0 UNIVERISDAD PANAMERICANA FACULTAD DE INGENIERÍA “METODOLOGÍAS PARA MEJORAR LA PLANEACIÓN DEL USO DE LA FUERZA MOTRIZ EN UNA COMPAÑÍA FERROVIARIA” TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA P R E S E N T A OSWALDO VLADIMIR MOTA HERNÁNDEZ DIRECTOR DE TESIS: MARÍA DE LOURDES GUADALUPE MARTÍNEZ VILLASEÑOR CDMX 2020 Con estudios incorporados a la Secretaría de Educación Pública 1 Agradecimientos ➢ Con todo mi corazón y cariño, como resultado del esfuerzo y dedicación a lo largo de sus vidas: para mis padres, Ricardo Mota y María Eugenia Hernández, mi hermana, Jacqueline Mota y mi abuela, Sofía Sánchez, quienes, con su apoyo, cariño y confianza, me han convertido en una persona de provecho, ayudándome a culminar una meta muy importante en mi vida. ➢ A mi esposa Fabiola Rodríguez, con todo mi amor y como muestra de seguir luchando para alcanzar todo lo que soñemos. ➢ Para mi amigo Israel López, primero por adentrarme al mundo del ferrocarril y segundo por compartirme todo su conocimiento y recomendaciones cuando más las necesité y por último por tener el privilegio de haber trabajado a tu lado. ➢ Con gran admiración y respeto a la Dra. María de Lourdes Martínez Villaseñor por la dirección de la tesis y por su apoyo en cada clase. ➢ Al ingeniero Juan Carlos Villa por la revisión de esta tesis, así como sus comentarios y atinadas sugerencias. ➢ A la Universidad Panamericana y a la Facultad de Ingeniería, por brindarme la oportunidad de realizarme como profesionista y aspirar al grado de maestro. ➢ En memoria del gran cantante y persona, Guillermo Guerra, quien siempre vivirá en nuestros recuerdos y con sus grandes canciones, que algún día mis hijos escucharán. Será imborrable su legado. 2 Resumen El problema de dimensionamiento de locomotoras a largo plazo y planeación de la asignación de máquinas a los trenes es un problema que actualmente en México no cuenta con una metodología para resolverlo, en los ferrocarriles americanos hay diferentes soluciones a nivel estratégico que involucran aspectos de la vía, talleres y flota, pero enfocados en el tren de pasajeros. Dentro del tren de carga sólo existen soluciones a nivel operativo y con un horizonte máximo de siete días, lo cual no permite proyectar a largo plazo el número de máquinas requeridas. En este trabajo se plantean dos metodologías para solucionar el problema de no tener suficiente fuerza tractiva para cubrir la demanda requerida y plantear una mejora en la asignación de locomotoras a los trenes más importantes y así optimizarlos. Se realiza un análisis histórico de los últimos doce meses, en el cual se determina la productividad por tipo de máquina, promedio diario de uso de fuerza extranjera, disponibilidad de locomotoras, rutas operativas de la red ferroviaria, tonelaje bruto promedio de trenes, número promedio de máquinas por tren, entre otros factores. Se dan las bases para proyectar la flota mínima diaria de locomotoras a un horizonte de cinco años y se muestran los beneficios de una mejor planeación de asignación de máquinas a los trenes más importantes por tipo. El resultado del análisis determina que se puede eliminar el uso de máquinas externas, se justifica la adquisición de máquinas nuevas de corriente alterna (AC) de última tecnología por renovación de flota obsoleta de máquinas de corriente directa (DC) y se obtiene una reducción de uso de fuerza en cada tren al mover la misma carga con menos locomotoras, generando ahorros en consumos de combustible importante a lo largo del año. Se sugiere mayor investigación relacionada a la capacidad de arrastre por cada eje operativo de las nuevas locomotoras AC con el fin optimizar aún más la fuerza motriz que debe de llevar cada tren. 3 Contenido Agradecimientos ................................................................................................................................. 1 Resumen .............................................................................................................................................. 2 Índice de Tablas y Figuras.................................................................................................................... 6 Tablas .............................................................................................................................................. 6 Figuras ............................................................................................................................................. 7 Introducción ........................................................................................................................................ 8 Capítulo 1. Antecedentes .................................................................................................................. 11 1.1 Privatización de Ferrocarriles Nacionales de México .............................................................. 11 1.2 Participación del ferrocarril en el transporte de carga ........................................................... 12 1.3 Carga movida por concesionario en 2018 ............................................................................... 13 1.4 Crecimiento de la fuerza motriz del Sistema Ferroviario Mexicano ....................................... 14 1.5 Fuerza motriz del Sistema Ferroviario Mexicano en 2017 ...................................................... 14 1.6 Tipos de Locomotoras ............................................................................................................. 15 1.7 Flota total de locomotoras de Ferromex en la actualidad ...................................................... 16 Capítulo 2. Diagnóstico de la situación actual de la fuerza motriz en Ferromex .............................. 18 2.1 Impacto del uso de máquinas extranjeras en Ferromex ......................................................... 18 2.2 Impacto en el consumo de combustible y gastos de mantenimiento por no contar con una eficiente planeación de asignación de máquinas a los trenes ...................................................... 21 2.3 Objetivos e hipótesis ............................................................................................................... 22 2.4 Definición del problema .......................................................................................................... 23 Capítulo 3. Marco teórico ................................................................................................................. 24 Capítulo 4. Metodologías para la optimización del uso de la fuerza motriz en una compañía ferroviaria .......................................................................................................................................... 29 4.1 Plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras requeridas diariamente para operar a un horizonte de 5 años ........................................................................................... 29 4.1.1 Diagrama de flujo del plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras ................................................................................................................................................... 30 1.-Nuevo pronóstico quinquenal de TKN’s ........................................................................... 31 2.-Aplicar factor TKB/TKN al pronóstico para obtener TKB’s ................................................ 31 3.-Promedio de TKB’s diarias a mover por mes .................................................................... 31 4.-Obtener la productividad por tipo de locomotoras (AC y DC) .......................................... 31 4 5.-Asignar locomotoras AC a la operación con base en el porcentaje de disponibilidad del año pasado ............................................................................................................................ 31 6.-Balance de TKB’s a Mover VS TKB’s de la flota de camino (AC y DC) ............................... 32 4.1.2 Caso práctico de aplicación en una compañía ferroviaria ............................................... 33 4.1.2.1.-Nuevo pronóstico quinquenal de TKN’s y estacionalidad ....................................... 33 4.1.2.2.- Aplicar factor TKB/TKN al pronóstico para obtener TKB’s y el promedio de TKB’s diarias a mover por mes ........................................................................................................ 35 4.1.2.3.-Obtener la productividad por tipo de locomotoras (AC y DC) ................................. 36 4.1.2.4.-Asignar locomotoras AC a la operación con base en el % de disponibilidad del año pasado ................................................................................................................................... 36 4.1.2.5.-Balance de TKB’s a Mover VS TKB’s de la flota de camino (AC y DC) ...................... 36 4.1.2.6.-Resultados ................................................................................................................ 38 4.1.3 Justificación de la compra de locomotoras mediante un ACB (Análisis Costo-Beneficio) 41 4.1.3.1 Criterios de evaluación .............................................................................................. 41 4.1.3.2 Evaluación financiera ................................................................................................ 42 4.1.3.3 Flujo financiero .......................................................................................................... 43 4.1.4 Conclusiones de la metodología ...................................................................................... 45 4.2 Planeación para la asignación del número de máquinas por tramo operativo que necesitan los trenes más importantes por segmento de mercado ............................................................... 46 4.2.1 Diagrama de flujo la asignación de número de máquinas por tramo operativo para los trenes más importantes por tipo .............................................................................................. 47 1.-Nuevo pronóstico anual de demanda de carga a mover mes x mes (toneladas comerciales netas) ................................................................................................................ 48 2.-Aplicar factor Ton Br/Ton Net al pronóstico ..................................................................... 48 3.-Promedio de toneladas brutas diarias a mover por mes .................................................. 48 4.-Obtener los trenes más importantes por tipo con base en el histórico del último año ... 48 5.-Definir las rutas operativas por donde correrán los trenes .............................................. 48 6.-Asignar el factor de caballaje compensado por cada tramo operativo ............................ 48 7.-Clasificar los trenes por rumbo y asignar sus tramos ....................................................... 49 8.-Obtener el número de HP’s por tren en cada tramo operativo ....................................... 49 9.-Transformar HP’s en número de máquinas que se necesitan x tramo en cada tren ....... 49 4.2.2 Caso práctico de aplicación en una compañía ferroviaria ............................................... 