بازطراحی زنجیره تامین معکوس پایدار تحت عدم قطعیت : مطالعه موردی
مقدمه:
پایداری قوی با مفاهیم زنجیرهتامین پایدار رابطه بسیار نزدیکی دارد. بر اساس نظر(searing(2008 مدیریت زنجیرهتامین به صورت زیر تعریف میشود:
"مدیریت منابع و جریان اطلاعات، به علاوه همکاری و هماهنگی بین شرکتها در طول زنجیرهتامین، هنگامی که تمام اهداف از سه مقیاس توسعه پایدار مثل اقتصاد، محیط، جامعه و نیازهای ذینفعان برآورده شود". برای تضمین عملکرد زنجیرهتامین پایدار، طراحی شبکه باید تاثیرات ناشی از تصمیمات استراتژیک مثل مکانیابی تسهیلات و تخصیص ظرفیت، بر پارامترهای اقتصادی، محیطی و اجتماعی را در نظر بگیرد. به دنبال این رویکرد، مساله طراحی و بازطراحی زنجیرهتامین پایدار بعنوان موضوعی مرتبط با مسایل سرمایهگذاری تعریف میشود. اگرچه در بسیاری از پژوهشها و مقالات به مساله زنجیرهتامین پایدار پرداخته شده است، اما شکافهای دانشی در این حوزه وجود دارد که در زیر بهصورت خلاصه آمده است:
براساس شکافهای ذکر شده در بالا، این مقاله یک مدل ریاضی چندهدفه برای بازطراحی شبکه زنجیره تامین معکوس ارائه میدهد. مدل این امکان را میدهد که برای بازیافت محصولات چندگانه از رویکرد قوی پایدار استفاده شود. مدل توضیح داده شده دارای ویژگیهای زیر است:
مدل ارائهشده برای بازطراحی زنجیرهتامین بازیافت پلاستیک در کوبا اجرا شده است. در این کشور، فعالیت های لجستیکی معکوس توسط سازمان دولتی بازیافت مواد خام(ERMR) مدیریت میشود. در سالهای اخیر ، تولید ضایعات افزایش داشته است و بالطبع بایستی طراحی کنونی زنجیرهتامین بازیافتی بازنگری شود؛ بخصوص بازیافت پلاستیک که فرصت تجاری بزرگی را نه فقط از دیدگاه سود اقتصادی بلکه به دلیل تاثیرات محیطی و اجتماعی ، فراهم می اورد.بر اساس ایجاد توازن بین هر 3 هدف در نظر گرفته شده ، مدل و نتایج آن اطلاعات سودمندی را برای پشتیبانی تصمیمات استراتژیک تهیه میکند و در مطالعه موردی ، احداث 2 کارخانه جدید برای بهبود عملکرد زنجیرهتامین پایدار فعلی پیشنهاد میدهد.
پیشینه پژوهش
زنجیرهتامین شبکهای از سازمانها، جریان مواد، سرمایه، خدمات و اطلاعات از تامینکننده اصلی تا مشتری نهایی است و هدف اصلی آن ایجاد ارزش اقتصادی برای مشتریان و ذینفعان است. براساس نظر( 2013)Autry et al.، از منظر تحقیق در عملیات، طراحی شبکه زنجیرهتامین موضوعی است که مکان بهینه تسهیلات و اندازه بهینه و جریان بین آنها را مشخص میسازد. برخلاف طراحی شبکه، بازطراحی شبکه زنجیرهتامین با یک زنجیرهتامین موجود شروع شده و هدف آن دستیابی به یک پیکرهبندی جدید شبکه است. اگرچه طراحی شبکه زنجیرهتامین از مسایلی است که پیشینه تحقیقاتی قوی دارد ولی حل های متداول برای آن بیشتر بر بهبود سود اقتصادی تکیه کردهاند و کمبود در موضوعات اجتماعی و محیطی وجود دارد. در نتیجه، یکپارچهکردن سه هدف پایداری در شبکه زنجیرهتامین به عنوان یک موضوع پژوهشی پدیدار شد که بعنوان طراحی شبکه زنجیرهتامین پایدار شناخته میشود. یکی از مسایل مرتبط با شبکه زنجیرهتامین، لجستیک معکوس است که به صورت زیر تعریف میشود:
"اجزای مشخص از لجستیک که تمرکز بر جابجایی و مدیریت محصولات و منابع بعد از فروش و پس از تحویل به مشتری که شامل بازگشت محصول توسط مشتری برای تعمیر یا ضمانت (خدمات پس از فروش)".
