طراحی شبکه زنجیره تامین -بررسی مقاله هشتم

طراحی و بازطراحی پویای شبکه لجستیکی چند سطحی و چندمحصولی با امکان برون‌سپاری : یک مطالعه موردی

مقدمه

طراحی شبکه لجستیک (LND) فرآیندی استراتژیک، برای بهینه‌سازی پیکره‌بندی زنجیره‌تامین است. امروزه، سازمان‌ها با توجه به موقعیت تجاری جدید خود و یا برآورده کردن اهداف جدید استراتژیک خود، نیاز به بازطراحی زنجیره تامین موجود در سازمان و یا طراحی یک زنجیره جدید دارند. تغییرات بازار کسب‌وکار و افزایش فشار هزینه از دلایل بازطراحی شبکه لجستیک است که این کار می‌تواند 5 تا 15 درصد هزینه کلی لجستیک را کاهش دهد و به علاوه، سرویس‌دهی مناسب‌تری را به مشتریان ارائه دهد.

به طور کلی، طراحی شبکه لجستیک با تعیین تعداد بهینه و مکان‌یابی تسهیلات، تخصیص ظرفیت و تکنولوژی‌های مورد نیاز تسهیلات و تصمیم­گیری درباره جریان محصول در طول زنجیره‌تامین، به صورتی که نیاز مشتریان در حداقل هزینه یا حداکثر سود برآورده شود، سروکار دارد. تصمیمات لجستیک دومین گروه از تصمیمات کلیدی است که با انتخاب تامین‌کنندگان در تامین و تدارکات و تصمیمات توزیع و تولید سروکار دارد. همچنین، تصمیمات راهبردی در ساخت و تولید درون کارخانه‌ها و یا برون‌سپاری تولید محصول و یا حتی ترکیبی از این دو رویکرد از تصمیمات لجستیکی هستند. نقش طراحی شبکه لجستیک (LND) و طراحی مجدد شبکه لجستیک (LNRD) در محیط های کسب و کار امروزی، برای مقابله با انواع چالش‌ها به منظور ارائه عملکرد زنجیره‌تامین برجسته شده است. تصمیمات استراتژیک شبکه تمام سطوح مدیریت زنجیره‌تامین را تحت تاثیر قرار داده و یک چارچوب برای فرآیندهای عملیاتی موفق ارائه می‌دهد.

در مقاله مورد بررسی یک دید جامع و یکپارچه در زنجیره‌تامین در نظر گرفته شده است که در آن تامین‌کنندگان موادخام، تسهیلات تولیدی، انبارها، کانال‌های حمل‌ونقل و مشتریان از عناصر تشکیل‌دهنده زنجیره هستند.

در شکل بالا، شمای کلی از شبکه زنجیره‌تامین نشان داده شده است که در آن انواع مختلف محصولات در کارخانجات تولید می‌شوند. محصولات موردنظر، با فرآیند زیرمونتاژ اجزا و یا از طریق مواد خام در کارخانه‌ها تولید می­شوند که برای تامین موادخام، چندین تامین‌کننده با هزینه‌های متفاوت در نظر گرفته شده است. محصول نهایی ساخته شده، می‌تواند هم به انبارها منتقل شده و هم به صورت مستقیم به دست مشتری نهایی برسد. علاوه بر این امکان خرید محصول نهایی از منایع بیرونی وجود دارد و محصولات در انبارها یکی می­شوند که محصول نهایی نیز می‌تواند توسط منابع خارجی خریداری شده و در انبارها نگهداری شود.

مساله اصلی بازطراحی در پی انتخاب بازگشایی انبارهای جدید و یا خط تولید جدید در مکان‌های بالقوه است. در مقاله مورد بررسی، برنامه‌ریزی برای چند دوره زمانی در نظر گرفته شده است و ظرفیت در هر دوره زمانی می‌تواند بیش از یکبار، در هر دو نوع تسهیل جدید یا موجود تغییر کند، (می‌تواند گاهی به صورت بسته شدن انبارهای کارخانه موجود باشد) که این رویکرد برای توانایی گسترش بازار در مکان‌های جدید و رشد بازارهای جدید در آینده و یا برآورده کردن افزایش نیاز به محصول در بازارهای کنونی است.

