An integrated planning model for multi-supplier, multi-facility, multi-customer, multi-product and multi-period : application to the wood furniture industry

Typiquement, un réseau de création de valeur dans l'industrie du meuble en bois, est composé de fournisseurs de billes de bois, de scieries, de séchoirs, d'usines de meubles, de centres de distribution et de détaillants. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude du réseau qui assure l'approvisionnement des usines de meubles en bois. La problématique à laquelle font face les entreprises de ce réseau se situe principalement au niveau de la synchronisation des flux de matière. Ces derniers doivent respecter les contraintes de capacité, de procédés, de transport et la diversité des produits, pour satisfaire la demande. La planification, dans ce contexte, repose sur une vision locale ce qui affecte la performance globale du réseau. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de planification intégrée dans un contexte, multifoumisseurs, multiusines, multiproduits, multiclients et multipériodes, qui vise la synchronisation des flux, et la maximisation de la performance globale tout en respectant les différentes contraintes du réseau. Nous proposons un modèle générique du problème de planification intégrée qui permet de déterminer les décisions tactiques d'approvisionnement, d'inventaire, de flux de matière et de sous-traitance. Ce modèle est un programme linéaire mixte en nombres entiers de grande taille. Nous avons développé une heuristique basée sur la décomposition dans le temps qui exploite l'aspect multipériodes du problème de planification. Nous avons aussi proposé deux solutions basées sur la décomposition de Benders et la décomposition croisée pour réduire le temps de résolution. Enfin, ce modèle a été validé en utilisant les données réelles de l'entreprise partenaire du projet et les résultats, montrent des réductions potentielles du coût total des opérations de l'ordre de 22%. L'approche de planification intégrée adoptée ainsi que les méthodes de résolution proposées dans cette thèse peuvent être exploitées pour la planification des réseaux dans d'autres secteurs d'activités ayant des similarités avec la problématique traitée dans cette thèse

Supply chain management of the Canadian Forest Products industry under supply and demand uncertainties: a simulation-based optimization approach

The Canadian forest products industry has failed to retain its competitiveness in the global markets under stochastic supply and demand conditions. Supply chain management models that integrate the two-way flow of information and materials under stochastic supply and demand can ensure capacity-feasible production of forest industry and achieve desired customer satisfaction levels. This thesis aims to develop a real-time decision support system, using simulation-based optimization approach, for the Canadian forest products industry under uncertain market supply and demand conditions. First, a simulation-based optimization model is developed for a single product (sawlogs), single industry (sawmill) under demand uncertainty that minimizes supply chain costs and finds optimum inventory policy parameters (s, S) for all agents. The model is then extended to multi-product, multi-industry forest products supply chain under supply and demand uncertainty, using a pulp mill as the nodal agent. Integrating operational planning decisions (inventory management, order and supply quantities) throughout the supply chain, the overall cost of the supply chain is minimized. Finally, the model integrates production planning of the pulp mill with inventory management throughout the supply chain, and maximizes net annual profit of the pulp mill. It was found that incorporation of a merchandizing yard between suppliers and forest mills provides a feasible solution to handle supply and demand uncertainty. Although the merchandizing yard increases the total daily cost of the supply chain by $11,802 in the single industry model, there is a net annual cost saving of$17.4 million in the multi-product, multi-industry supply chain. Under supply and demand uncertainty without a merchandizing yard, the pulp mill is only able to operate at 10% of its full capacity and achieve a customer satisfaction level of 9%. The merchandizing yard ensures pulp mill running capacity of 70%, and customer satisfaction level of at least 50%. However, the merchandizing yard is economically viable only, if the sales price of pulp is at least $680 per tonne. Efficient and effective management of inventory throughout the supply chain, integrated with production planning not only ensures continuous operation of forest mills, but also significantly improves the customer satisfaction

