Using Optimization to Evaluate the Potential for Multimodal Cargo Distribution in a Regional Port

Abstract

Denne masteroppgaven inneholder en presentasjon av flere optimeringsmodeller utviklet for å kunne analysere potensialet for å innføre et multimodalt distribusjonsnettverk i en regional havn. Bergen Havn har blitt brukt som utgangspunkt for numeriske studier, og potensialet for godsoverføring fra vei til sjø i sluttdistribusjonen av godsvolumene gjennom den fremtidige, flyttede godsterminalen har blitt analysert.

Sluttdistribusjon er i denne oppgaven definert som distribusjonen mellom hovedterminalen og de omkringliggende sluttkunderegionene. Hver kunderegion har en gitt etterspørsel for både tilførsel og henting av varer. Det finnes to måter å forsyne sluttkundene på: Både gjennom direkte lastebiltransport, og ved hjelp av en multimodal distribusjonskjede hvor både sjøtransport ved bruk av små, spesialiserte fartøy og lastebiltransport er involvert. Inputparametre til modellen omfatter geografiske forhold, data for godsetterspørsel og parametre for de gitte skipstypene, i tillegg til kostnadskomponenter knyttet til selve godsdistribusjonen og investeringer for havneinfrastruktur og bygging av skip.

Målet med optimeringsmodellene er å gi beslutningsstøtte på et strategisk planleggingsnivå, og løsningene inneholder informasjon om hvilke skipstyper som bør brukes samt antall skip, hvilke havner som skal åpnes og i hvilke tidsperioder investeringene bør gjøres. Løsningene evalueres i hovedsak på bakgrunn av den estimerte totalkostnaden og det forventede transportbehovet på vei i løpet av planleggingsperioden.

Det har blitt utviklet både en deterministisk og en stokastisk optimeringsmodell. Grunnet stor fleksibilitet i valget av beslutningsvariable på et operasjonelt nivå, er verdien av de stokastiske løsningene begrenset. Simulering har blitt brukt for å validere den kost-optimale løsningen, og det er vurdert hvorvidt det å tillegge ytterligere begrensninger på driften av fartøyene vil påvirke løsningene fra optimeringsmodellene.

I Bergen Havn vil det å innføre et multimodalt distribusjonsnettverk om 10 år kunne føre til små reduksjoner i totalkostnaden for godsdistribusjonen gjennom planleggingshorisonten. 44 % av godsdistribusjonen overføres fra lastebil til sjøtransport, men dette vil skje tidligere dersom det defineres målsetninger om et minstekrav for godsoverføring. Basert på utførte sensitivitetsanalyser synes løsningene å være robuste med tanke på endringer i inputparametrene. Resultatene fra masteroppgaven indikerer dermed et stort potensial for godsoverføring for last gjennom havnen i Bergen, og det finnes mange mulige kombinasjoner av investeringsbeslutninger som vil føre til store reduksjoner i veitransportbehovet til en konkurransedyktig totalkostnad. Dette vil kunne være viktig informasjon for beslutningstakerne involvert i prosessen med flytting av godsterminalen i Bergen.

In this Master's thesis, mixed integer linear programming models for analyzing the potential for introducing a multimodal distribution network to a regional port are presented. The port of Bergen has been used as a case study, where the potential for obtaining a modal shift towards more maritime last-mile distribution of the cargo volumes through the relocated cargo terminal have been analyzed.

The last-mile distribution chain is throughout this thesis understood as the distribution between a main terminal and the surrounding end customer regions. Each customer region has a given cargo demand for both delivery and pickup of cargo. Two options for distribution exists, namely direct truck distribution and multimodal distribution where both maritime transportation by small, specialized vessels and road transportation with trucks takes place. Input parameters to the model include geographical data, customer demands and vessel parameters, in addition to cost components associated with the cargo distribution and investments in port and vessel infrastructure.

The developed optimization models aim at providing decision support on a strategic planning level, and the solution output include information about which vessel types to acquire, which ports in the port network to open, and in which time period the investment decisions should be made. Key performance parameters used to evaluate the obtained solutions include the overall cost and the total road transportation need.

Both a deterministic and a stochastic model formulation is developed and compared. Due to a large flexibility in selecting decision variables on an operational planning level, the value of the stochastic solutions is limited. Simulation has been used to validate the found cost-optimal solution, and it is evaluated how further restrictions on the vessel operation will affect the obtained results from the optimization models.

For the port of Bergen, it is found that implementing a multimodal distribution network within the next 10 years will lead to slight cost reductions. A modal shift of 44 % is obtained in the cost-optimal solution, but this shift can be initiated at an earlier stage if modal shift targets are specified. From the conducted sensitivity analyses it is found that the solutions are robust with respect to changes in input parameters. The results obtained through this Master's thesis work thus indicate a strong potential for obtaining a modal shift in the last-mile distribution of cargo in the port of Bergen, and several possible combinations of strategic investment decisions will result in large reductions of the road transportation need at a competitive overall cost. This finding might be important for the decision makers in the process of relocating the cargo terminal in the port of Bergen.