GIS-assisted optimal design of maritime transport systems

Abstract

The adverse environmental impacts of fossil fuels in the shipping industry call for a shift towards more sustainable maritime transport models and overall decarbonization. In order to address this issue, environmental impacts associated with the operation of maritime networks must be considered in their design and planning processes, while also aiming to address several inequalities, such as accessibility, cohesion, and connectivity of every component of the network. As maritime networks show high complexities and intricate topological characteristics, advances in spatial data analytics and the use of geospatial methods call for the development of a new spatial decision support system (SDSS) to assist in network design. In this context, the scope of this dissertation is to develop a versatile and easily adaptable Geographical Information Systems based (GIS-based) methodological framework based on spatial data science models and techniques for evaluating, planning, and restructuring existing maritime networks, exploiting recent technological advances in fully electric zero-emission ferries. Specific objectives of the dissertation include: a) the development of a comprehensive methodological framework for emissions monitoring and environmental evaluation of a maritime network, along with the identification of areas of high CO2 emissions for the implementation of emissions mitigation strategies, b) the development of a methodological framework for the redesign of existing networks, integrating the establishment of zero-emission routes in the design process of maritime networks, c) the development of efficiency indices for network ports in combination with a Slacks Based Measure Data Envelopment Analysis (SBM-DEA) model for the evaluation of ports and areas where targeted interventions for improvement are needed. The proposed framework is applied in the Greek Coastal Shipping Network, with emissions mitigation performance of the newly proposed network compared with conventional slow steaming strategies. Lastly, the newly proposed network is compared to the existing one, considering environmental, accessibility, and social cohesion aspects.

Οι δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις των ορυκτών καυσίμων στη ναυτιλία απαιτούν τη στροφή προς πιο βιώσιμα μοντέλα θαλάσσιων μεταφορών για απανθρακοποίηση. Ως προς αυτό, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη λειτουργία ναυτιλιακών δικτύων πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στις διαδικασίες σχεδιασμού τους, ενώ παράλληλα απαραίτητη είναι η αντιμετώπιση διαφόρων ανισοτήτων, όπως η προσβασιμότητα, η συνοχή και η συνδεσιμότητα κάθε στοιχείου του δικτύου. Καθώς τα ναυτιλιακά δίκτυα παρουσιάζουν υψηλή πολυπλοκότητα και περίπλοκα τοπολογικά χαρακτηριστικά, η ανάπτυξη ενός νέου χωρικά σχετιζόμενου συστήματος υποστήριξης αποφάσεων (SDSS) για την υποβοήθηση του σχεδιασμού των δικτύων είναι απαραίτητη, βάσει των εξελίξεων στην ανάλυση χωρικών δεδομένων και η χρήση γεωχωρικών μεθόδων. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ευέλικτου και εύκολα προσαρμόσιμου μεθοδολογικού πλαισίου βασισμένου σε Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (ΣΓΠ), μοντέλα και τεχνικές ανάλυσης χωρικών δεδομένων για την αξιολόγηση, το σχεδιασμό και την αναδιάρθρωση υφιστάμενων ναυτιλιακών δικτύων, αξιοποιώντας τις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις στα πλήρως ηλεκτρικά πλοία μηδενικών εκπομπών. Οι ειδικοί στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν: α) την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μεθοδολογικού πλαισίου για την παρακολούθηση των εκπομπών και την περιβαλλοντική αξιολόγηση ενός ναυτιλιακού δικτύου, καθώς και τον εντοπισμό περιοχών υψηλών εκπομπών αερίων CO2 για την εφαρμογή στοχευμένων παρεμβάσεων, β) την ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού πλαισίου για τον επανασχεδιασμό των υφιστάμενων δικτύων, ενσωματώνοντας διαδρομές μηδενικών ρύπων, γ) την ανάπτυξη νέων δεικτών αποδοτικότητας για τους λιμένες του δικτύου σε συνδυασμό με ένα μοντέλο Περιβάλλουσας Ανάλυσης Δεδομένων λαμβάνοντας υπόψη περιθώρια χαλάρωσης (SBM-DEA) για την αξιολόγηση των λιμένων προς στοχευμένες παρεμβάσεις για βελτίωση. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο εφαρμόζεται στο ελληνικό ακτοπλοϊκό δίκτυο, συγκρίνοντας τα περιβαλλοντικά του οφέλη με συμβατικές στρατηγικές μείωσης ταχύτητας, ενώ επίσης συγκρίνεται με το υφιστάμενο δίκτυο, λαμβάνοντας υπόψη περιβαλλοντικούς παράγοντες, την προσβασιμότητα και κοινωνικής συνοχή του δικτύου.