Design of efficient and sustainable supply chain networks

Abstract

In this dissertation, we investigate the optimal design of efficient and sustainable supply chains, which has been recognized as one of the most critical long-term strategic objective in today's business.For the efficient Supply Chain Network Design (SCND), we propose a comprehensive model that captures significant strategic decisions involved in designing or re-designing high performance supply chains from the perspective of the manufacturer. The problem setting considers deterministic demand estimates by multiple customers, for multiple products, over the periods of a long term horizon. The strategic decisions involve selection of raw material suppliers, establishment or resizing of production facilities and/or selection of production subcontractors, establishment/resizing of distribution centers and/or subcontracting of the related activities, and selection of transportation modes and routes. The problem is formulated by a MILP model. Its objective is to minimize the overall costs associated with procurement, production, inventory, warehousing, and transportation over the design horizon. Appropriate constraints model the complex relationships among the links of the supply chain. In order to test the value of the proposed model in tackling the very significant complexities of current business reality, we apply the proposed model to a large case study of a global manufacturing firm. This validation unveils all application challenges (e.g. determining appropriate model parameters that reliably reflect the firm’s environment), and provides valuable insights into the efficient transformation of the firm’s current supply chain network. The network design obtained from solving the model is analyzed under variations of key parameters to determine its robustness.For the Sustainability in Supply Chain Network Design (SSCND), we propose a new Multi-objective MMILP model, which captures significant decisions involved in designing or re-designing high performance, sustainable supply chains. The cost objective includes investment, operational, as well as emissions costs. The environmental objective captures emission quantities and waste generation at each link of the supply chain. The social objective considers employment opportunities, prioritizing societal community development and improved labor conditions. To solve the proposed model we employ both goal programming and the ε-constraint method to achieve efficient trade-offs among the three objectives. We have successfully applied the proposed model to a large case study of a global manufacturer. The goal programming method results in both economic and environmental cost improvements, while maintaining social costs under control. The ε-constraint method provides the opportunity to regulate the expenditures related to environmental and social strategies. Despite its high complexity, the case study results validate the ability of the proposed model and method to re-design high performing sustainable supply chains.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνάται ο σχεδιασμός αποδοτικών και βιώσιμων δικτύων εφοδιαστικής αλυσίδας. Το συγκεκριμένο αντικείμενο έχει αναγνωριστεί ως ένας από τους σημαντικότερους στρατηγικούς μοχλούς για την επίτευξη αριστείας στη διαχείριση της εφοδιαστικής αλυσίδας και γενικότερα στις επιχειρησιακές λειτουργίες.Όσον αφορά τον αποδοτικό Σχεδιασμό Δικτύων Εφοδιαστικής Αλυσίδας (ΣΔΕΑ) προτείνουμε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο που συμπεριλαμβάνει τις σημαντικές στρατηγικές αποφάσεις που εμπλέκονται στο σχεδιασμό ή στον επανασχεδιασμό δικτύων εφοδιαστικής αλυσίδας κυρίως μεταποιητικών επιχειρήσεων. Οι επιχειρήσεις αυτές έχουν στόχο να ικανοποιήσουν την προβλεπόμενη (ντετερμινιστική) ζήτηση των πελατών τους ενώ παράλληλα επιθυμούν να ελαχιστοποιήσουν τις σχετικές δαπάνες/κόστη του συνόλου της εφοδιαστικής τους αλυσίδας. Οι στρατηγικές αποφάσεις σχετίζονται με την επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασης νέων εργοστασίων και κέντρων διανομής, τον καθορισμό της δυναμικότητάς τους, την επιλογή προμηθευτών), αλλά υποστηρίζει τη λήψη αποφάσεων που αφορούν την επέκταση των υπαρχόντων εγκαταστάσεων, την παραγωγή, την αποθεματοποίηση, συνεργασία με υπεργολάβους, τη κινητικότητα των εργαζομένων, την επιλογή μέσου μεταφοράς και τον καθορισμό καναλιών διανομής. Το πρόβλημα ΣΔΕΑ διατυπώνεται ως ένα μαθηματικό μοντέλο μικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού που στοχεύει στην ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους εφοδιαστικής αλυσίδας που σχετίζεται με επενδυτικά κόστη, καθώς και κόστη λειτουργίας, δηλαδή κόστη προμήθειας, παραγωγής, μετακίνησης εργατικού προσωπικού, αδράνειας εγκαταστάσεων και προσωπικού, υπεργολαβικής ανάθεσης, αποθήκευσης και μεταφοράς. Προκειμένου να εξετασθεί η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου στην αντιμετώπιση της πολυπλοκότητας της σύγχρονης επιχειρηματικής πραγματικότητας, το μοντέλο εφαρμόζεται σε εταιρία παραγωγής παγκόσμιας εμβέλειας. Για το σκοπό αυτό προσδιορίζονται οι κατάλληλες παράμετροι του μοντέλου που αντικατοπτρίζουν αξιόπιστα το περιβάλλον της επιχείρησης. Επιδίωξη της μελέτης περίπτωσης αποτελεί ο σχεδιασμός του πλέον αποδοτικού σε σχέση με το κόστος δικτύου εφοδιαστικής αλυσίδας της επιχείρησης. Επίσης, στοχεύοντας στη μελέτη της ευρωστίας του τελικού δικτύου, μελετώνται και αναλύονται οι επιπτώσεις της διαφοροποίησης βασικών παραμέτρων του προτεινόμενου μοντέλου στην τελική αρχιτεκτονική και απόδοση του δικτύου.Όσον αφορά τον Σχεδιασμό Βιώσιμων Δικτύων Εφοδιαστικής Αλυσίδας (ΣΒΔΕΑ) προτείνουμε ένα νέο μοντέλο πολλαπλών στόχων, το οποίο περιλαμβάνει σημαντικές αποφάσεις που σχετίζονται με το σχεδιασμό ή τον επανασχεδιασμό βιώσιμων δικτύων εφοδιαστικής αλυσίδας. Στο εν λόγω μοντέλο λαμβάνονται υπόψη τα κόστη της εφοδιαστικής αλυσίδας, οι σημαντικότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με κάθε κρίκο της αλυσίδας εφοδιασμού, καθώς και θέματα κοινωνικής ευθύνης. Για την επίλυση του μοντέλου, μέσω της χρήσης εναλλακτικών μεθόδων βελτιστοποίησης πολλαπλών στόχων, εισάγονται κατάλληλοι όροι στις σχετικές αντικειμενικές συναρτήσεις, καθώς και κατάλληλοι περιορισμοί πέραν αυτών του αρχικού μοντέλου. Τέλος, εφαρμόζοντας το προτεινόμενο μοντέλο στην προηγούμενη μελέτη περίπτωσης, διερευνώνται οι επιπτώσεις των διαφόρων στόχων της βιωσιμότητας στην αρχιτεκτονική των δικτύων εφοδιαστικής αλυσίδας. Η μελέτη αυτή παρέχει ενδιαφέροντα αποτελέσματα σχετικά με τους συμβιβασμούς που απαιτούνται κατά το σχεδιασμό σύγχρονων βιώσιμων εφοδιαστικών αλυσίδων. Παρά την υψηλή πολυπλοκότητά της, τα αποτελέσματα της μελέτης περίπτωσης επικυρώνουν την ικανότητα του προτεινόμενου μοντέλου και μεθόδου να επανασχεδιάσει τις βιώσιμες αλυσίδες εφοδιασμού υψηλής απόδοσης.