شباهت مدل ارائه شده در مقاله با مدل Thanh et al(2008),(2010),(2012)  را می‌توان در پویا بودن هر دو مدل دانست، شبکه ها تعداد مشابهی از لایه ها و توزیع‌های مستقیم را از کارخانه تا مشتری دارند. اما بر خلاف مدل گفته شده که محدودیتی برای میزان محصولات تکمیل شده از طریق برون‌سپاری درنظر نگرفته بود، در مساله موردنظر خرید حجم مشخصی از محصولات تکمیلی از منابع خارجی درنظر گرفته شده است که در انبارها سازماندهی می‌شود. این ویژگی دربرگیرنده بسیاری از موقعیت های دنیای واقعی است که در کارخانه‌هایی که در مقیاس جهانی فعالیت دارند، برای داشتن انعطاف و دستیابی به مزیت رقابتی استراتژی برون‌سپاری را در خودشان بعنوان ابزاری برای برآورده کردن نیاز مشتریان در نظر می‌گیرند. علیرغم اهمیت این مدل برون‌سپاری فقط توسط Hinojosa et al.(2008) در مدلی در نظر گرفته شده بود. دیگر ویژگی متمایز این مساله در نظر گرفتن حالت‌های مختلف حمل‌ونقل با ظرفیت و هزینه متفاوت است.

پیشینه پژوهش

پس از معرفی طراحی شبکه توزیع چند محصولی ، بسیاری از پژوهشگران تعداد زیادی از رویکردهای بهینه سازی برای طراحی شبکه های لجستیکی ارائه دادند. پس از آن، در برخی مقالات امکان توسعه ظرفیت تسهیلات و انتقال ظرفیت‌ها از تسهیل موجود به تسهیل جدید در طول افق برنامه‌ریزی به طراحی شبکه افزوده شد.

با افزایش پیچیدگی سازمان‌ها، امکان برون‌سپاری محصول و حل مسئله با بسیاری از رویکردهای بهینه‌سازی موردتوجه بسیاری از محققان قرار گرفت.

تعریف مساله

هدف مساله تعیین یک چارچوب برای شبکه در یک افق برنامه‌ریزی است که در آن هزینه‌ها در حداقل میزان خود خواهند بود. مدل ارائه شده برای مسئله بازطراحی شبکه لجستیک، سعی در یکپارچه کردن مکان‌یابی و انتخاب ظرفیت برای کارخانه‌ها و انبارها با تامین کنندگان و انتخاب حالت حمل‌ونقل است که در آن گزینه‌های برون‌سپاری در دوره‌های زمانی متعدد و تغییر ظرفیت‌ها وجود دارد.

مفروضات مساله

·         مدل شبکه زنجیره‌تامین مورد بررسی 4 سطحی است.

·         مدل چنددوره­ای است.

·         امکان انتقال مستقیم محصولات به مشتریان وجود دارد.

·         امکان بستن تسهیلات موجود و گسترش ظرفیت تسهیلات وجود دارد.

·         انتخاب حالت (مد) حمل‌و‌نقل امکان‌پذیر است.

·         مدل چند محصولی است.

·         هر تولیدکننده امکان تولید انواع محصولات را دارد.

·         امکان برون‌سپاری وجود دارد.

هزینه‌های عملیاتی و سایر هزینه‌های تسهیلات در هر دو تسهیل قدیم و جدید در نظر گرفته می‌شود.

هزینه‌های لجستیک شامل هزینه‌های زیر می‌شود:

·         هزینه تامین و تدارکات

·         هزینه تولید

·         هزینه برون‌سپاری

·         هزینه توزیع که این هزینه وابسته به انتخاب حالت حمل‌ونقل برای جابجایی مواد خام و محصول نهایی در طول شبکه است.

باید توجه داشت که بین حالت های مختلف حمل از لحاظ هزینه و ظرفیت تفاوت وجود دارد. درصدی از تقاضای کل مشتریان برای هر مجموعه محصول نهایی،به عنوان حد بالا برای میزان محصولی که می‌تواند توسط منبع خارجی تامین شود، در نظر گرفته می‌شود. این گزینه در هنگام تاسیس تسهیل جدید در نظر گرفته می‌شود که ظرفیت و گزینه‌های هزینه‎ای تسهیل جدید مطلوب‎تر از برون‌سپاری باشد.

