Programa de Atualização Profissional
Programação otimizada de frotas de embarcações
resumo da metodologia
por Gláucio Bastos, M.B.A., Ch.E.
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resumo
objetivo: a partir das características reais de diversos tipos de frotas de navios e embarcações de serviço, de cargas e de portos, é gerado um grande número de soluções iniciais da programação dos navios para servir as cargas em seus portos, que vão sendo refinadas em diversas etapas de otimização até ser alcançada a solução viável de maior retorno financeiro; esta solução é então trabalhada para se chegar à decisão quanto ao melhor ‘timing’ para o início dos carregamentos, considerando restrições nos portos, quanto à capacidade de berços e estoque no caso de granéis
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necessidade
durante as últimas décadas houve um acirramento da concorrência entre as companhias de navegação, espremendo as margens de lucro a um mínimo
este quadro é causado e amplificado pela consolidação do setor manufatureiro, dando um maior poder de mercado para os proprietários da carga ou carregadores
para redução deste desequilíbrio, houve muitas fusões entre empresas de navegação, em busca da economia do ganho de escala
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necessidade
essa tendência de fusões e agrupamentos leva a maiores frotas, distribuídas por áreas geograficamente muito extensas, que exigem um gerenciamento mais eficiente
esse quadro de alta complexidade e dinamismo, torna incertezas e atrasos fenômenos inevitáveis no funcionamento do transporte marítimo, causados por fatores como: condições climáticas adversas, avarias mecânicas, greves e infraestrutura insuficiente, tanto nos portos como a bordo
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necessidade
neste contexto e considerando os longos prazos de entrega envolvidos, é imperativo para as companhias de navegação garantir a eficiência através da geração de programações de qualidade baseadas em métodos avançados de apoio à decisão, em termos de confiabilidade e pontualidade, que se mostram como o caminho mais curto e eficaz para se alcançar a redução de custos e a geração de margens de lucro mais elevadas
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características das frotas
no transporte marítimo pode-se distinguir 03 diferentes modos de operações:
industrial – o proprietário da carga também controla uma frota de navios para transportá-la; a carga é uma certa quantidade de produto a ser enviado de um porto para outro dentro de janelas de tempo; todas as cargas são obrigatórias e precisam ser atendidas pela frota disponível; não há cargas spot opcionais; o objetivo é minimizar custos
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características das frotas no transporte marítimo pode-se distinguir 03 diferentes
modos de operações:
tramp - são operações semelhantes a um serviço de táxi, onde os navios transportam as cargas disponíveis; é normal um operador ter algumas cargas contratuais e outras opcionais que podem ser atendidas se forem consideradas rentáveis; o objetivo é maximizar o lucro; e
liner – são operações semelhantes a linhas regulares de transporte, onde as embarcações navegam por itinerários pré-agendados e publicados, que buscam maximizar seu lucro
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descrição do problema o problema de programação de navio como é aqui
analisado, aplica-se a qualquer tipo de frota e pode ser um problema de maximização de custo ou lucro, podendo envolver contratos de afretamento (COA), firmados para o transporte de determinadas quantidades ou tipos de carga entre portos específicos ou entre operações específicas, dentro de um certo prazo, por um pagamento acordado por tonelada ou por serviço
há casos em que a frota não tem capacidade suficiente para atender todos os COAs durante o horizonte de planejamento, assim algumas cargas podem ser atendidas por spot charters, que são afretados para uma única viagem
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descrição do problema
janelas de tempo são impostas para o carregamento e, às vezes, também para o descarregamento
dependendo da operação, os navios podem servir cargas únicas ou múltiplas cargas simultaneamente, com um novo porto de carregamento sendo visitado e algumas cargas permanecendo a bordo
são consideradas operações com os navios existentes, sem mudanças no tamanho da frota pois, a curto prazo, tais alterações não são interessantes
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descrição do problema custos fixos são desconsiderados, já que não influenciam o
planejamento de rotas e cronogramas ideais
custos de viagem variáveis considerados são provenientes principalmente do consumo de óleo combustível e diesel
é considerada uma frota heterogênea com características específicas dos navios, incluindo diferentes estruturas de custos e capacidades de carga
são cobradas tarifas de utilização do porto e canal, que dependem do tamanho do navio
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dados considerados o horizonte de planejamento é de 3.600 horas ou 150 dias valor do frete (US$ / milha náutica / m3) dados gerais:
tempos-buffer de viagem e de porto (hr) – folga de tempo em caso de possíveis atrasos
preço do IFO – interm.(viagem) e MDO (porto) (US$ / ton) janela de tempo de operação padrão no porto (hr)
dados da carga: identificação, volume (m3), peso (ton) porto de carregamento, porto de descarregamento horário de disponibilidade da carga no porto de
carregamento (hr), horário de chegada da carga no porto de descarregamento (hr)
