İstanbul Boğazı deniz trafiği için kuyruk teorisi uygulaması ve süreç optimizasyonu
Queueing theory application and process optimization for Istanbul Strait sea traffic
Yazar: İSMAİL KARACA
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER SÖNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Ulaşım = Transportation
Dizin: Su kanalları = Water channels ; Uzun boğazlı kanallar = Long-throated flumes ; İstanbul Boğazı = Bosphorus

Özet:
Denizcilik sektörü, dünya ticaretini birçok açıdan etkileyen uluslararası öneme sahip stratejik bir sektördür. Özellikle ulaştırma faaliyetlerinin yoğunlukta olduğu bu sektör içerisinde gemiler, limanlar kadar uluslararası nitelikteki su yolları da önem arz etmektedir. Gemi trafik yoğunluğunun arttığı Süveyş Kanalı, Hürmüz Boğazı gibi dar kanal ve boğazlar deniz ticaretinde kilit rol oynamaktadırlar. Kuşkusuz ülkemizin stratejik öneme sahip boğazlarından, İstanbul Boğazı da dünya ticaretinde kilit rol oynayan dar su yollarının en mühim onlarındandır.
İstanbul Boğazı Karadeniz'i, Marmara ve Ege denizleri ile birlikte Akdeniz'e bağlayan dar bir su yolu niteliğindedir. Her dar su yolunda olduğu gibi İstanbul Boğazı'nda da gemilerin emniyetli seyri için uluslararası ve ulusal bir çok kural uygulanmaktadır. Bu bağlamda İstanbul Boğazı'ndan uğraklı, uğraksız gemi geçişi, gemi seyrine engel durumlar oluşmadığı müddetçe kesintisiz ve emniyetli bir şekilde gerçekleşmektedir. Sadece gemi geçişini tehlikeye sokabilecek durumlar oluştuğu taktirde İstanbul Boğazı trafiğe kapatılmaktadır. Bu gibi durumlar İstanbul Gemi Trafik Hizmetleri tarafından Türk Boğazları Deniz Trafik Düzeni Yönetmeliği çerçevesinde gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada giriş bölümünün ardından ikinci bölümde uluslararası mevzuat göz önünde bulundurularak İstanbul Gemi Geçişi için Türk Boğazları Deniz Trafik Yönetmeliği ve Türk Boğazları Deniz Trafik Yönetmeliği Uygulama Yönergesi incelenerek İstanbul Boğazı için Deniz Trafik Esasları açıklanacaktır. Ayrıca bu bölüm içerisinde İstanbul Boğazı deniz trafiği süreçleri açıklanacaktır.
Çağımız teknoloji çağıdır, teknolojinin ilerlemesi hususunda veri madenciliğinin bilime katkısı kuşkusuzdur. Şüphesiz her teknolojik gelişmenin arkasında büyük bir veri seti ve veri madenciliği aşamaları söz konusudur. Bu çalışmada durum analizi yapmak üzere 2020 yılı İstanbul Boğazı boğaz geçişi yapan gemilerin verileri kullanılmıştır. Üçüncü bölümde çalışmamızda kullanılan veri işleme basamakları anlatılacak, veri istatistikleri tanımlayıcı istatistikler ile sunulacaktır.
Yöneylem araştırmaları bilim dünyasında pek çok alanda kullanılan kısıtlı kaynaklar ile optimum verimi ortaya çıkarmaya çalışan araştırmalardır. Yöneylem araştırması yaparken probleminiz ve değişkenleriniz göz önünde tutularak probleminizin çözümü için en uygun yöntemi belirlemeniz gerekir. Bu çalışmada gemilerin İstanbul Boğazında gemi geçişi için beklemelerinin nedenleri, oluşan gemi yoğunluğun azaltılabilmesi için yapılması gerekenler araştırılmaktadır. Bu da tipik bir bekleme yani kuyruk problemidir. Bu sebeple bu çalışmada İstanbul Boğazı deniz trafiği süre optimizasyonunda Kuyruk Teorisi (Queueing Theory) temelli matematiksel modelleme kullanılacaktır. Optimizasyon için matematiksel modellemenin yanında durum analizi de yapmak gerekir. İstanbul Boğazı deniz trafiği analizi için tanımlayıcı analiz en uygun yöntemdir. Dördüncü bölümde bu çalışmada kullanılan kuyruk teorisi, tanımlayıcı analiz ve bunları birleştiren süreç optimizasyonu yöntemleri incelenecektir. 
