مساله طراحی شبکه زنجیره تامین یکپارچه برای جریان های دو طرفه-بررسی مقاله سوم

مقدمه:

 مدیریت موفق زنجیره تامین نیازمند تصمیمات مرتبط با جریان اطلاعات، محصول و منابع مالی است. همه این تصمیمات با توجه به فراوانی هر تصمیم و افق برنامه­ریزی به سه سطح استراتژیک، عملیاتی و تاکتیکی تقسیم بندی شده­اند. در یک زنجیره تامین مساله کمینه کردن هزینه­های زنجیره و بیشینه کردن سود باید در نظر گرفته شود. فقدان هماهنگی در زنجیره تامین باعث افزایش هزینه­های زنجیره می­شود. موانع مختلفی در مسیر ایجاد هماهنگی در زنجیره تامین وجود دارد و ناهماهنگی در صورتی به وجود می­آید که هر کدام از مراحل زنجیره تامین فقط اهداف خود را بدون توجه به تاثیر آنها بر کل زنجیره دنبال کنند. تاکنون مطالعاتی در زمینه یکپارچگی و هماهنگی زنجیره تامین برای جریان­های یکطرفه انجام شده است. در این مقاله به مطالعه تسهیلات یکپارچه برای مساله مکان­یابی، توزیع و جمع­آوری برای جریان­های دوطرفه پرداخته شده است، بطوریکه مراکز توزیع باید در مکان­هایی که واسطه ای بین عرضه کننده و مشتریان است، احداث شود و این مراکز توزیع جریان­های دو طرفه را هدایت می­کنند یعنی از یک سو محصولات نهایی را به دست مشتریان میرسانند و از طرف دیگر واحد­ها را از عرضه­کنندگان دریافت می­کنند، لذا به منظور داشتن بهترین فرایند توزیع، نیازمند طراحی یکپارچه مساله مکان­یابی، توزیع و جمع­آوری هستیم و هماهنگی در نظر گرفته شده بین این دو جریان ،در صرفه جویی هزینه­های کل سیستم موثر است. در طراحی این زنجیره تامین به تعیین محل مرکز توزیع و تخصیص مشتریان و تولید­کنندگان به این مراکز توزیع پرداخته شده است. برای استفاده از مزایای تصمیم­گیری­های یکپارچه در زمینه تعیین محل توزیع و جمع­آوری محصولات برای جریان­های دو طرفه یک مدل ریاضی پیشنهاد شده و برای حل آن از یک رویکرد ابتکاری لاگرانژ استفاده شده است. 

 

 

مروری بر پیشینه تحقیق:

مقالات بسیاری در ادبیات وجود دارند که به طراحی یکپارچه مساله توزیع، تولید و تخصیص پرداخته­اند. جایارامن و همکاران در سال ۲۰۰۱ به بررسی یک مدل یکپارچه با دو سطح تصمیم­گیری که یکی مربوط به تعیین محل کارخانه­ها و انبار­ها است و دیگری شامل یک استراتژی برای توزیع محصولات از کارخانه به مشتریان، می­باشد، پرداختند. در سال ۲۰۰۲ چانگ و همکاران به بررسی مشکل طراحی شبکه زنجیره تامین که شامل برنامه­ریزی تولید و تصمیم­گیری در مورد محل احداث تاسیسات می­باشد پرداختند. ۲۰۰۵ سایریف و همکاران به بررسی مشکلات تولید و توزیع محصولات، محل احداث تسهیلات، هزینه­های توزیع و مدیریت موجودی برای زنجیره تامین چند محصولی و چند دوره­ای پرداختند. اکثر مطالعات اخیر مساله پیچیدگی طراحی شبکه زنجیره تامین را در نظر می­گیرند. ۲۰۰۷ ویدیارسی و همکاران به بررسی طراحی مدل یک سیستم چند محصولی، دو سطحی و چند دوره­ای پرداختند. ۲۰۰۹ گامبریانی و همکاران به بررسی مدل تولید و توزیع یکپارچه برای مساله تخصیص مکان با کنترل سطح خدمت به مشتری پرداختند. ۲۰۱۰ بیلگن به بررسی مساله برنامه­ریزی تولید و توزیع شامل تخصیص حجم تولیدات به خطوط مختلف تولید در کارخانه­ها و همچنین تحویل محصولات به مراکز توزیع پرداخت. ۲۰۱۰ سالما و همکاران یک مدل برای شبکه چند دوره­ای و چند محصولی پیشنهاد دادند که به طور همزمان طراحی و برنامه­ریزی زنجیره تامین، با جریان معکوس را در نظر گرفته است. ۲۰۱۱ ادیل و همکاران یک مدل بهینه سازی رباست برای مساله تامین مواد، تولید و توزیع پیشنهاد داده­اند. ۲۰۱۲ بشیری و همکاران به مطالعه یک مساله برنامه­ریزی استراتژیک و تاکتیکی در یک شبکه زنجیره تامین چند محصولی و چند سطحی پرداختند.

