Konteyner gemileri, büyük konteyner terminallerinde yüklenir ve boşaltılır. Aşağıdaki şekil, tipik bir konteyner terminalindeki bu yükleme ve tahliye sürecini göstermektedir. Bu yükleme ve tahliye süreci, aşağıda tanımlanan farklı alt süreçlere ayrılabilmektedir. Bir gemi limana geldiğinde, rıhtım vinçleri geminin ambar yada güvertesindeki ithalat konteynerlerini almakta ve bu konteynerleri gemi ve istif blokları arasındaki taşımayı gerçekleştiren taşıtlara aktarmaktadır. Bir istif bloğu, konteynerlerin belirli bir süre için depolanabildiği birkaç sıradan oluşmaktadır. Vinç veya straddle taşıyıcı gibi ekipmanlar bu sıralarda hizmet verirler. Bir straddle taşıyıcı bir konteyneri hem taşıyabilmekte hem de blokta istifleyebilmektedir. Konteynerlerin taşınması için bu işe tahsis edilmiş taşıtlar da kullanılabilmektedir. Bir taşıt istif bloğuna geldiğinde, straddle taşıyıcı veya istif vinci konteyneri taşıttan alır ve istif bloğunda istifler .

Şekil Konteyner terminal sistemi

Belirli bir süre sonra konteynerler istif vinci tarafından bloktan alınır ve şat, açık deniz gemisi, kamyon veya tren gibi farklı taşıtlara yüklenirler. İhraç konteynerlerinin gemiye yüklenmesi için bu süreçler ters sırada gerçekleşmektedir. Birçok terminal, straddle taşıyıcı, vinç ve çoklu treyler sistemi gibi insanlar tarafından kullanılan ekipmanlardan faydalanmaktadır. Ancak, birkaç terminalde örneğin, Rotterdam’daki bazı terminaller, yarı otomatiktir. Böyle terminallerde konteynerlerin taşınması için otomatik güdümlü araçlar kullanılmaktadır. Ayrıca istifleme süreci de Otomatik İstif Vinçleri (ASC) ile otomatik olarak yapılabilmektedir.

Otomatik ve manuel terminallerin her ikisi de rıhtım vinçlerini kullanır. Rıhtım vinçleri manueldir çünkü bu görevin otomasyonu konteynerlerin tam olarak yerlerine yerleştirilememesi gibi pratik problemlere neden olmaktadır. Vinç, kolu boyunca hareket eden ve konteyneri gemiden alıp saha aracına aktaran trolley’lere sahiptir. Trolley’e takılı bir kaldırma ve kavrama aracı olan spreader konteynerleri kaldırır. Bu rıhtım vinçleri, raylar üzerinde hareket ederek farklı ambarlardaki ve güvertedeki konteynerleri alıp rıhtıma koyarlar. Aynı anda bir rıhtım vinci konteynerleri boşaltırken, bir diğer rıhtım vinci konteynerleri yükleyebilmektedir. Terminalde boşaltılması gereken ithal konteynerlerin sayısı genellikle pratikte geminin varışından kısa bir süre önce bilinmektedir. Operasyonel düzeyde bir tahliye ve yükleme planının yapılması gerekmektedir. Tahliye planı, boşaltılması gereken konteynerleri ve bunların gemide hangi ambarda bulunduğunu göstermektedir. Bu plana göre de bu konteynerler boşaltılmaktadır. Bir ambarda vinç operatörü konteynerlerin hangi sırada boşaltılacağını belirlemekte özgürdür. Bir konteynerin tahliye süresi genelde gemide nerede bulunduğuna bağlıdır. Tahliye sürecinin aksine, yükleme sürecinde katı bir esneklik vardır. Gemide konteynerlerin dağılımının iyi olması geminin enine ve boyuna dengesi yönünden gerekmektedir. Operasyonel düzeyde yükleme, bir yükleme planı ile yapılır. Bir yükleme planı her bir konteynerin gemideki tam yerini belirlemektedir. Varış yeri, ağırlığı, içerdikleri, aynı olan konteynerler aynı kategoriye aittirler. Bazen yalnızca her bir kategoriye ait gemideki pozisyonlar da verilebilmektedir. Aynı kategoriye ait konteynerlerin lokasyonları, kendi aralarında değiştirilebilmektedir. Yükleme planı yapılırken boşaltılması gerekecek konteynerlerin sırasına dikkat edilmelidir. Daha sonra uğranılacak limana ait konteynerlerin daha önce uğranılacak limana ait konteynerlerin üzerine yerleştirilmesi, vincin gereksiz hareketlerine neden olacaktır; bunlardan mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. (Vis, Koster, 2003 : 2)

