Apresenta-se neste trabalho uma abordagem para a otimização do scheduling do transporte de derivados escuros de petróleo, em uma malha dutoviária. A malha em questão possui 4 refinarias, 3 nós intermediários e um terminal marítimo. A movimentação dos derivados é influenciada por necessidades e restrições políticas e operacionais, o que torna o problema de scheduling complexo e motiva o desenvolvimento desta dissertação. Algumas características deste problema devem ser notadas, como a necessidade da realização de trocas de produtos nos tanques durante um horizonte de programação e da realização de misturas de dois produtos para obtenção de um terceiro. Descreve-se uma abordagem onde se contempla o tratamento de grupos de produtos com o estoque unificado. Onde também, no modelo de planejamento, o balanço de inventário é o fator determinante na otimização e se manipulam diferentes períodos devido a existência da troca de produtos nos tanques, manutenção nos tanques e períodos em que os dutos ficam sem movimentação. Onde também é tratada de forma mais precisa do que trabalhos anteriores a questão do parque de tancagem e onde são tratadas as restrições de aquecimento e misturas. Utiliza-se uma decomposição do problema e modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) e heurísticas para solução destes subproblemas em um tempo computacional aceitável (menos de 1 minuto). Utilizam-se dados reais de operação desta malha para experimentação. Conclui-se com a análise dos resultados que a abordagem aqui descrita para resolução do problema apresentado é viável em termos computacionais e que os resultados obtidos podem auxiliar os especialistas da rede no processo de tomada de decisões. / In this work it is presented an approach to the optimization of the scheduling of heavy oil derivatives transportation in a pipeline network. There are four refineries in this network, three intermediate nodes and one maritime terminal. The derivatives transport is influenced by practical constraints and political needs, and so the scheduling problem is complex, which encourages the development of the current work. Some characteristics of this problem should be noticed, like the necessity of products exchanges on tanks during a scheduling horizon and the necessity of products blends. It is described an approach in which groups of products with unified inventory are treated. An approach in which, on the planning model, the main objective to optimize is the balance of the inventory and different periods are handled due the existence of products exchange on tanks, maintenance of tanks and periods in which the pipelines should not be used due heating constraints. The tanking park problem is also addressed in a more precise way than previous works. Heating constraints and blends of products are also treated. To solve this problem in a reasonable computational time (less than 1 minute) it is utilized a decomposition approach and Mixed Integer Linear Programming (MILP) models and heuristics to solve these sub-problems. It is also used real operational data of this pipeline network for experimentation purposes. With the analysis of the results it is concluded that the approach here described for the solution of the presented problem is viable in computational times terms and that the obtained results can assist the specialists of the network in the decision-making process.

Este trabalho utiliza Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para propor uma nova abordagem para a atividade de sequenciamento de bateladas em uma rede de dutos real. O modelo proposto está imerso em uma estrutura de otimização que auxilia a tarefa de programação scheduling do transporte de derivados leves, ou derivados claros, de petróleo. A rede de dutos em estudo é composta por 14 nós (ou áreas) sendo 4 refinarias, 2 terminais portuários, 2 clientes finais, 5 terminais de distribuição e um entroncamento de válvulas e bombas, interligados por 30 dutos. Nesta rede trafegam mais de 35 derivados claros de petróleo. O processo de programação das atividades de transferência e estocagem envolve restrições operacionais complexas, sendo um problema combinatorial de otimização de difícil resolução. Devido à complexidade do problema, uma estratégia de decomposição é empregada para a modelagem. Esta estratégia tem por base uma divisão hierárquica nos três elementos chaves do scheduling: Alocação dos Recursos, Sequenciamento das Atividades e Determinação Temporal. No presente trabalho aborda-se o módulo de Sequenciamento das Atividades. Desenvolveu-se um modelo PLIM com abordagem temporal contínua que representa o transporte de derivados claros de petróleo por dutos. Objetiva-se obter a ordem de bombeamento das bateladas nas origens, bem como a sequência de passagem pelos dutos da rede, relevando-se gerenciamentos de inventários. Adicionalmente, no contexto do módulo de Sequenciamento, restrições para evitar a necessidade de reversões de fluxo ou inserção de produtos selo devido às incompatibilidades de produtos são modeladas. Testes são realizados usando cenários reais para um horizonte de tempo de, aproximadamente, 30 dias. São apresentados resultados comparativos com um método heurístico e entre versões derivadas do modelo proposto, a fim de investigar o incremento do custo computacional com a inclusão de novas características de modelagem. Os resultados obtidos sugerem a possibilidade de significativa redução do custo operacional com adequado gerenciamento de inventários. / This work applies Mixed Integer Linear Programming for a new approach to batch sequencing in a real-world pipeline network. The proposed model is immersed in an optimization framework to aid the operational scheduling of light oil derivatives. The considered pipeline network consists of 14 nodes (areas), with 4 refineries, 2 harbors, 2 final clients, 5 distribution terminals, and a node that links valves and pumps, interconnected by 30 pipelines. In this network, 35 light oil derivatives can be transported. The scheduling process involves complex operational constraints for determining transfer and storage activities, being a combinatorial optimization problem difficult to solve. Due to the complexity of the problem, a decomposition approach is applied for modeling purposes. This strategy is based on a hierarchical division in the three key elements of scheduling: Assignment, Sequencing, and Timing. The Sequencing Module is addressed within this work. It is developed a continuous time MILP model that represents the transportation of light oil derivatives through pipelines. The aim is to obtain the pumping sequencing of batches in the sources, as well as the transportation sequences in pipelines, considering the management of inventories. Additionally, within the sequencing module, constraints to avoid flow reversions or insertion of plug products are modeled. Tests are performed using real scenarios for a time horizon of, approximately, 30 days. Comparative results with a heuristic approach and derived versions of the proposed model are presented in order to investigate the computational cost increase with the addition of new modeling features. The obtained results suggest the possibility of significant operational cost reductions with an adequate management of inventories.