49 4.2.2.1.-Nuevo pronóstico anual de mes x mes (toneladas comerciales netas) ................... 50 5 4.2.2.2.-Aplicar factor Ton Br/Ton Net al pronóstico ............................................................ 50 4.2.2.3.-Promedio de toneladas brutas diarias a mover por mes ......................................... 50 4.2.2.4.-Obtener los trenes más importantes por tipo con base en el histórico 2018 ......... 51 4.2.2.5.-Definir las rutas operativas por donde correrán los trenes ..................................... 52 4.2.2.6.-Asignar el factor de caballaje compensado por cada tramo operativo ................... 54 4.2.2.7.-Clasificar los trenes por rumbo y asignar sus tramos .............................................. 54 4.2.2.8.-Obtener el número de HP’s por tren en cada tramo operativo .............................. 55 4.2.2.9.-Transformar HP’s en número de máquinas que se necesitan x tramo en cada tren ............................................................................................................................................... 56 4.2.2.10.-Resultados de la metodología ................................................................................ 56 4.2.3 Ahorros por el uso de la metodología desarrollada ......................................................... 61 4.2.4 Conclusiones de la metodología ...................................................................................... 64 Capítulo 5. Recomendaciones para investigaciones a futuro ........................................................... 65 Referencias ........................................................................................................................................ 66 6 Índice de Tablas y Figuras Tablas Tabla 1 - Evolución de la fuerza motriz del SFM (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2018) ................................................................................................................................................. 14 Tabla 2 - Distribución de fuerza motriz en el SFM ............................................................................ 14 Tabla 3 - Tabla de flota de locomotoras FXE por marca y modelo ................................................... 17 Tabla 4 - Toneladas Brutas - Km que se movieron por los distritos fronterizos en 2018 en la red de Ferromex ........................................................................................................................................... 18 Tabla 5 - Consumo mensual de combustible 2018 por tipo de locomotoras ................................... 22 Tabla 6 - Pronóstico de ventas en TKN's ........................................................................................... 34 Tabla 7 - Estacionalidad ..................................................................................................................... 34 Tabla 8 - Estadística histórica de TKN's y TKB's ................................................................................. 35 Tabla 9 - Promedio diario de TKB's mes x mes de los cinco años ..................................................... 35 Tabla 10 - Estadística histórica del año anterior de productividad por tipo de locomotora ............ 36 Tabla 11 - Disponibilidad histórica de locomotoras AC del último año ............................................ 36 Tabla 12 - Flota efectiva de locomotoras AC ..................................................................................... 36 Tabla 13 - Cálculo de locomotoras requeridas .................................................................................. 37 Tabla 14 - Locomotoras adicionales por año .................................................................................... 38 Tabla 15 - Plan de adquisición de locomotoras ................................................................................ 38 Tabla 16 - Flujo financiero del costo beneficio de la compra de locomotoras (1/2) ........................ 43 Tabla 17- Flujo financiero del costo beneficio de la compra de locomotoras (2/2) ......................... 44 Tabla 18- Pronóstico anual 2019 de toneladas comerciales netas ................................................... 50 Tabla 19- Proyección de toneladas brutas para el siguiente año ..................................................... 50 Tabla 20 - Proporción de toneladas por tipo de tren del último año y proyección .......................... 51 Tabla 21 - Toneladas brutas a mover por tipo de tren mes x mes .................................................... 51 Tabla 22 - Promedio diario por toneladas brutas por tipo de tren .................................................. 51 Tabla 23 - Trenes tipo A más importantes ........................................................................................ 52 Tabla 24 - # de trenes por tipo a proyectar....................................................................................... 52 Tabla 25- Rutas operativas de la red de Ferromex ........................................................................... 52 Tabla 26 – Factores de caballaje compensado en la ruta Ciudad Juárez – Valle de México ............ 54 Tabla 27 - Clasificación de trenes tipo A por rumbo N y S ................................................................ 54 Tabla 28 – Asignación de tramos operativos para los trenes automotrices ..................................... 55 Tabla 29 – HP’s necesarios por tren para cada tramo operativo 1/2 ............................................... 56 Tabla 30 - Reducción de uso de fuerza motriz mediante el uso de la metodología propuesta ........ 62 7 Figuras Figura 1 - Mapa del Sistema Ferroviario Mexicano (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2017) ................................................................................................................................................. 11 Figura 2- Gráfica de evolución de la carga transportada en el SFM (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2018) ........................................................................................................... 12 Figura 3 - Crecimiento de la participación del ferrocarril en el transporte de carga del 1999 al 2017 ........................................................................................................................................................... 13 Figura 4 - Toneladas movidas por concesionario de ferrocarril en 2018 .......................................... 13 Figura 5 - Máquina FXE-4816 (Modelo G.E. ES-4,400AC, 2016, 6 ejes, AC, 4,400 HP’s) ................... 15 Figura 6 - Adquisición de locomotoras AC por parte de Ferromex a lo largo de la concesión ......... 16 Figura 7 - Composición de la flota actual de locomotoras FXE ......................................................... 16 Figura 8- Ubicación de los puntos de intercambio fronterizo entre Ferromex y Ferrocarriles de Estados Unidos .................................................................................................................................. 18 Figura 9- Gráfica de promedio diario de locomotoras mes a mes .................................................... 19 Figura 10 - Gráfica de locomotoras de FXE fuera de su red y de locomotoras externas en territorio FXE ..................................................................................................................................................... 20 Figura 11 – Efecto neto de locomotoras fuera de FXE y externas en FXE ........................................ 20 Figura 12 – Gráfica de consumo de combustible mensual 2018 ...................................................... 22 Figura 13 – Niveles de clasificación del Problema de Asignación de Locomotoras (LAP) (Assad, 1980) ................................................................................................................................................. 25 Figura 14 – Diferentes etapas en el proceso de planeación (Goossens, 2006) ................................ 26 Figura 15 - Proceso general para el requerimiento de locomotoras ................................................ 30 Figura 16 - Diagrama de flujo para comparar TKB’s a mover vs Fuerza AC ...................................... 32 Figura 17 - Diagrama de flujo para comparar TKB’s a mover vs Fuerza DC ...................................... 33 Figura 18 - Gráfica quinquenal del promedio diario mes a mes de demanda y fuerza tractiva ....... 38 Figura 19- Gráfica quinquenal del promedio diario mes a mes de demanda y fuerza tractiva con máquinas adicionales ........................................................................................................................ 39 Figura 20 - Proceso general para la asignación de máquinas a los trenes por tramo operativo ...... 47 Figura 21 - Factor de conversión toneladas brutas entre netas operativas ..................................... 50 Figura 22 - Patios operativos o de intercambio de máquinas en la red de Ferromex ...................... 53 Figura 23 - Locomotoras requeridas por tramo de un tren (actualmente) ...................................... 56 Figura 24 - Locomotoras requeridas por tramo de un tren (propuesta) .......................................... 57 Figura 25 - Comparativo de # de máquinas por tramo de un tren ................................................... 57 Figura 26 - Máquinas x tren x tramo operativo 1/3 .......................................................................... 58 Figura 27 - Máquinas x tren x tramo operativo 2/3 .......................................................................... 59 Figura 28 - Máquinas x tren x tramo operativo 3/3 .......................................................................... 60 Figura 29 - Máquinas AC y DC promedio diario que se necesitan por patio .................................... 61 Figura 30 – Comparativo de consumo de combustible por tramo ................................................... 