Projeto Final Simulação do Descarregamento de Navios em Portos

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1 IF6AL Simulação de Eventos Discretos / Prof. Ricardo Equipe: Lucas Campiolo Paiva Luiz Gustavo Cardoso Ribeiro Projeto Final Simulação do Descarregamento de Navios em Portos Resumo Este trabalho tem como objetivo modelar e simular com o uso do software Arena um cenário de um complexo portuário, no qual navios carregados com petróleo são alocados para efetuar o descarregamento em piers do porto e, em seguida, o óleo é transportado para as refinarias por meio de uma rede de tubulações constituída não apenas por dutos, mas também por tanques e sub-estações. O problema abordado é composto por uma série de restrições como, por exemplo, com relação às propriedades das diversas classes de óleo. Estas restrições, assim como o escopo do modelo, serão simplificadas em nossa simulação, permitindo a execução do mesmo no software Arena.

2 1. Introdução O objetivo deste trabalho é modelar e simular, com o uso do software Arena, um cenário de descarregamento de navios em um complexo portuário, o qual está conectado às refinarias de petróleo por meio de uma rede de tubulações, constituída por dutos, tanques e sub-estações. O problema de otimizar a alocação e escalonamento de recursos em portos de petróleo, além do roteamento do transporte dos óleos até a refinaria, é considerado um problema clássico, com diversas soluções propostas variando desde abordagens utilizando otimização matemática até sistemas multi agentes. O escopo deste trabalho, no entanto, não inclui otimizar o processo de alocação e escalonamento do descarregamento dos navios, sendo restrito apenas à simular uma parte do processo com o auxílio do software Arena. Uma descrição mais detalhada do problema é apresentada por [1] e [2], assim como uma breve revisão das principais técnicas utilizadas para resolver o problema de alocacamento de navios. A seção 2 irá detalhar o problema original, assim como descrito por [1], enquanto que na seção 3 será apresentado o modelo proposto, juntamente com as simplificações e restrições utilizadas na simulação. Por fim, a seção 4 discutirá e fará uma análise dos resultados obtidos com o modelo de simulação proposto. 2. Descrição do problema O problema original do descarregamento de navios é composto pelas seguintes entidades: navios, piers, tubulações, tanques, sub-estações, refinarias. A figura a seguir apresenta uma visão geral de como as entidades do sistema estão interligadas. Este problema pode ser visto como uma cadeia de suprimentos de petróleo, no qual o porto é constituído por piers, tanques de armazenamento e uma rede de dutos, conectando estes elementos às refinarias. As refinarias, por sua vez, possuem seus próprios tanques e unidades de destilação que consomem óleo diretamente dos dutos em uma taxa de fluxo conhecida. A rede de dutos possui subestações intermediárias para armazenamento, que são responsáveis por fazer a decantação do óleo, com o objetivo de garantir a qualidade do mesmo e também estoques mínimos nas refinarias. A descrição original do problema conta com as seguintes restrições:

3 1. O processo de refinamento do petróleo nas refinarias não pode ser interrompido por falta de óleo em hipótese alguma; 2. Os óleos podem ser classificados em diversas classes, sendo que óleos de classes distintas não podem ser misturados ou armazenados no mesmo tanque; 3. Os navios devem ser sempre completamente descarregados em um pier; 4. Os navios possuem horário de chegada e de partida, os quais devem ser respeitados; 5. Caso os navios exceda seu tempo de uso de um pier, o mesmo deverá ser penalizado com uma multa; 6. Os tanques possuem limites máximo e mínimo de estoque, os quais devem ser sempre respeitados; 7. O óleo de um tanque só pode ser retirado e enviado adiante após um período de 24 horas de decantação. A maior parte dos modelos referenciados trabalha apenas com uma simplificação deste modelo, ignorando algumas das regras citadas ou até mesmo trabalhando apenas com a parte de descarregamento do petróleo nos piers por parte dos navios, ou apenas com a parte da distribuição do petróleo dos tanques para as refinarias. Dada a complexidade deste problema, neste trabalho apenas uma parte das restrições e do problema serão considerados. Na seção a seguir as simplificações utilizadas e o modelo proposto serão apresentados. 3. Descrição do modelo de simulação A primeira simplificação feita ao problema é representar o petróleo como uma entidade discreta e, sendo assim, quantizamos o mesmo em unidades de óleo. Uma unidade de óleo pode corresponder à um valor qualquer de volume de petróleo em m³, por exemplo. Devido à falta de dados disponíveis, em nosso caso não estipulamos a relação entre nossa unidade e um volume real de óleo. Em seguida optamos por considerar apenas uma classe de óleo, devido ao fato de que uma malha com mais de um tipo de petróleo é muito semelhante à de um só, com a exceção de que os tanques não podem ser utilizados para estocar mais de uma classe de óleo. A restrição de que os navios devem ser completamente desabastecidos no pier continua sendo obedecida. No entanto, não são estabelecidos horários para o início e o fim do descarregamento dos navios, sendo que estes são descarregados assim que um pier encontra-se disponível, formando uma fila de navios para descarga. Os tanques possuem propriedades na forma de variáveis globais no modelo, que indicam a capacidade máxima e a capacidade mínima de cada tanque. Capacidades estas que são sempre respeitadas pelo modelo. Para facilitar o processo de modelagem e simplificar a reutilização de blocos, o modelo desenvolvido emprega a funcionalidade de sub-modelos fornecida pelo Arena. Esta funcionalidade nos permitiu abstrair características do modelo e criar entidades que representam vários recursos e processos. Nesta modelagem, foram criados os seguintes sub-modelos: Chegada de Navios: bloco responsável por criar unidades de óleo e juntar as mesmas em uma entidade de navio por meio de um bloco Batch; Descarregar Navio: bloco responsável por fazer a simulação do descarregamento de um navio no porto, este processo compreende a alocação de um recurso do tipo Pier para o navio, além do processo de atracamento, o descarregamento em si e a liberação do Pier;