 نوآوری مقاله :

مدل پیشنهاد شده در این مقاله شامل خصوصیات زیر است :

۱-طبق تحقیقات صورت گرفته اولین مطالعه در زمینه تعیین محل توزیع و جمع­آوری برای جریان­های دو طرفه است.

۲-در نظر گرفتن هماهنگی در حمل و نقل بین جریان­های دو طرفه که منجر به صرفه جویی در هزینه­ها می­شود و ارائه یک روش ابتکاری لاگرانژ که طبق محاسبات صورت گرفته روش پیشنهادی از نظر کیفیت راه حل در بسیاری از موارد از CPLEX  بهتر است.

ویژگی­های مساله مورد نظر:

بیان مساله:

فرآیند­های عملیاتی شبکه مورد بررسی به صورت زیر است:

۱-توزیع محصولات: بر اساس پیش بینی نیاز مشتری در یک دوره زمانی برای افزایش سطح رضایت مندی مشتری، محصولات نهایی به مراکز توزیع منطقه­ای فرستاده می­شوند و سپس به دست مصرف کنندگان مربوطه می­رسد.

۲-جمع­آوری محصولات: بر اساس برنامه­های تدارکات تامین کنندگان واحد­ها را به مراکز توزیع می­فرستند. هر تامین کننده تنها یک نوع از کالا­ها را فراهم می­کند. عملیات cross-docking  ( تخلیه و بارگیری در زمان کوتاه ) اتخاذ می­شود که بیان می­کند واحد­ها به سرعت در زمان کمتر از ۱۲ ساعت برای تولید کننده ارسال می­شوند. عملیات cross-docking برای رسیدگی به واحد­ها در مراکز توزیع به منظور دستیابی به تولید در نظر گرفته می­شود. عملیات cross-docking امروزه در انبار­ها موجب کاهش هزینه­ها و افرایش سرعت توزیع کالا می­باشد. در فرایند cross-docking کالا بدون انبار شدن از وسیله نقلیه به وسیله دیگر منتقل می­شود. در این سیستم انبار­ها به عنوان هماهنگ کننده موجودی عمل می­کنند نه به عنوان نقاط ذخیره موجودی و کالا­ها زمان خیلی کمی را در انبار به سر می­برند. در این سیستم با کاهش زمان انبارش، هزینه­های موجودی و زمان­های تدارک کاهش می­یابند. البته سیستم های تخلیه و بارگیری همزمان، سرمایه گذاری­های اولیه زیادی احتیاج دارند و مدیریت آنها خیلی مشکل است. این تکنیکها فقط در شبکه­های توزیعی که حجم جریان مواد خیلی بالا است کارایی دارد و اجرای سیستم تخلیه و بارگیری همزمان به یک سیستم حمل و نقل سریع نیاز دارد.

