Contribution of operational research in the study of natural resources: empirical and theoretical investigation

Abstract

Recent economysituationand advances in energy are just some of the many factors thataffect the demand and supply of energy, construction, industry etc. Global recession in theeconomy in conjunction with rapid fluctuations of oil and gas prices, formulate a frameworkwhere countries tend to adopt smart and low cost technologies for renewable energyproduction. A largeproportion of renewable energy sources, which are used for energyproduction, are forest products, as part of the wider biomass category.The demand of forestproducts that are used, partly for energy, for heating in the construction etc, is an importantfactor as it may affect the balance of the “plants” that provide with that resource, the forests.Based on the fact that a natural resource is renewable,if it can be used for infinitetime,several production and schedulingtechniques have been proposed. Most of the presentedmodels apply mathematical programming models based on the type of the forest type that isexamined, andwith respect to yield maximizationorto economic criterion.The two aspectsbased on which forestmodels are examined are sustainability and maximum yield.The aim of the present Thesis is to presenta holistic approach of a forest supply chain.There are three levels of contribution of the present study.Firstly is the analysis ofall the modeling techniques that are used for forestsplanning/scheduling based onthe two aforementioned aspects and their extension providingbetter results compared to the standardpractice.In this category, coppice and high forests areexamined though Linear Programming(LP) models, extending the already knownmathematical formulation and providing sensitivity analysis. Also, in the case of multipleforests, a Bi-level Non Linear Programming (BLNLP) model is proposed for retainingsustainability and maximizing Net Present Value (NPV).Secondly, a generic framework is proposed in order to examine forest supply chain andanalyze all the processes conducted among the differentlinks of this chain.A Mixed IntegerLinear Programming (MILP) model is proposed, providing decisions about transportation,warehousing and distribution among the links of the supply chain.Finally, Data Envelopment Analysis (DEA) heuristic algorithm is proposed toevaluatethe solutionsderived that would maximize efficiency and optimize the resulting mathematicalprogramming model.Results show that sustainability can be achieved with the proposed LP models,maximizing NPV, which is assumed as the objective function in the majority of the models.Due to the holistic view of the present Thesis, the optimal solutions derived from the first part(the forest) are used as initial parameters for the operations that are conducted in the supplychain.The proposed models besides their significance in the level of presented mathematicalformulation, can be used as policy making tools for environmental or forestry authorities, asprovide a very detailed analysis and sensitivity analysis which is a great tool for everyDecision Maker (DM).

Η πρόσφατη οικονομική κατάσταση και οι εξελίξεις στην ενέργεια είναι μόνο μερικοί από τους πολλούς παράγοντες που επηρεάζουν τη ζήτηση και την προσφορά ενέργειας, κατασκευών, βιομηχανίας κ.λπ. τεχνολογίες κόστους για την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Ένα μεγάλο ποσοστό των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας, είναι δασικά προϊόντα, ως μέρος της ευρύτερης κατηγορίας βιομάζας. Η ζήτηση δασικών προϊόντων που χρησιμοποιούνται, εν μέρει για ενέργεια, για θέρμανση στις κατασκευές κ.λπ. επηρεάζουν την ισορροπία των «φυτών» που παρέχουν αυτόν τον πόρο, τα δάση. Με βάση το γεγονός ότι ένας φυσικός πόρος είναι ανανεώσιμος, εάν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άπειρους χρόνους, έχουν προταθεί αρκετές τεχνικές παραγωγής και προγραμματισμού. Τα περισσότερα από τα μοντέλα που παρουσιάζονται εφαρμόζουν μοντέλα μαθηματικού προγραμματισμού που βασίζονται στον τύπο του τύπου δάσους που εξετάζεται και σε σχέση με τη μεγιστοποίηση της απόδοσης ή το οικονομικό κριτήριο. ολιστική προσέγγιση μιας δασικής αλυσίδας εφοδιασμού. Υπάρχουν τρία επίπεδα συνεισφοράς της παρούσας μελέτης. Αρχικά γίνεται η ανάλυση όλων των τεχνικών μοντελοποίησης που χρησιμοποιούνται για δασικό σχεδιασμό/προγραμματισμό με βάση τις δύο προαναφερθείσες πτυχές και την επέκτασή τους παρέχοντας καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με την τυπική πρακτική. Αυτή η κατηγορία, οι πρεμνοφυείς και ψηλά δάση εξετάζονται μέσω μοντέλων Γραμμικού Προγραμματισμού (LP), επεκτείνοντας την ήδη γνωστή μαθηματική διατύπωση και παρέχοντας ανάλυση ευαισθησίας. Επίσης, στην περίπτωση των πολλαπλών δασών, προτείνεται ένα μοντέλο Μη Γραμμικού Προγραμματισμού Διεπιπέδων (BLNLP) για τη διατήρηση της βιωσιμότητας και τη μεγιστοποίηση της Καθαρής Παρούσας Αξίας (NPV).Δεύτερον, προτείνεται ένα γενικό πλαίσιο προκειμένου να εξεταστεί η δασική αλυσίδα εφοδιασμού και να αναλυθούν όλες οι διαδικασίες που διεξάγονται μεταξύ των διαφορετικών κρίκων αυτής της αλυσίδας. Προτείνεται ένα μοντέλο Μικτού Ακέραιο Γραμμικού Προγραμματισμού (MILP), το οποίο παρέχει αποφάσεις σχετικά με τη μεταφορά, την αποθήκευση και τη διανομή μεταξύ των κρίκων του Εφοδιαστική αλυσίδα.Τέλος, προτείνεται ο ευρετικός αλγόριθμος Data Envelopment Analysis (DEA) για την αξιολόγηση των λύσεων που προκύπτουν που θα μεγιστοποιήσουν την αποδοτικότητα και θα βελτιστοποιήσουν το προκύπτον μοντέλο μαθηματικού προγραμματισμού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η βιωσιμότητα μπορεί να επιτευχθεί με τα προτεινόμενα μοντέλα LP, μεγιστοποιώντας το NPV, το οποίο υποτίθεται ως στόχος λειτουργούν στην πλειονότητα των μοντέλων. Λόγω της ολιστικής θεώρησης της παρούσας Διατριβής, οι βέλτιστες λύσεις που προκύπτουν από το πρώτο μέρος (το δάσος) χρησιμοποιούνται ως αρχικές παράμετροι για τις λειτουργίες που διεξάγονται στην εφοδιαστική αλυσίδα. Τα προτεινόμενα μοντέλα εκτός από τους σημασία στο επίπεδο της παρουσιαζόμενης μαθηματικής διατύπωσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πολιτική y κατασκευή εργαλείων για τις περιβαλλοντικές ή δασικές αρχές, καθώς παρέχει μια πολύ λεπτομερή ανάλυση και ανάλυση ευαισθησίας που είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για κάθε υπεύθυνο λήψης αποφάσεων (DM).