Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/8475
Title: Models and predictive control systems applied to the forest-based industry
Authors: Pinho, Tatiana de Fátima Martins
Advisor: Cunha, José Boaventura Ribeiro Da
Moreira, António Paulo Gomes Mendes
Veiga, Germano Manuel Correia dos Santos
Issue Date: 19-Apr-2018
Abstract: The current energy paradigm is still based on the use of non-renewable sources. Keeping this energy consumption policy, will have harmful repercussions not only at economic and societal levels, but also at the environmental plan, which translates into severe climate changes. All these factors introduce the need to create a new energy model based on the diversity, efficiency and availability of renewable sources of energy. In fact, at the present, various local and global policies promote the creation of this sustainable scenario. Within the several energy production options available, the biomass, and in particular forest based biomass, has proved to be an important alternative to help to reduce the human footprint in the nature while providing the necessary energy level to maintain the economic grow. Forest-based biomass presents several interesting advantages compared to other sources of energy. In particular, it can be used for the production of heat, electricity and biofuels and, in addition, it can be stored to produce energy on-demand. However, it remains an energy source with high operating costs, mainly due to its intensive transport characteristic. In this sense, in order to make it more attractive, at an economical point-of-view, the supply chain must be optimised. The management of these supply chains is taken at three distinct decision levels: strategic, tactical and operational. The strategic level comprises long-term decisions regarding the overall configuration of the supply chain. On the other hand, the tactical level refers to medium-term decisions related to material flows and resources allocation. Finally, the operational level includes decisions regarding the management of operations that occur in the field, such as routing and scheduling of tasks. This work was carried out within the framework of the FOCUS European project (Advances in Forestry Control & Automation Systems in Europe) and the PhD Studentship of the FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia, aiming the development and implementation of adaptive modelling and control methods to optimize production processes and reduce the operational costs associated to the forest-biomass exploitation chain. Although the main focus of this work is the supply chain of biomass, parallel work was carried out in the cork industry, with emphasis on the cork stoppers drying method. In the scope of this work, linear programming formulations and event-based computer models were developed in order to capture the dynamic essence of the biomass supply chain. Afterwards, those models were integrated within a model predictive control strategy, which is an innovative approach to this productive sector. Several scenarios have been tested, including decoupled methodologies for tactical and operational levels, as well as their integrated management on a joint platform. The proposed solutions were tested and validated through their use in several computer simulated case studies. In summary, the main contributions given to the state-of-the-art consisted in the development of efficient modelling and control methodologies for both the biomass supply chain and cork industry. The proposed approaches provide innovation and promote an increase in competitiveness, efficiency and quality of service to these supply chains.
O atual paradigma energético ainda se baseia fortemente no uso de fontes de energia não renováveis. A manutenção desta política de consumo energético, terá repercussões nefastas não só a nível económico e societal, mas também ambiental, que se traduzem em alterações climáticas adversas. Todos estes fatores introduzem a necessidade de criação de um novo modelo energético baseado na diversidade, eficiência e disponibilidade das fontes de energia renováveis. De facto, atualmente, várias políticas e diretivas tanto locais como mundiais promovem a criação deste cenário mais sustentável. Dentro das várias opções de produção de energia disponíveis, a biomassa, e em particular a biomassa de origem florestal, revelase uma importante alternativa para ajudar a reduzir a pegada ecológica enquanto garante os níveis de energia necessários para a manutenção do crescimento económico. A biomassa de origem florestal apresenta diversas vantagens interessantes face a outras fontes de energia. Nomeadamente esta pode ser utilizada para a produção de calor, eletricidade e biocombustíveis e, para além disso, pode ser armazenada para produção de energia aquando do pedido. No entanto, esta continua a ser uma fonte de energia com elevado custo operacional, principalmente devido ao seu uso intensivo de transportes. Neste sentido, de modo a torná-la mais atrativa, do ponto de vista económico, a cadeia de abastecimento deve ser otimizada. A gestão destas cadeias de abastecimento assenta em três níveis de decisão distintos: o nível estratégico, o tático e o operacional. O nível estratégico compreende decisões a longo termo relativas à configuração geral da cadeia de abastecimento. Por outro lado, o nível tático diz respeito a decisões de médio termo relacionadas com fluxos de material e alocação de recursos. Por fim o nível operacional abrange decisões referentes à gestão das operações que ocorrem no terreno como é o caso do roteamento e escalonamento das tarefas. Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto Europeu FOCUS (Advances in Forestry Control & Automation Systems in Europe) e da bolsa de doutoramento da FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia, visando o desenvolvimento e implementação de métodos de modelação e controlo adaptativos para otimizar os processos produtivos e reduzir os custos operacionais associados à exploração de cadeias de biomassa florestal. Embora o principal foco deste trabalho vise a cadeia de abastecimento da biomassa, a autora também esteve envolvida em trabalhos direccionados à indústria da cortiça, nomeadamente nos processos de secagem de rolhas. No âmbito deste trabalho, foram desenvolvidas formulações de programação linear e modelos computacionais baseados em eventos de modo a captar a essência da dinâmica da cadeia de abastecimento da biomassa. Seguidamente, estes modelos foram integrados numa estrat égia de controlo preditivo, contribuindo-se para uma abordagem inovadora neste setor produtivo. Vários cenários foram testados, incluindo metodologias desacopladas para os níveis tático e operacional, bem como a sua gestão integrada numa plataforma conjunta. As soluções propostas foram testadas e validadas através da sua utilização em diversos casos de estudo.
URI: http://hdl.handle.net/10348/8475
Document Type: Doctoral Thesis
Appears in Collections:TD - Teses de Doutoramento

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