برای توسعه شبکه زنجیرهتامین و بهبود زنجیرهتامین فعلی، لجستیک معکوس محصولات برگشتی را بجای درنظر رفتن بعنوان ضایعات، آن را مواد اولیه تولیدات جدید در نظر میگیرد که با فعالیتهای استفاده مجدد، تعمیر، بازیافت و مونتاژ برای تولید دوباره سروکار دارد. اگرچه طراحی شبکه زنجیرهتامین پایدار یک موضوع جدید است، Kannegiesser andGünther (2014) یک چارچوب جامع برای بهینهسازی آن با درنظر گرفتن اهداف سهگانه ارائه کرده است. بسیاری از مقالات بر موضوع طراحی شبکه پایدار تمرکز داشته اند و کمبود مدلهای بازطراحی دیده میشود. در مدلهای ارائه شده توسط Bing(2015)و Razm(2013) که بازطراحی شبکه را ارائه کرده بودند، فقط دو سطح از تصمیمات استراتژیک را درنظر گرفتهاند و در مدل Bing عملکرد اجتماعی و در مدل Razm جنبههای محیطی دیده نمیشود.
تعریف مساله:
شمای کلی شبکه زنجیرهتامین معکوس در شکل 1 نشان داده شده است که در آن جریان مواد از تهیه کنندگان ضایعات بعنوان مواد خام (i) شروع شده و در مراکز جمعآوری (j) جمع میشوند که در این مکانها مواد دستهبندی شده و به کارخانههای بازیافت (K) فرستاده میشود. در آخر محصولات بازیافتی در بین مشتری نهایی (L) توزیع میشود. برای بهینهسازی مدل سه هدف ارائه شده است که این اهداف سه گانه شامل هزینه های عملیاتی، تاثیرات محیطی و خدمت دهی به مشتریان میباشد.
هدف: ایجاد جریان مواد در طول شبکه زنجیرهتامین، مقدار و مکان تسهیلات و مدل حالت های حملونقل است به صورتیکه:
مفروضات مساله:
مدل ریاضی:
هدف: دستیابی به یک تعادل بین هزینههای زنجیرهتامین، تاثیرات محیطی و خدمات مشتری است. معادله 1 هزینه کل را بیان میکند که شامل هزینههای متغیر و ثابت عملیاتی در مراکز جمعآوری و مراکز بازیافت بعلاوه هزینههای حملونقل در شبکه است. این مدل با سه جز اصلی در ارزیابی تاثیر محیطی درگیر است: اولین آنها استفاده از ضایعات بهعنوان مواد اولیه، دومین آنها تاثیرات محیطی زنجیرهتامین همانند انرژی و مصرف آب، آلودگی بخاطر حالتهای مختلف حملونقل و سومین آنها استفاده مثبت و بهینه از جمعآوری ضایعات در محل دفن زبالههاست. اهداف اجتماعی موردنظر را با سطح سرویس خدمات نشان میدهند.
