offered to customers. The formulations that have been used so far to estimate the capacity of the quays were developed in the 70s, when ports, their cargos, even the ships were totally different from the reality of the current terminals. These formulations implied the conception of the quay as a queuing system, characterized by the distribution of ship arrivals to the terminal, the distribution of services at the berth, and a number of berths. The resolution of the system was carried out using queuing theory, which is applicable only in limited cases. In this thesis a study of the Spanish container terminals has been conducted to determine if queuing theory could solve the queuing systems, and analyze whether it is acceptable to apply a formulation assuming quays exploited in a discrete way (composed of a constant and determined number of berths) in quays where reality is quite different: the quays are formed by a continuous line, and the number of ships at berth is based on the lengths of those ships that are docked at the terminal in each moment. This study has been revealing, arrivals of ships to the terminals are distributed as random functions, while the durations of the services are distributed according to Erlang K functions, where K varies between 3 and 6 depending on the terminal. Based on these data, queuing theory does not apply, therefore to estimate the capacity it has been necessary to resort to simulation tools. To this end, various tools available on the market have been analyzed, which are prepared to simulate discrete systems. However, given the need to simulate both discrete and continuous systems, the tools available on the market have been discarded and for this thesis the PhD student has developed a tool that can simulate both, discrete and continuous quays. In the latter case the quay is characterized not only by three variables, but by a lot of them, so to analyze each variable sensitivity analyses have been carried out. The results are clear: planners can be making serious mistakes using discrete formulations in quays exploited continuously, even doing translations between continuous and discrete quays. With the developed simulation program the impact of certain variables on the occupation rate of the quay has been analyzed. One of these variables has been the distribution of ship lengths, for which different distributions have been analysed: constant, uniform and triangular, with different means and standard deviations. Another variable studied has been the berth allocation criteria, differentiating the case of performing amends and the case where vessels are positioned at specific space, as well as the position of the vessel within the space. With all this, the goal was to establish a rule of thumb in a way that planners would apply it without the need of simulation tools for each case. In view of the results, it has been concluded that it is not possible to establish a rule of thumb for making a translation between a continuously operated quay and a conceptualized discreetly quay. Therefore, for any case, it is advice to use simulation tools that allow approaching the reality of the exploitation of each quay, simulating various scenarios in order to enable experts to make a determination.

[ES] En el ejercicio de la planificación de puertos es fundamental buscar el equilibrio entre los tráficos esperados en un determinado horizonte de tiempo y la capacidad de las infraestructuras. Esta tesis se centra en el estudio de la capacidad de las terminales de contenedores y en concreto de sus muelles, la cual es cambiante en el tiempo, quedando supeditada a unas condiciones concretas de explotación y de aceptación de la calidad del servicio ofrecido. Las formulaciones empleadas hasta el momento en el cálculo de la capacidad de los muelles se desarrollaron en los 70, cuando la situación de los puertos, las cargas y los buques era totalmente diferente a la realidad de las terminales actuales. Estas formulaciones llevaban implícita la concepción del muelle como un sistema de esperas, caracterizado por la distribución de las llegadas de los buques, la distribución de los servicios, y un número de atraques. La resolución del sistema se llevaba a cabo mediante teoría de colas, la cual es aplicable en limitados casos. En esta tesis se ha llevado a cabo un estudio de las terminales de contenedores españolas con el fin de determinar si dicha teoría podría resolver el sistema de esperas, y analizar si resulta aceptable aplicar una formulación que asume un muelle explotado de manera discreta (compuesto por un número de atraques constante y determinado), en unos muelles cuya realidad es bien distinta: los muelles están formados por una línea continua, siendo el número de buques atracados función de las esloras de aquellos que en cada momento están atracados en la terminal. Este estudio ha sido revelador, las llegadas de los buques se distribuyen de manera aleatoria, mientras que las duraciones de los servicios se distribuyen según funciones Erlang K, donde K varía entre 3 y 6 según la terminal. En base a estos datos la teoría de colas no es aplicable, por lo que para poder estimar la capacidad ha sido necesario recurrir a herramientas de simulación. Para ello se han analizado diversas herramientas existentes en el mercado, las cuales están preparadas para simular sistemas discretos. Sin embargo, dada la necesidad de simular también sistemas continuos se han tenido que descartar las herramientas comerciales y en esta tesis se ha desarrollado una herramienta capaz de simular