63 8 Introducción El tema de este trabajo es desarrollar dos metodologías para la optimización de la planeación de uso de la fuerza motriz dentro de una compañía ferroviaria. La primera consiste en dimensionar la flota mínima de locomotoras de camino que se necesita para operar diariamente a un futuro de cinco años y la segunda trata de plantear una mejora para la asignación de locomotoras para los trenes más importantes por segmento de mercado. Actualmente la compañía sobre la que se aplican las metodologías antes descritas enfrenta varios problemas con respecto a la fuerza motriz o número de locomotoras con las que cuenta. El primero y más importante es que en los últimos años, durante los meses de mayor demanda de máquinas, se tuvo dificultades para mover las toneladas requeridas por los clientes; en consecuencia la empresa no contaba con locomotoras suficientes en la frontera para recibir el intercambio de trenes, por lo cual las máquinas extranjeras de los ferrocarriles Union Pacific (UP) y Burlington Northern & Santa Fe (BNSF) se vieron en la necesidad de entrar a la red ferroviaria de México con los trenes que debía mover la propia compañía. El impacto de tener locomotoras de otras compañías en las vías que se tienen concesionadas ha causado un gran endeudamiento de horas-caballos de fuerza (horas-HP) por cada locomotora dentro de su territorio y esto a su vez genera que cuando los ferrocarriles de Estados Unidos necesiten fuerza motriz, se deberán regresar las locomotoras de inmediato y mandar fuerza motriz nacional para pagar la deuda y como consecuencia se reduce aún más la fuerza motriz con la que se cuenta. El segundo problema es que no se cuenta con una planeación de asignación de máquinas a los trenes y que los costos por consumo de combustible y mantenimiento se han ido incrementando debido a que la flota actual se está haciendo cada día más obsoleta. Por lo cual, se tiene como objetivo ir renovando la flota paulatinamente con el fin de hacerla más eficiente y por ende reducir el gasto en el consumo de combustible y de mantenimiento. Por lo anterior, el objetivo del análisis es desarrollar una metodología que permita calcular el número mínimo de locomotoras requeridas para cubrir la demanda comercial de los próximos cinco años y optimizar la planeación del uso de la fuerza motriz en cada tren, garantizando una buena velocidad mínima en las pendientes gobernadoras de la red ferroviaria. Con base en lo antes mencionado se pretende demostrar que las metodologías son capaces de resolver el problema de no tener suficiente fuerza para mover la demanda y evitar el desperdicio de fuerza en los trenes, y por ende, gastos innecesarios en consumo de combustible. Partiendo de este punto, el área de Planeación de una empresa ferroviaria encontró diversas soluciones operativas para la optimización de asignación de máquinas para cada tren día a día y a un horizonte máximo de siete días, lo cual no resuelve los problemas de planeación. Ziarati, Soumis, Gélinas y Saintoge (Ziarati, Soumis, Desrosiers, Gélinas, & Saintonge, 1997) desarrollaron un modelo de flujo de productos múltiples con restricciones adicionales con el objetivo de proporcionar suficiente fuerza tractiva a los trenes, utilizando sistemas heterogéneos de locomotoras y trenes; Xu X, Li, y Xu (Xu, Li, & Xu, 2018) modelaron e intentaron resolver el problema integrado de asignación de locomotoras y horarios de trenes. Observaron una 9 desventaja del proceso de planificación jerárquica, que a menudo resulta en una mala coordinación entre el horario del tren y el horario de la locomotora. Estos análisis observaron que cuando se realiza la programación de los trenes, se descuidan el horario y las rutas de las locomotoras. Como se puede apreciar en los objetivos de los modelos mencionados se centran en un problema de operación a trenes del día a día y actuando dependiendo de los problemas que suceden diariamente y no de planeación de la flota mínima de máquinas que se necesitan para operar o conocer el tonelaje promedio con los que correrán los trenes y así determinar el número de máquinas que se requieren en los patios para que salgan, parten de un pull fijo de locomotoras. Actualmente hay varios modelos para resolver el problema de la operación en la asignación de locomotoras a trenes (Wright, 1989; Xu et al., 2018; Ziarati et al., 1997), sin embargo, no se encontró ninguna solución enfocada para determinar el número mínimo de locomotoras hacia el futuro y la planeación de una asignación óptima de máquinas de acuerdo a un pronóstico de ventas. El trabajo aquí analizado presenta dos metodologías óptimas para conocer el pull mínimo que se requiere para la operación diaria y un programa de asignación de máquinas en cada tramo operativo para los trenes más importantes por segmento de mercado. La primera metodología contempla la mayoría de las variantes que pueden afectar la fuerza motriz disponible, básicamente consiste en realizar un balance de oferta contra demanda. La demanda será proporcionada por el área Comercial de la empresa ferroviaria de forma anual y en toneladas- kilómetro netas, éstas serán transformadas en toneladas-kilómetro brutas y después se obtendrá un promedio diario a mover mes a mes con base en la estacionalidad del año pasado. Para obtener la oferta actual de toneladas que se pueden mover, primero se calculará la productividad unitaria por tipo de locomotoras, corriente alterna (AC) y corriente directa (DC), después con la estadística histórica de disponibilidad de máquinas AC se proyectará a los años futuros un promedio de dicha disponibilidad y por último se obtendrán las toneladas-kilómetro brutas totales que pueden mover las locomotoras AC y DC de camino. Con todo lo anterior cualquier usuario que use esta metodología será capaz de realizar un balance de toneladas-kilómetro brutas a mover contra las que proporcionan la flota actual; si la demanda es mayor, se requerirá fuerza adicional, si no, se mandará a los servicios de patio las locomotoras sobrantes. El requerimiento de locomotoras adicionales se basará en los meses de mayor demanda y se repetirá para cada uno de los años agregando las locomotoras de años anteriores y así obtener una flota acumulada. La segunda metodología consiste en calcular cuántos caballos de fuerza (HP’s) necesitan los principales trenes por segmento de mercado en cada uno de los tramos por lo que pasarán, garantizando una velocidad mínima en la pendiente gobernadora entre 23 y 25 km/h. La demanda será proporcionada por el área Comercial de la empresa ferroviaria de forma mensual y en toneladas netas, éstas serán transformadas en toneladas brutas y después se obtendrá un promedio diario a mover mes a mes con base en la estacionalidad del año pasado; se obtendrán los trenes más importantes que corrieron durante el último año por tipo de tren, después se definirán las rutas operativas por dónde correrán y clasificarán por rumbo para poder asignar su 10 factor de caballaje compensado. Con todo lo anterior se podrá obtener los HP’s necesarios para mover los trenes y se calculará el número de locomotoras por tren y por tramo teniendo como premisa desperdiciar lo menos que se pueda de fuerza. Este proceso se repetirá para cada mes a lo largo del año. El documento está organizado de la esta manera: La siguiente sección proporciona los antecedentes. En el capítulo 2 veremos un diagnóstico de la situación. El marco teórico se presenta en el capítulo 3. El capítulo 4 explica las metodologías propuestas, un caso práctico de aplicación y sus resultados y conclusiones. El capítulo 5 presenta algunas recomendaciones para investigaciones a futuro. 11 Capítulo 1. Antecedentes 1.1 Privatización de Ferrocarriles Nacionales de México En 1995, el gobierno mexicano decidió la privatización de Ferrocarriles Nacionales de México (FNM), otorgando concesiones por 50 años de la red FNM. De los 17,384 kilómetros de vía que fueron concesionados a las diferentes empresas, Ferromex se quedó con el 47% (8,121 km), siendo el principal concesionario de las vías férreas del país, sin embargo, Kansas City Southern de México, segundo más importante concesionario, perteneciéndole el 24% de las vías (4,250 km), fue el que obtuvo la línea (Línea B) con la distancia más corta entre la Ciudad de México y Estados Unidos. Ferromex, por otra parte, obtuvo la mayoría de los puertos y los puntos de conexión restantes con Estados Unidos, dándole también una gran ventaja territorial, mientras que el resto de las nuevas compañías ferroviarias se quedaría con el tráfico local de su región. Después de la privatización de FNM las vías férreas quedaron distribuidas en el país por concesión, como se aprecia en la figura 1. Figura 1 - Mapa del Sistema Ferroviario Mexicano (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2017)1 1 Actualmente la distribución de las vías ha cambiado, sin embargo, para efectos de sólo mostrar Ferromex se muestra este mapa. https://www.ecured.cu/1995 12 1.2 Participación del ferrocarril en el transporte de carga Actualmente el ferrocarril sigue siendo el sistema de transporte de carga más eficiente, ya que es el que con menor cantidad de energía mueve más carga por kilómetro recorrido. En la mayoría de los países primermundistas siguen desarrollando su economía alrededor de este tipo de transporte, por lo cual incrementar la participación de este servicio dentro del país cobra gran relevancia. En los últimos años el Sistema Ferroviario Mexicano en el transporte de carga ha ido incrementando su participación de manera continua como se muestra en la figura 2. Figura 2- Gráfica de Evolución de la Carga Transportada en el SFM (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2018) El tonelaje transportado por ferrocarril en los últimos diez años incrementó un 28%, moviendo 28 millones de toneladas más en 2018 con respecto al 2008. Tan solo de 2017 a 2018 hubo un incremento del 1%. De 1999 al 2017 el ferrocarril en México incrementó su participación en un 6.4% dentro del transporte de carga terrestre, generando que las compañías ferroviarias incrementen su flota de fuerza motriz. En la figura 3 se muestra el porcentaje de 1999 que es de 18.8%, y en 2017 de 25.2%, lo que arroja el incremento de 6.4% 13 Figura 3 - Crecimiento de la participación del ferrocarril en el transporte de carga del 1999 al 2017 1.3 Carga movida por concesionario en 2018 Con el incremento de la participación del ferrocarril en el transporte de carga, Ferromex ha logrado ubicarse como la compañía ferroviaria que más volumen de carga mueve. Como se ve en la figura 4, Ferromex logró mover el 61.8% de toneladas en 2018 del volumen total. Figura 4 - Toneladas movidas por concesionario de ferrocarril en 20182 2 KCSM – Kansas City Southern de México LCD – Ferrocarril Coahuila Durango FTVM – Ferrocarril y Terminal del Valle de México FIT – Ferrocarril del Istmo de Tehuantepec 14 1.4 Crecimiento de la fuerza motriz del Sistema Ferroviario Mexicano Una locomotora (fuerza motriz) es un material rodante con motor que se usa para dar tracción a los carros (unidades de arrastre) de ferrocarril. Como se mencionó anteriormente el incremento de volumen de carga a mover ha propiciado que las compañías concesionarias se vean en la necesidad de adquirir más locomotoras año con año para cubrir este crecimiento. La tabla 1 muestra el incremento paulatino de la flota total de locomotoras en el país, un incremento del 10% en los últimos diez años y el aumento de HP’s por máquina. Tener más caballaje por máquina permite mover la misma carga con menos máquinas y es consecuencia de la modernización del tipo de locomotora. A grandes rasgos, la actualización de locomotoras DC (1,200 a 3,000 HP’s) a locomotoras AC (4,000 a 4,400 HP’s) es lo que permite ir mejorando la productividad unitaria año con año. Tabla 1 - Evolución de la Fuerza Motriz del SFM (Agencia Reguladora del Transporte Ferroviario, 2018) 1.5 Fuerza motriz del Sistema Ferroviario Mexicano en 2017 En 2017 el Sistema Ferroviario Mexicano contaba con un total de 1,295 locomotoras en toda la red, siendo Ferromex el de mayor participación con un 46%, dado que fue el que mayor volumen de carga movió (ver tabla 2). Tabla 2 - Distribución de Fuerza Motriz en el SFM Año Locomotoras (unidades) Potencia Total (HP) Potencia Promedio (HPx unidad) 