A stochastic optimization model to support decisions in infrastructure operation projects

Public Private Partnerships (PPPs) are associations between a private party and a government agency for providing a public asset or service, most commonly infrastructure. Financing comes from an upfront investment from the private sector but requires funding from financial institutions, and payments...

Full description

Autores:
Torres Ramírez, Natalia
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2020
Institución:
Universidad de los Andes
Repositorio:
Séneca: repositorio Uniandes
Idioma:
eng
OAI Identifier:
oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/48659
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/1992/48659
Palabra clave:
Optimización matemática
Programación estocástica
Cooperación entre los sectores público y privado
Ingeniería
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description Public Private Partnerships (PPPs) are associations between a private party and a government agency for providing a public asset or service, most commonly infrastructure. Financing comes from an upfront investment from the private sector but requires funding from financial institutions, and payments from the public sector and/or users over the project's lifetime. The private partner's role in the partnership is the design, completion, implementation and funding of the project, while the public partner focuses on defining and monitoring compliance with the objectives. This research is focused on PPPs associated to maintenance of a road throughout a given horizon. We propose a stochastic optimization model that describes the life-cycle performance of the system (as a result of deterioration and maintenance processes), and the private partner's earnings and costs associated to maintenance decisions. A Mixed Integer Program (MIP) is formulated to model the situation, and the resulting problem is solved by the Sample Average Approximation (SAA) method using Monte Carlo simulation. We generate realizations of the deterioration process considering the system degradation as a general increasing Non-Homogeneous (NH) Lévy process. We model progressive and shock-based degradation using a Gamma Process and a compound Poisson process, respectively, and we consider multiple sources of degradation by the superposition of any of these models. We provide a decision-support tool for private entities involved in infrastructure projects operated via PPPs that can be used for the analysis of diverse scenarios by running the model under different conditions. We test our methodology with a synthetic case study based on available information for infrastructure projects executed under PPPs in Colombia
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The private partner's role in the partnership is the design, completion, implementation and funding of the project, while the public partner focuses on defining and monitoring compliance with the objectives. This research is focused on PPPs associated to maintenance of a road throughout a given horizon. We propose a stochastic optimization model that describes the life-cycle performance of the system (as a result of deterioration and maintenance processes), and the private partner's earnings and costs associated to maintenance decisions. A Mixed Integer Program (MIP) is formulated to model the situation, and the resulting problem is solved by the Sample Average Approximation (SAA) method using Monte Carlo simulation. We generate realizations of the deterioration process considering the system degradation as a general increasing Non-Homogeneous (NH) Lévy process. We model progressive and shock-based degradation using a Gamma Process and a compound Poisson process, respectively, and we consider multiple sources of degradation by the superposition of any of these models. We provide a decision-support tool for private entities involved in infrastructure projects operated via PPPs that can be used for the analysis of diverse scenarios by running the model under different conditions. We test our methodology with a synthetic case study based on available information for infrastructure projects executed under PPPs in ColombiaLas asociaciones público-privadas (APP) son asociaciones entre una parte privada y una agencia gubernamental para proporcionar un activo o servicio público, principalmente infraestructura. En estos proyectos el financiamiento proviene de una inversión inicial del sector privado, pero requiere financiamiento de instituciones financieras y pagos del sector público y/o usuarios durante la vida útil del proyecto. El rol del socio privado en la asociación es el diseño, finalización, implementación y financiamiento del proyecto, mientras que el socio público se enfoca en definir y monitorear el cumplimiento de los objetivos. Esta investigación se centra en las APP asociadas al mantenimiento de carreteras en un horizonte determinado. Proponemos un modelo de optimización estocástica que describe el rendimiento del ciclo de vida del sistema (como resultado de los procesos de deterioro y mantenimiento) y las ganancias y los costos del socio privado asociados con las decisiones de mantenimiento. Se formula un programa de optimización de entero mixto (MIP) para modelar la situación, y el problema resultante se resuelve mediante el método de Aproximación promedio de muestra (SAA) usando la simulación Monte Carlo. Generamos realizaciones del proceso de deterioro considerando la degradación del sistema como un proceso Lévy no homogéneo (NH) creciente. Modelamos la degradación progresiva y basada en el choque utilizando un proceso Gamma y un proceso compuesto de Poisson, respectivamente, y consideramos múltiples fuentes de degradación por la superposición de cualquiera de estos modelos. Proporcionamos una herramienta de apoyo a la decisión para entidades privadas involucradas en proyectos de infraestructura operados a través de APP que puede usarse para el análisis de diversos escenarios ejecutando el modelo bajo condiciones. Probamos la metodología con un caso de estudio teórico basado en información disponible para proyectos de infraestructura ejecutados bajo APP en ColombiaMagíster en Ingeniería IndustrialMaestría24 hojasapplication/pdfengUniversidad de los AndesMaestría en Ingeniería IndustrialFacultad de IngenieríaDepartamento de Ingeniería Industrialinstname:Universidad de los Andesreponame:Repositorio Institucional SénecaA stochastic optimization model to support decisions in infrastructure operation projectsTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TMOptimización matemáticaProgramación estocásticaCooperación entre los sectores público y privadoIngenieríaPublicationc9bd55b2-0b42-4b25-acc4-1391a7c9dd22virtual::17692-1c9bd55b2-0b42-4b25-acc4-1391a7c9dd22virtual::17692-1ORIGINALu833305.pdfapplication/pdf842109https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/0b20eb34-9a21-48bf-9759-d5bf82625adc/download76c8ac2e7f8faac90571d4dc6711c1c4MD51THUMBNAILu833305.pdf.jpgu833305.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg19778https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/32a2f4c8-f523-4524-8840-8ef0b82cfb19/download7093fb95ed831cb0d5f49796a4bb27d2MD55TEXTu833305.pdf.txtu833305.pdf.txtExtracted texttext/plain81715https://repositorio.uniandes.edu.co/bitstreams/09736fa2-84f3-4b38-91db-3b6e76936a8e/downloade88153be7b03fa036c2c676d9b126197MD541992/48659oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/486592024-03-13 16:05:27.002https://repositorio.uniandes.edu.co/static/pdf/aceptacion_uso_es.pdfopen.accesshttps://repositorio.uniandes.edu.coRepositorio institucional Sénecaadminrepositorio@uniandes.edu.co