Agência Nacional de Petróleo; FINEP; REPSOL / Atualmente, entre os grandes desafios na indústria petrolífera estão os hidratos. Hidratos, também conhecidos como clatratos, são estruturas cristalinas formadas por água ligada por pontes de hidrogênio e estabilizadas por uma molécula hóspede. Hidratos estão presentes na natureza e podem se formar em alguns processos industriais, criando obstáculos e impondo desafios na área de garantia de escoamento. Em tubulações de petróleo, hidratos além de representar riscos, dificultam o escoamento, ocasionando paradas e prejuízos. Ainda não existe um modo de monitoramento da formação de hidrato na indústria. Entre as técnicas de instrumentação propostas para isso se destaca a de ultrassom. Esta possui características desejáveis para a indústria como robustez, baixo custo de implantação, fácil manutenção, operação em tempo real e não intrusiva. O presente trabalho tem por objetivo identificar o processo de formação de hidrato utilizando a técnica de ultrassom, desde seus primeiros estágios, a fim de evitar bloqueios e paradas em tubulações. O estudo foi realizado utilizando duas bancadas experimentais, uma para formação estática de hidratos e outra que possibilitava agitação e portanto formação em condições mais próximas da realidade. Os recipientes foram resfriados com auxílio de um banho termostático, nos quais o hidrato foi formado e analisado através do ultrassom por diferentes métodos. O THF (tetrahidrofurano) foi escolhido como molécula hóspede por se formar em condições mais amenas de temperatura e pressão e ter estrutura similar à do hidrato formado pelo gás natural, presente nas tubulações de petróleo. A aquisição do sinal do ultrassom foi feita ao longo do processo de formação do hidrato. Os resultados experimentais mostraram mudanças nas ondas ultrassônicas e nas propriedades acústicas dessas, possibilitando a detecção da presença e formação da estrutura. Pela velocidade acústica foi possível caracterizar a propriedade de crescimento real do hidrato. / Currently, among the biggest challenges in oil industry are the hydrates. Hydrates, also known as clathrates, are crystalline structures formed by water connected by hydrogen bonds that are stabilized by a guest molecule. Hydrates are present in nature and they can be formed in some industrial processes, creating obstacles and imposing challenges in the flow assurance area. In oil pipelines, hydrates represent risk and cause difficulties, which may even prevent the flow, causing downtime and losses. There is no technique for monitoring the hydrate formation in industry. Among the instrumentation techniques being proposed one of the most promising is the ultrasound. It has desirable characteristics to the oil industry such as robustness, low cost deployment, easy maintenance, real time operation and non intrusiveness. The main purpose of this dissertation is to identify hydrate formation process, from its early stages, in order to avoid pipe blockages and unnecessary stops of the production. This study was conducted using two test benches, one for static formation and one that provides agitation approaching to real condition of hydrates formation. The benches were cooled with a thermostatic bath, in which hydrate was formed and analyzed using ultrasound by different methods. THF (tetrahydrofuran) was chosen as guest molecule, because it forms hydrates under mild conditions of temperature and pressure, and provides similar structure to hydrates formed by natural gas, present in oil pipelines. Ultrasound signal acquisitions were made during the hydrate formation. The experimental results show changes in the ultrasonic waves and in the acoustic properties, thus enabling to detect the presence and formation of the structure. Using acoustic velocity it was possible to determine hydrates properties such as hydrate growth.

