چکیده:

استفاده از زیست توده تجدیدپذیر به عنوان ماده اولیه تولید سوخت های زیستی برای کاهش انتشار کربن افزایش یافته است. هدف این مقاله ارائه یک مدل بهینه سازی برای طراحی یک شبکه زنجیره تأمین زیست توده به سوخت زیستی مقاوم و قابل اعتماد است که در آن پایانه های چند حالته ، پالایشگاه های زیستی و پیوند اتصال آنها ممکن است با اختلال مواجه شوند. برای این منظور  از مدل های بهینه سازی ریسک گریز ، احتمالات انتقالی و آمار فضایی استفاده می شود. علاوه بر این ، برای غلبه بر پیامدهای تقاضای نامشخص و در دسترس بودن مواد اولیه ، تجمع ریسک ، سیستم صف M/M/1 در نظر گرفته شده است. از آنجا که مدل پیشنهادی یک مسئلهnp hard است، دو الگوریتم فرا ابتکاری به نام بهینه سازی اشعه بهبود یافته و بهینه سازی اجسام برخورد برای حل مدل پیشنهادی استفاده می شود.

 

مقدمه:

امروزه تولید سوختهای زیستی بر اساس مواد اولیه سلولزی به عنوان انرژی تجدیدپذیر پایدار اعتبار یافته است. برای دستیابی به هدف تولید 16 میلیارد گالن اتانول سلولزی در سال 2022 سالانه چیزی بیش از 200 میلیون میلی گرم زیست توده مورد نیاز خواهد بود. با این حال تعداد محدود تسهیلات اتانولی سلولزی به دلیل کمبود منابع قابل اطمینان برای تأمین مواد اولیه آنها و فناوری اقتصادی وجود دارد.

تسهیلات و زیرساخت های حمل و نقل با خطرات مختلف اختلال در بلایای طبیعی و دست ساز بشر روبرو هستند. در هر دو صورت زنجیره تأمین احتمالاً با ضررهای قابل توجهی روبرو می شود. بنابراین برای کاهش پیامدهای اختلالات و تلفات، طراحی زنجیره های تامین انعطاف پذیر و قابل اعتماد یکی از اقدامات مهم است. از نظر انعطاف پذیری دو رویکرد اصلی در ادبیات وجود دارد که شامل ریسک خنثی و ریسک گریز است ، به گونه ای که رویکرد ریسک گریز می تواند استحکام بیشتری نسبت به راه حل های دیگر به ویژه در شرایط نامشخص ارائه دهد. تعدادی از روشهای اندازه گیری ریسک از جمله ارزش در معرض خطر و ارزش مشروط در معرض خطر برای ترکیب اولویت ریسک استفاده شده است. رویکرد دوم می تواند شرایط مناسبی را برای تعیین ترجیحات و تاب آوری ریسک تصمیم گیرندگان فراهم کند. از نظر قابلیت اطمینان چهار رویکرد اصلی از جمله احتمالات انتقالی ثابت و متغیر برای تصمیم گیری تعیین تکلیف ، برنامه ریزی تصادفی مبتنی بر سناریو و شبیه سازی مونت کارلو در ادبیات وجود دارد. سه رویکرد اول معمولاً برای یک چارچوب ریاضی استفاده می شود در حالی که تکنیک های شبیه سازی معمولاً هنگامی استفاده می شود که ارائه مدل ریاضی با فرم بسته غیرممکن است. رویکرد احتمالات متغیر می تواند چارچوب کلی قابل اطمینان تری را در مواجهه با اختلال در تسهیلات ارائه دهد.

از سوی دیگر  طیف وسیعی از مسائل در مورد برنامه ریزی تامین زیست توده از جمله فصلی بودن، منابع گسترده و پراکنده و عدم قطعیت وجود دارد. در این راستا عدم اطمینان در تقاضا به دلیل محیط تجاری رقابتی به طور قابل توجهی بر عملکرد زنجیره تامین سوخت زیستی تأثیر می گذارد. یکی از روشهای موثر برای غلبه بر این چالش ، استراتژی جمع آوری ریسک است که می تواند سطح خدمات سالم موجودی را ارائه دهد. علاوه بر این به دلیل در دسترس بودن مواد اولیه مانند دوره های برداشت زیست توده ، پالایشگاه های زیستی معمولاً شلوغ هستند. این امر نه تنها هزینه های زنجیره تامین را افزایش می دهد بلکه کارایی پالایشگاه های زیستی را نیز کاهش می دهد. از این نظر یک سیستم صف می تواند برای کاهش پیامدهای آن استفاده شود.