muelles tanto discretos como continuos. En este último caso el muelle ya no sólo es caracterizado por tres variables, sino por una gran cantidad de ellas, por lo que para analizar la afección de cada una se han llevado a cabo análisis de sensibilidad. Los resultados han sido claros: se pueden estar cometiendo graves errores aplicando formulaciones discretas sobre muelles explotados de manera continua, incluso haciendo traslaciones entre muelles continuos y discretos. Con el programa de simulación desarrollado se ha analizado la afección que tienen ciertas variables sobre la tasa de ocupación de los muelles. Una de estas ha sido la distribución de esloras, para lo cual se han analizado esloras de distribuciones constantes, uniformes y triangulares de diferentes medias y desviaciones típicas. Otra variable estudiada ha sido el criterio de asignación de atraque, diferenciando el caso de realizarse enmendadas del caso en el que los buques se posicionan en unos huecos determinados, al igual que el posicionamiento del buque dentro del hueco. El objetivo con todo ello era establecer una regla práctica de manera que los planificadores pudieran aplicarla sin necesidad de recurrir en cada caso a herramientas de simulación. A la vista de los resultados se ha podido concluir que no es posible establecer una regla práctica para hacer la traslación entre un muelle explotado de manera continua y un muelle conceptualizado de manera discreta. Por tanto, se aconseja en todo momento acudir a herramientas de simulación que permitan aproximarse a la realidad de la explotación de cada muelle, simulando diversos escenarios con el fin de qu

[CA] En l'exercici de la planificació de ports és fonamental buscar l'equilibri entre els tràfics esperats en un determinat horitzó de temps i la capacitat de les infraestructures. Donada l'especialització que han sofert els ports, resulta lògic analitzar aquestos equilibris per a cadascun dels tipus de mercaderia. Aquesta tesi es centra en l'estudi de la capacitat de les terminals de contenidors i en concret dels seus molls, la qual és canviant en el temps, quedant supeditada a unes condicions concretes d'explotació i d'acceptació de la qualitat del servei ofert als clients. Les formulacions emprades fins al moment en el càlcul de la capacitat dels molls es desenvoluparen en els anys 70, quan la situació dels ports, les càrregues i també els bucs era totalment distinta a la realitat de les terminals actuals. Aquestes formulacions portaven implícita la concepció del moll com un sistema d'esperes, caracteritzat per la distribució de les arribades dels bucs a la terminal, la distribució dels serveis al moll, i el nombre de llocs d'atracada. La resolució del sistema es porta a cap mitjançant la teoria de cues, la qual solament és aplicable en uns casos limitats. En aquesta tesi s'ha portat a terme un estudi de les terminals de contenidors espanyoles amb la fi de determinar si la teoria de cues podria resoldre el sistema d'esperes, i analitzar si resulta acceptable aplicar una formulació que assumeix un moll explotat de forma discreta (composat d'un nombre d'atracades constant i determinat), en uns molls amb una realitat ben diferent: els molls estan formats per una línia continua i el nombre d'atracades depèn de les eslores d'aquells que en cada moment estan atracats a la terminal. Aquest estudi ha sigut revelador, les arribades dels bucs a les terminals es distribueixen de forma aleatòria, mentre que les duracions dels serveis es distribueixen segons funcions Erlang K, on K varia entre 3 i 6 segons la terminal. En base a aquestes dades, la teoria de cues no és aplicable, de forma que per poder estimar la capacitat ha sigut necessari recórrer a les eines de simulació. Per a això, s'han analitzat diverses eines existents al mercat, les quals estan preparades per simular sistemes discrets. Tanmateix, donada la necessitat de simular també sistemes continus s'han hagut de descartar les eines comercials i en aquesta tesi s'ha desenvolupat una eina capaç de simular tan molls discrets com continus. En aquest darrer cas, el moll ja no sols és caracteritzat per tres variables, sinó per una gran quantitat d'elles, pel que per analitzar l'afecció de cadascuna s'ha realitzat una anàlisi de sensibilitat. Els resultats han sigut clars: es poden estar cometent errors ben greus aplicant formulacions discretes sobre molls explotats de forma continua, fins i tot fent translacions entre molls continus i discrets. Amb el programa de simulació desenvolupat s'ha analitzat l'afecció que tenen certes variables sobre la tassa d'ocupació dels molls. Una d'estes ha sigut la distribució d'eslores, per al que s'han analitzat eslores de distribucions constants, uniformes i triangulars de diferents mitges i desviacions típiques. Una altra variable estudiada ha sigut el criteri d'assignació d'atracada, diferenciant el cas de realitzar-se esmenades del cas en el que els bucs es posicionen en uns buits determinats, al igual que el posicionament del buc a dintre del buit. L'objectiu amb tot açò era establir una regla pràctica de manera que els planificadors pogueren aplicar-la sense necessitat de recórrer en cada cas a les eines de simulació. A la vista dels resultats s'ha pogut concloure que no és possible establir una regla pràctica per fer la translació entre un moll explotat de forma continua i un moll conceptualitzat de manera discreta. Per tant, s'aconsella en tot moment acudir a eines de simulació que permeten aproximar-se a la realitat de l'explotació de cada moll, simulant diversos escenaris amb la fi d