Petrobras / Petróleos parafínicos são complexas misturas de hidrocarbonetos saturados, aromáticos, naftênicos e, em menor quantidade, de componentes que apresentam heteroátomos como resinas e asfaltenos. Em baixas temperaturas, a solubilidade das parafinas em solução diminui e ocorre a precipitação de hidrocarbonetos no petróleo. Devido à cristalização nota-se não apenas o aumento considerável da viscosidade dos petróleos em baixas temperaturas, mas também a deposição de parafina nas paredes internas da tubulação e a gelificação do petróleo nos oleodutos em eventuais paradas da produção. Os trabalhos disponíveis na literatura mostram que os históricos térmico e de cisalhamento influenciam o comportamento mecânico de petróleos parafínicos em baixas temperaturas. No presente trabalho são apresentados resultados da influência da temperatura inicial de resfriamento na temperatura de cristalização, na temperatura de gelificação e na tensão crítica necessária para reiniciar o escoamento de petróleos parafínicos. A temperatura em que o material é submetido antes do resfriamento influencia nas propriedades reológicas do petróleo. A partir da revisão de conceitos de cristalização define-se que para a precipitação do primeiro cristal é necessário a ocorrência de super-resfriamento na solução. Em outras palavras, não é possível que ocorra a cristalização da parafina exatamente na temperatura de equilíbrio sólido-líquido, Teq,SL. É proposta uma metodologia experimental para determinar a temperatura de saturação de óleos parafínicos. A partir de resultados reométricos pode-se notar que a magnitude do superresfriamento influencia a taxa de nucleação e o tamanho final dos cristais precipitados. O tamanho da região metaestável é influenciado pela taxa de resfriamento e pela temperatura inicial do teste. A partir de microscopia de campo claro observa-se que quanto maior o superresfriamento maior o número de cristais formados. Pode-se adiantar que a morfologia e o tamanho dos cristais formados influenciam o comportamento reológico do óleo parafínico em baixas temperaturas. / Waxy crude oil is a complex mixture of hydrocarbons consisting of paraffins, aromatics, naphthenes, asphaltenes and resins. At low temperatures the solubility of high molecular weight components in the oil is decreased and especially the n-paraffins tend to precipitate as crystal structures. These crystals provide a non-Newtonian behavior to the fluid, tend to deposit in the inner surface of pipelines and are responsible for the gelation of the oil when the flow is interrupted. In such cases, the pressure needed to restart the oil flow in subsea pipelines can be much larger than the usual steady-state pressure as the temperature in such environment can be as low as 4 °C. The literature has shown that not only the temperature itself but also the fluid shear and thermal histories have significant influence on the yield stress of waxy crude oils. The current work shows the effect of the initial cooling temperature on the waxy crude oil viscosity, gelation temperature and critical stress. It is showed that the initial cooling temperature affects the mechanical behavior of crude oils at low temperature. It is presented that crystallization is the process where an ordered solid structure is formed from a disordered phase. This process involves two main stages, namely nucleation and crystals growth. As paraffins nucleation is a stochastic process, a supercooling is needed to the onset of this phenomenon. In other words precipitation of crystals could not take place at the solidliquid equilibrium thermodynamic temperature, Teq,SL. Therefore, during the cooling, it is required that the fluid reaches a certain temperature, below the Teq,SL, to initiate the nucleation process. This work proposes an experimental procedure to determine consistently the highest solid-liquid thermodynamic equilibrium temperature. By means of rheometric tests, it is showed that the supercooling affects the nucleation rate and the crystals morphology, and also it is influenced by the cooling rate and the initial cooling temperature. One can conclude that the higher the supercooling the higher the number of crystals and, as consequence, the lower the crystals length. Finally, the crystals morphology and the length affect the mechanical properties of the waxy oil.