مراکز توزیع منطقه­ای سه نوع هستند:

۱-(  (DRDC:( مراکز توزیع منطقه­ای ) که فقط برای توزیع محصول استفاده می­شود.

۲-( (CRDC :(مراکز توزیع منطقه­ای برای فرآیند جمع­آوری) که فقط برای جمع­آوری محصول استفاده می­شود.

۳-JRDC))  :(مراکز توزیع منطقه­ای مشترک ) که یک مرکز توزیع مشترک است و فرآیند توزیع و جمع­آوری هر دو توسط این بخش انجام می­شود. مراکز توزیع منطقه­ای نه تنها محصولات نهایی را نگهداری می­کنند بلکه با استفاده از فرآیند cross-docking به عرضه واحد­های فراهم شده می­پردازد.

شکل زیر یک زنجیره تامین برای جریان­های دوطرفه را به صورت شماتیک نشان می­دهد.

مفروضات مساله:

۱-ظرفیت تولید بی نهایت است.

۲- موجودی اولیه از محصولات نهایی صفر است.

۳-انبار شدن محصولات غیر مجاز است.

۴-هزینه ارسال محصولات نهایی نادیده گرفته شده است.

تابع هدف مساله:

به حداقل رساندن هزینه­های کل مربوط به جریان­های دو طرفه که این هزینه­ها شامل هزینه­های احداث تاسیسات ثابت و هزینه­ های عملیاتی(شامل هزینه­های نگهداری موجودی از محصولات نهایی در مرکز توزیع منطقه­ای، هزینه نگهداری کالا در مرحله cross-docking ) ،هزینه­های حمل و نقل بین RDC و کارخانه­ها و هزینه حمل و نقل بین RDC و مشتریان، صرفه جویی در هزینه را در نظر می­گیرد که این صرفه جویی به دلیل تواما در نظر گرفتن تصمیمات مربوط به احداث تسهیلات و هماهنگی در حمل و نقل است. 

عبارت اول و دوم این تابع هدف به هزینه­های تولید و توزیع مربوط می­شود که شامل هزینه­های احداث تسهیلات ثابت، عملیاتی، حمل و نقل است و دو عبارت آخر مربوط به صرفه­جویی در هزینه­های  JRDCs  است.

محدودیت ­ها : 

محدودیت (۲) :محدودیت موجودی محصولات نهایی است.

محدودیت (۳) و (۴) : تنها یک مرکز توزیع به هر مشتری و تامین کننده اختصاص داده می­شود.

محدودیت (۵) و (۶) :مشتری یا تامین کننده فقط به یک مرکز توزیع DRDC  یا CRDC  اختصاص داده می­شود .

محدودیت (۷ ) :مرکز  JRDC ساخته خواهد شد اگر  DRDC  یا CRDC   احداث شده باشد.

محدودیت (۸ ) :غیر منفی بودن متغیر­ها را نشان می­دهد.

محدودیت (۹ ) تا (۱۱) :متغیر­های تصمیم باینری را نشان می­دهد.

رویکرد حل مساله :

 در ابتدا به خطی سازی عبارت آخر تابع هدف می­پردازیم و آن را به صورت زیر خطی می­کنیم.

لم:

که به صورت زیر خطی می­شود:

 ا

چون مساله ازنوع NP-hard ( non-deterministic polynominal-time hard)است برای حل مساله از روش آزاد­سازی لاگرانژ استفاده می­کنیم.