2008 1,177 3,865,200 3,284 2009 1,160 3,751,050 3,234 2010 1,213 3,998,650 3,296 2011 1,236 4,127,050 3,339 2012 1,231 4,136,100 3,360 2013 1,243 4,242,150 3,413 2014 1,207 4,142,000 3,432 2015 1,280 4,470,500 3,493 2016 1,298 4,582,950 3,531 2017 1,295 4,606,900 3,557 2018 1,274 4,550,000 3,571 EVOLUCIÓN DE LA FUERZA MOTRIZ 2008 -2018 15 1.6 Tipos de Locomotoras Las locomotoras de diésel-eléctricas vienen siendo plantas de corriente que proporciona energía a los motores de tracción ubicados en cada uno de los ejes de la máquina. Este tipo de plantas para ser activadas cuentan con un generador, en caso de ser de corriente directa (DC), o un alternador, si son de corriente alterna (AC), y en ambos tipos un motor diésel es el encargado de encender el generador o alternador. Ferrocarriles Nacionales de México solo contaba con locomotoras tipo DC por considerarse más seguras y más fácil de controlar su voltaje y amperaje, sin embargo, tiempo después las locomotoras AC demostraron también ser eficientes y poder controlar totalmente su voltaje y amperaje, además de que esta tecnología permitía incluir dos ejes más tractivos y por ende más caballaje, de 1,200 HP’s o 3,000 HP’s a 4,000 HP’s o hasta 4,400 HP’s, lo cual se traduce en mayor fuerza tractiva por máquina. En la figura 5 se muestra un ejemplo de una máquina AC de 6 ejes. Actualmente Ferromex cuenta con los dos tipos de locomotoras, sin embargo, la mayoría de la flota DC es utilizada en trabajos de patio, es decir formación de trenes, clasificación de carros, entrega de equipo a industria, etc., y una pequeña parte de máquinas DC. Las de mayor caballaje se utilizan junto con toda la flota AC para trenes de camino (tipo de trenes que recorren grandes distancias). Figura 5 - Máquina FXE-4816 (Modelo G.E. ES-4,400AC, 2016, 6 ejes, AC, 4,400 HP’s) 16 1.7 Flota total de locomotoras de Ferromex en la actualidad La clasificación de la flota de Ferromex se muestra en la tabla 3. De la división del total de máquinas DC entre la flota total resulta que tiene poco menos de la mitad de la flota, siendo DC (48%), lo cual con el paso del tiempo se pretende reducir más hasta dejar un pull mínimo de locomotoras de este tipo sólo para trabajos de patio en específico. La flota AC es la más moderna y eficiente, ya que tienen más fuerza tractiva y mueven casi dos veces más lo que una locomotora DC, por lo tanto, en conjunto vendrían gastando menos combustible y sus gastos de mantenimiento serían menores. Cuando se le otorgó la concesión a Ferromex, las 284 locomotoras DC fueron otorgadas, mientras que locomotoras AC sólo fueron 35 y las 277 restantes se fueron adquiriendo de la siguiente manera (ver figura 6): Figura 6 - Adquisición de locomotoras AC por parte de Ferromex a lo largo de la concesión3 Figura 7 - Composición de la flota actual de locomotoras FXE 3 Ferromex no ha adquirido más locomotoras desde el 2016. Flota Total 596 AC 312 Camino 312 DC 284 Camino 46 Patio 238 17 En la tabla 3 también se presenta el caballaje que ofrecen los tipos de locomotoras AC y DC por modelo y marca. En las máquinas AC la variedad de potencia que ofrecen es mínima; caso contrario en las DC vemos que tenemos cinco tipos de caballaje. De la flota DC de Ferromex que está compuesta por 284 locomotoras, se observa que el 23% son máquinas de menos de 3,000 HP’s, lo cual las convierte en ser las primeras a reemplazarse para seguir aumentado el caballaje total de la flota. Para el modelo a desarrollar en este documento se contemplará toda la flota AC (312 máquinas) y un número fijo de 46 locomotoras DC de 3,000 HP’s, que estén en óptimas condiciones para trenes de camino. La flota restante de DC’s se utilizarán para servicios de patio. Tabla 3 - Tabla de flota de locomotoras FXE por marca y modelo Tipo Marca Modelo Locs H.P.'s x Loc H.P.'s Acum % EMD SD-70ACe 116 4,300 498,800 23.35% Total EMD 116 498,800 AC-4400 CW 60 4,400 264,000 12.36% ES-4400AC 136 4,400 598,400 28.01% Total EMD 196 862,400 Total AC 312 1,361,200 GP-22-ECO 1 2,000 2,000 0.09% GP-38 3 2,000 600 0.03% GP-38-2 45 2,000 90,000 4.21% GP-40-2 25 3,000 75,000 3.51% SD-40-2 122 3,000 366,000 17.13% SW-1000 2 1,200 2,400 0.11% SW-1504 11 1,500 16,500 0.77% Total EMD 209 552,500 B-23-7 3 2,250 6,750 0.32% C-30 SUPER-7 41 3,000 123,000 5.76% C-30-7 1 3,000 3,000 0.14% SUPER-7 MP 21 3,000 63,000 2.95% SUPER-7R 9 3,000 27,000 1.26% Total GE 75 222,750 Total DC 284 775,250 596 2,136,450 100.00% G.E. FLOTA TOTAL FXE G.E.AC EMD DC 18 Capítulo 2. Diagnóstico de la situación actual de la fuerza motriz en Ferromex 2.1 Impacto del uso de máquinas extranjeras en Ferromex En esta sección se describe la problemática actual por la que Ferromex y la fuerza motriz atraviesan. Ferromex cuenta con cuatro puntos de intercambio en la frontera norte con los ferrocarriles de Estados Unidos, siendo el más importante en Piedras Negras, Coahuila, derivado de que los dos ferrocarriles con los que se tiene intercambio, que son UP y BNSF, entregan la mayoría de sus trenes en este punto y por lo tanto es donde hay más saturación de tráfico de trenes de lado de Ferromex; después y por orden de importancia siguen Ciudad Juárez, Nogales y Mexicali (ver figura 8 y tabla 4). Figura 8- Ubicación de los puntos de intercambio fronterizo entre Ferromex y Ferrocarriles de Estados Unidos Tabla 4 - Toneladas Brutas - Km que se movieron por los distritos fronterizos en 2018 en la red de Ferromex Estos puntos de intercambio cobran gran importancia para Ferromex ya que por estas vías es donde ingresa una parte muy importante de flete de carga a mover, en su mayoría del sector agrícola, automotriz e intermodal. Con el objetivo de optimizar la logística de los trenes tanto en Estados Unidos como en México se tiene un acuerdo entre los ferrocarriles americanos y Ferromex de que ambos deben de tener Distrito Fronterizo Tons Brutas - Km (Millones) % Piedras Negras 6,752.4 37.46% Nogales 4,782.0 26.53% Ciudad Juárez 4,741.3 26.30% Mexicali 1,750.2 9.71% Total Ton-Km 18,025.9 100.00% 19 locomotoras disponibles para recibir los trenes en su territorio y así continuar inmediatamente hasta su destino y evitar demoras. En caso de que no se tenga fuerza motriz disponible y no se tenga cupo en el patio fronterizo para almacenar momentáneamente el tren en turno, el ferrocarril receptor debe de “rentar” las locomotoras del ferrocarril que entrega dicho tren para asegurar el flujo de mercancías. La “renta” de locomotoras a los ferrocarriles de Estados Unidos consiste en generar una deuda del total de HP’s (caballos de fuerza) por tipo de locomotora por cada hora que se encuentre operando fuera de sus vías, por ejemplo, si una locomotora tipo AC de 4,000 HP’s se encuentra en territorio mexicano 24 horas, nos generará una deuda de 96,000 HP’s/Hr. Esta deuda se podrá saldar con máquinas de diferente caballaje pero que al final cumplan con los mismos HP’s/hr que se rentaron. Ferromex en los últimos años durante los meses de mayor demanda de entrega de trenes por parte de Burlington Northern y Union Pacific no ha tenido máquinas suficientes para mover los trenes que se intercambian en la frontera, ocasionando importantes demoras y saturación de carros de ferrocarril. Con la meta de eliminar este efecto negativo con clientes importantes y no saturar los patios ferroviarios fronterizos mexicanos, Ferromex ha tenido que operar trenes con máquinas de los ferrocarriles americanos y por ende incrementar la deuda de HP’s. Ferromex en un principio planteó un programa de endeudamiento de HP’s con los ferrocarriles americanos, el cual consistía en utilizar máquinas de estos ferrocarriles en los meses de mayor demanda, que son durante la cosecha de granos (mayo a julio), y mandar máquinas a su territorio durante los primeros y últimos tres meses del año, que es cuando el volumen de carga es menor, para saldar dicha deuda, sin embargo, como se puede apreciar en la figura 9 el uso de locomotoras americanas ya es continuo durante todo el año, generando que la deuda siga incrementando. Figura 9- Gráfica de promedio diario de locomotoras mes a mes 20 La siguiente figura (figura 10) permite visualizar el promedio mes a mes de máquinas de Ferromex que se encuentran en territorio norteamericano y de máquinas extranjeras que están operando en la red de Ferromex. Figura 10 - Gráfica de locomotoras de FXE fuera de su red y de locomotoras externas en territorio FXE El efecto neto se puede observar en la figura 11, donde se observa los meses donde Ferromex disminuye su flota y también donde se cuenta con fuerza de más para mover la demanda solicitada. El tener locomotoras de menos en la red es un caso crítico, al igual que el tener máquinas extranjeras moviendo flete de Ferromex en territorio mexicano. Estas situaciones se pretenden eliminar con el modelo desarrollado en este trabajo. Figura 11 – Efecto neto de locomotoras fuera de FXE y externas en FXE 21 Como ya se mencionó anteriormente, el endeudamiento de HP-horas ocasiona un endeudamiento por locomotora operada en nuestras vías y esto como consecuencia genera que cuando los ferrocarriles extranjeros que prestaron sus máquinas, en el momento que ellos lo requieran, se tenga que mandar fuerza motriz para saldar esa deuda, ocasionando una reducción de la flota y llegar a un punto crítico en el que no contemos con la oferta de equipo necesaria para mover lo que los clientes solicitan, cayendo en un incumplimiento por parte de la empresa. Aunado a la complicación actual por la que se atraviesa y como se mencionó en los antecedentes, el sistema de transporte ferroviario en México, y por ende Ferromex, vislumbran grandes crecimientos en volumen a mover, lo cual daría pauta a pensar que, si la flota actual de locomotoras con las que se cuenta es insuficiente, el tener dicho aumento nos llevaría en automático a requerir cierto número de máquinas adicionales. El modelo desarrollado en este documento deberá ser capaz de dimensionar la flota total requerida. 