UMA APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO ESTOCÁSTICA NO GERENCIAMENTO DE FILA DE NAVIOS. Ricardo de Almeida Toledo

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1 UMA APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO ESTOCÁSTICA NO GERENCIAMENTO DE FILA DE NAVIOS Ricardo de Almeida Toledo Mestrado em Engenharia Elétrica (Automação) Universidade Federal do Espírito Santo Vitória, ES BRASIL Dezembro de 1998

2 UMA APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO ESTOCÁSTICA NO GERENCIAMENTO DE FILA DE NAVIOS Ricardo de Almeida Toledo Dissertação submetida ao corpo docente do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Aprovada em 21/12/1998 por: Prof. D. Sc. Anilton Salles Garcia UFES Orientador Prof. D. Sc. Leonardo Junqueira Lustosa PUC-RJ Prof. D. Sc. Saulo Bortolon UFES UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO VITÓRIA, ES BRASIL Dezembro de 1998

3 Ricardo de Almeida Toledo, 1964 Uma Aplicação de Simulação Estocástica no Gerenciamento de Fila de Navios. [Vitória] 1998 vii, 86p., 29,7 cm (UFES, M.Sc., Engenharia Elétrica, 1998) Dissertação, Universidade Federal do Espírito Santo, PPGEE. I. Simulação Estocástica I. PPGEE/UFES II. Título (Série)

4 Agradecimentos A concretização desse trabalho não seria possível sem a colaboração e o incentivo recebidos por diversas pessoas. Por isso, gostaria de agradecer: Ao prof. Anilton, por ter se dedicado durante quase dois anos a me orientar nos trabalhos de desenvolvimento da tese, e por ter me apoiado e estimulado nos momentos que se fizeram necessários, muitas vezes se colocando na posição de um grande amigo. Ao prof. Gutemberg Hespanha Brasil pelos ensinamentos fornecidos durante o curso de mestrado e pelo estímulo quando da elaboração da proposta de tese. Aos demais membros da banca, prof. Saulo e prof. Leonardo, pelo tempo e atenção dedicados à leitura desse trabalho. Aos meus gerentes, Elias Colnago e Ricardo Salgado, pelo apoio e esforço que têm dedicado estimulando seus funcionários a aprimorarem sua capacitação através de cursos de especialização e mestrado. Aos amigos e gerentes do Porto de Tubarão, em especial, ao amigo Jorge Fernandes, que apoiou de imediato a iniciativa deste trabalho, autorizando inclusive a utilização de dados de operação deste terminal portuário para testes do protótipo do simulador. A amiga Luciana Mendonça, pelo apoio nas revisões dos textos em inglês do resumo da tese e dos artigos inscritos no XXIX Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional (SBPO) e no II Simpósio de Pesquisa Operacional e III Simpósio de Logística da Marinha (SPOLM). Aos meus queridos pais, por todo esforço que fizeram para uma boa formação de seus filhos, pelo apoio e carinho que sempre me dedicaram e pela compreensão pelos finais de semanas que deixei de visitá-los para me dedicar aos estudos do curso de mestrado e ao trabalho de tese. A minha querida esposa Angela e meu único filho Bruno, por terem aceitado bem a minha ausência durante os períodos que estava trabalhando na tese. A todos vocês, o meu muito obrigado.

5 Sumário 1 - Introdução Motivação Organização do Texto Visão Geral Contrato de Afretamento Classificação de Navios Tipo de Operação Portuária Classificação de Produtos Área de Fundeio Canal de Acesso aos Berços de Atracação Variação de Marés Berços de Atracação Viagens dos Navios Estratégia de Alocação dos Navios aos Berços Potencial de Aplicações Técnicas Aplicadas na Solução do Problema Levantamento de Dados Apresentação de Resultados Características do Complexo Portuário de Tubarão A Companhia Vale do Rio Doce O Complexo Portuário de Tubarão O Terminal de Minérios O Terminal de Carvão O Terminal de Grãos O Terminal de Granéis Líquidos O Terminal de Produtos Diversos e Fertilizantes O Terminal de Paul A Flexibilidade Operacional do Complexo Portuário de Tubarão e o Canal de Acesso Estratégia de Alocação de Navios aos Berços de Atracação de Minérios e Grãos Modelagem Matemática Metodologia de Modelagem Levantamento de Dados Premissas da Modelagem Distribuições de Freqüência do Modelo Variáveis Aleatórias do Modelo Algoritmo de Geração de Variáveis Aleatórias... 27

6 4.7 - Geração Aleatória de Cargas e Viagens dos Navios Equações Matemáticas para Geração Aleatória de Viagens de Navios Equações Matemáticas para Geração Aleatória de Cargas das Viagens de Navios Geração Aleatória de Eventos de Atendimento as Viagens dos Navios Eventos do Modelo Equações do Modelo Seqüência de Transição de Estados dos Eventos do Modelo Restrições Operacionais Arquitetura Computacional Arquitetura Integrada Ambiente de Desenvolvimento Requisitos Desejáveis Componente de Interface com o Usuário Componente Servidor de Banco de Dados Componente Servidor de Aplicação Protótipo Validação do Modelo Aplicação no Terminal de Tubarão Etapas do Estudo de Caso Simulação Retroativa do Atendimento a Fila de Navios Simulação do Atendimento à Fila de Navios Conclusão Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas 58 - Anexo I 59 - Anexo II 75 - Anexo III 77

7 RESUMO DA DISSERTAÇÃO APRESENTADA AO PPGEE/UFES COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA (M. Sc.) UMA APLICAÇÃO DE SIMULAÇÃO ESTOCÁSTICA NO GERENCIAMENTO DE FILA DE NAVIOS Toledo, Ricardo de Almeida Dezembro, 1998 ORIENTADOR: Anilton Salles Garcia PROGRAMA: Engenharia Elétrica Simulação computacional é uma técnica que pode ser amplamente empregada por profissionais de diversas áreas de atividade. Com o surgimento dos computadores digitais de alta performance a baixo custo, tornou-se possível desenvolver estudos de simulação com tempo computacional extremamente reduzido e adequado à aplicação de simulação em diversos casos práticos. A simulação se tornou uma importante ferramenta de apoio ao processo de tomada de decisão e apoia a pesquisa operacional no desenvolvimento de políticas de operação e planejamento de médio e longo prazo, principalmente em situações que envolvam custos e riscos elevados. Este trabalho apresenta uma aplicação de modelagem estocástica para desenvolvimento de uma ferramenta computacional para simulação de fila de navios. O modelo matemático desenvolvido combina técnicas de pesquisa operacional, simulação estocástica e controle estatístico de processos para representar o perfil de atendimento de um porto. Foi implementado um protótipo de simulador com o modelo proposto para desenvolver um estudo de caso tomando por base os dados operacionais do Porto de Tubarão da Companhia

8 Vale do Rio Doce, em Vitória, ES. São apresentados os primeiros resultados deste estudo de caso.

9 ABSTRACT OF THESIS PRESENTED TO PPGEE/UFES AS PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR DEGREE OF MASTER IN ELECTRICAL ENGINEERING (M. Sc.) AN APPLICATION OF STOCHASTIC SIMULATION ON MANAGEMENT OF SHIP QUEUEING Toledo, Ricardo de Almeida December, 1998 THESIS SUPERVISORS: Anilton Salles Garcia Department: Engenharia Elétrica Computational simulation is a technique that can be largely used by professionals working in many distinct activities. With the advent of high performance digital computers at low cost, it became possible to develop simulation studies with very reduced computational time and suitable to the application of simulation in many practical cases. The simulation became a very important tool to help the decision support process and it supports the operational research in the operational politics development and short and long term planning, mainly in situations involving high costs and risks. This work presents an application of stochastic modeling for the development of a computational tool for ship queue. The mathematical model developed in this work combines techniques such as operational research, stochastic simulation and statistical control processes to represent the way of attending of a harbour. A simulator prototype was implemented with the proposed model in order to develop a case study based on operational data of Tubarão Harbour at Vale do Rio Doce Company, in Vitória, ES. The first results are presented.

10 1 Introdução A globalização da economia e o conseqüente aumento das atividades de comércio exterior têm exigido uma modernização e otimização de todos os recursos envolvidos com o transporte de cargas. O porto representa a principal porta de entrada e saída de produtos para os países que possuem acesso aos oceanos e é um elemento de fundamental importância na determinação da capacidade de transporte intermodal destes países. A melhoria da eficiência dos serviços portuários contribui para consolidação de economias abertas e aumento do volume de cargas movimentadas pelos portos. A necessidade de uma constante modernização do gerenciamento das atividades portuárias tem demandado um grande esforço no desenvolvimento de ferramentas computacionais de apoio a decisão visando a otimização global dos recursos disponíveis. Dentre as atividades de gerenciamento, a determinação do seqüenciamento de atendimento aos navios se constitui, devido às condições contratuais entre o armador e o afretador e aos expressivos valores de multas e prêmios envolvidos, num dos principais problemas do planejamento, no nível tático, da operação portuária. Reduzir a dependência da experiência dos supervisores no processo de tomada de decisão, padronizar os critérios adotados na operação e dotar o processo de gerenciamento de uma maior agilidade, são alguns dos requisitos fundamentais para proporcionar melhores condições de aceitação dos navios e distribuí-los de uma forma mais regular durante um dado período de operação, de modo a possibilitar significativas reduções nos gastos com multas por sobreestadia de navios no porto Motivação Segundo o Prof. David Ronen [RONE93] existe uma escassez muito grande de publicações na área de simulação de fila de navios. Em seu artigo, o autor resume as principais tendências e pesquisas publicadas na última década com relação a fila de navios e problemas relacionados. Enfatiza também o baixo nível de aplicação destes modelos nas instalações portuárias, tendo a maioria das pesquisas sido desenvolvidas em nível teórico e experimental. Algumas ferramentas desenvolvidas para apoiar a função de gerenciamento de fila de navios utilizam uma abordagem de simulação determinística para geração dos eventos de embarque e/ou desembarque. No entanto, na prática esta abordagem têm-se mostrado útil no curto prazo e ruim a médio e longo prazo. Os navios que se encontram na área de fundeio próximo ao porto dispõem de informações mais precisas e assim a simulação determinista consegue estimar os atendimentos destes navios com margem de erro aceitável. Para os demais que 10

11 ainda não chegaram ao porto, a margem de erro é muito elevada, e os resultados gerados são praticamente desprezados. A carência de ferramentas de apoio à tomada de decisão encontrada nos portos brasileiros, a possibilidade de desenvolver um simulador parametrizado para facilitar sua instalação em diversos portos e a oportunidade da Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) ter disponibilizado os dados do Porto de Tubarão e funcionários com amplo conhecimento e experiência no gerenciamento de fila de navios, foram fatores determinantes para elaborarmos a proposta de tese nesta área de pesquisa. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo matemático baseado em simulação estocástica e implementamos um protótipo de simulador para uso no estudo de caso prático com dados da CVRD. Foram alcançados bons resultados, compatíveis com o perfil de atendimento do porto em estudo. Deste modo, torna-se possível prever o atendimento a fila de navios e planejar uma melhor utilização dos recursos da instalação portuária. O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver um modelo matemático de simulação estocástica para o apoiar o processo de tomada de decisão no gerenciamento de fila de navios e especificar uma ferramenta computacional adequada para a implantação e operação em instalações portuárias que convivem com este tipo de problema. Assim sendo, o desenvolvimento de um projeto de experimento não foi enfatizado e não faz parte do escopo deste trabalho Organização do Texto O texto encontra-se organizado em sete capítulos, sendo o primeiro este introdutório que reforça a necessidade de ferramentas computacionais para apoio a tomada de decisões aplicadas ao gerenciamento de operações portuárias. O segundo capítulo apresenta uma visão geral do problema de atendimento a fila de navios, introduzindo os principais conceitos e características. São abordados o contrato de afretamento, berços de atracação, canal de acesso, área de fundeio, classificação de navios, produtos, variação de marés e diversas entidades e eventos relevantes na operação de embarque/desembarque de navios. O capítulo três descreve as características do Terminal Portuário de Tubarão, os recursos disponíveis para embarque e a estratégia de alocação de navios aos berços de atracação. O quarto capítulo é a principal contribuição deste trabalho e aborda a modelagem matemática adotada para solução do problema. São apresentadas a metodologia de modelagem, as premissas do modelo, as equações matemáticas e a implementação das restrições operacionais das instalações portuárias. A modelagem matemática apresentada neste capítulo motivou a publicação de dois artigos em congressos nacionais nas áreas de pesquisa operacional, logística aplicada a portos e simulação de sistemas [TOLE97] e [TOLE98]. 11