Gemi planlama; rıhtım tahsisi, yükleme-tahliye planlama ve vinç dağılımı olmak üzere üç alt süreçten oluşmaktadır.

rıhtım tahsisi

Bir gemi limana vardığında, bir rıhtıma demirlemek zorundadır. Geminin varışından önce gemiye bir rıhtım tahsis edilmesi gerekmektedir. Büyük açık deniz gemilerinin sefer programları yaklaşık bir yıl önceden belirlenebilmektedir. Bu sefer programları gemi hatları tarafından terminal işletmecilerine EDI tarafından aktarılmaktadır. Rıhtım tahsisi ideal olarak o gemiye ait ilk konteynerin terminale gelmesiyle, geminin varışından ortalama 2-3 hafta önce başlamaktadır. Bunun yanında geminin ve köprü vinçlerinin teknik verileri – her gemide köprü vinçlerinin tümü çalışmayabilir ve geminin uzunluğu, vinçlerin uzunluğu gibi diğer kriterler de dikkate alınmalıdır. Kendi zaman peryodları boyunca demirleyen tüm gemiler rıhtım tahsis sitemine yansıtılmak zorundadır. Optimize edilmiş rıhtım tahsisinin birkaç amacı vardır. Pratik bir bakış açısıyla yüklenecek ve boşaltılacak tüm konteynerler için kıyı ile saha arasındaki taşıma mesafelerinin toplamı minimize edilmelidir. Bu gemi operasyonunun maksimum verimliliğinin benzeridir. Otomatik ve optimize rıhtım tahsisi özellikle gemilerin gecikmesi durumunda çok önemlidir çünkü o taktirde konteynerler sahada belli bir yerde istiflenmişken gemiye yeni bir yanaşma yeri tahsis edilmek zorunda kalınmaktadır. (Steenken, VoB, Stahlbock, 2004:17)

Bir diğer kaynağa göre de, gelen bir gemi için rıhtım tahsisinin amacı maliyetleri minimize eden optimum yerin gemiye tahsis edilmesidir. Konteynerlerin terminaldeki verimsiz ve pahalı hareketlerinin azaltılması çoğu terminal işletmecilerinin yaşadığı bir problemdir. Operasyonu gerçekleştirecek vinçlerin sayısı konteyner gemilerinin büyüklüğüne ve elleçlenmesi gereken konteyner hacmine bağlı olarak değişmektedir. Her bir gantry vinci belli bir sayıdaki taşıta (taşıma mekanizmasına) hizmet verebilmektedir. (Hennesey, 2004: 23 )

Rıhtım Planlama Problemi, gözlenilmesi gereken belirli amaçlara ve kısıtlara bağlı olarak farklı tümleşik optimizasyon problemleri olarak formüle edilebilir.

Konteyner terminallerinde gemilerin varış, yanaşma ve ayrılış süreçleriyle ilgili lojistik faaliyetlerin kuyruk şebeke modelleri kullanılarak incelendiği Legato ve Mazza’nın (2001) çalışmalarında süreç yaklaşımı ile kuyruk şebekesi için simulasyon modeli geliştirmişlerdir. Rıhtım planlama probleminde “eğer olursa” optimizasyon yaklaşımıyla modelin kullanımını simulasyon sonuçlarıyla göstermişlerdir. Model Giao Tauro’dan alınan verilerle özellikle rıhtım planlama alt problemi üzerinde test edilmiştir. Yazarlar rıhtıma ve gelen gemilerin rıhtım tahsisine odaklanmışlardır.