2.2 Impacto en el consumo de combustible y gastos de mantenimiento por no contar con una eficiente planeación de asignación de máquinas a los trenes Actualmente Ferromex no cuenta con una correcta planeación para la asignación de número de máquinas en cada uno de los trenes que se forman en los patios ferroviarios. Esto trae como consecuencia que las locomotoras dejen de ser productivas y que, aunque puedan gastar menos combustible por no arrastrar tanta carga, generen un desperdicio de fuerza. Como ejemplo hay trenes que se pudieron mover con sólo dos máquinas en tres de sus cuatro tramos operativos, pero como en el tramo crítico se necesitan tres máquinas, este tren sale así de origen a destino generando una improductividad y reduciendo las toneladas de arrastre por cada caballo de fuerza que el tren lleva. Aunado a lo anterior, los costos por consumo de combustible y mantenimiento se han ido incrementando durante los últimos años debido a que la flota actual se está haciendo cada día más obsoleta. En la tabla número 5 se muestra la forma en que se calcula el rendimiento promedio por tipo de locomotora en Ferromex. Básicamente se calcula con los litros que se consumen por cada mil toneladas brutas-kilómetro (TKB’s), que da como resultado del 2018 que una locomotora tipo AC consume en promedio 3.55 Lt/MTKB y una locomotora DC 4.20 Lt/MTKB. 22 Tabla 5 - Consumo mensual de combustible 2018 por tipo de locomotoras La siguiente gráfica (figura 12) presenta información mes a mes del consumo de combustible por tipo de locomotoras, por lo cual vemos que más del 80% es de máquinas AC, las cuales se deben de usar solamente para trenes de camino y sobre los cuales se quiere disminuir dicho consumo. Figura 12 – Gráfica de consumo de combustible mensual 2018 2.3 Objetivos e hipótesis Este trabajo consiste en el diseño e implementación de un plan y una metodología que permitan conocer la flota mínima de locomotoras requeridas para operar diariamente a un horizonte de 5 años y mejorar el aprovechamiento de las máquinas en los trenes, garantizando una velocidad mínima de 20 km/h. El plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras requeridas para operar diariamente durante 5 años eliminará la deuda con los ferrocarriles americanos por el uso de sus máquinas extranjeras al no contar con fuerza suficiente para recibir sus trenes. AC DC Total AC DC Otros Total AC DC Ene 6,296,935,787 638,761,180 6,935,696,967 22,177,316 2,709,829 2,684,002 27,571,147 3.52 4.24 Feb 5,990,169,936 505,415,285 6,495,585,221 20,707,582 2,017,514 2,328,928 25,054,024 3.46 3.99 Mar 6,613,867,381 774,938,087 7,388,805,468 23,034,133 2,971,245 2,683,849 28,689,227 3.48 3.83 Abr 6,738,172,585 691,324,572 7,429,497,157 23,126,673 2,615,142 2,734,846 28,476,661 3.43 3.78 May 7,390,438,781 722,016,542 8,112,455,323 26,722,395 2,751,111 2,684,891 32,158,397 3.62 3.81 Jun 7,109,376,411 939,245,160 8,048,621,571 27,967,555 2,765,648 2,943,866 33,677,069 3.93 2.94 Jul 7,505,816,750 711,326,056 8,217,142,806 26,533,377 2,795,237 2,534,778 31,863,392 3.54 3.93 Ago 7,340,780,495 772,269,945 8,113,050,440 25,837,029 2,681,711 2,915,666 31,434,406 3.52 3.47 Sep 7,340,780,495 364,096,233 7,704,876,728 24,267,275 2,749,983 2,336,525 29,353,783 3.31 7.55 Oct 7,281,985,464 922,770,070 8,204,755,534 25,775,389 3,535,740 2,582,202 31,893,331 3.54 3.83 Nov 7,340,780,495 1,167,706,081 8,508,486,576 28,005,770 3,452,785 2,651,876 34,110,431 3.82 2.96 Dic 7,390,946,715 512,823,213 7,903,769,928 25,208,406 3,107,509 2,635,647 30,951,562 3.41 6.06 84,340,051,295 8,722,692,424 93,062,743,719 299,362,900 34,153,454 31,717,076 365,233,430 3.55 4.20 TKB'S Consumo Rendimiento 2018 23 Este plan tendrá como base un balance de demanda contra fuerza tractiva para contar con suficiente fuerza propia y así eliminar el uso de máquinas externas, justificando la adquisición de nuevas máquinas AC por medio de un análisis costo-beneficio para renovar la flota obsoleta de locomotoras DC. Por otra parte, la metodología de asignación óptima de máquinas a los trenes más importantes por tipo de segmento resolverá la falta de aprovechamiento promedio de la fuerza tractiva que trae cada tren. Para mejorar el uso de la fuerza motriz en cada uno de los trenes se tendrá como base un estudio de capacidad de arrastre por tipo locomotora en la pendiente gobernadora dentro cada tramo operativo por el que cruza cada tren, garantizando una velocidad mínima de entre 23 y 25 km/h, lo cual permitirá mover la misma carga con menos máquinas y así obtener ahorros en consumo de combustible. Tanto el plan como la metodología que se desarrollarán en este documento serán implementados dentro de una compañía ferroviaria que se enfoquen dentro del área estratégica y táctica y así valorar la mejora económica que se podrá obtener. Serán aplicables para problemas de dimensionamiento de fuerza motriz o planificación de asignación de locomotoras a los trenes más importantes por segmento a mediano plazo. 2.4 Definición del problema La fuerza tractiva o número de locomotoras para mover los trenes diariamente es muy importante para las compañías ferroviarias, debido al alto costo de operar las locomotoras, a la compleja programación de los trenes y asignación de número de locomotoras para cada tren para una óptima coordinación. Hoy en día Ferromex no cuenta con una metodología para el análisis de compra de locomotoras y como empresa pretende llevar sus indicadores al nivel de los ferrocarriles americanos, por lo cual el optimizar el indicador de caballos de fuerza que se necesitan para mover una tonelada bruta (HPTon) toma gran relevancia. En la actualidad, la gente de operación suele mandar el mismo número de máquinas de origen a destino con los trenes, lo cual dificulta mejorar este indicador. Aunado a lo anterior tampoco se cuenta con una planeación de asignación de máquinas a los trenes por tipo de segmento (granos, automotriz, intermodal, etc), ya que no se cuenta con un estudio para analizar la formación de trenes con base en los crecimientos futuros de la demanda comercial. Derivado de los problemas anteriores, el Consejo de Administración de Ferromex ha solicitado que para incluir en el presupuesto de inversión de cada año (CAPEX) la adquisición o compra de nuevas locomotoras, se desarrolle una metodología, un análisis costo-beneficio y un plan maestro de asignación de número de máquinas por tramo a los trenes para justificar esta inversión y se pueda mejorar el indicador. 24 El área de Planeación de Ferromex ha sido asignada para encontrar la solución óptima para estos problemas, encontrando a su vez diversas soluciones operativas para el día a día y a un horizonte máximo de 7 días, lo cual no resuelve el problema que se tiene que atacar, sin embargo, da un panorama general sobre la operación y de lo cual se hablará a continuación. Capítulo 3. Marco teórico (Assad, 1980) describe que hay tres niveles de toma de decisiones involucradas en la administración de una red ferroviaria: estratégicos, tácticos y operacionales. Las decisiones a nivel operativo implican decisiones que se ocupan de las operaciones diarias y son tomadas por personal de gestión inferior que se ocupa directamente de los problemas operativos. Las decisiones tácticas son aquellas que tienen horizontes de planificación a mediano plazo. Son problemas que se refieren principalmente a la asignación efectiva de los recursos adquiridos con base en la decisión del nivel estratégico. El problema de planificación táctica podría resolverse mensual o trimestralmente para responder solo a cambios importantes de los recursos. Las decisiones estratégicas son aquellas relacionadas con la inversión de grandes capitales para obtener recursos para uso a largo plazo (Premkumar,2019). Estas decisiones requieren la participación de altas direcciones. Premkumar menciona las siguientes decisiones como estratégicas dentro de una empresa ferroviaria: • Diseño y mejora de la red ferroviaria • Ubicación de patios ferroviarios y mejor clasificación de talleres dentro de los patios • Decisiones óptimas de rutas y planificación a largo de plazo de los trenes • Dimensionamiento de la flota de locomotoras Dentro del dimensionamiento de la flota de locomotoras, uno de los problemas más importantes que enfrenta el ferrocarril es el problema de asignación de locomotoras (LAP). El objetivo del LAP es asignar una flota de locomotoras a un costo mínimo a los trenes pre-programados, sujetos a una serie de restricciones de nivel estratégico, táctico y operativo como se observa en la figura 13. 25 Figura 13 – Niveles de clasificación del Problema de Asignación de Locomotoras (LAP) (Assad, 1980) El nivel estratégico LAP implica el dimensionamiento de la flota para la adquisición de recursos; mientras que el nivel táctico LAP implica la asignación de estos recursos adquiridos a trenes basados en tipos de locomotoras. Una característica común a ambos es que la salida es de naturaleza cíclica. Si bien el nivel estratégico LAP también resuelve el problema del nivel táctico, ya que el dimensionamiento de la flota se realiza en función de los tipos de locomotoras y solo se puede lograr asignando tipos de locomotoras a los trenes, el nivel táctico LAP toma el tamaño de la flota como se indica y luego asigna los tipos de locomotoras a los trenes. Assad (1980) explica que las decisiones a nivel operativo involucran decisiones que se ocupan de las operaciones diarias y toma en cuenta la naturaleza dinámica del entorno. En consecuencia, las decisiones a este nivel son tomadas por personal de gestión inferior que se ocupa directamente de los problemas operativos. En esta revisión de literatura se incluyen únicamente los artículos relacionados con las decisiones estratégicas. Canca et al. (Canca,2016) presenta en su artículo la integración de fases estratégicas y tácticas del proceso de planeación del tránsito rápido. Describe un modelo de programación matemático que determina simultáneamente la red de infraestructura, la planeación de la línea, la capacidad de los trenes en cada línea, la inversión en la fuerza motriz y la planeación del personal para trenes de pasajeros. Para este modelo, la demanda se asume como elástica y establece como límites el número de vagones que puede llevar cada tren, lo cual comparado con los trenes de carga es muy poco tonelaje, pero sirve como parámetro para dimensionar la transferencia de carga entre patios y cómo maximizar los recursos por toda la red. En cuestión de la fuerza motriz el costo de comprar 26 locomotoras, que es uno de los aspectos que más importa para el desarrollo de una nueva metodología, se basa en que la flota se adquiere antes del comienzo de la operación y se financia hasta el último año del horizonte de la planificación. El artículo de Canca es adecuado para definir una propuesta de justificación que financie la adquisición de más equipo de fuerza motriz. En un trabajo posterior, Canca et el (Canca,2017) agrega a su proceso de planeación del tránsito rápido un algoritmo llamado “Adaptive Large Neighborhood Search” (ALNS) para manejar simultáneamente el diseño de la red y los problemas de planificación de línea considerando también equipo rodante y aspectos de planificación personal. Igual que el primer proceso, el objetivo es incorporar los costos relativos a la construcción de la red, adquisición de flota, operación de los trenes, etc., considerando para el usuario la mejor selección en cuestión de ruta y maximizando el beneficio total de la red al lograr un equilibrio entre la cobertura máxima de rutas y el costo total mínimo que debería representar. Aunque el proceso se sigue enfocando en trenes de pasajeros, la actualización de este proceso ayuda a proponer una mejor metodología para la asignación óptima de máquinas a los trenes y al dimensionamiento total de la flota de locomotoras año por año. Podemos encontrar trabajos también cuya aportación en el proceso de planeación se enfocan en el desarrollo de un plan de línea o sea un conjunto de rutas en la red ferroviaria operado a diferente frecuencia. Por ejemplo (Goossens, 2006) introduce varios modelos para resolver problemas de planeación de las líneas de modo que la capacidad de transporte sea suficiente para satisfacer la demanda y teniendo como objetivo que los costos operativos sean los mínimos. Aunque Goossens no considera la compra y asignación de máquinas, sirve de apoyo para dimensionar de forma correcta y óptima la planeación de los trenes más importantes derivado de la demanda proyectada, como se muestra en la figura 14. Figura 14 – Diferentes etapas en el proceso de planeación (Goossens, 2006) Sá et al. (Sá,2015) estudia el diseño de hub de redes con múltiples líneas y dónde deben ser localizados. El objetivo de su trabajo es minimizar el tiempo total de viaje, considerando un presupuesto con restricciones. Para ello presenta un algoritmo de Benders y algunos algoritmos heurísticos. En el estado del arte se pueden encontrar trabajos que se refieren a la asignación de locomotoras. Ziarati, Soumis, Gélinas y Saintoge (Ziarati et al., 1997) desarrollaron un modelo de flujo de productos múltiples con restricciones adicionales, con el objetivo de proporcionar suficiente fuerza tractiva a los trenes, utilizando sistemas heterogéneos de locomotoras y trenes. 