Entwicklung einer Methodik zur Generierung einer Datenbasis für Optimierungssysteme in der maritimen Leercontainerlogistik

Dieser Beitrag stellt ein Vorgehen zur Entwicklung einer Methodik zur Generierung einer praxisnahen Datenbasis für numerische Untersuchungen im Rahmen der maritimen Leercontainerlogistik vor. Das Vorgehen wird an einem exemplarischen Anwendungsfall verdeutlicht. Die Resultate sollen Testläufe für Szenarien der Leercontainerlogistik unterstützen und somit eine Basis für die Entwicklung und Bewertung organisatorischer Verbesserungsansätze, mathematischer Optimierungsmodelle, entsprechender Lösungsalgorithmen und praxisnaher Simulationsumgebungen bilden.

Characterisation of the operation & maintenance phase in PV rural electrification programmes

Con 1.300 millones de personas en el mundo sin acceso a la electricidad (la mayoría en entornos rurales de países empobrecidos), la energía solar fotovoltaica constituye una solución viable técnica y económicamente para electrificar las zonas más remotas del planeta donde las redes eléctricas convencionales no llegan. Casi todos los países en el mundo han desarrollado algún tipo de programa de electrificación fotovoltaica rural durante los últimos 40 años, principalmente los países más pobres, donde a través de diferentes modelos de financiación, se han instalado millones de sistemas solares domiciliarios (pequeños sistemas fotovoltaicos para uso doméstico). Durante este largo período, se han ido superando muchas barreras, como la mejora de la calidad de los sistemas fotovoltaicos, la reducción de costes, la optimización del diseño y del dimensionado de los sistemas, la disponibilidad financiera para implantar programas de electrificación rural, etc. Gracias a esto, la electrificación rural descentralizada ha experimentado recientemente un salto de escala caracterizada por la implantación de grandes programas con miles de sistemas solares domiciliarios e integrando largos períodos de mantenimiento. Muchos de estos grandes programas se están llevando a cabo con limitado éxito, ya que generalmente parten de supuestos e hipótesis poco contrastadas con la realidad, comprometiendo así un retorno económico que permita el desarrollo de esta actividad a largo plazo. En este escenario surge un nuevo reto: el de cómo garantizar la sostenibilidad de los grandes programas de electrificación rural fotovoltaica. Se argumenta que la principal causa de esta falta de rentabilidad es el imprevisto alto coste de la fase de operación y mantenimiento. Cuestiones clave tales como la estructura de costes de operación y mantenimiento o la fiabilidad de los componentes del sistema fotovoltaico no están bien caracterizados hoy en día. Esta situación limita la capacidad de diseñar estructuras de mantenimiento capaces de asegurar la sostenibilidad y la rentabilidad del servicio de operación y mantenimiento en estos programas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo responder a estas cuestiones. Se ha realizado varios estudios sobre la base de un gran programa de electrificación rural fotovoltaica real llevado a cabo en Marruecos con más de 13.000 sistemas solares domiciliarios instalados. Sobre la base de este programa se ha hecho una evaluación en profundidad de la fiabilidad de los sistemas solares a partir de los datos de mantenimiento recogidos durante 5 años con más de 80.000 inputs. Los resultados han permitido establecer las funciones de fiabilidad de los equipos tal y como se comportan en condiciones reales de operación, las tasas de fallos y los tiempos medios hasta el fallo para los principales componentes del sistema, siendo este el primer caso de divulgación de resultados de este tipo en el campo de la electrificación rural fotovoltaica. Los dos principales componentes del sistema solar domiciliario, la batería y el módulo fotovoltaico, han sido analizados en campo a través de una muestra de 41 sistemas trabajando en condiciones reales pertenecientes al programa solar marroquí. Por un lado se ha estudiado la degradación de la capacidad de las baterías y por otro la degradación de potencia de los módulos fotovoltaicos. En el caso de las baterías, los resultados nos han permitido caracterizar la curva de degradación en capacidad llegando a obtener una propuesta de nueva definición del umbral de vida útil de las baterías en electrificación rural. También sobre la base del programa solar de Marruecos se ha llevado a cabo un estudio de caracterización de los costes reales de operación y mantenimiento a partir de la base de datos de contabilidad del programa registrados durante 5 años. Los resultados del estudio han permitido definir cuáles son costes que más incidencia tienen en el coste global. Se han obtenido los costes unitarios por sistema instalado y se han calculado los montantes de las cuotas de mantenimiento de los usuarios para garantizar la rentabilidad de la operación y mantenimiento. Finalmente, se propone un modelo de optimización matemática para diseñar estructuras de mantenimiento basado en los resultados de los estudios anteriores. La herramienta, elaborada mediante programación lineal entera mixta, se ha aplicado al programa marroquí con el fin de validar el modelo propuesto. ABSTRACT With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying the most remote inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because they are unaffordable. Almost all countries in the world have had some kind of rural photovoltaic electrification programme during the past 40 years, mainly the poorer countries, where through different organizational models, millions of solar home systems (small photovoltaic systems for domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such as quality enhancement, cost reduction, the optimization of designing and sizing, financial availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change of scale characterized by new programmes with thousands of solar home systems and long maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the economic return that allows long term activity. In this scenario a new challenge emerges, which approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack of a paradigm in decentralized rural services has led to many private companies to carry out decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. This situation does not allow optimized maintenance structure to be designed to assure the sustainability and profitability of the operation and maintenance service. This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 solar home systems. An in‐depth reliability assessment has been made from a 5‐year maintenance database with more than 80,000 maintenance inputs. The results have allowed us to establish the real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. Both in‐field experiments on the capacity degradation of batteries and power degradation of photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and modules were operating under real conditions integrated into the solar home systems of the Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal of definition of death of batteries in rural electrification. A cost assessment of the Moroccan experience based on a 5‐year accounting database has been carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has been calculated together with the necessary fees that users would have to pay to make the operation and maintenance affordable. Finally, a mathematical optimization model has been proposed to design maintenance structures based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the aim of validating the model.

Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

Simultaneous environmental and economic process synthesis of Isobutane Alkylation

This multidisciplinary study concerns the optimal design of processes with a view to both maximizing profit and minimizing environmental impacts. This can be achieved by a combination of traditional chemical process design methods, measurements of environmental impacts and advanced mathematical optimization techniques. More to the point, this paper presents a hybrid simulation-multiobjective optimization approach that at once optimizes the production cost and minimizes the associated environmental impacts of isobutane alkylation. This approach has also made it possible to obtain the flowsheet configurations and process variables that are needed to manufacture isooctane in a way that satisfies the above-stated double aim. The problem is formulated as a Generalized Disjunctive Programming problem and solved using state-of-the-art logic-based algorithms. It is shown, starting from existing alternatives for the process, that it is possible to systematically generate a superstructure that includes alternatives not previously considered. The optimal solution, in the form a Pareto curve, includes different structural alternatives from which the most suitable design can be selected. To evaluate the environmental impact, Life Cycle Assessment based on two different indicators is employed: Ecoindicator 99 and Global Warming Potential.

On the complexity of edge labelings for trees /

"UILU-ENG 78 1740."

Sensitivity analysis for heuristic algorithms /

"UILU-ENG 78 1731."

Selected problems of minimization of variable-valued logic formulas /

"UIUCDCS-R-75-726"

Minimization of logic networks under a generalized cost function /

Includes bibliographical references.

Minimization of switching networks using negative functions

Bibliography: p. 46.

Variable Neighborhood Search for Solving the Capacitated Single Allocation Hub Location Problem

In this paper a Variable Neighborhood Search (VNS) algorithm for solving the Capacitated Single Allocation Hub Location Problem (CSAHLP) is presented. CSAHLP consists of two subproblems; the first is choosing a set of hubs from all nodes in a network, while the other comprises finding the optimal allocation of non-hubs to hubs when a set of hubs is already known. The VNS algorithm was used for the first subproblem, while the CPLEX solver was used for the second. Computational results demonstrate that the proposed algorithm has reached optimal solutions on all 20 test instances for which optimal solutions are known, and this in short computational time.

Effektiviseringsmöjligheter avseende fyllnadsgrad : En jämförande analys mellan nuläge och optimerat resultat

The study aims to provide information on efficiency opportunities on SCA's northbound cassettes. It has been made by examining the capacity utilization rate on the northbound cassettes on SCA's vessels for a period of two weeks. The cargo loaded in the ports of Rotterdam and Sheerness consists of external cargo of varying shape. The cargo is shipped northbound to Holmsund and Sundsvall. Measurements have been made on the cargo to the final destinations Sundsvall, Holmsund and Finland. The measurements have been used in a mathematical optimization model created to optimize the loading of the cassettes. The model is based on placing boxes in a grid where the boxes that are placed representing the cargo and the grids representing the cassettes. The aim of the model is to reduce the number of cassettes and thereby increase the capacity utilization rate. The study resulted in an increase in capacity utilization rate for both area and volume to all destinations. The overall improvement for all cassettes examined resulted in an increase in the area capacity utilization rate by 9.02 percentage points and 5.72 percentage points for the volume capacity utilization rate. It also resulted in a decrease of 22 cassettes in total on the four voyages that were examined which indicate that there are opportunities to improve the capacity utilization rate. The study also shows that the model can be used as a basis for similar problems.

