Mathematical models and algorithms for the administration and financial management of container port terminals

Abstract

Container maritime transport constitutes a fundamental pillar of global trade but is also a major contributor to air pollution in port areas, primarily due to emissions generated by vessels while berthed. In response to increasingly stringent environmental regulations and rising societal demands for sustainable port operations, Cold Ironing (CI) has emerged as a key technological solution to mitigate emissions, reduce noise, and improve air quality in port cities. Despite its environmental benefits, the adoption and effective utilization of CI remain limited, largely due to high investment costs, coordination failures among stakeholders, and uncertainties regarding economic returns. This dissertation investigates how the deployment of CI infrastructure reshapes operational decisions, cooperation mechanisms, and economic outcomes among container terminal operators within a port. The primary objective of this research is to analyze the interaction between CI availability, intra-port terminal cooperation, and public policy interventions, with particular emphasis on vessel allocation decisions and capacity management. The study addresses four interrelated research questions: (i) how CI infrastructure investments affect vessel transfer patterns and cooperation benefits among terminals; (ii) how environmental subsidies influence the incentives for sustainable cooperation while maintaining system efficiency; (iii) how terminal capacity heterogeneity interacts with CI availability to generate new cooperation dynamics; and (iv) how these dynamics evolve as the scale of the terminal network increases. By focusing on the tactical and operational level, the dissertation moves beyond strategic investment analysis and provides insights into day-to-day decision-making in ports under environmental constraints. Methodologically, the dissertation develops a novel mathematical optimization framework to model intra-port cooperation among container terminals. The model explicitly incorporates vessel selection as a decision variable, terminal capacity constraints, heterogeneous handling costs, CI compatibility at both the vessel and terminal levels, and the presence of environmental subsidies. Two cooperation objectives are examined: (i) total profit maximization, representing a system-optimal perspective, and (ii) minimum profit maximization, which captures fairness and stability considerations among cooperating terminals. The framework allows for the analysis of both cooperative and non-cooperative scenarios, enabling a systematic comparison of outcomes before and after cooperation. Extensive numerical experiments are conducted to evaluate the sensitivity of results to variations in CI deployment levels, subsidy schemes, terminal capacities, and network size. The results demonstrate that CI availability fundamentally alters vessel allocation patterns within a port, often leading to the concentration of traffic at CI-equipped terminals. While this can enhance environmental performance and generate cost savings through reduced fuel consumption and emissions, it may also create congestion effects and asymmetric profit distributions if capacity constraints are not adequately addressed. The analysis further shows that environmental subsidies play a critical role in enabling sustainable cooperation, but their effectiveness depends strongly on their design and magnitude. Appropriately calibrated subsidies can align private incentives with environmental objectives and stabilize cooperative arrangements, whereas excessive or poorly targeted subsidies may reduce system efficiency or lead to diminishing marginal benefits. From a policy perspective, the dissertation provides evidence-based guidance for port authorities and regulators on how to design CI deployment strategies and subsidy mechanisms that promote both environmental sustainability and economic viability. It highlights the importance of considering terminal heterogeneity and operational interactions when formulating green port policies, rather than relying on uniform regulatory mandates. From an academic standpoint, the study contributes to the literature on sustainable port management, cooperative game-theoretic modeling, and maritime decarbonization by introducing vessel-based cooperation mechanisms and integrating CI considerations into intra-port operational models. Overall, the dissertation advances understanding of how environmental technologies and policy instruments can be effectively embedded into container port operations to support the transition toward greener and more cooperative maritime transport systems.

Η δια θαλάσσης μεταφορά εμπορευματοκιβωτίων αποτελεί θεμελιώδη πυλώνα του παγκόσμιου εμπορίου. Ωστόσο συνιστά και σημαντική πηγή ατμοσφαιρικής (και όχι μόνο) ρύπανσης στις περιοχές πέριξ των λιμένων. Κύρια αιτία οι μηχανές των ελλιμενισμένων πλοίων που συνεχίζουν να δουλεύουν παρότι ακίνητα. Σε απάντηση των ολοένα και αυστηρότερων περιβαλλοντικών κανονισμών και της αυξανόμενης κοινωνικής απαίτησης για βιώσιμες λιμενικές συνθήκες λειτουργίας, η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας από την ξηρά γνωστή ως Cold Ironing (CI), έχει αναδειχθεί ως βασική τεχνολογική λύση για τη μείωση των εκπομπών, του θορύβου, τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα και την αναβάθμιση εν γένει της ποιότητας ζωής και εργασίας εντός και πέριξ των λιμένων. Παρά τα περιβαλλοντικά της οφέλη, η υιοθέτηση και η αποτελεσματική αξιοποίηση της CI παραμένουν περιορισμένες. Κύρια αιτία το υψηλό επενδυτικό κόστος, αλλά και τα προβλήματα συντονισμού μεταξύ των εμπλεκόμενων φορέων και της αβεβαιότητας σχετικά με τις οικονομικές αποδόσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο η ανάπτυξη υποδομών CI αναδιαμορφώνει τις επιχειρησιακές αποφάσεις, τους μηχανισμούς συνεργασίας και τα οικονομικά αποτελέσματα μεταξύ των τερματικών σταθμών εμπορευματοκιβωτίων εντός ενός εμπορικού λιμένα.Κύριος στόχος της έρευνας είναι η ανάλυση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της διαθεσιμότητας CI και της ενδολιμενικής συνεργασίας μεταξύ τερματικών σταθμών και των κρατικών παρεμβάσεων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην κατανομή πλοίων σε τερματικούς σταθμούς (με ή χωρίς υποδομές CI) και στη διαχείριση της δυναμικότητας των τερματικών σταθμών. Η διατριβή απαντά σε τέσσερα ερευνητικά ερωτήματα: (i) πώς οι επενδύσεις σε υποδομές CI επηρεάζουν τα πρότυπα μεταφοράς πλοίων και τα οφέλη συνεργασίας μεταξύ τερματικών σταθμών, (ii) ποιος είναι ο ρόλος των περιβαλλοντικών/κρατικών επιδοτήσεων στην ενίσχυση της βιώσιμης συνεργασίας, χωρίς απώλεια της αποδοτικότητας του συστήματος, (iii) πώς η διαφορετικότητα της δυναμικότητας των τερματικών σταθμών αλληλοεπιδρά με τη διαθεσιμότητα CI δημιουργώντας νέες δυναμικές συνεργασίας, και (iv) πώς οι παραπάνω δυναμικές εξελίσσονται καθώς αυξάνεται το μέγεθος του δικτύου τερματικών. Εστιάζοντας τόσο σε τακτικό όσο και επιχειρησιακό επίπεδο, η διατριβή υπερβαίνει την ανάλυση στρατηγικών επενδύσεων και παρέχει χρήσιμες γνώσεις για τη λήψη αποφάσεων σε λιμάνια υπό περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Σε μεθοδολογικό επίπεδο, η διατριβή αναπτύσσει ένα νέο μαθηματικό πλαίσιο για τη μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση της ενδολιμενικής συνεργασίας μεταξύ τερματικών σταθμών εμπορευματοκιβωτίων. Το μοντέλο ενσωματώνει την επιλογή πλοίων, ως μεταβλητή απόφασης, περιορισμούς δυναμικότητας τερματικών, ετερογενείς δομές κόστους, συμβατότητα CI τόσο σε επίπεδο πλοίου όσο και τερματικού σταθμού, καθώς και την ύπαρξη περιβαλλοντικών/κρατικών επιδοτήσεων. Εξετάζονται δύο πολιτικές συνεργασίας: η μεγιστοποίηση του συνολικού κέρδους, που αντιπροσωπεύει μια συστημικά βέλτιστη προσέγγιση, και η μεγιστοποίηση του ελάχιστου κέρδους, η οποία λαμβάνει υπόψη ζητήματα δικαιοσύνης και σταθερότητας μεταξύ των συνεργαζόμενων τερματικών σταθμών των λιμένων. Το πλαίσιο συγκρίνει σενάρια όπου υπάρχει ή όχι συνεργασία τερματικών σταθμών, καθώς και την ποσοτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με ή χωρίς τη συνεργασία. Πραγματοποιούνται εκτεταμένα πειράματα, μέσα από προσομοιώσεις, για την ανάλυση της ευαισθησίας των αποτελεσμάτων ως προς το μέγεθος ανάπτυξης υποδομών CI, τα μεγέθη των επιδοτήσεων, τη δυναμικότητα των τερματικών και την εν γένει λειτουργία του συστήματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μέγεθος της διαθεσιμότητας υποδομών CI μεταβάλλει ουσιαστικά τα πρότυπα κατανομής πλοίων σε τερματικούς σταθμούς, οδηγώντας συχνά σε συγκέντρωση «κίνησης» σε τερματικούς σταθμούς με υποδομές CI. Παρότι αυτό μπορεί να ενισχύσει την περιβαλλοντική απόδοση και να δημιουργήσει οικονομικά οφέλη μέσω της μείωσης της κατανάλωσης καυσίμων και των εκπομπών, ενδέχεται να προκαλέσει συμφόρηση και ασύμμετρη κατανομή κερδών εάν δεν ληφθούν υπόψη οι περιορισμοί δυναμικότητας και χωρητικότητας. Επιπλέον, η ανάλυση καταδεικνύει ότι οι περιβαλλοντικές επιδοτήσεις διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη διασφάλιση βιώσιμων συνεργασιών, υπό την προϋπόθεση ότι είναι κατάλληλα σχεδιασμένες. Από πλευράς κρατικής παρέμβασης, η διατριβή παρέχει τεκμηριωμένες κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό στρατηγικών ανάπτυξης υποδομών CI και μηχανισμών επιδότησης, που ευθυγραμμίζουν τους περιβαλλοντικούς στόχους με την οικονομική βιωσιμότητα. Σε ακαδημαϊκό επίπεδο, συμβάλλει στη διεύρυνση της βιβλιογραφίας για τη βιώσιμη διαχείρισης λιμένων, της συνεργατικής βελτιστοποίησης και της απανθρακοποίησης της ναυτιλίας, προσφέροντας ένα καινοτόμο πλαίσιο ενσωμάτωσης περιβαλλοντικών τεχνολογιών στις επιχειρησιακές αποφάσεις των λιμενικών αρχών.