An Investigation of Methods and Value of Information in Routing of Priority-Based Operations - Using a Rule-Based Routing Method Tested with Discrete Event Simulation

Abstract

Operasjoner i kystsonen beveger seg mot mer eksponerte farvann. Et problem kan derfor oppstå når operasjoner i eksponerte og skjermede farvann har til hensikt å bruke det samme fartøyet. Fasiliteter, slik som for eksempel havmerder, i utsatte farvann har større sannsynlighet for utilgjengelighet på grunn av værforhold, og tildeles derfor en høyere prioritet sammenlignet med fasilitetene i skjermet farvann. Denne prioriteringen gjelder alle operasjoner som skal utføres i slike områder. Siden ett fartøy opererer innefor områder med ulik eksponering for vær, så er det nødvending med effektiv ruteplanlegging. Målet med denne masteren er å se på ulike metoder for ruteplanlegging av prioriteringsbaserte operasjoner og verdien av informasjon i en slik ruteplanlegging. Funnene kan brukes i videre analyse av problemet, og et beslutningsstøtteverktøy for relevante næringer, som for eksempel havbruk- eller vindkraftindustrien.

For å forstå problemet undersøkes avgjørende faktorer for ruteplanlegging av prioriteringsbaserte operasjoner, slik som kundekrav, værforhold og prioritering av hver lokasjon. Ulike relevante metoder for ruteplanlegging gjennomgås før en regelbasert metode velges. Den regelbaserte metoden består av et valgt sett med regler som bestemmer hvor fartøyet skal seile. Fire regelsett genereres i MATLAB, hvor forskjellen mellom dem er mengden tilgjengelig informasjon. Hvert regelsett bygger på det forrige settet med hensyn til informasjon tilgjengelig. Regelsett 1 kjenner kun til forbruksraten og lagringskapasiteten på hvert anlegg og på skipet. Regelsett 2 kjenner til værmeldingen for neste dag i tillegg til informasjonen gitt i regelsett 1. Regelsett 3 kjenner til værvarselet for de neste to ukene i tillegg til det som er gitt i regelsett 1, mens regelsett 4 også kjenner lagernivåene på hvert anlegg. For å teste ruteplanleggingsmetoden og vurdere verdien av informasjon, blir det gjennomført en casestudie av fôrdistribusjonen ved tre anlegg med forskjellig eksponering. Regelsettene testes ved bruk av en diskret hendelsessimulering med fire nivå med usikre værforhold. Simuleringsmodellen er laget i Simulink og simulerer ett års drift for de tre stedene, og tar hensyn til værforhold, prioritering av hvert sted og fôrnivå. Værmeldinger simuleres ved hjelp av Markov-kjeder og tilfeldige tall.

Simuleringsmodellen beregner de totale kostnadene for ett års drift, i tillegg til å overvåke endring i lagernivå, mengde levert fôr og opplevde havtilstander på hver lokalitet. Den totale kostnaden kan deles inn i charter-, drivstoff- og forsinkelseskostnad. Kostnadskomponentene brukes til å evaluere ytelsen til hvert regelsett og verdien av informasjon. Verdien av informasjon kan beskrives som fordelen oppnådd ved å inkludere tilleggsinformasjon i beslutningsprosessen, for eksempel ved å vite eksakte værdata eller oppdaterte lagernivåer for hver lokalitet. Resultatene fra casestudien indikerer en høy verdi av informasjon ved å kjenne til lagernivået, mens værmeldingene gir overraskende små fordeler. Simuleringen viste også at en regelbasert metode planlegger besøk til hver lokasjon på en akseptabel måte, men den antas ikke å være optimal på grunn av lav utnyttelse av fartøyet.

Operations in the coastal zone are moving towards more exposed waters. A problem may arise when operations in exposed and sheltered waters intends to use the same vessel. Facilities, such as ocean farms, in exposed waters have a higher probability of unavailability due to weather conditions, and are therefore assigned a higher priority compared to the facilities in sheltered waters. This priority applies to all the operations that should be conducted at exposed locations. Since one vessel operates at all locations, an efficient routing is required. The objective of this thesis is to look at various methods for routing of priority-based operations and the value of information in such routing. The findings may be used in further analysis of the problem, and a decision support tool for relevant industries, such as the aquaculture or the wind energy industry.

In order to understand the problem, crucial factors for routing of priority-based operations, such as customer demands, weather conditions and the priority of each location, are assessed. In order to find a suitable routing method, various methods are reviewed before a rule-based method is chosen. The rule-based method consists of a chosen set of rules deciding where the vessel should sail. Four rule sets are generated in MATLAB, where the difference between them is the amount of information available. Each rule set build on the previous set with regards to information. Rule set 1 only knows the consumption rate and storage capacity at each facility. Rule set 2 knows the weather forecast for the next day in addition to the information given in Rule set 1. Rule set 3 knows the weather forecast for the next two weeks in addition to whats given in Rule set 1, while Rule set 4 also knows the inventory levels at each facility. To test the routing method and assess the value of information, a case study of the feed distribution at three facilities with various exposure is conducted. The rule sets are tested using a discrete event simulation with four degrees of uncertain weather conditions. The simulation model is built in Simulink and simulate one year of operation for the three locations, taking weather conditions, priority of each location and feed levels into account. Weather forecasts are simulated with the use of Markov chains and random numbers.

The simulation model calculates the total cost of one year of operation, in addition to monitoring change in inventory levels, amount of feed delivered and sea states experienced. The total cost can be divided into charter, fuel, and delay costs. The cost components are used to evaluate the performance of each rule set and the value of information. The value of information can be described as the benefit gained by including extra information in the decision process, such as adding exact weather data or updated inventory levels. The results indicate a high value of information in knowing the inventory levels, while the weather forecast gives surprisingly small benefits. The simulation also showed that a rule-based method accomplish to book visits in an acceptable fashion, but it is not believed to be optimal due to low utilization of the vessel.