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dados considerados dados do navio:
identificação, capacidade volumétrica (m3), tonelagem de porte bruto (ton)
velocidade média (nós / hr) consumo de IFO (ton / dia), consumo de MDO ocioso no
porto (ton / dia) dados do porto:
identificação, distância entre portos da viagem (milhas náuticas)
produtividade (m3 / hr), tarifa portuária (US$), operação da carga (US$ / m3)
ETAs disponíveis para chegada de navios (hr)
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solução* pela heurística MSLS *
etapas da solução: 1ª: grande nº (no_init) de soluções iniciais é gerado por
uma heurística parcialmente aleatória de inserção de cargas nos cronogramas dos navios
2ª: seleciona-se um certo nº (no_quick) das melhores (pelo critério do lucro ou custo) soluções iniciais para serem aprimoradas por uma heurística de busca local rápida
3ª: seleciona-se um certo nº (no_extended) das melhores soluções pela busca local rápida para serem aprimoradas por uma heurística de busca local estendida
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resultados a partir de dados de:
13 navios 50 cargas 9 portos entre sudeste dos EUA e oeste da Europa
obteve-se as seguintes evoluções no lucro da frota: para no_init = 100, no_quick = 6, no_extended = 1
sol.inicial: pior = $ 628.638 / melhor = $ 1.127.639 sol.rápida: pior = $ 1.109.300 / melhor = $ 1.168.316 sol.estendida: $ 1.295.348
para no_init = 1000, no_quick = 14, no_extended = 4 sol.inicial: pior = $ 576.334 / melhor = $ 1.334.752 sol.rápida: pior = $ 1.183.747 / melhor = $ 1.334.752 sol.estnd.: pior = $ 1.237.389 / melhor = $ 1.334.752
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resultados
conclusões: para um menor nº de soluções iniciais, é evidente a
contribuição efetiva de cada nível de otimização para o alcance da melhor solução final
para um grande nº de soluções iniciais, a otimização incluída em seu algoritmo de geração é suficiente para o alcance da melhor solução, antes mesmo dos dois níveis seguintes por isso, como foi atingida a solução mais próxima da
ótima, dificilmente ela pode ser otimizada e é melhor do que aquela alcançada com um nº menor de soluções iniciais, caracterizando a robustez do resultado
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resultadossolução ótima - dados das cargas: volumes
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resultadossolução ótima - dados das cargas: tempos
1.ETA porto carreg.2.tempo viagem3.tempo porto carr.4.tempo porto desc.5.tempo viagem red.
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resultadossolução ótima – resultado da programação: cargas com navios e portos
1.navio2.porto carregam.3.porto descarregam.
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resultados
solução ótima – resultado da programação: rotas dos navios carregados
Port 2
Port 3
Port 1
Port 9
Port 5
Port 6
Port 7
Port 4
Port 8
Ship 9
Ship 10
Ship 12
Ship 1
Ship 3
Cargo 3
Cargo 5
Cargo 14
Cargo 10
Cargo 15
Ship 11
Cargo 16
Ship 2
Cargo 22
Ship 7
Cargo 24
Ship 5
Cargo 25
Ship 13
Cargo 27
Cargo 29
Cargo 31
Ship 6
Cargo 32
Ship 8
Cargo 42
Ship 4
Cargo 46
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extensão do problema
caso a frota seja destinada ao transporte de um granel, como GNL p.ex., entre o porto de liquefação (carregamento) e o porto de regaseificação (descarregamento), é considerado haver limitação da disponibilidade de berço e de armazenagem (entre níveis máximo e mínimo) no porto de liquefação
se a produção exceder as obrigações contratuais para entrega de GNL, cargas spot são vendidas no mercado, inclusive através de navios de outra empresa de navegação, consideradas como meio de controlar o nível de estoque, sem lucro associado
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extensão do problema os clientes especificam certas datas ou períodos – janelas
de tempo – quando podem ou não aceitar entregas da janela de tempo para entrega é determinada a janela de
tempo para carregamento a entrega deve ocorrer dentro das janelas de tempo:
interna – períodos da preferência do cliente, e externa – compreende além da interna, períodos
adicionais de alguns dias antes e depois da interna a entrega deve acontecer necessariamente dentro da janela
externa, que também compreende a janela interna se a entrega ocorrer nos períodos entre a janela interna e
externa, haverá penalidades contratuais, como exemplificado na figura seguinte
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extensão do problema
ex. de função custo de penalidade proporcional ao quadrado do nº de dias antes ou depois da janela interna em que a entrega é feita – a janela interna é de 7 dias e a janela externa compreende também mais 7 dias antes e depois da janela interna
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resultados da extensão do problema
considerando-se os mesmos dados e a solução apresentada para a 1ª parte do problema, na extensão, pela aplicação do método MILP, chegou-se à solução exata da minimização do custo de penalidade, atendendo-se ao mesmo tempo às restrições de berço e de estoque de GNL no porto de liquefação
na figura seguinte são apresentadas as partições de tempo ótimas definidas para o embarque de cada carga de GNL dentro de uma janela de tempo com o total de 21 partições de tempo corridas: 07 partições da janela interna com mais 07 antes e 07 depois, completando a janela externa
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resultados da extensão do problemasolução ótima: cargas e suas partições de tempo para início do carregamento
partições de tempo:de 01 a 21 dentro dajanela de tempo ex-terna