در مورد زنجیره تأمین قابل اعتماد کوی و همکاران احتمالات متغیر انتقالی را برای تصمیم گیری واگذاری ایجاد کرده است تا بتواند در مورد مسئله تخصیص مکان در معرض خطر اختلال ، یک تصمیم قابل اعتماد ارائه دهد. وحدانی و همکاران اختلال مراکز جمع آوری در یک زنجیره تامین حلقه بسته را برای ارائه یک زنجیره تأمین قابل اطمینان آهن و فولاد مورد بررسی قرار داد. علاوه بر این آنها از سیستم صف M/M/1 برای تخمین ظرفیت تسهیلات پردازش ضایعات استفاده کردند. ماروفوز و همکاران اختلالات دو نوع تسهیلات ، از جمله هاب بین مدلی و پالایشگاه زیستی  برای طراحی یک زنجیره تأمین سوخت سه مرحله ای قابل اعتماد را در نظر گرفتند. پودل و همکاران یک مدل آماری برای برآورد قابلیت اطمینان پیوندها، به منظور طراحی یک زنجیره تأمین سوخت زیستی قابل اعتمادکه در آن پیوندهای اختلال بین دو نوع امکانات مورد توجه قرار گرفته معرفی کردند. این رویکرد می تواند احتمال شکست پیوندهای ارتباطی را هنگامی پیش بینی کند که داده های تاریخی مربوط به اختلالات یا بلایا ممکن نباشد. ییلدیز و همکاران سه روش مختلف را برای محاسبه شاخص تجمعی قابلیت اطمینان برای یک تسهیلات و ورودی قوس های تسهیلات برای ارائه یک زنجیره تأمین قابل اعتماد معرفی کرده اند.

پودل و همکاران مدل ماروفوز و همکاران را با در نظر گرفتن یک سیستم صف M/M/1 برای مقابله با ازدحام تسهیلات به دلیل جنبه فصلی مواد اولیه توسعه داده اند. سلیمی و وحدانی اختلالات یک نوع تسهیلات و اتصالات را برای ارائه زنجیره تامین سوخت زیستی قابل اعتماد بررسی کردند. در این راستا آنها از مدل آمار ارائه شده برای برآورد قابلیت اطمینان پیوندها و روش جمع آوری ریسک برای غلبه بر عدم قطعیت تقاضا استفاده کردند. طلوعی و همکاران اختلال در مراکز جمع آوری را در نظر گرفته اند. آنها از یک مدل برنامه ریزی تصادفی مبتنی بر سناریو برای ارائه یک زنجیره تأمین قابل اعتماد که تعدادی سناریو برای مقابله با تقاضای نامشخص تعریف شده استفاده کرده اند.

در مورد زنجیره تامین انعطاف پذیرگونگ و همکاران برخی از استراتژی های ترمیم را برای توسعه یک زنجیره تأمین انعطاف پذیر برای مقابله با چالش های اختلال در زیرساخت ها از جمله عرضه، ارتباطات و حمل و نقل ارائه کرد. همچنین یک رویکرد راه حل مبتنی بر سناریو دو مرحله ای نیز برای برنامه ریزی اقدامات ترمیم پیشنهاد داده اند. رضاپور و همکاران تأثیر اختلال تأمین کننده را در ایجاد زنجیره تأمین انعطاف پذیر تحت رقابت بررسی کرده اند. آنها با تعریف سه سناریو شامل تصادف اضطراری، اختصاص ظرفیت پشتیبان و منابع چندگانه یک مدل تصادفی را پیشنهاد کردند. ظهیری و همکاران عوامل پایدار و مقاوم در طراحی زنجیره تامین تحت اختلال فناوری در تسهیلات تولید ارائه داده اند. آنها پنج عامل گره به صورت انتقادی، پیچیدگی جریان، پیچیدگی گره، سطح خدمات دهی به مشتری و سیاست تغییر موقعیت را در نظر گرفتند تا انعطاف پذیری را در نظر بگیرند. فتاحی و همکاران یک رویکرد برنامه ریزی تصادفی مبتنی بر سناریو چند مرحله ای برای طراحی یک زنجیره تأمین پاسخگو و انعطاف پذیر برای غلبه بر چالش های اختلال در ظرفیت تسهیلات ، که در آن خطر پاسخگویی و زمان تحویل به عنوان دو محدودیت اصلی در نظر گرفته شد ، پیشنهاد شد. برای ارائه یک طرح انعطاف پذیر برای تعیین تکلیف مشتری در یک مشکل تخصیص مکان ، یک مدل بهینه سازی توسط یو و همکاران ایجاد شد که خطرات با انحراف نیمه مطلق و ارزش مشروط در معرض خطر در نظر گرفته شد. علاوه بر این آنها احتمالات انتقالی متغیر را برای تصمیمات تعیین تکلیف بر اساس کوی و همکاران  محاسبه کردند. مارگولیس و همکاران یک چارچوب یکپارچه برای ارائه یک مبادله بین حداکثر حداکثر اتصال زنجیره تامین و به حداقل رساندن هزینه کل زنجیره تامین برای طراحی یک زنجیره تأمین تحت اختلال تسهیلات ارائه کرده اند. الورو و همکاران عواقب اختلال تسهیلات و مسدود شدن مسیر را برای ارائه یک زنجیره تأمین انعطاف پذیر با معرفی مکانیسم های فعال و واکنشی مورد مطالعه قرار داده اند. روش پیشگیرانه شامل اقدامات پیشگیرانه و روش واکنشی شامل تغییر مسیر و افزایش ظرفیت تسهیلات است. پاولوف و همکاران یک چارچوب جدید برای بهینه سازی افزونگی شبکه و برنامه ریزی احتمالی تحت اختلال در تسهیلات و تأمین جهت طراحی زنجیره تأمین انعطاف پذیر و پایدار بر اساس هماهنگ سازی ساختار و رویکرد جریان گرا ، پیشنهاد داده اند حسنی یک مدل برنامه ریزی تصادفی مبتنی بر سناریو چند منظوره تحت اختلال در تسهیلات برای طراحی یک زنجیره تامین سبز و مقاوم ارائه کرده است. علاوه بر این  از یک روش بهینه سازی قوی برای مقابله با عدم قطعیت تقاضا و هزینه های مختلف استفاده کرده.