12 O quinto capítulo apresenta a arquitetura computacional proposta para desenvolvimento e operação do simulador, alguns requisitos de interface desejáveis quando de sua implementação definitiva. Ilustra também o protótipo desenvolvido para validar o modelo matemático do simulador. O sexto capítulo detalha as etapas seguidas no estudo do Terminal de Tubarão para validação do modelo proposto e relata os principais resultados obtidos com a simulação. Apresenta também uma análise comparativa dos resultados da simulação com os dados reais de atendimento do Porto de Tubarão. O sétimo e último capítulo conclui o que foi apresentado ao longo do texto e apresenta perspectivas futuras para complementar o simulador. O texto apresenta ainda três anexos onde são mostradas tabelas com dados do estudo estatístico, histogramas de distribuição de probabilidade para alguns dos eventos de operação analisados durante a etapa de levantamento de dados, um diagrama do modelo de dados conceitual desenvolvido para o simulador e os eventos de atendimento à fila de navios gerados para uma corrida de simulação. 12

13 2 Visão Geral O presente capítulo introduz uma visão geral do problema de gerenciamento de fila de navios e seus principais conceitos, terminologias e entidades. São apresentadas as definições necessárias para se ter uma boa compreensão do problema e suas principais características. Os navios chegam ao porto conforme os contratos de afretamento firmados entre os armadores (proprietários dos navios) e os afretadores (agentes de carga), onde são acordadas as condições de atendimento. Os navios são classificados em função do seu porte (capacidade de carga) e são inseridos numa fila ordenada por berço previsto de atracação e data/horário prevista de chegada. O atendimento da fila de navios consiste em estabelecer, para cada navio, as datas e horários previstos para todos os eventos de embarque e/ou desembarque, considerando a concorrência pelos berços, canais de acesso e equipamentos portuários, disponibilidade de carga para embarque e área de estocagem para armazenagem de produtos desembarcados, condições de navegabilidade tais como nível da maré, ventos e chuvas, condições de operação como taxas de embarque e/ou desembarque, paradas para operação de lastre e deslastre do navio, ventos, chuvas e programação de manutenção preventiva dos equipamentos portuários. De posse dos eventos previstos de embarque/desembarque e das condições contratuais de atendimento do navio com os valores acordados de multa e prêmio, torna-se possível quantificar o custo da escolha de determinada estratégia de atendimento, bem como gerar as estatística dos atendimento Contrato de Afretamento O armador busca obter melhores valores de frete e, principalmente, condições contratuais que garantam o melhor rendimento da sua frota de navios. As condições contratuais são firmadas através de um contrato de afretamento, no qual o armador e o afretador acordam o período de datas no qual o navio deverá estar disponível para o porto (período de laydays ), o tempo permitido para realização da operação de embarque ou desembarque da carga (tempo de laytime ), o tempo permitido para o porto aceitar o navio após a declaração de sua chegada na área de fundeio próxima ao porto ( turntime ) e os valores de multa e/ou prêmio a serem aplicados no atendimento do navio (condições de demurrage/dispatch ). O valor de multa de sobreestadia, também conhecido como demurrage, representa uma compensação a que o armador tem direito, devido aos atrasos de responsabilidade do 13

14 afretador, ou de seu operador portuário, ocorridos no atendimento do navio. De modo análogo, o valor de prêmio, mais conhecido como dispatch, representa uma remuneração a que o afretador ou seu operador portuário têm direito, devido a eficiência da operação de atendimento do navio. O período de laydays estabelece duas datas, entre as quais o navio deve iniciar a operação de carregamento ou descarregamento. Caso o navio chegue ao porto antes da data de início do layday, o afretador ou operador portuário não será obrigado a iniciar a operação de atendimento do navio antes desta data, mesmo que o navio esteja em condições de iniciar a operação. No mais tardar, o navio deverá estar pronto (data de prontidão do comandante) para ser atendido até a data de fim do período de laydays, caso contrário, o afretador poderá cancelar o contrato de afretamento, se assim o desejar. Apesar de tradicionalmente os portos operarem com uma política do tipo FCFS ( First Come, First Server ) para atendimento a sua fila de navios, em diversas situações práticas é possível e necessário alterar esta política, tendo que escolher um navio para ser atendido que não esteja ocupando a primeira posição da fila. A troca de política de atendimento à fila de navios é facilmente justificada em situações de indisponibilidade de carga para embarque, falta de local adequado para armazenagem da carga a ser desembarcada, quebra de equipamentos, do porto ou do navio, necessários para a operação de embarque/desembarque, solicitação específica do armador, agente marítimo, cliente da carga, etc., ou outro motivo que não prejudique a imagem do porto. O planejamento da seqüência de atendimento dos navios contratados para serem atendidos pelo porto e a aceitação de novos navios em períodos de laydays adequados, visando minimizar os custos do complexo portuário, é uma tarefa de grande responsabilidade, devido aos altos valores de multas/prêmios envolvidos. Ele requer a análise de um grande volume de informações e excessivos cálculos matemáticos para definir uma boa estratégia de atendimento. O atraso no atendimento de um navio muitas vezes representa um alto valor de custo para o porto, principalmente se considerarmos o efeito em cacasta que este atraso poderá ocasionar no atendimento dos demais navios que estão aguardando na fila. O contrato de afretamento estabelece os tempos de turntime e de laytime após a data de prontidão do comandante, assim, o atraso em um navio que está sendo atendido, representa perda de tempo para todos os navios que já tenham declarado sua prontidão Classificação de Navios O transporte marítimo é um elemento essencial no comércio internacional desde que navios pequenos de fundo plano começaram a navegar ao longo das costas do Mediterrâneo e do Golfo Arábico, transportando azeite de oliva, tecidos e produtos de metal [UNCT94]. 14

15 O constante aumento nas atividades de comércio exterior tem forçado um intenso progresso nos projetos e construção de navios por parte da indústria naval. Surgiram então os navios de grande porte, especializados por tipo de carga que transporta e/ou manuseia. Como exemplos, vale citar: navios de carga geral, petroleiros, graneleiros e porta contêineres. Atualmente existe uma vasta variedade de navios navegando e os portos muitas vezes devem estar preparados para atender desde navios de antigas até os de última geração, o que certamente provoca uma grande distorção nas taxas de atendimento aos navios. Assim sendo, torna-se necessário classificar os navios segundo a sua especialidade e seu porte. Exemplo de classificação de navios em função de sua especialidade: Classificação de Navios por Especialidade Carga geral Especializado por produto ( bobinas de papel, fardo de celulose, etc) Graneleiro Porta Contêiner Tanques para produtos químicos Exemplo de classificação de navios em função de seu porte expresso em toneladas: Classificação de Navios por Porte Classe de Navio Porte Mínimo Porte Máximo Hand Size Panamax Small Cape Size Cape Size Very Large acima de Tipo de Operação Portuária O tipo de operação portuária exerce grande influência sobre a taxa de produtividade da operação. Os portos podem realizar operações de embarque, desembarque ou ambas. Alguns berços de atracação são especializados para um tipo de operação enquanto que outros são capazes de realizar ambas as operações. Geralmente os berços especializados para um tipo de operação conseguem estabelecer taxas de produtividade mais elevadas quando comparadas com os berços não especializados. Os berços especializados normalmente movimentam cargas que permitem uma mecanização de sua operação. 15

16 2.4 - Classificação de Produtos A característica do produto a ser manuseado na operação de embarque ou desembarque influencia diretamente a taxa de produtividade da operação portuária. Produtos como granéis secos e líquidos permitem uma fácil mecanização das operações de embarque e/ou desembarque, podendo ser alcançadas taxas de produtividade da operação extremamente elevadas. Produtos como carga geral, mesmo quando da utilização de gruas para movimentação destas cargas, as taxas de produtividade da operação são bem mais modestas. Assim sendo, torna-se necessário classificar os produtos segundo a sua natureza e tipo (forma de apresentação). Exemplo de classificação de produtos em função de sua natureza e tipo: Natureza do Produto Minério de Ferro Soja Combustíveis Outros Tipo do Produto Super Fino Fino Granulado Pelota Farelo Grãos Álcool Gasolina Óleos Lubrificantes Petróleo Outros Área de Fundeio A Capitania dos Portos geralmente reserva uma área em mar aberto, próxima a entrada do canal de acesso aos portos, denominada área de fundeio. Nesta área ficam ancorados os navios a serem atendidos pelos portos da região de sua localização. A capitania dos portos exerce um controle rigoroso sobre a ordem de chegada dos navios que estão na área de fundeio. A importância da área de fundeio para o gerenciamento da fila de navios reside na ordem que os navios chegaram, tendo em vista que a política básica de atendimento a fila é do tipo FCFS Canal de Acesso aos Berços de Atracação O canal de acesso ao berço de atracação é uma área demarcada com bóias de sinalização que visa determinar uma área de segurança para o percurso de navegação entre a área de fundeio e a bacia de evolução próxima aos berços de atracação. O canal de acesso geralmente é dragado 16

17 para aumentar a sua profundidade, evitando assim que os navios encalhem em bancos de areia. A principal característica de projeto do canal de acesso que interfere no gerenciamento da fila de navios é o seu calado (medida da profundidade do canal desde a lâmina d água até o fundo do mar) Variação de Marés A variação de marés é um fenômeno da natureza que sofre grande alteração de região para região. Existem portos em que esta variação atinge valores expressivos enquanto que em outros não é significativo. Como exemplo, no Porto de Ponta da Madeira em São Luiz do Maranhão, a variação de maré atinge a marca de sete metros enquanto que no Porto de Vitória, Espírito Santo, essa variação não chega a um metro e meio. A variação de maré é um fenômeno cíclico podendo ser modelado através de uma função senoidal. Outra forma de se obter previsões precisas de variações de marés para horizontes longos é através da Capitania dos Portos, que fornece tabelas com estes dados. Neste trabalho optamos por utilizar a tabela de marés fornecidas pela Capitania dos Portos e esta informação é utilizada para retardar a manobra de atracação ou desatracação de um navio que, em função de suas condições de carga, necessita esperar pela próxima alta da maré para poder realizar a manobra em condições de segurança, conseguida com a ampliação temporária do calado do canal de acesso Berços de Atracação Os berços de atracação são os recursos disponíveis nas instalações portuárias para receber e abrigar os navios a serem atendidos pelo porto. São projetados conforme a previsão de movimentação de cargas que se pretende operar pelo berço. Muitos berços são adaptados para novas necessidades de movimentação de carga diferentes da concepção original. As principais características de projetos dos berços que interferem no gerenciamento da fila de navios são o calado do berço (medida da profundidade do berço desde a lâmina d água até o fundo do mar), os tipos de operações que são possíveis de realizar no berço (embarque, desembarque ou ambas), o comprimento do berço (juntamente com o calado determina o porte de navios que o berço pode receber) e a relação de produtos para os quais o berço está equipado a movimentar (granéis sólidos, granéis líquidos, carga geral, etc). Alguns berços possuem calado um pouco superior ao calado do canal de acesso mais a variação de maré, de modo a permitir atender navios que necessitam esperar a maré alta para poderem realizar as manobras de atracação ou desatracação. 17