Protocolo de roteamento para redes oportunistas utilizando otimização por enxame de partículas

In this research work, a new routing protocol for Opportunistic Networks is presented. The proposed protocol is called PSONET (PSO for Opportunistic Networks) since the proposal uses a hybrid system composed of a Particle Swarm Optimization algorithm (PSO). The main motivation for using the PSO is to take advantage of its search based on individuals and their learning adaptation. The PSONET uses the Particle Swarm Optimization technique to drive the network traffic through of a good subset of forwarders messages. The PSONET analyzes network communication conditions, detecting whether each node has sparse or dense connections and thus make better decisions about routing messages. The PSONET protocol is compared with the Epidemic and PROPHET protocols in three different scenarios of mobility: a mobility model based in activities, which simulates the everyday life of people in their work activities, leisure and rest; a mobility model based on a community of people, which simulates a group of people in their communities, which eventually will contact other people who may or may not be part of your community, to exchange information; and a random mobility pattern, which simulates a scenario divided into communities where people choose a destination at random, and based on the restriction map, move to this destination using the shortest path. The simulation results, obtained through The ONE simulator, show that in scenarios where the mobility model based on a community of people and also where the mobility model is random, the PSONET protocol achieves a higher messages delivery rate and a lower replication messages compared with the Epidemic and PROPHET protocols.

Optimización financiera de portafolios de inversión en la Bolsa de Valores de Colombia mediante el uso de RGOP

La Bolsa de Valores de Colombia (BVC) ha tenido un impacto reducido en la población colombiana sobre todo debido a la falta de educación financiera y a múltiples casos de corrupción que han opacado su rol en la sociedad -- En general, los colombianos ven con incertidumbre, desconfianza y escepticismo las ventajas de invertir en la bolsa tales como obtener rendimientos superiores que las de las inversiones tradicionales, seguridad en las transacciones y disponibilidad del dinero cuando se requiera, lo que desencadena inversiones en métodos más tradicionales, como los CDT (certificado de depósito a término), con muy bajas tasas de rendimiento, o en negocios que representan altos riesgos -- Dicho comportamiento ha generado que muchas de las inversiones que realiza una persona promedio en Colombia no vayan más allá de productos financieros conocidos, negocios familiares o tradicionales, pirámides o multiniveles que entorpecen el sistema financiero -- Una de las principales barreras encontradas al momento de invertir en la Bolsa de Valores de Colombia son creencias populares tales como: a) es obligatorio tener grandes capitales de dinero, o b) es necesario un conocimiento financiero especializado para invertir -- También resulta incierto para muchos usuarios en cuáles acciones convendría invertir una vez desmitificadas las anteriores creencias -- Para mitigar algunos de dichos inconvenientes, el estudio de portafolios de inversión propone como estrategia principal la diversificación de la inversión y la limitación del riesgo con el fin de crear portafolios altamente eficientes en términos financieros -- Si bien existen múltiples técnicas para la creación y la optimización de portafolios de inversión (por ejemplo: growth optimal portfolio), su uso en Colombia es limitado debido en lo primordial a que es una metodología reciente y a que su implementación no suele ser trivial, puesto que requiere el uso de múltiples herramientas computacionales para ser puesto en práctica -- El presente trabajo de grado presenta la implementación de un algoritmo de optimización robusto, en el sentido de las distribuciones de probabilidad requeridas, llamado portafolio óptimo de crecimiento robusto (robust growth optimal portfolio o RGOP) para acciones de la Bolsa de Valores de Colombia -- Se escogieron varios portafolios al tener en cuenta tres criterios de inclusión para las acciones y se simularon tres escenarios y una suposición con el fin de demostrar la eficacia del algoritmo para minimizar el riesgo de inversión y maximizar la tasa de crecimiento en unos horizontes de tiempo predefinidos -- En último lugar se compararon las rentabilidades de los diferentes portafolios propuestos con las tasas de captación de CDT y CDA (certificados de depósito de ahorro) de bancos populares en Colombia -- La implementación del algoritmo se realizó en la plataforma Matlab y se acudió a varias bibliotecas de modelamiento matemático -- Sin tener en cuentas los costos de transacciones por compra y venta de acciones, los resultados muestran que mientras el sector financiero ofrecía a través de los CDT inferiores de 180 días un promedio de 4.80% de rentabilidad, en un período similar el RGOP arrojaba en promedio 11.83% en los portafolios de inversión de los tres escenarios, es decir, la metodología propuesta ofreció rendimientos superiores a las ofertas de los bancos en 147% para los períodos simulados -- En conclusión, todos los escenarios analizados presentaron mejores rendimientos en la simulación que los rendimientos ofrecidos por los bancos durante el mismo período; se les dio mayor ponderación a las acciones que presentaron tasas de crecimiento mayores de tal forma que se minimizaran los riesgos implícitos de invertir en bolsa -- El RGOP mostró ser una técnica robusta para su uso con acciones de la Bolsa de Valores de Colombia porque ofreció una sólida combinación entre retorno y riesgo para futuros inversionistas