همانطور که ملاحظه شد محققان مطالعات متعددی را در رابطه با ارائه زنجیره تأمین انعطاف پذیر یا قابل اعتماد انجام داده اند که در آن ملاحظات دیگری مانند پایداری ، پاسخگویی ، سبز بودن ، ترمیم و رقابت منعکس شده است. با این حال ملاحظات انعطاف پذیری و قابلیت اطمینان در نظر گرفته نشده است. علاوه بر این دو رویکرد عملی مرتبط با قابلیت اتکا و انعطاف پذیری از جمله احتمالات انتقالی متغیر برای تصمیم گیری واگذاری و ارزش مشروط در معرض خطر ، برای غلبه بر نگرانی های اختلال تسهیلات و ترجیح ریسک در طراحی شبکه زنجیره تامین استفاده نشده است. برای اطمینان از قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری در ادبیات یکی از سه فرض زیر در نظر گرفته شده است:

1) خرابی یک نوع تسهیلات ، 2) خرابی دو نوع تسهیلات و 3) شکست یک نوع تسهیلات و مسیر اتصال آن به تسهیلات دیگر، در حالی که روشن است که احتمال خرابی هر دو تسهیلات و مسیر اتصال آنها بسیار محتمل تر است که تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است. علاوه بر این ملاحظات تقاضای احتمالی برای محصولات برای کنترل سطح موجودی و در دسترس بودن مواد اولیه برای غلبه بر چالش احتقان در پالایشگاه های زیستی به طور همزمان در نظر گرفته نشده است. لازم به ذکر است که تغییرات تقاضا می تواند منجر به تغییر در برنامه ریزی ناوگان حمل و نقل شود بنابراین مدیریت ناوگان احتمالاً یک نیاز حیاتی است. این موضوع در زمینه عدم قطعیت تقاضا مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله  یک مدل ریاضی برای طراحی یک انعطاف پذیر و قابل اعتماد زیست توده به سوخت زیستی پیشنهاد شده است که در آن پایانه های چند حالته و پالایشگاه های زیستی به عنوان دو تسهیلات اصلی و پیوند اتصال بین آنها مختل می شود. برای غلبه بر نگرانی های مربوط به اختلال در اتصالات و اتصالات ، دو رویکرد کاربردی ، از جمله روش احتمالات متغیر و مدل آمار فضایی ، به ترتیب استفاده می شود. در این راستا ، به منظور در نظر گرفتن ترجیح ریسک به عنوان عامل تاب آوری ، از روش مشروط ارزش در معرض خطر استفاده می شود. علاوه بر این ، تجمع ریسک و اثرات ازدحام بر تسهیلات به عنوان مزایای سیستمهای موجودی ، صرفه جویی در هزینه و غلبه بر عدم قطعیت تقاضا و اثرات فصلی مواد اولیه در نظر گرفته می شود. همچنین ، از آنجا که مدل پیشنهادی یک مسئله NPhard است دو الگوریتم فرا ابتکاری جدید به نام بهینه سازی اشعه بهبود یافته و بهینه سازی اجسام برخورد برای حل مدل پیشنهادی استفاده می شود.

