자동차운반선 항차 및 적재 통합 계획 의사결정 프레임워크 개발 = Development of a Decision-Making Framework for Integrated Voyage and Stowage Planning in RoRo ships

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 자동차운반선의 항차 계획과 적재 계획을 통합하여 최적화하는 문제를 다룬다. 다양한 차량과 고중량 장비를 수송하는 자동차운반선은 다층 deck 구조와 복잡한 내부 공간을 가지므로, 항차와 적재 계획을 분리하여 수립할 경우 실무 제약을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 이를 개선하기 위해, 본 연구에서는 대륙 간 장거리 운송에서 고정된 대륙 방문 순서를 따르며 항구 별 혼합 적·양하를 수행하는 3D Loading Constraints Mixed Pickup & Delivery RoRo Ship Routing and Stowage Problem (3L-MPD-RSRSP)를 정의하였다.
제안된 모델은 (1) 선내 적재공간의 길이·너비·높이를 반영한 3차원 적재 제약, (2) 한 항구에서 적재와 양하를 모두 처리하는 혼합 적·양하 기능 (3) 각 항구 출항 전 선박의 횡동요와 무게중심 높이를 평가하는 동적 안정성 절차를 포함한다. 이러한 요소들은 시뮬레이션 엔진을 통해 자동 검증되며, 항차·적재 통합 계획의 현실적 실행 가능성을 보장한다.
문제 해결을 위해 초기 해 품질을 개선한 변형 Simulated Annealing (SA) 메타휴리스틱과, 새롭게 개발한 규칙기반 적재 휴리스틱인 Rule-based Stowage Planner (RSP)을 결합한 하이브리드 알고리즘을 제안한다. SA 단계는 고품질 항차 계획을 탐색하고, RSP 단계는 화물 분류, 적재위치 우선순위, 수익성, 후입선출 제약 준수 여부를 고려한 규칙 로직으로 적재 순서를 생성한다. 특히, RSP는 3D 적재 가능성, 안정성 평가, 후입선출 원칙을 종합 검증하는 시뮬레이션 엔진과 긴밀히 연동되어 실제 현장의 복잡성을 효과적으로 반영한다.
성능 검증을 위해 두가지 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 고정된 항차 계획 하에서 RSP와 선행 연구의 적재 휴리스틱을 비교하였고, 두 번째 실험에서는 항차·적재 통합계획에 세가지 메타휴리스틱 및 하이브리드 기법을 통합계획에 적용하여 성능을 평가하였다. 그 결과, 제안된 접근법은 기존 방법 대비, 해 품질과 운용 안정성 면에서 일관되게 우수한 성능을 보였으며, 실무 적용이 가능한 유연하고 효과적인 의사결정 지원 도구임을 입증하였다.
결론적으로, 본 연구는 RoRo 선박의 실제 운영 제약을 반영한 통합 최적화 모델과 알고리즘을 최초로 개발·검증함으로써 학술적·실무적 기여를 제공하며, 향후 글로벌 자동차 운반선 물류 시스템의 효율적 운영 전략 수립에 기여할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study addresses the integrated optimization of voyage planning and stowage planning for Roll-on/Roll-off (RoRo) ships transporting vehicles and high-and-heavy cargo. RoRo vessels possess multi-deck structures and complex internal spaces, which make separately optimized voyage and stowage plans impractical due to insufficient consideration of real-world constraints. To overcome this limitation, we introduce the Three-dimensional Loading Constraints Mixed Pickup & Delivery RoRo Ship Routing and Stowage Problem (3L-MPD-RSRSP), which incorporates fixed inter-continental routing and mixed loading/unloading operations at each port.
The proposed model explicitly includes: (1) three-dimensional cargo loading constraints considering the length, width, and height of cargo space; (2) mixed loading and unloading operations at each port; and (3) a dynamic stability assessment process evaluating the ship’s transverse rolling and vertical center of gravity prior to departure from every port. These critical aspects are validated through a dedicated simulation engine, ensuring realistic feasibility and practical applicability of integrated voyage-stowage solutions.
To solve this problem, we propose a hybrid algorithm combining a variant of Simulated Annealing (SA) metaheuristic, designed specifically to enhance the quality of initial solutions, and a newly developed Rule-based Stowage Planner (RSP). The SA stage searches for high-quality voyage plans, while the RSP employs rule-based logic that prioritizes cargo classification, loading position preferences, profitability, and adherence to Last-In-First-Out (LIFO) constraints. Notably, the RSP operates closely with a simulation engine that systematically validates three-dimensional stowage feasibility, vessel stability, and LIFO compliance, accurately reflecting complex operational conditions.
Two sets of experiments were conducted to evaluate algorithmic performance. The first compared the effectiveness of the RSP against stowage heuristics from prior studies under fixed voyage plans. The second experiment evaluated the integrated voyage-stowage planning by applying three metaheuristics (proposed SA variant, traditional SA, and Genetic Algorithm) along with hybrid solution approaches. Results indicate that the proposed method consistently outperforms existing approaches in terms of solution quality and operational robustness, demonstrating its value as a flexible, practical decision-support tool.
In conclusion, this study presents and validates a novel integrated optimization framework and algorithm that realistically captures operational constraints of RoRo shipping, providing significant academic and practical contributions. It is expected that this research will facilitate efficient operational strategies in global automotive logistics.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 5
• 1.1 연구 동기 및 배경 5
• 1.2 논문 구성 13
• 제 2 장 문제 정의 14
• 2.1 3L-MPD-RSRSP 14
• 2.2 항차 계획 16
• 2.3 적재 계획 21
• 2.4 문제 복잡성 25
• 제 3 장 수학적 모델링 26
• 3.1 결정 변수 28
• 3.2 목적 함수 29
• 3.3 제약 조건 30
• 제 4 장 방법론 32
• 4.1 SA2I 알고리즘 32
• 4.2 RSP 휴리스틱 알고리즘 36
• 4.3 3차원 적재 시뮬레이터 41
• 제 5 장 통합 프레임워크 43
• 제 6 장 사례 연구 48
• 6.1 공통 실험 환경 및 파라미터 설정 49
• 6.2 사례 연구 1: 적재 계획 비교 분석 53
• 6.3 사례 연구 2: 통합계획 비교 분석 58
• 제 7 장 결론 71
• 참고문헌 74
• Abstract 78