الگوریتم آزاد­سازی لاگرانژ یک روش ابتکاری در حل مسائل بهینه سازی است. این الگوریتم مبتنی بر قضیه لاگرانژ برای حل مسائل بهینه سازی توسعه داده شده است این الگوریتم با آزاد­سازی برخی قیود مساله جوابهای تقریبی قابل قبولی را برای مساله ایجاد می­کند که از این جوابها میتوان به عنوان یک کران در سایر الگوریتم­های بهینه سازی استفاده کرد. مفهوم آزاد­سازی را روی متغیرها یا قیودات مساله داریم. آزاد­سازی یک موضوع پر کاربرد برای حل مسائل بهینه سازی است و در بسیاری از متد­های بهینه­سازی، مخصوصا روشهای دقیق کاربرد بسیار دارد. در آزاد­سازی فضای حل مساله را گسترش می­دهیم در واقع فضای حل مساله اولیه زیر مجموعه فضای حل مساله آزاد شده است.

قضیه لاگرانژ:

در قضیه لاگرانژ این مدل را می­توانیم به صورت زیر بنویسیم:

محاسبه ضرایب لاگرانژ (در مساله مینیمم سازی):

ابتدا با یک مقدار اولیه  برابر صفر شروع می­شود و یک مقدار تحت عنوان اندازه گام تعریف می­شود و یک مقدار اولیه به آن داده می­شود برای محاسبه تغییرات ضرایب لاگرانژ مساله آٖزاد شده حل می­شود و مقدار بهینه بدست می­آید و سپس بررسی می­شود که در قیودات آزاد شده مساله به ازای جواب بهینه مدل آیا قید برقرار است یا خیر ؟

اگر قید برقرار نبود ضریب متعلق به آن قید به اندازه گام تعریف شده، افزایش داده می­شود. اگر قید برقرار بود برعکس حالت قبل عمل می­شود و اگر در  nتکرار متوالی بهترین کران هیچ تعییری نکرد مقدار گام تغییر داده می­شود و در نهایت به مرحله دوم باید رجوع شود .

شرایط توقف الگوریتم لاگرانژ:

۱-برای الگوریتم ماکزیمم تعداد تکرار تعریف کرد و می­توان الگوریتم را برای تعداد مشخصی تکرار حل کرد و اگر در تعداد مشخصی تکرار در مقدار کران هیچ بهبودی حاصل نشود الگوریتم متوقف می­شود.

۲-میزان گام­ها از یک مقدار مشخص کمتر باشد.

۳-میزان تغییرات ضرایب لاگرانژ بین دو تکرار متوالی از یک حدی کمتر باشد.

کران پایین:

با استفاده از محدودیت آزاد شده ۳و۴ و نیز با استفاده از ضرایب

 

و ضرایب لاگرانژ سه عبارت آخر دوگان تابع هدف )که در زیر بیان شده است)، هیچ تاثیری روی تعیین کردن جواب بهینه ندارد و می­توان آنها را حذف کرد علاوه بر این دوگان مساله به تعداد اندازه j  زیر مساله تقسیم می­شود. بر این اساس اگر یک جواب بهینه برای زیر مساله پیدا شود یک کران پایین بدست آمده است.

دوگان تابع هدف:

کران بالا:

بعد از حل کردن مساله دوگان، یک الگوریتم ابتکاری به منظور شناسایی جواب شدنی به کار می­رود.با استفاده از روش تخصیص که به صورت خلاصه در زیر بیان شده است، متغیر­های تخصیص معین می­شود. جدول زیر پارامتر­های مربوط به مراحل ۱و۲ را بیان می­کند. پارامتر­های مربوط به محاسبه کران بالا و پایین مساله را نیز نشان می­دهد.

مورد مطالعاتی:

یک شرکت ساخت موتور دیزلی که به عنوان رهبر صنعت ساخت موتور در چین محسوب می­شود و سالانه میلیونها موتور دیزلی به فروش می­رساند و دارای شبکه زنجیره تامین با جریان دو طرفه می­باشد و نمونه­ها را از تامین کننده دریافت می­کند. ۲۱ کلان شهر در کشور چین به عنوان مرکز RDCs کاندید شده­اند. هزینه­های موجودی و راه­اندازی RDCs مبتنی بر اقتصاد کلان شهر­ها می­باشد. هزینه­های حمل و نقل به مسافت طی شده بستگی دارد. تقاضا مشتریان نیز به جمعیت و اقتصاد کلان شهر­ها بستگی دارد. پس از حل مدل از طریق روش لاگرانژ مکان مراکز توزیع به صورت شکل زیر بدست آمدند