Bir akademik çalışmanın en önemli basamaklarından biri de uygulamadır. Uygulama aşamasında başarısız olan çalışmalar nihayetinde sonuca varamazlar. Bu çalışmada gerçekleştirilen kuyruk modellemesi performans göstergeleri ile tanımlayıcı analizler beşinci bölümde uygulama başlığı altında sunulacaktır. Altıncı bölümde bu analizlerden çıkarılan bulgular ve tartışmalar ele alınacaktır.
Gemilerin on yıl önceye nazaran çok daha büyük boyutlarda inşa edilmeleri, İstanbul Boğazından geçmek isteyen gemi sayısının artması, boğaz içerisinde gemi geçişlerinde meydana gelen veya meydana gelebilecek olan kazaların sonuçlarının ağırlaşması gibi nedenler Türk Boğazlarında gemi geçişi için süre ve emniyet optimizasyonu içeren Türk Boğazları gemi geçişini planlayacak çok amaçlı optimizasyonu zorunlu kılmıştır. Bu çalışmada çok amaçlı optimizasyonun ilk parçasını oluşturan süre optimizasyonu için gerekli matematiksel modelleme yöneylem araştırmasında kullanılan modellerden Kuyruk Teorisi ile oluşturulacak, süre optimizasyonu için gerekli olan diğer parça olan süreç analizi, 2020 yılı İstanbul Boğazı gemi geçiş verileri için tanımlayıcı analiz uygulaması ile elde edilecektir. Bu iki başlık bütünleştirilerek bu çalışmada süreç optimizasyonu oluşturulacaktır.

Abstract:
The maritime sector is a strategic sector of international importance that affects world trade in many ways. In this sector, where transportation activities are intense, international waterways are as important as ships and ports. Narrow channels and straits, such as the Suez Canal and the Strait of Hormuz, where ship traffic increases, play a key role in maritime trade. Undoubtedly, one of the strategically important straits of our country, the Bosphorus is one of the most important narrow waterways that play a key role in world trade.
The Bosphorus is a narrow waterway that connects the Black Sea with the Marmara and Aegean Seas to the Mediterranean. As in every narrow waterway, many international and national rules are applied for the safe navigation of ships in the Bosphorus. In this context, the passage of ships with or without a stop in the Bosphorus takes place in an uninterrupted and safe manner as long as there are no obstacles to the navigation of the ship. The Bosphorus is closed to traffic only in case of situations that may endanger the passage of ships. Such situations are carried out by Istanbul Ship Traffic Services within the framework of the Turkish Straits Maritime Traffic Regulations. In this study, after the introduction, in the second part, the Turkish Straits Maritime Traffic Regulation for Istanbul Ship Passage and the Turkish Straits Maritime Traffic Regulation Implementation Directive will be examined and the Maritime Traffic Principles for the Istanbul Strait will be explained. In addition, in this section, maritime traffic processes in the Bosphorus will be explained.
Our age is the age of technology, the contribution of data mining to science in terms of the advancement of technology is undoubted. Undoubtedly, behind every technological development, there is a large data set and data mining stages. In this study, the data of the ships crossing the Bosphorus in 2020 were used to analyze the situation. In the third chapter, the data processing steps used in our study will be explained and data statistics will be presented with descriptive statistics.
Operations research is the research that tries to reveal the optimum efficiency with limited resources used in many fields in the scientific world. While conducting an operations research, you need to determine the most appropriate method for solving your problem by considering your problem and variables. In this study, the reasons why ships are waiting for the passage of ships in the Bosphorus and what should be done to reduce the ship density are investigated. This is a typical waiting problem. For this reason, in this study, Queueing Theory-based mathematical modeling will be used in the time optimization of the Istanbul Strait maritime traffic. For optimization, besides mathematical modeling, it is necessary to make a situation analysis. Descriptive analysis is the most appropriate method for maritime traffic analysis of the Bosphorus. In the fourth chapter, queuing theory, descriptive analysis and process optimization methods used in this study will be examined.
One of the most important steps of an academic study is practice. Unsuccessful works in the implementation phase cannot ultimately reach the conclusion. Queue modeling performance indicators and descriptive analyzes performed in this study will be presented in the fifth section under the application title. In the sixth chapter, the findings and discussions that emerged from these analyzes will be discussed.