18 2.9 - Viagens dos Navios Os navios são programados para serem atendidos pelos portos e recebem um número de viagem para registrar o seu atendimento. Assim mantém-se registros de todas as informações relevantes em cada viagem que um mesmo navio realizou a um porto. Cada viagem do navio é uma história diferente, pois podem ocorrer diversas variações de cargas, tipo de operação, condições atmosféricas durante o atendimento, posição na fila de navios, problemas de bordo ou nas instalações portuárias, etc. Para o gerenciamento da fila de navios é necessário registrar: O navio que está realizando a viagem; A classificação do navio quanto ao seu porte e especialidade; O berço de atracação que atenderá o navio; O canal de acesso que permite a navegação até o berço de atracação; O período de laydays acordado; O tempo de laytime acordado; O tempo de turntime acordado; As condições acordadas de multa e prêmio por tipo de operação, produto, cliente e vendedor; A data e horário prevista de chegada do navio à área de fundeio (ETA); A distribuição de cargas do navio por tipo de operação, produto, cliente e vendedor; A quantidade de carga movimentada até um determinado momento por tipo de operação, produto, cliente e vendedor; As medidas de previsão de calado na atracação e na desatracação; As previsões de variação de maré no horizonte de atendimento; A definição da estratégia de alocação dos navios aos berços de atracação; As datas e horários dos seguintes eventos de embarque/desembarque: Chegada na área de fundeio (chegada na barra); Prontidão do comandante; Previsão de disponibilidade de carga para embarque; Previsão de disponibilidade de área de pátio/armazém para desembarque; Aceite do navio pelo porto; Início da manobra de atracação; Término da manobra de atracação; Início de operação; Término de operação; Início da manobra de desatracação; Término da manobra de desatracação. 18

19 A data de chegada na barra é do ponto de vista cronológico, a primeira data a ser registrada para a viagem do navio. A data de aceitação do navio é fornecida pelos gerentes do porto, e deverá ser sempre posterior as datas de prontidão do comandante, disponibilidade de carga para embarque e/ou disponibilidade de área de pátio/armazém para desembarque. O porto deve manter registro de um conjunto muito maior de informações sobre o atendimento do navio, como por exemplo: Identificação do prático que realizou as manobras de atracação e desatracação; Identificação de rebocadores e lanchas que apoiaram as manobras; Identificação do agente do armador e da carga; Registro de quaisquer paralisações das operações por responsabilidade do porto (quebras de equipamentos do porto), do navio (quebras de equipamentos de bordo) e sem responsabilidade ( provocadas por problemas atmosféricos ); Registro de paralisações para abrir escotilhas e trocar a operação de porões; Registro de quaisquer avarias de bordo; Registro de contaminação de cargas; Registro de condições atmosféricas. Algumas destas informações serão utilizadas para apurar os valores de multa e prêmio no final da operação do navio e emitir os relatórios de fechamento do atendimento. É necessário manter um histórico completo de todas as informações para apresentar transparência no gerenciamento das operações e permitir esclarecer quaisquer dúvidas. A qualidade das informações fornecidas pelo porto tem influência direta na imagem do porto perante seus clientes e a comunidade onde está instalado. O histórico de informações de operação dos navios pode ser utilizado como fonte de dados para o estudo estatísticos de modo a estabelecer o perfil de atendimento de cada berço do porto para os eventos de operação relevantes para a simulação da fila de navios. Estas informações também são necessárias para geração automática de cargas para os berços do porto, dentro do horizonte de estudo, em conformidade com o seu perfil de atendimento Estratégia de Alocação das Viagens dos Navios aos Berços Na programação da viagem do navio é definido um berço para seu atendimento. No entanto, com a aproximação do navio do porto de destino e, consequentemente, com informações mais precisas sobre a viagem do navio e a ocupação dos berços, existe a possibilidade de replanejar este atendimento, alocando o navio em outro berço disponível. A alocação dos navios aos berços de atracação sempre será feita respeitando as características técnicas do berço, do navio, do tipo de operação a ser realizada, do tipo de carga a ser movimentada e da prioridade de utilização dos berços. 19

20 Os gerentes de operação de um terminal portuário devem definir políticas de prioridade de alocação da viagens dos navios aos berços que possuem características semelhantes. Como exemplo, podemos imaginar um terminal que possui dois berços de atracação, capazes de realizar operações de desembarque de granéis sólidos, sendo que um tem capacidade de receber navios até toneladas e o outro navios até toneladas. Neste caso, tem de existir uma política de alocação, pois navios de até toneladas podem ser alocados em ambos. Uma política poderia ser priorizar a alocação de navios até toneladas no berço de menor capacidade e só alocar um navio de até toneladas no berço de toneladas, caso este esteja vazio e sem previsão de ocupação durante o tempo necessário para atendimento do navio Potencial de Aplicações Segundo o Professor David Ronem [RONE93], existe um grande potencial para aplicações de apoio ao gerenciamento de fila de navios que podem promover melhoria no desempenho econômico do porto. Esse potencial é reforçado pela escassez de aplicações disponíveis no mercado e pelo crescente aumento da movimentação marítima de carga na última década. A revolução dos microcomputadores têm contribuído para ampliar o surgimento de ferramentas computacionais de apoio a decisão, através da facilidade de acesso ao poder de computação destas máquinas, com a constante redução de seus preços e potenciais melhorias no uso de interface cada vez mais amigáveis. O Professor David Ronem [RONE93] resume em seu artigo as principais aplicações de programação de navios publicadas na última década. Ele as agrupa em quatro classes de problemas: Alocação de navios considerando capacidade de carga do navio, combinação de cargas e rota de transporte; Controle dos níveis de estoque de cargas nos diversos portos das rotas de transporte; Determinação da velocidade ótima de cruzeiro; Gerenciamento de fila de navios. É interessante observar que nessas publicações foram utilizadas técnicas de otimização de sistemas, programação matemática inteira, linear, dinâmica e não linear. Em algumas publicações também foi utilizada heurística associada com uma das técnicas citadas anteriormente. Segundo o autor, a classe de problemas de gerenciamento de fila de navios é a que exige um maior nível de detalhes com relação ao planejamento das operações. Neste tipo de problema é necessário determinar qual navio será atendido e quando será feito o seu atendimento. 20

21 Técnicas Aplicadas na Solução Adotada O Professor Said M. Easa [EASA87] em seu artigo apresenta a aplicação de técnicas de teoria de filas e simulação estocástica na modelagem de um problema de utilização de rebocadores em um terminal portuário congestionado. O autor cita uma publicação de Daskin e Walton (1983) que desenvolveram um modelo de simulação de gerenciamento de filas de navios petroleiros no qual as diversas variáveis são modeladas através de uma distribuição exponencial. Neste trabalho, utilizamos técnicas de teoria de filas, pesquisa operacional, simulação estocástica, simulação orientada a eventos e controle estatístico de processos na modelagem do simulador para avaliação de filas de navios, de modo a representar adequadamente o perfil de atendimento de um porto Levantamento de Dados O levantamento de dados para modelagem do problema permitiu identificar um conjunto de variáveis estáticas que representam as características de projetos das instalações portuárias e dos navios que as mesmas atendem e outro, que são parâmetros das distribuições de probabilidade necessários à geração de variáveis aleatórias que representam o perfil de atendimento do porto. Detalhes do levantamento de dados e do estudo estatístico desenvolvido são apresentados no ANEXO I. Uma vez que o conjunto de variáveis é amplo e seus valores variam de porto para porto, optamos por desenvolver um modelo de dados de entidades e relacionamentos e implementar o simulador em banco de dados relacional, facilitando o seu desenvolvimento e sua implantação em diversos portos. O modelo conceitual de dados do simulador é apresentado no ANEXO II Apresentação dos Resultados Os resultados gerados pelo simulador devem ser apresentados através de relatórios impressos em papel e consultas a serem apresentadas em tela de vídeo. A versão final do simulador deverá possuir uma interface gráfica para entrada e saída de informações, devendo representar através de um gráfico de Gantt a seqüência de navios a serem atendidos por cada berço. Essa forma de apresentação é adequada para despertar a atenção dos gerentes de operação para possíveis gargalos ou brechas na seqüência de atendimento. 21

22 Deverão ser apresentados as seguintes informações geradas pelo simulador: Relatório de multa e prêmio individualizado por atendimento e o montante global para o horizonte de estudo; Estatística global e individualizada de taxa de operação praticada, tempo de espera na fila e tempo de atendimento ( estadia operacional e comercial ); Taxa de ocupação dos berços para o horizonte de estudo; Seqüência de atendimento dos navios com a previsão de ocorrência de todos os eventos gerados para a operação de embarque ou desembarque; Tamanho médio da fila para cada berço de atracação. 22

23 3 Características do Complexo Portuário de Tubarão Este capítulo apresenta a Cia Vale do Rio Doce (CVRD) e as principais características do Complexo Portuário de Tubarão. A infra-estrutura do Terminal de Minérios de Tubarão é destacada, uma vez que no estudo de caso para validação do modelo do simulador foram utilizados os dados deste terminal A Companhia Vale do Rio Doce A CVRD foi fundada em junho de 1942 e é um complexo integrado de negócios de exploração e beneficiamento de recursos naturais e transportes, operando individualmente ou através de associações com companhias nacionais e estrangeiras. É a maior produtora e exportadora mundial de minério de ferro e pelotas. Atua também na pesquisa, mineração e beneficiamento de ouro, manganês e outros minerais. É a maior detentora de direitos minerários do país. Tem presença relevante nos mercados de alumínio e celulose. As atividades de transporte incluem a operação de ferrovias e portos, além da navegação marítima nacional e internacional. A CVRD também participa de um conjunto de empresas no setores de siderurgia e ferro ligas. Em 1997, constituiu uma nova companhia para atuar no segmento de energia [RVRD97] O Complexo Portuário de Tubarão Construído e administrado pela Companhia Vale do Rio Doce, o Complexo Portuário de Tubarão foi inaugurado em abril de 1966 e é considerado hoje um dos mais completos e eficientes sistemas portuários do mundo. Localizado no Espírito Santo, a apenas doze quilômetros de Vitória, a capital do Estado, ocupa uma área de dezoito quilômetros quadrados, onde estão cinco terminais que operam 24 horas por dia: o Terminal de Minérios, o Terminal de Carvão, o Terminal de Grãos, o Terminal de Granéis Líquidos e o Terminal de Produtos Diversos e Fertilizantes. Uma visão geral do Complexo Portuário de Tubarão é apresentada na figura 1. Na margem sul do canal de acesso à baia de Vitória, situa-se o Terminal de Paul, que também faz parte do Complexo Portuário. 23

