A heuristic approach to supply chain network design in a multi-commodity four-echelon logistics system

Abstract

In this thesis we propose a heuristic method for the Supply Chain Network Design (SCND) problem considering several aspects of practical relevance: suppliers and raw materials, location and operation facilities, distribution center (DC) assignments, and large numbers of customers and products. An efficient two-phase heuristic approach is proposed for obtaining feasible solutions to the problems, which is initially modeled as a large-scale Mixed Integer Linear Program (MILP). In the construction phase, a linear programming rounding strategy is applied to obtain initial values for the integer location variables in the model. Simultaneously, a Multi-start method was developed to generate diversified initial solutions from each new iteration in the rounding heuristic. In the second phase, two Local Search procedures were developed towards to improve the solution provided by the rounding method. We implemented two different Local Search approaches: removal-insertion and exchange. A Tabu Search technique was developed to guide the Local Search procedure to explore the different spaces of solutions. The formulations and algorithms were implemented in C++ code language using the optimization engine COIN-OR. The solution method was experimented in randomly generated instances, with different sizes in terms of the number of parameters, such as number of products, customer zones, DCs, and factories considering a four-echelon logistic system. The computational implementations show that the solution method proposed obtained satisfactory results when compared to the literature review. To validate this heuristic method was also used in a realistic case, based on data from a rubber company that is restructuring its supply chain due to the overture of a new factory, producing new products. The proposed heuristic approach proved appropriate to practical application in a realistic case of a multi commodity industry in a deterministic context.

Nesta tese propõe-se um método heurístico para o problema de Projeto de Rede da Cadeia de Suprimentos (Supply Chain Network Design) considerando vários aspectos de relevância prática, tais como: fornecedores e matérias-primas, localização e operação de instalações, atribuição de Centros de Distribuição (CD), e grande número de clientes e produtos. Uma eficiente abordagem heurística de duas fases é proposta para a obtenção de soluções viáveis para os problemas, que inicialmente é modelado como um Programa Linear Inteiro Misto (PLIM) de grande escala. Na fase de construção, uma estratégia de Linear Programming Rounding é aplicada para se obter os valores iniciais para as variáveis de localização inteira do modelo. Simultaneamente, um método Multi-start foi desenvolvido para gerar soluções iniciais diversificadas para cada nova iteração da heurística de Rounding. Na segunda fase, dois procedimentos de Busca Local foram desenvolvidos no sentido de melhorar a solução fornecida pelo método de Rounding. Implementamos duas diferentes abordagens de Busca Local: remoção-inserção e troca. Uma técnica de Busca Tabu para orientar o procedimento de Busca Local para explorar os diferentes espaços de soluções foi desenvolvida. As formulações e algoritmos foram implementados na linguagem C++ utilizando ferramentas de otimização da COIN-OR. O método de solução foi experimentado em instâncias geradas aleatoriamente, com tamanhos diferentes em termos do número de parâmetros, tais como o número de produtos, zonas de clientes, CDs e fábricas considerando um sistema logístico de quatro níveis. As implementações computacionais mostram que o método de solução proposto obteve resultados satisfatórios quando comparados com a literatura. Para validar este método heurístico também foi usado em um caso realista, com base em dados de uma empresa de borracha que está reestruturando sua cadeia de suprimentos devido ao projeto de uma nova uma nova fábrica e produção de novos produtos. A abordagem heurística proposta revelou-se adequada para aplicação prática em um caso real de uma indústria multicommodity em um contexto determinístico.