To be constructed in much larger extent than the ships decade ago, ships wishing to pass through the Bosporus the count to increase, cause such aggravation of the consequences of accidents which might happen in the transition vessels in the throat occurring or occur including the duration and safety optimization for navigation in the Turkish straits to plan the passage of ships Turkish Straits made multi-objective optimization mandatory. In this study, the mathematical modeling required for time optimization, which is the first part of the multi-objective optimization, will be created with Queuing Theory, one of the models used in operations research, and the process analysis, which is the other necessary part for time optimization, will be obtained with a descriptive analysis application for the year 2020 Istanbul Strait ship transit data. By integrating these two topics, process optimization will be created in this study.
The mathematical modeling of the waiting queues for the Bosphorus passage was made with the queuing theory. The modeling was compared with the descriptive analyzes of the ships crossing the Bosphorus Strait in 2020. As a result of this comparison, a process optimization was carried out for the Bosphorus Strait passage by combining modeling and analysis.
In this study, Queue modeling was carried out considering the relevant legislation. According to this modeling, the average number of ships waiting for the queue is 3, while the average number of ships waiting for service is 30. The probability of such a service being full is 9.8%, while the probability of being empty is 12.5%. In such a system design, the waiting time in the queue for the service is 7 hours and 20 minutes on average, while the waiting time for the queue is 40 minutes. While the situation is expected to be like this according to the modeling, descriptive statistics revealed that the current situation is far from modeling. In this study, descriptive analyzes were detailed in order to optimize the current situation, and recommendations were made together with the analysis results. Thus, process optimization was realized for the maritime traffic of the Bosphorus.Many findings were obtained in this study with proces optimizations:
According to the relevant legislation, sending the Sp-1 report must be done before a certain period of time. In addition, there is no restriction on the maximum time for sending an Sp-1 report in the regulation.
Today, many ships want to make various supplies before entering the strait after giving the Sp-2 report. The readiness notification time added as the ready time to this work content is important for the throat passage process notification.
There is confusion in the status of ships entering and leaving the 2 ports in the Bosphorus, a standard should be established for the status of these ships.
The most intense interval between sending Sp-1 and Sp-2 reports is between 6-12 hours, while the peak interval after this interval is 0-6 hours. According to the relevant legislation, except for the ships departing from Marmara ports, ships must submit an Sp-1 report at least 24 hours before the passage of the strait. For ships departing from Marmara ports, this period is stipulated at least 6 hours before the entrance of the Bosphorus.

It has been observed that the rules set by the administration, especially in terms of height and water withdrawal, are not followed. The reasons for this situation should be investigated and necessary studies should be carried out to disseminate the rules specified in the regulation.
In practice, it is thought that ships with a pilot will be kept waiting less. The analyzes made demolish this notion. On the contrary, ships requesting pilots are kept on hold due to insufficient pilot service.
As a result of this study, suggestions were made with the optimization of the Bosphorus maritime traffic process. These recommendations are as follows:
Regulations regarding the process or time period that will optimize the Bosphorus strait passage processes can be included in the legal legislation, the existing national legislation can be rearranged by completing the legal legislation deficiencies.
Various information and promotional activities can be organized in order to make some legal norms that are not followed even though they are included in the legal legislation more visible, and non-compliance with the rules can be punished with administrative sanctions.
By ensuring that the readiness notification period (preparation time) is known by both ships and maritime traffic operators, waiting queues can be reduced and thus maritime traffic accidents and incidents can be prevented.
Standards for the entrance and exit of the two ports on the Bosphorus can be determined in terms of both time and security, whether they will participate in the strait passage process and what the principles of their safe navigation will be can be determined.
Pilot demands for the Bosphorus region have increased, and the benefits are statistically explained in this study. For this reason, increasing the pilotage services and providing the necessary equipment for this increase can reduce the waiting times in maritime traffic.
A considerable amount of waiting queues can occur in the maritime traffic of the Bosphorus. In order to avoid these queues, process optimization was performed in this study. For the optimization, first of all, a Queuing modelling was created for the maritime traffic of the Bosphorus and the performance indicators of the modeling were given in this study. Thus, Queuing modeling has been brought to the literature within the framework of the current legislation for Bosphorus maritime traffic. In addition, the current Bosphorus descriptive statistics and descriptive analyzes of the process have also been brought to the literature. With these statistics and analysis, the problems in the current situation have been revealed. Suggestions made by combining mathematical modeling and analysis are suggestions that will optimize the maritime traffic of the Bosphorus in terms of the process. It is possible to say that the proposals to be implemented will be effective enough to affect world trade.