CAPES; ANP / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de estruturas de otimização para auxílio na tomada de decisão de atividades de planejamento e scheduling em dutos. Dois problemas são estudados: (i) O primeiro sistema envolve um duto que interliga uma refinaria até um parque de tancagem operando o transporte de diversos produtos. Visto que a resolução de todo o problema em um único modelo de otimização tornou-se inviável devido a complexidade computacional, uma abordagem de solução alternativa é proposta para a obtenção do scheduling do duto, utilizando apenas modelos PLIM (Programação Linear Inteira Mista). O primeiro modelo proposto obtém a sequência de envio dos produtos e seus respectivos volumes. Fixando-se essas variáveis, o segundo modelo PLIM, já presente na literatura, é capaz de obter o scheduling final do duto em poucos segundos. Além disso, a qualidade da solução obtida através do sequenciamento PLIM mostrou-se superior ao sequenciamento heurístico previamente apresentado na literatura; (ii) O segundo sistema é composto por uma rede com 30 dutos que interliga diversas áreas incluindo 4 refinarias, 2 terminais portuários, 2 clientes finais e 6 terminais de distribuição que recebem ou enviam diversos produtos derivados de petróleo. A rede em estudo possui características particulares que devem ser tratadas como, por exemplo, restrições locais, pulmão, reversão de fluxo, horossazonalidade e troca de turno dos operadores. Além disso, os dutos são compartilhados por diferentes produtos que utilizam rotas distintas. Dessa forma, paradas de bombeio devem ser avaliadas. Considerando-se que a complexidade da rede de dutos é sensivelmente maior que a realização do scheduling de um único duto, a decomposição desse problema se torna imprescindível. Detalhes do scheduling da rede devem ser obtidos, incluindo sequência de bombeamento em cada nó, volume das bateladas, restrições de tancagem e distribuição no tempo, sempre respeitando uma série de restrições operacionais. Dessa forma, a carga computacional para a determinação de um scheduling de curto prazo (short-term scheduling) com o cenário considerado é relevante. São propostos três modelos PLIM para esse problema: modelo de planejamento, modelo de alocação e sequenciamento e, finalmente, o modelo de temporização. A saída de um modelo PLIM é utilizada como entrada para outras estruturas e/ou modelos PLIM que são utilizados de forma hierárquica para a obtenção da solução desejada. Muitas análises foram realizadas por intermédio das soluções obtidas, que são apresentadas em tempo computacionalmente reduzido para cenários da indústria petrolífera. / This work addresses the problem of developing optimization structurres to aid the operational decision-making of planning and scheduling activities in real-world pipelines. Two problems are studed: (i) The first one contemplates a pipeline connecting a refinery and a depot. The pipeline transports various products. An alternative solution approach is proposed to obtain the pipeline scheduling, using only MILP (Mixed Integer Linear Programming) models. Since the resolution of the entire problem in a unique optimization model became too hard due to the high computational complexity, the problem decomposition is developed. The first proposed model provides the punping product-sequence and its volume, respectively. Fixing these variables, the MILP model is able to obtain the final scheduling of the pipeline in few seconds. The quality of the solution obtained by the MILP sequencing model is better than a previous heuristic sequencing published. (ii) The second system is composed by a network with 30 pipelins that connect different areas including 4 refineries, 2 harbors, 2 final clients, and 6 distribution terminals. They receive or send many oil derivatives. The studied pipeline network has particular features to be processed as, for instance, local constraints, surge tank operation, flow reverse operational, seasonal costs, and work shifts. Also, the pipelines are shared by different products that use different routes. In this way, pumping stoppages should be evaluated. Considering that the pipeline network complexity is higher than the unique pipeline scheduling procedure, the problem decomposition becomes essential. Scheduling details must be given, including pumping sequence in each node, volume of batches, tankage constraints and timing issues, while always respecting a series of operational constraints. Moreover, the computacional burden to determine a a short-term scheduling for the considered scenario is a difficult task. Three MILP models are proposed to address this problem: planning model, allocation and sequencing model and,finally, the timing model. The output of a model is used as input to other structures and/or MILP models. These models are managed in a hierarchical manner to obtain the desired solution. Many insights have been derived from the obtained solutions, which are given in a reduced computational time for oil industrial-size scenarios.

Petrobras / Petróleos parafínicos são complexas misturas de hidrocarbonetos saturados, aromáticos, naftênicos e, em menor quantidade, de componentes que apresentam heteroátomos como resinas e asfaltenos. Em baixas temperaturas, a solubilidade das parafinas em solução diminui e ocorre a precipitação de hidrocarbonetos no petróleo. Devido à cristalização nota-se não apenas o aumento considerável da viscosidade dos petróleos em baixas temperaturas, mas também a deposição de parafina nas paredes internas da tubulação e a gelificação do petróleo nos oleodutos em eventuais paradas da produção. Os trabalhos disponíveis na literatura mostram que os históricos térmico e de cisalhamento influenciam o comportamento mecânico de petróleos parafínicos em baixas temperaturas. No presente trabalho são apresentados resultados da influência da temperatura inicial de resfriamento na temperatura de cristalização, na temperatura de gelificação e na tensão crítica necessária para reiniciar o escoamento de petróleos parafínicos. A temperatura em que o material é submetido antes do resfriamento influencia nas propriedades reológicas do petróleo. A partir da revisão de conceitos de cristalização define-se que para a precipitação do primeiro cristal é necessário a ocorrência de super-resfriamento na solução. Em outras palavras, não é possível que ocorra a cristalização da