24 Figura 1 - Visão Geral do Complexo Portuário de Tubarão 24

25 Ao todo, o Complexo Portuário de Tubarão tem capacidade instalada para movimentar cerca de 80 milhões de toneladas de minério de ferro em granel e pelotas, por ano. Possui completa infra-estrutura para operação de grandes graneleiros no embarque do minério de ferro e pelotas, calcário, ferro gusa, manganês, rocha fosfórica, soja em grãos e em farelo, entre outros produtos, e no desembarque de carvão mineral, fertilizantes, coque, minério de ferro, antracito, ilmenita, enxofre, manganês, cloreto de potássio e outros granéis sólidos. Tubarão atende cerca de 700 navios por ano, oferecendo toda a estrutura de apoio necessária às embarcações atracadas: abastecimento de combustível e água, rebocadores, lanchas de apoio, sistemas de comunicação, combate a incêndio, desgaseificação, fornecimento de provisões e pequenos reparos a bordo. Integrado à Estrada de Ferro Vitória a Minas - que também pertence à CVRD - o Complexo Portuário é fundamental para escoamento da produção e o abastecimento da região Centro- Leste, considerada o celeiro produtor de grãos do país. Esta integração permite o escoamento de cargas em toda a região de abrangência da ferrovia tanto no sentido de exportação quanto no de importação. Esta integração tornou economicamente viável a construção de seis usinas de pelotização dentro da área do Complexo Portuário, para beneficiamento do minério de ferro super fino, resíduo da extração mineral das minas da CVRD no estado de Minas Gerais. Não existem dificuldades para a chegada dos navios a Tubarão. O canal de acesso tem comprimento de duas milhas náuticas por 280 metros de largura com profundidade variando de 15 a 22,5 metros; a bacia de evolução do Terminal de Carvão tem 500 metros de diâmetro e 22 metros de profundidade e a bacia de evolução do Terminal de Minérios tem 600 metros de diâmetro e 15 metros de profundidade. Navios esperando atracação podem fundear a uma distância de até 2 milhas náuticas a partir da entrada do canal, que é sinalizada por bóias luminosas A região possui excelentes condições climáticas praticamente o ano inteiro, com bastante sol, pouca chuva, ventos fracos e muita visibilidade. Isto permite a atracação e desatracação de navios a qualquer hora do dia ou da noite. A praticagem opera com equipamentos de comunicação em VHF O Terminal de Minérios O Terminal de Minérios é o maior porto especializado na movimentação de granéis minerais do mundo. Possui dois piers, com capacidade total de embarque de toneladas de granéis por hora. Com calado máximo de saída de 15,2 metros, o Pier 1 pode receber dois navios simultaneamente, de toneladas de porte bruto (tpb), no lado sul e de toneladas no lado norte. A variação da maré permite ampliar o calado máximo de saída em até 1,5 metros. O Pier 1 é dotado de dois carregadores de navios que operam a uma taxa de e toneladas/hora. De concepção mais moderna, do tipo off-shore, o Pier 2 tem calado de saída de 20 metros, mais maré de 1,5 metros, opera com um navio por vez, e pode receber graneleiros de até tpb. É dotado de dois carregadores e opera a uma taxa de toneladas/hora. Os carregadores trabalham alternadamente, dependendo do ponto do navio a ser alcançado. Em 25

26 Tubarão, o minério chega ao Porto em trens da Estrada de Ferro Vitória a Minas. Cada composição é formada por 160 vagões tipo gôndola, descarregados em lotes de 80 através de quatro viradores de vagões, que trabalham a uma taxa de toneladas/hora cada um. O minério pode ser embarcado diretamente nos navios, ou estocado em pátios com capacidade superior a 4,5 milhões de toneladas. A estocagem se processa através de quatro empilhadeiras, sendo três com capacidade de toneladas/hora e uma de toneladas/hora, além de uma empilhadeira e recuperadora de toneladas/hora. Duas empilhadeiras escravas de toneladas/hora, trabalhando acopladas à empilhadeira principal, auxiliam na estocagem. A recuperação, ou retirada do minério empilhado, é feita por recuperadoras de caçambas ( bucket-wheel ). O Porto possui duas recuperadoras de toneladas/hora e três de toneladas/hora, além de uma empilhadeira e recuperadora de toneladas/hora. O minério é transportado por correias até o cais para ser embarcado. Para dar apoio às operações, funcionam em Tubarão outras instalações complementares: Um Sistema de Peneiramento efetua a retirada de materiais fino de minério granulado, operando a uma taxa de toneladas/hora; três Sistemas de Amostragem permitem o controle de qualidade do material embarcado O Terminal de Carvão Operando desde de maio de 1993, o Terminal de Carvão tem capacidade para movimentar oito milhões de toneladas por ano. Trabalha com os seguintes produtos: carvão mineral, coque, minério de ferro, antracito, ilmenita, enxofre, manganês, amônia, cloreto de potássio, e outros granéis que, depois de descarregados e estocados, são embarcados em vagões ferroviários da Vitória a Minas. Também são realizadas operações de transhipment : os produtos são descarregados no Terminal de Carvão e transferidos para o Terminal de Minérios, onde são embarcados novamente. O Terminal de Carvão opera com um Pier dotado de dois berços. O primeiro para navios de até tpb; o segundo para navios de até tpb. O Pier tem 730 metros de extensão por 27 de largura. Descarregadores com caçambas de 10, 20, 25 e 30 metros cúbicos de capacidade operam a uma taxa de toneladas/hora. Duas linhas de correias transportadores levam os produtos até um pátio, que pode armazenar toneladas. A estocagem é realizada por duas empilhadeiras a um ritmo de toneladas/hora. Uma recuperadora de caçamba, operando a uma taxa de toneladas/hora, leva os produtos do pátio de estocagem até a Estação de Carregamento de Vagões, que também trabalha a uma taxa de toneladas/hora. Para alguns produtos usa-se páscarregadeiras, que jogam o material diretamente nos vagões e nos caminhões. Neste Terminal situa-se um armazém para descarga e estocagem de produtos, utilizados na produção de fertilizantes e defensivos agrícolas, com capacidade para estocar metros 26

27 cúbicos. Uma balança rodoferroviária de porte industrial, com capacidade de pesagem de até 120 toneladas, por sistemas eletrônicos e manuais, que atende a caminhões, carretas, basculantes e vagões ferroviários O Terminal de Grãos O Terminal de Grãos teve sua primeira etapa inaugurada em abril de 1993, operando com soja em grãos e em farelo, permitindo a descarga simultânea de quatro vagões de capacidade de 57 toneladas de grãos ou 42 toneladas de farelo. O terminal tem capacidade de pico de embarque de toneladas/hora, e estava preparado, nesta primeira fase, para movimentar anualmente toneladas de grãos. A moega ferroviária, adaptada ao manuseio de grãos e farelos, alimenta transportadores que conduzem os produtos ao interior de cinco armazéns. Três deles são horizontais e retangulares, possuindo cada um capacidade para estocar toneladas de soja em grãos e toneladas de farelo de soja. Os outros dois armazéns são cônicos e circulares, com capacidade total para toneladas de soja em grãos. A capacidade total de estocagem é de toneladas de soja em grãos e em farelos. A pesagem e amostragem de soja são realizadas em instalações alimentadas por um transportador, que abastece uma balança de fluxo por batelada, a uma taxa de toneladas/hora. O sistema de embarque de grãos e farelo é composto por transportadores cobertos, com exceção do transportador do pier e o da lança do carregador de navios. Nesta primeira fase, a capacidade disponível de embarque de grãos no Pier 1 é de toneladas/hora. O embarque pode ser realizado por qualquer um dos dois carregadores de navios. Antes de cada operação de embarque todo o sistema é lavado e secado, tendo em vista que os carregadores de navios são compartilhados com o sistema de embarque de minérios e pelotas. Existem sistemas de despoeiramento nos pontos de descarga e carregamento, na moega ferroviária, nos chutes, sob os vazadores dos armazéns, no tubo telescópio do carregador de navios e no prédio de pesagem e amostragem. Em abril de 1998, foi inaugurado a segunda etapa do Terminal de Grãos, constituído de uma novo pier com um berço especializado para carregamento de grãos, destinado a atender navios da classe cape size de até tpb. Este berço possui 280 metros de comprimento, 14,7 metros de profundidade e é dotado de quatro torres de carregamento proporcionando uma taxa nominal de carregamento de toneladas/hora. Cabe ressaltar que será mantido o sistema atual de carregamento no Pier 1 do Terminal de Minérios, possibilitando ao porto efetuar embarque de grãos nos dois piers. A inauguração do berço especializado e exclusivo para grãos proporcionou um melhor atendimento aos navios de grãos e reduziu o impacto na fila de navios de minérios que compartilham os berços do Pier 1, além de elevar para 3 milhões de toneladas por ano a capacidade do Terminal de Grãos. 27

28 Além das instalações para embarque de grãos, existe área disponível para instalação de novos armazéns de grãos, que serão viabilizados junto a iniciativa privada que pretende movimentar suas cargas pelo Complexo de Tubarão. O Terminal de Grãos é o ponto final das linhas da Estrada de Ferro Vitória a Minas, que fazem conexão com os trilhos da Ferrovia Centro Atlântico ( uma parte da extinta Rede Ferroviária Federal ) em Minas Gerais, criando um corredor de exportação e abastecimento para os centros de produção agropecuário do Centro Leste brasileiro O Terminal de Granéis Líquidos O Terminal de Granéis Líquidos é especializado no desembarques de granéis líquidos e possui um berço com 210 metros de comprimento, profundidade de 12 metros, ampliável em 1,5 metros com a maré alta. As características deste terminal permitem atender navios até tpb. Este terminal atende a uma base da Petrobrás instalada dentro da área do Complexo Portuário de Tubarão, que estoca combustíveis para diversas empresas distribuidoras. Este terminal permite atender navios especializados no transporte de combustíveis, óleos lubrificantes, e outros derivados de petróleo. O desembarque de granéis líquidos é operado por um conjunto de equipamentos sugadores que retiram a carga do navio e através de um sistema de bombeamento as conduzem por dutos até os tanques destinados a sua armazenagem O Terminal de Produtos Diversos e Fertilizantes O Terminal de Produtos Diversos e Fertilizantes possui um berço de 220 metros de comprimento, profundidade de 11,30 metros e tem capacidade para receber navios de até tpb. A sua localização a menos de 15 quilômetros de estações aduaneiras e terminais retro portuários especializados e estruturados para apoiarem a movimentação de cargas diversas, torna este terminal muito atrativo. A movimentação de fertilizantes é operada com dois guindastes. A descarga de fertilizantes é feita com grabs, na taxa de toneladas/hora e a carga retirada dos navios é transferida por transportadores de correia cobertos, que as conduzem do berço até um armazém de fertilizantes com capacidade estática de toneladas. O manuseio de contêineres é feito com dois guindastes portuários equipados com spreaders telescópicos inteligentes, a uma taxa de 10 contêineres/hora cada. A capacidade de movimentação anual é de unidades. O Terminal possui uma retroárea pavimentada para estocagem de 1400 contêineres. 28

29 A competitividade deste terminal é ampliada através de sua integração com a estrada de ferro Vitória a Minas, que oferece um completo serviço de logística e transporte multimodal de cargas com alto padrão de qualidade O Terminal de Paul Situado na margem sul do canal de acesso à baía de Vitória, no lado do continente, o Terminal de Paul é o mais antigo de todo o Complexo Portuário. Está em atividade desde 1954 e tem capacidade para embarcar 2,5 milhões de toneladas de produtos por ano. O Cais de Paul tem 160 metros de extensão, com calado médio de nove metros, e pode receber navios de até tpb. A descarga dos vagões ferroviários é feita através de descarregador a uma taxa de 900 toneladas/hora. Atualmente este terminal está dedicado a movimentação de gusa A Flexibilidade Operacional do Complexo Portuário de Tubarão e o Canal de Acesso Os recursos das instalações de todos os terminais que compõem o Complexo Portuário de Tubarão proporcionam uma enorme flexibilidade operacional para movimentações de cargas. É comum receber navios carregados no Terminal de Carvão, desembarcá-los e atracá-los no Terminal de Minérios para embarcar cargas de minérios e pelotas. Isso proporciona uma grande redução de custos para os armadores, uma vez que reduz as viagens de retorno sem carga. O início de operação do novo berço especializado de grãos ampliou a flexibilidade operacional do Complexo Portuário, pois também continua possível atender navios de grãos nos berços do Pier 1 do Terminal de Minérios. A diversidade de terminais e a flexibilidade de operar um mesmo navio em mais de um berço aumentam muito a complexidade de gerenciamento da fila de navios, exigindo uma visão de programação de navios integrada para todos os berços do Complexo Portuário. A necessidade de realizar uma programação de navios integrada para todos os terminais também é reforçada pela existência de um único canal de acesso e visa facilitar a reserva e agenda dos recursos necessários a realização das manobras de atracação e desatracação, como rebocadores, lanchas de apoio, equipes de amarração e praticagem. 29

