Bibliografia: p. 109-111 / Dissertação (mestrado) - Instituto Nacional de Matemática Pura e Aplicada, Rio de Janeiro, 2014. / Estudamos a precificação de opções exóticas nos mercados de petróleo e de seus derivados. Iniciamos com uma análise exploratória dos dados, revisitando suas propriedades estatísticas e fatos estilizados relacionados às volatilidades e correlações. Subsidiados pelos resultados de tal análise, apresentamos alguns dos principais modelos forward para commodities e um vasto conjunto de estruturas determinísticas de volatilidades, bem como os respectivos métodos de calibragem, para os quais executamos testes com dados reais. Para melhorar o desempenho de tais modelos na precificação do smile de volatilidade, reformulamos o modelo de volatilidade estocástica de Heston para lidar com uma ou múltiplas curvas forward, permitindo sua utilização na precificação de contratos definidos sobre múltiplas commodities. Calibramos e testamos tais modelos a partir de dados reais dos mercados de petróleo, gasolina e gás, e comprovamos a sua superioridade frente aos modelos de volatilidade determinística. Para subsidiar a precificação de opções exóticas e contratos OTC, revisitamos dos pontos de vista teórico e prático assuntos como simulação de Monte Carlo, soluções numéricas para SDEs e exercício americano. Finalmente, por meio de uma bateria de simulações numéricas, mostramos como os modelos podem ser utilizados na precificação de opções exóticas que tipicamente ocorrem nos mercados de commodities, como as calendar spread options, crack spread options e as opções asiáticas. / We study the pricing of exotic options in the oil and its derivatives markets. We begin with a exploratory analysis of the data, revisiting statistical properties and stylized facts related to the volatilities and correlations. Based on this results, we present some of the main commodity forward models and a wide range of deterministic volatility structures, as well as its calibration methods, for which we ran tests with real market data. To improve the performance of such models in pricing the volatility smile, we reformulate the Heston stochastic volatility model to cope with one or multiple forward curves together, allowing its use for the pricing of multicommodity based contracts. We calibrate and test such models for the oil, gasoline and natural gas markets, confirming their superiority against deterministic volatility models. To support the tasks of exotic options and OTC contracts pricing, we also revisit, from the theoretical and practical points of view, tools and issues such as Monte Carlo simulation, numerical solutions to SDEs and American exercise. Finally, through a battery of numerical simulations, we show how the presented models can be used to price typical exotic options occurring in commodity markets, such as calendar spread options, crack spread options and Asian options.

CAPES / O segmento downstream da cadeia de suprimentos da indústria brasileira de petróleo é composta por bases de produção (e.g. refinarias), armazenamento (e.g. terminais) e consumo (e.g. mercados consumidores) e modais de transportes (e.g. oleodutos, navios, caminhões e trens). O planejamento da transferência de derivados de petróleo nesta rede multimodal é um problema complexo e atualmente é realizado para um horizonte de três meses com base na experiência de profissionais e sem auxílio de um sistema computacional de apoio à decisão. Basicamente, o problema pode ser visto como uma negociação para alocação de recursos disponíveis (tais como derivados de petróleo, tanques e modais de transporte) pelas diferentes bases envolvidas que necessitam enviar ou receber derivados de petróleo. Na literatura, alguns problemas semelhantes, porém mais voltados para o planejamento de redes formadas por um único tipo de modal de transporte, têm sido tratados por diferentes abordagens, com predominância da programação matemática. Estes trabalhos ilustram a difícil tarefa de modelar grandes problemas por meio desta abordagem. Geralmente, tais trabalhos consideram apenas um curto horizonte de planejamento ou apenas uma parte do problema original, tal como uma parte da rede petrolífera brasileira, gerando limitações importantes para os modelos desenvolvidos. Devido às características do problema em estudo, o qual envolve toda a rede de transporte e apresenta perfil de negociação entre as diferentes entidades envolvidas, surge o interesse da utilização do paradigma de sistemas multiagente. O paradigma de agentes tem sido aplicado a problemas de diferentes contextos, particularmente em problemas de gerenciamento de cadeias de suprimentos devido à sua correspondência natural com a realidade e, em geral, em problemas que envolvem a competição por recursos por meio de mecanismos de negociação com base em leilões. Este trabalho apresenta um novo protocolo de negociação baseado em leilões e aplicação deste protocolo em forma de um modelo multiagente na resolução do problema de planejamento em questão. Os agentes que formam a solução representam principalmente os locais de produção, armazenamento, consumo e os modais de transporte na rede petrolífera brasileira. O objetivo destes agentes é manter um nível de estoque diário factível de cada produto em cada local por meio de transferências de produtos pela rede petrolífera brasileira com preferível redução do custo de transporte. Por fim, este trabalho apresenta a satisfação destes objetivos por meio de experimentos em cenários fictícios e reais da rede brasileira de petróleo. / The Brazilian oil supply chain is composed by oil refineries, consumer markets, terminals for intermediary storage and several transportation modals, such as pipelines, ships, trucks and trains. The transportation planning of oil products in this multimodal network is a complex problem that is currently performed manually based on expertise, for a period of three months, due to the lack of a software system to cover the problem complexity. Such problem involves the negotiation of available resources such as oil products, tanks and transportation modals between different sources and consumption points. Similar problems, but more directed to the planning of single modes of transportation, have been treated by different approaches, mainly mathematical programming. Such works illustrate the difficult task of modeling large problems with this mechanism. Generally, they consider a short horizon planning or only part of the original problem, such as a part of the network, rendering important limitations to the models developed. Due to the characteristics of the problem in study where the full network needs to be considered and there exists negotiation amongst the different entities involved, the usage of multi-agent models seems to be worth to explore. Such models have been applied in different contexts such as to supply chain problems due its natural correspondence with the reality. Furthermore, in problems involving competition for resources, multi-agents negotiation mechanisms based on auctions are commonly applied. Thus, this thesis presents one auction-based solution formed by the cooperation among agents for them to achieve their goals. The agents involved in the auctions represent mainly the production, storage and consumption locations. Their goal is to maintain a daily suitable inventory level for each product by means of transportation through the multimodal network at a low transport cost. Finally, this paper presents the satisfaction of these objectives through experiments on real and fictional scenarios of Brazilian oil network.