متغیر های تصمیم و اطلاعات ورودی:

مجموعه OD  به صورت زیر تعریف شده است:

که در آن (s,l) به معنای حمل مواد خام اولیه r است؛ زمانیکه سایر جفت های مبدا-مقصد تلاش در رساندن محصول نهایی p دارند.در واقع مجموعه OD  بیانگر تمام مجموعه زوج های مبدا-مقصد است که بین هر دو تسهیل رابطه‌ای برای ارسال و دریافت محصول وجود دارد. هزینه‌های ثابت وابسته به تصمیم مکان‌یابی هستند که به ترتیب بیانگر هزینه بسته شدن تسهیل و هزینه باز شدن انبار یا کارخانه جدید است.

در مدل  فاکتوری است که برای تکنولوژی­های مجزا که برای خط تولیدهای مختلف است، در نظر گرفته می‌شود و پارامتر  به علت تفاوت مواد خام برای تولید یک محصول در خط تولیدهای مختلف است و  تضمین می‌کند که تسهیلات در حداقل سطح معناداری عملیات انجام می­دهند. باید توجه کرد که تمام تصمیمات در ابتدای دوره زمانی در نظر گرفته می‌شود. وضعیت تسهیلات جدید با متغیر  کنترل می‌شود.

تابع هدف

هدف مساله حداقل کردن هزینه‌های مربوط به طراحی شبکه است که شامل هزینه تاسیس تسهیل جدید، هزینه ثابت بستن تسهیل جدید، هزینه ایجاد ظرفیت در تسهیل ، هزینه تولید یک واحد محصول ، هزینه جابجایی یک واحد محصول و هزینه خرید یک واحد محصول  است.

محدودیت‌های طراحی مجدد شبکه:

1.محدودیت‌های مربوط به تامین کنندگان

محدودیت1: بیانگر تعیین تامین کنندگان و تدارکات منابع خام است که باعث محدود کردن حجم منابع خام تهیه شده توسط تامین کننده در هر دوره می‌شود.

محدودیت 2:این محدودیت تضمین می‌کند که تمام مقدار ماده خام r خریداری شده توسط کارخانه برای تولید محصول نهایی به کار گرفته می‌شود که در آن محصول نهایی می‌تواند به انبارها توزیع شود و یا به صورت مستقیم به مشتری برسد.

2.محدودیت مکان‌یابی تسهیلات و گنجایش

محدودیت 3:به معنای احداث حداکثر یک تسهیل در هر مکان کاندید است.

محدودیت 4: تنها زمانی در یک تسهیل می‌توان ایجاد ظرفیت  کرد که آن تسهیل در آن دوره در حال اجرای عملیات باشد. از طرف دیگر چنانچه یک تسهیل جدیدی در یک دوره خاص ایجاد شود، باید در همان دوره در آن تسهیل ایجاد ظرفیت کرد.

محدودیت 5: :تضمین می‌کند تسهیل موجود فقط یکبار می‌تواند بسته شود.

محدودیت 7و6: هر دو محدودیت به معنای این است که یک تسهیل بیشتر از یکبار می‌تواند، در طول افق زمانی برنامه‌ریزی  گسترش یابد که ظرفیت تغییر یافته از حد مجاز فراتر نمی­رود. این ویژگی در مقالات قبلی علیرغم اهمیت در شرایط واقعی، خیلی مورد بحث واقع نشده است.

3.محدودیت مربوط به استفاده از ظرفیت‌ها

استفاده از حد بالا و پایین هم در کارخانه‌ها و هم در انبارها وجود دارد و وابسته به کسب ظرفیت در طول زمان است. در هر موقعیت مکانی ظرفیت به صورت زیر تعیین می‌شود:

ظرفیت‌های بالا برای پردازش محصول نهایی در کارخانه‌ها و انبارها استفاده می‌شود.

F های تعریف شده در مدل نشان دهنده تعاریفی برای حجم کل عملیاتی برای کارخانه و انبار است.

محدودیت 8 و 9:بیانگر این است که کل حجم تولیدی توسط هر کارخانه بین حد بالا و پایین تعریف شده برای هر دوره زمانی باشد. باید توجه کرد که حد پایین درصدی از حجم ماکزیمم است.

