Βελτιστοποίηση πλοίου στα πλαίσια ολοκληρωμένου συστήματος συνδυασμένων μεταφορών

Abstract

The methodology developed through this PhD thesis entitled “Ship Design Optimization in the Context of an Integrated System for Multimodal Transport” is dedicated to the identification of the optimum ship design for one or multiple sea routes, when considering the multimodal door to door transport. The objective is to incorporate feasibility study, routing, fleet management, ship design, environmental assessment and economic analysis into one integrated methodology which is able to produce efficiently the Pareto Front of optimal solutions for the set multiobjective-multicriteria transport problem. The methodology is supported by automated software. Demand analysis is implemented by the use of statistical data, in order to estimate the cargo flow in the multimodal network. This is a crucial point which is considered separately. Moreover, the method includes a risk assessment and sensitivity analysis of the solutions, confronting demand uncertainty in a most secure way and further, introduces sacrifice functions to serve decision making. Artificial Neural Networks (ANNs) are trained and integrated in the method to create an initial estimation for the main particulars of the design, taking into consideration the broader business concept. The number of ships, the routing and respective demand/market share, the frequency of the service and the ship’s specification are some of the variables used in the proposed methodology. The optimization problem encompasses three main criteria (objective functions): Door-to-Door (D2D) time, Through Freight Rate (TFR) and Door-to- Door-CO2 emissions. The minimization of TFR is achieved by the optimization of the ship system scenario but also by the ship design optimization for least resistance and powering. The overall method is broken down into five main stages, other than the demand analysis: the Transport System Development, the Ship Design Development (Preliminary Design Study & Optimization), the Economic Analysis, the Environmental Assessment and the Performance Assessment. The approach is illustrated by means of a case study related to transportation of goods from the Greek island of Crete to the markets of Italy and Munich. The project ventures the introduction of a direct sea connection from Crete to Italy with or without an intermediate port node, by the use of multimodal transport. Finally, in another application for the same market all variables are activated enabling also the investigation of different route paths in each direction. The outcomes of this study prove essential for the assessment of a sea route which has been traditionally considered unprofitable and further implies the benefits of an overall scientific approach which replaces guess estimates and one sided investigation.The methodology developed through this PhD thesis entitled “Ship Design Optimization in the Context of an Integrated System for Multimodal Transport” is dedicated to the identification of the optimum ship design for one or multiple sea routes, when considering the multimodal door to door transport. The objective is to incorporate feasibility study, routing, fleet management, ship design, environmental assessment and economic analysis into one integrated methodology which is able to produce efficiently the Pareto Front of optimal solutions for the set multiobjective-multicriteria transport problem. The methodology is supported by automated software. Demand analysis is implemented by the use of statistical data, in order to estimate the cargo flow in the multimodal network. This is a crucial point which is considered separately. Moreover, the method includes a risk assessment and sensitivity analysis of the solutions, confronting demand uncertainty in a most secure way and further, introduces sacrifice functions to serve decision making. Artificial Neural Networks (ANNs) are trained and integrated in the method to create an initial estimation for the main particulars of the design, taking into consideration the broader business concept. The number of ships, the routing and respective demand/market share, the frequency of the service and the ship’s specification are some of the variables used in the proposed methodology. The optimization problem encompasses three main criteria (objective functions): Door-to-Door (D2D) time, Through Freight Rate (TFR) and Door-to- Door-CO2 emissions. The minimization of TFR is achieved by the optimization of the ship system scenario but also by the ship design optimization for least resistance and powering. The overall method is broken down into five main stages, other than the demand analysis: the Transport System Development, the Ship Design Development (Preliminary Design Study & Optimization), the Economic Analysis, the Environmental Assessment and the Performance Assessment. The approach is illustrated by means of a case study related to transportation of goods from the Greek island of Crete to the markets of Italy and Munich. The project ventures the introduction of a direct sea connection from Crete to Italy with or without an intermediate port node, by the use of multimodal transport. Finally, in another application for the same market all variables are activated enabling also the investigation of different route paths in each direction. The outcomes of this study prove essential for the assessment of a sea route which has been traditionally considered unprofitable and further implies the benefits of an overall scientific approach which replaces guess estimates and one sided investigation.