parafina exatamente na temperatura de equilíbrio sólido-líquido, Teq,SL. É proposta uma metodologia experimental para determinar a temperatura de saturação de óleos parafínicos. A partir de resultados reométricos pode-se notar que a magnitude do superresfriamento influencia a taxa de nucleação e o tamanho final dos cristais precipitados. O tamanho da região metaestável é influenciado pela taxa de resfriamento e pela temperatura inicial do teste. A partir de microscopia de campo claro observa-se que quanto maior o superresfriamento maior o número de cristais formados. Pode-se adiantar que a morfologia e o tamanho dos cristais formados influenciam o comportamento reológico do óleo parafínico em baixas temperaturas. / Waxy crude oil is a complex mixture of hydrocarbons consisting of paraffins, aromatics, naphthenes, asphaltenes and resins. At low temperatures the solubility of high molecular weight components in the oil is decreased and especially the n-paraffins tend to precipitate as crystal structures. These crystals provide a non-Newtonian behavior to the fluid, tend to deposit in the inner surface of pipelines and are responsible for the gelation of the oil when the flow is interrupted. In such cases, the pressure needed to restart the oil flow in subsea pipelines can be much larger than the usual steady-state pressure as the temperature in such environment can be as low as 4 °C. The literature has shown that not only the temperature itself but also the fluid shear and thermal histories have significant influence on the yield stress of waxy crude oils. The current work shows the effect of the initial cooling temperature on the waxy crude oil viscosity, gelation temperature and critical stress. It is showed that the initial cooling temperature affects the mechanical behavior of crude oils at low temperature. It is presented that crystallization is the process where an ordered solid structure is formed from a disordered phase. This process involves two main stages, namely nucleation and crystals growth. As paraffins nucleation is a stochastic process, a supercooling is needed to the onset of this phenomenon. In other words precipitation of crystals could not take place at the solidliquid equilibrium thermodynamic temperature, Teq,SL. Therefore, during the cooling, it is required that the fluid reaches a certain temperature, below the Teq,SL, to initiate the nucleation process. This work proposes an experimental procedure to determine consistently the highest solid-liquid thermodynamic equilibrium temperature. By means of rheometric tests, it is showed that the supercooling affects the nucleation rate and the crystals morphology, and also it is influenced by the cooling rate and the initial cooling temperature. One can conclude that the higher the supercooling the higher the number of crystals and, as consequence, the lower the crystals length. Finally, the crystals morphology and the length affect the mechanical properties of the waxy oil.

CAPES; ANP / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de estruturas de otimização para auxílio na tomada de decisão de atividades de planejamento e scheduling em dutos. Dois problemas são estudados: (i) O primeiro sistema envolve um duto que interliga uma refinaria até um parque de tancagem operando o transporte de diversos produtos. Visto que a resolução de todo o problema em um único modelo de otimização tornou-se inviável devido a complexidade computacional, uma abordagem de solução alternativa é proposta para a obtenção do scheduling do duto, utilizando apenas modelos PLIM (Programação Linear Inteira Mista). O primeiro modelo proposto obtém a sequência de envio dos produtos e seus respectivos volumes. Fixando-se essas variáveis, o segundo modelo PLIM, já presente na literatura, é capaz de obter o scheduling final do duto em poucos segundos. Além disso, a qualidade da solução obtida através do sequenciamento PLIM mostrou-se superior ao sequenciamento heurístico previamente apresentado na literatura; (ii) O segundo sistema é composto por uma rede com 30 dutos que interliga diversas áreas incluindo 4 refinarias, 2 terminais portuários, 2 clientes finais e 6 terminais de distribuição que recebem ou enviam diversos produtos derivados de petróleo. A rede em estudo possui características particulares que devem ser tratadas como, por exemplo, restrições locais, pulmão, reversão de fluxo, horossazonalidade e troca de turno dos operadores. Além disso, os dutos são compartilhados por diferentes produtos que utilizam rotas distintas. Dessa forma, paradas de bombeio devem ser avaliadas. Considerando-se que a complexidade da rede de dutos é sensivelmente maior que a realização do scheduling de um único duto, a decomposição desse problema se torna imprescindível. Detalhes do scheduling da rede devem ser obtidos, incluindo sequência de bombeamento em cada nó, volume das bateladas, restrições de tancagem e distribuição no tempo, sempre respeitando uma série de restrições operacionais. Dessa forma, a carga computacional para a determinação de um scheduling de curto prazo (short-term scheduling) com o cenário considerado é relevante. São propostos três modelos PLIM para esse problema: modelo de planejamento, modelo de alocação e sequenciamento e, finalmente, o modelo de temporização. A saída de um modelo PLIM é utilizada como entrada para outras estruturas e/ou modelos PLIM que são utilizados de forma hierárquica para a obtenção da solução desejada. Muitas análises foram realizadas por intermédio das soluções obtidas, que são apresentadas em tempo computacionalmente reduzido para cenários da indústria petrolífera. / This work addresses the problem of developing optimization structurres to aid the operational decision-making of planning and scheduling activities in real-world pipelines. Two problems are studed: (i) The first one contemplates a pipeline connecting a refinery and a depot. The pipeline transports various products. An alternative solution approach is proposed to obtain the pipeline scheduling, using only MILP (Mixed Integer Linear Programming) models. Since the resolution of the entire problem in a unique optimization model became too hard due to the high computational complexity, the problem decomposition is developed. The first proposed model provides the punping product-sequence and its volume, respectively. Fixing these variables, the MILP model is able to obtain the