Gambradella, Rizzoli ve Zaffalon (1998) çalışmalarında, birbirlerine büyük oranda bağımlı oldukları için rıhtım, saha planlaması, kaynakların tahsisi ve faaliyetlerin zamanlarının belirlenmesi bir çok optimizasyon modelinde birlikte ele alınarak, terminallerde terminal yöneticisin bireysel tecrübesine dayanarak verdiği kararlar için karar destek uygulamaları meydana getirilmiştir. Süreç odaklı paradigmaya dayanarak kaynak tahsis problemi üzerinde odaklanmışlar bu sürecin optimizasyonu için tam sayılı programlama, terminalin simulasyonu için ise kesikli durum simulasyonu kullanmışlardır.Bruzzonne ve Signorile, 1998; Taleb- İbrahim ve diğerleri; 1993)

Nishimura, Imai ve Papadimitriou (2001), kamu rıhtım sisteminde dinamik rıhtım ataması problemi üzerinde odaklanarak gerçek uygulamalara adapte edilebilen genetik algoritmaya dayanan bir sezgisel yöntem geliştirerek maliyet etkinliğinin önemli olduğu Japonya ve benzeri ülkelerdeki saha alanı kısıtlı olan limanlar için uygun çözümler geliştirmişlerdir.

Imai, Nagaiwa ve Tat (1997); gemilerin limanda kalma sürelerinin toplamını ve gemilerin hizmet alma sıralarından kaynaklanan memnuniyetsizlerini minimize ederek terminalin etkin bir şekilde kullanılmasının önemi üzerinde durdukları çalışmalarında bazı örnek problem üzerinde geliştirdikleri algoritmaları kullanmışlardır.

Imai, Nishimura ve Papadimitriou (2001), kamu rıhtım sisteminde dinamik rıhtım ataması probleminin çözümü için Langranj Yöntemlerine dayanan sezgisel bir prosedür geliştirmişlerdir. Aynı yazarlar 2003’deki çalışmalarında ise rıhtım tahsisi probleminde farklı servis önceliğine sahip gemiler için Genetik Algoritma (GA) temelli sezgisel bir yöntem geliştirmişlerdir.

Kim ve Moon (2003),bir konteyner terminaldeki konteyner gemilerinin yanaşma pozisyonları ve limanda kalış sürelerinin belirlenmesi amacıyla rıhtım çizelgeleme problemi için karma tamsayılı doğrusal programlama modeli formüle etmişlerdir. Problemin optimale yakın en iyi çözümünün bulunabilmesi için, benzetilmiş tavlama (SA) algoritması uygulanmıştır. Kullanılan her iki algoritmada da benzer sonuçlar elde edilmiştir.

Guan ve Cheungg (2004) ağırlıklı akış süresi toplamını minimize etmek amacıyla geniş büyüklükteki problemler için karar ağacı ve birleşik sezgisel yöntem önermişlerdir. Yöntemlerin hızlı ve verimli çalıştığını hesaplama denemeleri göstermişlerdir.

Park ve Kim 2003’te rıhtım tahsis yaklaşımını rıhtım vinç kapasiteleri kısıtıyla birleştirmiştir.

yüklemenin planlanması

Gemi planlamanın asıl amacı yükleme planlamasıdır. Bir geminin yüklenmesinin planlanması iki aşamalı bir süreçtir. İlk aşama gemi hattı tarafından yönetilir. Gemi hattının yükleme planı geminin rotasındaki bütün limanlara göre tasarlanmalıdır. Rota üzerindeki her bir liman ve konteynerlerin her biri için lokasyonlar gemi içinde seçilmelidir. Gemi hattının yükleme planı genellikle sayılarla tanımlanan belirli konteynerlere göre değil, konteyner kategorilerine göre hazırlanır.