New decision support tools for forest tactical and operational planning

Doutoramento em Engenharia Florestal e dos Recursos Florestais - Instituto Superior de AgronomiaThe economic importance of the forest resources and the Portuguese forest-based industries motivated several studies over the last 15 years, particularly on strategic forest planning. This thesis focuses on the forest planning processes at tactical and operational level (FTOP). These problems relate to harvesting, transportation, storing, and delivering the forest products to the mills. Innovative Operation Research methods and Decision Support Systems (DSS) were developed to address some of these problems that are prevalent in Portugal. Specifically, Study I integrates harvest scheduling, pulpwood assortment, and assignment decisions at tactical level. The solution method was based in problem decomposition, combining heuristics and mathematical programming algorithms. Study II presents a solution approach based on Revenue Management principles for the reception of Raw Materials. This operational problem avoids truck congestion during the operation of pulpwood delivery. Study III uses Enterprise Architecture to design a DSS for integrating the operations performed over the pulpwood supply chain. Study IV tests this approach on a toolbox that handled the complexity of the interactions among the agents engaged on forest planning at regional level. Study V proposes an innovative technological framework that combines forest planning with forest operations' control

Transportation Optimization in Tactical and Operational Wood Procurement Planning

RÉSUMÉ : L'économie canadienne est dépendante du secteur forestier. Cependant, depuis quelques années, ce secteur fait face à de nouveaux défis, tels que la récession mondiale, un dollar canadien plus fort et une baisse significative de la demande de papier journal. Dans ce nouveau contexte, une planification plus efficace de la chaîne d'approvisionnement est devenue un élément essentiel pour assurer le succès et la pérennité du secteur. Les coûts de transport représentent une dépense importante pour les entreprises forestières. Ceci est dû aux grands volumes de produits qui doivent être transportés sur de grandes distances, en particulier dans le contexte géographique d'un grand pays comme le Canada. Même si les problèmes de tournée de véhicules sont bien couverts dans la littérature, le secteur forestier a beaucoup de caractéristiques uniques qui nécessitent de nouvelles formulations des problèmes et des algorithmes de résolution. À titre d’exemple, les volumes à transporter sont importants comparés à d’autres secteurs et il existe aussi des contraintes de synchronisation à prendre en compte pour planifier l'équipement qui effectue le chargement et le déchargement des véhicules. Cette thèse traite des problèmes de planification de la chaîne logistique d'approvisionnement en bois: récolter diverses variétés de bois en forêt et les transporter par camion aux usines et aux zones de stockage intermédiaire en respectant la demande pour les différents produits forestiers. Elle propose trois nouvelles formulations de ces problèmes. Ces problèmes sont différents les uns des autres dans des aspects tel que l'horizon de planification et des contraintes industrielles variées. Une autre contribution de cette thèse sont les méthodologies développées pour résoudre ces problèmes dans le but d’obtenir des calendriers d’approvisionnement applicables par l’industrie et qui minimisent les coûts de transport. Cette minimisation est le résultat d’allocations plus intelligentes des points d'approvisionnement aux points de demande, d’une tournée de véhicules qui minimise la distance parcourue à vide et de décisions d'ordonnancement de véhicules qui minimisent les files d’attentes des camions pour le chargement et le déchargement. Dans le chapitre 3 on considère un modèle de planification tactique de la récolte. Dans ce problème, on détermine la séquence de récolte pour un ensemble de sites forestiers, et on attribue des équipes de récolte à ces sites. La formulation en programme linéaire en nombres entiers (PLNE) de ce problème gère les décisions d'inventaire et alloue les flux de bois à des entrepreneurs de transport routier sur un horizon de planification annuel. La nouveauté de notre approche est d'intégrer les décisions de tournée des véhicules dans la PLNE. Cette méthode profite de la flexibilité du plan de récolte pour satisfaire les horaires des conducteurs dans le but de conserver une flotte constante de conducteurs permanents et également pour minimiser les coûts de transport. Une heuristique de génération de colonnes est créée pour résoudre ce problème avec un sous-problème qui consiste en un problème du plus court chemin avec capacités (PCCC) avec une solution qui représente une tournée de véhicule. Dans le chapitre 4, on suppose que le plan de récolte est fixé et on doit déterminer les allocations et les inventaires du modèle tactique précédent, avec aussi des décisions de tournée et d'ordonnancement de véhicules. On synchronise les véhicules avec les chargeuses dans les forêts et dans les usines. Les contraintes de synchronisation rendent le problème plus difficile. L’objectif est de déterminer la taille de la flotte de véhicules dans un modèle tactique et de satisfaire la demande des usines avec un coût minimum. Le PLNE est résolu par une heuristique de génération de colonnes. Le sous-problème consiste en un PCCC avec une solution qui représente une tournée et un horaire quotidien d'un véhicule. Dans le chapitre 5, on considère un PLNE du problème similaire à celui étudié dans le chapitre 4, mais dans un contexte plus opérationnel: un horizon de planification d'un mois. Contrairement aux horaires quotidiens de véhicules du problème précédent, on doit planifier les conducteurs par semaine pour gérer les situations dans lesquelles le déchargement d’un camion s’effectue le lendemain de la journée où le chargement a eu lieu. Cette situation se présente quand les conducteurs travaillent la nuit ou quand ils travaillent après les heures de fermeture de l'usine et doivent décharger leur camion au début de la journée suivante. Ceci permet aussi une gestion plus directe des exigences des horaires hebdomadaires. Les contraintes de synchronisation entre les véhicules et les chargeuses qui sont présentes dans le PLNE permettent de créer un horaire pour chaque opérateur de chargeuse. Les coûts de transport sont alors minimisés. On résout le problème à l’aide d’une heuristique de génération de colonnes. Le sous-problème consiste en un PCCC avec une solution qui représente une tournée et un horaire hebdomadaire d’un véhicule.----------ABSTRACT : The Canadian economy is heavily dependent on the forestry industry; however in recent years, this industry has been adapting to new challenges including a worldwide economic downturn, a strengthening Canadian dollar relative to key competing nations, and a significant decline in newsprint demand. Therefore efficiency in supply chain planning is key for the industry to succeed in the future. Transportation costs in particular represent a significant expense to forestry companies. This is due to large volumes of product that must be transported over very large distances, especially in the geographic context of a country the size of Canada. While the field of vehicle routing problems has been heavily studied and applied to many industries for decades, the forestry industry has many unique attributes that necessitate new problem formulations and solution methodologies. These include, but are not limited to, very large (significantly higher than vehicle capacity) volumes to be transported and synchronization constraints to schedule the equipment that load and unload the vehicles. This thesis is set in the wood procurement supply chain of harvesting various assortments of wood in the forest, transporting by truck to mills and intermediate storage locations, while meeting mill demands of the multiple harvested products, and contributes three new problem formulations. These problems differ with respect to planning horizon and varied industrial constraints. Another contribution is the methodologies developed to resolve these problems to yield industrially applicable schedules that minimize vehicle costs: from smarter allocations of supply points to demand points, vehicle routing decisions that optimize the occurrence of backhaul savings, and vehicle scheduling decisions that minimize queues of trucks waiting for loading and unloading equipment. In Chapter 3, we consider a tactical harvest planning model. In this problem we determine the sequence of the harvest of various forest sites, and assign harvest teams to these sites. The MILP formulation of this problem makes inventory decisions and allocates wood flow to trucking contractors over the annual planning horizon, subject to demand constraints and trucking capacities. The novel aspect of our approach is to incorporate vehicle routing decisions into our MILP formulation. This takes advantage of the relatively higher flexibility of the harvest plan to ensure driver shifts of desired characteristics, which is important to retain a permanent driver fleet, and also prioritize the creation of backhaul opportunities in the schedule. A branch-and-price heuristic is developed to resolve this problem, with the subproblem being a vehicle routing problem that represents a geographical shift for a vehicle. In Chapter 4, we assume the harvest plan to be an input, and integrate the allocation and inventory variables of the previous tactical model with vehicle routing and scheduling decisions, synchronizing the vehicles with loaders in the forests and at the mills. The synchronization constraints make a considerably more difficult problem. We use this as a tactical planning model, with no specific driver constraints but a goal of determining vehicle fleet size to maximize their utilization. The objective is to meet mill demands over the planning horizon while minimizing transportation and inventory costs, subject to capacity, wood freshness, fleet balancing, and other industrial constraints. The MILP formulation of the problem is resolved via a column generation algorithm, with the subproblem being a daily vehicle routing and scheduling problem. In Chapter 5, we consider a similar problem formulation to that studied in Chapter 4, but set in a more operational context over a planning horizon of approximately one month. Unlike the daily vehicle schedules of the previous problem, we must schedule drivers by week to manage situations of picking up a load on one day and delivering on another day, which is necessary when drivers work overnight shifts or when they work later than mill closing hours and must unload their truck on the next day's shift. This also allows for more direct management of weekly schedule requirements. Loader synchronization constraints are present in the model which derives a schedule for each loader operator. Given mill demands, transportation costs are then minimized. We resolve the problem via a branch-and-price heuristic, with a subproblem of a weekly vehicle routing and scheduling problem. We also measure the benefits of applying interior point stabilization to the resource synchronization constraints in order to improve the column generation, a new application of the technique