final scheduling of the pipeline in few seconds. The quality of the solution obtained by the MILP sequencing model is better than a previous heuristic sequencing published. (ii) The second system is composed by a network with 30 pipelins that connect different areas including 4 refineries, 2 harbors, 2 final clients, and 6 distribution terminals. They receive or send many oil derivatives. The studied pipeline network has particular features to be processed as, for instance, local constraints, surge tank operation, flow reverse operational, seasonal costs, and work shifts. Also, the pipelines are shared by different products that use different routes. In this way, pumping stoppages should be evaluated. Considering that the pipeline network complexity is higher than the unique pipeline scheduling procedure, the problem decomposition becomes essential. Scheduling details must be given, including pumping sequence in each node, volume of batches, tankage constraints and timing issues, while always respecting a series of operational constraints. Moreover, the computacional burden to determine a a short-term scheduling for the considered scenario is a difficult task. Three MILP models are proposed to address this problem: planning model, allocation and sequencing model and,finally, the timing model. The output of a model is used as input to other structures and/or MILP models. These models are managed in a hierarchical manner to obtain the desired solution. Many insights have been derived from the obtained solutions, which are given in a reduced computational time for oil industrial-size scenarios.

ANP; FINEP; CAPES; PETROBRAS; MCTI; / Apresentam-se neste trabalho abordagens de solução para a etapa de planejamento do transporte otimizado em uma rede dutoviária real de derivados claros de petróleo. O modelo proposto é o bloco de entrada de uma estrutura de otimização que auxilia no scheduling do transporte de derivados claros de petróleo (derivados de alto valor agregado). A rede dutoviária em questão é composta por 14 áreas (4 refinarias, 2 portos, 6 terminais de distribuição e 2 clientes finais) e 30 dutos bidirecionais interligam essas áreas transportando mais de 35 derivados claros de petróleo. O problema tratado é complexo, portanto utiliza-se da estratégia de decomposição, inicialmente proposta por Boschetto et al. (2010), baseada na integração de diferentes módulos compostos por modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) e heurísticas. Essa integração é capaz de resolver o problema proposto, considerando as características particulares da rede. Em síntese, dentre os blocos (módulos) presentes na estratégia, estão os de: (i) planejamento, (ii) Alocação e Sequenciamento; e (iii) Temporização. Soluções são obtidas em tempo computacional reduzido (segundos a poucos minutos) para cenários reais da rede em estudo. Este trabalho é uma evolução do modelo PLIM introduzido por Magatão et al. (2012), levando em conta novas características operacionais, e objetiva detalhar o modelo de planejamento que é responsável pela determinação dos volumes totais que serão movimentados na rede e as rotas que serão utilizadas no transporte. Adicionalmente, faz-se a separação do novo modelo proposto em fases distintas para o estudo do controle das influências e prioridades das variáveis envolvidas no escopo do modelo de planejamento e os reflexos na solução completa do scheduling. Assim, nomeiam-se as duas abordagens propostas de: abordagem em 1 fase e abordagem em 3 fases. O modelo PLIM de planejamento proposto com abordagem temporal contínua toma decisões globais a um nível tático considerando características operacionais para um horizonte de 30 dias. Objetiva-se o balanço de inventário otimizado considerando operações de reversão dos dutos, interfaces entre produtos, operação pulmão/estocagem intermediária, manutenção de tanques (tratamento multíperiodo), degradação, entre outras. As abordagens são comparadas e resultados como a redução do tempo computacional, menores violações de estoque ao final do scheduling e diminuição de operações de reversão são apresentados. / Solution approaches for the planning module of the optimized scheduling of a real-world pipeline network to transport light oil derivatives are presented in this work. The proposed model is the input block of a decomposition strategy which aids the scheduling of products (derivatives with high earned value) transportation. The referred network is composed of 14 areas (4 refinaries, 2 harbors, 2 final clients and 6 depots) and 30 bidirectional pipelines which interconnect those areas transporting more than 35 light oil derivatives. The related problem is complex, thus the proposed model is part of a decomposition strategy, formerly proposed by Boschetto et al. (2010), based on the integration of distinct modules composed of Mixed Integer Linear Programming (MILP) models and heuristics. This integration is able to solve the aforementioned problem, considering all the particular network characteristics. Briefly, among the developed modules are the: (i) Planning, (ii) Assignment and Sequencing and (iii) Timing blocks. Solutions are obtained in a reduced computational time (seconds to few minutes) for real scenarios. This work is an improvement of the MILP model introduced by Magatão et al. (2012), considering new operational characteristics, and it aims to detail the Planning Model which is responsible for determining total volumes that will be transported in the network and the routes that will be required for this transport. Additionally, a division of the new proposed model in distinct stages is made to investigate the control and influence of each variable in both planning and scheduling solution scopes. Therefore, the proposed approaches are defined here as the single-phase approach and the three-phase approach. The continuous-time MILP model gives global decisions at a tactical level taking into account operational characteristics for a 30-day programming horizon. It is intended to reach an optimized mass balance considering operations such as: pipeline reverse flow, contamination between products, surge operation/temporary stock, tank maintenance and degradations. The approaches are compared and results such as computational time reduction, lower inventory violations at the end of the scheduling and fewer pipeline reverse flow operations are presented.