Bu kategoriler; konteynerin uzunluğu yada tipi, tahliye limanı ve konteynerlerin ağırlığı ya da ağırlık sınıfıdır. Bu kategorilere ait konteynerler gemi içinde belirli yerlere atanırlar. Gemi hatlarının bakış açısına göre optimizasyonun amacı liman operasyonu boyunca hareket sayısını (gemiden gemiye veya gemiden kıyıya olan hareketler ) minimize etmek ve geminin kullanımını maksimize etmektir.

Gemi hattının yükleme planı, EDI ile terminal işletmesine aktarılır. Gemi hattının yükleme talimatı terminal sisteminde dosyalanır ve terminalin gemi planlamacısı için ön plan yada bir iş talimatı olarak görev yapar. Bir gemi hattının yükleme talimatı, belli kategori kümelerine ait konteynerlerin gemideki lokasyonlara atanmasını içerir. Bu talimata dayanarak terminal planlamacısı sayılarla tanımlanmış konteynerleri ilgili lokasyonlara atarlar. Lokasyonların kategori grupları ile sahadan seçilen konteynerin uyumlu olması gerekmektedir. Bir konteyner terminalinin yükleme planlama sistemi o yüzden hem planlanacak gemi kesitlerini ve hem de sahanın durumunu gösterir. Bazı sistemler, otomatik atama ve optimizasyon yapılmasına olanak sağlamaktadır. Optimizasyonun farklı amaçları olasıdır. Örneğin; vinç verimliliğinin maksimizasyonu, maliyetlerin minimizasyonu yada sahadaki yeniden hareketlerin (reshuffles) minimizasyonu gibi. Pratik bir bakışla, sahadaki yeniden hareketlerin minimizasyonu önemli bir rol oynamaktadır. Yeniden hareket, bir konteynerin alınması gerektiğinde, önce onun üstünde bulunan konteynerlerin hareket ettirilmesi gerektiği zaman gerçekleşir.Yeniden hareket; istif ile kıyı arasında taşıma süresinde gecikme yaratarak zaman harcar ve gemi operasyonu verimliliğini azaltır. Çünkü gemide yükleme başlamadan önce yükleme planı oluşturulur, bu çeşit bir optimizasyon da gerçek zamanlı olmayan (offline) gemi optimizasyonudur.

Gerçek terminal optimizasyonunda, yükleme planı manuel ya da offline bir optimizasyon süreci olsa da, gemi yükleme sürecinin yapısı, gerçek zamanlı (online) optimizasyona da uygulanabilmektedir. Çünkü yükleme işleri ve istif- kıyı arası taşıma aslında anlatıldığından daha kompleks bir yapıya sahiptir. Vinç operasyonlarında yüksek verimliliği başarmak için konteynerler rıhtıma, doğru zamanda ve yükleme sırasına göre gelmelidirler. Yükleme sırası ve yatay taşıma sırası birbiri ile uyumlu olmalıdır. Aksi taktirde vinç bekleme süreleri ve/veya taşıma araçlarının kuyrukları oluşur. Her ikisi de vinç verimliliğini düşürür ve geminin rıhtım süresini uzatır. Ortak bir durum olarak konteynerler sahada az veya çok dağılmışlardır vince olan mesafeler farklıdır; yüksekliği fazla olan konteynerler gibi özel konteynerlerin taşınabilmesi için özel ekipmanların kullanılması gerekir. Bunların ilgili yüzdelerine bağlı olarak sahada yeniden hareketler oluşur. Tüm bunlar da ek taşıma süresi harcarlar. Manuel olarak yerleştirilen sistemlerde, performans ek olarak bir de sürücünün yeteneğine ve izleyeceği yolu belirleme kararına bağlıdır. Vinç operasyonunun teknik ya da operasyonel ihlalleri oluşur, bu da yükleme sırasını değiştirmeyi zorunlu kılar. O yüzden otomatik ekipmanlar kullanılıyor olsa bile taşıma süreleri tam olarak hesaplanamamaktadır.

Bütün bu nedenlere rağmen, önceden hazırlanan yükleme planı optimale yakın olabilmektedir. Gerçek zamanlı (online) yükleme planlaması bu problemlerin atlanmasına ya da en azından azaltılmasına olanak sağlamaktadır.

