Optimization and impact assessment of urban waterborne transportation by modular vessels

Abstract

Denne masteroppgaven har som mål å utforske konsepter for vannbaserte transportsystemer i urbane områder som kombinerer transport av gods og passasjerer for å øke effektivitet og redusere miljøpåvirkning og kostnader. Den har også som mål å evaluere potensialet av et modalskifte i Oslofjorden, fra veibasert godstransport og bruk av privatbiler til sjøtransport med modulære fartøy.

Optimering har blitt brukt for å finne den optimale flåtestørrelsen og hvilke ruter de modulære fartøyene i det vannbaserte transportsystemet skal seile for å minimere årlige kostnader. En daglig etterspørsel har blitt definert for tre lokasjoner; Nesodden, Slemmestad, og sentrum i Oslo. Det er funnet at to modulære fartøy kan dekke den daglige etterspørselen i Oslofjorden, ved at hvert fartøy gjennomgår flere konfigurasjoner for å operere i de ulike segmentene.

En multi-objektiv optimeringsmodell har blitt laget for å tilby beslutningsstøtte til pendlere og godseiere når de skal velge fremkomstmiddel. Et veibasert transportsystem bestående av privatbiler og konvensjonelle lastebiler har blitt sammenlignet med et vanntransportsystem bestående av modulære fartøy, med hensyn til fire ulike kriterier: globale oppvarmingspotensialer, reisetid, mulig ventetid/forsinkelser, og kostnad av fremkomstmiddel. Livssyklusanalyser har blitt gjennomført for å finne globale oppvarmingspotensialer for hvert transportalternativ. Analytiske hierarkisk prosesser har óg blitt gjennomført for å etablere vektfaktorer for hvert kriteria.

Resultatene fra multi-objektiv optimeringsmodellen indikerer et stort potensial for kombinert transport av passasjerer og gods i Oslofjorden ved bruk av modulære fartøy, i form av redusert klimapåvirkning og tilstrekkelig kvalitet på service for begge beslutningstakere. Gjennomførte sensitivitetsanalyser viser også at løsningen er robust og lite sensitiv til endringer i usikre input-parametere. Resultatene fra denne masteroppgaven gir dermed et grunnlag for videre forskning på bruk av modularitet i skipsdesign prosesser.

This master's thesis aims to investigate concepts for urban water transport systems combining transportation of passengers and cargo to increase efficiency and reduce costs and environmental impacts. It also seeks to assess the potential of a modal shift of transport in the fjord of Oslo, from road freight and the use of private cars to waterborne transport by modular vessels.

The optimal fleet size and routing of a waterborne transport system consisting of modular vessels have been found through a multi-commodity vehicle routing optimization model. Demand and supply of passengers and cargo have been defined for three locations; Nesodden, Slemmestad, and the central city of Oslo. Two modular vessels can fulfill the daily requirements where each vessel will undergo several configurations per day to switch between passengers' transportation and cargo distribution.

A multi-objective optimization (MOO) model has been developed to provide decision support to commuters and cargo owners when choosing a mode of transport. A road-based transport system consisting of private cars and conventional trucks has been compared to the waterborne transport system with regard to four criteria; Global warming potential (GWP), voyage duration, potential lead time, and cost of transportation. Life cycle assessments have been conducted for finding the GWP impacts from each transport system, and analytical hierarchy process (AHP) theory has been used to establish weight factors for each criterion.

The results of the computational studies indicate a great potential for combined waterborne transport of passengers and cargo in the fjord of Oslo, in terms of reduced environmental impacts and quality of service for both decision-makers. The solution is found to be robust for alterations in input parameters from performed sensitivity analyses. The findings of this thesis thus provide a foundation for further exploration of modularity in ship design.