A inspeção de defeitos de soldagem em imagens radiográficas de tubulações é bastante subjetiva e está sujeita a erros de interpretação por parte do inspetor laudista. Dentro desse contexto, nos últimos anos tem-se visto um grande esforço no desenvolvimento de métodos automáticos e semiautomáticos de detecção de defeitos em juntas soldadas. Este trabalho apresenta um método automatizado para detecção e classificação de defeitos em imagens radiográficas de juntas soldadas de tubulações obtidas pela técnica de exposição radiográfica parede dupla vista dupla (PDVD), obtidas em reais situações de campo e que, geralmente, têm uma qualidade mais baixa do que as imagens usadas em outros estudos. O método proposto identifica na imagem a região do cordão de solda, detecta as descontinuidades e classifica as mesmas em defeitos e não defeitos, destacando na imagem o resultado. São avaliados classificadores a partir de métodos de classificação por redes neurais Multilayer Perceptron (MLP), redes neurais Extreme Learning Machines (ELM) e classificador estatístico Support Vector Machines (SVM). O método proposto para identificação da região de interesse atingiu 100% de precisão na segmentação do cordão de solda. O classificador SVM apresentou um desempenho melhor que os classificadores MLP e ELM em todos os cenários testados. Com a utilização de ensembles de ELMs obteve-se um F-score de 85,7% para o banco de padrões de teste, resultados satisfatórios quando comprados com trabalhos semelhantes. O uso de ensembles de ELMs representa um ganho de apenas 0,5% no F-score em comparação com o melhor resultado de rede treinada individualmente, entretanto, com o uso de faixas de limiares de decisão do ensemble, o uso do método permite mostrar as descontinuidades sobre as quais o ensemble não tem certeza, destacando na imagem estas descontinuidades. A imagem resultate da aplicação do método serve como auxílio ao especialista na elaboração de laudos. / The inspection of radiographic images of welded joints is very subjective and is subject to errors of interpretation by the inspector. In this context, a great effort has been made in the last years to develop automatic and semiautomatic methods for detecting defects in welded joints. This research work presents an automated method for the detection and classification of defects in radiographic images of welded joints of pipes obtained by the double wall double image (DWDI) exposure technique obtained in real field situations and which generally have a lower quality than the images used in other studies. The proposed methos identifies the region of the weld bead, detects the discontinuities and classifies them as defects and non-defects, highlighting in the image the result. Classifiers are evalueted using methods of classification by multilayer perceptron (MLP) neural networks, extreme learning machines (ELM) neural networks, and Support Vector Machines (SVM). The proposed method for identifying the region of interest reached 100% precision in the segmentation od the weld bead. The SVM classifier performed better than the MLP and ELM classifiers in all scenarios tested. Using ELM ensembles, an F_score of 85,7% was obtained for a test patterns database, satisfactoryresults when compared to similar works. The use of ensembles of ELMs represents a gain of only 0,5% in the F-score compared to the best result of the individually trained network, however, with the use of ensemble decision threshold ranges, the presented method allows to show the discontinuities about which the ensemble is not sure, highlighting in the image these discontinuities as a region of uncertainty, leaving to the specialist the final evaluation of these discontinuities. The image resulting from the application of the method serves as an aid to the expert in the elaboration of reports.