Ο στόχος της συγκεκριμένης Διατριβής με τίτλο «Βελτιστοποίηση Πλοίου στα Πλαίσια Ολοκληρωμένου Συστήματος Συνδυασμένων Μεταφορών» είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας, για τη βέλτιστη σχεδίαση πλοίων RoRo με κριτήριο την αποδοτικότητα τους όσον αφορά στις απαιτήσεις μιας συγκεκριμένης αγοράς στα πλαίσια του συστήματος συνδυασμένων μεταφορών. Πιο συγκεκριμένα, στόχος της αναπτυχθείσας μεθόδου είναι η ενσωμάτωση στοιχείων μελέτης σκοπιμότητας, καθορισμού γραμμής, διαχείρισης στόλου, σχεδίασης πλοίου, εκτίμησης περιβαλλοντικών επιπτώσεων και οικονομικής ανάλυσης σε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία η οποία παράγει το σύνολο των βελτιστοποιημένων λύσεων για το ορισθέν πρόβλημα βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτηρίων και μεταβλητών. Η μεθοδολογία υλοποιείται με την υποστήριξη ενός αυτοματοποιημένου λογισμικού εργαλείου. Η ανάλυση των στατιστικών στοιχείων της ζήτησης προκειμένου για την εκτίμηση της ροής φορτίου στο πολυτροπικό δίκτυο αποτελεί κομβικό σημείο και αντικείμενο ανεξάρτητης μελέτης. Η μεθοδολογία στοχεύει στην αποτίμηση του ρίσκου και τη μελέτη ευαισθησίας όσον αφορά στην αβεβαιότητα της ζήτησης, καθώς και στην εκτίμηση της συνάρτησης θυσίας των λύσεων για τα ορισθέντα κριτήρια με τη μεταβολή της σχετικής σημασίας τους. Σημαντικό στοιχείο της μεθόδου αποτελεί η ανάπτυξη Νευρωνικών Δικτύων για την αρχική εκτίμηση των βασικών παραμέτρων του πλοίου και η ένταξή τους στην προμελέτη, λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις που προκύπτουν από την επιχειρησιακή έρευνα. Το πλήθος των πλοίων, η γραμμή, το περιθώριο ζήτησης/μερίδιο αγοράς, η συχνότητα της υπηρεσίας και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του πλοίου είναι μερικές από τις μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στην προτεινόμενη μεθοδολογία. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης έχει τρία κύρια κριτήρια αξιολόγησης: το χρόνο D2D, τον απαιτούμενο ναύλο D2D (Through Freight Rate, TFR) και τις εκπομπές αέριων ρύπων D2D. Η ελαχιστοποίηση του TFR επιτυγχάνεται με τη βελτιστοποίηση του συστήματος μεταφορικό σενάριο-πλοίο αλλά και τη βελτιστοποίηση της σχεδίασης με κριτήριο την αντίσταση και ευρύτερα την ισχύ πρόωσης. Η μέθοδος αποτελείται από πέντε κύριες ενότητες, πέραν της ανάλυσης της ζήτησης: Σχεδίαση Μεταφορικού Συστήματος, Βασική Μελέτη Πλοίου & Βελτιστοποίηση της Σχεδίασης, Οικονομική Ανάλυση, Εκτίμηση περιβαλλοντικών Επιπτώσεων και Αξιολόγηση των λύσεων. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιδεικνύεται με την εφαρμογή της στη μεταφορά των προϊόντων από την Κρήτη στις αγορές της Ιταλίας και της Γερμανίας, με τη χρήση συστήματος συνδυασμένων μεταφορών και υπηρεσία απευθείας θαλάσσιας σύνδεσης Κρήτης-Ιταλίας ή προσθήκη ενδιάμεσου κόμβου (Πάτρα). Τέλος, αναπτύχθηκε εφαρμογή για την ίδια αγορά, κατά την οποία ενεργοποιούνται όλες οι ελεύθερες μεταβλητές του προβλήματος με επιπλέον τη δυνατότητα διερεύνησης διαφορετικής πορείας στις δύο κατευθύνσεις της ροής. Τα συμπεράσματα των εφαρμογών αποδεικνύονται καταλυτικά για την αξιολόγηση μιας γραμμής που παραδοσιακά θεωρείτο ασύμφορη, ενώ η μεθοδολογία υπονοεί τα οφέλη μιας καθολικής επιστημονικής προσέγγισης που αντικαθιστά εικασίες και μονόπλευρες εκτιμήσεις.