30 3.4 - Estratégia de Alocação de Navios aos Berços de Terminais de Minérios e Grãos O Terminal de Minérios cedeu seus dados de operação dos anos de 1995, 1996 e 1997 para realizarmos a validação do modelo do simulador. A tabela abaixo apresenta um resumo dos principais recursos disponíveis neste Terminal. Estes parâmetros foram cadastrados no banco de dados do protótipo do simulador. Berço Nome Compriment o Calado Tipo de Operação Porte do Navio 1S Pier Um Sul 16,70 Embarque N Pier Um Norte 16,70 Embarque Pier Dois 21,50 Embarque Segundo a tabela de classificação de navios descrita no item 2.2 e a tabela de tipo de operação portuária, item 2.3, os gerentes dos Terminais de Grãos e Minérios de Tubarão adotam a seguinte política de alocação dos navios aos berços: Navio de pequeno porte, pertencente as classes Hand Size, Panamax ou Small Cape Size é alocado preferencialmente no Pier 1S, podendo ser alocado nos Piers 1N ou 02, caso estes estejam desocupados e sem previsão de ocupação durante o período necessário para atendimento do navio; Navio de médio porte, pertencente a classe Cape Size é alocado preferencialmente no Pier 1N e eventualmente no 1S, podendo ser alocado no Pier 02, caso este esteja desocupado e sem previsão de ocupação durante o período necessário para atendimento do navio; Navio de grande porte, pertencente a classe Very Large é alocado no Pier 02 e eventualmente no Pier 1N. Segundo a tabela de classificação de produtos descrita no item 2.4, os gerentes dos Terminais de Grãos e Minérios de Tubarão adotam a seguinte política de alocação dos navios aos berços: Navio com carga de grãos é alocado preferencialmente no Pier 1S e eventualmente no Pier 1N; Navio com carga de minério de ferro e pelota é alocado nos Piers 1S, 1N ou 02, conforme a classificação do navio. O início de operação do Terminal de Produtos Diversos e Fertilizantes e da segunda etapa do Terminal de Grãos, gerou um significativo aumento de complexidade no gerenciamento da fila de navios do Complexo Portuário de Tubarão. O aumento da quantidade de navios atendida pelo porto, ocasionou uma maior concorrência pelo canal de acesso, rebocadores e berços de atracação. Assim, ferramentas computacionais de apoio a atividade de planejamento e suporte à tomada de decisão, passam a ser necessárias para avaliar diversos cenários de atendimento à fila de navios e adotar uma boa seqüência de atendimento, que proporcione economia nos gastos com multas de atendimento aos navios. 30

31 4 Modelagem Matemática Este capítulo apresenta a modelagem adotada para o problema de gerenciamento de fila de navios. São detalhadas as equações do modelo, os algoritmos de geração aleatória de viagens de navios e dos eventos de atendimento à navios Metodologia de Modelagem Em diversas aplicações, o processo de modelagem requer um amplo conhecimento prévio do problema a ser modelado. Muitas vezes a aquisição deste conhecimento é uma tarefa árdua e demorada. É necessário identificar as diversas variáveis do problema, seus relacionamentos, restrições operacionais, regras, estratégias e políticas de operação e, assim, formular as equações matemáticas que implementarão o modelo. O atendimento da fila de navios e a otimização da atracação dos navios compõem um problema de grande complexidade, principalmente pela quantidade de informações a serem analisadas, pela irregularidade dos atendimentos e incerteza destas informações a médio e longo prazo. A incerteza das informações sugere que uma modelagem de natureza estocástica se mostra mais adequada e requer o tratamento estatístico de um grande conjunto de variáveis e eventos, a partir do qual é possível determinar as distribuições de probabilidade associadas ao comportamento das diversas variáveis que compõem a atividade portuária. Neste trabalho, adotamos inicialmente uma abordagem de caráter mais qualitativo para aquisição de conhecimento sobre o problema de atendimento à fila de navios, fazendo uso de: Entrevistas com os supervisores de operação portuária responsáveis pela função de programação dos navios; Acompanhamento de diversas operações de embarque de cargas em navios no Porto de Tubarão; Análise de dados históricos de atendimentos à navios efetuados pelo porto em períodos anteriores; Análise de alguns contratos de afretamento, condições contratuais de prêmio e multa; visando identificar as principais Formulação dos principais problemas e dificuldades encontradas pelos responsáveis pelo gerenciamento da fila de navios; Identificação das principais variáveis e políticas de operação adotadas no cotidiano do Terminal de Tubarão. 31

32 Em seguida, de posse de um conhecimento preliminar adquirido com as atividades acima, realizamos uma abordagem de caráter mais quantitativo, onde através de estudos estatísticos detalhados, procuramos estabelecer o perfil de comportamento de cada uma das variáveis previamente levantadas. Para tanto, foi necessário: Analisar detalhadamente os dados de atendimento a navios referentes aos anos anteriores; Redefinir as variáveis, concentrando a atenção nas que se mostraram mais importantes para o problema numa visão de simplificação da modelagem. Para estas variáveis, tornou-se necessário apurar distribuições de freqüência precisas para representar fielmente o perfil de atendimento aos navios, determinando também para cada uma a média, desvio padrão e seus valores limites extremos. Por motivos de simplificação, os dados podem ser agrupados em distribuições de freqüência com intervalos de mesma amplitude. A partir daí, são calculadas as freqüências absoluta e relativa, simples e acumulada, para compor as distribuições dos atendimentos. Muitas vezes torna-se necessário ajustar as distribuições de freqüência, eliminando os atendimentos à navios que geram distorções nos resultados obtidos e refazer as estatísticas considerando somente os atendimentos estatisticamente representativos. No ANEXO I são apresentados diversos histogramas correspondentes a este estudo estatístico Levantamento de Dados Na etapa de levantamento de dados verificamos que as viagens dos navios são numeradas para permitir registrar para cada viagem todas as informações de seu atendimento. As principais informações de cada atendimento à navio utilizadas na modelagem do problema foram apresentadas no Capítulo 2, sessão 2.9. As viagens programadas dos navios constituem um importante conjunto de informações e representam a situação inicial da fila de navios do porto, uma vez que possui informação dos navios que estão em atendimento, dos que estão aguardando atendimento na área de fundeio e das próximas previsões de chegada. Para proceder a simulação também é necessário considerar o horizonte de simulação, a situação inicial da fila de navios programada para o porto e as caraterísticas técnicas dos berços de atracação, canal de acesso e equipamentos portuários. 32

33 4.3 - Premissas da Modelagem Na etapa de modelagem do problema, analisamos diversos requisitos de informações fornecidos pelos gerentes de operação portuária e as principais características levantadas no item anterior, e assim adotamos as seguintes premissas: Modelo estocástico de simulação [GOTT84]; Modelo clássico de simulação orientado a eventos[gord69]; Os recursos disponíveis para atendimento aos navios são os berços e os canais de acesso ao berços, podendo permanecer indisponíveis em intervalos de tempo dentro do horizonte de simulação; Os embarques concorrem pelos berços e canais de acesso, podendo um mesmo canal de acesso permitir acesso a mais de um berço de atracação; Modelo de fila adotado para cada berço é do tipo M:G:1 [KLEI75]; A estratégia de alocação dos navios aos berços é parametrizada e leva em consideração as características do navio, berço, carga e tipo de operação a ser realizada; Os parâmetros do modelo, da instalação portuária e as distribuições de freqüência com o perfil de atendimento de cada berço são armazenados em banco de dados relacional [DATE89]; Modelo permite simular a fila em períodos de simulação definido pelo usuário, iniciando pela fila existente no terminal e gerando aleatoriamente com base no perfil de atendimento do porto, navios e cargas para completar a demanda de cargas até o final do período de simulação; Geração de variáveis aleatórias do modelo baseado em distribuição empírica de freqüência [GOTT84]; A informação de variação de maré atua como um elemento de retardo na saída ou entrada do navio no porto, caso haja restrições de calado (profundidade) Distribuições de Freqüência do Modelo Com base no histórico das informações identificadas no item 4.2 é possível estabelecer distribuições de freqüência para geração das diversas variáveis aleatórias necessárias para representar o perfil de atendimento do porto. Desse modo, apuramos as seguintes doze classes de distribuições de freqüência para suportar a geração dos valores das correspondentes variáveis aleatórias: Distribuições dependentes somente do berço de atracação: CBA VTC Perfil de chegadas sucessivas de viagens de navios Perfil de volume total de carga das viagens de navios 33

34 Distribuição dependente do berço de atracação, especialidade e porte do navio: TED Perfil de tipo de operação portuária das viagens de navios Distribuições dependentes do berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio: ACE LMA ATR LOP LMD DTR QDC PVC Perfil de aceitação de navios pelo porto após chegada na barra Perfil de liberação para manobra de atracação após aceite pelo porto Perfil de atracação de navios após liberação para manobra de atracação Perfil de liberação para início de operação após atracação Perfil de liberação para manobra de desatracação após término de operação Perfil de desatracação após liberação para manobra de desatracação Perfil de quantidade de cargas distintas por produto, cliente e vendedor Perfil de vendas de cargas por produto, cliente e vendedor Distribuição dependente do berço de atracação, tipo de operação, especialidade do navio, porte do navio, natureza e tipo de produto: TOO Perfil da taxa operacional de operação Variáveis Aleatórias do Modelo O modelo do simulador possui doze variáveis aleatórias Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de chegadas sucessivas de viagens de navios para o berço de atracação Volume total de carga expresso em toneladas, gerado segundo a distribuição de freqüência de perfil de volume total de carga das viagens de navios para o berço de atracação Tipo de operação de embarque ou desembarque, gerado segundo a distribuição de freqüência de perfil de tipo de operação portuária das viagens de navios para o berço de atracação, especialidade e porte do navio Quantidade de cargas distintas expressa em unidades, gerado segundo a distribuição de freqüência de perfil de quantidade de cargas distintas por produto, cliente e vendedor para berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte de navio 34

35 Volume parcial de carga expresso em toneladas, gerado segundo a distribuição de freqüência de perfil de vendas de carga por cliente, produto e vendedor para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de aceitação de navios pelo porto após chegada na barra para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de liberação para manobra de atracação após aceite pelo porto para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de atracação de navios após liberação para manobra de atracação para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de liberação para início de operação após atracação para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Taxa operacional de operação expressa em toneladas por hora, gerada aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de taxa operacional de operação para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade do navio, porte do navio, natureza e tipo de produto Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de liberação para manobra de desatracação após término de operação para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio Quantidade de tempo expressa em horas, gerado aleatoriamente segundo a distribuição de freqüência de perfil de desatracação após liberação para manobra de desatracação para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio 35

36 4.6 - Algoritmo de Geração de Variáveis Aleatórias O processo de geração das variáveis aleatórias se baseia no método da transformada inversa para distribuições empíricas de probabilidade [GOTT84], o qual é apresentado a seguir: Em muitos problemas reais a probabilidade de ocorrência de um evento é expressa através de agrupamentos de dados empíricos. A Figura 2 ilustra um conjunto típico de dados agrupados. Podemos verificar que existem vários subintervalos adjacentes, os quais são numerados de forma consecutiva (isto é, j = 1,2,..., m). Cada subintervalo é representado como um retângulo cujo seus intervalos limites superior e inferior são XU j e XL j, respectivamente. A altura de cada subintervalo, f j, representa a probabilidade do valor de X para um evento randômico cair dentro j-ésimo subintervalo, isto é, XL j X XU j. Desde que os f j s representam a probabilidade, então sua soma deve ser igual a 1, isto é, f 1 + f f m = 1 Figura 2 É relativamente simples construir uma distribuição acumulada, como mostra a Figura 3, com base num conjunto de dados agrupados. Para fazer isto, basta calcular a soma acumulada dos valores prévios de probabilidade f j s, que é, Y 1 = f 1 Y 2 = f 1 + f 2.. Y j = f 1 + f f j.. Y m = f 1 + f f m = 1 36