ANP; FINEP; MCT / A modelagem de sistemas envolvidos no gerenciamento das operações de uma rede de dutos é um problema de otimização que envolve complexas restrições operacionais. O transporte por meio de dutos mostra-se confiável e econômico, principalmente para grandes volumes. Porém, a elevada taxa de ocupação das redes de distribuição e a quantidade de diferentes produtos que devem ser transportados sob condições operacionais diferenciadas levam a cenários operacionais complexos. Uma melhoria na eficiência do transporte de produtos através de redes de dutos pode ser obtida por uma melhor alocação dos recursos disponíveis, contudo além de ser este um problema combinatório de difícil solução, é também um problema de otimização multiobjetivo. Para resolver este tipo de problema, as técnicas baseadas em metaheurísticas populacionais, em especial os algoritmos evolucionários parecem adequados pois tratam simultaneamente com um conjunto de soluções possíveis que permite encontrar um conjunto de soluções ótimas de Pareto com a simples execução do algoritmo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de modelos de otimização multiobjetivo aplicados ao escalonamento de operações em rede de dutos existente na indústria P & G, investigando técnicas baseadas em metaheurísticas que auxiliem na tomada de decisões deste cenário específico, em especial, técnicas baseadas em algoritmos evolucionários multiobjetivos. Assim, usa-se uma abordagem que propõe o uso de um algoritmo evolucionário multiobjetivo inspirado a partir da evolução memética de um grupo de sapos que procuram por comida: o SFLA (Shuffled Frog Leaping Algorithm). Os resultados obtidos a partir das simulações realizadas serão comparados com um algoritmo muito conhecido e usado na literatura, o algoritmo genético (AG). Além disso, como este trabalho utiliza um modelo de otimização multiobjetivo e nestes casos procura-se um conjunto de soluções Pareto-ótimas, uma nova abordagem é proposta para o algoritmo SFLA: o Modified Shuffled Frog-leaping Pareto Approach (MSFLPA). Esta nova abordagem combina o uso de uma pequena população e uma estratégia de arquivamento com um processo de reinicialização da população usando duas memórias auxiliares para armazenar soluções não-dominadas~(Conjunto de Pareto) encontradas durante a evolução da população. Para validar o desempenho e a eficiência do algoritmo MSFLPA proposto, cinco funções Zitzler-Deb-Thiele são utilizadas para comparar com dois algoritmos genéticos multi-objetivos bem conhecidos da literatura: NSGA-II e SPEA2. Os experimentos numéricos indicam que MSFLPA produz soluções bem espalhadas~(diversidade) e converge para a verdadeira fronteira de Pareto e verifica-se ser eficiente e competitivo para resolver problemas multiobjetivos. Após essa validação, o MSFLPA é usado para otimizar a alocação dos recursos e para resolver o problema de programação de uma rede de dutos e quando comparado com o NSGA-II e microAG, MSFLPA tem se mostrado uma nova alternativa eficaz para a solução de problemas multiobjetivos com mais de dois objetivos, como é o caso dos problemas de escalonamento de redes de dutos. / The development of model to support pipeline network operation management is an optimization problem which involves complex operational constraints. The product transport through pipelines proves reliable and economical, especially for large volumes. However, the high occupancy rate of the distribution networks and the amount of different products should be transported under different operating conditions lead to complex operational scenarios. An efficiency improvement of products transport through pipeline networks can be obtained by a better allocation of available resources. However that is a hard solution combinatorial problem with multiobjective optimization characteristics. An alternative to efficient solve this type of problem is the use of metaheuristics such Multiobjective Evolutionary Algorithms~(MOEA). MOEA uses a population of solutions in its search, and multiple Pareto-optimal solutions can, in principle, be found in one single run. This work aims to develop a model of multi-criterion optimization applied to scheduling operations in a real-world pipeline network in the oil industry. We use a metaheuristic optimization method inspired from the memetic evolution of a group of frogs when seeking for food: SFLA~(Shuffled Frog Leaping Algorithm). The results obtained from the simulations are compared to an algorithm well known in the literature: genetic algorithm~(GA). Moreover, this works then introduces a new approach of the original shuffled frog leaping algorithm to create a modified form of the algorithm: the Modified Shuffled frog-leaping Pareto Approach~(MSFLPA). The main goal of MSFLPA is to represent and recover the entire Pareto front to a modeled problem, moreover an efficient and competitive algorithm to solve multi-objective scheduling problems with more than two conflicting objectives. This new approach combines the use of a small population and an archiving strategy with a procedure to restart the population using two auxiliary memories to store nondominated solutions (Pareto set) found during population evolution. To validate the performance and efficiency of the proposed MSFLPA in spread Pareto front, five Zitzler-Deb-Thiele functions are examined and compared against two well-known multi-objective genetic algorithms: NSGA-II and SPEA2. The numerical experiments indicate that MSFLPA yields spread solutions and converges to the true Pareto front and it is verified to be efficient and competitive for solving multi-objective problem. After this validation, the MSFLPA is used to optimize the allocation of the resources and to solve the scheduling problem of a real world pipeline network and if compared with NSGA-II and microGA, MSFLPA is verified to be a new effective alternative for solving of multi-objective problems with more than two objectives as it is the case of the pipeline scheduling problems.