Optimization Methods in Industrial Forest Plantations Management : Linking Strategic and Tactical Planning Scales

Dentro de un mercado globalizado, la planificación del manejo forestal desenvuelve un papel primordial en la sostenibilidad de las compañías propietarias de plantaciones forestales industriales. Distintos procedimientos de optimización fueron desarrollados para apoyar las decisiones de los manejadores forestales. Sin embargo, todavía existen problemas críticos, como la generación del calendario de cortas, que incluye criterios de naturaleza y escalas de tiempo distintas, además de contener componentes espaciales que conducen a la formulación de problemas de optimización combinatoria extremamente complejos. En concreto, para resolver el problema de la programación de cortas, los gestores forestales establecieron el proceso de decisión jerárquico formado por los niveles: estratégico y táctico. El primer nivel se asocia con largos horizontes de tiempo, mientras que el segundo nivel se enfoca en periodos de tiempo más cortos y generalmente abarca los requisitos espaciales, como la red de carreteras. El problema surge no solamente de la integración entre los resultados obtenidos de ambos niveles, sino también de la implementación de nuevos enfoques de optimización táctica para mejorar la eficiencia de las operaciones de aprovechamiento. Afortunadamente, gracias al constante avance computacional, se ha facilitado el desarrollo de nuevos procedimientos de optimización que permiten la resolución de estos problemas. Esta Tésis Doctoral se ha centrado en estos dos problemas previamente definidos: la integración de los resultados estratégicos y tácticos y la implementación de nuevos enfoques de optimización táctica. Inicialmente, se llevó a cabo un estudio crítico a respecto de los métodos de optimización en la gestión de las plantaciones forestales industriales. Aunque existan muchas publicaciones que aplican métodos de optimización en la gestión forestal, existen pocas vinculadas específicamente con la gestión de plantaciones forestales industriales. Así, considerando estrictamente las aplicaciones de técnicas de optimización matemática en estos sistemas forestales han sido analizados 67 artículos publicados en revistas del ISI Web of Science. Se destaca, entre otros aspectos, las técnicas de optimización empleadas, su evolución, los niveles de planificación jerárquica, funciones de logro y restricciones consideradas y el tipo de software utilizado. Los resultados verificaron el uso frecuente del Modelo I, restricciones espaciales y programación entera mixta, además del uso creciente de técnicas multicriterio en los últimos años. El primer problema abordado ha sido la conexión entre el nivel estratégico y el táctico del problema de generación del calendario de cortas utilizando técnicas multicriterio. La existencia de múltiples criterios de distintas naturalezas es la regla y no la excepción en la mayoría de los escenarios forestales. Por lo tanto, parece sensato suponer que integrar modelos de optimización estratégica y táctica dentro de un contexto multicriterio permite abordar el problema utilizando modelos significativamente más prácticos en muchos casos. Inicialmente, han sido expuestos los modelos teóricos: estratégico y táctico, y después ha sido presentada una estructura integrada para hacer frente a este tipo de situación. En concreto, se han formulado dos aproximaciones llamadas “Top-down” e “Integrated”. Para realizar esta tarea, se ha recurrido a una herramienta multicriterio que se denomina “extended goal programming”. El funcionamiento y aptitudes de la estructura integrada presentada se ilustran con el caso de estudio de plantaciones forestales industriales en Brasil. Los resultados muestran que la estructura desarrollada permite optimizar múltiples criterios y que se pueden lograr mejoras significativas incluyendo las preferencias de los centros decisores. El segundo problema abordado ha sido la planificación táctica del calendario de cortas y carreteras usando el Fixed Charge Transportation Model. El problema consiste en establecer los rodales que serán aprovechados con metas de producción de volumen específicas, integrando las decisiones espaciales y temporales en las operaciones forestales, tales como el aprovechamiento y extracción de madera, la construcción/mantenimiento de las vías de saca y el transporte hacia los destinos. Primero, se presenta la formulación matemática del modelo de optimización seguido del procedimiento de particionamiento y resolución del modelo. Después, la funcionalidad y desempeño del procedimiento de optimización en solucionar el problema de la programación de cortas a nivel táctico ha sido ilustrado usando un caso de estudio que corresponde a una compañía con extensas plantaciones de eucalipto ubicada en Brasil. Los resultados muestran que el procedimiento de optimización permite resolver problemas tácticos de larga escala y extrema complejidad. ----------ABSTRACT---------- The management planning performs a key role to the sustainability of the industrial forest plantations companies in the global market. Many kinds of optimization procedures were developed to support forest manager’s decisions. However, there still existing challenging problems, such as the harvest scheduling generation, which includes criteria from different natures and time-scales, besides which, contain spatial compounds leading to the formulation of very complex combinatorial optimization problems. Specifically, to solve the harvest scheduling problem, forest managers stablished a hierarchical decision-process consisted of strategic and tactical levels. The former is associated with extended temporal horizons, whereas the latter focus on shorter periods of time and typically encompass further spatial requirements, including the road network. The problem arises not only from the integration between the results obtained from both levels but also from the implementation of new tactical optimization approaches to improve the efficiency of these harvesting operations. Fortunately, thanks to continuous computational advances, it is suitable to develop new optimization procedures to support forest managers. This dissertation focused on these two problems previously defined: the integration of strategic and tactical results and the implementation of new tactical optimization approaches. Initially, it was carried out a critical survey of optimization methods in industrial forest plantations management. Despite the high number of publications applying optimization methods to forest management, it has got a few associated with the management of industrial forest plantations, specifically. Thus, considering strictly the applications of optimization methods techniques in these forest systems it has been analyzed 67 articles published in journals contained in the ISI Web of Science. It has been highlighted, among other aspects, the optimization techniques employed, their evolution, their hierarchical planning levels, the objective functions and constraints considered, and the type of software deployed. Results verified the frequent usage of the strategic Model I, spatial constraints and mixed integer programming, besides the strongly employment of multi-criteria techniques in recent years. The first addressed problem was the linkage between strategic and tactical levels of the harvest scheduling problem using multi-criteria techniques. The existence of multiple criteria of different nature is the rule rather than the exception in most of forestry scenarios. Therefore, it seems sensible to think that integrating strategic and tactical optimization models within a multi criteria context allows to approach the problem using models significantly more practical in many cases. Initially, it has been exposed the strategic and tactical theoretical models and after that, it was presented an integrated framework for dealing with this type of situation. In particular, two approaches called “Top-down” and “Integrated” has been formulated. To undertake this task, the multicriteria tool called “extended goal programming” has been resorted to. The functioning and the strengths of the integrated framework are illustrated with a case study of industrial forest plantation in Brazil. Results show that the framework allows the multiple criteria optimization and that it can achieve significant improvements including decision maker’s preferences. The second addressed problem was the integration of tactical harvest scheduling and road network planning using the Fixed Charge Transportation Model. The problem consists of setting the stands to be harvested with specific volume production targets integrating spatial and temporal forest operations decisions, such as timber felling and extraction, road network construction/maintenance, and log transportation. Firstly, it has been presented the mathematical formulation of the optimization model followed by the model partitioning and solving procedure. Later, the functionality and performance of this optimization approach in solving the tactical harvest scheduling problem was illustrated using a case study corresponding to a large eucalyptus plantation company located in Brazil. Results show the optimization procedure allows the resolution of large-scale very complex tactical problems