محدودیت ها:
محدودیتهای 4-6، جریان مواد در طول شبکه زنجیرهتامین را تضمین میکنند، اگرچه آنها امکان تجمع موجودی در هر مرکز جمعآوری و کارخانجات بازیافتی را دارند. از اینرو محاسبه ظرفیت مراکز جمعآوری یکی از اهداف مدل است که ظرفیت را باید نامحدود در نظر گرفت. محدودیتهای 7 و 8 وظیفه جلوگیری از فراتر رفتن محدودیت ظرفیت کارخانجات بازیافت و تقاضای نهایی را برعهده دارند. محدودیتهای 9-11 یک توازن بین دو تسهیل را با درنظرگرفتن میزان و تعداد جابجاییها حفظ میکنند. تعداد انتقالها را باید مقداری گسسته در نظر گرفت و برای حفظ شدنیبودن مدل مجموعهای از متغیرهای کمبود به مدل اضافه میشود. محدودیتهای 12-14 تضمین میکنند که متغیرهای کمبود فقط بر تفاوت بین تعداد انتقال ها تمرکز میکنند. محدودیت 15 تعداد سفرها برای هر حالت حمل و نقل را محدود میکند که این مقدار به فعالیتهای نگهداری و زمان در دسترس هر فعالیت و راننده آنها وابسته است. محدودیتهای 16-17 بیان میکند که متغیرهای باینری درصورتی یک درنظر گرفته میشوند که یک مرکز جمعآوری مشخص یا کارخانه بازیافت در مدل استفاده شود. در اخر محدودیت مربوط به متغیرها به صورت زیر بیان میشود:
ارزیابی کارایی
برای انتخاب بهترین جایگزین بازطراحی شبکه زنجیرهتامین، معیار ارزیابی مبتنی بر رویکرد پایداری قوی لازم است. از این رو شاخصی ارائه میشود که افزایش سطح سرویس خدمات به مشتری را بدون تاثیر بر عملکردهای محیطی با اقتصادی بیان میکند. علاوه بر این، زنجیرهتامین شاخص مشخصی را تحت عدم قطعیت در منابع ضایعاتی و تقاضای محصولات بازیافتی درنظر میگیرد. سطح سرویسدهی به مشتریان (CSL)، احتمال برآورده نکردن نیاز مشتریان تعریف میشود که اغلب نیازها به خدمات پس از فروش، سطح اطمینان خدمات و انعطافپذیری اشاره دارد.
احتمال برآورده نکردن نیاز مشتریان با در نظرگرفتن حل Zو یک سناریو مشخص از منابع یا همان ضایعات و تقاضا برای مصرف محصولات بازیافتی را نشان میدهد. D تقاضای نهایی مشتری L برای محصول P در سناریو S و f میزان عملکرد هدف سوم برای حل را نشان میدهد. چون هم تقاضا و هم منابع پارامترهای احتمالی هستند، محدودیتها ترکیبات مختلفی از CSL را تولید میکنند. بنابراین معادله زیر امید ریاضی از CSL مورد انتظار را به دست میآورد که در آن PB احتمال وقوع سناریو S و DC ، DA به ترتیب متغیرهای عملکرد اقتصادی و محیطی هستند.
استفاده از CSL در این مقاله به دو علت است:
1. رویکرد قوی پایدار تضمین میکند که حداکثر سطح خدمات بدون تاثیر بر اهداف محیطی و اقتصادی است.
2. عدم قطعیت در تولید ضایعات بعنوان مواد خام و تقاضا برای محصولات بازیافتی یک موضوع مهم و موثر است.
حل
مدل ارائه شده مساله غیرخطی مختلط و عدد صحیح چند هدفه تحت عدم قطعیت است. براساس نظر Brige(2011) ابتدا متغیرهای باینری تصمیمگیری برای پیکرهبندی زنجیرهتامین مشخص میشوند و سپس متغیرهای صحیح و پیوسته مربوط به حجم محصولات و جابجاییها نشان داده میشود. در شکل شماره 2 شمای کلی فرآیند بهینهسازی نشان داده شده است. اولین بهینه سازی p1 برای نشان دادن اهداف چندگانه از روش e-constraint استفاده شده است و دردومین مرحله بهینهسازی p2 عملکرد موردانتظار برای هر حل (امیدریاضی CSL) محاسبه شده و توسط محدودیتهای مدل به روزرسانی میشود.
SCIP ذکر شده در شکل شماره 2، یک نرم افزار بهینه سازی برنامه ریزی مختلط است که چارچوب کلی آن براساس روش شاخه و کران است و روش محدودیت یکی از رویکردهای شناخته شده برای مواجه با مسایل چند هدفه با انتقال تمامی توابع هدف به جز یکی از آنها در هر مرحله به محدودیت به حل این نوع مسایل میپردازد.