محدودیت 10 و 11: موقعیت مشابهی درباره انبارها را بیان می­کنند، یعنی کل حجم مورد استفاده در انبارها بین حدود مشخص و تعیین شده باشند.

4.محدودیت‌های حمل‌ونقل ، برون‌سپاری و مربوط به تقاضا

محدودیت 12: بیانگر محدودیت ظرفیت بر حالتهای حمل‌ونقل است.

محدودیت 13:حد مجاز برای انتقال مستقیم از کارخانه به مشتری برای هر محصول توسط محدودیت زیر بیان شده است. این محدودیت در واقعیت وجود دارد که منابع موجود برای توزیع مستقیم محصول اغلب محدود است.

محدودیت 14: تضمین کننده حفظ تعادل در جریان محصول در تمام انبارهای عملیاتی در هر دوره زمانی است.

محدودیت 15:این محدودیت بیانگر حد بالای ظرفیت برون‌سپاری هر نوع محصول است.

محدودیت 16:در نهایت باید تمام نیاز های مشتریان در افق زمانی برآورده شود.

مدل آماده شده انعطاف‌پذیر بوده و برای مسائلی که در آن به طراحی شبکه و استراتژی های توزیع پرداخته است کارایی دارد. همچنین باید توجه داشت اگر در مساله le و we برابر با صفر باشند، مدل ارائه شده به یک مدل برای مسائل طراحی شبکه تبدیل می‌شود.

روش حل

در این قسمت برای ارتقاء و تقویت مدل ارائه شده و بهبود حد پایین در آزادسازی خطی راه‌های مختلفی ارائه شده است و علاوه بر این شانس دستیابی به راه حل‌های شدنی مناسب در الگوریتم شاخه-کران افزایش پیدا خواهد کرد.

یکی از راه‌های ارتقاءی مدل، تقویت محدودیت‌های ظرفیت بوده که به سمت راست محدودیت شماره 12 که درباره حالت‌های حمل‌ونقل است،مجموعه­ای از متغیرهای مکان‌یابی تسهیلات اضافه شده است و برای جریان محصولات نهایی از کارخانه و انبار محدودیت‌های 12a و 12b جایگزین می‌شوند. این بدین منظور است که مواد خام فقط در صورتی از تامین کننده sبه کارخانه l با حالت حمل‌ونقل mدر دوره زمانی  t منتقل می‌شود که کارخانه l در دوره زمانی t حتما مشغول به کار باشد. پس برای هر زوج مجموعه انبار-کارخانه فقط در صورتی می‌تواند حالت حمل‌ونقل انتخاب شود که هر دو مبدا و مقصد مشغول به کار باشند. در اصل محدودیت شماره 12 توسعه یافته تنها برای تضمین این است که محصول فقط بین تسهیلات مشغول به کار توزیع می‌شود. همچنین نامعادلات 23 و 24 به مدل اضافه خواهند شد که اگرچه زائد هستند اما به نرم افزار بهینه سازی برای ارائه برش های پوششی کمک می‌کنند؛ یعنی در هر دوره زمانی ظرفیت کل کارخانه‌های فعال تمام تقاضای درخواستی را پوشش دهد. همچنین نامعادله 27 یک حد پایین برای میزان کل سطح ظرفیت به مدل تحمیل می‌کند.

در محاسبات عددی نمونه های تصادفی تولید شده از تابع توزیع یکنواخت تهیه شده است. در این نمونه ها هر محصول نهایی به صورت تصادفی از زیرمجموعه تصادفی موادخام تهیه شده است و هر ماده خام به صورت تصادفی توسط زیر مجموعه­ای از تامین کنندگان تامین شده است. همچنین 2 حالت حمل‌ونقل ریلی و جاده ای در نظر گرفته شده است؛ به صورتیکه حمل‌ونقل ریلی بین هر دو تسهیل تامین کننده-کارخانه و کارخانه-انبار استفاده می‌شوند، اما حمل‌ونقل جاده ای می‌تواند بین هر دو جفت تسهیل امکان جابجایی داشته باشد. همچنین سه سطح ظرفیتی کوچک، متوسط و بزرگ برای تسهیلات (انبار و کارخانه ) در نظر گرفته شده است.

