Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/93158
Title: Strategic Planning of Intermodal Platform Networks
Authors: Bravo, Erwin Joffre Delgado
Orientador: Antunes, António José Pais
Póvoa, Ana Paula Barbosa
Keywords: Intermodal Platform; Freight Transport; Plataformas Intermodais; Transporte de Mercadorias
Issue Date: 24-Apr-2020
Place of publication or event: Coimbra University
Abstract: In recent years, various policies to encourage the use of the intermodal transport system, especially the rail/road combination, have been promoted by government entities as an alternative to reduce the negative externalities that unimodal transport by road entails. Despite the economic advantages of using the rail/road transport its market share is significantly lower compared to unimodal transport by road. Multiple factors affect the performance of an intermodal system, especially the location of facilities (intermodal terminals) where the mode change takes place; the terminal type selection, which depends on the different services that terminals could offer (e.g. storage, (un)loading); and its installed equipment (e.g. cranes, reach stackers) and/or infrastructure (e.g. tracks). Usually, location and terminals type selection is carried out by a government entity. This planning is linked to the decisions of distribution done by the users of the terminals who choose the route that minimizes their own costs when transporting freight flow between two regions of a country. In this context, the present work aims to provide optimization-based tools for the strategic planning of an intermodal terminals network in a country taking into account the decisions of the terminal users. A first approach addressed in this work consists in the formulation of mathematical models for the optimal location of intermodal terminals under a decentralized management context, subject to capacity constraints in order to minimize the total costs of distribution that include the transportation costs and the costs for installing terminals. A first proposed mathematical model is based on the assumption that the analyst, who carries out the strategic planning, knows with complete certainty the decisions made by the users. The decisions of the users are generally focused on choosing the route with the greatest utility for them. Based on the above, the demand between each pair of regions is fully allocated to the route with the greatest utility (lowest cost). The behavior of this model was analyzed with reference to a case study inspired by the Portuguese reality, contrasting its results with those obtained in a centralized management context highlighting notable differences both in number and in the location of intermodal terminals. On the other hand, generally the behavior of the users in the modal (or routes) choice process is not completely known by the analyst. Users do not constitute a homogenous group of individuals and so they could evaluate each route option differently. Therefore, the analyst can only make inferences regarding the behavior of the users. One way to characterize the variability of user decisions is through a discrete choice model. Thus, unlike the previous model, a second mathematical model is proposed, which is based on that the demand between a pair of regions is divided proportionally in each feasible route between the two regions. The freight proportion allocated to each feasible route is given by a Multinomial Logit Model. Due to the solution complexity observed through the computational experiences carried out on the proposed mathematical models efficient solution algorithms were proposed. These explore the concept of hybrid algorithm that combines a Genetic Algorithm and a Local Search Procedure, for getting near-optimal solutions to the problem under study in this thesis. As a critical aspect of this approach relates to the parameter tuning this was analyzed and an a heuristic based on the Iterated Local Search Algorithm was proposed in order to find a near-optimal configuration for the Hybrid Algorithm. The validation of these algorithms was performed through a comparative analysis between the optimal results of a set of randomly generated instances and those obtained in the execution of the algorithms. The heuristic for getting near-optimal solution to intermodal location problem under a decentralized management context based on a discrete choice model was implemented to two case studies. The first one is essentially focused on the Portuguese reality, contrasting two decentralized management approaches in decentralized management (all-or-nothing allocation vs Multinomial Logit Model), highlighting the impact of the approach on the design of the freight transport network. The second one is based on the Iberian Peninsula, evidencing significant improvements in implementing the near-optimal solution compared to the current freight transport network.