27 El problema fue modelado como un problema de flujo de productos múltiples con restricciones adicionales. Dado que se trata de un problema de programación a gran escala (1,300 locomotoras y 2,000 trenes en una semana) e incluye una amplia gama de restricciones suplementarias, fue descompuesto en pequeños problemas superpuestos que involucran de 500 a 1,000 trenes. Cada problema más pequeño se resuelve utilizando un método de descomposición Dantzig-Wolfe, donde los sub-problemas se formulan como problemas de ruta más restringidos o sin restricciones, según el estado de la locomotora. El modelo muestra como resultados una mejora del 7% sobre la solución que actualmente maneja la empresa. El método que presenta el modelo es con un horizonte de ejecución a una semana. Considera la forma más compleja de asignación de locomotoras, que es varios tipos de locomotoras para diferentes tipos de trenes. Toma en cuenta las locomotoras críticas e inspecciones regulares para todas las locomotoras. Las pruebas fueron con datos reales de CN North America. Horizonte de una semana se dividió en problemas más pequeños. Por cada ahorro del 1% en locomotoras se tiene un ahorro anual de 4 millones de dólares para la empresa. Booler(Booler, 1980) desarrolló una metodología (Método Heurístico), basado en flujos de múltiples productos en una red, con el objetivo de encontrar el costo mínimo del conjunto de programas de asignación de locomotoras a trenes. Como conclusión del modelo y resultados se puede observar que los tiempos de solución dependen del número de trabajos, el número de clases de locomotoras y la cantidad de variación en los tiempos de inicio, pero pueden ser bastante variables cuando estos factores permanecen constantes. Los tiempos obtenidos han sido de unos 20 segundos para 20 problemas de trabajo, entre uno y tres minutos para 30 trabajos y entre tres y diez minutos para 50 trabajos. El programa nunca se ha utilizado en un problema práctico, pero los resultados parecen lo suficientemente alentadores como para sugerir que el desarrollo para la aplicación práctica puede valer la pena. Xu X, Li, y Xu (Xu et al., 2018) modelaron e intentaron resolver el problema integrado de asignación de locomotoras y horarios de trenes. Observaron una desventaja del proceso de planificación jerárquica, que a menudo resulta en una mala coordinación entre el horario del tren y el horario de la locomotora. Cuando se realiza el horario de trenes, se descuidan el horario y las rutas de las locomotoras. Mediante un modelo intentaron resolver el problema antes mencionado, teniendo en cuenta que por lo general las decisiones de programación de trenes, como la determinación de la trayectoria del tren y el horario de los trenes, se toman antes de que las locomotoras y otros materiales rodantes se asignen a los servicios de trenes. Para resolver este problema integrado, primero se construyó una red tridimensional estado- espacio-tiempo en la que se usa un estado para indicar qué tren está asignado a una locomotora. Luego se formula el problema como un problema de flujo de red de múltiples productos de costo mínimo con arcos incompatibles y restricciones de flujo de enteros. Se presenta una heurística de 28 relajación lagrangiana para resolverlo. Se lleva a cabo un estudio computacional para probar la efectividad de nuestra heurística de relajación lagrangiana. Se resolvió el problema con una red ferroviaria subyacente general. Se formuló como un modelo de flujo de red de múltiples productos de costo mínimo con arcos incompatibles y restricciones de flujo de enteros en una red tridimensional de estado-espacio-tiempo. Se comparó las soluciones de heurística de relajación de lagrangiano con las soluciones generadas por dos métodos de solución de referencia. Los resultados computacionales demostraron la efectividad de la heurística de relajación lagrangiana e informan los beneficios obtenidos al integrar las decisiones de asignación de locomotoras y el horario del tren. Hay autores que estudian el problema del abastecimiento de combustible como Raviv y Kaspi (Raviv et al. 2011) que consideran el problema de cómo determinar un horario óptimo de abastecimiento de combustible y una política de contratación con proveedores de combustible. Sin embargo, también se enfocan únicamente en la mejora de la operación con las locomotoras existentes. Los métodos de planeación de rutas a nivel estratégico y solución a los problemas de asignación de locomotoras, aunque involucran el dimensionamiento de la flota, primeramente se centran en trenes de pasajeros, en el cual la operación es muy diferente al tren de carga, y segundo, mezclan muchos aspectos relevantes a la vía y restricciones generales de planeación de la operación, lo cual es importante y estos modelos lo resuelven. Sin embargo, para el proyecto que se pretende desarrollar ayudaría a tomar como base el análisis de una correcta optimización de trazos de todas las rutas, incluyendo la flota diaria de máquinas que se necesitan. Por otra parte, se encontraron diversos modelos para la solución de asignación de máquinas a trenes de carga en el ámbito operativo a un horizonte máximo de siete días, lo cual refleja lo compleja que es la operación y asignación de recursos día a día. Las metodologías que se presentan en este documento se enfocan completamente en el dimensionamiento de la fuerza motriz necesaria para un plan a cinco años con enfoque estratégico, no contemplando factores como crecimiento de vía, patios ferroviarios o talleres, pero partiendo de una flota conocida y teniendo como objetivo mejorarla y hacerla más grande, siempre y cuando la demanda así lo requiera; también se contempla la justificación de adquisición de más máquinas nuevas y de última tecnología y cómo optimizar la fuerza motriz mediante un plan año por año, derivado de un pronóstico comercial y un análisis histórico de los trenes más importantes que corren diariamente por segmento (enfoque estratégico y táctico). 29 Capítulo 4. Metodologías para la optimización del uso de la fuerza motriz en una compañía ferroviaria Lo que se realiza en este trabajo son dos metodologías en las que se pueda observar las ventajas de implementarlas en la planeación de la operación del ferrocarril. Las metodologías son las siguientes: 1. Plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras requeridas diariamente para operar a un horizonte de 5 años 2. Metodología para la asignación óptima de número de máquinas por tramo operativo para los trenes más importantes por segmento. 4.1 Plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras requeridas diariamente para operar a un horizonte de 5 años Esta sección introduce las principales características del conjunto de datos y pasos para desarrollar el plan de cálculo a considerar y la justificación de ésta. Primero se presenta un diagrama de flujo de la metodología para observar los pasos a seguir (figura 15), después se explica detalladamente cada paso en qué consiste y el proceso que se tiene que realizar para poder continuar al siguiente. Mediante un caso de aplicación se muestra cómo funciona la metodología y a través de un análisis costo-beneficio se aterriza la rentabilidad de usarla; y por último se incluyen las conclusiones del uso de ésta. 30 4.1.1 Diagrama de flujo del plan para el dimensionamiento de la flota mínima de locomotoras Solicitar nuevo pronóstico Quinquenal (En TKN's) 1 Aplicar factor de TKB/TKN al pronóstico para incluir el peso de los carros de ferrocarril y obtener TKB s 2 Calcualr el promedio de TKB's a mover diario con la estacionalidad del primer año del quinquenio 3 Obtener la productividad unitaria por tipo de locomotora (AC y DC) 4 Asignar locomotoras AC a la operación de camino con base en el % de disponibilidad del año pasado 5 Comparar TKB's a mover diariamente vs las de la flota de locomotoras de camino AC y DC 6 SI TKB s a mover > Flota Loc s NO TKB s a mover < Flota Loc s Mandar locomotoras a servicios de patio o almacenaje Finaliza plan de Fuerza Motriz de un año Retroalimentación del Plan por los 5 Años Determinar el número de máquinas adicionales requeridas con base en las TKB s deficitarias Determinar el número de máquinas sobrantes con base en las TKB s sobrantes Adquirir nuevas locomotoras para el año analizado Figura 15 - Proceso general para el requerimiento de locomotoras 31 1.-Nuevo pronóstico quinquenal de TKN’s Obtener un pronóstico de TKN’s a mover en los próximos cinco años, como ejemplo del 2020 al 2024, en el primer año del pronóstico (2020) se debe proporcionar una estacionalidad en la cual se indique mes a mes la proporción en la que se moverá el total de TKN’s de ese año, ésta misma se va a replicar para los años restantes (2021-2024). El pronóstico quinquenal es la estimación o previsión de volumen que una compañía ferrocarrilera pretende mover en los próximos 5 años normalmente dado en toneladas-kilómetro netas (TKN’s). Las TKN’s son la medida usada comúnmente en el tráfico de transporte de carga, en especial el terrestre de larga distancia (ferroviario o carretero) y básicamente es el producto de las toneladas de producto transportadas en carros de ferrocarril por la distancia de viaje de las mismas. 2.-Aplicar factor TKB/TKN al pronóstico para obtener TKB’s Las toneladas-kilómetro brutas (TKB’s) son las toneladas transportadas por la distancia de viaje, incluyendo el peso de carros en los que son transportadas dichas toneladas. Debido a que este también suma al peso que las locomotoras tienen que arrastrar es necesario incluirlo en el cálculo. Con base en la estadística histórica de los doce últimos meses de las TKN’s y TKB’s que se han movido se obtendrá un factor de relación, el cual nos permitirá transformar el pronóstico de TKN’s a TKB’S y este se proyectará para los cinco años del plan. 3.-Promedio de TKB’s diarias a mover por mes Cualquier compañía ferroviaria deberá contar con cierto número de locomotoras para poder mover cierta cantidad de toneladas al día. Por eso una vez que se tengan las TKB’s anuales, éstas se tienen que distribuir mensualmente con la estacionalidad proporcionada del primer año y, posteriormente, del promedio mensual se calcula un promedio de TKB’s diarias a mover. 4.-Obtener la productividad por tipo de locomotoras (AC y DC) La productividad unitaria por tipo de locomotora es de vital importancia para el plan, ya que con esta dimensionaremos la fuerza total de arrastre con la que contará la compañía ferroviaria y será el punto clave de comparación contra la demanda diaria. Para calcularla requeriremos obtener de la información histórica de los últimos 12 meses la proporción por locomotoras AC y DC con la cual se han movido las TKB’s. Adicionalmente, se requerirá obtener el promedio diario del número de locomotoras AC y DC que se usaron en los últimos 12 meses para poder dividirlo entre las TKB’s que les corresponden y así obtener la productividad unitaria por tipo. 5.-Asignar locomotoras AC a la operación con base en el porcentaje de disponibilidad del año pasado Contemplar diferentes infortunios que puedan sufrir las máquinas a lo largo del tiempo y plasmarlo en el plan a desarrollar es de vital importancia para que arroje resultados apegados a la realidad, es por eso que el modelo contemplará un porcentaje de disponibilidad de la flota total de máquinas AC, la cual se considerará que podrá operar diariamente. 32 Para obtener un porcentaje de disponibilidad de máquinas y proyectarlo hacia el futuro se tomará en cuenta las siguientes restricciones: • Sólo se considera la disponibilidad de locomotoras AC. • Las locomotoras DC contemplan un número fijo para camino. • La proyección futura de disponibilidad se proyecta con el promedio mensual de los últimos meses. • La disponibilidad AC considera: o Mantenimiento (fallas, inspecciones y overhaul modulados) o Accidentes y vandalismo 6.-Balance de TKB’s a Mover VS TKB’s de la flota de camino (AC y DC) Una vez que se tenga el total de TKB’s netas de arrastre de toda la flota AC y DC se podrá realizar un balance de oferta contra demanda y así saber si tenemos un déficit o un sobrante de fuerza en cada mes. Con el objetivo de evitar tener locomotoras AC en patio o almacenadas, en el análisis de balance se le dará prioridad a este tipo de máquinas, por lo cual primero se va a evaluar cuántas TKB’s a mover con fuerza tractiva AC se pueden mover y en caso de que sobre fuerza, se mandarán a patios o almacenaje. En caso contrario, que es el caso en que falten máquinas, se mandarían a evaluar las TKB’s faltantes con fuerza tractiva DC (ver figura 16). TKB s diarias a mover con máquinas AC TKB s a mover < Flota de Locomotoras SI NO Mandar locomotoras a servicios de patio o almacenaje Determinar el número de máquinas adicionales requeridas con base en las TKB s deficitarias Figura 16 - Diagrama de flujo para comparar TKB’s a mover vs fuerza AC 33 Como se mencionó anteriormente, usar locomotoras DC de camino será la segunda opción del análisis, por lo cual en este segundo balance primero se evaluará cuántas TKB’s de las faltantes que no se pudieron mover con la flota actual AC se pueden mover hasta con un máximo de 46 máquinas DC (número fijado por el área de operación para usar este tipo de máquinas en camino) y determinar cuántas máquinas se usarán. Si después de este balance no se cubren las TKB’s restantes con toda la fuerza motriz de la empresa, el faltante de TKB’s a mover determinarán cuántas locomotoras adicionales AC se requerirán por año (ver figura 17). TKB s diarias a mover con máquinas DC TKB s a mover < Flota de Locomotoras SI NO Mandar locomotoras a servicios de patio o almacenaje Determinar el número de máquinas adicionales requeridas con base en las TKB s deficitarias Figura 17 - Diagrama de flujo para comparar TKB’s a mover vs fuerza DC 4.1.2 Caso práctico de aplicación en una compañía ferroviaria Lo que se realiza en esta sección es un caso práctico de aplicación en una compañía ferroviaria donde se puede observar la ventaja de utilizar el plan de dimensionamiento de flota mínima de locomotoras y mediante los resultados sustentar la validez del plan. Una compañía ferroviaria, a través de la gerencia de Planeación, ha detectado la necesidad de que se cuente con suficientes locomotoras para operar diariamente y mover la demanda requerida durante los próximos cinco años. 4.1.2.1.-Nuevo pronóstico quinquenal de TKN’s y estacionalidad El área Comercial proporciona el pronóstico de ventas por segmento de mercado (tabla 6) durante los próximos cinco años, así como la estacionalidad de un año (tabla 7) para así conocer la demanda requerida mes por mes. 34 Tabla 6 - Pronóstico de ventas en TKN's Tabla 7 - Estacionalidad Tons - Km (Millones) Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Total Segmento A 20,226.5 21,035.5 21,877.0 22,752.0 23,662.1 109,553.1 Segmento B 7,450.1 7,748.1 8,058.1 8,380.4 8,715.6 40,352.4 Segmento C 3,477.0 3,616.1 3,760.7 3,911.2 4,067.6 18,832.6 Segmento D 2,613.2 2,717.7 2,826.4 2,939.5 3,057.1 14,153.9 Segmento E 4,312.4 4,484.9 4,664.3 4,850.9 5,044.9 23,357.3 Segmento F 2,588.4 2,691.9 2,799.6 2,911.6 3,028.1 14,019.6 Segmento G 3,668.7 3,815.5 3,968.1 4,126.8 4,291.9 19,871.0 Segmento H 2,163.5 2,250.1 2,340.1 2,433.7 2,531.0 11,718.4 Segmento I 5,053.5 5,255.7 5,465.9 5,684.5 5,911.9 27,371.5 Total Ton-Km 51,553.4 53,615.5 55,760.2 57,990.6 60,310.2 279,229.9 MES % ENE 6.89% FEB 6.79% MAR 7.82% ABR 7.63% MAY 9.33% JUN 8.72% JUL 9.30% AGO 8.75% SEP 9.19% OCT 9.52% NOV 8.24% DIC 7.80% Total 100.00% 35 4.1.2.2.- Aplicar factor TKB/TKN al pronóstico para obtener TKB’s y el promedio de TKB’s diarias a mover por mes Con el análisis de movimientos histórico de TKN’s y TKB’s de los últimos doce meses (tabla 8) se obtiene un factor de 1.87 que sirve para obtener las TKB de los próximos años, ya que el pronóstico proporcionado viene en TKN’s. Tabla 8 - Estadística Histórica de TKN's y TKB's Una vez que se obtienen las TKB del quinquenio mes por mes, se divide entre el número de días de cada mes y así se conoce el promedio diario de TKB’s que se requiere arrastrar (tabla 9). Tabla 9 - Promedio diario de TKB's mes x mes de los cinco años Mes TKN TKB TKB/TKN 1 4,097,435,391 7,903,769,928 1.93 2 4,533,944,185 8,508,486,576 1.88 3 4,279,562,322 8,204,755,534 1.92 4 4,127,376,679 7,707,931,872 1.87 5 4,412,477,332 8,112,059,380 1.84 6 4,352,689,211 8,217,142,806 1.89 7 4,392,878,393 8,048,621,571 1.83 8 4,591,173,909 8,112,951,707 1.77 9 3,956,634,431 7,428,933,058 1.88 10 3,860,669,839 7,403,152,883 1.92 11 3,365,882,663 6,503,363,762 1.93 12 3,809,855,626 6,935,696,967 1.82 Promedio 1.87 Días mes Mes / Año TKN (Millones) TKB (Millones) Miles TKB/Día FXE Días mes Mes / Año TKN (Millones) TKB (Millones) Miles TKB/Día FXE 31 ene-01 3,554 6,652 214,596 31 ene-04 3,997 7,483 241,391 28 feb-01 3,503 6,557 234,180 28 feb-04 3,940 7,376 263,421 31 mar-01 4,030 7,544 243,341 31 mar-04 4,533 8,485 273,725 30 abr-01 3,935 7,366 245,525 30 abr-04 4,426 8,285 276,182 31 may-01 4,808 9,000 290,318 31 may-04 5,408 10,124 326,568 30 jun-01 4,498 8,419 280,650 30 jun-04 5,059 9,471 315,693 31 jul-01 4,796 8,978 289,613 31 jul-04 5,395 10,099 325,775 31 ago-01 4,512 8,447 272,482 31 ago-04 5,076 9,502 306,505 30 sep-01 4,736 8,866 295,519 30 sep-04 5,327 9,973 332,418 31 oct-01 4,909 9,190 296,456 31 oct-04 5,522 10,338 333,473 30 nov-01 4,250 7,957 265,226 30 nov-04 4,781 8,950 298,343 31 dic-01 4,023 7,531 242,925 31 dic-04 4,525 8,471 273,257 31 ene-02 3,696 6,919 223,180 31 ene-05 4,157 7,782 251,047 28 feb-02 3,643 6,819 243,547 28 feb-05 4,098 7,671 273,958 31 mar-02 4,191 7,845 253,075 31 mar-05 4,714 8,825 284,674 30 abr-02 4,092 7,660 255,346 30 abr-05 4,603 8,617 287,230 31 may-02 5,000 9,360 301,931 31 may-05 5,624 10,529 339,631 30 jun-02 4,678 8,756 291,876 30 jun-05 5,262 9,850 328,320 31 jul-02 4,988 9,337 301,198 31 jul-05 5,611 10,503 338,806 31 ago-02 4,693 8,785 283,381 31 ago-05 5,279 9,882 318,765 30 sep-02 4,925 9,220 307,339 30 sep-05 5,540 10,371 345,715 31 oct-02 5,106 9,558 308,314 31 oct-05 5,743 10,751 346,812 30 nov-02 4,421 8,275 275,835 30 nov-05 4,972 9,308 310,277 31 dic-02 4,184 7,832 252,641 31 dic-05 4,706 8,810 284,187 31 ene-03 3,844 7,195 232,107 28 feb-03 3,789 7,092 253,289 31 mar-03 4,359 8,159 263,198 30 abr-03 4,256 7,967 265,560 31 may-03 5,200 9,734 314,008 30 jun-03 4,865 9,107 303,551 31 jul-03 5,187 9,711 313,245 31 ago-03 4,881 9,136 294,716 30 sep-03 5,122 9,589 319,633 31 oct-03 5,310 9,940 320,647 30 nov-03 4,597 8,606 286,869 31 dic-03 4,351 8,145 262,747 36 4.1.2.3.-Obtener la productividad por tipo de locomotoras (AC y DC) Para calcular la productividad, primero se obtiene la proporción de TKB’s que se movieron con máquinas AC y DC de los últimos doce meses. Después las TKB movidas por número el tipo de máquinas se dividen entre el promedio diario de locomotoras que se usó y se obtiene una productividad mes por mes. Finalmente se saca el promedio de esos meses y se proyecta para el quinquenio (tabla 10); en este ejercicio se obtuvo una productividad AC de 879.63 miles de TKB’s y para DC de 519.71 miles de TKB’s. Tabla 10 - Estadística histórica del año anterior de productividad por tipo de locomotora 4.1.2.4.-Asignar locomotoras AC a la operación con base en el % de disponibilidad del año pasado Se obtiene un promedio de los últimos doce meses de disponibilidad de locomotoras AC (tabla 11), el cual es de 92.39% y se utilizará para conocer la flota útil promedio diario. Tabla 11 - Disponibilidad histórica de locomotoras AC del último año Aplicando el porcentaje de disponibilidad histórico se obtiene que de la flota total AC que son 310 máquinas sólo 286 locomotoras estarán disponibles en promedio día a día (tabla 12). Tabla 12 - Flota efectiva de locomotoras AC 4.1.2.5.-Balance de TKB’s a Mover VS TKB’s de la flota de camino (AC y DC) La siguiente tabla (tabla 13) muestra los insumos para ejecutar el plan de requerimiento de locomotoras. Se puede observar el promedio diario de TKB’s a mover mes por mes, la fuerza disponible AC y DC que se tiene en TKB’s y número de máquinas, así como las TKB faltantes convertidas a número de locomotoras que se van a requerir en promedio diariamente de cada mes y por último la flota sobrante por tipo. Días Mes TKB's X día (Prom) % TKB's AC % TKB's DC TKB's AC TKB's DC Loc AC Loc DC Produc AC Produc DC 31 enero 222,509,900 92% 8% 205,646,340 16,863,560 254 43 810,764 391,882 28 febrero 239,546,885 90% 10% 215,298,196 24,248,689 254 41 848,944 594,019 31 marzo 245,654,160 91% 9% 222,323,037 23,331,124 265 38 840,285 620,828 30 abril 248,245,104 92% 8% 229,587,004 18,658,101 265 35 866,428 535,639 31 mayo 243,576,993 91% 9% 221,529,091 22,047,902 241 35 917,447 638,771 30 junio 259,911,066 92% 8% 238,374,886 21,536,180 242 37 986,458 577,377 31 julio 237,331,475 93% 7% 220,208,616 17,122,859 223 36 986,139 469,327 31 agosto 234,529,033 90% 10% 212,221,278 22,307,755 240 47 883,187 474,959 30 septiembre 269,485,679 91% 9% 246,049,136 23,436,543 278 48 886,054 487,922 31 octubre 250,303,001 88% 12% 219,289,959 30,159,535 265 46 826,998 657,949 30 noviembre 255,102,952 91% 9% 232,177,817 22,838,147 255 48 909,993 471,213 31 diciembre 239,996,289 91% 9% 217,560,012 22,436,278 266 56 819,358 400,648 577 4,683,694,803 90% 10% 2,680,265,372 264,986,671 3,047 510 879,629 519,710 Promedio diario ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Prom Disponibilidad 92.70% 94.00% 93.90% 92.80% 91.60% 92.50% 92.50% 91.80% 91.60% 91.00% 91.70% 92.60% 92.39% Flota Total AC Disponibilidad Flota Efectiva 310 92.39% 286 37 Tabla 13 - Cálculo de locomotoras requeridas #AC Faltantes TKB's Maq TKB's Maq TKB's Maq Maq TKB's Maq TKB's Maq 1 214,596 214,596 244 - - - - - - - - 37,343 42 23,907 27 234,180 234,180 266 - - - - - - - - 17,758 20 23,907 27 243,341 243,341 277 - - - - - - - - 8,597 10 23,907 27 Abr 245,525 245,525 279 - - - - - - - - 6,413 7 23,907 27 290,318 251,938 286 38,380 - - 38,380 23,907 46 14,473 16 - - - - 280,650 251,938 286 28,711 - - 28,711 23,907 46 4,805 5 - - - - Jul 289,613 251,938 286 37,675 - - 37,675 23,907 46 13,768 16 - - - - 272,482 251,938 286 20,543 - - 20,543 20,543 40 - - - - 3,363 4 295,519 251,938 286 43,580 - - 43,580 23,907 46 19,674 22 - - - - Oct 296,456 251,938 286 44,518 - - 44,518 23,907 46 20,611 23 - - - - 265,226 251,938 286 13,288 - - 13,288 13,288 26 - - - - 10,619 12 242,925 242,925 276 - - - - - - - - 9,014 10 23,907 27 2 223,180 223,180 254 - - - - - - - - 28,759 33 23,907 27 243,547 243,547 277 - - - - - - - - 8,391 10 23,907 27 253,075 251,938 286 1,136 - - 1,136 1,136 2 - - - - 22,770 26 Abr 255,346 251,938 286 3,408 - - 3,408 3,408 7 - - - - 20,499 23 301,931 251,938 286 49,993 - - 49,993 23,907 46 26,086 30 - - - - 291,876 251,938 286 39,937 - - 39,937 23,907 46 16,031 18 - - - - Jul 301,198 251,938 286 49,259 - - 49,259 23,907 46 25,353 29 - - - - 283,381 251,938 286 31,443 - - 31,443 23,907 46 7,536 9 - - - - 307,339 251,938 286 55,401 - - 55,401 23,907 46 31,494 36 - - - - Oct 308,314 251,938 286 56,376 - - 56,376 23,907 46 32,469 37 - - - - 275,835 251,938 286 23,897 - - 23,897 23,897 46 - - - - 10 0 252,641 251,938 286 703 - - 703 703 1 - - - - 23,203 26 3 232,107 232,107 264 - - - - - - - - 19,832 23 23,907 27 253,289 251,938 286 1,351 - - 1,351 1,351 3 - - - - 22,556 26 263,198 251,938 286 11,259 - - 11,259 11,259 22 - - - - 12,647 14 Abr 265,560 251,938 286 13,622 - - 13,622 13,622 26 - - - - 10,285 12 314,008 251,938 286 62,070 - - 62,070 23,907 46 38,163 43 - - - - 303,551 251,938 286 51,612 - - 51,612 23,907 46 27,706 31 - - - - Jul 313,245 251,938 286 61,307 - - 61,307 23,907 46 37,400 43 - - - - 294,716 251,938 286 42,778 - - 42,778 23,907 46 18,871 21 - - - - 319,633 251,938 286 67,695 - - 67,695 23,907 46 43,788 50 - - - - Oct 320,647 251,938 286 68,709 - - 68,709 23,907 46 44,802 51 - - - - 286,869 251,938 286 34,930 - - 34,930 23,907 46 11,024 13 - - - - 262,747 251,938 286 10,809 - - 10,809 10,809 21 - - - - 13,098 15 4 241,391 241,391 274 - - - - - - - - 10,547 12 23,907 27 263,421 251,938 286 11,483 - - 11,483 11,483 22 - - - - 12,424 14 273,725 251,938 286 21,787 - - 21,787 21,787 42 - - - - 2,120 2 Abr 276,182 251,938 286 24,244 - - 24,244 23,907 46 338 0 - - - - 326,568 251,938 286 74,630 - - 74,630 23,907 46 50,724 58 - - - - 315,693 251,938 286 63,754 - - 63,754 23,907 46 39,848 45 - - - - Jul 325,775 251,938 286 73,837 - - 73,837 23,907 46 49,930 57 - - - - 306,505 251,938 286 54,567 - - 54,567 23,907 46 30,660 35 - - - - 332,418 251,938 286 80,480 - - 80,480 23,907 46 56,573 64 - - - - Oct 333,473 251,938 286 81,534 - - 81,534 23,907 46 57,628 66 - - - - 298,343 251,938 286 46,405 - - 46,405 23,907 46 22,498 26 - - - - Dic 273,257 251,938 286 21,319 - - 21,319 21,319 41 - - - - 2,588 3 5 251,047 251,047 285 - - - - - - - - 892 1 23,907 27 273,958 251,938 286 22,019 - - 22,019 22,019 42 - - - - 1,887 2 284,674 251,938 286 32,736 - - 32,736 23,907 46 8,829 10 - - - - Abr 287,230 251,938 286 35,291 - - 35,291 23,907 46 11,385 13 - - - - 339,631 251,938 286 87,693 - - 87,693 23,907 46 63,786 73 - - - - 328,320 251,938 286 76,382 - - 76,382 23,907 46 52,475 60 - - - - Jul 338,806 251,938 286 86,868 - - 86,868 23,907 46 62,961 72 - - - - 318,765 251,938 286 66,827 - - 66,827 23,907 46 42,920 49 - - - - 345,715 251,938 286 93,777 - - 93,777 23,907 46 69,870 79 - - - - Oct 346,812 251,938 286 94,873 - - 94,873 23,907 46 70,967 81 - - - - 310,277 251,938 286 58,339 - - 58,339 23,907 46 34,432 39 - - - - 284,187 251,938 286 32,249 - - 32,249 23,907 46 8,342 9 - - - - 5 #DC Sobrantes#AC Adicionales TKB's a mover #AC Sobrantes 4 Promedio Diario TKB's #AC TKB's a mover #DC TKB's a mover Año Mes 1 2 3 38 4.1.2.6.-Resultados En la figura 18 se observa año por año el requerimiento máximo de número de máquinas adicionales que se requerirán mes a mes a lo largo de los 5 años. Figura 18 - Gráfica quinquenal del promedio diario mes a mes de demanda y fuerza tractiva Tabla 14 - Locomotoras adicionales por año El modelo descrito en el trabajo contempla para los años proyectados el número máximo de locomotoras (tabla 14), lo cual quiere decir que, si se adquieren 81 máquinas a lo largo de los 5 años como se observa en la tabla 15, será suficiente para mover el volumen requerido a lo largo del quinquenio. Tabla 15 - Plan de adquisición de locomotoras En la figura 19 se muestra el resultado de la adquisición de locomotoras a lo largo de los 5 años y el uso de la fuerza tractiva en promedio diario de cada mes. Se parte de la fuerza actual de la compañía y de ahí se muestra año con año las máquinas que fueron necesarias para cubrir con la demanda. Año 1 2 3 4 5 # Locomotoras Faltantes 23 37 51 66 81 Año 1 2 3 4 5 Total # Locomotoras Adicionales 23 14 14 15 15 81 23 37 51 66 81 39 En el primer año fueron agregadas 23 máquinas, en el segundo año sólo se necesitarán 14 locomotoras más para cubrir la demanda de ese año y así sucesivamente (de acuerdo con la tabla 15). El resultado, también con base en que la estacionalidad no es constante, el mes de mayor demanda es donde se utilizarán los recursos al máximo. En la gráfica de la figura 19 también se observa la flota de máquinas AC y DC que sobran en promedio en cada uno de los meses a lo largo del estudio. Esto permite analizar qué hacer con esas locomotoras sobrantes en el patio en un futuro, ya sea usarlas para movimientos internos o guardarlas en los almacenes y así no gastar en cuotas de mantenimiento, desperdicio de combustible o que tengan una alta probabilidad de ser vandalizadas al estar paradas en puntos no seguros dentro de los patios. Figura 19- Gráfica quinquenal del promedio diario mes a mes de demanda y fuerza tractiva con máquinas adicionales Los resultados obtenidos anteriormente representan la parte más importante del plan propuesto en este documento, ya que con base en la última gráfica (figura 19) se tomará la decisión a nivel estratégico dentro de la empresa ferroviaria para decidir si invierte o no durante los próximos años en la compra de las locomotoras que arroja el plan. Como se muestra más adelante, la compra de cada locomotora conlleva un análisis costo- beneficio que justifique su compra, ya que se sabe que representan una gran inversión y se tiene como objetivo poder sustentar la adquisición de este tipo de equipo tractivo. Por otra parte, también permite evaluar a nivel directivo si derivado de las condiciones actuales por las que atraviesa la empresa se decide hacer la compra de máquinas nuevas que dice el plan o se opte por sacar máquinas de los patios y utilizarlas para cubrir la demanda que se avecina del 81 máquinas adquiridas en 5 años 40 próximo año y así sucesivamente. Todo lo anterior con el fin de evitar el uso de fuerza externa y ya no volver a endeudar a la empresa y ser autosuficientes. Este plan ya se utilizó y aterrizó dentro de una empresa ferroviaria a menor escala y después de adquirir las máquinas que arrojó el plan, los resultados fueron bastante alentadores: • No hubo déficit de fuerza motriz para mover la demanda solicitada, principalmente en el pico. • Uso de máquinas AC y DC durante los meses de menor demanda se optimizó. • Se está obteniendo ahorro en la empresa por consumo de combustible y cuotas de mantenimiento. Con base en estos resultados, se puede sugerir la implementación dentro de compañías ferroviarias con más volumen de máquinas y se pueda sustentar la implementación de éste y aterrizar los beneficios de planificación que proporciona el plan. 41 4.1.3 Justificación de la compra de locomotoras mediante un ACB (Análisis Costo-Beneficio) En esta sección se presenta la justificación de la adquisición de locomotoras nuevas AC para sustituir máquinas DC. El número de locomotoras por adquirir año por año está basado en el uso de la metodología antes desarrollada y con este análisis costo-beneficio se pretende demostrar la viabilidad de ésta y los beneficios de ir renovando la flota obsoleta DC por máquinas AC. Con base en un análisis operativo, la fuerza tractiva de una máquina AC es igual 1.82 máquinas DC, por lo cual los principales ahorros que se obtendrían al realizar la sustitución propuesta serían: • Reducción de pagos de cuotas de mantenimiento: estas cuotas son más elevadas para las máquinas AC que DC, sin embargo, como una locomotora AC representa casi los de dos DC, la reducción total de flota obsoleta DC permitirá tener un ahorro en este rubro. • Menor consumo de combustible: es el mismo caso que el anterior, las máquinas AC gastan mayo combustible, pero al tener que reducir la flota DC por AC así a la mitad, se obtiene el ahorro al usar menos litros. 4.1.3.1 Criterios de evaluación A continuación, se describen los criterios de evaluación que se necesitan para realizar el análisis costo-beneficio de la sustitución de locomotoras DC por AC. Estos criterios son definidos por diferentes áreas de la empresa y pueden variar de acuerdo con las políticas de cada empresa. En este caso se tomará el ejemplo de Ferromex. Las premisas que se utilizarán son las siguientes: • Tasa de descuento (oportunidad): 10 % anual. • Tasa impositiva (ISR + PTU): 30 %. • Tasa de depreciación de la inversión (20 años): 5 %. • Período de evaluación: 21 años • Precio del dólar: $20.50 • Inflación del costo por locomotora: 1.5% por año máximo (por contrato) • Factores de escalación por mantenimiento: 1.84%, 5.22% y 4.70% por año • Precio inicial del Diésel por litro: $16.24 • Inflación del costo de Diésel por litro: 3.5% por año 42 4.1.3.2 Evaluación financiera En las tablas 16 y 17 se refleja el análisis año por año del costo-beneficio en cual se puede observar la inversión requerida a lo largo del tiempo de la depreciación de las locomotoras. También nos muestra cómo el flujo de efectivo se va moviendo conforme los beneficios van dejando ganancias en cuestión de dinero. Este análisis nos permite concluir si la inversión en la compra de máquinas nuevas AC para sustituir máquinas DC es rentable. A continuación, se presenta el monto de inversión que se requiere en cada año para la compra de locomotoras AC con base en la metodología, los beneficios que se transforman en ahorros monetarios al adquirir máquinas nuevas y por último los resultados del análisis, con los cuales se concluye que sí es rentable este proyecto. Dado que la inversión se va a recuperar en un lapso de 11 años, casi a la mitad de la vida útil de las locomotoras, se tiene un valor presente neto de 128.3 MDD con una tasa interna de retorno del 19.1%, que es mayor al 10% de la tasa mínima que se esperaba obtener. Inversión: • Adquisición de 23