4 Duto: sub-modelo responsável por modelar o transporte das unidades de óleo de um lugar ao outro através de um duto; Tanque: entidade responsável por representar um tanque de óleo, fazendo o controle da capacidade atual, de forma que o mesmo obedeça às restrições impostas pelo problema com relação ao estoque Refinaria: entidade que representa uma refinaria, bem como um tanque no qual o óleo disponível para o processo de refinamento é armazenado. A figura abaixo mostra uma visão geral das relações entre os sub-modelos: O bloco de decisão que aparece no modelo é responsável por decidir, de forma aleatória, para qual dos tanques o petróleo recém descarregado no Pier irá. Este bloco pode ser facilmente substituido por um bloco que faça uma alocação mais inteligente dos recursos utilizados. No entanto, como este trabalho não envolve a otimização do processo, apenas a modelagem e simulação do mesmo, o uso deste bloco é satisfatório e atinge os objetivos do trabalho. Os sub-modelos são apresentados em maiores detalhes nas sub-seções a seguir Chegada de Navios O sub-modelo de chegada de navios trabalha com três tipos de entidades: UnidadesOleo, Sinalizador e Navio. Cada entidade do tipo UnidadeOleo corresponde à uma unidade de óleo, ou seja, a uma quantidade de petróleo pré-estabelecida. O sub-modelo funciona da seguinte forma: são criadas entidades UnidadeOleo por um bloco Create de forma contínua, segundo uma distribuição de probabilidade. Estas entidades do tipo UnidadeOleo são agrupadas em uma entidade maior denominada Navio. O número de UnidadesOleo que estão presentes em um navio é dado pela variável global CapacidadeNavio. A entidade Sinalizador é uma entidade apenas de suporte ao modelo, responsável por sinalizar a última entidade presente em um navio. Estas entidades são de interesse especial do bloco de descarregamento dos navios, para que o Pier seja liberado assim que a última unidade de óleo presente em um navio for descarregada no Pier. A figura abaixo mostra o sub-modelo de chegada de navios. Note que o contador presente no mesmo é responsável por contar quantas unidades de óleo já foram alocadas para o navio que está sendo criado.

5 3.2. Descarregar Navio Ao chegar um navio no sub-modelo de descarregar navio, a primeira operação que é feita é um Seize, com o objetivo de reservar uma entidade do tipo Pier, caso uma esteja disponível. Em seguida, é feito o processo de atracamento do Navio, com duração segundo uma distribuição de probabilidade fornecida. Após o atracamento do navio, a entidade Navio é novamente separada em entidades do tipo UnidadeOleo, de forma que as mesmas possam ser transportadas ao longo dos dutos e armazenadas nos tanques da rede. O bloco de Hold no fim deste sub-modelo é responsável por segurar o óleo do descarregamento até que o fluxo no duto tenha início. O bloco de decisão é utilizado para separar a entidade que sinaliza o fim do descarregamento das entidades de unidade de óleo. A entidade de sinalização é utilizada apenas para passar pelo bloco de Release Libera Pier, o qual libera novamente o recurso. Esta entidade sai deste sub-modelo por uma saída diferente da saída das unidades de óleo que vão para os dutos, sendo que esta saída é realimentada no bloco de criação de navios, com o objetivo de reutilizar estas entidades auxiliares Duto Os dutos são separados em seções, de forma que cada seção comporta uma unidade de óleo. Na modelagem considerada, os dutos são todos formados por apenas quatro seções e, desta forma, comportam apenas quatro unidades de óleo em seu interior.