تعریف مسئله:

در این مقاله یک زیست توده زیست توده چند مرحله ای شامل منابع مختلف خام ، پایانه های تراشه ، پایانه های چند حالته ، پالایشگاه های زیستی و مشتریان در نظر گرفته شده است. منابع اولیه اولیه شامل ذرت ، بقایای جنگل و زباله های جامد شهری است. در این رابطه ، مورد قبلی معمولاً از سپتامبر تا نوامبر در دسترس است. مورد دوم معمولاً از دسامبر تا فوریه در دسترس نیست و سومی معمولاً در تمام طول سال در دسترس است. لازم به ذکر است که ذخیره ذرت در قالب بیل ارائه می شود ، بنابراین نیازی به مقیاس کاهش اضافی در پایانه های تراشه ندارد. همچنین در صورتی که پایانه تراشه در نزدیکی پالایشگاه های زیستی واقع شود ، می توان ذغال سنگ ذرت را مستقیماً به پالایشگاه های زیستی منتقل کرد. از آنجا که در عمل ، امکانات و زیرساخت های حمل و نقل با خطرات مختلف اختلال در بلایای طبیعی و انسانی مواجه می شوند ، احتمال اختلال در پایانه های چند حالته ، پالایشگاه های زیستی و پیوندهای ارتباطی بین آنها در نظر گرفته می شود. لازم به ذکر است که احتمال خرابی این امکانات و پیوندهای ارتباطی مستقل هستند. در تلاش برای برآورد احتمال خرابی پیوند با توجه به داده های اختلال بلایا ، یک مدل آمار فضایی استفاده می شود. این مدل می تواند زیرمجموعه ای از پیوندهای اتصال را شناسایی کند ، که برای تقویت ارتباطات پس از وقوع فاجعه با بودجه محدود مستلزم تقویت است و می تواند پیش بینی دقیقی از احتمال خرابی پیوندها در مواقعی که داده های تاریخی مربوط به اختلالات یا بلایا قابل دستیابی نیست ، ارائه دهد. علاوه بر این از نظر بازتاب اختلال در امکانات در یک مدل بهینه سازی دو رویکرد در نظر گرفته شده است که شامل احتمالات انتقالی ثابت و متغیر برای تصمیمات تعیین تکلیف می شوند. به این ترتیب که مورد اول برای اختلال در پایانه های چند حالته و دومی برای اختلال در پالایشگاه های زیستی در نظر گرفته می شود. علاوه بر این ، در تلاش برای محاسبه محل انعطاف پذیر و راه حل های تعیین تکلیف ، دو روش اندازه گیری ریسک کارآمد ، شامل انحراف نیمه مطلق و ارزش مشروط در معرض خطر ، برای ترجیح ریسک تصمیم گیرندگان اعمال می شود. این رویکردها می توانند چارچوب کلی قابل اطمینان تری را در مواجهه با اختلال در امکانات ارائه دهند. علاوه بر این برای کاهش پیامدهای نوسان تقاضا یک استراتژی تجمیع ریسک به عنوان یکی از روشهای سودمند برای دستکاری چنین عدم قطعیت تقاضا استفاده شده است. با توجه به جنبه فصلی مواد اولیه، تأثیر تراکم در این مطالعه توسط یک سیستم صف M/M/1 منعکس شده است. هدف از این مطالعه به حداقل رساندن هزینه کل مورد انتظار با ملاحظات ذکر شده در بالا است. در این راستا تصمیماتی مانند میزان زیست توده حمل و نقل، تعداد وسایل نقلیه مورد نیاز، موقعیت، تخصیص و ظرفیت تسهیلات، احتمال واگذاری مشتری و بهبود قابلیت اطمینان با تقویت پیوندهای اتصال ، تعیین می شود.

مفروضات مسئله:

·         تقاضای مشتریان به طور معمول با میانگین و واریانس مشخص توزیع می شود.

·      هر پالایشگاه زیستی از یک سیاست مرور مداوم  با سطح سرویس  پیروی می کند.

·         اختلال در پایانه های چند حالته و پالایشگاه های زیستی مستقل از یکدیگر است.

·         اختلال در امکانات و پیوندهای ارتباطی مستقل از یکدیگر است.

·         تصمیم گیرنده تصمیم از پیش تعیین شده نسبت به افق برنامه ریزی دارد.

·         در هر منطقه رقبای دیگری وجود ندارد