Cadre de planification de la chaîne logistique basé sur la représentation des procédés pour l'amélioration de la rentabilité de l'industrie des pâtes et papiers

Concepts de la gestion de la chaîne logistique -- Application des concepts de SCM en P & P -- Planification et ordonnancement de la SC -- Rôle des technologies de l'information -- Modélisation des coûts des opérations manufacturières -- Synthèse de la revue de littératue -- Objectifs des travaux -- Méthodologie de recherche -- Définition de l'étude de cas -- Stratégie générale de la synthèse -- Planification de la SC (phase A) -- Modélisation des coûts axée sur les opérations (phase B) -- Approche de gestion de la SC axée sur les marges (phase C)

Forest management-consideration of multiple objectives

In Canada, as a major forested country, forest resources provide significant environmental, social, and economic values. Hence, consideration of multiple often-conflicting criteria in forest management planning has become a necessity rather than a special case. Since 2013, a new forest management regime came to effect in the province of Quebec, Canada where the Ministry of Forests, Fauna, and Parks (MFFP) became responsible for preparing and implementing integrated forest development plans. In order for the MFFP to take local needs and goals into account usually multiple objectives need to be targeted. So, the main objective of this thesis is to analyze and to propose new business models for forest management planning addressing several key factors. The first part of the thesis includes a review of a number of planning methods and decision support systems for tactical decisions in the forest-based value creation network. In the second part of the thesis, we have proposed a multi-objective optimization model for the problem of selection of harvest areas and allocation of timber to wood-processing mills over 5-year planning horizon. This model has been used to analyze a tactical forest management plan in Quebec. The forest management unit 07451 inside region 7, Outaouais in western Québec was considered as our case study. The solution of the proposed multi-objective model was compared with the traditional cost minimization strategy. Also, the impacts of logistics constraints were assessed. Finally, in the third part of the thesis we have proposed a planning support tool to group the harvest areas in a way that the spatial dispersion of the clusters is reduced, meaning the logistics of moving the machinery between areas in each cluster becomes more efficient. The results from the three parts of the thesis have demonstrated that simultaneous consideration of some important objectives in the tactical forest management could lead to a more balanced and economically sustainable plan, in addition systematical cluterization of harvest areas will reduce the spatial dispersion of the harvest areas that a typical harvesting team has to cut, which consequently reduce the time and cost of movement of harvesting machineries among the areas for the team. In general, the work in this thesis can support an efficient forest management plan considering multiple objectives and minimizing the spatial dispersion of harvest areas that a harvesting team would cut. The optimization models and approaches proposed in this thesis are novel and practical for the forest management planning problems

Opportunities and challenges for decision support systems in log truck scheduling and dispatching

