The Fishing Vessel - Optimising Design and Functionality Based on Profit Optimisation of Fishery Selection, Routing and Change of Equipment Configuration

Abstract

Norsk fiskerinæring har de siste årene hatt en jevn økonomisk vekst, men en øvre grense på hvor mye havområdene tåler har blitt nådd. Norske myndigheter har derfor gitt norske fartøy større muligheter til å ta i bruk nye redskapskombinasjoner gjennom et friere redskapsvalg. Ved å kombinere flere typer redskap, og dermed utvide tilgjengelige fiskerier, vil fartøyet oppleves mer fleksibelt i møtet med usikkerheter i industrien. Siden det i dag ikke blir delt ut nye kvoter, må et nybygg erstatte allerede eksisterende fartøy dersom det ønsker å operer innad i industrien. Dette kan medføre en større interesse etter fartøy med muligheter for kombinert drift i årene som kommer.

Formålet med denne rapporten er å kombinere de økte operasjonsgrensene med en optimeringsmodell i håp om å kunne generere robuste løsninger for en fiskerinæring i endring. Basert på kvotene tildelt fartøyet, samt de mulige utstyrskonfigurasjonene, forsøker modellen å forklare operasjonssyklusen til et fiskefartøy. I oppgaven benyttes det optimering til å utvikle en matematisk modell for å løse problemstillingen. Problemet som presenters i denne oppgaven, er modellert som et heltallsproblem, også kalt et Mixed-Integer Programming (MIP) problem, og er implementert og løst i den kommersielle programvaren Xpress-IVE.

Siden inntjeningen til et fiskefartøy er basert på hvor mye fisk den får solgt, er det ønskelig at kvotene fiskes opp. Kvotene baseres på hvilket fiskeslag som fiskes, i tillegg til utstyret som brukes. I ruteplanleggingen benyttes det en tidshorisont på 30 dager. Redskapet som benyttes påvirker i noen tilfeller kvaliteten på fisken, som igjen vil føre til en variasjon i salgsprisen. Fartøyets kapasitet setter begrensninger på hvor lenge det kan fiske før det må returnere til et fiskemottak for lossing.

For å illustrere hvordan modellen fungerer, samt dens begrensninger, er det konstruert to casestudier. Den ene tar for seg en normal driftskombinasjon som brukes i dag, mens den andre ser nærmere på hvordan en fremtidig løsning kan se ut. Resultatene fra den første kjøringen viste at fartøyet var i stand til å oppfylle kvotekravene, samt gjennomføre redskapsbyttet til havs. For det andre casestudiet viste resultatene at modellen har noen mangler relatert til de større redskapsbyttene, og det er ikke mulig å trekke noen konklusjoner basert på dette.

Problemet som undersøkes i denne rapporten er komplekst, noe som vanskeliggjør modelleringen av problemet. Siden problemet består av flere parametere som burde modelleres stokastisk, kan det lede til at resultatene er mangelfulle. Videre arbeid relatert til utvidelse og forbedring av modellen er nødvendig før modellen kan brukes i en beslutningsprosess, og det anbefales at de mulige redskapskombinasjoner utvikles i mer detalj.

During the last few years, the Norwegian fishing industry has seen steady economic growth. However, an upper limit on the available fishery resources have been met. To overcome this challenge, and to ensure future economical growth, the Norwegian government has allowed ship owners to explore possible combinations of operation modes that previously have been prohibited. By combining operation modes, the vessel can become more robust when facing the large uncertainties in the fishing industry, as the functionality of the vessel is increased, as well as the number of fisheries it can participate in can be expanded. Since the number of quotas available is held constant, a vessel can only enter the industry by replacing an already existing one, hence making a combined vessel desirable for ship owners. With added operating modes, there exist a potential to use decision tools to better plan the operation of the vessel.

The objective of this thesis is to relate the extended operating context to a routing model, to achieve a more robust solution for a continuously changing market. Based on the Norwegian quota system and possible equipment configurations, the operation cycle of a typical Norwegian fishing vessel is investigated. Optimisation methods are utilized to develop a mathematical model that illustrates a vessel's operation cycle and will give valuable insight and knowledge about a combined problem that has not been explored before. The model is developed as a mixed-integer programming (MIP) problem and implemented by the use of the commercial optimisation software Xpress-IVE.

The vessel will aim to fulfill its acquired quotas, which is decided based on the gear types installed and the fish species that is targeted. The planning horizon is set to be 30 days, which is assumed to be long enough to capture the entirety of the cycle. Additionally, specific fish species require a given gear type, which again will affect the possible revenue. The type of gear being used is a deciding factor for both how much the vessel is capable of capturing during a day and on the quality of the fish product. The capacity of the vessel limits how long the vessel can be at sea before returning to a landing site for deliveries.

A computational study is conducted on a normal equipment combination operated today, and an attempt was made to also incorporate larger configuration changes. The results from the first test case illustrated that the vessel was able to fulfill it quotas, and conduct equipment changes while sailing from one location to another.

The problem is very complex and consequently not easy to either model or solve. Because the problem consists of multiple parameters that should have been modeled stochastically, the results were inconclusive for the second test case. Further research on both the model creation and the equipment configurations is needed before this model can be implemented in a decision making process.