بنابراین یک مجموعه حل بهینه بعنوان حد پارتویی تهیه میشود که در آن X مجموعهای از متغیرهای تصمیم و S فضای شدنی است و همچنین f1(x)و f2(x) و f3(x) توابع هدف هستند:
Min f1(x) ^ Max (f2(x),f3(x))
اگرچه چندین روش حل برای مسایل چندهدفی در دسترس است اما یکی از بهترین روشها e-constraint است. این روش یک تابع هدف را بعنوان هدف اصلی و مابقی توابع را بعنوان محدودیت در مدل اعمال می کند و مدل را بهینه میکند. حد پارتو با اصلاح پارامترها در سمت راست توابعی تبدیل شده به محدودیت و بهینهسازی هر مدل به دست میآید. پس مساله موردنظر به یک مدل تک هدفه تبدیل میشود که در معادله 23 نشان داده شده است. برای تعیین پارامترهای سمت راست محدودیتها از ماتریس F استفاده میشود که در آن:
به صورت متوالی این فرایند برای بهینهسازی مدل در دو هدف دیگر تکرار میشود. با استفاده از این ماتریس میزان اکسترمم توابع به دست می آید و مقدار بهینه توابع هدف بعنوان خروجی بهینهسازی اولیه شناخته میشود.
ایجاد سناریو:
با بهینهسازی اولیه، مجموعهای از حلها برای پیکرهبندی زنجیرهتامین به دست میآید. بعلت احتمالی بودن تقاضا و ضایعات، میزان و مکان تسهیلات باید برای تحلیل سناریوهای مختلف پایدار باشد. برای هر ترکیب از متغیرها (ضایعات و تقاضا)، هر سناریو باید طرحی از هزینهها و عملکردهای محیطی از وضعیت زنجیرهتامین فعلی ایجاد کند. هر سناریو از ترکیبات زیر تشکیل شده است:
به روز رسانی مدل:
پیکرهبندی شبکه به دست آمده و حل بهینه اولیه بعلاوه سناریوهای تهیه شده، پارامترهایی را ارائه میکند که عملکرد زنجیرهتامین را محدود میکند. بنابراین محاسبه عملکرد برای هر حل، نیازمند بهینهسازی هر یک از مدلهای بهینهسازی شده مبتنی بر پارامترهاست. در این مرحله متغیرهای باینری که مقدار یک را به خود گرفتهاند در مدل به روزرسانی شده و بقیه از مدل حذف میشوند. همچنین تولید ضایعات و تقاضا باید در هر سناریو به روزرسانی شود. برای این منظور، تولید ضایعات تجمعی Gs و تقاضا Ds به دست آمده برای هر سناریو، باید برای هر محصول بین تامینکننده و مشتری توزیع شود به صورتی که:
بهینه سازی دوم:
حل p1 این تضمین را نمیدهد که پیکرهبندی زنجیرهتامین عملکردی پایدار برای سناریوهای محتملتر ایجاد میکند. از این رو بهینهسازی دوم برای ایجاد توازن مناسب بین سه هدف به کار میرود. برای هر حل z و هر سناریو s معادله باید حل شود و محدودیتها برای هر حل z و سناریو s به روزرسانی شوند. هر حل به دست آمده شامل مجموعهای از تصمیمات تخصیص ظرفیت، مکانیابی تسهیلات و انتخاب حالت حملونقل است. علاوه بر این برای هر سناریو باید یک ترکیب مشخص از تولید ضایعات و تقاضا تعریف شود. زمانیکه بهینهسازی دوم اجرا شود، CSL محاسبه میشود. در نهایت زمانی که تمام CSL برای حل Z به دست آمد، با اعمال امید ریاضی، مقدار مورد انتظار محاسبه میشود.