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.

CAPES / O segmento downstream da cadeia de suprimentos da indústria brasileira de petróleo é composta por bases de produção (e.g. refinarias), armazenamento (e.g. terminais) e consumo (e.g. mercados consumidores) e modais de transportes (e.g. oleodutos, navios, caminhões e trens). O planejamento da transferência de derivados de petróleo nesta rede multimodal é um problema complexo e atualmente é realizado para um horizonte de três meses com base na experiência de profissionais e sem auxílio de um sistema computacional de apoio à decisão. Basicamente, o problema pode ser visto como uma negociação para alocação de recursos disponíveis (tais como derivados de petróleo, tanques e modais de transporte) pelas diferentes bases envolvidas que necessitam enviar ou receber derivados de petróleo. Na literatura, alguns problemas semelhantes, porém mais voltados para o planejamento de redes formadas por um único tipo de modal de transporte, têm sido tratados por diferentes abordagens, com predominância da programação matemática. Estes trabalhos ilustram a difícil tarefa de modelar grandes problemas por meio desta abordagem. Geralmente, tais trabalhos consideram apenas um curto horizonte de planejamento ou apenas uma parte do problema original, tal como uma parte da rede petrolífera brasileira, gerando limitações importantes para os modelos desenvolvidos. Devido às características do problema em estudo, o qual envolve toda a rede de transporte e apresenta perfil de negociação entre as diferentes entidades envolvidas, surge o interesse da utilização do paradigma de sistemas multiagente. O paradigma de agentes tem sido aplicado a problemas de diferentes contextos, particularmente em problemas de gerenciamento de cadeias de suprimentos devido à sua correspondência natural com a realidade e, em geral, em problemas que envolvem a competição por recursos por meio de mecanismos de negociação com base em leilões. Este trabalho apresenta um novo protocolo de negociação baseado em leilões e aplicação deste protocolo em forma de um modelo multiagente na resolução do problema de planejamento em questão. Os agentes que formam a solução representam principalmente os locais de produção, armazenamento, consumo e os modais de transporte na rede petrolífera brasileira. O objetivo destes agentes é manter um nível de estoque diário factível de cada produto em cada local por meio de transferências de produtos pela rede petrolífera brasileira com preferível redução do custo de transporte. Por fim, este trabalho apresenta a satisfação destes objetivos por meio de experimentos em cenários fictícios e reais da rede brasileira de petróleo. / The Brazilian oil supply chain is composed by oil refineries, consumer markets, terminals for intermediary storage and several transportation modals, such as pipelines, ships, trucks and trains. The transportation planning of oil products in this multimodal network is a complex problem that is currently performed manually based on expertise, for a period of three months, due to the lack of a software system to cover the problem complexity. Such problem involves the negotiation of available resources such as oil products, tanks and transportation modals between different sources and consumption points. Similar problems, but more directed to the planning of single modes of transportation, have been treated by different approaches, mainly mathematical programming. Such works illustrate the difficult task of modeling large problems with this mechanism. Generally, they consider a short horizon planning or only part of the original problem, such as a part of the network, rendering important limitations to the models developed. Due to the characteristics of the problem in study where the full network needs to be considered and there exists negotiation amongst the different entities involved, the usage of multi-agent models seems to be worth to explore. Such models have been applied in different contexts such as to supply chain problems due its natural correspondence with the reality. Furthermore, in problems involving competition for resources, multi-agents negotiation mechanisms based on auctions are commonly applied. Thus, this thesis presents one auction-based solution formed by the cooperation among agents for them to achieve their goals. The agents involved in the auctions represent mainly the production, storage and consumption locations. Their goal is to maintain a daily suitable inventory level for each product by means of transportation through the multimodal network at a low transport cost. Finally, this paper presents the satisfaction of these objectives through experiments on real and fictional scenarios of Brazilian oil network.

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.

M.Phil. / This research aims to establish and evaluate the main factors that influence the fuel industry in South Africa. The South African fuel industry, is influenced by different business, economical and logistical factors, which all contribute to a changing fuel environment as well as a changing fuel prices that vary on a monthly basis, as calculated by the Department of Mineral and Energy Affairs(DMEA). These factors including crude oil procurement, petroleum industry, synthetic fuel industry and geographical locations, are fundamentally important, and explained in more detail in the chapters to follow. Oil as main supply source to the fuel industry, plays a vital role to South Africa as industrial developing country. The crude oil imported from the eastern countries is refined into petroleum and alternative fuels, necessary to the economy. The oil price thus influences the petroleum price, which in turn influences the cost of food and accessories. This research will for this reason also focus on aspects such as the actual importation of crude oil, petroleum price structure, price zones, synfuels and alternative fuels, and the affect these aspects have on the fuel industry.

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.