زمانی که مراکز RDCs , JRDCs احداث شده باشند صرفه جویی در هزینه­ها رخ می­دهد. این شرکت در جنوب چین واقع شده است و عرضه و تقاضا در مناطق مختلف جنوبی چین بسیار کم است و تنها ۳ RDCs  در جنوب و میانه چین قرار دارند. این تخصیص مکان­ها در کاهش هزینه­های حمل و نقل و بهبود هماهنگی در شبکه زنجیره تامین نقش بسزایی دارد.

مزایای یکپارچه سازی زنجیره تامین:

به منظور نشان دادن مزایای یکپارچه سازی زنجیره تامین، به مقایسه هزینه­های مدل یکپارچه شده با رویکرد ۱و۲ که در زیر بیان شده، پرداخته شده است.

رویکرد ۱: مشخص کردن مکان DRDCs  و بعد در نظر گرفتن این مکان به عنوان ورودی و سپس مشخص کردن مکان CRDCs

رویکرد ۲: مشخص کردن مکان  CRDCs و بعد در نظر گرفتن این مکان به عنوان ورودی و سپس مشخص کردن مکان  DRDCs

 برای هر یک از رویکرد­های فوق مقادیر پارامتر­بتا برابر ۱و۲و۳ در نظر گرفته میشود و نتایج حاصل از مقایسه مدل یکپارچه و رویکرد ۱و۲ در جدول زیر بیان شده است.

 

نتایج جدول فوق به صورت زیر بیان می­شود:

۱-هزینه­های حمل و نقل به صورت قابل توجهی تحت تاثیر تصمیم­گیری­های یکپارچه قرار دارد و این وضعیت نشان می­دهد هماهنگی در حمل و نقل به صورت قابل ملاحظه­ای باعث کاهش هزینه­ها می­شود. در صورتیکه در رویکرد ۱ هزینه­های حمل و نقل افزایش می­یابد

۲-برحسب سود بدست آمده از تصمیم­گیری­های یکپارچه، هزینه نگهداری در چندین آزمایش محاسباتی افزایش یافته است. افزایش هزینه­های ثابت می­تواند به سبب احداث مراکز توزیع بیشتر باشد و کاهش هزینه­های نگهداری، به علت هماهنگی در مساله حمل و نقل می­باشد.

۳-برای دو رویکرد ترتیبی۱و۲، رویکرد ۱ برای اکثر آزمایش­های محاسباتی که اندازه پارامتر­ها، تعداد دوره­ها ارزش کمی دارند، درصد بهبود در هزینه کلی نسبت به رویکرد ۲ کمتر است. اگر اندازه پارامتر­ها، تعداد دوره­ها افزایش یابد، نتایج تجربی نشان می­دهد که تاثیر تعداد مراکز توزیع انتخاب شده بسیار ناچیز است و از مطالعه حذف می­شوند.

۴-هنگامیکه هزینه حمل و نقل کم باشد (آلفا ۰.۱ یا آلفا ۱) به مراکز منطقه­ای کمتری احتیاج است و هنگامیکه هزینه­های حمل و نقل بالا باشد (آلفا ۱۰ ) مراکز توزیع منطقه­ای بیشتری ساخته می­شود. با افزایش هزینه­های حمل و نقل، هزینه­های ساخت مراکز توزیع منطقه­ای کاهش می­یابد، لذا تمایل کارخانه­ها برای ساخت مراکز توزیع منظقه­ای به منظور کاهش فاصله­های حمل و نقل، بیشتر می­شود. ولی ناگزیر هزینه­های کل افزایش می­یابد. تصمیم­گیرنده­ها تمایل دارند تا مراکز توزیع منطقه­ای بیشتری به زنجیره اضافه کنند.بطور کلی هر چقدر میزان آلفا بیشتر شود هزینه­های کلی کاهش می­یابد و نیز با افزایش گاما میزان  هزینه­های کلی افزایش می­یابد.