Gerçek zamanlı yükleme planlamasında, belirli konteynerleri gemideki belirli pozisyonlara atayan yükleme planı hazırlanmamaktadır. Onun yerine, gemi hattının yükleme talimatındaki pozisyonlara atanan kategorilere göre konteynerler taşımak için seçilirler. Kategorileri aynı olan konteynerler denk olarak kabul edilirler. Rıhtım vincine varış zamanlarına göre gemiye yüklenirler. O nedenle, belirli bir konteyneri, belirli bir pozisyona adresleyen belirli yükleme planı, yükleme aktivitesi ile eşzamanlı olarak oluşturulmaktadır. Gerçek zamanlı yükleme planlaması henüz konteyner terminallerinde kullanılmamaktadır ama gelecekte geminin yükleme performansını geliştirmek için gereklidir.

Pratikte, yükleme planlaması genellikle manuel ya da ilgili karar destek sistemlerini kullanan gerçek zamanlı olmayan ( offline) optimizasyondur. Aşağıdaki çalışmaların çoğu uygun optimizasyon fonksiyonelliği ile varolan sistemleri geliştirmek için uygulanabilecek araştırma çalışmalarını açıklamaktadır. Konteyner verilerinin verilmiş olduğunu farz edilmekte, yani konteynerlerin yüklenmesi problemi dikkate alınmamaktadır. (Steenken, VoB, Stahlbock, 2004:18-19)

Sculli ve Hui (1988), çalışmalarında aynı boyutlardaki konteynerlerin istiflenmesi ve elleçlenmesi üzerine bir simulasyon modeli oluşturmuşlardır. Oluşturdukları modelin performans göstergeleri hacimsel kullanım, atıl elleçleme oranı, eksiklik oranı, kabul etmeme oranlarını içermektedir. Sonuçlar, farklı tipteki konteynerlerin sayılarının performans göstergeleri üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu, istifleme politikasının ve maksimum depolama boyutlarının da performans göstergeleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir.

Wilson ve Roach (1999,2000) çok limana uğrayan bir konteyner gemisinde konteynerler için uygun yerleşimin belirlenmesi üzerinde çalışmışlardır. Yükleme planlama problemini ilgili stratejik problemler ve taktik planlama seviyelerine göre iki alt sürece ayırmışlardır. Bir gemide genel olarak konteynerlerin bir bloğa atanması olan ilk problemi çözmek için Dal-sınır algoritmasını kullanmışlardır. İkinci aşamada, belirli konteynerleri bir blokta belirli lokasyonlara veya pozisyonlara atayan daha detaylı bir plan, Tabu-Arama (Tabu-search) algoritması ile bulunmuştur. Her zaman optimal olmamakla birlikte makul bir sürede iyi sonuçlar bulunabilmektedir.

Dubrovsky, Levitin ve Penn (2002) konteyner hareketlerinin sayısını minimize etmek amaçlı yükleme planlama probleminin çözümü için Genetik Algoritma (GA) kullanmışlardır. Çözüm uzayı kompakt ve etkili bir kodlama ile önemli ölçüde azaltılmıştır. Uygun kısıtlar ile geminin stabilitesi de yansıtılmıştır. Simülasyon sonuçları genetik algoritma esaslı yaklaşımın etkinliğini ve esnekliğini göstermiştir.

vinç dağılımı

Gemi planlamanın üçüncü aşaması gemilere ve gemi çeşitlerine rıhtım vinçlerinin tahsis edilmesi olan vinç dağılımıdır. Geminin büyüklüğüne bağlı olarak bir açık deniz gemisine ortalama 3 ila 5 vinç çalışır. Feeder (ara ) gemilerde ise 1 ila 2 vinç çalışır.

Pratikte, vinçlerin gemilere tahsisi birkaç kısıtı -özellikle vinçlerin ve gemilerin teknik verileri ve bir rıhtımdaki vinçlerin erişilebilirliği- yansıtmaktadır.

Çünkü terminaller zaman içinde gelişmişlerdir,genelde gerçek terminallerde farklı çeşitlerde vinçler vardır.