37 Figura 3 A altura de cada subintervalo, Y j, agora representa a probabilidade do valor X para um evento randômico não exceder XU j. Figura 4 Utilizando do método da transformada inversa, podemos traçar uma curva contínua através da distribuição de freqüência acumulada, conforme ilustrado na Figura 4. Assim, podemos gerar uma distribuição uniforme de um números randômicos, U, variando entre 0 e 1, e obter o correspondente valor de X por interpolação linear, que é expresso por: X = XL j + [ (U Y j-1 )/(Y j Y j-1 ) ] (XU j XL j ) 37

38 Para determinar o subintervalo apropriado, basta fazer uma busca iniciando sempre do primeiro subintervalo e então fazer sucessivas comparações do valor U gerado com cada valor de Y j. O subintervalo desejado será o primeiro subintervalo para o qual o valor de U Y j. Acrescentamos ao algoritmo proposto, um mecanismo de contabilização dos eventos gerados de modo a impedir que sejam gerados eventos além da quantidade máxima permitida. A quantidade máxima permitida de cada intervalo de classe do evento é calculada com base na freqüência relativa do mesmo e na quantidade total de embarques previsto para simular Geração Aleatória de Cargas e Viagens dos Navios A situação inicial das viagens de navios programadas para o porto representa uma demanda inicial de cargas e serviços portuários. No entanto, se o horizonte de simulação for extenso, pode existir necessidade de gerar uma demanda adicional de viagens de navios e cargas para completar a programação de navios para o porto dentro do período de simulação. Ao extrair a situação inicial das viagens de navios programados para o porto devem ser armazenadas as datas de chegada do último navio para cada berço de atracação do porto. A geração de viagens de navios para cada berço de atracação deve ser feita com base na última data de chegada de navios para o berço e segundo a distribuição de freqüência que representa o perfil de chegada sucessivas de viagens de navios para o berço de atracação Equações Matemáticas para Geração Aleatória de Viagens de Navios A geração aleatória de viagens de navios consiste em gerar uma viagem de navio programada para o berço de atracação, estimando sua data e horário prevista de chegada na barra e seu período de laydays. Para geração da data prevista de chegada da i-ésima viagem do navio ao porto, utilizamos a seguinte equação: CBA i = CBA i - 1 onde: CBA i Data e horário prevista de chegada na barra da i-ésima viagem de navio; CBA i - 1 Data e horário prevista de chegada na barra da (i 1)-ésima viagem de Definido no item

39 O período de laydays é gerado com base nos parâmetros especificados para o berço de atracação. Para cada berço, existe uma informação da quantidade de dias antes da previsão de chegada inicia-se o período de laydays e outra da quantidade de dias depois da previsão de chegada termina o período de laydays Equações Matemáticas para Geração Aleatória de Cargas das Viagens de Navios A geração aleatória de cargas para as viagens de navios consiste em gerar um volume total de cargas, definir o tipo de operação portuária a ser efetuada, promover a distribuição do total de carga por produto, cliente e vendedor, estimar os valores de tempos de turntime e laytime, definir a especialidade e porte do navio, e por último estimar as medidas previstas de calados de entrada e saída da viagem do navio. Para geração da distribuição de cargas da i-ésima viagem do navio, utilizamos um algoritmo constituído das quatro etapas a seguir: Na primeira etapa, estima-se o volume total de carga previsto para a i-ésima viagem do navio com base na distribuição de freqüência de perfil de volume total de carga das viagens de navios para o berço de atracação. A especialidade do navio da i-ésima viagem é determinada com base na especialidade do berço de atendimento e o porte do navio da i-ésima viagem é determinado pelo volume total de carga previsto. VTC i onde: VTC i Volume total de carga expresso em toneladas da i-ésima viagem de Definido no item 4.5. Na segunda etapa, estima-se o tipo de operação portuária a ser efetuada. Para proceder a segunda etapa é necessário utilizar a distribuição de freqüência de perfil de tipo de operação portuária das viagens de navios para o berço de atracação, especialidade e porte do navio. TED i = Conteúdo da tabela de tipo de operações portuárias indexada onde: TED i Tipo de operação portuária a ser efetuada na i-ésima viagem de Definido no item 4.5. Na terceira etapa, estima-se a quantidade de cargas distintas que a i-ésima viagem do navio deverá possuir, ou seja, determina-se em quantas cargas por cliente, produto e 39

40 vendedor o volume total de carga, estimado na primeira etapa deve ser distribuído. Para proceder a terceira etapa é necessário utilizar a distribuição de freqüência de perfil de quantidade de cargas distintas por produto, cliente e vendedor para berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte de navio. QDC i onde: QDC i Quantidade de cargas distintas da i-ésima viagem de Definido no item 4.5. Na quarta e última etapa, estima-se para cada uma das cargas distintas definida na terceira etapa, o cliente, produto, vendedor e o volume parcial da carga. A estimativa feita na quarta etapa considera a distribuição de freqüência de perfil de vendas de carga por cliente, produto e vendedor para o berço de atracação, tipo de operação, especialidade e porte do navio. CCD i = [PVC 1, PVC 2,..., PVC qdc ] PVC k onde: CCD i PVC k Conjunto de cargas distintas por cliente, produto, vendedor e tonelagem parcial de carga para a i-ésima viagem de navio; Carga por produto, cliente, vendedor e tonelagem parcial, extraído da tabela de perfil de vendas de cargas por produto, cliente, vendedor e tonelagem parcial Definido no item 4.5. O tempo permitido de operação ( laytime ) e o tempo permitido para aceitação da viagem de navio ( turntime ) e o conseqüente início da contagem do tempo do atendimento são determinados com base no cliente e volume parcial de cada carga da viagem do navio, utilizando-se das condições de atendimento acordadas com os clientes. 40

41 Apresentamos a seguir um exemplo de uma viagem de navio gerado pelo simulador: Berço de Atracação/Atendimento 02 Berço Dois Data e horário de previsão de chegada - CBA i 05/12/ :45:15 Período de laydays Início 01/12/ :45:15 Término 15/12/ :45:15 Volume total de carga previsto ,00 Especialidade do Navio (Berço) Porte do Navio Tipo de Operação Graneleiro Very Large Embarque Quantidade de cargas distintas 3 produto e vendedor Distribuição de cargas por cliente, P C V roduto liente endedor P N V ,00 AF SC RD PRD SUM VRD ,00 SSF NSC VRD ,00 Tempo permitido de operação ( laytime ) NSC 60,00 Tempo permitido para aceitação pelo porto 12,00 ( turntime ) após CBA Tempo permitido de operação ( laytime ) SUM 40,00 Tempo permitido para aceitação pelo porto ( turntime ) após CBA 12,00 Observação : A viagem de navio possui uma carga total de ,00 toneladas, composta de três cargas distintas cujo os códigos representam: Produtos: SSF Standard Sinter Feed PAF PRD Pelota de Alto Forno Pelota de Redução Direta Clientes: NSC Nippom Steel Corporation 41

42 SUM Sumiton Iron Vendedor: VRD Cia Vale do Rio Doce 42

43 4.8 - Geração Aleatória de Eventos de Atendimento as Viagens dos Navios A geração aleatória de eventos das viagens de navios consiste em gerar todos os eventos de atendimento as viagens dos navios, estimando para cada um sua data e horário previsto de ocorrência. O atendimento das viagens do navios é feita com base nas diversas distribuições de freqüência dos eventos de atendimentos à viagens dos navios e na distribuição de perfil de taxa operacional de operação Eventos do Modelo O atendimento das viagens do navios foi modelada de modo a permitir o processamento e a geração dos seguintes eventos, listados em ordem cronológica de sua ocorrência, para cada viagem i de navio: CBA i Data e horário estimada de chegada na barra; ACE i Data e horário estimada de aceite pelo porto; LMA i Data e horário estimada de liberação para manobra de atracação; ATR i Data e horário estimada de atracação; LOP i Data e horário estimada de liberação para início de operação; TOP i Data e horário estimada de término de operação; LMD i Data e horário estimada de liberação para manobra de desatracação e DTR i Data e horário estimada de desatracação. A figura 5 mostra a seqüência de ocorrência destes eventos, destacando a influência da variação da maré e concorrência pelos recursos portuários. 43

44 Figura 5 44

45 Equações do Modelo Para geração da data e horário previsto de ocorrências de cada um dos eventos do item 4.8.1, formulamos as seguintes equações: ACE i = MAX{(CBA i DDC i } p/ operação de embarque ou MAX{(CBA i DDP i } p/ operação de desembarque; LMA i = Max {((ACE i + DLM a ); (DLB k + DLM b ); (DLC n + DLM c )}; ATR i = LMA i LOP i = ATR i qdc TOP i = LOP i + (VPC k k ) ; k = 1 LMD i = Max {(TOP i + DLM d );(DLC m + DLM e )} e DTR i = LMD i onde: ACE i Definido no item 4.8.1; CBA i Definido no item Definido no item 4.5; DDC i Data e horário de previsão de disponibilidade de carga para embarque da viagem i de navio; DDP i Data e horário de previsão de disponibilidade de pátio/armazém para desembarque da viagem i de navio; LMA i Definido no item Definido no item 4.5; 45

46 DLM a Intervalo de tempo expresso em horas, entre o resultado da expressão (ACE i e a próxima data e horário de ocorrência de nível de maré que permitirá a navegabilidade da viagem i de navio; DLB k Data e horário previsto de liberação do berço k, que atenderá a viagem i de navio; DLM b Intervalo de tempo expresso em horas, entre a data e horário previsto para liberação do berço k e a próxima data e horário de ocorrência de nível de maré que permitirá a navegabilidade da viagem i de navio; DLC n Data e horário previsto de liberação do canal de acesso n, que permite acesso ao berço k e atenderá a viagem i de navio; DLM c Intervalo de tempo expresso em horas, entre a data e horário previsto para liberação do canal de acesso n e a próxima data e horário de ocorrência de nível de maré que permitirá a navegabilidade da viagem i de navio; ATR i Definido no item Definido no item 4.5; LOP i Definido no item 4.8.1; qdc Quantidade de cargas distintas da viagem i de Definido no item 4.5; TOP i Definido no item 4.8.1; VPC k Volume parcial da carga k da viagem i de Definido no item 4.5; LMD i Definido no item Definido no item 4.5; 46

47 DLM d Intervalo de tempo expresso em horas, entre o resultado da expressão (TOP i e a próxima data e horário de ocorrência de nível de maré que permitirá a navegabilidade da viagem i de navio; DLC m Data e horário previsto de liberação do canal de acesso m, que permite acesso ao berço k e atenderá a viagem i de navio; DLM e Intervalo de tempo expresso em horas, entre a data e horário previsto para liberação do canal de acesso m e a próxima data e horário de ocorrência de nível de maré que permitirá a navegabilidade da viagem i de navio; DTR i Definido no item Definido no item