مطالعه موردی: نتایج و تحلیل
مدل ارائه شده در کشور کوبا برای بازطراحی زنجیره تامین بازیافت پلاستیک پیادهسازی شده است. شبکه زنجیره تامین موجود، دارای 18 تامینکننده ضایعات، یک کارخانه بازیافتی و 18 مشتری است. علاوه بر این، ناوگان حمل و نقل ناهمگن است. در کل کارخانجات بازیابی و فروش دارای 3 محصول هستند.
ارزیابی اولیه شبکه زنجیرهتامین چندین مشکل را نشان میدهد که نامتوازنبودن جریان مواد بین تسهیلات و کمبود در ظرفیت حملونقل را بیان میکند. هزینههای عملیاتی زنجیرهتامین 831999$ در سال است. تاثیر محیطی در نتیجه استفاده از بازیافت پلاستیک با شاخص 99، 360772 در سال است. زنجیره تامین درنظرگرفته شده شامل کارخانه بازیافت فعلی و دو کارخانه جدید است. پس از پیاده سازی مدل، زنجیرهتامین جدید شامل 18 تامینکننده ، 3 کارخانه بازیافت و 18 مشتری است. علاوه بر این، برای بازگشایی 14 مرکز جمعآوری تاثیر تمرکز موجودی زنجیره تامین در مناطق جدید مورد تحلیل قرار گرفت.
3 حالت حملونقل با ظرفیتهای متفاوت در دسترس است: حجم پایین 8.5 تن، حجم متوسط 20تن، حجم بالا 20تن. عدم قطعیت در تامین و تقاضا با استفاده از9سناریو تحلیل شده است. هر سناریو احتمال وقوع یک ترکیب مشخص از تامین و تقاضا را تهیه میکند.
مدل با نرمافزار متلب حل شده است. برای مثال شکل شماره 3 نتایج به دست آمده را به صورت خلاصه برای سناریو 1 نشان داده شده است. شکل 3a نشان میدهد که هزینههای عملیاتی با رشد فروش و استفاده بیشتر از منابع افزایش یافته است. در شکل 3b تاثیر چندین ترکیب مختلف از تاثیرات محیطی و فروش را نشان میدهد. شکل 3c نشان میدهد که در صورت استفاده از مواد بازیافتی، تاثیرات محیطی بیشتر و هزینه عملیاتی بیشتری در شبکه مشاهده میشود. در 3d یک پیکرهبندی زنجیرهتامین مشخص و بهینهسازی سه گانه توابع هدف را نشان میدهد.
شکل شماره 4 عملکرد مورد انتظار برای بهینهسازی 25راهحل در سناریو 1 را نشان میدهد. نتایج نشان میدهد که حل 1 تا 4 نشدنی هستند چراکه سطح خدمات و فروش صفر هستند. حل 6 و 11 و 16 در سطح متوسط هستند که ناکافی است. در مقابل حل های 5 و 10 و 15 و20 و 25 بهترین عملکرد موردانتظار را داشتهاند. سایر حلها، 80% به حل مورد انتظار نزدیک بودهاند. در جدول شماره 6 زمانی که زنجیره تامین موجود با زنجیره تامین پیشنهادی مقایسه میشود، هزینههای عملیاتی 20.9% کاهش داشته است و به صورت همزمان تاثیرات محیطی تقریبا 20 مرتبه بهتر شده است و سطح خدمات مشتری بهبود یافته است. این نشان میدهد که شبکه ارائه شده در تمام اهداف عملکردی قوی داشته است.
نتیجه گیری:
به دلیل پیچیدگیهای طراحی شبکه زنجیرهتامین، شکافهای دانشی مختلفی وجود دارد. از یک طرف، مدلسازی ریاضی در حوزه پیامدهای اجتماعی موضوعی است که حل نشده و میتواند فرصت بسیار خوبی برای بهبود عملکرد زنجیرهتامین باشد. از سوی دیگر، تحلیل عدم قطعیت در پارمترهای دیگر مثل قیمت، هزینههای تولیدی و کیفیت مواد بازیافتی موضوعاتی است که میتواند در مطالعات آینده در نظر گرفته شود.