Nos últimos anos, várias políticas de encorajamento do uso de sistemas de transportes intermodais, especialmente as ligações ferro-rodoviário, têm sido incentivadas pelas entidades governamentais como uma alternativa que visa reduzir as externalidades negativas inerentemente associadas ao transporte uni-modal rodoviário. Apesar das vantagens económicas do uso de transporte ferro-rodoviário, a sua quota de mercado é significativamente reduzida comparado com o transporte uni-modal rodoviário. A performance de um sistema multimodal é afetada por múltiplos fatores, especialmente a localização das instalações (terminais intermodais) onde a troca de modo ocorre; a seleção do tipo de terminal, que depende dos diferentes serviços que cada terminais oferece (p ex., armazenamento, (des)carregamento); e o tipo de equipamento instalado (p ex., gruas, empilhadoras) e/ou infraestrutura (p ex., trilhos). Usualmente, a localização e a seleção do tipo de terminal são realizadas por uma entidade governamental. Este planeamento está associado às decisões de distribuição tomadas pelos utilizadores dos terminais que escolhem as rotas que minimizam os seus próprios custos aquando do transporte de carga entre duas regiões de um país. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo providenciar ferramentas de otimização que sirvam de base para o planeamento estratégico de uma rede de terminais intermodais de um país tendo em conta as decisões tomadas pelos utilizadores desses mesmos terminais. A primeira abordagem tratada neste trabalho consiste na formulação dos modelos matemáticos para a localização ótima dos terminais intermodais no contexto de uma gestão descentralizada, sujeita às restrições de capacidade no sentido de minimizar o custo total da distribuição, nomeadamente, o custo de transporte e o custo de instalação dos terminais. O primeiro modelo matemático proposto é baseado na hipótese de que o analista, o qual que realiza o planeamento estratégico, tenho conhecimento, com total certeza, das decisões tomadas pelos utilizadores. As decisões destes utilizadores são geralmente focadas na escolha da rota de distribuição que maximiza as suas respetivas utilidades. Posto isto, a procura entre quaisquer dois pares de regiões é inteiramente alocada à rota com maior utilidade (custo mais baixo). O comportamento deste modelo foi analisado usando um estudo de caso inspirado na realidade Portuguesa e contrastado com os resultados obtidos num contexto de gestão centralizada, destacando claras diferenças em termos de número e da localização dos terminais intermodais. Por outro lado, e de uma forma geral, o comportamento dos utilizadores no processo de escolha de modo (ou de rotas) não é completamente conhecido pelo analista. Os utilizadores não constituem um grupo homogéneo de indivíduos, podendo avaliar cada opção de rota de forma distinta. Portanto, o analista pode apenas inferir o comportamento destes utilizadores. Uma forma de caracterizar esta variabilidade é através de modelos de escolha discreta. Deste modo, ao contrário do modelo anterior, um segundo modelo matemático é proposto, o qual é baseado no facto de que a diferença de procura entre quaisquer dois pares de regiões é proporcionalmente dividida em cada rota factível entre as duas regiões consideradas. A carga alocada a cada possível rota é obtida através de um modelo de Logístico Multinomial. Dada a complexidade da solução observada via experiências computacionais, foram propostos alguns algoritmos de soluções eficientes. Estes últimos exploram o conceito de algoritmo híbrido, que combina elementos de Algoritmos Genéticos e de Procedimentos de Procura Local, para a obtenção de soluções próximas da ótima do problema a ser estudado nesta tese. Um aspecto crítico desta abordagem refere-se à afinação dos parâmetros. Neste sentido, foi proposta uma heurística baseada no Algoritmo de Procura Local Iterada no sentido de encontrar a configuração quase ótima do Algoritmo Híbrido. A validação destes algoritmos foi conduzida através de análise comparativa entre os resultados ótimos de um conjunto de instâncias geradas aleatoriamente e os resultados obtidos pela execução dos algoritmos. A heurística para obter soluções quase ótimas do problema de localização intermodal sob o contexto de gestão descentralizada baseado num modelo de escolha discreta foi implementado com recurso a dois estudos de caso. O primeiro, é essencialmente focado na realidade Portuguesa, contrastando duas abordagens de gestão descentralizada (tudo-ou-nada versus Modelo Logístico Multinomial), destacando o impacto das mesmas no design da rede de transporte de carga. O segundo é baseado na Península Ibérica, evidenciando melhorias significativas na implementação da solução quase ideal em comparação com a atual rede de transporte de mercadorias.
Description: Tese no âmbito do Programa Doutoral em Sistemas de Transportes apresentada à Facultade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/93158
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Civil - Teses de Doutoramento
UC - Teses de Doutoramento

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