48 Seqüência de Transição de Estados dos Eventos do Modelo O simulador adota um modelo clássico de simulação orientada a eventos. O próximo evento a processar é sempre o primeiro evento da lista de eventos a processar. Esta lista está ordenada por ordem cronológica de previsão de ocorrência do evento. Cada evento processado possui um fluxo de ações e transições de estados específico, conforme apresentado a seguir: Evento de Chegada na Barra da viagem i do navio: Ações incondicionai s 1) inclui o evento de chegada na barra da viagem i do navio na lista de eventos processados 2) gera o evento de aceite para a viagem i do navio 3) inclui o evento de aceite da viagem i do navio na lista de eventos a processar Ações condicionais Se a data e horário de chegada na barra da viagem i do navio for igual a última data de chegada na barra para o berço de atracação 1) gera a viagem k do navio com sua distribuição de carga por cliente, produto e vendedor segundo o perfil de atendimento do berço 2) gera o evento de chegada na barra para a viagem k do navio, com base no perfil de chegadas de navios ao berço e a data de última chegada na barra para o berço 3) inclui o evento de chegada na barra da viagem k na lista de eventos a processar 4) atualiza a data de última chegada na barra para o berço Evento de Aceite pelo Porto da viagem i do navio: Ações incondicionai s 1) inclui o evento de aceite da viagem i do navio na lista de eventos processados 2) gera o evento de liberação para manobra de atracação para a viagem i do navio 3) inclui o evento de liberação para manobra de atracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 48

49 Evento de Liberação Para Manobra de Atracação da viagem i do navio: Verifica o estado dos recursos necessários para realização da manobra de atracação Se o canal de acesso e o berço de atracação estiverem livres e o nível da maré permitir a navegabilidade: Ações condicionais 1) inclui o evento de liberação para manobra de atracação da viagem i do navio na lista de eventos processados 2) gera o evento de atracação para a viagem i do navio 3) inclui o evento de atracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 4) bloqueia o canal de acesso ao berço de atracação e atualiza sua data prevista de liberação Ações condicionais Se o canal de acesso ou o berço estiverem bloqueados ou o nível da maré não permitir a navegabilidade 1) atualiza a data e horário do evento de liberação para manobra de atracação da viagem i do navio com a data e horário mais tarde de liberação do berço, canal de acesso ou variação de maré 2) inclui novamente o evento de liberação para manobra de atracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar Evento de Atracação da viagem i do navio: Ações incondicionai s 1) inclui o evento de atracação da viagem i do navio na lista de eventos processados 2) gera o evento de liberação para início de operação para a viagem i do navio 3) inclui o evento de liberação para início de operação para viagem i do navio na lista de eventos a processar 4) gera o evento de término de operação da viagem i do navio 5) inclui o evento de término de operação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 6) gera o evento de liberação para desatracação da viagem i do navio 7) inclui o evento de liberação para desatracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 8) bloqueia o berço de atracação e atualiza sua previsão de liberação 9) desbloqueia o canal de acesso ao berço Evento de Liberação para Início de Operação da viagem i do navio: Ações 1) inclui o evento de liberação para início de operação da viagem i do incondicionais navio na lista de eventos processados Evento de Término de Operação da viagem i do navio: Ações 1) inclui o evento de término de operação da viagem i do navio na incondicionais lista de eventos processados 49

50 Evento de Liberação para Manobra de Desatracação da viagem i do navio: verifica o estado dos recursos necessários para realização da manobra de desatracação Se o canal de acesso estiver livre e se o nível da maré permitir a navegabilidade Ações condicionais 1) inclui o evento de liberação para manobra de desatracação da viagem i do navio na lista de eventos processados 2) gera o evento de desatracação para a viagem i do navio 3) inclui o evento de desatracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 4) bloqueia o canal de acesso ao berço de atracação e atualiza sua data prevista de liberação Ações condicionais Se o canal de acesso estiver bloqueado ou o nível da maré não permitir a navegabilidade 1) atualiza a data do evento de liberação para manobra de desatracação da viagem i do navio com a data e horário mais tarde de liberação do canal de acesso ou variação de maré 2) inclui novamente o evento de liberação para manobra de desatracação da viagem i do navio na lista de eventos a processar 3) atualiza a data prevista de liberação do berço pois o navio i permanecerá mais tempo atracado do que o inicialmente previsto Evento de Desatracação da viagem i do navio: Ações 1) inclui o evento de desatracação da viagem i do navio na lista de incondicionais eventos processados 2) desbloqueia o berço de atracação e o canal de acesso ao mesmo, pois ambos passam a estarem desocupados Restrições Operacionais O modelo do simulador implementa restrições operacionais em função das características físicas de projeto dos recursos existentes ( berço de atracação e canal de acesso ), respeitando a capacidade de cada recurso e a concorrência das viagens de navios por estes. As viagens de navios geradas pelo simulador estão previamente alocados a um berço, pois o processo de geração está baseado no perfil de atendimento de cada berço e assim o berço que deverá atender a viagem de navio fica automaticamente definido. Para as viagens de navios recuperadas de sistemas de informações portuárias ou cadastradas pelos usuários, que ainda não possuem um berço de atendimento definido pelo usuário, o simulador promove sua alocação aos berços segundo a estratégia de alocação especificada para o porto. Como exemplo, veja o item 3.4. A estratégia elementar de operação é a alocação das viagens de navios baseada na capacidade e especialidade dos berços de atracação, especialidade e porte dos navios. Em certos casos é 50

51 possível estabelecer políticas de prioridade de utilização dos berços por porte de navio e natureza de produtos a operar nos berços. Cabe observar que todos os navios alocados a um dado berço vão competir pelo canal que permite o acesso ao mesmo. No início do processo de simulação são carregados os recursos ativos disponíveis para atendimento das viagens de navios. O simulador mantém um controle do estado de cada recurso (livre ou ocupado) e no caso do recurso estar ocupado, o simulador registra a sua previsão de liberação. A informação de previsão de liberação de um recurso atua como um agente de retardo sobre os eventos de liberação para manobra de atracação e desatracação. 51

52 5 Arquitetura Computacional O presente capítulo apresenta a arquitetura computacional para desenvolvimento e operação do simulador. São ilustradas a arquitetura de rede, o ambiente de desenvolvimento, as características do servidor de aplicação e seus serviços, as características do servidor de banco de dados, o modelo de dados da aplicação e os requisitos de interface com os usuários. Também é apresentado o protótipo desenvolvido para validação do modelo proposto Arquitetura Integrada Seguindo as atuais tendências de desenvolvimento e implementação de sistemas, o simulador deverá ser desenvolvido em ambiente Cliente/Servidor em múltiplas camadas. A componente cliente (ferramenta de simulação) é responsável por todo o tratamento de interface com o usuário, requisição de serviços, apresentação e impressão de informações. O componente servidor de banco de dados é responsável pelo atendimento as requisições de serviços de acesso a dados e pela garantia de integridade física dos dados. O componente servidor de aplicação (terceira camada) é responsável pelo atendimento as requisições de serviços de controle de segurança de acesso as informações, busca de situação inicial para os cenários de simulação, realização de cálculos mais elaborados e retorno de informações para os sistemas de informação. É também função do componente servidor de aplicação coletar de forma automatizada as informações de atendimento dos navios dos sistemas de informações portuárias e manter atualizada as diversas distribuições de freqüências do modelo do simulador. Figura 6 52

53 A arquitetura de rede é apresentada na figura 6, onde podemos verificar a presença das três componentes básicas do simulador além de um computador mainframe para armazenar as informações dos sistemas aplicados a controle de operação portuária. O termo mainframe aqui empregado quer representar qualquer tipo de equipamento (plataforma de hardware e software ) que possua as informações portuárias armazenadas em suas bases de dados. Apesar de na figura 5 estar representada somente uma estação de trabalho, a aplicação deverá ser desenvolvida para permitir operação simultânea por diversas estações Ambiente de Desenvolvimento A proposta de desenvolvimento do simulador de fila de navios, aqui apresentada, foi concebida visando desenvolver uma ferramenta de simulação que permita sua utilização por diversos portos. Assim sendo, procuramos parametrizar ao máximo o modelo de dados do simulador e optamos por desenvolver o aplicativo numa plataforma de desenvolvimento que suporte o desenvolvimento das três componentes do simulador e permita a geração do executável para diversos ambientes alvo. Assim sendo, propomos a adoção do ambiente PowerSoft Power Builder Enterprise/32, versão 6.5, fornecido pela Sybase Inc., capaz de gerar código para várias plataformas de hardware, sistema operacional e sistema gerenciador de bando de dados, conforme resumo apresentado na tabela abaixo: Plataforma de Hardware Sistema Operacional Sistema Gerenciador de Banco de Dados Micro computadores baseados em processadores Intel Informix, MicroSoft MicroSoft Windows 3.X, Windows 95, Windows 98 e Windows NT SQLserver, Oracle, Sybase SQLServer e outros através de ODBC SUN Solaris Oracle, Sybase SQLServer e outros através de ODBC HP HP-UX Oracle, Sybase SQLServer e outros através de ODBC IBM RISC 6000 AIX Oracle, Sybase SQLServer e outros Macintosh Power Macintosh Oracle, Sybase SQLServe e outros através de ODBC Para desenvolvimento do modelo de dados do simulador propomos a adoção da ferramenta PowerDesigner DataArchitect, versão 6.1, fornecido pela Sybase Inc. Este produto suporta o desenvolvimento de modelo de dados em nível conceitual e físico, sendo que um mesmo modelo conceitual pode possuir vários modelos físicos. Suporta a geração de modelo físico e de DDL (Database Description Language) para mais de quarenta sistemas gerenciadores de banco de dados distintos. Essas características da ferramenta foram determinantes para sua escolha, uma vez que poderemos ter necessidade de gerar modelos físicos e DDL s para diversas plataformas de banco de dados. 53

54 5.3 - Requisitos Desejáveis São apresentadas a seguir alguns requisitos importantes e desejáveis quando da implementação do simulador. Facilidade de Importação de Dados O cadastramento manual de todas as viagens de navios que compõem um cenário de simulação é uma tarefa árdua e bastante custosa, devido ao grande número de informações que devem ser digitadas. Para evitar que este cadastramento seja uma tarefa tão demorada e trabalhosa, é importante que o simulador possua uma função de importação de dados dos sistemas corporativos de informações portuárias. Assim sendo, o usuário somente deverá comandar a importação de dados informando um período de datas previstas de chegada na barra para seleção das viagens de navio e o número do cenário na qual essas viagens de navios deverão ser alocadas. Após a busca destas viagens de navios, o usuário utilizará a função de cadastramento de viagens de navios somente para acrescentar mais viagens de navios a simular. Facilidade de Sincronização de Dados e Informações O simulador deve possuir uma função de sincronização de informações dos sistemas corporativos de informações portuárias com as informações replicadas no cenário de simulação. Essa função é muito útil quando durante o processo de simulação, o usuário necessitou alterar as informações das viagens de navios replicadas no cenário de simulação e deseja restabelecer a situação original ou mesmo atualizar as informações do cenário com as informações que porventura tenham sido modificadas nos sistemas corporativos de informações portuárias. Essa função deve emitir um relatório de modificações efetuadas, informando viagens de navios que foram adicionadas, informações que foram atualizadas e listando as viagens de navios que estão no cenário de simulação e não constam do sistemas corporativos de informações portuárias. Baixo Tempo de Resposta Assim como em todo sistema, o simulador possui como requisito de qualidade a capacidade de fornecer respostas rápidas em tempo hábil. Portanto a performance de todos os componentes do simulador deve ser uma preocupação quando de sua implementação. Confiabilidade das Informações 54

