Investigación sobre un modelo de programación difusa y algoritmo para la asignación de atraques considerando la variación temporal de la profundidad del agua

Por qué cronometrar las mareas importa para barcos grandes

Los portacontenedores modernos son cada vez más grandes y pesados, pero los puertos se construyen en lugares donde el nivel del mar sube y baja con las mareas. Eso significa que un barco que puede entrar de forma segura en un puerto a una hora determinada podría rozar el fondo apenas unas horas después. Este artículo plantea una cuestión muy práctica: ¿cómo pueden los puertos decidir qué barco usa qué atraque y cuándo, de modo que los buques entren y salgan con rapidez, pese a que la profundidad del agua y las condiciones operativas cambian constantemente y son en parte inciertas?

Muelles ocupados y plazas limitadas

Los atraques de una terminal de contenedores son como plazas de aparcamiento a lo largo de un muelle donde los barcos amarran para cargar y descargar. Si se usan bien, los barcos pasan menos tiempo esperando en alta mar, la carga se mueve más rápido y el puerto ingresa más. Pero en la práctica muchas cosas impiden una planificación perfecta: tormentas, averías de equipos, información incompleta de las navieras y, sobre todo, la variación del nivel del mar. Los barcos grandes con gran calado solo pueden aproximarse cuando la profundidad es suficiente a lo largo de determinado tramo de muelle, y su propio calado cambia conforme se cargan y descargan contenedores. Los autores se centran en este escenario muy realista: un tramo continuo de costa donde los barcos pueden atracar en cualquier punto, bajo una marea que hace que la profundidad varíe a lo largo del día.

Convertir un mundo complejo en un plan resoluble

Para abordar esta complejidad, los investigadores construyen un modelo matemático que trata la asignación de atraques como un gran rompecabezas de programación. El tiempo se divide en pasos cortos, y cada combinación posible de barco, atraque y hora de inicio se utiliza o no. El objetivo es minimizar el tiempo total que los barcos pasan en puerto, ponderado por su importancia o coste. Un giro clave es cómo se maneja la incertidumbre. En lugar de asumir probabilidades exactas para factores como el calado del barco, emplean una técnica llamada programación difusa. Aquí, las cantidades inciertas no se describen con números rígidos, sino con intervalos que llevan grados de credibilidad. El modelo exige entonces que el requisito de calado de cada barco se cumpla con al menos un nivel de confianza elegido, tratando al mismo tiempo de mantener el tiempo total en puerto lo más bajo posible.

Búsqueda inteligente en lugar de fuerza bruta

Dado que el número de combinaciones atraque-hora-barco se dispara a medida que el puerto está más ocupado, es imposible probarlas todas. El equipo recurre por tanto a dos métodos de búsqueda inspirados en la naturaleza: un algoritmo genético y un algoritmo de recocido simulado. Ambos parten de una conjetura inicial sobre cómo podrían secuenciarse los barcos en cada atraque y la van mejorando gradualmente. El algoritmo genético imita la evolución codificando cada plan completo como una cadena, y luego seleccionando, mezclando y mutando estas cadenas para favorecer las soluciones mejores. El recocido simulado, por contraste, imita el enfriamiento del metal: acepta ocasionalmente soluciones peores al principio para escapar de callejones sin salida, pero se vuelve más exigente conforme “se enfría”. Los autores también comparan estos métodos heurísticos con un solucionador exacto comercial (CPLEX) que puede encontrar respuestas matemáticamente óptimas en casos pequeños.

Qué revelan las pruebas sobre el rendimiento

Los investigadores generan una gama de escenarios de prueba realistas con distintos números de barcos y atraques, y luego ejecutan los tres enfoques. Para problemas pequeños, el solucionador exacto halla rápidamente la mejor solución, y tanto el genético como el recocido simulado la igualan. A medida que crecen el número de barcos y atraques, el solucionador exacto se ralentiza o no termina en tiempo razonable, mientras que las heurísticas siguen produciendo planes de alta calidad. En casos de tamaño medio, sus soluciones están a pocos puntos porcentuales de las mejores respuestas conocidas. En los casos más grandes, el algoritmo genético con frecuencia encuentra mejores soluciones de las que el solucionador exacto alcanza antes de agotar el tiempo y lo hace en menos tiempo que el recocido simulado. Un estudio de sensibilidad que endurece gradualmente la confianza requerida para cumplir los límites de calado muestra que el coste total en tiempo aumenta solo ligeramente y los planes detallados de atraque apenas cambian, lo que sugiere que el modelo es estable y robusto.

Qué implica esto para los puertos reales

En términos sencillos, el estudio demuestra que es posible diseñar horarios de atraque que respeten la subida y bajada de la marea y la imprecisión de los datos reales, sin paralizar la planificación portuaria. Al combinar un modelo consciente de la marea con un tratamiento difuso de los calados inciertos y algoritmos de búsqueda rápidos, los planificadores pueden generar planes de atraque que sean eficientes y lo bastante conservadores como para confiar en ellos cuando las condiciones cambien. El trabajo apunta a herramientas más inteligentes y automatizadas que podrían ayudar a los puertos a manejar buques más grandes, reducir los tiempos de espera y el consumo de combustible y, en última instancia, avanzar hacia una logística marítima más fiable y sostenible.

Cita: Liu, D., Li, B., Li, M. et al. Research on a fuzzy programming model and algorithm for berth allocation considering time-varying water depth. Sci Rep 16, 9580 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-27537-1

Palabras clave: asignación de atraques, puertos de marea, optimización difusa, algoritmos genéticos, logística marítima