6 O sub-modelo dos dutos tem início quando as unidades de óleo são enviadas pelo bloco de decisão do modelo principal para o sub-modelo do duto correspondente. Em seguida, um bloco do tipo Seize é responsável por reservar o recurso da primeira seção do duto, no caso da primeira seção do duto A, o recurso A1. Em seguida, a unidade de óleo chega à estação A1 e já faz a requisição do recurso A2 (segunda seção do duto A), de forma que, assim que a rota A1-A2 esteja livre, a unidade de óleo passará a utilizá-la. Ao conseguir o recurso A2, a unidade de óleo libera o recurso A1 e, em seguida, é levada para o bloco Route A1, a qual executa um delay dado pela variável DA_Delay, representando o tempo que a unidade de óleo demora para se deslocar da seção A1 para a seção A2. Este mecanismo todo é repetido outras 3 vezes, modelando cada uma das 4 seções do duto e garantindo que apenas uma unidade de óleo encontre-se em uma seção do duto. Por fim, a unidade de óleo é liberada do sub-modelo do duto e retornada para o modelo principal, que irá encaminhar a unidade de óleo para o respectivo tanque Tanque Os sub-modelos dos tanques funcionam com base em três variáveis globais configuradas no Arena: TX_CapacidadeAtual, TX_CapacidadeMinima e TX_CapacidadeMaxima. Estas variáveis são responsáveis por armazenar o volume atual de óleo que está sendo armazenado em um tanque, a capacidade mínima de óleo que deve ser respeitada em um tanque e a capacidade máxima do mesmo, respectivamente. Cada tanque possui as suas variáveis e, por este motivo, a capacidade atual do Tanque A, por exemplo, é dada pela variável global TA_CapacidadeAtual. Ao entrar no sub-modelo do tanque, a primeira coisa que uma entidade UnidadeOleo faz é incrementar a capacidade atual do tanque, para que as estatísticas sejam atualizadas conforme o número de entidades que se encontram no mesmo. Em seguida, a unidade de óleo passa por um Delay que é responsável por representar o processo de decantação do óleo, que é uma das restrições do modelo utilizado. Por fim, um bloco de Hold é responsável por garantir que não sejam liberadas unidades de óleo do tanque caso o seu nível de óleo esteja em sua capacidade mínima. A capacidade máxima do tanque é garantida pela modelagem do duto. Ao ser liberada do Hold Garante Capacidade Mínima, a entidade UnidadeOleo passa por um bloco Assign, o qual decrementa a capacidade atual do tanque em questão.

7 Todos os sub-modelos de tanques ainda apresentam um gráfico do volume de óleo armazenado no tanque em função do tempo Refinaria O sub-modelo da refinaria representa a mesma de forma simplificada. Basicamente, a refinaria possui um tanque com uma capacidade máxima e uma capacidade atual associada. Juntamente com o tanque, está um bloco de Delay que é responsável por representar o processo de refinamento do óleo por parte da refinaria. O tempo de delay do processo de refinamento é constante e definido na variável global RA_TempoProcessamento do Arena. Assim como no sub-modelo dos tanques são utilizados dois blocos Assign, com o objetivo de monitorar o número de unidades de óleo que estão presentes no tanque da refinaria. 4. Resultados / Análise Durante a modelagem, várias simplificações foram empregadas, em relação ao problema original. Além disso, não utilizamos dados reais da chegada dos navios, e o modelo do porto foi também muito