55 Os agentes de geração das distribuições de freqüência devem possuir mecanismos de descarte de viagens de navios cujos valores observados não sejam estatisticamente representativos. Estas viagens de navios descartadas devem ser armazenadas para posterior análise por parte do usuário. Suporte a Navegação A interface com o usuário deve implementar recursos de navegação entre telas de informações fazendo uso dos relacionamentos existente entre as entidades que armazenam essas informações. É desejável que informações de entidades que se relacionam sejam apresentadas em pastas numa mesma interface, pois através da seleção da pasta desejada, pode-se facilmente navegar de informações de uma entidade para outra. É recomendável que a interface com o usuário possua recursos para permitir que o usuário possa a partir de um nível consolidado de informações e descer até os níveis mais elementares e detalhados de informações que contribuíram para a geração da informação consolidada. Esse recurso é mais conhecido como capacidade de realização de drill-down de informações. Para o simulador, é interessante que se apresente o montante de multas e prêmios permitindo o detalhe das informações nos seguintes níveis: a) porto, berço de atracação, natureza do produto, tipo de produto e viagens de navios; b) porto, berço de atracação e viagem de navio. Suporte Gráfico A apresentação do resultado da simulação de um cenário deve ser mostrado de forma semelhante a um gráfico Gantt. Na vertical devem ser apresentados os berços de atracação e na horizontal uma escala de tempo e as viagens de navios posicionadas no correspondente berço de atracação entre sua data de atracação e desatracação. É importante que o usuário possa promover pequenos ajustes nas datas e horários dos eventos de atendimento fazendo uso de recursos do tipo drag and drop e também através da modificação do tamanho do objeto (viagem de navio) apresentado, ambos com o apoio do mouse. Seria interessante apresentar as viagens de navio que serão atendidas com multa na cor vermelha e as que serão atendidas com prêmio na cor azul. Para cada viagem de navio deve ser calculada a sua data prevista de início de incidência de multa em seu atendimento. Essa informação orienta o usuário para proceder os pequenos ajustes nas datas e horários dos eventos. É importante que o simulador apresente um gráfico por tipo de operação com a demanda de movimentação de cargas por natureza do produto, tipo do produto por data prevista de chegada na barra. Esse gráfico é muito importante para auxiliar a identificação dos períodos de datas que irão ocorrer níveis muito elevados de demanda de movimentação de cargas, podendo antecipar e sinalizar a informação de falta de cargas para embarques ou falta de áreas de pátios para armazenagem dos produtos desembarcados. 55

56 Suporte a Cópia e Comparação de Resultados de Cenários O simulador deve implementar uma função para cópia de cenários e para comparação de dois ou mais cenários. A função de comparação deve emitir relatórios de divergências entre os mesmos e apresentar o cenário mais econômico do ponto de vista de valor global de multas e prêmios. Facilidade de Exportação de Dados O simulador deve possuir uma função para exportação de dados para os sistemas corporativos de informações portuárias, de modo a disponibilizar de modo automático as informações de programação de atendimento à fila de navios para estes sistemas. Controle de Publicação de Cenários de Simulação O simulador deve possuir uma função para permitir a publicação de cenários de simulação. O usuário ao concluir a simulação de um cenário deverá publicar o cenário para que outros usuários possam acessá-lo, informando neste momento quais usuários ou grupos de usuários poderão ter acesso ao cenário e quais seus direitos de acesso. Deverá ser permitido conceder acesso com direito de leitura e/ou alteração. Controle de Acesso O simulador deve possuir um mecanismo de segurança que impeça que usuários não autorizados tenham acessos as funções do simulador. Na abertura da aplicação do simulador, o usuário deverá se identificar e a aplicação deve verificar se o mesmo está autorizado e quais funções foram concedidas para seu uso. Facilidade de Instalação Para facilitar a instalação do simulador, deve ser disponibilizado junto com o produto uma ferramenta de instalação que seja capaz de configurar as três componentes da aplicação, de modo a permitir uma instalação do produto por usuários que não possuam conhecimento técnico de informática. 56

57 5.4 - Componente de Interface com o Usuário O componente de interface com o usuário será desenvolvido para plataforma MicroSoft Windows de 32 bits, devendo ser projetado para prover uma interface o mais amigável possível. A escolha do sistema operacional MicroSoft Windows como plataforma alvo do componente de interface deve-se ao fato de ser a plataforma de software mais utilizada no mercado de informática e por apresentar um menor custo de aquisição. A interface do simulador deverá permitir ao usuário executar todas as funções necessárias para proceder um estudo de simulação. Nesta componente da aplicação deverão ser desenvolvidas as telas para iteração com o usuário, a estrutura de navegação entre telas, a função de simulação em conformidade com o modelo matemático e todo o suporte gráfico da aplicação. Esta componente de aplicação também deverá possuir telas para fornecimento dos parâmetros necessários para comandar as requisições de serviços ao componente servidor de aplicação, tais como: importação de dados, sincronização de dados, exportação de dados, cópia de cenários, comparação de cenários e controle de acesso aos dados e recursos da interface com o usuário Componente Servidor de Banco de Dados O componente servidor de banco de dados pode ser qualquer plataforma de sistema gerenciador de banco de dados relacional que suporte os tipo de dados básicos definidos no padrão SQL-ANSI. A maioria dos sistemas gerenciadores de banco de dados relacional disponíveis comercialmente suporta este padrão. Assim sendo, propomos a adoção do produto MicroSoft SQLServer por ser uma das plataformas de banco de dados de menor custo de aquisição e das mais utilizadas em servidores baseados no processador INTEL. Na modelagem conceitual e física do aplicativo, não deverá ser utilizado nenhum recurso específico desta plataforma de banco de dados, para garantir assim uma facilidade de portabilidade das estruturas entre gerenciadores de banco de dados distintos. No desenvolvimento do aplicativo, os acessos ao servidor de banco de dados devem ser implementados através de driver nativo fornecido pelo fabricante do gerenciador de banco de dados, para garantir uma boa performance de acesso. Não deverão ser utilizados funções embutidas do gerenciador de banco de dados que não estejam especificadas no padrão SQL- ANSI. A implementação de qualquer função para atender as necessidades de conversão de dados deve ser feita na linguagem PowerScript, do produto PowerBuilder, que será utilizado para desenvolvimento do componente de interface com o usuário e do componente servidor de aplicação. Esse cuidado deve ser adotado também para facilitar a portabilidade da aplicação entre plataformas distintas de sistemas gerenciadores de banco de dados. O modelo conceitual de dados foi desenvolvido de forma a ser um modelo bastante abrangente, visando facilitar a implantação do simulador em diversos portos, possuindo um total de quarenta e sete entidades, cento e setenta atributos e sessenta e sete relacionamentos. Este modelo é apresentado no ANEXO II. 57

58 5.6 - Componente Servidor de Aplicação O componente servidor de aplicação deverá executar em plataforma baseada em processador Intel, com sistema operacional MicroSoft Windows NT. Esse componente deverá implementar os serviços de importação de dados, sincronização de dados, exportação de dados, cópia de cenários, comparação de cenários e controle de acesso aos dados e recursos da interface com o usuário. Esses serviços estarão disponíveis para acesso direto pelo usuário através de solicitação por meio do componente de interface com o usuário. Deverá ser implementado no componente servidor de aplicação os agentes necessários para aquisição de informações nos sistemas corporativos de informações portuárias e cálculo das distribuições de freqüência das diversas variáveis aleatórias do modelo matemático, bem como, os recursos necessários para permitir agendar as datas e horários de execução destes agentes programados. Os agentes a serem desenvolvidos deverão recuperar de um arquivo de parâmetros a quantidade de meses retroativos que devem ser consideradas os dados dos sistemas corporativos de informações portuárias e os critérios para descarte de viagens de navios cujos valores observados não sejam estatisticamente representativos. Com um simples ajuste dos parâmetros no arquivo de configuração, será possível estabelecer um mecanismo de cálculo móvel das distribuições de freqüência e proporcionar condições para que melhorias de eficiência operacional dos terminais portuários sejam refletidas mais rapidamente nas distribuições que governam o processo de geração aleatória das variáveis do modelo Protótipo O protótipo do simulador foi implementado com o objetivo de validar, com dados reais, o modelo de simulação proposto no capítulo IV, além de permitir a demonstração de alguns resultados previamente esperados com a utilização de uma ferramenta desta natureza. Não é portanto, objetivo do protótipo, implementar todas as características desejáveis de uma ferramenta de apoio e suporte ao processo de tomada de decisão, conforme apresentado no item 5.3. Mesmo assim o protótipo foi desenvolvido de forma que, numa próxima etapa, possa ser expandido para oferecer todas essas facilidades desejadas. Os usuários do protótipo podem ser classificados em três grandes grupos segundo as características das funções que exercem. Apresentamos a seguir estes três grupos de usuários e os benefícios que podem ser alcançados com a utilização do protótipo: No primeiro grupo, estão os usuários que trabalham na função de comercialização de produtos e serviços portuários. Estes usuários podem utilizar a ferramenta para apoio a tomada de decisões em nível tático, no momento de procederem uma nova venda de produto e/ou serviço. O protótipo auxilia na medida em que apresenta graficamente a fila simulada por berço de atracação, destacando as lacunas existentes onde podem ser inseridas novas viagens de navios. Outra facilidade que o protótipo oferece de interesse desse grupo de usuários é permitir que o usuário acrescente uma viagem de 58

59 navio ao cenário e simule o cenário, considerando ou não a nova viagem. Assim é possível verificar previamente em termos de multas e prêmios o impacto a ser causado no terminal portuário; No segundo grupo, estão os usuários responsáveis pela programação do atendimento à fila de navios nos terminais portuários. Essa função é uma atividade muito mais operacional que a função de comercialização e geralmente é realizada para horizontes de curto prazo. O benefício do protótipo para este grupo de usuários está na facilidade do modelo avaliar o montante de multas e prêmios dos cenários e assim permitir que o usuários monte diversos cenários, um para cada estratégia de atendimento elaborada e posteriormente realize uma comparação entre as mesmas de modo escolher a mais adequada naquela situação da fila de navios; O terceiro grupo de usuários consiste das equipes de engenharia dos portos, responsáveis pela realização de estudos de capacidade dos terminais portuários para atendimento a demanda projetada de movimentação de cargas. Geralmente esses profissionais trabalham com horizontes de longo prazo, em torno de três a cinco anos, para os quais o simulador oferece a facilidade de gerar cargas para o terminal segundo seu perfil histórico de vendas por cliente, produto e vendedor, permitindo aumentar ou reduzir de forma percentual o volume de cargas a ser gerado. Estes estudos geralmente suportam as análises de viabilidade econômica e financeira de investimento nos terminais portuários. A utilização do protótipo por usuários de qualquer um dos três perfis acima ocorre de modo iterativo e pode ser conduzido em três etapas, conforme descrito a seguir: A primeira etapa consiste em especificar o horizonte de estudo e comandar a busca automática de informações dos sistemas corporativos de informações portuárias; Numa segunda etapa, o usuário deve modificar o cenário gerado, alterando, acrescentando ou eliminando viagens de navios e executar sua simulação. Assim, serão gerados os eventos de atendimento as viagens de navios pertencentes ao cenário e, se o usuário julgar necessário, pode proceder ajustes finos no resultado gerado através de manipulação gráfica das viagens de navios no gráfico de Gantt; O usuário pode repetir as duas etapas anteriores para quantas estratégias distintas de atendimento desejar formular, ou mesmo utilizar a função de cópia de cenários para criar um novo cenário com base num cenário existente; A terceira e última etapa consiste em comparar os diversos cenários gerados e escolher a política de operação que se mostrar mais adequada para os interesses do estudo. Apresentamos a seguir uma tela com um corte do gráfico de Gantt da fila de navios para os três berços de atracação do Porto de Tubarão, abrangendo o período de 12/12/97 a 16/12/97: 59

60 Os navios que estão apresentados na cor azul deverão operar gerando valor de prêmio para o porto, enquanto que os que estão na cor vermelha deverão operar gerando valor de multa. É interessante observar a existência de uma lacuna de quase trinta e seis horas no berço 1N entre os dias quatorze e dezesseis de dezembro. Nesta lacuna a equipe de comercialização poderia tentar inserir outra viagem de navio, visando aproveitar melhor os recursos da instalação portuária. Ao emitir um clique com o botão direito do mouse sobre uma viagem de navio apresentada no histograma, o protótipo apresenta um menu para escolha do tipo de informação desejada. Um corte da tela com este meu é apresentada a seguir: A seguir apresentamos uma tela com as informações da viagem de navio: 60

61 A seguir apresentamos uma tela com as informações dos eventos gerados para a mesma viagem de navio: 61