از جداول فوق می­توان دریافت که با افزایش مقدار  تعداد مراکز توزیع منطقه­ای برای فرآیند جمع­آوری کمتر از مراکز توزیع منطقه­ای  می­شود و هنگامی که بتا برابر ۱ در نظر گرفته می­شود، تعداد CRDCs با DRDCs برابر می­شود. در کل با افزایش بتا هزینه­های کلی کاهش می­یابد.

نتیجه­گیری:

۱-در این مقاله به بررسی مکانیابی تسهیلات، توزیع و جمع­آوری جریان­های دو طرفه پرداخته شد. و نیز مدل محل توزیع در جریان­های یک طرفه به جریان­های دو طرفه توسعه داده شد. و مساله به صورت یک برنامه­ریزی عدد صحیح مختلط فرموله شد. و الگوریتم لاگرانژ ابتکاری برای حل مدل پیشنهاد شد. یک الگوریتم ابتکاری برای شناسایی حدود بالا توسعه داده شد. عملکرد الگوریتم پیشنهادی توسط آزمایش­های عددی متعددی مورد ارزیابی قرار گرفت و الگوریتم پیشنهاد شده در یک مورد مطالعاتی (شرکت ساخت موتور) به کار برده شد.

پیامد­های عملی بدست آمده به صورت خلاصه به شرح زیر است:

۱-زنجیره تامین یکپارچه­ای معرفی شد که سود قابل توجهی برای شرکت­ها رقم می­زند. هزینه­های حمل نقل هر واحد  و صرفه­جویی در هزینه­های مرتبط با هماهنگی در حمل و نقل اثرات متفاوتی در طراحی شبکه زنجیره تامین دارد.

۲-اگر هزینه­های هر واحد حمل و نقل از محصولات متفاوت باشد راه حل مناسب از بین بردن مراکز توزیع منطقه­ای RDCs) ) است. و اگر هزینه­های صرفه­جویی مرتبط با هماهنگی در حمل و نقل تغییر کند باز طراحی شبکه با متد ارائه شده برای کاهش هزینه­های کل ضروری است.

۳- یکپارچه سازی زنجیره تامین منجر به کاهش کل هزینه-ها می­شود. تحت شرایط مختلف دو رویکرد تصمیم­گیری پی در پی که اغلب کاربرد­های عملی دارند، مزایای خود را در دو حالت زیر نشان می­دهند. برای نمونه در مقیاس کوچک (افق برنامه­ریزی کوتاهتر و تعداد کمتر مکان­های کاندید برای RDCs)  ) رویکرد ۱ که ابتدا مکان DRDCs را مشخص می­کند و رویکرد ۲ یعنی ابتدا تعیین مکان RDCs، نسبت به رویکرد۱ برتری دارد.

تحقیقات آتی:

۱-به منظور افزایش کاربرد این مدل می­توان محدودیت پنجره زمانی به مدل اضافه کرد.

۲-مساله ماکزیمم سازی سود، در طراحی شبکه زنجیره تامین با جریان­های دو طرفه می­تواند از طریق یکپارچه سازی استراتژی­های تامین پویا برای خرید محصولات مورد بررسی قرار بگیرد. 

۳-برای عملی تر شدن مساله مورد بررسی از ترکیب حمل و نقل بصورت مستقیم و غیر مستقیم برای جمع آوری کالاها و همچنین در نظر گرفتن ظرفیت استفاده کرد.

۴-یک مدل تصادفی تحت عدم قطعیت از طریق رویکرد رباست می­تواند مورد مطالعه قرار بگیرد.