Bir rıhtımdaki çalışılabilir vinç sayısı genelde kısıtlıdır, çünkü her rıhtımdaki her bir vinç kullanılabilir değildir.

Vinç dağılımı ile bir gemiye ve geminin ambar, güverte gibi kısımlarına uygun sayıda vincin tahsis edilmesi ve çalışılacak konteyner bloklarının programlanması amaçlanmaktadır. Bu sadece tek bir gemi için değil belli bir periyotta terminalde demirlemiş olan tüm gemiler için geçerlidir. Optimizasyonun sadece tek bir amacı yoktur. Bütün gemilerin gecikmelerinin toplamının minimizasyonu veya vinçlerin iyi dengelenmiş ve/veya ekonomik kullanımı da amaçlanabilmektedir. Gerçekte ise bu terminalin durumuna ve terminalin kendi amacına dayanmaktadır.

Vinç dağılımı ile, vinç tahsisine ek olarak bir geminin ve geminin konteyner bloklarının hangi modda yükleneceğine karar verilir. Bir blok yatay veya dikey olarak da yüklenebilir. Rıhtım veya deniz tarafından başlanacağı ile 4 farklı yükleme modu oluşur. İlave modlar da vardır ama ana modlar bunlardır. Yükleme planı, vinç dağılımı ve yükleme modu hep birlikte bir iş emrini oluşturur. Bu da her bir bloktaki her bir konteynerin yükleme sırasını tanımlar. Daha öncede belirtildiği gibi kara tarafında yapılan taşımalar yükleme sırası ile uyumlu olmak zorundadır. (Steenken, VoB, Stahlbock, 2004:21)

Daganzo (1989) limanlar için vinçlerin çizelgelenmesini incelediği çalışmasında, gecikmelerin toplam maliyetini minimize edecek şekilde tüm gemilere hizmet verilmesini amaçlamıştır. Çalışmada az sayıda gemi olması durumunda kullanılabilen kesin çözüm metodları ve daha büyük ölçekli problemler için en iyilik prensiplerine dayanan ve uygulanması kolay olan yaklaşık metodlar geliştirilmiştir.

Gambardella ve diğerleri (2001), bir konteyner terminalinde yükleme ve tahliye operasyonlarının çizelgelenmesi ve kaynak tahsisi problemlerine hiyerarşik bir çözüm getirmişlerdir. Çözümün uygulanabilirliği terminalin detaylı, kesikli-olay temelli simülasyon modelinde doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçları, maliyetleri üçte bir azaltan optimize edilmiş kaynak tahsisinin optimize edilmiş yükleme ve tahliye listeleriyle birlikte etkin olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Bish 2003’te bir grup geminin maksimum çevrim süresinin minimizasyonu için sezgisel bir metod geliştirmiştir. Üzerinde çalıştığı problem 3 aşamalıdır: gemiden boşaltılan konteynerler için sahada depolama lokasyonlarının belirlenmesi; taşıtların konteynerlere sevkedilmesi (hangi konteyneri hangi taşıtın taşıyacağının belirlenmesi) ve vinçlerin yükleme/tahliye operasyonları için çizelgelenmesi. Aktarma problemi olarak formüle ettiği problem doğrusal olamayan programlamadır.

Sezgisel metodun etkinliğini hem en kötü vaka hem de hesaplamalar açısından analiz etmiştir.

Park ve Kim 2003’de rıhtım ve rıhtım vinçlerinin çizelgelenmesi için çeşitli pratik kısıtları da dikkate alan bir tamsayılı programlama modeli geliştirmiş ve iki aşamalı çözüm yöntemi önermişlerdir. Her bir gemi için yanaşma yeri,zamanı ve her bir zaman aralığı için her bir gemiye atanacak vinçlerin sayısının belirlendiği ilk aşama için alt gradyan optimizasyon (subgradient optimization) tekniğini kullanmışlardır. İkinci aşamada ise her bir rıhtım vinci için detaylı çizelgelemeyi dinamik programlama ile gerçekleştirmişlerdir.