The transportation of logs from the forest to the mill accounts for 25-50% of the delivered cost of wood, depending mostly on haul distance. Decision support systems (DSS) for log truck scheduling and dispatching have the potential to reduce transportation costs by optimally constructing routes, also known as schedules for each truck in the fleet. The benefits that are typically achieved from DSS for log truck scheduling and dispatching include increases in capacity through reductions in the total vehicle miles traveled and the number of trucks needed to service all customer loads. Research has shown that the cost reductions expected from implementation could be five percent or more depending on the efficiency of the existing transportation system and the spatial arrangement of log sources and destinations. There have been implementations of DSS for log truck scheduling and dispatching in the United States and elsewhere in the past, but the adoption of these systems has been slow. Most of the research involving DSS for log truck scheduling and dispatching focuses on the development of better solution methods for the log truck scheduling problem (LTSP); however, less attention has been paid to identifying the challenges that are slowing the adoption of DSS. This project aims to identify the unique characteristics of the forest industry related to log transportation and management, evaluate the existing technologies for log truck scheduling and dispatching, assess the availability of DSS for log truck scheduling and dispatching, and determine the challenges and opportunities of implementing DSS for log truck scheduling and dispatching in the Pacific Northwest

Évaluation comparative d'approches de pilotage dans une chaîne logistique forestière

La forêt représente une source avantageuse et renouvelable de matières premières, en nourrissant notamment les activités de production, de construction et de consommation tout en assurant une dynamique économique. Ainsi, l’industrie forestière se caractérise par un réseau logistique complexe soumis à un ensemble de particularités dont un besoin de plus en plus criant en personnalisation du produits, une demande méconnue et incertaine pour certains marchés et une concurrence mondiale en effervescence. Ce réseau est composé par un ensemble de nœuds inter-reliés de flux de matières, d’informations et de transactions financières. Dans ce contexte, cette thèse traite la problématique de la planification et du contrôle des activités logistique d’une chaîne de valeur forestière. Il s’agit d’un réseau qui rassemble les activités nécessaires pour le déplacement des matières premières et leur transformation en produits finis destinés aux clients afin de satisfaire leurs besoins. Notre contribution à travers ce projet est de développer des modèles de planification permettant aux preneurs de décision d’interagir de façon à mieux collaborer, coordonner leurs activités et améliorer leurs manières d’échanger l’information afin de satisfaire la demande du client, développer un avantage concurrentiel durable, et réduire les coûts. Pour que l’industrie forestière puisse atteindre de tels objectifs, nous proposons une méthodologie composée par trois contributions. La première contribution propose un modèle mathématique centralisé dont l’objectif est de maximiser le profit total d’une chaîne de valeur forestière et de déterminer certains paramètres de décision tels que les volumes à récolter et à stocker ainsi que les quantités à livrer. La deuxième contribution présente le développement de modèles coordonnés de même qu’une analyse de performance théorique et statistique de façon à dégager une approche qui permette de planifier et de contrôler plus efficacement les activités d’approvisionnement forestier. La troisième contribution propose une stratégie conceptuelle de mise en place ainsi qu’une plate-forme technologique pour une approche de pilotage considérée bénéfique dans le cadre de la chaîne de valeur forestière à l’étude.The forest is a beneficial and renewable source of raw materials that ensures an economic dynamic. Thereby, the forest industry is characterized by a complex logistics network that is subject to a number of unique factors, such as: a growing need for customization of products, an unrecognized and uncertain demand for a few markets, and fierce global competition. This industry also encompasses a set of interconnected nodes for materials, information, and financial transactions. In this context, this thesis deals with the planning and control of the logistic activities of a forest value chain. It is a network that puts together the needful activities to move the raw materials and process them into finished products for customers. Our contribution through this project is to establish planning models that enable decision-makers to better coordinate their activities and improve their ways of exchanging information between each other in order to meet customer needs, build sustainable competitive advantage, and reduce costs In order to help the forest industry to achieve such objectives, we propose a methodology including three contributions. The first one suggests a centralized mathematical model then maximizes the total profit of a forest value chain by optimizing the quantities to be harvested and stored as well as the ones to be delivered. The second contribution is based on coordinated models that allow for more effective planning and control of forestry supply activities. The third contribution offers a conceptual implementation strategy and at the same time a technological platform which should be helpful to support the implementation of the coordination models developed