8 simplificado. Todos os parâmetros do modelo foram colocados em termos de unidades de óleo. Por esses motivos, uma avaliação quantitativa dos resultados da simulação não tem muito significado. Entretanto, o modelo permite análises da seguinte forma: primeiro,são fixados alguns dos parâmetros da simulação, como por exemplo a frequência de chegada dos navios, a capacidade dos tanques, o número de píers, o tempo de processamento nas refinarias, etc. Depois, verifica-se os tamanhos de fila, tempos de ocupação, tempos de espera, etc; nos vários processos do modelo. Com esse tipo de análise, é possível entender quão grande é o impacto de variações nos parâmetros que não foram fixados. O modelo foi executado com os parâmetros a seguir. Todas as medidas de tempo estão em horas. Geração de unidades de óleo: EXPO(0.55); Unidades de óleo por navio: 5; Número de piers: 2; Tempo de atracagem: TRI(1,2,3); Tempo gasto em cada seção dos dutos: 0.2 horas; Tempo de decantação nos tanques: 24 horas; Capcidade mínima e máxima dos tanques: 1 e 20 unidades de óleo; Capacidade máxima da refinaria: 8 unidades de óleo; Tempo de processamento na refinaria: 2,5 horas. Graças às restrições no modelamento, o número de tanques e refinarias não é variável, estando fixos em 3 tanques e uma refinaria. Os dutos e tanques tem parâmetros individuais, mas nessa simulação foram considerados todos iguais. Foram realizadas 10 replicações, cada uma com duração de 7 dias. Os seguintes resultados foram obtidos: Número médio de navios: 61,1 +- 2,62; Número médio de piers utilizados: 1, ,22; Tempo médio de espera das unidades de óleo: ,69; Tempo médio de espera dos navios: 0, ,63; Tempo médio de espera por um tanque disponível: 0, ,38; Tempo médio de permanência no tanque A: 24, ,02; Tempo médio de permanência no tanque B: 24, ,01; Tempo médio de permanência no tanque C: 24, ,03 Número médio de entidades na refinaria: 3, ,18. Número médio de entidades no tanque A: 18, ,14 Os resultados da simulação mostram que o porto e a refinaria conseguem estocar e processar o óleo, em uma velocidade maior do que a da chegada dos navios. Em média, a refinaria tem metade da sua capacidade de estocagem livre, e embora os tanques estejam sempre quase cheios, isso se deve mais ao período de decantação necessário do óleo, do que ao excesso de óleo no sistema, o que é indicado pelo tempo quase desprezível que as unidades de óleo permanecem no tanque após as 24 horas de decantação. Os piers também tiveram pouca utilização. As quase 9 horas de espera média por unidade de óleo são na maior parte esperas contabilizadas entre trechos do duto, e fazem parte do transporte dos navios para os tanques. Não foi possível analisar o comportamento do modelo com uma chegada de navios maior do que os tanques e a refinaria são capazes de processar, pois com um tempo médio de criação um pouco menor

9 das entidades de óleo, o modelo já ultrapassa as 150 entidades permitidas pela licensa de estudante. Conclusões Este trabalho mostrou-se mais difícil de ser modelado do que o esperado quando apresentado na forma de pré-projeto. Principalmente, devido às dificuldades em se modelar alguns aspectos do problema no Arena e pela falta de dados durante o processo de resultados e análise. Entre as principais dificuldades encontradas durante a modelagem, estão: Muitas vezes, um bloco capaz de criar entidades assim que um sinal fosse recebido ou um evento gerado teria sido útil. Por exemplo, com a chegada de um navio no Pier, seria interessante criar novas entidades UnidadeOleo, de acordo com um atributo da entidade Navio que informaria quantas unidades de óleo estão presentes naquele navio (informação esta que poderia ser gerada por uma distribuição de probabilidade); Não conseguimos criar uma instância de um bloco mais de uma vez, possibilitando reutilizar os blocos. Para reutilizar os blocos foi necessário copiar e colar cada um deles e alterar as variáveis correspondentes (aparentemente, a versão completa do Arena permite o uso de Templates, o que resolveria o problema); Outra dificuldade encontrada, já durante a fase de simulação, obtenção de resultados e análise do modelo, foi que a limitação de 150 entidades durante a simulação impede que uma simulação mais fiel à realidade fosse realizada. Desta forma, foi necessário utilizar dutos com tamanhos muito pequenos se comparados com a situação real do problema. O modelo desenvolvido, assim como o desenvolvido pelas referências citadas, não atende à todas as restrições do modelo e apresenta uma versão muito simplista do mesmo. Mesmo que este modelo não represente a realidade de forma fiel, é evidente que o mesmo foi de grande utilidade para o aprendizado de novas ferramentas do Arena que não haviam sido cobertas pelos laboratórios. O Arena mostrou-se uma ferramenta poderosa, mas ao mesmo tempo não flexível o suficiente para modelar o problema proposto, tendo em vista que algumas restrições do problema tiveram de ser ignoradas, em parte devido às limitações do software e em parte às limitações do nosso conhecimento do mesmo. Por este motivo, uma implementação com o uso de uma ferramenta voltada para o âmbito de problemas de transporte de commodities (ou até mesmo o desenvolvimento de uma) provavelmente teria sido mais eficiente no quesito de resultados.

10 Referências [1] BRITO, R. C. Um simulador multiagente para auxiliar decisões logísticas de alocação de petróleo em portos. Disponível em: Dissertacao_491_2008.pdf [2] BRITO, R. C. A multiagent simulator for supporting logistic decisions of unloading petroleum ships in harbors. Disponível em: [3] ASPEREN, E. von, DEKKER, R., POLMAN, M., ARONS, H. de S.. Modeling Ship Arrivals in Ports.