در نهایت 60نمونه تصادفی ایجاد شده است که 30 نمونه برای مساله طراحی شبکه و 30 نمونه برای طراحی مجدد شبکه در نظرگرفته شده است که هر نمونه با 6 ترکیب پارامترهای مختلف حل شده است (جدول6) که در نهایت 360RUN گرفته شده است. این انتخاب ها تعداد متغیرها و محدودیت‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به عنوان مثال وقتی گزینه برون‌سپاری مطرح نباشد و تمام محصولات در کارخانه‌ها ساخت و تولید شود، متغیر Z و محدودیت 15 از مساله حذف خواهند شد. همچنین هنگامیکه امکان انتقال مستقیم محصول از کارخانه به مشتری وجود نداشته باشد محدودیت‌های 2،8،9و 16ساده­تر خواهند شد و محدودیت 13 هم حذف می‌شود.  بیشترین کاهش در تعداد متغیرها زمانی خواهد بود که هر دو پارامتر β(پارامتر برون‌سپاری) و λ(پارامتر انتقال مستقیم محصول از کارخانه به مشتری) برابر با 0 باشند.

نتایج

در نتایج عددی ارائه شده در مقاله، تمرکز بر تاثیر پارامترهای متفاوت بر اجزای مختلف شبکه لجستیک مثل مکان‌یابی، تامین و تدارکات، تولید، توزیع و برون‌سپاری است. به عنوان مثال انتخاب استراتژیک بین تولید داخل در مقابل رویکرد مختلط با سطح برون‌سپاری محدود برای محصولات تکمیل شده، در شکل2 برای طراحی مجدد شبکه لجستیک نمایش داده شده است. در این سناریو تمام مناطق مشتری توسط انبارها تامین شدند و نشان داده شد با افزایش سطح برون‌سپاری از 0 به 20% تاثیر قابل توجهی بر هزینه کل وجود ندارد. تاثیر بزرگتر در هزینه ثابت برای  مشاهده شد که در این مورد، کاهش ظرفیت تولید، که تاثیر بر سرمایه­گذاری بر تاسیس کارخانه جدید و ایجاد ظرفیت در این مکانها و گسترش ظرفیت در کارخانه‌های موجود دارد، نیاز است. در نتیجه هزینه تدارکات و تولید و حمل‌ونقل کاهش یافت؛ علیرغم این کاهش ، کاهش هزینه کل کمتر از 1.5% از زمانی که هزینه‌های اضافی ناشی از برون‌سپاری متحمل می‌شود، است.

در شکل 3 تاثیر 10% کل تقاضا که میتوان از کارخانه به مناطق تقاضا فرستاده شود برای 3 سطح متفاوت برون‌سپاری در بازطراحی شبکه لجستیک نشان داده شده است. در این سناریو بدون برون‌سپاری ، هزینه‌های استراتژیک و لجستیک 7.2% کاهش یافت. همانطور که انتظار می­رود، این به دلیل هزینه‌های حمل‌ونقل و انبارداری پایین تر است و تا زمانی که انبارها محصولات کمتری را مدیریت کنند، هزینه‌های سرمایه‌ای توسعه ظرفیت انبارها اغلب کاهش می یابد. یکی دیگر از صرفه‌جویی در هزینه‌ها زمانی به دست می آید که محصول نهایی محدودی خریداری شود و این کاهش ظرفیت مورد نیاز در کارخانه‌ها است؛ در نتیجه سرمایه مورد نیاز برای کارخانه‌ها کاهش می یابد. علاوه بر این به علت کاهش نیاز به موادخام اولیه ، هزینه‌های تولید و تامین و تدارکات کاهش می یابد.

تجربیات در مقاله نشان می‌دهد که مسائل مربوط به طراحی شبکه لجستیک جدید به مراتب سخت‌تر از مسائلی که تمرکز بر بازطراحی شبکه ای که وجود دارد حل می‌شود. مدل ریاضی ارائه شده بسیار انعطاف پذیر بوده و به راحتی برای سایر جنبه های طراحی شبکه استراتژیک قابل گسترش است.در تحقیقات آتی باید به دنبال توسعه روش‌هایی بود که راه حل های نزدیک‌تر به بهینه را در زمان معقول ارائه می‌کنند. همچنین محققان می‌توانند بر طراحی یک رویکرد حل مناسب برای مساله ارائه شده در این مقاله تمرکز کنند.