Ανάπτυξη και υλοποίηση αλγορίθμων βελτιστοποίησης σε προβλήματα ναυτιλιακής εφοδιαστικής αλυσίδας

Abstract

This PhD thesis examines the problems of maritime transport and port operations in the context of maritime supply chain management. The main objective is the development of innovative optimization algorithms to solve these problems in real time, implementing methodologies derived from the field of artificial intelligence. More specifically, the thesis focuses on two main problems, those of ship routing and the allocation of berth slots in ports. Ship routing is defined as the process of determining the optimal routes for a fleet of ships serving a set of ports and customers, taking into account various factors such as cargo demand, fuel consumption and port congestion. For the second problem, berth allocation is considered the process of optimally assigning incoming ships to port terminals taking into account various constraints, such as ship arrival times, service times, length of stay, ship characteristics. The analysis of the two problems is carried out by the presentation of mathematical models based on the scientific literature. The solution of these maritime supply chain optimization problems is achieved by the development of artificial intelligence methods and in particular from the category of algorithms inspired by natural processes. In each of the two problems, different computational strategies are followed and various optimization techniques are implemented with the aim of achieving quality solutions in realistic real time. The results of the proposed algorithmic methods are compared with the corresponding ones from the scientific literature showing significant improvements in the quality of the solutions and in the required computational time of their production. The analysis of the results proves the dynamic of the proposed methods of the PhD thesis in solving complex optimization problems and suggests their further application in other real problems. Finally, the PhD thesis concludes with the main contributions for improving maritime supply chain management and the directions for future research.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τα προβλήματα των θαλάσσιων μεταφορών και των λιμενικών λειτουργιών στο πλαίσιο της διαχείρισης της θαλάσσιας αλυσίδας εφοδιασμού. Κύριος στόχος αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων αλγορίθμων βελτιστοποίησης για την επίλυση αυτών των προβλημάτων σε πραγματικό χρόνο, υλοποιώντας μεθοδολογίες προερχόμενες από τον κλάδο της τεχνητής νοημοσύνης. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται σε δύο κύρια προβλήματα αυτά της δρομολόγησης των πλοίων και τον ελλιμενισμό των πλοίων στους λιμένες. Η δρομολόγηση των πλοίων ορίζεται ως η διαδικασία καθορισμού των βέλτιστων διαδρομών για ένα στόλο πλοίων, ο οποίος εξυπηρετεί ένα σύνολο λιμένων και πελατών, λαμβάνοντας υπόψη διάφορους παράγοντες, όπως η ζήτηση φορτίου, η κατανάλωση καυσίμου, η συμφόρηση λιμένων, κ.ά. Για το δεύτερο πρόβλημα, ο ελλιμενισμός των πλοίων θεωρείται η διαδικασία της βέλτιστης εκχώρησης των εισερχόμενων πλοίων στους λιμενικούς τερματικούς σταθμούς λαμβάνοντας υπόψη διάφορους περιορισμούς, όπως τις ώρες άφιξης πλοίων, τους χρόνους εξυπηρέτησης τους, την διάρκεια παραμονής σε αυτά, τα χαρακτηριστικά των πλοίων, κ.ά. Η ανάλυση των δύο προαναφερθέν προβλημάτων πραγματοποιείται με την παρουσιάση των μαθηματικών μοντέλων βασισμένα από την επιστημονική βιβλιογραφία. Η επίλυση αυτών των προβλημάτων βελτιστοποίησης της ναυτιλιακής εφοδιαστικής αλυσίδας επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης και ειδικότερα από την κατηγορία των αλγορίθμων εμπνευσμένων από φυσικές διαδικασίες. Σε κάθε ένα από τα δύο προβλήματα ακολουθούνται διαφορετικές στρατηγικές αντιμετώπισης τους και υλοποιούνται διάφορες τεχνικές βελτιστοποιήσης με στόχο την επίτευξη ποιοτικών λύσεων σε ρεαλιστικό πραγματικό χρόνο. Τα αποτελέσματα των προτεινόμενων αλγοριθμικών μεθόδων συγκρίνονται με τα αντίστοιχα από την επιστημονική βιβλιογραφία παρουσίαζοντας σημαντικές βελτιώσεις από αυτά τόσο στην ποιότητα των λύσεων, όσο και στον απαιτούμενο υπολογιστικό χρόνο παραγωγής τους. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων αποδεικνύει την δυναμική των προτεινόμενων μεθόδων της διδακτορικής διατριβής στην επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων βελτιστοποίησης και προτείνει την περεταίρω εφαρμογή τους σε περισσότερα πραγματικά προβλήματα. Τέλος, η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με τις κύριες συνεισφορές για την βελτίωση της διαχείρισης της θαλάσσιας αλυσίδας εφοδιασμού και τις κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα.