Quantitative methods in supply chain network design and green supply chain management

Abstract

The purpose of this Doctoral Thesis is to deal with the problem of green supply chain management through the development of a holistic methodological framework that may assist supply chain stakeholders in identifying all aspects of green supply chain management and therefore propose and implement appropriate green supply chain management practices throughout the various stages of a supply chain. It involves two distinctive parts.A.The first part of this Thesis involves the development of a hierarchical green supply chain management framework that can assist supply chain stakeholders in: (i) identifying the decisions associated to the green management of the main physical drivers of their supply chains, namely products, transportation, facilities, and (ii) understanding how could these decisions transcend strategic design, tactical planning and operational control decision phases. B.The second part of the Thesis involves the development of two optimization models. The first model provides a detailed modeling of a supply chain network design problem, taking into account cost, CO2 and PM emissions minimization objectives, while it further investigates how switching from a cost to an emissions objective could affect the network’s structure. The developed model is based on multi-objective mixed integer linear programming (MILP) and it aids in identifying the cost-environmental tradeoffs in supply chain network design. Specifically, It allows for utilizing all alternative transportation routes, transportation modes, and the potential establishment of deconsolidation/consolidation nodes (distribution centers) taking into account alternative operating options with shared or dedicated use of facilities and transportation means. In the dedicated use option, a company owns or leases warehouses or trucks. In both cases, the cost consists of the operational expenses and a fixed depreciation/dedicated use cost. With respect to trucks, though their direct costs may be lower, compared to the costs accrued in the shared use option, where rates are determined on a spot market basis, it may result in a less efficient use due to the empty or near empty returns. In the shared use option however, there is no fixed cost since the rates charged by the Third Party Logistics Operator (3PL) depend on the cargo volume. The applicability of the proposed methodology is demonstrated through its implementation in the design of a specific supply chain for the distribution of white goods, produced in the Far East, to the Southeastern Europe region. The second model focuses on the development of a tactical multi-objective, cost and emissions, optimization methodology for the green inventory planning in supply chain management. More specifically, alternative logistics network design options are compared in a supply chain where the nodes employ independent inventory control policies. A periodic review base stock inventory control policy is developed, with the review period being a decision variable. For such a system, a new model is employed for calculating the optimal review period and the optimal base stock quantity. Finally, and for a specific case study, the best in terms of costs and CO2 emissions logistics network design option is determined and interesting managerial insights, applicable to SC networks are presented.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής εξετάζεται το πρόβλημα της διαχείρισης πράσινων/βιώσιμων εφοδιαστικών αλυσίδων (green/sustainable supply chains). Η εργασία κατ’ αρχήν παρουσιάζει γενικές διαπιστώσεις για την επίδραση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην κλιματική αλλαγή και την προώθηση από κυβερνήσεις και παγκόσμιους περιβαλλοντικούς οργανισμούς κανονισμών ελέγχου και περιορισμό των εκπομπών όπως συστήματα εμπορίας ρύπων, περιβαλλοντικής διαχείρισης και φορολόγησης καυσίμων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η σημαντική και αυξανόμενη συμβολή των αλυσίδων εφοδιασμού στην κλιματική αλλαγή ως αποτέλεσμα της μετάθεσης των παγκόσμιων παραγωγικών δραστηριοτήτων (off-shoring) σε αναπτυσσόμενες χώρες (π.χ. Κίνα, Ινδία). Τέλος με δεδομένη την έντονη περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση των πολιτών, οι οποίοι δρώντας ως καταναλωτές ασκούν σημαντική επιρροή στη θέσπιση «κανόνων», σχετικών με τη βιώσιμη ανάπτυξη προκύπτει η σημασία της διαχείρισης της σχεδίασης πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του προβλήματος του σχεδιασμού και της διαχείρισης πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων, μέσω της ανάπτυξης ενός ολιστικού μεθοδολογικού πλαισίου που θα συμβάλλει στην κατανόηση όλων των διαστάσεων του θέματος, οδηγώντας έτσι στην αναγνώριση και εφαρμογή βέλτιστων πρακτικών για την διαχείριση πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων. Ειδικότερα στα πλαίσια της εργασίας:Α. Αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο μεθοδολογικό πλαίσιο λήψης αποφάσεων που διαχωρίζει ως τους τρεις βασικούς ρυθμιστικούς παράγοντες των εφοδιαστικών αλυσίδων τα προϊόντα, τις υποδομές και τις μεταφορές. Το προτεινόμενο πλαίσιο συμβάλλει στην: (α) αναγνώριση των αποφάσεων που αφορούν στους παραπάνω συντελεστές των εφοδιαστικών αλυσίδων, (β) κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των αποφάσεων αυτών στα πλαίσια στρατηγικού, τακτικού και επιχειρησιακού σχεδιασμού εφοδιαστικών αλυσίδων. Β. Αναπτύχθηκαν δύο πολυκριτηριακά πρότυπα για τον σχεδιασμό πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων με αντικειμενικό στόχο την ελαχιστοποίηση αφενός του κόστους και αφετέρου των εκπεμπόμενων ρύπων (CO2). 1. Συγκεκριμένα, το πρώτο πρότυπο μοντελοποιεί ένα πρόβλημα σχεδιασμού μιας εφοδιαστικής αλυσίδας σε στρατηγικό/τακτικό επίπεδο, με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους, των ρύπων CO2 καθώς και των αιωρούμενων σωματιδίων (PMs). Το πρότυπο διαμορφώθηκε ως πρότυπο μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού και ενσωματώνει αποφάσεις για τη χρησιμοποίηση εναλλακτικών πυλών εισόδου, τη χωροθέτηση κέντρων διανομής (distribution centers) και τη χρήση εναλλακτικών διαδρομών και μέσων μεταφοράς (τραίνα, συρμοί τραίνων, μεγάλα φορτηγά και ποταμόπλοια από τις πύλες εισόδου στα κέντρα διανομής και μικρών, μεγάλων φορτηγών από τα κέντρα διανομής στα σημεία ζήτησης). Επιπρόσθετα, εξετάζονται εναλλακτικά σενάρια σε σχέση με την εκμίσθωση μεταφορικών μέσων και αποθηκευτικών χώρων ή την ανάθεση υπηρεσιών μεταφοράς και αποθήκευσης σε πράκτορες μεταφορών και logistics (dedicated vs. shared use of distribution centers and transportation). Ο υποψήφιος επέδειξε την καταλληλότητα του προτεινόμενου προτύπου μέσω της εφαρμογής του για τον σχεδιασμό ενός πραγματικού δικτύου εφοδιασμού λευκών συσκευών στην αγορά της Ν.Α. Ευρώπης. Στα πλαίσια της αριθμητικών διερευνήσεων μελετώνται μεταξύ άλλων οι επιπτώσεις στο σχεδιασμό και στο κόστος λειτουργίας μιας εφοδιαστικής αλυσίδας από την μετάβαση σε περιβαλλοντικά φιλικές πολιτικές. Η συμβολή του προτεινόμενου προτύπου περιλαμβάνει την: (α) ανάπτυξη ενός πολυκριτηριακού μοντέλου που λαμβάνει υπόψη την επίδραση περιβαλλοντικά βέλτιστων στόχων σε αποφάσεις σχεδιασμού εφοδιαστικών αλυσίδων, (β) ποσοτικοποίηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος από την εφαρμογή στρατηγικών αποφάσεων σχεδιασμού μιας συγκεκριμένης εφοδιαστικής αλυσίδας, χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα.2. Το δεύτερο πρότυπο αφορά στην μελέτη μιας εφοδιαστικής αλυσίδας σε τακτικό επίπεδο και περιλαμβάνει εναλλακτικές διαμορφώσεις ενός τοπικού δικτύου διανομής σε συνδυασμό με πολιτικές διαχείρισης αποθεμάτων. Στόχοι του προτύπου είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους διαχείρισης αποθεμάτων, μεταφοράς, και λειτουργίας κέντρων διανομής καθώς και η ελαχιστοποίηση των εκπεμπόμενων ρύπων CO2 από την μεταφορά και την αποθήκευση. Πιο συγκεκριμένα, το πρότυπο προβλέπει συστήματα περιοδικής επιθεώρησης με την περίοδο επιθεώρησης να θεωρείται μεταβλητή απόφασης. Για την επίλυση του προτύπου προτείνεται συνδυασμός αναλυτικής επίλυσης και απαρίθμησης τιμών της περιόδου επιθεώρησης. Το πρότυπο εφαρμόστηκε για τον σχεδιασμό δικτύου εφοδιασμού λευκών συσκευών στην Ελληνική αγορά. Η συμβολή του προτεινόμενου προτύπου έγκειται στην: (α) ανάπτυξη αναλυτικού προτύπου βελτιστοποίησης εφοδιαστικών αλυσίδων, όπου η περίοδος επιθεώρησης είναι μεταβλητή απόφασης, (β) αξιολόγηση εναλλακτικών διαμορφώσεων δικτύου διανομής, όταν λαμβάνεται υπόψη το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των σχετικών λειτουργιών μεταφορά και αποθήκευσης.Συμπερασματικά, η διδακτορική διατριβή τεκμηριώνει αφενός την σημασία και αφετέρου την αυξημένη πολυπλοκότητα του σχεδιασμού και της διαχείρισης πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων. Ειδικότερα, η παρούσα διατριβή προσέφερε ένα μεθοδολογικό πλαίσιο που συμβάλει στην κατανόηση των διαστάσεων του προβλήματος του σχεδιασμού και της διαχείρισης εφοδιαστικών αλυσίδων, οδηγώντας έτσι στην αναγνώριση και εφαρμογή βέλτιστων πρακτικών για την διαχείριση πράσινων εφοδιαστικών αλυσίδων. Τέλος, προσέφερε νέες μεθοδολογικές προσεγγίσεις και μαθηματικά πρότυπα για την επίλυση συγκεκριμένων πρακτικών προβλημάτων.